基于節能減排的高速公路瓶頸處擁擠車流控制技術研究

崔洪軍，李海南，張志磊，朱敏清

(1. 河北工業大學 土木工程學院，天津 300401；2. 深圳市綜合交通設計研究院有限公司，廣東 深圳 518003；3. 河北省高速公路京秦管理處，河北 秦皇島 056000)

基于節能減排的高速公路瓶頸處擁擠車流控制技術研究

崔洪軍1，李海南1，張志磊2，朱敏清3

(1. 河北工業大學 土木工程學院，天津 300401；2. 深圳市綜合交通設計研究院有限公司，廣東 深圳 518003；3. 河北省高速公路京秦管理處，河北 秦皇島 056000)

針對高速公路施工段、收費站等通行能力瓶頸路段等時常出現的車輛擁擠緩行、頻繁停行、燃油急劇增加的問題，在充分調查交通擁擠緩行時車流特征的基礎上，結合交通控制、感應檢測等技術，建立了基于節能減排的交通擁擠緩行車流控制系統。實例分析表明：該控制系統在不增加車輛通過時間的前提下，大幅減少了車輛的起停次數，降低了燃油消耗。

交通運輸工程；交通瓶頸；擁擠緩行；交通控制；節能減排

0 引 言

高速公路主線在道路施工、交通事故、交通需求波動等因素的影響下，交通擁擠緩行時常發生，尤其是在車流量較大的收費站附近，高速公路主線車輛受排隊等候服務車輛的干擾，經常形成大規模擁擠、頻繁停行、長時怠速的現象[1]。據統計，車輛起步油耗為正常油耗的3～6倍，怠速緩行通過擁擠路段的油耗是正常通過的16～20倍，因此交通擁擠緩行會造成嚴重的燃油浪費。道路運輸業的節能減排在一定程度上直接關系到道路運輸業的可持續發展[2]。

自20世紀80年代以來，國外就開始對交通流理論進行研究，主要出發點是基于流體力學模擬的方法和思想。M．CREMER等[3]利用元胞自動機來研究交通能夠避免離散-連續-離散的近似過程規定車輛運動的演化規則；對于車輛油耗方面，D．C．BIGGS[4]采用了類似的建模技術通過比油耗建立了后來成為HDM-4油耗模型基礎的ARFCOM油耗模型； R．CHRISTOPHER等[5]對車輛在不同速度、不同延誤率、不同擁擠狀況下的油耗情況，進行了分析研究，并分別建立了不同影響因素下的油耗模型；在高速公路匝道進行交通控制方面，C．J．TAYLOR等[6]在運用匝道進行交通控制上取得了一定的成果。

國內相關研究起步較晚，朱超軍等[7]提出一種基于實時視頻處理的車輛排隊長度檢測方法，對通過固定攝像頭得到的實時道路監控視頻圖像序列，利用Sobel邊緣檢測和背景差分相結合的方式進行車輛存在檢測，利用幀間差判斷車輛是否運動，從而計算出車輛的排隊長度；胡怡瑋等[8]利用變權層次分析法和logit模型對駕駛員擁擠收費路徑進行選擇；周俊昌等[9]通過交通仿真軟件VISSIM 對交通沖突進行仿真，結合模糊評價法，對高速公路的沖突地點安全狀況進行了評價。

筆者在研究擁擠緩行車流交通特性基礎上，建立了車輛起停次數模型，結合交通管理控制技術、感應檢測技術，提出了既不增加車輛通過時間、又能減少燃油消耗的交通控制系統，對實現高速公路節能減排具有顯著的意義。

1 擁擠車流交通特性

通過對高速公路實際情況的廣泛調查分析，總結得到高速公路交通擁擠處的擁堵車輛有兩種狀態：①熄火狀態。此狀態多發生在受交通事故、嚴重惡劣天氣等因素影響造成的道路全封閉的情況，擁堵車輛長時間處于停滯狀態，駕駛人員通常會采取熄火方式等候通行；②蠕動狀態。此狀態多發生在交通流量激增至大于交通瓶頸的通行能力或道路全封閉放行初期，車流呈現為緩慢蠕動，駕駛人員通常不會熄火，車輛半停半行。

熄火狀態下，雖然沒有燃油的消耗，但由于車流處于停滯，整條公路上的出行時間成本在不斷的增加；蠕動狀態下，各車輛間的車頭間距小、相互作用大，大多車輛處于緊急跟馳狀態，頻繁停行。尤其是受交通事故影響而封閉的高速公路，其交通瓶頸處車輛排隊長度高達數公里，排隊等候通行的車輛走走停停、長時怠速，造成了嚴重的能源浪費和空氣污染。

2 節能減排交通控制系統介紹

筆者建立的交通控制系統原理是通過在擁堵緩行車流瓶頸前設置車輛通行信號控制燈，在不增加車輛通過時間前提下，采用分批通行的方式，大幅降低車輛的起步制動次數、怠速時間，從而達到節約能源，減少廢氣排放的目的。

基于節能減排高速公路擁擠緩行車流交通控制系統的基本原理和具體控制流程如圖1。

圖1 控制系統構成及設施布置Fig.1 Constitution of control system and layout of facilities

當車輛的排隊長度到達排隊檢測器1檢測范圍時啟動控制系統，車流控制燈配以紅燈倒計時顯示，用于控制車輛的停行；檢測器2測定排隊長度小于L2時控制燈顯示綠色，車輛通行，且每批放行的長度為L3；放行車輛形成新的隊列后，控制燈將顯示紅色進行截流。通過以上控制方法，可以使擁擠蠕動車流變為分批放行的間斷流，防止了蠕動車流中的頻繁起步制動現象；同時駕駛員在截流狀態時，可以避免怠速采取熄火方法等候通行。該控制系統保證了瓶頸處時刻有車輛等候通行，所以車輛通過交通瓶頸所耗費的總時間不會延長。

交通控制系統具體運行流程如圖2。

圖2 控制系統運行流程Fig.2 Operation flowchart of control system

根據圖2不難發現，需要重點解決的問題有以下兩點：①車流控制燈最佳位置研究；②收費站前最小排隊長度閾值的確定(排隊檢測器2位置)。

3 控制系統參數計算方法

3.1 車輛起停次數模型

通過對車輛排隊形成和消散過程進行分析[10]，將車輛從開始排隊至通過交通瓶頸所需的停車次數分為兩部分。

第1部分為車輛開始排隊至通過車流控制燈所需的停車次數。根據圖1可以看出，該部分的車輛均處于分批放行狀態，且每批放行的長度為L3+L2。

第2部分為車輛駛過車流控制燈至通過交通瓶頸所需的停車次數。由于車流在擁擠且不存在車流交織的狀況下，前車每制動或停止一次，后車也必定會制動或停止一次。若車輛排隊長度較短，那么某排隊車輛通過收費站所需的停車次數與該車前方車輛數基本相等?？紤]同一批駛入該路段的車輛通過瓶頸所需的停車次數不盡相同，為實現整個系統起停次數最優化，可采用平均起停車次數對其進行分析。

車輛從開始排隊至通過交通瓶頸所需總停車次數可由式(1)表示：

(1)

式中：N為駛過交通瓶頸所需的總停車次數；N1為車輛開始排隊至通過車流控制燈所需的停車次數；N2為車輛駛過車流控制燈至通過交通瓶頸所需的停車次數；L為車輛排隊總長度(交通瓶頸至隊尾的長度)；hs為平均車頭間距。

3.2L2最優值計算模型

為保車輛的通過時間不會增加，前一批車輛的尾車在駛離交通瓶頸的同時，后續放入車輛的前車必須到達瓶頸處等候，由此原理可得出L2與L3存在的關系如式(2)：

(2)

對式(2)進行變化可得到

(3)

對式(1)進行優化計算。

則

(4)

(5)

為求得N的最小值，對L2求偏導，計算如下：

(6)

由式(6)可知，最佳的L2值可以根據排隊長度L推出。

3.3L3最優值計算模型

根據L3與L2存在的關系﹝式(3)﹞可得到L3的值，但在取值時也應考慮到駕駛員的心理可接受等待時間、車輛的平均長度、服務流率等因素，再對實際L3值做適當調整。

4 實例分析

4.1 津保高速擁擠路段交通參數

筆者以津保高速收費站(天津段)為例，對該收費站在擁擠緩行時的交通參數進行實地調查，調查內容包含車輛組成、車輛到達率、車頭間距、平均服務時間、收費站限速值等。

將以上數據作為Paramics微觀交通模擬的基本參數，對收費站交通擁擠狀態進行模擬仿真，車輛擁擠狀態如圖3。

圖3 Paramics微觀仿真交通擁堵收費站Fig.3 Paramics microscopic simulation of traffic congestion at toll station

為得到車輛在擁擠緩行時通過收費站所需的平均起停次數，需分別對大貨車3.51 veh /min，中貨車1.2 veh/min，小貨車2.85 veh/min，大客車0.21 veh/min，中客車0.18 veh/min，小客車10.89 veh/min等6種類型車輛進行追蹤觀察，再對不同類型車輛的起停次數求平均，具體結果如表1。

表1 擁擠路段交通參數

4.2 控制系統參數計算

4.2.1L2最優值計算

將表1中的交通參數代入式(6)中得到

4.2.2L3最優值計算

將L2值帶入式(3)中，求得L3最優值：

4.3 控制系統效果

為分析車輛通過收費站的油耗值，對津保高速小客車的起動油耗和怠速油耗進行了調查，結果顯示小客車起動一次的油耗為27.6 mL、怠速油耗為0.23 mL/s。

4.3.1 未設置交通控制系統

該收費站不實施交通控制系統，那么車輛起停次數和延誤時間可通過表1查得，車輛通過收費站的油耗值W計算如下：

N=182次

W=27.6×181.8+0.23×3 600=5 845.7(mL)

4.3.2 設置交通系控制系統

倘若該收費站設置了交通控制系統，可將該控制系統各參數帶入式(1)，計算得到車輛起停次數如下：

由于車流處于分批放行的狀態，所以只有在(L2+L3)路段上車輛才會出現怠速現象，且車輛在該路段的平均啟動間隔時間為38 s、平均啟動次數為9.5次。

由此計算得到車輛通過收費站的油耗值如下：

W=27.6×18.07+0.23×38×9.5=581.76(mL)

將設置交通控制系統前后車輛啟停次數和油耗值進行對比，發現設置控制系統后車輛啟停次數和油耗值均減少了近10倍。

4.3.3 不同隊長的最優參數值

車輛總排隊長度不同，L3的大小也隨之變化。為了實現不同排隊長度下達到最優節能減排的效果，表2中列舉了與L值對應控制系統參數值。

表2 信號控制系統參數選取

5 結 語

筆者針對高速公路瓶頸處車流擁擠緩行現象，在保證不增加通過時間的基礎上，建立了實現節能減排的交通控制系統；最后以津保高速實測交通參數為例，對交通擁擠緩行車流的起停次數進行模擬計算，將設置交通控制系統前后的車輛起停次數及油耗參數進行對比。

結果表明:設置交通控制系統后車輛起停次數和燃油消耗顯著降低。根據控制系統各參數之間的關系，進一步推導出控制系統的最佳參數計算方法及不同排隊長度時所對應的L2和L3最優取值。

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Control Technique of Congested Traffic of Freeway Bottlenecks from the Perspective of Energy Conservation and Emission Reduction

CUI Hongjun1, LI Hainan1, ZHANG Zhilei2, ZHU Minqing3

(1. College of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, P.R.China;2. Shenzhen Transportation Design & Research Institute Co. Ltd., Shenzhen 518003, Guangdong, P.R.China; 3. Hebei Provincial Expressway Jinqin Administrative Office, Qinhuangdao 056000, Hebei, P.R.China)

For the questions of vehicles crowded and postponed, frequent start-stop and a sharp increase of fuel which often occurred at the bottlenecks of traffic capability sections, such as construction section and toll station on the freeway, an energy conservation and emission reduction control system of vehicles crowded and postponed was established, which was based on full investigation about the traffic flow characteristics and combined with traffic control technology and sensor detection technology. The case study indicates that the control system significantly reduces the number of vehicle start-stops and fuel consumption on the premise that the time of vehicle passing is not increased.

traffic and transportation engineering; traffic bottlenecks; crowded and postponed; traffic control; energy conservation and emission reduction

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.26

2014-06-05；

2015-05-11

崔洪軍(1974—)，男，河北定州人，教授，博士，主要從事交通管控及規劃方面的研究。E-mail: cuihj1974@126.com。

張志磊(1989—)，男，河北邢臺人，碩士研究生，主要從事交通管控及規劃方面的研究。E-mail: 1148840536@qq.com。

U491.1+12

A

1674-0696(2016)03-125-04