城市快速路匝道控制的应用研究

伍 丹 卢长春

南京莱斯信息技术股份有限公司 江苏 南京 210000

随着我国经济的快速增长和城市规模的不断扩大，主要大中城市基本建成了相对完善的城市快速路网络，满足城市各组团之间的快速出行需要，可缓解城市交通压力，为出行者提供快速、安全、高效的出行服务。然而，汽车保有量逐年攀升带来的交通需求不断增加，城市快速路不再快速，出现了车辆行驶缓慢、入口处交通秩序混乱、交通事故频发的诸多问题，如何对快速路进行控制,保证快速路的出行效率成为亟待解决的重要课题。入口匝道控制被公认为是解决快速路交通问题最为有效的措施之一，在国内外很多城市已得到广泛地应用。本文总结国内外对入口匝道控制研究的理论和方法，结合南京匝道控制的现状问题，通过对交通组织和信号控制的一体化分析，提出定向车道与交替放行的匝道控制模式，为解决其他城市快速路拥堵问题提供经验借鉴。

1 入口匝道控制方法

入口匝道控制指运用交通信号、交通标志及自动栏杆等交通控制设备调节进入高速道路主线车辆的数量，通过平衡入口匝道上游交通需求和下游主线通行能力的方法，防止高速道路运营陷入瘫痪状态，让高速道路系统以最优效率运行，并且改善通过匝道进入主线车辆的汇合安全性。

目前国内城市采用的快速路匝道控制方法主要有匝道关闭法、匝道定时控制法、匝道感应交汇控制法、匝道系统控制、入口匝道与地面交叉口的协调控制五种方法。

(1) 匝道关闭法[1]。是一种临时、简单、有效的应急措施，一般情况下不可经常或长时间使用，在高峰期间经常使用匝道关闭法。这种控制方法的做法有：人工设置栅栏、自动弹起式栅栏等。

(2) 匝道定时控制法

这种控制是采用调节方法限制进入快速道路交通量的一种控制。匝道定时限流控制是根据路段当前交通量的实际需要和在对路段历史交通信息进行分析的基础上来确定匝道的调节率，所以它的调节率是一个或多个固定值[2]。定时匝道控制法具有算法简单，易于操作、实施方便等优点，但是无法根据实时道路交通情况对匝道调节率进行修正。

(3) 匝道感应交汇控制法

在快速路和匝道上都装有检测器，获取实时交通数据信息。根据不同的控制方案，通过就地控制器或中心计算机，实施限流控制，限流率可依据交通信息做相应调整。匝道调节可看作对快速道路、匝道和匝道引道上交通监视的一种反应[3]。控制方案的大量变量可根据交通参数的各种组合获得。

(4) 匝道系统控制

是将一系列匝道集中起来作为整体系统统一考虑的交通控制方法，称为匝道系统控制，其限流率根据整个系统的交通量与通行能力之差确定。整体车辆感应限流控制能适应交通量变化要求，使整个系统的车流保持最佳化，若快速道路某段发生交通事故，这种控制就显得特别有效[4]。此时，发生事故的下游匝道，其限流率会自动增加，而上游匝道的限流率会自动减少。

(5) 入口匝道与地面交叉口的协调控制

当入口匝道的长度较短或者匝道与地面道路交叉口距离较近时，入口匝道控制的排队有可能会发生溢流，并最终阻塞地面道路上游交叉口，进而引起地面道路和快速路整个系统运行效率的降低[5]。这种情况下，需要进行地面道路关联交叉口与入口匝道的协调控制，其基本原则包括：快速路主线车辆优先通行；避免入口匝道的超长排队影响地面道路的正常运行；入口匝道排队溢流时，提前发布诱导策略等引导车辆选择其他路径[6]。

目前，国内对于入口匝道控制的实际应用主要集中在对匝道的控制上，对主线控制和整个匝道系统控制理论的应用较少。北京、上海的匝道控制均为入口匝道的开闭控制和入口匝道的定时、自适应控制，不对主线进行控制；重庆市快速路立交众多，针对道路多车道汇入节点车辆争道抢行、变道加塞、违规变道等交通问题，使用分车道自适应控制，通过设置车道信号灯来控制上游车辆分批进入交织区，从时间上分离多股交汇车流效果明显。

2 定向车道+交替放行控制模式

结合北京、上海、重庆等城市已有的匝道开闭控制和分车道信号控制经验，根据南京市匝道现有通行状况和矛盾交织点分析，对快速路主线和匝道进行交通组织和信号控制一体化设计，提出“主线匝道交替、定向车道不控”的控制模式，即在合流段，对主线部分车道与匝道采用信号控制，并交替放行，均衡快速路与匝道的负载，缓解由于交通流冲突造成的城市交通混乱、堵塞问题，保障城市交通安全有序；同时，靠近中分带的车道设置为快速路定向车道，可自由通行，不受主线红灯信号控制，减少信号控制对快速路车辆的影响，保证主线通行效率。

如图1所示，快速路最左侧车道（车道1）设置定向车道，该车道的车辆在合流点可不受信号控制不停车通过，保证快速路通行效率。快速路右侧两个车道（车道2和车道3）与匝道的两个车道（车道4和车道5）受信号控制，进行交替放行，保障合流点安全有序。采用信号控制可根据实际流量情况进行定时控制和自适应控制。

图1 定向车道+交替放行控制模式示意图

3 案例应用

南京市通勤日快速路早高峰最堵的地点是应天大街高架路段，高德大数据显示的某入口匝道合流段早高峰区间8点的平均速度约为18.6km/h，晚高峰区间18点的平均速度约为19.7km/h。主要原因是南京市应天大街高架的中华门、雨花路等多处快速路入口及合流段交通流量较大，导致早晚高峰应天大街高架主线快速路与匝道合流段秩序混乱，效率降低，通行不畅。为缓解快速路拥堵问题，选取了应天大街高架的某一入口匝道为例，进行“定向车道+交替放行”控制模式的设计和仿真验证。

3.1 匝道控制优化方案

为保证应天大街高架主线最左侧车道正常通行，在主线车辆停止线上下游300m范围，高架主线受控与非受控车道之间设置禁止跨越同向车道分界线。

应天大街高架主线与匝道合流处的导流线由原来的20m增加到40m。高架主线受控车道车辆停止线设置在合流点下游60m处，主线车道信号灯布设在主线停止线下游20m处，同时在受控车道停止线上游40m设置禁止跨越同向车道分界线。

上桥匝道车辆停止线设置在合流点下游80m处，匝道信号灯安装于匝道停止线下游20m处，在匝道停止线上游40m设置禁止跨越同向车道分界线。合流点至匝道车辆停止线区域也应设置禁止跨越同向车道分界线。

图2 现状交通组织

图3 “定向车道+交替放行”交通组织设计

3.2 匝道控制仿真分析

仿真区域是入口匝道（西向东）上下游各500m，总共1000m的范围。本报告分别仿真了现状和信号控制方案实施后的交通情况，仿真采用的是微观仿真主流软件vissim，根据现状数据和匝道控制交通组织设计图按照1：1的比例进行建模和仿真；输入车流量是在路口实际调查统计得到。本次仿真流量选取矛盾相对集中的早高峰时段进行仿真分析。

现状和匝道控制仿真主线流量为4221pcu/h，匝道流量为1708pcu/h。车辆组成中小车占95%，大车占5%。

仿真结果显示，现状渠化条件下，快速路高峰期车辆通行秩序混乱，停车延误大，车辆平均速度较慢。仿真平均速度为20.65km/h，与高德大数据显示的实际数值较为接近，说明仿真模型建立合理，仿真结果具有一定的可信度。

“定向车道+交替放行”控制模式仿真的流量数据、车辆组成与现状仿真参数一致，根据交通组织设计方案添加了交替放行的信号控制。根据现场的实际情况，也考虑与地面交叉口的协调，初步确定四种配时方案，并进行仿真实验，选取合适的信号控制配时方案。

方案（1）：根据实际调查的流量情况和配时工作人员的经验得出的定周期方案。周期为65s，主线绿灯31s，黄灯3s；匝道绿灯28s，黄灯3s。

方案（2）：考虑匝道与地面相近交叉口的协调控制方案。周期与地面相同设置为130s，主线绿灯80s，黄灯3s；匝道绿灯44s，黄灯3s。

方案（3）：考虑匝道与地面相近交叉口的大小周期协调控制方案。周期与地面相同设置为130s，考虑周期长度和排队长度因素，设置大小周期。其中大周期主线绿灯57s，黄灯3s，匝道绿灯22s，黄灯3s；小周期主线绿灯22s，黄灯3s，匝道绿灯17s，黄灯3s。

方案（4）：根据Webster公式计算得出方案。

最佳周期时长公式：

其中：

有效绿灯时长公式：

其中：

计算得出的方案周期为100s，主线绿灯58s，黄灯3s；匝道绿灯36s，黄灯3s。

图4 现状仿真

图5 “定向车道+交替放行”控制模式仿真

表1 信号控制方案仿真主要参数对比

从配时效果来看，配时方案（2）的指标参数较好。下面以配时方案（2）的控制效果与现状仿真情况进行对比分析，选取平均停车次数、平均延误、到达车辆数、平均速度作为评价指标。

表2 匝道控制效果评价

从仿真评价结果来看，采用“定向车道+交替放行”控制模式来对快速路入口匝道进行交通管理，能有效的缓解匝道口交通拥堵，秩序混乱的状况，优化方案能起到提高车辆的行车速度，减少停车延误，减少停车次数，保障交通安全的作用，验证了“定向车道+交替放行”控制模式的有效性。

4 总结

本文总结现有入口匝道控制的方法和经验，提出了一种“定向车道+交替放行”控制模式，并通过vissim进行控制前后的仿真，选取了延误、停车次数、速度、到达车辆数等参数作为评价指标，验证了“定向车道+交替放行”控制模式对解决快速路入口匝道交通拥堵和秩序混乱问题的有效性，对解决国内快速路匝道控制问题具有借鉴意义。但是也存在一些不足，例如出行者对快速路设置信号控制的适应性，与该匝道相连接的上下游匝道口的畅通性，入口匝道与地面交叉口的协调性等需要考虑的问题，后续将对多个连续入口匝道的控制进行研究并实际应用。