快速路出口匝道与衔接辅路区域协同管控方法

杜鹏程

上海城市交通设计院有限公司

0 引 言

城市快速路是城市路网中的骨架道路，承担着城市内部中长距离的交通需求以及大部分的城市交通压力。随着机动车保有量的逐年增加，各地城市快速路都呈现出不同程度的拥堵现象，特别是出入口匝道与辅路衔接区域，成为常发性堵点。缓解出口匝道“出不去”现象，充分发挥快速路系统运行效能，是当前城市交通排堵保畅、提质增效亟待解决的问题。

目前，国内外很多学者、交通管理部门对于出口匝道管控方法都进行了一系列的研究和实践。美国佛罗里达州交通管理部门为此提出了一系列控制方案，包括主线可变限速控制、匝道驶入驶出量控制、交叉口信号配时优化等，并形成一套管理手册[1]，指导管理部门制定实施交通管控。Lim等[2]基于线性规划技术，以出口匝道与地面辅路区域整体延误最小为优化目标，实时优化衔接地面交叉口信号配时方案，以达到区域控制最优。徐建闽等[3]建立了拥堵条件下由两个子模型组成的快速路出口匝道交叉口与下游交叉口协同控制模型，分别以目标交叉口通行能力最大化及下游交叉口车辆疏散最大化为优化目标。

大部分国内外研究多从理论层面开展[4-8]，算法相对复杂，工程应用难度大，且缺乏与其他交通管理系统间的协同。本文从工程应用角度，利用交通信息数字化技术，提出快速路出口匝道与衔接辅路区域协同管控方法。

1 控制方法

1.1 总体架构

若快速路出口匝道车辆由于超长排队溢出至快速路主线，则会导致上游快速路主线拥堵，因此“快出”对于保证快速路系统交通运行的稳定性是十分必要的。出口匝道是快速路和辅路连接的纽带，其拥堵是出口匝道流出交通需求、衔接辅路下游交叉口车辆疏散能力、衔接辅路上游交通流量等综合作用下的结果，运用分层递阶控制思想[9-10]，通过感知快速路匝道、辅路、衔接交叉口各方向交通参数，动态调节主辅路交通流的相对时空优先权，优化衔接交叉口信号配时方案以更加适配交通流，并联动交通信息发布系统，协同实现出口匝道与衔接辅路区域的交通流调节，协同管控方法逻辑架构图见图1。

图1 控制方法架构图

出口匝道区域协同控制系统采用“端-边-云”架构（见图2）。端侧为外场设施系统，一是感知设备，用于采集实时交通流参数，采用视频+雷达融合模式，可融入道路数字化建设。其中，匝道布设在其与辅路衔接点处，辅路布设在其停车线前25 m处，衔接路口结合各进口道电子警察杆件布设。二是辅路信号控制系统，含辅路信号灯及智能信号控制机，布设在辅路与出口匝道合流点，并在辅路上划设停车线。三是可变情报板，可复用快速路区域诱导板，用于发布交通诱导信息等。边侧为边缘计算单元，用于出口匝道协同管控区域的信息处理、计算，可结合辅路信号控制机布设。云侧为上级交通监控中心，用于交通信息的存储、非及时性信息的计算等。

图2 系统架构图

1.2 管控策略

以匝道“快出”为目标，综合考虑辅路及衔接交叉口交通流状况，通过设置辅路信号灯给予出口匝道车辆一定的时空优先权，同时也可起到减少交织区车流冲突，提高道路通行能力的作用。

当匝道处于拥堵状态，在辅路最大排队长度、衔接交叉口最小绿灯约束及最大排队长度约束下，通过优化调整辅路和衔接交叉口的信号配时方案，联动发布相关诱导信息，使得快速路驶出车辆在交织区及交叉口进口道区域，获得更高优先权，达到快速疏散出口匝道拥堵车辆的目的。本地边缘计算设备根据实时接收到的交通状态参数数据进行计算分析，以确定执行的控制策略（见图3）。衔接交叉口关键相位为出口匝道对应进口道方向的直行相位和左转相位。

图3 自适应控制策略示意图

策略一，若出口匝道交通流状态未达到拥堵状态，且辅路排队长度小于阈值，则采取辅路及衔接交叉口执行当前设定信号配时方案的控制策略。

策略二，若出口匝道交通流状态未达到拥堵状态，且辅路排队长度大于阈值，则采取辅路绿灯延长或绿灯提前激活、衔接交叉口执行当前设定信号配时方案不变的控制策略。

策略三，若出口匝道交通流状态达到拥堵状态，且辅路排队长度小于阈值，则采取辅路绿灯早断或绿灯延迟启亮、衔接交叉口关键相位绿灯延长或绿灯提前激活的信号控制策略。

策略四，若出口匝道交通流状态达到拥堵状态，且辅路排队长度大于阈值，则采取联动主线上游VMS可变信息板，显示拥堵信息诱导主线车辆通过下一出口驶出快速路，同时衔接交叉口关键相位执行绿灯延长或绿灯提前激活的控制策略。

（1）出口匝道交通流拥堵状态判别

若满足条件：

则出口匝道为拥堵状态；否则为非拥堵状态。

式中：Vout为出口匝道速度；Oout为出口匝道占有率；ramp为出口匝道自由流状态下的理想速度；ramp为出口匝道流量等于道路设计通行能力时的理想占有率；α、β分别为出口匝道拥堵阈值。

（2）辅路交通流拥堵状态判别

若满足条件：

则辅路发生超长排队；否则为未发生超长排队。

式中：d'为辅路交通拥挤判别参数；dside为当前时段辅路排队长度；lside为辅路允许最大排队长度，由辅路停车线至上游交叉口距离确定；γ为辅路拥堵阈值。

1.3 控制算法

1.3.1 辅路信号配时方案

随着交通流量的增加，当接近道路设计通行能力时极易引发交通拥堵。因此，协同管控方案的关键约束条件为：辅路和匝道流量之和不超过衔接交叉口进口道的通行能力，即可有效降低区域拥堵发生的概率。将辅路信号灯和衔接交叉口按照同一信号控制子区来考虑，则辅路信号周期取衔接交叉口周期时长C或C/2。

根据前述约束条件：

得到辅路绿灯时长为：

式中：qside为辅路交通量（veh/h）；gside为辅路绿灯时长；qramp为匝道交通量（veh/h）；C为衔接交叉口周期时长；Qpass为衔接交叉口关键相位在有效绿灯时间内通过的交通量（veh/h）；Qwait为衔接交叉口排队等待车辆数（veh/h）；nR、nT、nL分别为衔接交叉口出口匝道对应进口道右转车道数、直行车道数、左转车道数；QR、QT、QL分别为衔接交叉口出口匝道对应进口道右转车道通行能力、直行车道通行能力、左转车道通行能力；gT、gL分别为衔接交叉口关键相位中直行绿灯时长和左转绿灯时长；Lmax为关键相位对应进口道红灯期间允许的最大排队长度，由关键相位进口道停车线至匝道与辅路合流点距离确定；h̅为平均车头间距。

1.3.2 信号配时约束条件

（1）最大红灯时长约束

对于衔接交叉口的信号配时优化，当考虑出口匝道车辆优先放行需求时，也要兼顾到非关键相位的最大排队长度约束，防止排队车辆溢出至上游交叉口，引发更大范围的区域交通拥堵，则非关键相位最大红灯时长需满足如下条件：

式中：Qi为衔接交叉口非关键相位i方向交通到达率（veh/h）；∂i为相位i方向高峰小时交通量修正系数；rimax为非关键相位i方向最大红灯时长（s）；limax为非关键相位i对应进口道红灯期间允许的最大排队长度，由进口道停车线至上游交叉口距离确定。

（2）最小绿灯时长约束

根据实际交叉口交通工程设计参数，以满足行人过街需求为出发点，则最小绿灯时长需满足如下条件：

式中：gmin为最小绿灯时长（s）；Dp为人行道长度（m）；Vp为步行速度（m/s）；∆g为绿灯时间间隔（s）。

1.3.3 信号协同优化方案

由管控策略可知，通过调节辅路、衔接交叉口信号配时以及诱导信息发布手段，以给予出口匝道车辆在协同管控区域内更高的时空优先权，实现出口匝道“快出”的目标。

（1）辅路信号优化方案

在出口匝道协同管控区域内，通过设置辅路信号灯的方式，可给予出口匝道车流一定的优先权，但当出口匝道发生拥堵时，辅路信号配时优化思路是在保证辅路不至发生上游交叉口溢出的情况下，尽可能缩短绿灯时长，以给予出口匝道车流在协同管控区域内更高等级的时空优先权。系统根据路侧感知设备检测到的出口匝道、辅路交通参数，根据前述公式（1）、（2）判断出口匝道及辅路交通状态，自动执行相应的协同控制策略（见图4）。

图4 辅路信号优化方案流程图

①当出口匝道达到拥堵状态时：若辅路无超长排队，则执行协同控制策略三。当前辅路信号灯若为绿灯相位，则执行绿灯早断，起到及时切断辅路车辆进入到协同管控区域的作用。当前辅路信号灯若为红灯相位，则执行绿灯延迟启动。若辅路也发生了超长排队，则执行协同控制策略四。辅路信号灯方案不变，启动主线上游VMS信息板，诱导主线车辆通过下游出口驶出快速路主线。

②当出口匝道未达到拥堵状态：若辅路无超长排队，则执行协同控制策略一，辅路信号继续执行当前配时方案。若辅路出现超长排队，则执行协同控制策略二。当前辅路信号灯若为绿灯相位，则执行绿灯延长；否则执行绿灯提前启动。

（2）衔接交叉口信号优化方案

由于快速路辅路通常也是城市的主要交通干道，多采用线控或者面控的信号配时方案，因此本次衔接交叉口信号配时优化对原有交叉口信号周期时长和相序不做调整，以减少对邻近交叉口的交通影响（见图5）。

图5 衔接交叉口信号优化方案流程图

①当出口匝道达到拥堵状态时：根据辅路交通状态执行协同控制策略三或协同控制策略四，对于衔接交叉口信号配时均执行同一优化调整方案。若当前相位为关键相位，则执行绿灯延长，同时考虑其他非关键相位的最大红灯时长和最小绿灯时长约束。若当前相位为非关键相位，则当期执行完最小绿灯时长后跳转至下一相位，以达到关键相位绿灯提前启动的效果。

②当出口匝道未达到拥堵状态：根据辅路交通状态执行协同控制策略一或协同控制策略二，衔接交叉口信号配时方案均执行当前配时方案不变。

2 仿真验证

为了验证本文提出的协同控制模型的可行性及应用效果，选取徐州市三环东路快速路郭庄路出口匝道区域作为典型应用案例，运用PTV VISSIM 11.0 建立区域交通仿真模型，对实施本协同管控方案前后的交通指标进行对比分析。

2.1 基础数据

根据对现场交通工程与交通流运行情况的实际调查，衔接交叉口及出口匝道区域交通设计见图6，流量见表1，现状交叉口信号周期时长为115 s，配时方案为四相位，南北直行绿灯时长为37 s，南北左转绿灯时长为16 s，东西直行绿灯时长为32 s，东西左转绿灯时长为18 s。辅路与出口匝道衔接处未设置辅路信号灯。为了更加充分验证本文提出的协同管控方法，通过构建不同交通运行状态的场景，以进行多场景应用效果评价。

表1 三环东路/郭庄路路口交通流量

图6 模拟协控区域的路网示意图

2.2 仿真方案

本次仿真时长设定为4 200 s，其中前600 s用于仿真程序的预热时间，600～4 200 s为仿真数据采集时段。相关仿真参数设定如下：快速路主线小汽车期望速度为50～60 km/h，辅路小汽车期望速度为35～45 km/h，公交车期望速度为30～40 km/h。参照图2系统架构图中感知设备的设置位置，添加各车道的数据采集器和排队计数器，模拟协同控制方案中的交通状态参数采集，包括各车道流量、占有率、延误及排队长度等。辅路信号灯初始配时基于前述1.3.1提出的辅路信号配时方案计算得到，出口匝道拥堵阈值α取0.5、β取1.5，辅路拥堵阈值γ取0.6。

场景一：出口匝道驶出高需求场景。分2次进行模拟仿真，第1次对无协同管控的运行情况仿真，基于现状调查的主线、出口匝道、衔接交叉口的交通流量、配时方案等设定参数；第2次对运用本文提出的协同管控方法后的运行情况仿真，初始参数不变，执行协同管控策略及交叉口、辅路信号优化方案。两次仿真得到相关交通参数数据（见表2）。

表2 场景一仿真评价指标表

场景二：出口匝道驶出低需求场景。方法同场景一，同样进行2次仿真，得到相关交通参数数据（见表3）。

表3 场景二仿真评价指标表

2.3 仿真评价

根据观察整个仿真过程，对于场景一，当快速路出口匝道驶出流量增大时，在无管控状态下，大量出口匝道车辆和辅路车辆在衔接交叉口前交织段形成瓶颈，且此时衔接交叉口关键相位仍按照原配时方案放行，导致进口道车辆消散缓慢，从而加剧出口匝道排队，形成拥堵；采取本文提出的协同管控方法后，通过检测数据判别，识别到出口匝道进入拥堵状态，同时辅路未达到超长排队，执行协同管控策略三，辅路信号绿灯早断，衔接交叉口关键相位绿灯延长，同步调整相关信号配时方案，使得出口匝道车辆在协同管控范围内得到时空优先权。

对于场景二，当快速路出口匝道驶出需求不大，即出口匝道不拥堵的场景下，当辅路车流量增大时，在无管控状态下，辅路车流进入到衔接交叉口前会与出口匝道车辆形成交织，降低了通行能力，但总体可通过交叉口信号控制有序驶离；采取本文提出的协同管控方法后，由于设置了辅路信号灯，随着辅路车流量的增大，车流在辅路停车线前会形成一定的积压，当检测到辅路达到超长排队时，执行协同管控策略二，辅路信号灯绿灯延长，以提高当前时段辅路车辆在协同管控范围内的时空优先权，及时消散辅路超长排队。

由仿真结果可以发现在实施出口匝道与辅路衔接区域协同管控方法后，对于出口匝道驶出高需求的场景，出口匝道车均延误得到明显改善，即更快驶离主线，同时可一定程度提高出口匝道驶出流量，但由此牺牲了部分辅路车辆的权益，造成辅路车均延误增加，并小幅减少了辅路流量；对于出口匝道驶出低需求的场景，执行协同管控方案后一旦辅路发生拥堵，也可通过控制策略的调整及时疏散辅路排队，达到基本保持与无管控情况下持平的效果（见表4）。

表4 仿真评价指标对比

3 结 语

出入口匝道管控是快速路提质增效的重要节点，针对入口匝道控制的研究较多，而出口匝道相对较少。本文将出口匝道、辅路及衔接交叉口作为统一协同管控区域，提出针对不同交通状态下采取的四种管控策略，并给出交通状态判别算法，以及辅路信号灯、衔接交叉口信号灯配时优化方法，从主辅协同的角度实现出口匝道的动态调节和“快出”的目标。

本文提出的协同管控方法，系统架构较易实现，具有很好的工程实用性。在具体工程应用中，可结合实际区域交通运行情况、交通工程设计等条件，对管控方法中的阈值及相关参数进行校验及修正，以更好适应本地情况。该协同管控方法应用范围仅针对单一出口匝道与辅路、衔接交叉口，仍具有一定的局限性，未来可在快速路多出入口匝道、主辅路区域网络层面开展深入研究，以促进整体路网运行效率的提高。