車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的高速公路合流區(qū)協(xié)調(diào)控制方法及效果評(píng)價(jià)

王東柱，陳艷艷，馬建明，C.Michael WALTON

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100022；3.美國德克薩斯州交通部，奧斯汀 美國 78731；4.美國德州大學(xué)奧斯汀分校，奧斯汀 美國 78712)

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車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的高速公路合流區(qū)協(xié)調(diào)控制方法及效果評(píng)價(jià)

王東柱1，陳艷艷2，馬建明3，C.Michael WALTON4

(1.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100022；3.美國德克薩斯州交通部，奧斯汀 美國 78731；4.美國德州大學(xué)奧斯汀分校，奧斯汀 美國 78712)

高速公路合流區(qū)是事故的多發(fā)區(qū)域，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為提高合流區(qū)的安全提供了有效的手段。提出了一種新的車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下合流區(qū)的車輛控制協(xié)調(diào)方法。首先，對(duì)合流區(qū)的安全隱患進(jìn)行了分析。其次，針對(duì)貨運(yùn)車輛的行駛特點(diǎn)，計(jì)算了匝道大貨車到達(dá)合流區(qū)沖突區(qū)域的時(shí)間范圍，以此時(shí)間段為約束條件，計(jì)算了主路車輛在同一時(shí)間段到達(dá)合流區(qū)的速度區(qū)間。在考慮安全和效率的條件下選擇最優(yōu)主路車速值，通過對(duì)車輛進(jìn)行預(yù)警，使主路車輛避開可能發(fā)生沖突的區(qū)域。最后，利用仿真軟件Vissim二次開發(fā)了車車通信模塊，從安全性、通行效率等指標(biāo)評(píng)價(jià)了安全協(xié)調(diào)控制效果。

ITS；協(xié)調(diào)控制；評(píng)價(jià)；仿真；車聯(lián)網(wǎng)；車車通信；合流區(qū)；車輛沖突；車輛安全；預(yù)警

0 引言

高速公路的合流區(qū)包括匝道、加速車道以及與之相聯(lián)系的主線部分。由于匝道車輛的駛?cè)敫蓴_到主線車道的行車，容易引起交通混亂，是高速公路常見的事故多發(fā)區(qū)域[1]。在我國，一方面，隨著貨運(yùn)交通量的增加以及貨運(yùn)車輛向大型化、重載化方向發(fā)展，對(duì)貨車的性能和要求不斷提高；另一方面，貨車比例高而車輛運(yùn)行性能較差，超載現(xiàn)象嚴(yán)重，對(duì)高速公路行車安全構(gòu)成了極大威脅，載重貨車相關(guān)事故占該高速公路事故總數(shù)的53.62%[2]，貨車已成為引發(fā)重大交通事故的主要原因。而在高速公路合流區(qū)，由于貨物超載或車輛自身?xiàng)l件等導(dǎo)致的貨車以低于高速公路要求的速度進(jìn)入合流區(qū)主路，對(duì)主路高速行駛的車流造成干擾，引起合流區(qū)運(yùn)行的紊亂，大大加重了合流區(qū)的安全風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)在我國合流區(qū)出現(xiàn)的交通事故占事故總數(shù)的30%[3]。

國際交通領(lǐng)域很早就對(duì)道路合流區(qū)的安全和擁堵問題進(jìn)行了研究，研究大致經(jīng)歷了3個(gè)階段，第1階段是通過對(duì)合流區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì)來提高安全降低擁堵[4]。第2階段主要是通過主動(dòng)管理(Active Traffic Management, ATM)降低匝道車流量來提升合流區(qū)的交通效率[5]，如匝道控制(Ramp Metering)，這類通過交通流狀態(tài)檢測、預(yù)警控制的方法目前采用得較多[6-9]，部分也采用了車路通信技術(shù)，但是需要額外安裝檢測和預(yù)警設(shè)備，檢測點(diǎn)和預(yù)警控制點(diǎn)位置固定，難以真正達(dá)到實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的檢測和預(yù)警效果。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，采用基于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(Connected Vehicles，也稱為互聯(lián)車輛)提升道路交通安全水平和效率已成為國際未來交通發(fā)展的趨勢。它利用車車、車路數(shù)據(jù)傳輸，增強(qiáng)環(huán)境感知，實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛員建議、預(yù)警以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施的控制來減少或徹底避免交通事故的發(fā)生。在美國交通部2015年發(fā)布的智能交通戰(zhàn)略研究計(jì)劃中，基于5.9 GHz 專用短程通信的車車、車路互聯(lián)技術(shù)提高道路交通的安全性是其中最重要的內(nèi)容，預(yù)計(jì)通過車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以降低82%潛在的道路安全事故[10]。高速公路合流區(qū)安全研究已經(jīng)成為車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個(gè)重要探索性研究項(xiàng)目[11]。

車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的高速公路合流區(qū)協(xié)調(diào)控制是利用車車通信技術(shù)采集和傳輸合流區(qū)附近車輛位置、速度等信息，計(jì)算并預(yù)測主路和匝道車輛到達(dá)合流區(qū)域內(nèi)可能引發(fā)的安全沖突和干擾，通過控制協(xié)調(diào)算法提前調(diào)整主路或匝道車輛的駕駛行為，降低車輛沖突和擁堵發(fā)生的幾率[12]。

目前的相關(guān)研究基本上是在正常交通運(yùn)行條件下，針對(duì)所有車輛類型進(jìn)行協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計(jì)。實(shí)際上,國內(nèi)真正對(duì)于合流區(qū)安全影響較大的是車輛速度差造成的安全隱患，也是造成擁堵的主要原因。由于大型車輛存在的超載、車輛狀況不佳、駕駛員操作不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致的行駛速度和加、減速方面的缺點(diǎn)遠(yuǎn)比普通車輛更加危險(xiǎn)[2]，因此，本方法針對(duì)大型車輛匯入合流區(qū)的情況進(jìn)行協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計(jì)，比控制所有車輛更加有效，算法效率更高。

此外，目前合流區(qū)協(xié)調(diào)控制的研究大部分是采用車聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)控制車輛，如結(jié)合合作自適應(yīng)巡航控制(CACC)的策略設(shè)計(jì)[13]，但目前自動(dòng)控制車輛技術(shù)尚不成熟，而且具有一些技術(shù)和應(yīng)用中的問題[14]，因此本文描述的方法不采用自動(dòng)控制車輛。本方法是在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的，僅給駕駛?cè)藛T提供預(yù)警及車速調(diào)整建議。由于普通車輛不能實(shí)現(xiàn)全過程按照建議頻繁調(diào)整車輛速度，本方法在協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計(jì)上僅提示駕駛?cè)藛T在合流區(qū)前方調(diào)整一次，并對(duì)調(diào)整時(shí)間和距離進(jìn)行探討，以保證在靈活、舒適、節(jié)能的條件下對(duì)合流區(qū)車輛進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

本文首先在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，針對(duì)匝道大型貨車以較低速度進(jìn)入主路和加速車道有停車干擾兩種情況設(shè)計(jì)合流區(qū)控制策略，以匝道大型貨車到達(dá)沖突區(qū)域的時(shí)間為約束條件，計(jì)算主路車輛在此時(shí)間內(nèi)到達(dá)沖突區(qū)域的位置和速度，進(jìn)而調(diào)節(jié)主路車輛行駛狀態(tài)，減少合流區(qū)沖突和擁堵。基于Vissim二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)車車通信的仿真模塊，通過比較平均速度、排隊(duì)長度通行時(shí)間等參數(shù)指標(biāo)，對(duì)本方法控制效果的安全性和通行效率進(jìn)行評(píng)價(jià)和驗(yàn)證。

1 合流區(qū)交通控制方法

1.1 合流區(qū)安全隱患因素分析

影響高速公路合流區(qū)交通安全的因素較多，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研，合流區(qū)內(nèi)的交通狀態(tài)對(duì)安全造成的影響主要有：

(1)車輛占用加速車道：加速車道上有車輛占用，導(dǎo)致后面由匝道進(jìn)入合流區(qū)的車輛在速度未達(dá)到主路速度要求的情況下提前進(jìn)入主路。這種情況比較普遍，主要是駕駛?cè)藛T在進(jìn)入高速主路前對(duì)車輛和貨物進(jìn)行檢查，大型貨車輛居多。以京滬高速公路馬駒橋收費(fèi)站出京方向合流區(qū)為例，2012年6月22日10：40—10：40之間，1 h內(nèi)共有13次加速車道停車，平均停車時(shí)間為6 min。

(2)進(jìn)入合流區(qū)的大型貨車速度低：大型車輛由于可能存在的超載、性能不佳等原因，以低于主路要求的速度進(jìn)入主路。

這兩種情況都會(huì)導(dǎo)致匝道車輛與主路速度較快的車輛發(fā)生沖突，造成合流區(qū)交通運(yùn)行的紊亂，進(jìn)而造成事故或擁堵。具體沖突點(diǎn)見圖1中的星形。

圖1 合流區(qū)車輛沖突點(diǎn)形成示意圖Fig.1 Schematic diagram of vehicle conflict points in merge area

通過分析可知，匝道大型貨車由于性能、超載或加速車道被占用等原因，以低于主路速度要求的車速進(jìn)入主路，或難以靈活調(diào)節(jié)車速尋找適當(dāng)?shù)能囕v間隙并入主路，導(dǎo)致與主路車輛在合流區(qū)發(fā)生沖突。因此，由于匝道大型貨車在行駛速度和加、減速方面的不足，采取根據(jù)匝道大型貨車的行駛情況來調(diào)節(jié)主路車輛的駕駛行為，避免與匝道車輛在合流區(qū)發(fā)生沖突，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 合流區(qū)協(xié)調(diào)控制方法設(shè)計(jì)

合流區(qū)前方區(qū)域協(xié)調(diào)控制主要是根據(jù)匝道車輛的情況預(yù)測可能到達(dá)合流區(qū)的時(shí)間和區(qū)域，動(dòng)態(tài)調(diào)整主路車輛車速避開合流區(qū)內(nèi)的沖突區(qū)域，減少合流區(qū)內(nèi)與匝道車輛的沖突，同時(shí)也為匝道車輛匯入提供空間。為了更加符合實(shí)際需求和檢驗(yàn)算法的有效性，選用車輛占用加速車道這種極端情況來進(jìn)行控制策略的設(shè)計(jì)，這種場景也可以達(dá)到大型貨車提前低速進(jìn)入主路的效果。在本文描述的方法中,取占用加速車道車輛位置距合流區(qū)起點(diǎn)距離等于加速車道長度，則為正常的合流區(qū)交通狀態(tài)下的協(xié)調(diào)控制策略。

圖2 車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的合流區(qū)車輛位置圖Fig.2 Vehicle location in merge area in connected vehicles environment

如圖2所示，設(shè)車輛占用加速車道的位置距合流區(qū)起點(diǎn)距離為xm，以起到匝道車輛在合流區(qū)x的范圍內(nèi)提前進(jìn)入主路的效果，因此xm為合流區(qū)的沖突區(qū)域，x的值由占用加速車道的車輛通過車車通信通知周邊車輛。車載終端根據(jù)這些信息結(jié)合車載地圖信息可以得到下列參數(shù)：主路車輛A距合流區(qū)沖突區(qū)域起點(diǎn)距離為xA，速度為VA，加速度為aA。匝道車輛B距合流區(qū)起點(diǎn)距離為xB，速度為VB，加速度為aB。定義車輛B到達(dá)合流區(qū)起點(diǎn)的時(shí)間為t1，到達(dá)合流區(qū)沖突區(qū)域終點(diǎn)的時(shí)間為t2。

高速公路合流區(qū)協(xié)調(diào)控制方法的具體內(nèi)容如下。

(1)車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的信息采集與傳輸

合流區(qū)交通協(xié)調(diào)控制是在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的，每輛車都安裝有支持車輛定位和車車通信的車載終端，車載終端具有語音和文字顯示功能，車輛行駛過程中實(shí)時(shí)采集車輛行駛狀態(tài)和位置信息，并通過車車通信以10 Hz的頻率向周邊車輛發(fā)送自己的位置、速度等信息，通信范圍為1 000 m左右(滿足合流區(qū)域通信范圍要求)。車輛接收到附近車輛信息后按照合流區(qū)協(xié)調(diào)控制算法對(duì)信息進(jìn)行處理，如果滿足預(yù)警條件，將處理得到的行駛建議通過車載終端對(duì)駕駛?cè)藛T進(jìn)行預(yù)警，使駕駛?cè)藛T及時(shí)調(diào)整駕駛行為。采集和發(fā)送的信息包括：車輛ID、當(dāng)前時(shí)間、車型、地理位置(經(jīng)緯度)、速度、方向角等。在協(xié)調(diào)控制方法實(shí)施中，假定駕駛?cè)藛T嚴(yán)格按照車載終端的建議駕駛車輛。

(2)預(yù)警時(shí)間值的確定

預(yù)警位置是開始對(duì)主路上即將進(jìn)入合流區(qū)的車輛進(jìn)行預(yù)警時(shí)，主路車輛距合流區(qū)起點(diǎn)的距離。由于車速不同，預(yù)警位置不是一個(gè)固定值，因此通過時(shí)間限定會(huì)更加合理，它也是主路車輛A在到達(dá)合流區(qū)沖突區(qū)起點(diǎn)前駕駛?cè)藛T調(diào)整車速的反應(yīng)時(shí)間。以往的研究基本上是全時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整主路車輛駕駛行為，沒有對(duì)車輛預(yù)警及調(diào)整駕駛行為的時(shí)間進(jìn)行限制，而這種全時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整車輛的方式對(duì)于非自動(dòng)車輛是不適用的。本方法采用車載終端語音或文字為駕駛?cè)藛T提供建議，所以預(yù)警時(shí)間的選取比較重要。設(shè)定對(duì)主路車輛A開始預(yù)警的時(shí)間為距合流區(qū)沖突區(qū)域起點(diǎn)行駛時(shí)間tw內(nèi)，預(yù)警時(shí)間tw的值根據(jù)安全性、舒適性、節(jié)能等因素進(jìn)行選取。

預(yù)警時(shí)間tw值的選取與車輛A減速度aA大小關(guān)系密切，如果tw取值過小，則駕駛?cè)藛T反應(yīng)時(shí)間短，車輛減速過快，會(huì)造成安全隱患，駕駛舒適性差，排放增加；如果tw取值過大，車輛減速慢，會(huì)影響暢通性，增加通行時(shí)間。通常制動(dòng)減速度在1.5～2.5 m/s2這個(gè)范圍內(nèi)舒適感、安全性和能量消耗都會(huì)得到保證。這里取aA=2.5 m/s2。

假定最小反應(yīng)時(shí)間為tw根據(jù)時(shí)間和速度公式aA=(V0-Vt)/tw， 其中V0為車輛起始正常速度，取高速公路最高限速120 km/h。Vt為車輛到達(dá)合流區(qū)的速度，取80 km/h。駕駛員反應(yīng)時(shí)間tw=(120-80)×1 000/(3 600×2.5)=4.4s， 可以取匝道車輛B距合流區(qū)起點(diǎn)tw=5 s的行駛時(shí)間時(shí)，對(duì)車輛A進(jìn)行協(xié)調(diào)控制預(yù)警。

(3)計(jì)算匝道車輛B到達(dá)合流區(qū)沖突區(qū)域起點(diǎn)和終點(diǎn)的時(shí)間t1和t2

車輛A接收到車輛B發(fā)送的信息，車輛A根據(jù)車輛B的當(dāng)前位置、速度、加速度等信息，計(jì)算預(yù)測車輛B由當(dāng)前位置到達(dá)合流區(qū)沖突區(qū)域起點(diǎn)和終點(diǎn)的時(shí)間t1和t2，并判斷是否t1≤tw，如果滿足，車輛A發(fā)出預(yù)警并進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

車輛B由匝道進(jìn)入合流區(qū)為近似直線的勻加速運(yùn)動(dòng)，加速度為aB，已知xB，VB，x，aB，可以得出到達(dá)合流區(qū)沖突區(qū)域起、終點(diǎn)的時(shí)間t1和t2。

假設(shè)匝道車輛B在t時(shí)間內(nèi)達(dá)到車輛的速度VBt，可知在t1時(shí)間內(nèi)車輛B行駛的距離SB為：

(1)

式中SB=xB。

解方程可以得到車輛B到達(dá)合流區(qū)沖突區(qū)域起點(diǎn)的時(shí)間t1：

(2)

同理，在SB=xB+x時(shí)，可以得到車輛B到達(dá)合流區(qū)沖突區(qū)域終點(diǎn)的時(shí)間t2：

(3)

如果車輛B到達(dá)沖突區(qū)域起點(diǎn)的時(shí)間不大于設(shè)定的預(yù)警時(shí)間，即t1≤tw，滿足車輛A預(yù)警反應(yīng)時(shí)間時(shí)，車輛A開始進(jìn)行預(yù)警協(xié)調(diào)控制。

(4)計(jì)算車輛A在(t1,t2)時(shí)間內(nèi)到達(dá)沖突區(qū)域的初始速度范圍(VA1,VA2)

根據(jù)沖突的條件，車輛A與車輛B在相同時(shí)間(t1,t2)到達(dá)沖突區(qū)域內(nèi)，則會(huì)與車輛B發(fā)生沖突，即：在合流區(qū)前方，車輛A當(dāng)前的行駛速度如果在沖突速度范圍(VA1,VA2)內(nèi)可在時(shí)間(t1,t2)內(nèi)到達(dá)沖突區(qū)域，則存在與車輛B在合流區(qū)沖突區(qū)域發(fā)生沖突的可能性。因此以(t1,t2)為約束條件，計(jì)算車輛A在時(shí)間(t1,t2)到達(dá)沖突區(qū)域(xA,xA+x)的初始速度范圍(VA1,VA2)。

①計(jì)算車輛A在t1時(shí)間到達(dá)沖突區(qū)域起點(diǎn)的初始速度VA1。

(4)

②計(jì)算車輛A在t2時(shí)間到達(dá)沖突區(qū)域終點(diǎn)的初始速度VA2。

(5)

由式(4)和式(5)可以看出，車輛A到達(dá)沖突區(qū)域的沖突速度范圍(VA1,VA2)與車輛B到達(dá)沖突區(qū)域的時(shí)間t1和t2密切相關(guān)，因此調(diào)整車輛A的初始速度，可以避免車輛A在t1和t2內(nèi)進(jìn)入沖突區(qū)域，起到避免沖突的目的。具體內(nèi)容如下：

(1)根據(jù)避免沖突的條件，初步選擇車輛A的安全行駛速度

車輛A將自己當(dāng)前的速度與沖突速度范圍(VA1，VA2)進(jìn)行比較，根據(jù)發(fā)生沖突的條件，如果車輛A當(dāng)前的速度VA∈(VA1,VA2)，則車輛A有可能與車輛B在沖突區(qū)發(fā)生沖突。因此，只要使VA?(VA1，VA2)，即VAVA2，就可避免在合流區(qū)沖突區(qū)域與車輛B發(fā)生沖突。

(2)主路車輛A速度建議值的選取

具體VA建議值的選取需要考慮如下因素：

①如果VA取值過小，則車輛A為避讓車輛B所空出的間隙過大，影響通行效率。

②如果VA取值過大，則車輛A與車輛B在合流區(qū)可能車間距過小，引起安全隱患。

因此，VA的取值應(yīng)該在保證沖突區(qū)行車安全的條件下，盡量采取最大值，保證車輛通行效率。采取臨界速度值結(jié)合安全車距的方法來定義車輛A的建議速度。由式(4)，車輛A速度VA的建議值(即車輛A的臨界值)如下：

(6)

式中t為車輛B到達(dá)臨界點(diǎn)的距離加上安全車距(xB+xS)所用的時(shí)間，取決于車輛B的行駛情況；xS為安全車距。將式(1)中的xB用(xB+xS)代替，則車輛A到達(dá)(xB+xS)的時(shí)間t為：

(7)

式中安全車距xS的選取比較復(fù)雜，與車輛速度、車輛性能、駕駛?cè)藛T反應(yīng)、路面狀況等有關(guān)，采用一個(gè)簡單的方法計(jì)算安全車距：

(8)

式中VB1為車輛B到達(dá)合流區(qū)沖突區(qū)域時(shí)的車速。

2 合流區(qū)協(xié)調(diào)控制效果仿真評(píng)價(jià)

采用仿真軟件Vissim對(duì)協(xié)調(diào)控制算法進(jìn)行仿真及效果評(píng)價(jià)， 采用C++語言進(jìn)行二次開發(fā)車車通信模塊、車路通信模塊。模塊可以實(shí)現(xiàn)車車、車路間的信息交換，并對(duì)車輛、行駛速度、加速度、變道等進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制和跟蹤。仿真分別在無協(xié)調(diào)控制和有協(xié)調(diào)控制兩種情況下，從安全性和通行效率兩個(gè)方面對(duì)本文描述的協(xié)調(diào)控制算法效果進(jìn)行評(píng)估。

2.1 仿真環(huán)境搭建

仿真以京津塘高速公路馬駒橋出京方向合流區(qū)交通數(shù)據(jù)進(jìn)行合流區(qū)仿真環(huán)境搭建。主路為2車道，匝道為單車道，合流區(qū)加速車道長度為180 m，車輛加、減速度取2.5 m/s2。車輛類型中貨車所占比例為27%。設(shè)匝道大型貨車車速為50～60 km/h，低于主路正常行駛的車速，這和真實(shí)情況是一致的。為了更好地對(duì)算法效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，主路單向流量為1 700 veh/h，匝道車流量為650 veh/h，均大于道路實(shí)際流量。為了評(píng)價(jià)算法效果，車輛占用加速車道位置在加速車道100 m處，此處設(shè)置車速為0。仿真運(yùn)行時(shí)間為1 500 s。

2.2 安全效果評(píng)價(jià)

采用平均排隊(duì)長度參數(shù)對(duì)安全效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)匝道車輛在加速車道等待進(jìn)入主路的排隊(duì)長度進(jìn)行安全效果評(píng)估。在真實(shí)情況下，由于主路車速過快，匝道車輛由于加速車道有非法停車或本身速度較慢的原因，強(qiáng)行進(jìn)入主路或在加速車道排隊(duì)尋找適合的機(jī)會(huì)進(jìn)入主路。兩種情況下都由于因車速慢與主路較快車輛形成速度差而發(fā)生沖突，產(chǎn)生碰撞事故。仿真以車輛排隊(duì)的形式體現(xiàn)，匝道車輛排隊(duì)等待時(shí)間越長，排隊(duì)長度越長，越有可能冒險(xiǎn)進(jìn)入主路，發(fā)生沖突的可能性越大。因此以加速車道的排隊(duì)長度作為評(píng)價(jià)合流區(qū)安全性的指標(biāo)。

排隊(duì)起點(diǎn)設(shè)置在加速車道停車點(diǎn)，計(jì)算停車點(diǎn)處開始排隊(duì)等待進(jìn)入主路的車輛排隊(duì)長度。

圖3(a)是無協(xié)調(diào)控制時(shí)仿真軟件顯示的排隊(duì)效果，以及主路出現(xiàn)空隙時(shí)排隊(duì)車輛進(jìn)入主路的情況。圖3(b)是沒有協(xié)調(diào)控制和有協(xié)調(diào)控制兩種情況下平均排隊(duì)長度沿時(shí)間的分布。由圖3(b)可知，在沒有協(xié)調(diào)控制的情況下，匝道車輛由于速度較慢，難以正常進(jìn)入主路，造成加速車道排隊(duì)長度較長，這就加大了沖突的風(fēng)險(xiǎn)。并且一旦出現(xiàn)一定的排隊(duì)，會(huì)導(dǎo)致排隊(duì)車輛進(jìn)一步增加，直至出現(xiàn)擁堵(如在300～1 000 s處)，因此匝道車輛不能及時(shí)進(jìn)入合流區(qū)主路也是導(dǎo)致合流區(qū)產(chǎn)生擁堵的重要原因之一；而采用協(xié)調(diào)控制后，主路車輛為匝道提供進(jìn)入的空間，匝道車輛能夠順利進(jìn)入主路，排隊(duì)長度明顯減少甚至消失，這也降低了發(fā)生沖突的可能性。經(jīng)過對(duì)比，有協(xié)調(diào)控制算法的車輛排隊(duì)長度比沒有協(xié)調(diào)控制算法時(shí)減少了93.6%；此外，在評(píng)估的時(shí)間段內(nèi)，合流區(qū)車輛出現(xiàn)速度為0的數(shù)量由127輛降低到21輛，平均降低停車概率83.5%。這樣大大減少了碰撞的可能性，并提高了安全性。

圖3 車輛排隊(duì)長度比較Fig.3 Comparison of vehicle queue lengths

2.3 通行效率評(píng)價(jià)

2.3.1 合流區(qū)車輛平均速度

圖4是在1 500 s時(shí)間范圍內(nèi)，車輛以10 m為單位在合流區(qū)路段的平均速度和平均密度分布?？梢钥吹?，在沒有協(xié)調(diào)控制時(shí)，在匝道100 m處，由于有車輛占用加速車道，導(dǎo)致合流區(qū)平均車速下降到25 km/h左右。在匝道100 m前，有協(xié)調(diào)控制的平均車速大大高于無協(xié)調(diào)控制時(shí)的平均車速。通過統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)采用協(xié)調(diào)控制后，合流區(qū)路段的平均車速提高了38.3%。這說明匝道車輛不能順利進(jìn)入主路的情況，不僅增加了合流區(qū)的安全風(fēng)險(xiǎn)，合流區(qū)路段車速也明顯降低，因而對(duì)主路的通行造成較大的影響，這也是造成合流區(qū)擁堵的主要原因。對(duì)合流區(qū)車輛進(jìn)行協(xié)調(diào)控制在一定程度上可以有效地延緩交通擁堵的形成，提高合流區(qū)道路的通行效率。

圖4 合流區(qū)路段平均車速分布比較Fig.4 Comparison of average velocity distributions in merge area

2.3.2 車輛通行時(shí)間的評(píng)估

圖5 車輛通行時(shí)間比較Fig.5 Comparison of vehicle travel time

圖5為各個(gè)時(shí)間段的全部車輛和主路車輛的平均通行時(shí)間分布。在對(duì)主路車輛通行時(shí)間和匝道車輛通行時(shí)間分別進(jìn)行的評(píng)估中，采用協(xié)調(diào)控制后主路車輛的通行時(shí)間和沒有協(xié)調(diào)控制的通行時(shí)間相比變化不大，從主路起點(diǎn)到主路終點(diǎn)600 m內(nèi)車輛平均通行時(shí)間僅增加了0.4%，如圖5(b)所示。而從匝道起點(diǎn)到主路672 m內(nèi)匝道車輛的通行時(shí)間在采用協(xié)調(diào)控制后得到顯著的提高，通行時(shí)間平均減少了36.5%。圖5(a)是從合流區(qū)起點(diǎn)沿車輛行駛方向415 m長度內(nèi)對(duì)所有經(jīng)過車輛沿時(shí)間分布平均通行時(shí)間的評(píng)估結(jié)果。雖然為了保證安全和減少?zèng)_突，對(duì)主路車輛進(jìn)行了協(xié)調(diào)控制，但是道路固定通行長度內(nèi)與沒有協(xié)調(diào)控制時(shí)的通行時(shí)間相比，通行時(shí)間并沒有增加，而是平均減少了16.1%，節(jié)省了通行時(shí)間，提高了通行效率。

3 結(jié)論

本方法針對(duì)目前對(duì)交通安全影響較大的大型車輛進(jìn)行合流區(qū)協(xié)調(diào)控制，該方法對(duì)所有車輛控制更加有效，算法效率更高，對(duì)車輛正常行駛的干擾更小。仿真評(píng)價(jià)表明，沒有協(xié)調(diào)控制策略的合流區(qū)交通狀況不僅存在安全性問題、易產(chǎn)生擁堵，而且通行效率不高；協(xié)調(diào)控制策略在顯著提高合流區(qū)安全水平的同時(shí)，不但沒有影響道路的通行效率，而且提高了通行能力。采用協(xié)調(diào)控制算法能夠顯著提高合流區(qū)交通的安全性，減少合流區(qū)車輛排隊(duì)停留概率83.5%，而且合流區(qū)車輛平均通行速度提高了38.3%，車輛平均減少16.1%的通行時(shí)間，大大提高了道路的通行效率。

本方法是針對(duì)合流區(qū)正常交通條件進(jìn)行的協(xié)調(diào)控制，選擇車輛占用加速車道的場景僅僅作為其中一個(gè)極端情況，在這種嚴(yán)苛條件下更能檢驗(yàn)控制算法的有效性。如果取占用加速車道車輛位置距合流區(qū)起點(diǎn)距離與加速車道長度一致，則為正常的合流區(qū)交通狀態(tài)下的協(xié)調(diào)控制。但是如果選取沖突區(qū)域過大，主路車輛與沖突車輛間隙隨之增大，對(duì)車輛的通行效率會(huì)有一定影響，而安全性則會(huì)得到顯著提高。另外，當(dāng)有大型貨車連續(xù)進(jìn)入合流區(qū)的情況下，算法需要進(jìn)一步優(yōu)化。由于車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的逐步發(fā)展，不同裝載率(滲透率)條件對(duì)交通狀態(tài)的影響也是下一步需要考慮的內(nèi)容。

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A Method for Coordinated Controlling Vehicles in Expressway Merge Area in Connected Vehicles Environment and Evaluation

WANG Dong-zhu1， CHEN Yan-yan2， MA Jian-ming3, C. Michael WALTON4

(1.Research Institute of Highway，Ministry of Transport，Beijing 100088，China;2. Beijing University of Technology, Beijing, 100022，China;3. Texas Department of Transport, Austin 78731, USA;4. University of Texas at Austin, Austin 78712, USA)

Merge area on expressway is the area with more accidents, and the technology of the connected vehicles provided an effective way to improve the safety of the merge area. A new method for coordinated controlling vehicles in merge area in connected vehicle environment is proposed. First, the potential safety hazard in merge area is analyzed. Second, the time range of ramp truck reaches the merge area is calculated according to the characteristics of freight vehicles. Using the same time range as the constraint, the speed range of main road vehicle reaches the merge area is calculated. Selecting the optimal main road vehicle speed in term of safety and efficiency, the main road vehicle is warned to avoid the possible conflict area. At last, the V2V communication module is developed by using the simulation software Vissim, and the effect of safety coordinated control is evaluated in aspects of safety and traffic efficiency.

ITS; co-ordinated control; evaluation; simulation; connect vehicle; V2V communication; merge area; vehicle conflict; vehicle safety; warning

2015-08-25

交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目 (2015364223060 )

王東柱(1966-)，男，河南鄭州人，高級(jí)工程師.(wangdrew@163.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.09.016

U491

A

1002-0268(2016)09-0099-07