高速路网与城市路网连接线智能交通管控设计

2021-10-30陈鑫

南京工程学院学报（自然科学版） 2021年3期

陈鑫

(苏交科集团股份有限公司智能交通研究所, 江苏南京 210017)

石湖互通位于苏州市吴中区南部,是苏州湾北工业园、越溪等区域驶入高速的主要入口.近年来,石湖互通收费站出入口流量增长趋势明显,2019年为6 404 093辆,2020年达到了7 115 653辆.对苏州绕城高速公路管理有限公司营运部提供的报表进行分析,2020年,石湖互通收费站的入口车辆平均等待时间为39.3 s,平均排队车辆数为3.4辆.车辆在早高峰(7:00至8:00)平均等待时间甚至达到了116.2 s,平均排队车辆数达到了15.3辆,排队车辆蔓延至城市道路，车辆等待时间概率分布如图1所示.2020年度苏州市市民热线共收到石湖互通收费站排队等待时间过长及其导致的区域交通拥堵的投诉达26件.其车辆等待时间、排队长度、投诉数量均居苏州绕城高速公路管辖的24个互通收费站之首.

图1 2020年石湖互通收费站的入口车辆等待时间概率分布

因此,迫切需要解决石湖互通区域城市路网与高速路网的衔接问题,缓解内环快速路交通压力,完善城市综合交通体系,满足居民日趋增长的出行需求,实现城市各组团间的快速联系,推动中心城市空间合理布局和优化发展[1].为此，迫切需要实现城市-高速交通信息资源的充分整合,实现全方位的协同运作,以期进一步提高城市交通组织能力.

本文研究石湖收费站入口设置智能交通管控方案,加强连接线入口的流量管控,提高交通事故反应和处理速度,提高交通服务质量,全面提升交通管理能力,为公众出行提供便利和良好的服务.

1 拥堵原因

1.1 交通拥堵的概念

交通拥堵是指在某一特定的时间范围内和一定的空间区域内,交通需求超出交通容量或运力供给时,超过部分滞留在道路上的交通现象.这种停滞现象的发生可能由交通设施所能提供的交通供给容量不足引起(如车道数较少)、可能由交通行为过程中的行为矛盾产生(如车辆交织)、也可能因各种突发事件以及天气等的影响而产生.

1.2 拥堵致因分析

石湖互通入口连接线的拥堵是典型的常发性拥堵,是由于交通流量突然增大、超出道路设施正常容量所引起的,拥堵情况相对稳定,且有规律可预测.

石湖互通入口连接线的车辆分别由西环高架吴中方向、苏州方向与地面道路苏州驶来,这3条匝道在连接线起点相汇聚(详见图2),使车流产生无序交织.另外,数据显示,石湖互通连接线入口方向的年高峰小时流量为3 030辆/h(出现在2020年3月20日7:00至8:00,详见图3),货车比例高达24%,远超收费站最大服务能力.且由于互通连接线较短(仅为200 m),其蓄车能力不足,车辆排队至城市道路的下匝道口.当超限车辆需掉头驶离时会进一步加剧拥堵.

图2 石湖互通收费站区域平面图

图3 2020年3月20日石湖互通收费站入口连接线流量变化图

2 管控研究

为使连接线上车辆交织行为合理有序,提高连接线整体通行效率,必须通过有效手段来调控连接线车辆运行.为此,国内外相关从业者做了大量研究与试点.从措施来看,对交织区的管控可分为静态管控和动态管控,静态管控大都是在连接线设置标志标线,动态管控则根据交通流参数决定对应的控制措施,主要分为匝道管控与主线管控[2].

2.1 匝道管控方法

匝道管控分为单匝道管控与多匝道管控.单匝道管控主要通过占有率管控、需求与容量管控、可接受间隙管控和ALINEA算法管控等实现车辆有序交织[3-5],但单匝道控制往往由于蓄车能力有限导致匝道排队溢出而对主线交通产生影响.需对多个匝道进行整体协调控制以提升蓄车能力,达到系统最优[6].

2.2 主线控制方法

常用的主线控制方法有全线统一限速法、局部限速法、分车道/车型限速法、可变限速法等.其中可变限速系统根据道路实时交通状况及环境等因素动态调整信息板上的限速值,实现车流安全﹑高效、平稳行驶,可优化车辆出行时间、提升出行效率、减少交通事故率[7-12].

3 设计方案

石湖互通连接线3个方向的车流交织导致连接线通行能力下降.采用连接线入口匝道控制直接对入口匝道的交通量进行调节,对连接线交织区部分的交织行为进行ALINEA算法控制,能够有效提高交织区的通行效率.这种控制方法是当前应用最为广泛的局部匝道控制方法,通过控制匝道调解率,维持主线下游占有率处于期望值附近,同时配合标志与地面标线等,达到最大化交织区通行能力的目的[13-15].

3.1 设备布设方案

在3个方向合流交织的区域设置交通信号灯,通过控制间歇放行来调节交通流量.信号灯附着于现有灯杆上,在前端单独设置1套交通信号控制机.本文设计两种备选方案:

1) 在入口3个匝道各设置一套信号灯附着于灯杆上,在3个匝道上设置两级交通安全提示牌,并在地面施画停车线及纵向减速标线,详见图4;

图4 方案1平面布置图

2) 在入口3个匝道合流点设置交通安全标志、信号灯组合式门架,将3个方向的车辆按4个车道固定方向行驶,信号灯分车道进行控制.信号灯及交通安全标志牌设置于组合式门架上,路面重新施画停车线及纵向减速标线,详见图5.

图5 方案2平面布置图

3.2 信号灯配时方案

本项目信号灯主要为控制早高峰时段交通秩序,通过信号灯控制3条匝道行驶车辆有序通过,并根据各条匝道交通量大小、匝道长度等合理设置信号灯配时,尽量避免车辆交织和排队积压的情况,信号灯配时方案如图6所示.

图6 信号灯配时方案图

信号灯循环周期为90 s,Signal group 1设置于高架吴中至石湖匝道,Signal group 2设置于地面苏州至石湖匝道,Signal group 3设置于高架苏州至石湖匝道.此信号灯配时方案仅在工作日7∶00～9∶00使用,其余时间信号灯均为黄闪,发挥警示作用.

此外,项目运营期拟在城市道路设置交通量检测设备,交通时序可由现场交通量变化进行调整.

3.3 方案仿真比选

仿真采用VISSIM平台,仿真场景选取每日车辆最高峰时段7∶00～8∶00.高架吴中至石湖匝道、地面苏州至石湖匝道、高架苏州至石湖匝道交通量分别设置为1 230、1 080、690辆自然车/h(2020年第30小时交通量).小客车、货车与大客车的车型比例为0.61∶0.24∶0.15,车辆到达强度模型设置为泊松分布,仿真精度设置为10.

根据交通流理论,车辆到达的时间间隔受某一特定区间的车头时距影响,其交通流的主要特性为:

1) 在一定时间间隔,收费站到达的车辆数量的分布是离散的;

2) 某个时间间隔内的车辆到达频率不受上一个时间间隔内车辆到达频率的影响.

车辆通过信号灯驶入连接线后减速并观察各收费车道的排队长度,选择并驶入ETC或E/MTC收费车道.ETC车辆通过ETC车道时,以服从正态分布N(19,1.5)的车速通过识别交易区域,在道闸抬杆后加速驶离;MTC车辆通过E/MTC车道时,减速至岗亭旁停车,领取复合通行卡[8],根据对苏州绕城高速各收费站人工缴费时间的观察,领卡时间服从正态分布N(8,1.1).

仿真运行图如图7至图9所示.