城际干道的可变车道优化及自适应控制

杨碧原，蔡建荣，杨子龙，旷 恺，赵衡广，卢康林

(湖南城市学院 土木工程学院，湖南 益阳 413000)

为提高道路资源利用效率，缓解交通流方向性不均衡带来的交通延误和拥堵，国内外不少学者对可变车道问题进行了深入研究[1-5].Wolshon等[6]对可变车道设置能够解决的问题进行了分析，指出在可变车道应用前，需要提前作好相应的规划，特别是长远考虑可变车道优化的各种优缺点及各类费用.Dey 等[7]从基础设施利用率、安全、经济发展的角度考虑城市建成区中的固有约束以及交通管理部门施加的运行约束，对特定区域的可变车道设置方案进行了研究.Waleczek 等[8]研究了可变车道系统对交通流和道路安全的影响，认为可变车道系统是一种实用、安全的智能交通管理工具.上述关于可变车道的研究均没有考虑到路权重新分配中车道数对道路通行能力的影响，而实际上，随着车道数的增加，车辆换道概率增加，平均每条车道的通行能力是边际递减的[9-10].蔡建荣等[11]针对路段车道数对通行能力折减的影响研究了可变车道路网优化方法.岳雷等[12]对上海世博会召开期间实施可变车道调节的必要性及可行性进行了论证，并对具体的实施方案进行了研究.然而，当前国内外对可变车道的控制方法主要还是通过交通管理部门根据经验采取相应的可变车道定时优化的措施，不能机动灵活地处理交通量随时间变化的可变车道优化问题.

因此，为了充分利用轻交通流方向的道路资源，发挥可变车道系统对交通量实时变化的自适应功能，减少路段总出行时间，本文考虑路段车道数对通行能力折减的影响，建立符合路段实际运行情况的BPR 函数，提出了基于路段交通量实时监控可变车道自适应控制系统.

1 城际干道可变车道设置条件

城际干道可变车道设置条件为：

1)潮汐现象明显.路段双向车流量有明显差异，一个方向车流量较小而另一个方向车流量较大，甚至出现拥堵的路段.

2)路段双向至少有3 车道.本文主要考虑城际干道，因此在每个方向至少有1 条车道的基础上，还至少有1 条车道可用于调节.

3)城际干道上的交叉口不宜过多.因为交叉口对可变车道优化及自适应控制有一定影响，一定路段长度下，交叉口越少，同一方向流量的变化越小，同时对路段的整体控制更容易.

2 可变车道自适应控制原理

可变车道自适应控制系统，是指能够自动进行车道调整以适应交通流变化的系统.这种系统是用布置在路段两端的车辆检测器，实时对进入路段的双向交通流进行监测，中心控制系统根据实测数据计算出适应交通流变化的最优可变车道分配方案，并控制信号机实施.城际干道的可变车道实时自适应控制系统—RROT 系统由以下几个模块组成.

1)监测模块.RROT 系统实行分级在线实时监测.通过数据采集设备实时监测城际干道两端断面的各方向车流量，用于车道方案实施时间的精准判定.路段车流预测由预测车辆速度、预测车辆数量、路口转向率估计、到达时间等组成.

2)决策模块.将监测的实时交通流信息输入控制中心的可变车道分配模型，以交通系统性能指标(最小化平均行程时间、最大社会经济效益)为目标，输出最优可变车道方案及实施时间.

3)车道划分模块.为保证双向高速行驶下车辆的通行安全，采用可远程控制的移动式护栏等交通安全设施划分可变车道路段双向通行的车流.移动式护栏根据决策模块提供的最优决策改变指定的车道分界线，使其达到随潮汐现象发生改变，灵活划分双向车道的目的.

3 城际干道BPR 函数建模

城际干道的实际行程时间t 与路段通行能力C、交通量大小Q、自由流行程时间 t0满足BPR函数关系：

其中α 和β 为待定参数.

3.1 待定参数的标定

为获得符合城际干道实际运行情况的 BPR函数，可通过实地调查的行程时间t、路段通行能力C、交通量大小Q、自由流行程时间 t0来对待定参数α 和β 进行拟合.对式(1)进行变形，有：

对式(2)两边同时取对数，有

令

则有

此时，只需根据实地调查的多组行程时间t、路段通行能力C、交通量大小Q、自由流行程时间t0等数据，运用式(4)～式(8)进行一元线性回归分析，即可标定参数α 和β .

3.2 车道数对通行能力C 的影响

路段单向通行能力与车道数是正相关的，但随着车道数的增加，车辆换道机会也相应增加，车辆之间的相互干扰增大，路段实际通行能力的增加随着车道数的增多而边际递减.n 条车道路段的平均车道利用系数n′为：

4 城际干道可变车道优化模型

5 城际干道可变车道优化算例

表1 路段流量与行驶时间调查数据

根据表 1，采用式(2)～式(8)，通过一元线性回归，可求得α =0.14，β =0.35.即该路段双向分别为3 条车道时，符合该路段的实际行驶时间的BPR 函数为：

表2 可变车道不同优化方案路段流量与行驶时间调查数据

6 结语

可变车道优化自适应控制系统先根据实际调查的路段流量和行程时间数据，采用一元线性回归方法对BPR 函数的参数进行标定，得到反映路段实际的行驶时间函数；再结合实时监测路段的交通流数据，考虑路段车道数对通行能力的影响，计算不同可变车道分配方案的总出行时间，得到适合交通流变化的最优可变车道分配方案；最后通过可变信息牌等传递给出行用户，从而达到可变车道优化的自适应控制.

本研究通过对道路资源分配进行优化，提高了路段运行效率，节省了系统总出行时间，缓解了潮汐现象导致的路段拥堵，为契合当今交通智能化发展方向和可持续发展的时代主题，下一步研究将重点考虑对向车流清空对可变车道通行能力的影响.