智能匝道管控技术实施策略与效果评估

胡永恺 杨阳

（1.江苏宁沪高速公路股份有限公司，江苏 南京 210049；2.江苏中路工程技术研究院有限公司，江苏 南京 211008）

随着高速公路周边城市经济的发展，土地资源日益稀缺，若通过大规模的高速公路改扩建来提升其通行能力，将会耗费大量的人力物力财力，而且实施难度也非常大，即使能够实现，其实际收益也必将大打折扣。因此，在非大规模扩建高速公路的基础上，利用智能化、精细化交通管控技术，较大程度提升高速公路道路通行能力，满足超大规模交通流量常态化作用下高速公路正常、有序通行，就显得尤为重要。

高速公路主动管控技术根据适用场景分为主线、匝道和路网3种。其中，匝道控制策略近年来获得了各方学者、研究人员的关注，发展得越来越成熟。匝道控制策略此前多用于城市道路控制。随着经济社会的快速发展和车流量的迅猛增长，高速公路拥堵越来越严重，匝道控制[4-6]这种主动交通管控技术就常被用于缓解高速公路拥堵。匝道控制技术还经常与主线控制技术如可变限速控制等协同应用于高速公路管控[7-9]。

匝道管控技术多用于城市快速路交叉口及高速公路单个入口匝道等情形，面对日益复杂的高速公路拥堵状况，当前的管控效果显然不能满足车辆的通行需求。本文的分析评估对象为互通型多层次匝道，采用智能匝道管控技术评估验证管控效果。

一、智能匝道管控技术

（一）互通型多层次匝道管控技术

多层次匝道结构由A、B两个从属匝道和C主匝道组成。A、B分别为其他两条高速公路的出口匝道，A、B匝道合并形成主干匝道C，车辆经C匝道驶入主线。这种构造形成了多层次的复杂匝道结构。车辆通过匝道的不断汇合，驶入主线。在匝道内部，由于C匝道通行能力有限，A、B同时放行，流量过大，冲突点增加，在匝道内部甚至会产生瓶颈，导致匝道管控技术失效。同时，由于高速公路互通、匝道承载了较大的车流量，冲突点较多，容易诱发长路段拥堵，甚至会蔓延至高速公路主线，从而严重影响交通。

针对互通型多层次匝道管控，本文提出了一种动态调节算法，实行多层次匝道的管控方案设计。其中A、B匝道放行顺序根据实时检测的匝道排队长度确定。

多层次匝道管控方案将匝道状态分为3种，分别为匝道开放、匝道调节、匝道关闭；分别对应主线交通状况为畅通、拥挤、堵塞3种状态。其中，匝道调节状态时，拟采用拉链式交替放行策略，控制进入主干匝道的车流量，进而控制汇入主线车辆数，并且兼顾次级匝道的放行。在匝道调节状态，放行A、B哪个匝道是由动态调节算法决定的。

（二）互通型短间距联动匝道管控技术

短距离双匝道结构是指在较短距离内有连续两个入口匝道（A、B）的互通匝道结构。这种特殊结构的匝道因为相距距离较近，车辆连续汇入，相互影响，交通状态不稳定，在轻微的扰动、甚至没有扰动的情况下就会自发产生拥堵瓶颈，进而影响主线的通行效率，降低安全保障。

对于短距离双匝道结构，为了避免双匝道同时放行导致主线流量增加，拟采用匝道联动管控技术——METALINE方法，该匝道控制策略根据各匝道处检测线圈检测到的车辆占有率序列来计算匝道调节率，是ALIENA的扩展，不仅拥有ALINEA稳定性高的特点，同时还对主线交通流的波动具有较高的敏感性，实现了对METALINE方法的升级。

拟利用G42沪蓉高速江苏段沿线的检测器，提供主线交通状态数据，利用METALNE算法，联动控制距离较近的双匝道，保障主线通行效率。

其中，rk是第k个时段入口匝道的调节率向量，Oout(k-1)是第k个时段受控入口匝道下游主线占有率向量，K1

LQ1、K2LQ2为增益矩阵，Od为受控入口匝道下游主线理想状态下的占有率向量。

在k时间段计算完毕，输出沿线受控匝道的调节率后，模型重新获取k+1时间段主线占有率，自动调整增益矩阵，计算k+1时间段占有率。

二、微观交通仿真

（一）主动管控技术VISSIM仿真平台

1.仿真平台

现有条件下，选定VISSIM作为仿真平台。VISSIM是由德国PTV公司开发的微观交通流仿真系统。该系统是一个离散的、随机的、以十分之一秒为时间步长的微观仿真软件。该系统不仅可以模拟车辆的行为，还能够模拟驾驶员的行为。采用VISSIM仿真模型，能够全方位地模拟高速公路上交通流的运行状态。

2.仿真环境搭建

该次微观仿真选用G42沪蓉高速江苏段作为仿真环境。G42沪蓉高速江苏段为全封闭、全立交、高等级、多功能的现代化高速公路，全线采用交通运输部颁布的标准建设，主线高速公路路基42.5m，双向八车道，每车道宽3.75m，中央设3m宽分隔带，外侧设2.5m宽的紧急停车带，设计车速为120km/h，设计车辆荷载为汽车—超20、挂—120，通过能力每天达6万辆次。

结合仿真软件，利用地图作为仿真的背景资料，搭建高速公路实际道路几何特征的仿真环境，并重点搭建常规路段、互通立交、匝道、收费站、服务区等关键节点的动态仿真验证环境。

以G42沪蓉高速江苏段无锡东互通立交为例，具体说明仿真环境搭建的步骤：

（1）新建文件并导入底图。包括新建文件，加载背景图片并调整比例。

（2）建立路网。绘制路段并用连接器连接，绘制匝道，编辑道路几何特征。

（3）设置路径决策。

（4）设置检测器。包含车辆记录、车辆记录过滤器、数据采集点的设置。

3.仿真场景加载

划分高速公路运营过程中所发生的各类交通场景（天气、交通事故、占道施工、交通饱和度），并分级梳理各类交通场景发生的程度、影响范围、持续时间，在此基础上搭建不同类别、不同级别的仿真分析场景，并根据具体需要将这些场景加载到仿真环境。结合高速公路运营特征，分类梳理主动管理技术应用场景，并细化各类应用场景的指标及分级标准。

（二）微观交通仿真效果评价

根据具体需要，在实施各类主动管理技术后，仿真分析各类场景下高速公路道路通行承载能力、出行交通流量、交通车流分配情况，从而验证仿真分析结果，可视化展现高速公路通行承载能力、出行交通流量、车流分配情况。

通过分析对比仿真实验数据与真实调查数据，所搭建的仿真平台具有较好的还原真实场景的效果，还原率达到95.6%。

根据以上仿真实验结果，搭建的微观交通仿真平台具有良好的仿真效果，能较高程度地还原G42沪蓉高速江苏段运行状态及事故发生前后场景。

三、智能匝道管控技术实施效果应用分析

（一）互通型多层次匝道管控效果评估

图1 智能匝道管控技术管控效果评价

针对多层次匝道的特殊线性，本文提出了互通型多层次匝道管控技术，并基于仿真平台开展仿真实验，验证所提算法的有效性和稳定性。

仿真结果如图1（a）所示，管控后主线交通秩序得到明显改善。管控前G42沪蓉高速江苏段主线车流排队，合流区匝道车流汇入秩序混乱，管控后G42沪蓉高速江苏段主线车流排队长度缩短，合流区匝道车流汇入秩序得到改善。其中，车均延误在上行方向略有增加，在下行方向降低了50%。行程时间的减少程度虽然不大，但在G42沪蓉高速江苏段交通流量如此饱和的情况下，行程时间减少显得难能可贵；停车次数相比无控制情况下降低得比较明显。综上，相比之前的无管控方案，在车均延误、停车次数、行程时间这3项关键指标上均有明显改善。

（二）互通型短间距联动匝道管控效果评估

针对主线短间距内出现两个及多个匝道的案例，项目提出互通型短间距联动匝道管控技术，仿真结果如图1（b）所示。

通过仿真，实现匝道管控后，相比无控制情境，行程时间最高下降33.33%，停车次数最高下降12.2%，车均延误最高下降41.5%。对于停车次数而言，虽然匝道管控通过信号灯设置，使车辆停车等待一段时间进入主线，增加了车辆停车次数。但是由于整体交通状况的改善，车辆通行顺畅，主线交通拥堵减少，从而使整体停车次数减少。

四、结语

本文分析评估了智能匝道管控技术中的互通型多层次匝道管控技术、互通型短间距联动管控技术的管控原理，并基于VISSIM仿真平台搭建了微观仿真环境，评估以上两种智能匝道管控技术的实施效果，从仿真结果看，互通型多层次匝道与互通型短间距联动匝道管控技术在车均延误、停车次数、行程时间这3项关键指标上均有明显改善，管控效果显著。