城市地下快速路交通智能管控策略研究*

彭 坤 赵 迪 陈 长 邵敏华

(1.深圳市综合交通与市政工程设计研究总院有限公司 深圳 518019;2.同济大学道路与交通工程教育部重点试验室 上海 201804)

随着城市的不断发展,交通需求逐渐增长,地上空间资源日益紧张。作为城市地面和高架道路系统的延伸和补充,地下快速路的建设不仅可以缓解城市路网的拥堵、节约土地资源,还能减少噪声和空气污染、保护城市景观。因此其开发利用已成为趋势和必然,在城市未来的发展中将发挥越来越重要的作用。

尽管地下快速路已在巴黎、波士顿、东京、上海等城市成功应用,但对城市地下快速路交通运行管控策略的研究还十分有限。目前的研究主要集中于地下快速路车辆安全运行特征分析[1-3],研究方法主要有基于实际事故数据和外场视频数据的统计分析法[4-5]及基于模拟驾驶试验的虚拟分析法[6-7],且研究对象多为公路或城市隧道,所形成的研究成果未能有效支撑城市地下快速路交通管控工作。在实际管理中,通常将地下快速路纳入城市快速路系统中进行统一管理,管理的方法和策略也直接沿用一般快速路的既有方法,这显然无法体现地下快速路与一般快速路的特征差异。要取得最佳的管理控制效果,需要明确地下快速路交通管控需求,制定恰当的智能交通管控策略。

本文在对城市地下快速路交通运行特征进行分析的基础上,分别从通道/道路宏观层面和断面微观层面,制定能满足地下快速路管控需求的交通管控目标,在此基础上,构建针对通道/区域路网的智能管控架构,并以深圳侨城东路北延通道工程为例,对地下快速路交通管控目标的合理性进行研究,对地下快速路交通智能管控策略进行说明。

1 地下快速路交通管控目标

城市交通管控方法和策略总体可分为在通道/道路宏观层面的多设施协同管控及以断面为对象的微观层面的单设施管控。前者包括路网信号灯协调控制、道路信号灯协调控制、快速通道联动控制等,从广义上还包括交通诱导、拥挤收费等,通常以被管控对象达到最大通行能力作为管控目标。后者则以快速路匝道控制为典型手段,多以断面最大通行能力对应的占有率作为管控目标。

与一般快速路相比,地下快速路相对狭小的内部空间、照度不佳的光线条件,以及缺乏路侧参照等特点使得驾驶员心理压力增大,致使其不能正确感知行驶环境,内部车流的速度离散性增加、超速现象多发,带来交通运行的安全隐患[8]。而交通事故一旦发生,相对封闭的空间条件也将增加救援难度,事故的严重程度普遍高于地面和高架道路。地下快速路具有特殊的交通流特性与更高的安全需求,传统的交通管控目标难以满足地下快速路的交通管控需求。

本文将分别从通道/道路宏观层面和断面微观层面出发,结合地下快速路的交通运行特征及管控需求重新制定交通管控目标。

1.1 通道/道路宏观层面管控目标

在通道/道路宏观层面,地下快速路交通管控目标的设定应综合考虑以下因素:①管理者。设施能够得到充分利用,为尽可能多的出行提供服务。反映在交通流指标上,体现为道路服务的流量越大越好。②出行者。在现有设施服务水平评价体系下,个体出行速度越快越好,速度越快,出行者感受到的服务水平越高。③稳定运行。交通系统应能够在最佳的管控水平上稳定运行,即需要系统运行具有充分的可靠性。

根据Greenshields模型,交通流速度、密度、流量之间的关系见图1。由图1可见,若从出行者角度出发,一味追求高水平的速度,则道路服务流量处于较低水平,设施利用效率不高;从管理者角度,道路以通行能力水平运行,设施利用效率最高,所对应的车速为传统方法中认为的最佳车速,但此时系统运行不稳定。

图1 交通流的流量-速度-密度关系图

权衡三方面的需求,尝试构建交通流密度-流量与车速的乘积关系见图2。

图2 交通流的密度-流量×速度关系图

由图2可见,当流量与车速乘积取得最大值时,管理者与个体出行者均较为满意,且系统能够稳定运行,即

max(Q·V)

(1)

式中:Q为通道或路网服务的交通流量,pcu/h;V为平均行程车速,km/h。

此状态对应的车速作为宏观层面交通智能管控的最优目标车速Vbest,将传统方法中道路达到通行能力时对应的车速作为次优车速Vgood。

利用线性模型速度V与密度K的关系,求解得到Vbest与Vgood。

(2)

式中:Vf为自由流车速,km/h;Kj为阻塞密度,pcu/km。

由此可知,城市地下快速路通道/道路宏观层面管控目标可以将最优车速设定为自由流车速的2/3水平,次优车速则为自由流车速的1/2。

1.2 断面微观层面管控目标

面向断面微观层面的管控措施以快速路入口匝道控制为典型代表。已有方法中多将断面最大通行能力对应的占有率作为最优占有率,以此作为断面微观层面的管控目标,此管控目标可以满足高速、高效的管控需求。

从已有研究可知,地下快速路对稳定运行的需求高于普通道路,因此除满足传统高速、高效的管控需求外,还应增加稳定运行的控制指标。即在选取地下快速路断面最优占有率时应综合考虑以下因素。

1) 高速。车速高(非拥堵状态),为个体出行者追求的目标。

2) 高效。流量大(靠近通行能力),为管理者追求的目标。

3) 稳定运行。跃迁到拥堵状态的概率低。

(3)

式中:交通状态t按照占有率进行划分, 以最大通行能力对应的占有率为上限,将非拥堵状态细化分成T个占有率区间。

由此,城市地下快速路断面微观层面的管控目标宜选择对应流量高、状态跃迁概率低的占有率作为最优占有率,选择通行能力对应占有率作为次优占有率。

2 地下快速路通道管控策略

针对通道/区域路网内部的交通管控需求制定具体的控制策略,考虑不同情形的通道管控架构见图3。

图3 通道/区域路网层面的智能管控架构图

通道/区域路网智能管控框架分为数据采集、实时评价和控制策略3个模块。

2.1 数据采集模块

数据采集模块主要采集通道/区域路网内的道路行程车速、路段流量、断面占有率等数据,作为实时评价模块的数据支撑。数据采集可采用车辆实时定位技术、基于车牌识别的行程时间估计、各类断面交通数据采集技术等设备与技术实现。

2.2 实时评价模块

实时评价模块基于采集模块提供的数据,对通道/区域路网的交通运行状况进行实时评价。评价可分为通道/区域路网层面、断面层面和拥堵空间关联性3个层面,在评价流程上分为2个步骤:①计算通道/区域路网内的平均行程车速;②断面层面的拥堵状态评价。

当通道/区域路网内的平均行程车速高于最优车速时:

1) 当通道/区域路网内无拥堵断面时,可判定控制区域处于低需求、无拥堵情况。

2) 当通道/区域路网中存在拥堵断面、且拥堵路段之间无空间关联性(即拥堵未蔓延到上游路段)时,可判定控制区域处于单点局部拥堵状态。比较断面实际占有率与最优占有率,若前者高于后者即可认定为存在拥堵断面(需要管控的临界状态)。

当通道/区域路网内的平均行程车速低于最优车速时:

1) 当通道/区域路网中存在拥堵断面、拥堵路段之间开始出现空间关联性,但通道/区域路网整体交通运行状态仍处于宏观交通基本图的非拥堵侧时,可判定控制区域处于小范围局部拥堵(未饱和)状态。

2) 当通道/区域路网整体交通运行状态处于宏观交通基本图的拥堵侧时,可判定控制区域处于整体拥堵(过)饱和状态。

2.3 控制策略模块

针对上述实时评价的4种结果,结合实际工程应用,给出相应的管控策略。

3 应用实例

以深圳市侨城东路北延通道工程为例,对城市地下快速路的交通管控目标及交通管控策略进行说明。

深圳市侨城东路北延通道工程构成深圳市“八横十三纵”干线路网体系中的“一纵”,是全市高快速路网的重要组成部分,主要承担南山、福田西部与龙华、东莞方向的交通联系,并承担横向道路的交通转换以及沿线的服务功能。

本文所选取依托工程位于工程尾部位置,项目位置见图4。

图4 项目位置示意图

工程沿线依次经过北环大道、广深高速、侨香路、深南大道、白石路、滨海大道、全长约为4.7 km ,其中,与北环大道,滨海大道采用互通式立交进行快速转换,与广深高速采用分离式立交布置,与侨香路采用出入口连接地面道路与快速主线。 考虑到该段的匝道与立交相较于其他路段较多,且连接了现状侨城东路,其交通状况较为复杂,适合作为典型路段展开地下快速路交通智能管控策略的研究。

3.1 通道/道路宏观层面管控目标

依托工程为新建项目,尚无实际交通运行数据。考虑到以道路整体为研究对象时,高架快速路与地下快速路同样为连续流交通,具有相似的宏观交通流基本图。因此,以上海市逸仙高架快速路为例,构建2011年5月6日、2017年6月2日和2018年5月4日 3 d的宏观交通流基本图,见图5～图7,以此计算最优车速与次优车速,分析以max(Q·V)作为通道/道路宏观层面管控目标的可行性。

图5 逸仙高架交通流密度-速度图

图6 逸仙高架交通流密度-流量图

图7 逸仙高架交通流密度-速度*流量图

由图5～图7可见:

1) 从出行者角度出发,密度小于30 pcu/h时,速度可维持在最高水平,达到70～80 km/h ,且系统运行稳定。但此时道路服务流量处于较低水平,设施利用效率不高。

2) 从管理者角度,道路以通行能力水平运行,设施利用效率最高。此时对应次优车速约为55 km/h 。但此时数据离散性较大,系统运行不稳定。

3) 使得流量与密度乘积达到最大值时的密度约为40 pcu/km,此时对应最优车速约为65 km/h 。此时出行者、管理者均较为满意,数据离散性小,表明系统可以实现较为稳定的运行。

由此证明,采用流量与车速乘积取得最大值对应的车速作为最优车速进行宏观层面的交通管控,相较于传统管控目标,更能满足地下快速路对于系统稳定运行的强烈需求。

3.2 断面微观层面管控目标

同样以2014年12月1日上海市南北高架快速路东侧主线“永兴路下-内环”断面环形线圈检测器采集的交通流数据(数据采集时间间隔20 s)为例,进行传统最优占有率与本研究采用的最优占有率比较。

数据分析采用1 min为时间间隔,以最大通行能力对应的占有率(传统方法中的最优占有率)为上限,将非拥堵状态细化分成5个占有率区间,计算每个占有率区间发生交通状态跃迁的概率。计算结果见图8。

图8 南北高架快速路东侧主线

由图8可见,如最优占有率按照传统匝道控制方法选择19.5%,则当断面占有率在[15.6,19.5]区间时,有13.8%的可能下1 min会跃迁至拥堵状态,而占有率在[11.7,15.6]区间时仅有2.1%的可能下1 min跃迁至拥堵状态。可见,本研究采用的考虑跃迁概率的最优占有率比传统以最大通行能力对应的占有率作为最优占有率的方法更能满足地下快速路断面微观层面对于交通稳定运行的需求。

3.3 地下快速路通道管控策略

搭建深圳市侨城东路北延通道工程通道/区域路网智能管控框架,完成数据采集与实时评价工作,对实时评价4种结果下的地下快速路交通智能管控策略进行说明。

3.3.1低需求、无拥堵状态下的管控策略

此时通道/区域路网无迫切的管控需求,可以提升效率和交通运行安全性为目标,引导车辆在安全车速下行驶。

3.3.2单点局部拥堵状态下的管控策略

单点局部拥堵状态下,控制区域内出现的交通拥堵无空间关联性。进行管控时遵循以在“单节点层面消化拥堵”为主,以通过“邻近节点间进行需求平衡”为辅的原则。

1) 单节点层面“消化”拥堵的主要管控措施。面向快速路的单节点拥堵,可采用技术相对成熟、已经获得推广应用的快速路入口匝道控制及出口匝道与地面交叉口联动控制。在选择临界占有率指标时,可用本研究给出的最优占有率。

2) 节点间需求诱导措施。可在相邻的2个或多个节点间进行交通诱导,完成单拥堵节点交通需求在上下游、邻近道路节点间的需求均衡,从而达到缓解拥堵的目的。如在上游道路发布断面拥堵信息,引导出行者避开拥堵节点。

3.3.3小范围局部拥堵(未饱和)状态下的管控策略

对于车速低于最优车速、出现小范围局部拥堵但路网未饱和的情况,管控方式仍以在控制区域内部化解拥堵为主。可通过通道内平行路径需求诱导、关键路径需求控制等手段来均衡需求、提高局部路网容量,进而提升交通运行效率。

1) 通道内平行路径需求诱导:均衡通道内部交通出行需求。为均衡通道内部交通流量分布,对通道内主方向平行路径交通运行状态进行监控与诱导。

以图9中拟建后的侨城东路北延通道为例。通道在南北方向存在4条平行路径,从西向东为:沙河西路、沙河东路、侨城东路北延、香蜜湖路。若侨城东路北延通道出现局部拥堵,可采取交通诱导措施,引导车辆向平行路径转移(如向香蜜湖路转移),从而达到平衡交通分布、提高交通效率的目标。

图9 侨城东路北延通道

2) 通道内主路径需求管控:保证主路径运行效率,行程车速达到最优车速。可采用交通需求管控措施,保证通道内主路径(即通道中承担较高比例出行服务的高速公路、快速路或主干路,如本研究中侨城东路快速路段)的通行效率,使其尽可能以最优车速行驶。可采取的需求管控措施包括:①主路径进入控制,可通过对主路径的入口路段进行交通管控,控制进入主路径的交通流量;②主路径拥挤收费,采用拥挤收费等管理手段。可以将车速控制在最优车速以上为目标,进行费率的制定和实时调整,也可进行有倾向性的收费。

3.3.4整体拥堵过饱和状态下的管控策略

当车速低于最优车速,出现大范围拥堵,路网处于过饱和状态,采用前述3类策略仍然无法实现对通道/区域路网使用的缓解时,可通过在大路网层面采用多通道需求诱导、通道/路网进入需求管控和区域协调控制等方法,促使将控制区域内的交通需求回归到合理范围,提升路网整体的运行水平。

4 结语

1) 本研究从宏/微观2个层面,提出适应城市地下快速路交通运行特征、满足地下快速路管控需求的智能管控目标,包括:在通道/道路宏观层面,基于宏观交通基本图,从高速、高通行量和高可靠性3个方面进行分析,提出了以实现流量车速乘积最大化时的速度作为最优车速控制目标、以通行能力对应车速作为次优车速控制目标。在断面微观层面,提出了以状态跃迁概率表征交通运行可靠性的方法,认为最优占有率需综合考虑流量和状态跃迁概率。

2) 研究提出了通道/区域路网层面的智能管控总体框架。通道/区域路网层面管控将通道运行状况划分为4种状态,分别给出了控制策略。

3) 以侨城东路北延通道工程为例,对城市地下快速路交通智能管控目标制定的合理性及智能管控策略的应用进行说明。

考虑到新建的依托工程路段尚无实际交通运行数据,因此借助了同为连续流交通的上海市快速路(高架)数据进行管控目标的合理性分析。然而由于车道数目、交通组成、运行环境等方面存在差异,在实际应用过程中需要根据侨城东路北延通道实际的交通运行数据,计算最优车速及最优占有率。

研究成果可为深圳侨城东路北延通道及其他待建地下快速路交通运行全过程优化措施制定提供参考,也可为已建地下快速路在运行阶段的安全改善提供指导。