城市快速路入口控制策略研究

左小莉，王景升

（中国人民公安大学，北京 100038）

引言

针对驶入快速路入口匝道的车辆需减速、停车或排队后才能汇入主流的典型问题，匝道控制是缓解快速路交通拥堵的有效方法之一，在国内外学者中颇受青睐。城市快速路入口匝道控制于20 世纪60 年代第一次被应用于芝加哥，之后多国实验性地应用了入口匝道控制策略。PAPAGEORGIO［1］提出了设置匝道控制要考虑的交通和社会的可行性以及实行中的收益问题。KERNER 和李新刚［2-3］根据1995—2001 年高速公路上的拥堵交通数据分析，发现在孤立的瓶颈处有两种模式：同步和堵塞共存的模式（General Pattern，GP）和同步模式（Synchronized Pattern，SP）。LEE 等［4］通过对韩国某路段匝道处的调查分析，发现了交通拥堵的三种模式：振荡且延伸,均匀且延伸,均匀但不延伸。

目前上海、北京都已对快速路匝道管理系统进行了实际应用，并且取得了比较好的效果。陈学文和田傲霜［5］用人工神经网络的方法，控制并仿真了城市快速路入口匝道的调节率，发现在城市快速路入口匝道控制中，神经网络的控制效果很好。高万宝等［6］考虑快速路和入口匝道上的实时密度设计了匝道控制优化算法，该算法的目的在于在控制快速路密度接近其最优值的同时减少匝道上的排队数，证明了实时密度控制算法的有效性。慈玉生等［7］表明可利用神经模糊原理，对快速路入口匝道驶入进行控制能够有效提高匝道立案阶段的利用效率，同时可减少交通事故。王世明和徐建闽［8］利用模糊控制算法和支持向量机算法，提出了一种新的标定方法，对于实时交通状况能够给出不同的控制策略，且呈现出良好的控制效果。姜紫峰和韩锡令［9］提出了单点匝道控制和联合匝道控制，说明了两种方法都能减少主线车流的总行程时间，同时证实了联合匝道控制方法比单点匝道控制方法更为有效。贺敬凯和徐建闽［10］运用BP 神经网络对入口匝道控制核心系统进行设计，使其能更好地对实时交通流状态做出反应。

1 快速路系统控制理论与实现技术

1.1 快速路系统交通特性

城市快速路能够提供非间断交通流的道路，具有出入控制特性。从驾驶人角度来看，快速路是连续的设施。然而，当一段或多段快速路路段发生拥堵时，需要将快速路看作一个整体进行系统的分析，同时考虑系统中所有相关的运行路段，需要考虑从“瓶颈”处排队的蔓延和消散，并考虑对相邻路段的影响。

1.2 城市快速路入口匝道定时控制

定时限流控制是最简单的控制形式，具有与城市交叉口信号相同的精确性。定时限流控制包括定周期定长和定周期不定长，两者都是定时信号控制的一种实现形式。

1.2.1 定周期定长

指固定配时的同周期同绿灯时间，通过对入口设置同周期同等绿灯时长进行控制，依据历史交通数据进行计算和调整。开环控制的实现依赖于线性规划的方式，简单方便，但没有反馈，故无法根据快速路主路的交通运行状态进行实时变化。

1.2.2 定周期不定长

指固定配时的同周期不同绿灯时间，通过对入口设置同周期但绿灯时间不同进行控制，依据历史交通数据进行计算和调整，采用线性规划的方式来计算入口匝道处的信号灯配时参数，同样也是开环控制，但考虑了不同入口匝道的排队长度不同从而设置不同的红灯时间，避免出现排队长度超过匝道长度从而引起整个快速路系统出现堵塞，但因其也是开环控制没有控制效益反馈，故无法根据快速路主路的交通运行状态进行实时变化。

1.3 城市快速路入口匝道自适应控制算法

1.3.1 入口匝道自适应控制算法

在入口匝道感应控制中ALINEA 控制算法应用最为广泛［11］。该算法的输入变量为下游主路占有率（或密度）和匝道排队长度，控制目标为主路的交通量最大化、匝道排队长度最小，以此为依据对匝道的进入流量进行调节控制，从而建立起一个闭环控制模型，实现对入口匝道交通状态的动态控制［12］。

匝道调节率方程［13］：

式中：r（k）—第k周期的匝道调节率；r（k-1）—第（k-1）周期的匝道调节率；Kr—待标定参数；— 主线下游期望占有率；Oout（k-1）—周期（k-1）内主线下游的实际占有率。

匝道调节率取值范围：

匝道排队控制方程：

式中：d（k-1）—匝道（k-1）周期内的到达流率；Lmax—匝道最大排队长度，m；l（k）—第k周期匝道实际排队长度，m；T—周期时长，s。

1.3.2 入口匝道自适应控制实现技术

可视化VAP 的控制原理是在每个仿真秒内，按照设置的控制频率VAP_FREQUENCY 调用编写的VAP 控制程序，控制频率VAP_FREQUENCY 是仿真秒的整数倍，如果设置仿真精度为10，即0.1 步长/仿真秒，则控制频率VAP_FREQUENCY 取2。

选择一个主控周期，每个周期对各检测点的占有率、流量、速度数据统计一次，在信号周期结束时调用VAP 程序，以上一个周期的统计数据作为依据计算出下一个周期的控制参数，当阈值低于下游检测器占有率时，则开启入口匝道控制程序，按照条件设定的循环执行程序，直至仿真结束，主要应用的算法见公式（4）。

2 快速路系统交通流特性分析

交通流参数特性主要包括时变特性和交通流参数之间的相互关系特性。选择研究对象为月坛北桥-阜成门桥北路段作为快速路交通流分析对象。

2.1 流量-密度关系

2015 年10 月12 日（星期一）阜成门桥-阜成门桥北467 m 路段和月坛北桥至阜城门桥处检测器的时间占有率随流量的变化曲线见图1。

当道路上的车辆增多时，其密度增大，车辆间距就会变小，车辆间的相互影响使得驾驶人降低车速，因此速度随着密度的增加而减小。这一现象主要是由于出入口匝道车辆的驶入和驶离造成了主线上交通流呈现出了波动性传播的特性，对这一特性的深入分析将有利于进行匝道优化控制。

图 1 阜城门桥北检测器的流量-密度关系

2.2 速度-占有率关系

目前关于突发事件或匝道控制的研究中通过比对占有率和速度的变化特征的算法广为流行，阜城门桥至阜城门桥北467 m 处HI7064c 检测器速度-时间占有率关系见图2。

图 2 阜城门桥北检测器的速度-占有率关系

可以看出，当时间占有率达到0.4 左右时，车辆速度会有明显下降，从0.3 时的30 km/h 快速下降到15 km/h，通过对比分析可以为下一步快速路入口匝道控制提供控制参数依据。

3 快速路系统入口控制实例仿真及分析

3.1 仿真模型标定

表 1 仿真模型车辆行程时间检测器设置

城市快速路入口处的交通系统主要包括入口段和相连主路段，在主路和入口断面安装车辆行程时间检测器可获取车辆的行程时间，进而对其交通状态进行评价。行程时间检测器设置见表1。

3.2 占有率和速度均值对比

不同控制方式占有率均值对比见表2。

表2 同控制方式占有率均值对比（仿真时间3 600 s）

通过表2 比较，对快速路入口匝道交通系统采用无控制、定时同周期同时长信号控制、定时同周期不同时长信号控制和自适应控制的占有率均值结果分析可得，采用自适应控制后，延误有明显的下降，自适应控制方式对于匝道汇入主路上游外侧道路的数据采集点所获的车辆平均速度为47.29 km/h,相对于无信号控制的数据采集点平均速度32.84 km/h，提升了44.00%，同样占有率下降11.11%，说明对入口匝道进行自适应控制后，由入口匝道到达主路上游的车辆无序状态得以改善，提升了主路车辆的运行速度。

3.3 平均延误和停车次数均值对比

平均延误和停车次数均值对比见表3。

表3 不同控制方式平均延误与停车次数均值（仿真时间3 600 s）

通过表3 可知，通过定周期定时控制之后，主路车辆的延误增加了19.27%，通过定周期不定长控制之后延误降低了8.67%，自适应控制之后增加了11.84%，自适应控制的平均停车延误增加，主要是交通系统整体的停车次数增加，当阜成门桥北467 m处的检测器的占有率超过0.4 后，开始自适应控制，信号周期短，导致平均停车延误增加。

3.4 行程时间与车辆数均值对比

不同控制方式车辆数均值及行程时间均值对比见表4、表5。

表4 不同控制方式车辆数均值（仿真时间3 600 s）

表5 不同控制方式行程时间均值对比（仿真时间3 600s）

通过表4、表5 可以看出，对快速路入口匝道交通系统采用定时同周期同时长信号控制、定时同周期不同时长信号控制和自适应控制后，城市快速路主路流量分别可增加2.38%、3.23%、5.37%，行程时间分别可降低11.94%、11.37%、16.78%，自适应控制的控制优势突出。

4 结语

基于国内外关于匝道控制方法的研究现状，结合我国城市快速路的特点、交通流特性以及关于匝道控制的研究现状和应用现状，研究了符合北京市二环快速路实际情况的匝道控制方法。（1）通过分析北京市西二环月坛北桥、阜成门桥北467 m 处检测器2015 年的数据，得出当时间占有率达到0.4 左右时，车辆速度会有明显下降，从占有率为0.3 的30 km/h 左右快速下降到15 km/h，为快速路入口匝道控制提供控制参数依据。（2）利用Vissim 交通仿真软件的VisVAP 程序语言对入口匝道自适应控制效果进行了仿真，并得出了相比入口无控制、定时控制方式，自适应控制能够更好地调节入口匝道车流，提升快速路主路车速和交通量。