基于快速路的入口匝道控制研究分析

王興宇

摘要：隨著城市發(fā)展與交通流量的不斷增多，城市快速路的興起，匝道已成為解決交通擁堵的重要手段，這又往往使車輛集中在入口匝道領(lǐng)域。入口匝道上車輛擁堵的解決為城市交通的順暢起著至關(guān)重要的作用。入口匝道控制的目的就是根據(jù)主線上的交通流量來控制匝道上進(jìn)入主線的車輛，從而使主線上的交通處于最佳狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：匝道控制；ALINEA；交通擁堵

一般情況下，入口匝道控制應(yīng)該包含以下幾個功能：

（1）減少經(jīng)常性擁堵和非經(jīng)常性擁堵。

（2）縮短在入口匝道的旅行時間和延誤時間。

（3）增加主干道上的交通流量。

（4）優(yōu)化通行能力。

入口匝道控制：一個簡單的匝道模型圖例（見圖1）。

在高速公路管理者看來，設(shè)計一種控制方式實(shí)現(xiàn)匝道控制從而保證主干道不會出現(xiàn)流量溢出至關(guān)重要。相關(guān)的控制策略總體歸納起來有三種：定時控制，局部驅(qū)動控制，系統(tǒng)控制。定時控制是基于靜態(tài)交通模型和歷史數(shù)據(jù)而來，時效性差，不能根據(jù)交通現(xiàn)狀實(shí)時調(diào)整。局部驅(qū)動控制是根據(jù)入口匝道附近的實(shí)時交通狀況來實(shí)現(xiàn)控制。系統(tǒng)控制是根據(jù)整個交通系統(tǒng)的每個時間間隔內(nèi)的實(shí)時交通現(xiàn)狀來實(shí)現(xiàn)匝道控制。

關(guān)于局部驅(qū)動控制，首先要提到的就是需求容量控制策略和ALINEA控制。

1 需求一容量控制

如上式所示，該控制策略首次用在美國，基于車流量的歷史數(shù)據(jù)，然后比較主線上游的流量q_tn與主線下游的容量c_ap之間的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)測量。然而，單純的測量車流量并不能判斷路口是處于擁堵還是自由流狀況下。于是又引入主線下游檢測器檢測到的占有率O_out，如果O_out小于關(guān)鍵占有率，那再比較主線上游流量和主線下游容量的大小，以此決定匝道的開閉。反之，當(dāng)占有率O_out大于關(guān)鍵占有率O_or那么設(shè)置匝道調(diào)節(jié)率為γ_min，其中k為周期數(shù)，可以為1，2，3……

2 ALINEA控制策略

在單點(diǎn)匝道控制中，主要考慮到的是占有率，速度，流量等，單點(diǎn)匝道控制的基本算法以ALINEA[2]為首要的算法。

ALINEA匝道控制策略同需求容量模型不同的是，ALINEA算法采用的是積分反饋調(diào)節(jié)器， 輸出變量是匝道下游主線占有率 需要標(biāo)定的是調(diào)節(jié)器參數(shù)KR和理想的匝道下游主線占有率 根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)K_R=70veh/h時，實(shí)驗(yàn)效果最好，隨著調(diào)節(jié)參數(shù)的增大，用于調(diào)節(jié)的時間越小。當(dāng)然這個數(shù)據(jù)可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相關(guān)的調(diào)整。ALINEA算法的具體結(jié)構(gòu)如下：當(dāng)在k周期內(nèi)的主線下游占有率小于期望占有率時，等式右邊為正，相應(yīng)的等式左邊的值r（k）相應(yīng)增加，反之減少。通過設(shè)置在匝道下游的交通信號燈來控制r（k），在這里需要說明的就是r（k）是一個有確定范圍的值，其中[MinRamp， MaxRamp]其中MaxRamp是允許通過的最小的匝道流量，MaxRamp是匝道的容量，而據(jù)Emmanouil and Smaragdis的說法，r（k）符合以下規(guī)律：d（k-1）代表上一周期匝道需求流量，L_max是最大的排隊(duì)長度，l（k）即本周期內(nèi)初始的排隊(duì)長度。據(jù)Papageorgiou和Kot sialos的思想，當(dāng)主線上流流量和匝道下游出口流量之和大于主線下游的容量時，匝道控制才有意義，ALINEA在眾多的反饋調(diào)節(jié)算法中具有優(yōu)勢。目前ALINEA控制策略已經(jīng)在阿姆斯特丹AlO線和英國Glasgow的M8高速路以及巴黎BP大道，以及加利福尼亞州1-405高速公路上的匝道上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了ALINEA控制策略對于改善交通條件的有效性，但根據(jù)Papamichail的研究，匝道控制具有局限性，當(dāng)早晚高峰時出現(xiàn)車輛溢出時，匝道控制就失去作用，而且對于匝道而言，其控制策略的作用僅僅是在匝道下游幾百米的范圍內(nèi)產(chǎn)生效果與應(yīng)用。

在此前的文獻(xiàn)當(dāng)中，關(guān)于關(guān)鍵時刻占有率的問題，一直存在爭議，以英國的Glasgow為例，在一次晚高峰所測得的數(shù)據(jù)統(tǒng)計中，占有率基本是在26%左右，而且根據(jù)論文，在實(shí)際情況中的占有率的平均值是和關(guān)鍵占有率 相差無幾，但是對于關(guān)鍵時刻占有率的最佳值，一直存在爭議，因?yàn)槊刻斓能囕v道路情況千差萬別，所以這個值也不一而足。

3 以往研究與所存在問題

在以往的的研究中，對于匝道存在的問題并沒有過多的解釋，高速路和城市快速路在匝道控制上有很多的不同之處，而在Emmanouil Smaragdis的文章中，提出了不以占有率為基礎(chǔ)的匝道控制，而提出了以流量基礎(chǔ)的控制方式，同時提出了不僅僅是用主線下游的交通流量作為依據(jù)，而是以主線上有的流量作為一個測量方式。在ESmaradids中，提出了一主線上游的占有率來預(yù)估主線下游關(guān)鍵時刻占有率的方法，但前提是主線上游車流量小于主線下游的車流量，具有一定的局限性。

此外，Lily提出了在合流區(qū)進(jìn)行關(guān)于匝道控制的方案，為實(shí)現(xiàn)匝道控制提出了新的思路。

4 未來展望

匝道作為一個解決城市道路交通的有效手段，在未來的發(fā)展中仍然有著非常重要的作用，在北京上海等城市中仍然發(fā)揮著非常重要的作用，為緩解主干道交通壓力起著重要作用，但當(dāng)前對于單交叉口的研究已經(jīng)處于成熟階段，當(dāng)前許多人的研究方向在于多匝道的協(xié)同控制和綠波帶控制等，在Papage orgiou[lo]的研究中，已經(jīng)提出關(guān)于入口匝道的協(xié)同控制的概念，后來在。在Ioannis等的文章中，提出來模糊預(yù)測層級控制的方法，提出三層理論：預(yù)測層，優(yōu)化層，直接控制層，對于多個入口匝道的控制提出新的方案，比原有的ALINEA簡單控制更能減少旅行時間。在Mohamed等的研究中，已經(jīng)涉及用ALINEA算法和協(xié)同控制的方法來減少在高速路上發(fā)生碰撞的幾率，并得出了在單個入口匝道和多個入口匝道中，信號周期時長對于控制效果的影響，單匝道中，信號周期時長越長，控制效果越好，多匝道入口則相反，在大城市中使用協(xié)同控制來解決城市快速路的擁堵，對于減少綜合交通成本的支出。

5 結(jié)語

匝道控制目前只是作為一種反饋控制，其未來的發(fā)展方向如下：一是考慮用戶的均衡以及交通預(yù)測。二是與別的控制方式相互結(jié)合，對主線上交通流量采取綜合控制的措施。三是考慮駕駛?cè)诵袨閷τ谠训赖挠绊憽Ｂ范蔚木C合控制對于匝道的順利通行有著非常重要的意義和作用。總而言之，在城市快速路上進(jìn)行匝道控制，可以使得城市快速路得到高效運(yùn)用，增加整個快速路的通行能力，使其承擔(dān)更多的交通需求，從而使得交通狀況得到改善，因此，入口匝道控制有著非常重要的意義。