集成ETC系統的城市快速路常發性交通擁堵管理策略

鄢勇飛，車麗彬，蔣 樂，周 俊，何 丹

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430023）

集成ETC系統的城市快速路常發性交通擁堵管理策略

鄢勇飛，車麗彬，蔣 樂，周 俊，何 丹

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢 430023）

分析城市快速路常發性交通擁堵特點，基于ETC（電子不停車收費）系統功能和匝道控制原理，提出了快速路ETC匝道控制和匝道出入口OD流量分析模型。通過判斷分析關鍵匝道出入口及其常發性擁堵的不同原因，提出相應的擁堵管理策略，為快速路的常發擁堵管理及匝道控制提供參考。

ETC；常發性擁堵；匝道控制；關鍵匝道；快速路

0　引言

隨著城市的發展，城市交通擁堵表現出越來越嚴重的趨勢。近些年，城市快速路的建設在一定程度上改善了交通出行條件，縮短了城市時空距離，但也帶來了新的交通擁堵問題。有研究數據表明，90%的常發性擁堵發生在快速路入口處[1]，部分出口由于流量過大或銜接問題也經常發生擁堵。由于快速路的相對封閉和單一路徑等特點，快速路出入口的點狀擁堵很容易蔓延造成主線的線狀擁堵，且呈現擁堵次數頻繁、持續時間長、影響范圍廣和難以分流等特點，因此，對城市快速路的交通管理控制勢在必行[2]。通過分析快速路常發性交通擁堵原因及特點，本文提出快速路ETC匝道控制系統，為選擇更有效的匝道控制對象和匝道控制策略等提供參考。

1　現有快速路匝道控制

現有快速路的控制管理主要通過匝道出入口控制實現，依托在匝道出入口與主線的上下游設置相應的檢測設備，通過對車流參數的檢測分析，采取相應的控制策略來實現對匝道出入口的開關，從而控制車流進出。

根據不同控制策略，上海主要采用了匝道關閉策略，而歐美普遍采用匝道調節策略[2]。根據控制匝道對象，還可分為單匝道控制和關聯多匝道控制[3]。目前，匝道控制大多基于對匝道附近主線上下游交通量和匝道交通量的檢測，并根據容量限制、車速或排隊長度評估擁堵狀態[4,5]，通過匝道開關或紅綠燈控制來調節進出主線的交通量[6]，以減少主線交通擁堵。單匝道控制較簡單，但隨機性和受管理人員主觀經驗因素影響較大，也忽略了上下游匝道的關聯性。雖然關聯多匝道控制避免了單匝道控制過于隨機的缺點，但其OD推算算法較復雜，難以適應交通控制對時間響應的要求，而且并不是所有關聯匝道都會造成對主線的擁堵。這些匝道控制策略通常針對單個匝道出入口，無法反映快速路匝道進出口整體的交通流規律，即使有對關聯多匝道的控制方法，但大多是基于OD反推為前提，且相應的算法較復雜，缺少可靠的匝道交通流數據支撐，無法反映實際的匝道出入口交通出行規律，因而難以保證控制效果。

2　ETC系統

智能交通是緩解城市交通擁堵和提高交通管理的重要途徑，ETC系統（電子不停車收費系統）是智能交通的主要功能之一。由于ETC系統整合了車輛身份信息，使得它在城市治安偵查、停車誘導等領域[7,8]也能發揮重要作用。

ETC系統由前端系統和后臺數據庫系統組成，其中前端系統包括ETC車道控制系統、ETC路側單元（RSU）、ETC車載單元（OBU）。

3　快速路擁堵主要原因分析

快速路為全控制出入口形式，主要通過匝道出入口等實現與其他道路的轉換連接。快速路擁堵點主要與匝道出入口相關，主要擁堵原因有以下幾種：一是立交形式選擇不合理，導致主線與匝道進出交通流交織嚴重，影響主線車流通行；二是上下橋匝道功能和選址不合理，導致匝道方向與交通流向需求不符合，同時，匝道數量過多，使得主線車流分、合流區域較多，而導致交通流紊亂；三是上下橋匝道與地面道路銜接位置不合理，尤其是在交叉口附近，對匝道車流與路口交通流的相互影響考慮不充分，導致匝道轉換車流與地面車流干擾嚴重。

4　快速路常發性交通擁堵特點

在快速路的規劃設計階段，主要是根據遠期預測的交通量需求進行方案規劃和工程設計，但城市的發展具有較大不確定性和多變性，導致實際需求與預測需求發生偏差，交通出行規律也會相應發生變化，當這種偏差和變化幅度較大時，必然會對快速路的交通運行產生沖擊。在快速路建成運行后，實際交通出行需求逐漸穩定，這種沖擊就會演變為有規律性的常發性交通擁堵。

常發性交通擁堵根本原因是實際交通需求超出道路設施局部區域或節點最大通行能力，使得常發性交通擁堵具有相對固定性，同時其通常發生在高峰時間段，表現為周期性和規律性擁堵[9]，因而具有相對穩定性和預見性。因此，在相對固定的時間，通過對關鍵匝道采取針對性的匝道控制策略，是減少常發性交通擁堵的可選途徑。

5　集成ETC系統的快速路關鍵匝道識別

5.1基本思路

由于快速路常發性交通擁堵的時間和區域具有一定規律性和預見性，因此，可將匝道出入口歷史流量統計規律作為實時匝道控制的數據依據，避免了對某個匝道盲目控制的弊端。

在每個匝道出入口處設置ETC前端系統和信號燈裝置，組成ETC匝道控制系統，利用ETC系統的通信功能可以對進出匝道出入口的車輛信息進行讀取和存儲，通過后臺數據中心對車牌信息的比對分析，可以計算統計出每個匝道出入口的OD流量，并以此統計出每個出口車輛的入口來源流量及其分布規律。將入口匝道和出口匝道按交通量大小排列，依據匝道實際通行能力和常發擁堵匝道狀況判斷識別快速路的關鍵入口和出口匝道。

5.2匝道出入口OD流量分析模型

由于快速路上下行的相對獨立性，可單獨分析一個行車方向，并以環線快速路逆時針方向為例，從而簡化分析模型。

模型假設不會有車輛繞圈行駛，并只會在不超過環線半圈出行距離的匝道出入口之間出行，因為如果出行距離超過半圈距離，則會選擇反方向的匝道出入口，行駛距離會更短，這與現實車輛出行路徑選擇基本相符合。

將進入主線的匝道入口作為O點，將離開主線的匝道出口作為D點，并選定某一個匝道為起點，分別依次編號1至i。假設入口和出口數量相等，最大入口個數i=M，則環線上每一次機動車出行均可視為一個OD點對出行。

對于某一個匝道出口i，當其位于所有編號半數以內時，其交通流量Di計算統計公式為：

當其位于所有編號半數以外時，其交通流量計算統計公式為：

6　快速路常發性交通擁堵管理策略

6.1匝道入口常發性擁堵管理策略

單純的匝道入口常發性擁堵（對由于主線擁堵導致匝道入口擁堵的情形在后面討論）主要是由于匝道交通量超過了匝道實際通行能力，這種情況下只能通過減少、轉移或控制進入匝道的交通量來緩解擁堵。通常，城市快速路入口匝道交通量呈現出明顯的周期性、脈沖性和波動性，其明顯程度與匝道入口距上游信號燈控路口的距離有關，距離越小越明顯[10]。可通過調節上游路口交通信號燈配時方案或者定時匝道控制策略[9]來控制匝道入口交通量，同時結合上游路口的交通信息指標牌，提示分流和繞行等預警信息，也可采用匝道入口與銜接交叉口協調控制策略[11,12]。基于匝道入口的ETC匝道控制系統可以計算統計全天的匝道交通流量特征，為定時匝道控制和動態匝道控制提供可靠的交通數據支撐。

6.2匝道出口常發性擁堵管理

匝道出口常發性擁堵可分為兩種情形：第一種情形是單純的匝道出口擁堵，第二種情形是匝道出口擁堵與主線擁堵并存。

第一種常發擁堵情形，即匝道出口排隊車輛還沒有反向回溢到快速路主線部分而導致主線車速減慢形成排隊擁堵。其主要表現為下游銜接路段或路口通行能力不足，通常是由于匝道出口距下游關聯路口過近及路口信號燈方案不合理所導致。可采取優化關聯路口信號燈控制的策略[13,14]，基于匝道出口的ETC匝道控制系統可以計算統計全天的匝道交通流量，可與下游關聯路口的信號燈聯控，實現實時協調控制。

第二種常發擁堵情形，即匝道出口的交通需求量已經遠超過匝道和下游關聯路口允許的實際通行能力，并已對主線的交通流產生了明顯干擾，造成主線交通擁堵排隊，此時對該匝道出口和關聯路口的控制策略基本失效[4]。

在這種情形下，利用提出的ETC匝道控制系統可獲取所有匝道出入口的全天交通量數據。基于本文5.2節中提出的匝道出入口OD流量分析模型，可得到上游的各匝道入口通過該匝道出口的交通組成特征。根據交通流量大小識別出較大的匝道入口作為關鍵匝道，并將其作為主要匝道控制對象，采取本文6.1節中的相關匝道入口控制策略。盡管這些關鍵匝道本身可能并不是常發性擁堵匝道，但對于減少第二種情形中下游匝道出口的常發性擁堵起著關鍵作用。結合ETC系統獲取的匝道流量隨時間的分布特征，可以在不同的時間段內采取更準確的控制策略。

7　案例分析

武漢市二環線全長48 km，總體建設方案以長距離高架為主，全線設置15處互通式立交、45處上下橋匝道（上橋匝道21處，下橋匝道24處）和12對地面輔路出入口，主線進出口平均間距約1 km。目前交通運行基本穩定，高峰時段常發性擁堵點主要集中在隧道處匝道出入口、互通立交匝道出入口和下橋匝道出口處等。全線調查的常發性交通擁堵點及排隊延誤觀測見表1。

7.1方案實現

匝道ETC設備主要由微波天線、車輛檢測器、交通信號燈、信號控制機、抓拍攝像機和高清球機組成。設備布置如圖1所示。前端設備可通過網絡與ETC后臺控制中心、交通管理中心連接，實現數據上傳、分析和匝道控制。

7.2方案效益評估

（1）擁堵損失評估。根據對二環線各匝道的高峰交通調查分析，共有18處常發性擁堵位置，如表1所示。根據表1可以計算出平均每個擁堵車輛的直接時間價值損失和汽油消耗損失。按照武漢市2014年平均工資和汽油價格計算,得到上述常發性擁堵位置的平均時間價值損失約3.8萬元/擁堵天，平均汽油消耗損失約12.5萬元/擁堵天，則全年工作日的直接擁堵損失費用近4 200萬元。這還不包括由于擁堵造成的污染排放及事故間接損失等。

表1　二環線常發性擁堵位置排隊延誤觀測值

圖1　匝道進口ETC設備布置示意圖

（2）匝道ETC控制系統投資評估。根據設備估價，按每個匝道進出口的ETC系統裝置60萬元估算，則二環線全部匝道進出口系統設備費用約3 500萬元，遠低于常發性擁堵造成的直接經濟損失。該系統建成后，即使按減少30%的常發性擁堵估算，其每年節省的直接擁堵費用近1 300萬元，三年即可收回設備投資費用，具有較高的社會經濟效益。

8　結論與討論

通過分析快速路常發性交通擁堵特點，提出快速路ETC匝道控制和匝道出入口OD流量分析模型，并以此給出了快速路匝道出入口常發性交通擁堵管理策略。特別是針對匝道出口擁堵和主線擁堵同時存在的情況，可應用ETC匝道控制系統分析得到關鍵匝道入口的流量組成特征，采用更準確有效的控制，避免憑主觀判斷匝道控制對象和控制策略的不足。

ETC匝道控制系統功能挖掘，通過快速路ETC匝道控制系統全覆蓋，實現通行車輛車型分類信息的比對，可以對違章通行車輛進行識別篩選，彌補了匝道限高、警告標牌等無法取證的不足。同時，通過與快速路主線上已有交通管理視頻監控系統相結合，可擴大快速路上緊急事件的監控管理范圍，提高處理反應效率，減少因交通事故等產生的非常規性擁堵。

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U491

B

1009-7716（2016）02-0009-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.003

2015-10-16

鄢勇飛(1982-)，男，湖北天門人，碩士，工程師，從事道路交通規劃與設計工作。