高速公路控制環境下路網運行狀態評價方法研究*

方捷+涂莉麗

摘 要：高速公路控制環境下路網運行狀態的有效評價是各類方法實施控制的基本依據，是提高各種控制方法控制有效性的根本途徑。路網運行狀態的評價指標能夠定量直觀的反映路網運行狀態，為交通出行者提供具有參考價值的路網交通信息，對高速公路管理的有效性、高速公路路網通行能力發揮的充分性起著至關重要的作用。文章通過對比國內外研究現狀，分析入口匝道控制環境下的路網運行狀態評價方法存在的不足，并探討其相應的解決對策，為今后相關的研究奠定基礎。

關鍵詞：高速公路；運行狀態；評價方法；單指標；多指標

中圖分類號：U412 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0064-02

1 概述

隨著社會經濟的快速發展，基礎設施建設突飛猛進，尤其是高速公路通車里程不斷增加。高速公路的建設不僅加強了人與貨物的快速流通、增進了社會各方面之間的聯系，而且又反過來極大的促進了經濟的發展。與此同時，由于汽車保有量的大幅增長，導致交通擁堵現象的頻繁出現。交通擁堵一方面減少了高速公路基礎設施的通行能力，另一方面造成了延誤、增加了環境污染、降低了交通安全。因此，如何采取有效的措施應對交通需求壓力，緩解交通擁堵問題，已經成為交通工程學科研究中最為迫切的問題之一。高速公路的交通控制系統是一個極為復雜的系統，它的交通控制方法和控制效益往往受到多方面因素的影響。高速公路交通控制方法主要有匝道控制、通道控制、主線控制等，其中最為有效且應用最廣的控制方法是匝道控制。匝道控制是指以調節入口匝道信號燈的配時為手段，適當地改變從入口匝道進入高速公路主流的車輛數，以改善高速公路的交通情況，從而提高高速公路的運行效率 。匝道控制在入口匝道和高速公路與高速公路交叉口間以短時間的延遲為代價，為每個單獨的道路使用者節約了大量時間。此外，匝道控制對緩解交通擁堵起到了很大作用，在很大程度上減少了擁堵的產生或縮短了交通擁堵時間，并且還具有減少交匯點的沖突和事故， 降低空氣污染、 提高交通安全等功能。

雖然高速公路匝道控制的方法多種多樣，但路網運行狀態的分析評價是各類方法實施控制的基本依據，是高速管理部門的決策依據。本文以高速公路入口匝道控制環境下路網運行狀態的評價方法為研究對象，通過對比國內外研究現狀，分析入口匝道控制環境下的路網運行狀態評價方法存在的不足，并探討其相應的解決對策，為今后相關的研究奠定基礎。

2 高速公路交通運行狀態評價指標體系

高速路網運行狀態的評價指標能夠定量直觀的反映路網運行狀態，為交通出行者提供具有參考價值的路網交通信息，對高速公路管理的有效性、高速公路路網通行能力發揮的充分性起著至關重要的作用。

高速公路運行狀態評價方法分為單指標評價方法和多指標評價方法兩種[1]。

2.1 單指標評價方法

早期的高速公路運行狀態評價方法大多為單指標評價方法，例如高速公路交通流——流密速關系：系統均采用路段交通量、車速、占有率為基礎指標，并通過分別與預設值比較確定運行狀況[2]。入口匝道控制環境下的高速公路運行狀態評價大多選取總旅行時間（TTS）或總旅行距離（TTD）為評價指標。Papamichail等提出的基于非線性預測模型的分層協調匝道控制方法[3]，以總旅行時間（TTS）為控制目標來優化路網的運行效率；類似只針對控制路網運行效率的目標函數，也同樣被Bellemans[4]和Hegyi[5]應用到他們的研究當中。

單指標分析方法在實際應用中能較好的直觀反映路網交通運行情況，但單指標之間往往存在沖突，比如入口匝道控制情況下，往往要求高速公路路網總旅行時間最小，而要求總旅行距離最大，指標之間的沖突會影響評價結果的精度。另外，這種單一的指標方法評價路網運行狀態時具有局限性，不能全面地分析路網中存在的復雜問題。因此單指標評價方法逐漸淡出研究學者的視線，越來越多研究學者投身到多指標綜合評價方法的研究中。

2.2 多指標評價方法

多指標評價方法主要是選取平均車速、平均延誤、總旅行時間、時間占有率等多個交通指標對路網運行狀態進行綜合評價。現有的匝道控制環境下高速公路路網多指標評價大多以多個指標的加權組合對路網運行狀態進行綜合評價。Pasquale等的研究[6]采用多指標優化函數進行路網優化控制，綜合考慮了以總旅行時間（TTS）與總旅行距離（TTD）為控制目標的路網運行效率，以及以交通排放量為控制目標的路網環境效益這兩個優化方向，最后以TTS、TTD以及交通排放量這三者的加權組合對控制方法實施后的路網狀態進行綜合評價。但是，該類方法各指標權重的確定具有不確定性，因為高速公路的交通流動力學特性在隨刻變化著，不同的高速公路路段、同一路段的不同時間，各個交通指標對路網運行狀態反映的重要程度是不同的。

1986年，法國經濟學家Pareto從政治經濟學角度提出了Pareto最優的概念。Pareto最優把本質上不可比的目標轉化為單一的最優目標進行求解，Pareto最優概念的提出是單指標向多指標轉變過程中至關重要的一環[7，8]。近年來，越來越多學者將Pareto最優的概念應用到多指標路網運行狀態評價方法中，該類方法克服了多個指標加權組合綜合評價的不足之處。例如在梁振羽的研究中，采用粒子群算法對交通效益和環境效益這兩個路網狀態評價指標進行求解Pareto最優，從而提升控制方法的全面性與有效性[9]。

3 結束語

目前，高速公路路網交通狀態評價指標體系相對完善，交通參與者通過評價指標能夠直觀的感知路網交通狀態。縱觀以往的研究，入口匝道控制環境下的高速公路路網狀態評價大部分只針對單一指標進行路網評價，缺少同時以路網機動性和安全性等多指標對路網狀態進行綜合評價的全面評價體系。而且多指標綜合評價方法的研究中已取得的工作成果，尚未實際運用到我國交通行業的發展中來。因此，必須以我國高速公路的現狀為基礎，結合未來交通行業的發展規劃，研究適合我國高速公路路網運行狀態的分析評價方法，利用多屬性綜合評價方法全面可靠的分析交通運行狀態。

參考文獻：

[1]李琳.高速公路網交通流運行態勢評估技術研究[D].長安大學，2011.

[2]明平順.高速公路運行狀況分析與對策[J].公路與汽運，1997（3）：35-37.

[3]Papamichail I， Kotsialos A， Margonis I， et al. Coordinated ramp metering for freeway networks-a model-predictive hierarchical control approach[J].Transportation Research Part C： Emerging Technologies， 2010，18（3）：311-331.

[4]Bellemans， T.， Schutter， B.D.， Moor， B.D.， 2006. Model predictive control for ramp metering of motorway traffic： a case study. Control Eng. Pract. 14（7）：757-767.

[5]Hegyi， A.， Schutter， B.D.， Hellendoorn， H.， 2005. Model predictive control for optimal coordination of ramp metering and variable speed limits. Transport. Res. Part C 13（3）：185-209.

[6]Pasquale C， Papamichail I， Roncoli C， et al. Two-class freeway traffic regulation to reduce congestion and emissions via nonlinear optimal control[J].Transportation Research Part C： Emerging Technologies，2015，55：85-99.

[7]秦壽康.綜合評價原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2003.

[8]郭亞軍.綜合評價理論、方法及應用[M].北京：科學出版社，2008.

[9]梁振羽.快速路入口匝道與可變限速協同控制策略研究[D].哈爾濱工業大學，2016.