基于仿真的快速路入口匝道控制實驗設計

王艷麗, 王 玲, 吳 兵, 李林波

(同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室, 上海 201804)

快速路是城市交通的骨干和大動脈,以5%～10%的城市道路網里程承擔著30%～50%的市域機動車出行。為了確?？焖俾返耐ㄐ行省⒊浞职l(fā)揮其效用,對快速路實行合理的交通管控是極為必要的,因而也成為高?！敖煌ü芾砼c控制”等交通工程類課程的重點內容。

快速路系統(tǒng)比較復雜,除快速路主路本身外,還涉及匯入、匯出的匝道以及相關聯(lián)的道路,交通管控策略較難制定,而目前比較有效的方法是進行仿真實驗。隨著計算機及人工智能等技術的發(fā)展,各種基于計算機技術的交通仿真軟件應運而生。運用這些軟件來解決復雜的交通問題成為交通科技人員的必要技能和交通管理人才培養(yǎng)的新要求[1-2]。在高校交通工程類課程中,結合新的交通科學技術的實驗課程越來越受到重視,并成為交通工程學科教學環(huán)節(jié)的重要組成部分[3-4],其中基于虛擬仿真的快速路系統(tǒng)控制方法實驗項目設計就顯得極為重要?？紤]到快速路交通管控最常用、也最有效的是入口匝道的控制,所以選取微觀仿真軟件VISSIM對快速路入口匝道進行控制方案設計和仿真分析,以此作為快速路控制的典型實驗進行研究[5]。

1 實驗設計目的

通過運用“交通管理與控制”理論知識,借助于交通仿真軟件,對快速路系統(tǒng)進行控制方案設計和仿真分析。該實驗可以加強對學生理論聯(lián)系實際的應用能力的培養(yǎng),也是培養(yǎng)交通管理人才的有效途徑和方法[6-7]。從實驗室的角度來說,該實驗可以充分利用現(xiàn)有大型實驗設備的使用效能,豐富實驗課內容；從社會發(fā)展來說,該實驗結合當前城市交通管理的實際需求；從交通類本科學生角度來說,該實驗有利于拓展專業(yè)視野、增強專業(yè)修養(yǎng)、提高實踐動手能力。

2 實驗內容

快速路入口匝道的交通管理和控制,涵蓋交通秩序管理、交通運行管理、交通系統(tǒng)管理、交通信號控制等多方面內容,是“交通管理與控制”課程的核心內容之一,也是學生較難掌握的知識點[8]。

在實際城市路網中,快速路入口常常是交通擁堵的節(jié)點,因此,快速路入口匝道控制是快速路的主要交通控制措施。采用合理的入口匝道控制策略、限制入口匝道匯入主線的車流量,不僅可以緩解主線交通擁擠,而且有利于改善普通道路的交通狀況；而不合理的入口匝道控制策略則可能會對交通系統(tǒng)產生負面影響。所以,將快速路入口匝道的交通管理和控制選為交通管理與控制實驗的主題。

單個入口匝道的管理和控制是交通管理與控制實驗的基礎,在此基礎上才能進行更深層次的干線以及區(qū)域群交叉口的管理和控制。單個入口匝道的控制方法按照是否響應實時的交通狀況分為定時和感應控制兩類。定時控制是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)確定固定的匝道匯入率；而感應控制則是根據(jù)檢測到的匝道附近交通參數(shù)實時確定匝道匯入率。其中,感應控制根據(jù)控制參量的不同又分為交通量-通行能力差額控制(也叫需求-容量控制)、占有率控制、可插間隔控制等[8-9]。

綜上,開發(fā)了“快速路入口匝道不同信號控制方法設計與比較”仿真實驗,實驗內容設定為:根據(jù)交通流量調查,對單個快速路入口匝道進行交通渠化改善設計,分別采用定時信號控制和感應信號控制兩種方式進行交通控制,并對控制效果進行比較分析,探索不同控制方式的適用性。

3 實驗原理

3.1 定時控制方法

定時控制方法是根據(jù)一天內高峰時段或者各時段的變化而預先設定固定或變化的調節(jié)率,該控制方法的關鍵是調節(jié)率的計算。通常,按上游交通需求qin,下游通行能力Qcap及匝道到達流量qramp之間的關系確定調節(jié)率。當qin+qramp≤Qcap時不需調節(jié)；當qin>Qcap時調節(jié)無效，封閉匝道,或者采用最小調節(jié)率；當qinQcap時需調節(jié),調節(jié)率r=Qcap-qin。該方法控制簡單,無需設置檢測器,不需要實時交通信息,但不能根據(jù)交通狀況變化而實時調節(jié)。

具體的調節(jié)方式則分為單車調節(jié)和車隊調節(jié)(包括單列調節(jié)、雙列調節(jié))。單車調節(jié)是每次綠燈只允許放行1輛車,而每周期綠燈取3 s,其余為紅燈,不設黃燈,周期c=3 600/r(單位：s)。車隊調節(jié)適用于計算調節(jié)率r大于900 輛/h或15輛/min的情況,即每周期允許2輛或2輛以上的車輛進入快速路。周期c=3600n/r(單位:s),其中n為單列車隊中的車輛數(shù),輛/周期。

3.2 交通量-通行能力差額控制

調節(jié)的原理與定時控制方法類似,同樣是根據(jù)上游的交通需求、匝道的交通需求以及下游的通行能力來確定調節(jié)率。但不同的是:該流量和調節(jié)率是實時計算和變化的,所以需要在主線的上下游設置檢測器。如果k時刻下游檢測器占有率Oout不超過預設臨界值OCR則該時刻調節(jié)率為r(k)=Qcap-qin(k)；如果下游檢測器占有率Oout超過了預設臨界值OCR,則認為主線擁堵則采用最小調節(jié)率rmin[9]。該控制方法是一個開環(huán)擾動抑制策略,但需要預設臨界值OCR。

3.3 占有率控制

占有率控制方法是通過實時檢測下游占有率,調整匝道調節(jié)率以保持下游占有率為某一定值,使得快速路主線通行能力最大化。這是一種基于經典閉環(huán)反饋控制的策略,有較多計算方法。最常用的算法為ALINEA算法[10],其調節(jié)率計算公式為:

r(k)=r(k-1)+KR[Od-Oout(k-1)]

其中r(k)為第k周期入口匝道的調節(jié)率(輛/h),KR為調節(jié)參數(shù)(輛/h),Od為下游期望占有率,Oout(k-1)為第k周期的上一周期下游占有率。

該方法的實現(xiàn)相對簡單,控制平緩,只需在下游設置檢測器即可,但需要確定為調節(jié)參數(shù)KR和下游期望占有率Od,可根據(jù)實際檢測到的占有率流量曲線獲得。

3.4 路肩車道間隔控制

路肩車道間隔控制僅以路肩車道測得的流量為基礎,在匝道相鄰的主線路肩車道上下游設置檢測器,根據(jù)兩個檢測器交通量的比較確定是否有未交匯車輛利用的間隔來確定調節(jié)率。

3.5 可插間隔控制

可插間隔控制無需計算調節(jié)率,但需要設置檢測器以確定是否存在可插間隙[8]。在路肩車道上游設置1～2個檢測器,檢查是否有可插車間隔。該間隔參數(shù)為根據(jù)交通條件確定的控制參數(shù),這種控制方法還需要把從匝道信號前啟動車輛的行程時間與到交匯區(qū)的可插車間隔的移動時間相匹配。

4 實驗方法和步驟

采用人工設計與計算機仿真相結合的實驗辦法。

首先根據(jù)快速路及匝道交通數(shù)據(jù)資料進行道路和控制方案設計；然后利用仿真軟件進行建模和仿真；最后對仿真結果進行處理和比較分析。根據(jù)快速路的特點和對仿真軟件的要求,交通仿真軟件VISSIM涵蓋路網、車流、交通控制等子系統(tǒng),可以設置檢測器輸出行程時間、排隊長度等數(shù)據(jù)，較適宜進行快速路交通控制仿真實驗,可以可視化直觀展現(xiàn)控制措施的效果[11-12],故選用微觀交通仿真軟件VISSIM進行仿真。

實驗時,借助于VISSIM實驗平臺,首先通過設置道路條件、交通流狀況來展示無控制的入口匝道的實際情況；然后通過對軟件參數(shù)的設置與調整,實現(xiàn)自行設計的定時限流方案、感應控制方案,直觀展示不同管理和控制方案的影響效果。具體包括以下幾個步驟:

(1) 根據(jù)快速路及匝道交通數(shù)據(jù)資料,進行基本參數(shù)標定；

(2) 進行交通網絡建模；

(3) 進行無控制方式下的交通運行仿真；

(4) 進行定時控制信號配時方案設計；

(5) 根據(jù)定時控制配時方案進行計算機仿真分析；

(6) 進行感應控制信號配時方案設計；

(7) 根據(jù)感應控制配時方案進行仿真分析；

(8) 根據(jù)仿真結果對多種控制方法進行比較。

通過實驗,學生不僅可以掌握快速路入口匝道控制的理論和實現(xiàn)方法,對各控制方法的效果和適用性有更直觀的感受,而且可以掌握仿真實驗方法,為后續(xù)的其他實驗和交通仿真實驗打下基礎,為將來實際參與交通管理與控制工作奠定堅實的專業(yè)基礎。

采用“效果展示、統(tǒng)一指導、典范引導、獨立完成實驗”的實驗教學方法。首先由實驗教師展示不同道路入口匝道控制方案的應用效果,提高學生的學習興趣、學習的主動性與積極性；然后進行實驗原理和方法的集中指導,通過講授與實驗相結合的方式進行典型示范,然后由學生根據(jù)實驗指導書進行自主設計。教師在實驗過程中注重實驗過程設計,提高“設計性”含量,給予學生必要的指導,實驗由學生獨立完成。

5 實驗設計案例

5.1 實驗準備

本實驗宜安排4～6課時。實驗前需要編寫實驗指導書,除了明確實驗目的、實驗要求外,還需指出實驗報告的要求,讓學生對實驗結果進行分析,并提出自己的看法。為激發(fā)學生的進一步思考,還可附加思考題。實驗前需準備好基礎數(shù)據(jù),包括快速路主路和入口匝道的幾何數(shù)據(jù)、交通流數(shù)據(jù)等。建議提供的交通流數(shù)據(jù)為分時段的動態(tài)數(shù)據(jù)(如表1所示)。此外,還需要將VISSIM 7.0仿真軟件的學習資料發(fā)放給學生,以提前熟悉實驗平臺。

表1 交通流數(shù)據(jù)

5.2 實驗過程

實驗教學需先簡要講解實驗內容和VISSIM 7.0仿真軟件的使用,然后重點介紹實驗步驟。對于一個信號方案的主要實驗流程如圖1所示。

對不同的控制方案,需分別進行信號控制設定,然后重新運行以得到結果；選取行程時間、速度、延誤、排隊長度等指標進行分析評價和對比分析。具體指標的獲取需要進行仿真評估配置,并對應設置行程時間檢測段、數(shù)據(jù)采集點、延誤測量定義、排隊計數(shù)器等。

不同信號控制方案下檢測器的設置也不同,檢測器的布設見圖2。交通量-通行能力差額控制利用的檢測器編號是1—8；占有率控制需布設編號1—4檢測器；路肩車道間隔控制需布設4號和8號兩個檢測器；可插間隔控制采用8號檢測器。其中,1—4號檢測器為下游檢測器,設在距離入口匝道40～500 m之間,可取70 m[10];5—6號檢測器為上游檢測器,距入口匝道的距離通常為100～150 m,這里取100 m[13]。9號和10號檢測器檢測匝道的流入和流出量。匝道信號停車線與主線的距離需考慮加速距離以及與上游檢測穿越間隔的檢測器位置,可取30～50 m。

圖2 檢測器布設示意圖

在感應控制中涉及到一些關鍵參數(shù),可以引導學生查閱文獻獲取,嘗試不同參數(shù)下控制結果的差異。

例如交通量-通行能力差額控制中,有文獻提到最小調節(jié)率rmin可取300,預設臨界值OCR可取0.26[13]；占有率控制中調節(jié)參數(shù)KR越大,調節(jié)速度越快,波動也越大,反之波動小,有文獻認為取70輛/h可以得到最佳控制效果[9-10]；對于下游期望占有率Od,根據(jù)主線流量占有率關系,一般取關鍵占有率的90%,也有文獻建議取0.23[14]；周期多在60 s以內,過短不利于及時檢測擁擠,過長會導致匝道延誤和排隊,有文獻建議選30 s[13]。

5.3 實驗結果分析

讓學生對不同信號控制方案的仿真評價結果進行分析,通過對各控制方式仿真結果的行程時間、延誤、排隊長度的比較,了解快速路入口匝道不同控制方法的特點和適用條件。例如,在無控制方式、主路交通流小的情況下,車均延誤較??；而隨著流量增加車均延誤會增加。而對于占有率控制等,其他方式控制對于擁擠狀態(tài)下車均延誤會減少,有利于減少主路的交通擁擠,但會適當?shù)卦黾尤肟谠训儡囕v的行程時間和排隊長度。再如,對于占有率控制而言,隨著主路占有率閾值取值增大，會更接近無控制的運行狀態(tài)。

結合表1案例數(shù)據(jù),給出無控制、定時和感應控制等控制方案的部分仿真結果(見圖3)。其中定時控制是在無控制方案基礎上在1 800～2 700 s時段需要增加信號燈進行定時控制。但從結果來看,定時控制的效果并不明顯,而交通流量大時感應控制效果較好。

圖3 部分控制方案仿真結果比較

除了對仿真結果進行分析、探討各類控制方法的適用性外,該實驗還可以引導學生對現(xiàn)有控制方法和算法進行改進。例如在占有率控制方法中引進交通安全因子和主導控制策略進行完善等[14]；探討快速路入口匝道控制與平面交叉口的信號控制的不同,將入口匝道控制和銜接的平面交叉口控制進行聯(lián)動。

總之,通過對快速路入口匝道進行定時和感應信號控制仿真實驗,使學生學會使用VISSIM仿真軟件進行感應控制和方案評價,深入了解不同控制方法的優(yōu)缺點、實現(xiàn)方法以及適用情況,加深對交通信號控制影響交通運行狀況的理解,進而進行探索性實驗研究。

6 實驗應用效果

基于仿真的快速路入口匝道控制實驗將先進的交通仿真軟件作為實驗教學工具,將入口匝道控制理論完全融合到實驗中,使實驗教學與課堂理論教學緊密結合,鍛煉了學生用實驗方法解決實際問題的能力,體現(xiàn)了理論和實踐相結合的教學目標,在實際教學中取得了良好的效果。