胡永愷 楊陽
(1.江蘇寧滬高速公路股份有限公司,江蘇 南京 210049;2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司,江蘇 南京 211008)
隨著高速公路周邊城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,土地資源日益稀缺,若通過大規(guī)模的高速公路改擴(kuò)建來提升其通行能力,將會耗費(fèi)大量的人力物力財力,而且實施難度也非常大,即使能夠?qū)崿F(xiàn),其實際收益也必將大打折扣。因此,在非大規(guī)模擴(kuò)建高速公路的基礎(chǔ)上,利用智能化、精細(xì)化交通管控技術(shù),較大程度提升高速公路道路通行能力,滿足超大規(guī)模交通流量常態(tài)化作用下高速公路正常、有序通行,就顯得尤為重要。
高速公路主動管控技術(shù)根據(jù)適用場景分為主線、匝道和路網(wǎng)3種。其中,匝道控制策略近年來獲得了各方學(xué)者、研究人員的關(guān)注,發(fā)展得越來越成熟。匝道控制策略此前多用于城市道路控制。隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和車流量的迅猛增長,高速公路擁堵越來越嚴(yán)重,匝道控制[4-6]這種主動交通管控技術(shù)就常被用于緩解高速公路擁堵。匝道控制技術(shù)還經(jīng)常與主線控制技術(shù)如可變限速控制等協(xié)同應(yīng)用于高速公路管控[7-9]。
匝道管控技術(shù)多用于城市快速路交叉口及高速公路單個入口匝道等情形,面對日益復(fù)雜的高速公路擁堵狀況,當(dāng)前的管控效果顯然不能滿足車輛的通行需求。本文的分析評估對象為互通型多層次匝道,采用智能匝道管控技術(shù)評估驗證管控效果。
多層次匝道結(jié)構(gòu)由A、B兩個從屬匝道和C主匝道組成。A、B分別為其他兩條高速公路的出口匝道,A、B匝道合并形成主干匝道C,車輛經(jīng)C匝道駛?cè)胫骶€。這種構(gòu)造形成了多層次的復(fù)雜匝道結(jié)構(gòu)。車輛通過匝道的不斷匯合,駛?cè)胫骶€。在匝道內(nèi)部,由于C匝道通行能力有限,A、B同時放行,流量過大,沖突點增加,在匝道內(nèi)部甚至?xí)a(chǎn)生瓶頸,導(dǎo)致匝道管控技術(shù)失效。同時,由于高速公路互通、匝道承載了較大的車流量,沖突點較多,容易誘發(fā)長路段擁堵,甚至?xí)又粮咚俟分骶€,從而嚴(yán)重影響交通。
針對互通型多層次匝道管控,本文提出了一種動態(tài)調(diào)節(jié)算法,實行多層次匝道的管控方案設(shè)計。其中A、B匝道放行順序根據(jù)實時檢測的匝道排隊長度確定。
多層次匝道管控方案將匝道狀態(tài)分為3種,分別為匝道開放、匝道調(diào)節(jié)、匝道關(guān)閉;分別對應(yīng)主線交通狀況為暢通、擁擠、堵塞3種狀態(tài)。其中,匝道調(diào)節(jié)狀態(tài)時,擬采用拉鏈?zhǔn)浇惶娣判胁呗裕刂七M(jìn)入主干匝道的車流量,進(jìn)而控制匯入主線車輛數(shù),并且兼顧次級匝道的放行。在匝道調(diào)節(jié)狀態(tài),放行A、B哪個匝道是由動態(tài)調(diào)節(jié)算法決定的。
短距離雙匝道結(jié)構(gòu)是指在較短距離內(nèi)有連續(xù)兩個入口匝道(A、B)的互通匝道結(jié)構(gòu)。這種特殊結(jié)構(gòu)的匝道因為相距距離較近,車輛連續(xù)匯入,相互影響,交通狀態(tài)不穩(wěn)定,在輕微的擾動、甚至沒有擾動的情況下就會自發(fā)產(chǎn)生擁堵瓶頸,進(jìn)而影響主線的通行效率,降低安全保障。
對于短距離雙匝道結(jié)構(gòu),為了避免雙匝道同時放行導(dǎo)致主線流量增加,擬采用匝道聯(lián)動管控技術(shù)——METALINE方法,該匝道控制策略根據(jù)各匝道處檢測線圈檢測到的車輛占有率序列來計算匝道調(diào)節(jié)率,是ALIENA的擴(kuò)展,不僅擁有ALINEA穩(wěn)定性高的特點,同時還對主線交通流的波動具有較高的敏感性,實現(xiàn)了對METALINE方法的升級。
擬利用G42滬蓉高速江蘇段沿線的檢測器,提供主線交通狀態(tài)數(shù)據(jù),利用METALNE算法,聯(lián)動控制距離較近的雙匝道,保障主線通行效率。
其中,rk是第k個時段入口匝道的調(diào)節(jié)率向量,Oout(k-1)是第k個時段受控入口匝道下游主線占有率向量,K1
LQ1、K2LQ2為增益矩陣,Od為受控入口匝道下游主線理想狀態(tài)下的占有率向量。
在k時間段計算完畢,輸出沿線受控匝道的調(diào)節(jié)率后,模型重新獲取k+1時間段主線占有率,自動調(diào)整增益矩陣,計算k+1時間段占有率。
1.仿真平臺
現(xiàn)有條件下,選定VISSIM作為仿真平臺。VISSIM是由德國PTV公司開發(fā)的微觀交通流仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個離散的、隨機(jī)的、以十分之一秒為時間步長的微觀仿真軟件。該系統(tǒng)不僅可以模擬車輛的行為,還能夠模擬駕駛員的行為。采用VISSIM仿真模型,能夠全方位地模擬高速公路上交通流的運(yùn)行狀態(tài)。
2.仿真環(huán)境搭建
該次微觀仿真選用G42滬蓉高速江蘇段作為仿真環(huán)境。G42滬蓉高速江蘇段為全封閉、全立交、高等級、多功能的現(xiàn)代化高速公路,全線采用交通運(yùn)輸部頒布的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),主線高速公路路基42.5m,雙向八車道,每車道寬3.75m,中央設(shè)3m寬分隔帶,外側(cè)設(shè)2.5m寬的緊急停車帶,設(shè)計車速為120km/h,設(shè)計車輛荷載為汽車—超20、掛—120,通過能力每天達(dá)6萬輛次。
結(jié)合仿真軟件,利用地圖作為仿真的背景資料,搭建高速公路實際道路幾何特征的仿真環(huán)境,并重點搭建常規(guī)路段、互通立交、匝道、收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)等關(guān)鍵節(jié)點的動態(tài)仿真驗證環(huán)境。
以G42滬蓉高速江蘇段無錫東互通立交為例,具體說明仿真環(huán)境搭建的步驟:
(1)新建文件并導(dǎo)入底圖。包括新建文件,加載背景圖片并調(diào)整比例。
(2)建立路網(wǎng)。繪制路段并用連接器連接,繪制匝道,編輯道路幾何特征。
(3)設(shè)置路徑?jīng)Q策。
(4)設(shè)置檢測器。包含車輛記錄、車輛記錄過濾器、數(shù)據(jù)采集點的設(shè)置。
3.仿真場景加載
劃分高速公路運(yùn)營過程中所發(fā)生的各類交通場景(天氣、交通事故、占道施工、交通飽和度),并分級梳理各類交通場景發(fā)生的程度、影響范圍、持續(xù)時間,在此基礎(chǔ)上搭建不同類別、不同級別的仿真分析場景,并根據(jù)具體需要將這些場景加載到仿真環(huán)境。結(jié)合高速公路運(yùn)營特征,分類梳理主動管理技術(shù)應(yīng)用場景,并細(xì)化各類應(yīng)用場景的指標(biāo)及分級標(biāo)準(zhǔn)。
根據(jù)具體需要,在實施各類主動管理技術(shù)后,仿真分析各類場景下高速公路道路通行承載能力、出行交通流量、交通車流分配情況,從而驗證仿真分析結(jié)果,可視化展現(xiàn)高速公路通行承載能力、出行交通流量、車流分配情況。
通過分析對比仿真實驗數(shù)據(jù)與真實調(diào)查數(shù)據(jù),所搭建的仿真平臺具有較好的還原真實場景的效果,還原率達(dá)到95.6%。
根據(jù)以上仿真實驗結(jié)果,搭建的微觀交通仿真平臺具有良好的仿真效果,能較高程度地還原G42滬蓉高速江蘇段運(yùn)行狀態(tài)及事故發(fā)生前后場景。
圖1 智能匝道管控技術(shù)管控效果評價
針對多層次匝道的特殊線性,本文提出了互通型多層次匝道管控技術(shù),并基于仿真平臺開展仿真實驗,驗證所提算法的有效性和穩(wěn)定性。
仿真結(jié)果如圖1(a)所示,管控后主線交通秩序得到明顯改善。管控前G42滬蓉高速江蘇段主線車流排隊,合流區(qū)匝道車流匯入秩序混亂,管控后G42滬蓉高速江蘇段主線車流排隊長度縮短,合流區(qū)匝道車流匯入秩序得到改善。其中,車均延誤在上行方向略有增加,在下行方向降低了50%。行程時間的減少程度雖然不大,但在G42滬蓉高速江蘇段交通流量如此飽和的情況下,行程時間減少顯得難能可貴;停車次數(shù)相比無控制情況下降低得比較明顯。綜上,相比之前的無管控方案,在車均延誤、停車次數(shù)、行程時間這3項關(guān)鍵指標(biāo)上均有明顯改善。
針對主線短間距內(nèi)出現(xiàn)兩個及多個匝道的案例,項目提出互通型短間距聯(lián)動匝道管控技術(shù),仿真結(jié)果如圖1(b)所示。
通過仿真,實現(xiàn)匝道管控后,相比無控制情境,行程時間最高下降33.33%,停車次數(shù)最高下降12.2%,車均延誤最高下降41.5%。對于停車次數(shù)而言,雖然匝道管控通過信號燈設(shè)置,使車輛停車等待一段時間進(jìn)入主線,增加了車輛停車次數(shù)。但是由于整體交通狀況的改善,車輛通行順暢,主線交通擁堵減少,從而使整體停車次數(shù)減少。
本文分析評估了智能匝道管控技術(shù)中的互通型多層次匝道管控技術(shù)、互通型短間距聯(lián)動管控技術(shù)的管控原理,并基于VISSIM仿真平臺搭建了微觀仿真環(huán)境,評估以上兩種智能匝道管控技術(shù)的實施效果,從仿真結(jié)果看,互通型多層次匝道與互通型短間距聯(lián)動匝道管控技術(shù)在車均延誤、停車次數(shù)、行程時間這3項關(guān)鍵指標(biāo)上均有明顯改善,管控效果顯著。