雙向兩車道道路局部施工時的車輛擁堵管制方法研究

徐 然

（安慶市第二中學，安徽 安慶 246000）

前言

近年來我國城鎮化建設對提高人們的生活水平、振興美麗鄉村起到了積極的推動作用，其中公路交通設施的完善和交通擁堵的管制是重要方面[1]。由于住宅小區周圍環境改善和維修作業、交通設施安裝等多方面的原因，公路道路經常被占用進行施工。特別是典型的雙向兩通道等狹窄道路，如圖1（a）所示，大多數時當地相關部門并沒有很好地進行交通管制，僅僅在施工道路兩頭放置一個指示牌，如圖1（b）所示。在大人上下班、小孩上學放學等時間段特別擁擠，如果不進行合理管制，就會長時間擁堵，給人們生活和學習工作等帶來很多不便。

圖1 道路實際情況圖

造成交通擁堵的原因有很多，其中駕駛人人為因素是重要方面。對城市交通擁堵原因進行的網絡調查結果如圖2所示[2]，從圖中可以看出人為因素占比最大為 34.8%。通過查閱相關資料[3-4]，發現造成施工道路交通擁堵的原因主要是道路規劃不合理和人為因素。所以，除了施工單位與商家、住戶進行協調以制定因地制宜的施工方案外，在施工期間還需要進行合理的交通管制以提高交通效率和施工效率。

圖2 交通擁堵產生原因的網上調查

我國從20世紀90年代開始，在工程施工交通組織方面也相繼頒布了一系列的國家標準和行業標準，規定在施工路段的兩端，設置明顯的施工標志[5-7]。但是這些規范標準大多還只是從道路養護施工技術角度出發而制定的，涉及交通管制的內容不多而且也不完整。目前我國在大型市政工程施工區交通組織方面的研究還處在起步階段。

暫時性的路障會造成交通擁堵，若控制不當，可能會造成嚴重的交通阻梗乃至交通網絡癱瘓。因此，需要將交通管理理論運用在交通擁堵的控制中。隨著信息技術的發展，智能交通系統和無線通訊設備為解決城市交通運輸問題提供了一個有效的解決途徑[8-9]。智能交通系統采用先進的車輛檢測技術和計算機信息處理技術，獲取實時交通路況信息，并根據收集到的信息對交通進行控制[10]。此外，在汽車內安裝無線通訊模塊，使汽車通過自身安裝的傳感器節點或道路基礎設施上安裝的無線傳感器節點感知行駛途中的各種信息，已成為提高行駛安全和城市交通性能的一種重要手段[11-12]。

本文針對現階段我國城鎮建設中典型的狹窄雙向兩車道上進行道路施工情況，分析車流特點，以提高車輛通行效率為目標基于聚類分析和權重加權等手段研究制定合理的交通管控策略，最后進行典型車流輸入時的車輛通行管制過程仿真分析。該方法中需要獲取車輛位置等信息，可基于當前車聯網技術平臺或手機APP平臺進行，不需要增加設備，工程實現成本低。研究可為典型的雙向兩車道局部施工狹窄路段的交通管制提供一種有效的解決方案。

1 典型狹窄施工路段和車輛通行管制要求的確定

現實中，因公路設施維修或路邊工程建設，往往占用道路影響正常交通通行。特別是雙向兩通道道路，在一側道路被占用后，另一側道路因為路面狹窄不能同時雙向通行，如果不加以管制或駕駛員之間不協調配合，極易形成交通擁堵。圖3為典型雙向兩車道示意圖，并作如下基本假設：

假設 1：Ⅰ車道和Ⅱ車道均為單車道，Ⅰ車道車輛從左往右行駛，Ⅱ車道車輛從右往左行駛。

假設2：Ⅱ車道中間紅色部分為施工路段，長度s=100m。該施工路段占用了Ⅱ車道。施工路段對應另一側的Ⅰ車道只能分時單向行駛，并規定通過車速為ν0=18 km/h。

假設 3：實際分析時基于小型乘用車為單位，并假設每輛小型乘用車的長度為2.5m。規定，一輛大客車的通行等價于3輛小型乘用車的通行，一輛貨車的通行等價于2輛小型乘用車的通行。

假設 4：在施工路段左右兩側設置監測路段，長度均為z=100m。基于左右監測路段內車輛數量確定車輛管制放行策略。

假設 5：路閘布置在施工道路的左右兩端，左路閘打開且右路閘關閉時Ⅰ車道車輛放行；左路閘關閉且右路閘打開時Ⅱ車道車輛放行。兩路閘不能同時打開。

圖3 道路車輛行駛示意圖

2 決策模型的建立

2.1 基于聚類的通行需求系數的確定

為了提高施工路段的通行效率，路閘1和路閘2打開的順序要根據施工兩側的車輛流來確定。本文定義通行需求系數W，該系數數值越大，表明該監測路段車輛越多，交通通行需求更為迫切。

設在監測路段的車輛位置可以實時獲取，路閘的絕對位置是確定的，故車輛與路閘的距離可以計算得到。記第i輛車距路閘的距離為x(i)，其中i=1,2,3,…,n，n為監測路段內的車輛數。對每個監測路段的車輛根據距離特征分別聚類成 3個車段，記每個車段為cj，車段中心為μj，其中j=1,2,3。車段中心表示該車段內所有車輛與路閘距離的平均值。理想情況下，3個車段中心分別在距路閘[0,20）m, [20,50）m, [50,100]m各一個比較合適。采用車段整體來分析通行需求系數，有利于提高決策計算效率和更直觀地提取車輛分布的整體特征。

本文采用K-means聚類方法[13-15]，其具體聚類步驟如下，搜索迭代3個車段中心，最終在3個車段內的車輛與車段中心距離最小時終止。

（1）設定3個車段中心μ1，μ2和μ3的初始值分別為10、35、75。

（2）對于每一輛車x(i)，分別求其與3個車段中心μj的距離。若其與μk距離最小，則其劃歸為ck車段，k=1,2,3。將監測路段中的所有車輛劃分到3個車段中。

（3）對每個車段內車輛計算其中心值，更新μ1、μ2、μ3。

（4）將每個車段內車輛位置與該車段中心距離求和得到dj。若不再改變停止迭代，否則重復步驟（2）-（4）。

實際在監測路段內的車輛數是隨機的，有可能3個聚類中心的離散程度不高，如其中的兩個車段中心點都聚集在[0,20）m內，此時需要將兩個車段合并為一個車段，而距離分別計算取累加和。如果一個區段內沒有車段中心，則直接定義該區段內的通行需求系數W為0。若某個車段車輛數較多，橫跨兩個區段，此時就需要對其進行分割或再聚類。當監測路段內車輛總數小于3時，直接定義此時的通行需求系數W為0。

依據K-means聚類法確定了三個車段中車輛數量分別為n1，n2，n3和對應的中心值 l1，l2，l3，且有，則通行需求系數W定義為：

式中，s為施工路段的長度，本文中s=100m；ν0為車速，本文中 ν0=18 km/h；α1，α2，α3為權重系數，。權重系數越大，說明該類對道路通行需求系數的影響越大。

2.2 基于層次分析的聚類中心權重系數的確立

靠近路閘的車段的車輛通行更為迫切，其車段的權重系數應該高。對應遠離路閘的車段其權重系數應該偏低。故引入層次分析法[16-17]來確定各車段的權重系數。

首先，構造比較矩陣

該矩陣的階數為n0=3，對于任意元素有。

在比較矩陣A中，aj1j2表示第j1車段和第j2車段對道路通行需求系數的影響大小之比，比如 a12表示第一車段和第二車段對道路通行需求系數的影響之比。將不同車段對道路通行需求系數的影響程度分為9個層次，根據經驗，車輛段越靠近路閘其對通行需求越迫切。因此，確定比較矩陣A中的元素如公式（1）所示。

求解得其特征值為 λ1=3.0648，λ2,3=0.0145±0.2694i，其特征值的最大值λmax=3.0648。

其對應的特征向量歸一化為：

一般來說，如果λmax比矩陣的階數n0大得多，A的非一致性程度越嚴重，對應的標準化特征向量也就越不能真實的反映出各個車段對道路通行需求系數 W 的影響中所占的比重。因此，有必要對比較矩陣A作一致性檢驗，即求出它的一致性比例 CR值，若 CR＜0.1，認為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應對比較矩陣做適當修正。一致性檢驗的結果如下：

其中，CI是一致性指標，RI為平均隨機一致性指標，數值由比較矩陣的階數決定。通過上述計算發現一致性比例CR＜0.1，故認為矩陣的一致性是可以接受的，即該矩陣有滿意一致解。

2.3 車輛通行管制策略

（1）對兩側監控路段的車輛位置及其與路閘距離進行統計，確定兩側的道路通行需求系數W。

（2）通行需求系數大的一側先放行。先放行一個車段的車輛，當一側一個車段的車輛放行完至其通過施工路段時，重新回到（1）步重新進行道路通行需求系數W的統計。

3 車輛流管制工程實現方法

圖 4是基于車輛流管制模型和策略擬定的工程實現方案，其中實時獲取監測路段的車輛位置信息是關鍵。

圖4 車輛流管制工程解決方案

3.1 車輛位置信息的獲取

我們提出兩種方式實現對車輛位置信息的實時獲取，即手機 APP方式和車聯網平臺方式。兩種方法本質上沒有區別，只是車輛位置信息上傳方式不同。當前車聯網技術還沒有普及，可以先使用手機APP方式實現。隨著車聯網技術的普及，通過車聯網平臺方式是最有效的手段，也便于本方法的推廣使用。

圖5 車聯網方法實現架構

車聯網能實現車與車、車與路、車與人、車與傳感設備等的實時動態交互。車聯網的車載終端可獲取車輛位置和環境信息，通過互聯網技術傳輸到中央處理器進行分析處理以進一步指導進行定位、救援、管理等服務[18-20]。施工路段管控計算機可通過互聯網實時獲取監控路段車輛位置信息。基于節3的方法可對響應路閘進行開閉控制。具體實現方式如圖5所示。

圖6 手機APP方法實現架構

智能手機自帶GPS模塊，且支持用戶二次開發，且開發技術已比較成熟。可以將智能手機作為一個簡單的車載終端，開發一個APP程序運行在手機上，通過手機上的GPS模塊實時獲取手機位置信息。當檢測到車輛行駛在監測路段時，可以1Hz頻率發送至交通管控計算機，若車輛不在監測路段內則不發送。駕駛員初次經過施工路段時需要安裝該APP。具體實現方式如圖6所示。

3.2 車輛通行管制

編寫軟件運行于交通管控計算機，基于互聯網讀取監測路段車輛位置信息并統計分析兩端監測路段的通行需求系數。通行需求系數值大的一側車輛先放行，交通管控計算機對路閘控制器發車打開指令，待一個車段放行結束后重新計算監測路段的通行需求系數，實現對兩個路閘的循環控制。

4 案例分析與仿真

根據實際調研，發現在道路中車輛的分布是隨機的，可能兩三輛車成群，也有可能彼此之間的車距比較大，依據這種情況我們建立一個典型車輛流的輸入模型，示意如圖7所示。

圖7 車輛流輸入與聚類結果示意圖

根據第4節提出的車輛位置實時獲取方法，可以實時獲取監測路段內的車輛位置信息，再根據第3節所述的聚類方法，將道路中的車輛分為3車段，聚類結果如圖7所示。

圖7中，每個車段的車輛分別用藍色、黃色、紅色來表示，每一車段的車段中心用藍色的星號表示。可以看出在距路閘[0, 20）m, [20, 50）m, [50, 100]m處各有一個車段中心點。統計得到每一車段中的車輛數和車段中心至路閘的距離，可計算出道路通行需求系數W。

此時，對于左監測路段，第一車段的車輛數n1為3，距離l1為4.17m；第二車段的車輛數n2為5，距離l2為31.5m；第三車段的車輛數n3為7，距離l3為72m。那么道路通行需求系數WL為：

對于右監測路段，第一車段的車輛數n1為4，距離l1為7.5m；第二車段的車輛數n2為5，距離l2為37.5；第三車段的車輛數 n3為 9，距離 l3為 76m。那么道路通行需求系數WR為：

圖8是車輛通行管制過程仿真效果圖。基于仿真模型和典型的車輛流輸入，制作了雙向兩車道局部施工路段的交通管制仿真視頻。由視頻可知，基于該管制方法，施工路段車輛能有序通行，有效提高了通行效率。

圖8 仿真視頻截圖

5 結論

（1）對典型城鎮建設中的雙向兩車道中一側車道占用施工情況進行建模。設定施工路段長度 100m，施工路段車輛分時單向通行速度為 18 km/h。提出通行需求系數的概念，并基于施工路段兩端各100m范圍監測路段內的車流量進行聚類分析和層次權重方法確定兩監測路段的通行需求系數。實際應用中可通過車聯網節點或手機 APP方式獲取監測路段內的車輛位置和數量。

（2）確定了車輛放行管制策略。對通行需求系數大的一側先放行，每次放行一個車段的車輛。一車段的車輛放行完畢后再重新確定通行需求系數。

（3）進行了典型車流量情況下的交通管制仿真和分析。結果表明本作品提出的方法能夠有效提高施工路段的車輛通行效率，方法是有效可行的。