城市高架快速路出口匝道與銜接交叉口整合控制研究

王慧勇

(西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川成都　610031)

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城市高架快速路出口匝道與銜接交叉口整合控制研究

王慧勇

(西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院，四川成都610031)

摘要：在城市高架快速路出口匝道與銜接交叉口處，為避免車輛排隊(duì)回溯至高架快速路主線，提出可接受排隊(duì)長度控制的出口匝道與銜接交叉口的整合控制策略。當(dāng)出口匝道上排隊(duì)長度超過可接受排隊(duì)長度時，實(shí)行相應(yīng)的綠燈相位延長策略或綠燈相位提前激活策略，通過調(diào)整銜接交叉口的信號配時，實(shí)現(xiàn)對出口匝道的優(yōu)化控制。仿真結(jié)果表明：與出口匝道落地點(diǎn)控制策略相比，可接受排隊(duì)長度控制策略在保證出口匝道車輛不溢出的前提下，使相交道路的平均排隊(duì)長度和平均延誤時間都有所減少。

關(guān)鍵詞：城市高架快速路；交通控制；出口匝道；交叉口；整合控制

城市高架快速路作為城市快速路的一種形式，一般修建在主干道路上，多數(shù)修建在城市環(huán)狀道路上，承載著主要的交通出行[1]。例如：上海市的高架道路僅占市區(qū)道路面積的5%，卻承擔(dān)著市內(nèi)35%的交通出行[2]。隨著城市交通的迅猛發(fā)展，交通出行不斷增長，快速路也出現(xiàn)了交通擁擠問題，使得快速路具備的快速便捷的優(yōu)勢有所削弱[3]，其中一個很重要的原因就是快速路上的車輛無法及時通過出口匝道駛離快速路，嚴(yán)重時排隊(duì)還會回溯至主線，影響主路交通流的正常運(yùn)行，這一問題比由入口匝道引起的交通擁擠問題更為嚴(yán)重[4-6]。

出口匝道一旦建成，其改建困難，管理與控制成為改善出口匝道及銜接交叉口的關(guān)鍵措施[7]。而與出口匝道下游相連的信號交叉口通常為固定信號配時，不能很好地適應(yīng)快速路連續(xù)流與輔路關(guān)聯(lián)交叉口間斷流之間的頻繁突變[8]。鑒于此，本文基于車輛的主動優(yōu)先控制策略(目前采用最多的是延長現(xiàn)行相位或提前激活相位)[9-12]，依據(jù)可接受排隊(duì)長度檢測器布設(shè)方法對出口匝道車輛運(yùn)行情況進(jìn)行識別分析，設(shè)計(jì)相應(yīng)的綠燈相位延長策略和綠燈相位提前激活策略，實(shí)時調(diào)整交叉口信號控制方案，從而實(shí)現(xiàn)高架快速路出口匝道與銜接交叉口的整合控制。

1控制策略

1.1出口匝道關(guān)聯(lián)相位綠燈時間延長[13]

延長綠燈時間策略運(yùn)用感應(yīng)式控制的基本原理[14]。引入最大排隊(duì)長度的概念，即綠燈時間內(nèi)通過出口匝道進(jìn)入交叉口的最大車輛排隊(duì)長度。最大排隊(duì)長度延伸至快速路主線時稱為超長排隊(duì)。在相位初期維持由離線方案制定的初始綠燈時間tr0，當(dāng)綠燈時間到達(dá)開始判斷時刻tb時，檢測設(shè)定的最大排隊(duì)長度處是否存在排隊(duì)，如果沒有，則繼續(xù)執(zhí)行剩余綠燈時間，直到該相位綠燈tr結(jié)束；如果存在排隊(duì)，則判斷綠燈時間是否到達(dá)最大綠燈時間trmax，若到達(dá)則轉(zhuǎn)入下一相位，若沒有到達(dá)，則將綠燈時間延長一個Δt，然后在延長的時間內(nèi)檢測有無超長排隊(duì)，如果有超長排隊(duì)，則繼續(xù)延長時間至最大綠燈時間，如圖1所示。

1)檢測器的設(shè)置

傳統(tǒng)出口匝道上排隊(duì)檢測器的布設(shè)方式有2種，即匝道底端處的落地點(diǎn)排隊(duì)檢測器和匝道頂端的排隊(duì)溢出長度檢測器，將可接受排隊(duì)長度檢測器布設(shè)在傳統(tǒng)排隊(duì)檢測器中間，如圖2所示。

圖1　交叉口關(guān)聯(lián)相位綠燈時間延長機(jī)理

圖2　出口匝道檢測器布設(shè)位置示意圖

可接受排隊(duì)長度是指關(guān)聯(lián)相有效綠燈時間內(nèi)匝道允許的車輛最大排隊(duì)長度。從出口匝道車輛延誤和停車次數(shù)的角度考慮，對可以接受的排隊(duì)長度做出定量計(jì)算?？山邮芘抨?duì)長度檢測器可以使車輛盡快駛離出口匝道，同時考慮減小匝道車輛延誤和相交道路的車輛延誤，出口匝道可接受排隊(duì)長度

式中:t為銜接交叉口關(guān)聯(lián)相的綠燈時長，s，信號控制采用多段式時，t取各段綠燈時長的加權(quán)平均值；h為出口匝道車輛的平均車頭時距，s；La為出口匝道車輛的車身長度與車頭間距的平均值，m；T為關(guān)聯(lián)相綠燈總損失時間，s。

2)關(guān)聯(lián)相位綠燈延長判斷開始時刻

相位延長判斷開始時刻tb應(yīng)大于或等于最小綠燈時長trmin，且主要與相位初始綠燈時長以及可接受排隊(duì)長度檢測器的位置相關(guān)，即

tb=tr0-L/v，

式中：L為可接受排隊(duì)長度檢測器至停車線的距離，m；v為出口匝道平均行駛車速，m/s。

3)相位延長判斷結(jié)束時刻

為使盡可能多的車輛駛離出口匝道，應(yīng)該對出口匝道是否存在超長排隊(duì)進(jìn)行持續(xù)判斷直至到達(dá)關(guān)聯(lián)相位的綠燈時長，但考慮到須給予系統(tǒng)一定的優(yōu)化計(jì)算時間。判斷結(jié)束時刻

te=tr-th，

式中:tr為關(guān)聯(lián)相位的綠燈時長，s；th為系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算所需時間，s。

關(guān)聯(lián)相位綠燈延長策略所延長的綠燈時間Δt通過對相交道路排隊(duì)長度的判斷得出。通過比較相交道路每相位的實(shí)際排隊(duì)長度與最大排隊(duì)長度lmax，可知相交道路是否有剩余的綠燈時間tm分配給出口匝道關(guān)聯(lián)相。如果實(shí)際排隊(duì)長度小于最大排隊(duì)長度，則有剩余時間分配給出口匝道關(guān)聯(lián)相；如果實(shí)際排隊(duì)長度大于最大排隊(duì)長度，則沒有剩余時間分配給出口匝道關(guān)聯(lián)相，有

式中：ts為離線制定的相交道路的初始綠燈時長，s；lmax為相交道路最大排隊(duì)長度，m；li為相交道路進(jìn)口道實(shí)際排隊(duì)長度，m；t0為綠燈啟亮?xí)r車輛啟動的損失時間，通常取3 s；h′為飽和車流通過停車線的車頭時距，通常取2 s；Ld為排隊(duì)車輛的車頭間距，通常取6 m。

關(guān)聯(lián)相最小綠燈時間tr,min與所分配給的綠燈剩余時間tm存在2種可能性：

①若trmin+tm>trmax，此時按最大綠燈時間trmax處理。

②若trmin+tm

1.2出口匝道關(guān)聯(lián)相位綠燈提前激活

相位初期維持由離線方案制定的紅燈時長，到達(dá)判斷開始時刻判斷在出口匝道設(shè)定的最大排隊(duì)處是否存在排隊(duì)，如果存在超長排隊(duì)，則在滿足當(dāng)前相位提前結(jié)束后的排隊(duì)長度小于其最大排隊(duì)長度，且當(dāng)前相位綠燈時長大于其最小綠燈時長的條件下提前結(jié)束當(dāng)前正在運(yùn)行的相位，激活出口匝道關(guān)聯(lián)相的綠燈；如果不存在超長排隊(duì)，則維持原控制方案。在出口匝道相銜接交叉口相位提前激活的判斷過程中有2個關(guān)鍵時刻：相位提前激活優(yōu)化的判斷開始時刻t′b和判斷結(jié)束時刻t′e。

1)出口匝道關(guān)聯(lián)相提前激活的判斷開始時刻

當(dāng)前相的綠燈時間大于其最小綠燈時長時，即可開始判斷是否存在超長排隊(duì)，是否需要提前激活相位。令t′b=tbmin,tbmin為當(dāng)前相的最小綠燈時間。

2)判斷結(jié)束時刻

判斷結(jié)束時刻考慮系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算所需時間t′h。令tb,0為當(dāng)前相的綠燈時長，有

t′e=tb0-t′h。

3)判斷步距

為了能夠?qū)Τ隹谠训赖呐抨?duì)情況做出及時反應(yīng)，取判斷步距為1 s。交叉口關(guān)聯(lián)相位綠燈提前激活控制流程如圖4所示。

圖3　交叉口關(guān)聯(lián)相位綠燈延長控制流程　　　　　　　　　　　　圖4　交叉口關(guān)聯(lián)相位綠燈提前激活控制流程

2仿真研究

采用VISSIM交通仿真軟件對控制方案進(jìn)行仿真試驗(yàn)，通過記事本編寫邏輯文件*.VAP和*.PUA(包含信號和相位間隔定義)，在VISSIM的信號控制中直接調(diào)用這兩個程序[15]。

選取成都市二環(huán)路九里堤處高架路出口匝道進(jìn)行仿真分析，該高架路出口匝道與地面道路銜接段及相鄰交叉口的幾何特征如圖5所示。圖5中，出口匝道為外側(cè)式匝道，長度為200 m，銜接段長度為115 m，出口匝道及交叉口各進(jìn)口道的車道寬度均為3.25 m，檢測器的布設(shè)按照可接受排隊(duì)長度檢測器布設(shè)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置，信號相位如圖6所示。

圖5　仿真路網(wǎng)示意圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖6　銜接交叉口信號相位圖

經(jīng)調(diào)查得到該出口匝道交叉口高峰期間18：00—19：00的交通流量數(shù)據(jù)如表1所示。平峰時期出口匝道和地面道路的流量比較少，出口匝道很少有排隊(duì)現(xiàn)象出現(xiàn)，基本的固定配時就可以滿足通行需求，不需要實(shí)施控制策略。

表1　仿真路網(wǎng)高峰交通流量　單位：pcu/h

為了便于分析，將排隊(duì)檢測器布設(shè)在可接受排隊(duì)長度位置的控制策略簡稱為整合控制策略，設(shè)在匝道落地點(diǎn)處的控制策略簡稱為匝道落地點(diǎn)控制策略，未鋪設(shè)檢測器的控制策略稱為固定配時策略。仿真結(jié)果見表2、3。

表2　高峰條件下的排隊(duì)長度　單位：m

表3　高峰條件下的平均延誤時間　單位：s

從表2可以看出：固定配時下的匝道最大排隊(duì)長度為225 m，由圖5可知排隊(duì)已經(jīng)溢出至高架快速路主線(圖5中匝道長度為200 m)，實(shí)施整合控制策略后最大排隊(duì)長度為162 m，匝道車輛排隊(duì)不會影響高架快速路主線車輛的運(yùn)行。從表2、3可以看出：匝道落地點(diǎn)控制策略的關(guān)聯(lián)相進(jìn)口道、東進(jìn)口的平均排隊(duì)長度與平均延誤時間都有不同程度的減少，而相交方向的南進(jìn)口、北進(jìn)口直行和左轉(zhuǎn)的平均排隊(duì)長度與平均延誤時間都有不同程度的增加，這是因?yàn)榇朔N控制策略的實(shí)施使得原本在離線方案下制定的相交道路的綠燈時間有一部分被分配給了與出口匝道關(guān)聯(lián)的相位。在總時間一定的情況下，匝道落地點(diǎn)控制策略與固定配時策略相比，前者使出口匝道關(guān)聯(lián)相有更多的通行時間，進(jìn)而關(guān)聯(lián)相位平均排隊(duì)長度有所下降，相交相的排隊(duì)長度與平均延誤時間有所增加。整合控制策略與匝道落地點(diǎn)控制策略的排隊(duì)長度、平均延誤時間變化趨勢相同，但其變化的幅度比匝道控制策略小，這是由于整合控制策略從相交道路獲得的額外通行時間少，使得相交道路的平均排隊(duì)長度相較匝道落地點(diǎn)控制策略有所減少，致使出口匝道、關(guān)聯(lián)相進(jìn)口道、東進(jìn)口道排隊(duì)長度有所增加。

因此，整合控制策略相對于固定配時策略和匝道落地點(diǎn)控制策略，在保證出口匝道車輛不溢出的前提下，使相交道路的平均排隊(duì)長度和平均延誤時間有所減少，在兼顧相交道路的交通效益方面比排隊(duì)檢測器布設(shè)在出口匝道落地點(diǎn)處的控制策略更具有優(yōu)越性。

3結(jié)語

本文提出布設(shè)可接受排隊(duì)長度檢測器的方法，將交叉口處不同的匝道控制策略進(jìn)行對比。仿真結(jié)果表明：采用整合控制策略后出口匝道排隊(duì)不會回溯至主線，使相交道路的交通狀況得到改善，從而保障了高架快速路主線交通流運(yùn)行的穩(wěn)定性。該方法可為交通管理部門在治理交通擁堵方面提供有效的交通控制方案。

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(責(zé)任編輯：楊秀紅)

Integrated Control of Off-Ramp and Correlative

Intersection in Urban Elevated Expressway

WANGHuiyong

(SchoolofTransportationandLogistics,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Abstract:In the off-ramp and convergence intersection of urban elevated expressway, in order to keep the queue from backing up to elevated expressway mainline, this paper proposes an integrated control strategy of the off-ramp and correlative intersection with the acceptable queue length. When the queue length of off-ramp exceeds the acceptable queue length, the corresponding phase green light duration strategy or early-activated green light phase strategy will be adopted. The optimal control of the off-ramp is realized by the adjustment of the cycle and the green signal ratio of the intersection. Simulation results show that without the overflow of the off-ramp vehicles, the acceptable queue control strategy makes the average queue length and average delay time of the intersection shortened compared with the off-ramp landing point control strategy.

Key words:urban elevated expressway; traffic control; off-ramp; correlative intersection;integrated control

文章編號：1672-0032(2015)04-0017-06

中圖分類號：U412.366

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2015.04.005

作者簡介：王慧勇(1990—)，男，石家莊人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榻煌ㄟ\(yùn)輸規(guī)劃與管理.

收稿日期：2015-07-14