城市快速路交織區控制策略研究綜述*

謝濟銘, 彭博,2, 蔡曉禹,2, 唐聚, 張媛媛

(1.重慶交通大學 交通運輸學院, 重慶 400074；2.山地城市交通系統與安全重慶市重點實驗室, 重慶 400074)

隨著汽車保有量的連年增長，連接城市各組團的主動脈——城市快速路在節點區域經常發生交通擁堵。快速路交織區由于其交通流復雜性及自身組成的特殊性，成為快速路擁堵的主要節點，大大制約了快速路功能的發揮。隨著城市交通的愈發復雜，交織區占比上升，交織復雜度逐步升級。對交織區交通流進行合理控制，可減少或避免交織區由于換道等產生的交通問題，其中如何實現高效交通控制策略是交通完善的關鍵一步。國內外學者在交織區、分流區、合流區等區域交通流特性方面展開了大量研究，取得了一系列成果，包括通行能力、服務水平、車輛行為、幾何構型、安全分析、仿真分析、控制策略等。但針對交織區內部控制的相關研究較少。該文從運行特性、安全特性、控制策略三方面綜述交織區控制策略，研究交織區多途徑協同控制策略，為提升交織區運行效率提供借鑒。

1 交織區運行特性

交織區運行特性分析的目的是描述交通流特性和運行狀態，運行特性主要包括幾何特性、交通流特性、車輛行為特性三方面。

1.1 交織區幾何特性

國內外學者大都從幾何長度、匝道間距兩方面對交織區幾何特性展開研究，主要通過元胞自動機理論、微觀仿真等方法，提出交織區長度、匝道間距等建議值。例如：文獻[1]提出了一定交織交通量和服務水平下交織區長度的取值上、下限；文獻[2]建立連續多次換道的軌跡模型，計算了分流區合理長度；文獻[3]通過定量模型公式變形，給出了匝道間距推薦區間；文獻[4]構建了先入后出型匝道最小間距計算模型，并提出了間距推薦區間；文獻[5]建立了高速公路主路和同側匝道出入口的最小間距模型，并提出了指標值。

1.2 交織區交通流運行特性

1.2.1 交織區運行狀態

主要從交通參數建模分析、交通狀態判別兩方面展開交織區運行狀態研究。在交通參數建模分析方面，文獻[6]提出了交織區影響下合流區車頭時距的絕對值韋布爾分布模型；文獻[7]提出了交織區速度改進回歸模型；文獻[8]得出了匝道出入口、合流區、分流區的車輛運行速度與交通量之間的影響關系。交織區交通狀態判別方面的研究文獻則相對較少，文獻[9]建立了基于BP神經網絡的快速路交織區運行狀態判別模型；文獻[10]研究了單雙平行式匯入匝道情況下主線交通流的運行狀態，進而判斷合流區的交通狀態。

1.2.2 交織區通行能力

交織區通行能力研究主要從以下三方面展開：1) 匝道布置形式對通行能力的影響。文獻[11]研究得出出匝道車輛對交織區通行能力的影響比入匝道車輛的影響嚴重；文獻[12]分析了匝道布置與車道平衡設計對通行能力的影響。2) 交通流特性對通行能力的影響。文獻[13]～[15]分別提出了交織區交織流量比、交織區長度等參數與通行能力的關系模型。3) 通行能力模型改進。文獻[16]～[18]在既有規范(HCM、通行能力手冊等)中通行能力模型的基礎上提出了改進模型。

1.2.3 交織區服務水平

目前交織區服務水平以密度為主要指標，有研究提出應將負荷度、綜合交通量等指標納入服務水平指標體系中，以全面反映綜合服務水平。文獻[19]歸納總結了快速路A類交織區服務水平劃分標準；文獻[20]以負荷度為主要指標、密度為次要指標，提出了更細化的交織區服務水平劃分標準；文獻[21]在HBS 2015的基礎上，將合流、分流和交織區作為整體對象，提出以綜合交通量與通行能力之比定義總路段服務水平的改進模型；文獻[22]認為各方向交通流量對交織區密度的影響最顯著。

1.3 交織區車輛行為特性

在換道行為特性研究方面，目前主要有文獻[23]的換道決策模型、文獻[24]的元胞自動機模型、文獻[25]的馬爾可夫換道模型。而對于交織區車輛換道行為的研究則相對較少，文獻[26]～[29]基于元胞自動機、回歸分析、LWR換道模型、概率選擇模型等展開了研究。

在跟馳行為特性研究方面，目前主要有文獻[30]的GM跟馳模型、文獻[31]的模糊推理模型、文獻[32]的全速度差模型、文獻[33]的混合速度差模型等，希望通過對微觀跟馳行為的建模展現宏觀交通流中交通失穩、激波、相變等的非線性特性，解釋交通阻塞形成與消散的機理。但以上模型大都未應用到交織區研究中。現階段針對交織區車輛跟馳行為的研究大都是在成熟的跟馳模型的基礎上加以改進，包括文獻[34]的考慮擁擠條件、文獻[13]的引入交通壓力、文獻[35]的加減速階段分類等方法。

1.4 評述

現有交織區研究大多以流量、速度、密度為基礎對交織區通行能力、分流及合流影響范圍等進行研究，大多聚焦于交織區通行能力等，而對影響交織區交通流運行狀態的車輛行為特征的研究相對薄弱。如何采用新興技術進一步挖掘交織區車輛行為特性，有待更系統、全面地研究。

2 交織區交通安全特性

實施交織區控制策略的目的是保障交織區安全有序地運行，而影響交織區交通安全運行的因素眾多。目前對于交織區安全方面的研究包括靜態特性和動態特性兩方面。

交織區靜態研究主要從交織區安全評價、沖突形成機理等方面展開。交織區沖突點的形成是由于交織區內車輛運行時產生車道變換行為，形成分流點、交叉點、合流點三類沖突點，使交織區車輛運行相互干擾，影響交通安全和效率。在沖突形成機理方面，主要從交織區和車道復雜度關系、沖突變化趨勢等方面展開研究。

交織區動態安全研究大都針對車輛行駛行為展開。如文獻[41]采用自適應模糊神經網絡模型模擬車輛跟馳行為，分析交織區安全影響；文獻[42]分析車輛特殊駕駛行為的產生機理，得出其對交織區通行效率和安全性的影響；文獻[43]考慮臨時駛出車輛的影響，結合車輛變道安全間距、變道決策等因素，建立了多車道交織區離散模型。

交織區由于各種交通流的交織會產生大量交通沖突點，導致車速穩定性差、通行能力嚴重降低。交織區沖突點和幾何設計等靜態特性，由于其自身特性受先天設計限制難以更改，因而改善交織區交通安全的切入點之一是合理控制交織區車輛行為，而導致交通流交織的源頭為車輛行為各異，為深入剖析交織流特性，需進一步研究交織區車輛行為，探尋其行為特性。

3 交織區控制策略

為規范、管理交織區車輛行為，提高交織區整體通行效率，必須采取措施調控交織區車輛運行。對此，國內外學者開展了大量研究。從研究手段來看，對交織區的控制可分為靜態控制(static control)和動態控制(dynamic control)，其中靜態控制主要是針對交織區標志標線進行研究，動態控制則根據實時交通流參數信息進行控制管理，主要有動態匝道控制、主動式可變限速控制、動態協同控制等。從控制對象來看，交織區的控制分為匝道控制、主線控制和綜合協同控制。

3.1 匝道控制

3.1.1 單匝道控制方法

單點控制(isolated control)算法主要包括占有率控制(OCC控制)、需求-容量控制(D-C控制)、可接受間隙控制(GAP控制)和ALINEA控制等。其中ALINEA控制算法是Papageorgiou M.在經典控制理論的基礎上提出的控制策略，它通過控制主線下游占有率維持在期望值附近，達到主線流量最大的控制目標，目前應用較廣泛。

由于ALINEA算法存在實時性與適應性不足的問題，研究者們對ALINEA算法不斷進行改進。如文獻[47]結合自適應控制原理，提出了對臨界占有率進行實時估計的AD-ALINEA算法；文獻[48]構建了以控制閾值表、ALINEA算法和匝道排隊分段約束模型于一體的匝道單點動態控制策略；文獻[49]提出了一種對下游交通瓶頸有較好緩解作用的PI-ALINEA算法；文獻[50]運用VisVAP編寫以ALINEA感應算法為基礎的入口匝道感應控制算法，實現入口匝道交通控制改善。

3.1.2 多匝道協調控制方法

在單匝道控制中，往往由于單匝道容量有限，導致匝道排隊溢出，因而需增至多個匝道參與控制以提升排隊空間。同時對于多匝道可進行整體協調控制，達到系統最優。自20世紀以來，國內外學者對多匝道協調控制(coordinated control)展開了研究(見表1)。多匝道協調控制算法可對研究路網在整體協調的基礎上進行控制，解除單匝道控制對實測數據誤差大的限制。但目前多匝道協調控制存在成本高、數據量過大、難以用于實際等問題。

3.2 主線控制方法

常用的主線控制方法有全線統一限速法、局部限速法、分車道/車型限速法、可變限速法等。其中可變限速系統根據道路實時交通狀況及環境等因素動態調整信息板上的限速值，實現車流安全、高效、平穩行駛，可優化車輛出行時間、提升出行效率、減少交通事故率。可變限速控制策略分為被動式控制和主動式控制兩類。被動式控制起源較早，是基于簡單的閾值判斷規則進行限速值調整，其對實時交通狀況的反應存在一定時滯性，有必要通過預測流量等參數，消除實時交通狀態與優化控制之間的時間差，進一步反饋優化，形成閉環反饋，即形成圖1所示的主動式控制。文獻[67]提出了基于運動波理論的可變限速模型；文獻[68]以總通行時間和總周轉量為優化目標函數，采取預測性控制框架建模方法建立了瓶頸路段可變限速控制策略；文獻[69]基于元胞傳輸模型，提出了兩階段協調滾動層VSL序列生成方法；文獻[70]構建了可變限速多目標優化控制模型，采用基于群智能的差分進化算法求解可變限速值；文獻[71]基于交織區的實時安全分析模型計算交織區的碰撞概率，通過替代安全評估模型(SSAM)，得出沖突數量、變速裝置的速度和位置建議。

表1 多匝道協調控制方法

圖1 主動式控制流程

目前針對可變限速控制的研究較成熟，由于其靈活性高、可控性好，得到廣泛使用。隨著車聯網、車路協同等技術的逐步應用，可變限速控制將不僅停留在路段層面，還可進行車道單元甚至車輛的可變限速控制。

3.3 交織區綜合協同控制

對綜合協同控制的研究主要從匝道-主線、匝道-銜接區域(非主線)兩方面展開。匝道-主線綜合協同控制研究通常基于宏觀交通流模型，建立主線限速和匝道調節的協同控制方法。如文獻[72]將可變限速與反饋式匝道控制相結合進行高速公路交通流控制；文獻[73]實現了可變限速控制影響下對入口匝道的優化控制；文獻[74]提出了一種可變限速、匝道控制相協調的控制系統；文獻[75]提出了協同主線和匝道最優信號配時模型。

匝道-銜接區域綜合協同控制是將匝道與相鄰交叉口、輔路等進行協同控制。如文獻[76]提出了基于模糊聚類理論的出口匝道輔路控制方法；文獻[77]提出了基于MLD-MPC的匝道與下游交叉口多信號自適應控制方法；文獻[78]將出口匝道銜接交叉口和輔路統一控制，建立了新的協調控制模型。

此外，部分學者結合路線誘導展開綜合協同控制研究。如文獻[79]提出了一種結合車隊和路線誘導的協調策略；文獻[80]提出了一種結合匝道控制和路線誘導兩種控制策略的多級控制策略；文獻[81]提出了基于動態臨界占有率的區域入口匝道協調控制、銜接區域動態誘導方法的關鍵技術。

縱觀國內外相關研究，目前主要利用可變限速控制、路線誘導、匝道控制和車道控制等手段對交織區交通流進行綜合協同控制，對于考慮車輛行為特征的交織區個體車輛及交織影響區交通流的精準調控還需進一步研究。

3.4 評述

目前主要利用匝道控制、可變限速控制和綜合協同控制等對交織區及其影響范圍交通流進行調控，對于交織區自身控制的研究較少，對交織區內部與主線、匝道協同控制的研究是一個重要發展方向。就控制對象而言，除少數車路協同、車聯網環境研究外，目前基于微觀研究的控制方式尚停留于對車隊或車流的集群控制，對采用新技術結合交織區個體車輛實現車路協同控制還需進一步研究。

4 快速路交織區協同控制框架

城市快速路交織區控制策略研究具有重要的實踐和理論意義，而當前對多途徑(交織區及其影響范圍多種控制手段相結合)綜合協同控制的研究較匱乏。在國內外研究的基礎上，基于交織區高效和安全運行的思想，以平穩運行、提升服務水平和通行能力為控制目標，建立圖2所示城市快速路交織區協同控制策略框架。

為實現交織區協同控制，首先提取交織區及其影響范圍內流量、排隊長度、占有率、行駛車速、擁堵發生點等宏觀交通信息，車輛軌跡、瞬時速度、加速度、車頭間距及車頭時距等微觀交通信息，分析交織區運行特性與安全特性。其次預測匝道、主線上游和交織區內部3個區域的交通運行狀態，若各區域交通運行均暢通有序，則繼續提取交通信息；否則，借鑒現有交織區控制策略研究成果，結合各控制對象和方法的特點，根據各區域交通狀態制定相應控制策略。

圖2 城市快速路交織區協同控制策略框架

為保證控制策略的實施效果，在策略實施前進行預評估，若能達到預期控制效果，則直接執行；否則，重新制定控制策略。根據控制效果評估結果，實施控制策略。與此同時，繼續采集實時交通信息并進行分析，組成一個閉合的循環，形成協同控制策略框架，實現多對象的聯動控制。協同控制方案布局見圖3。

圖3 交織區協同控制方案示意圖

5 結語與展望

該文圍繞交織區控制策略對城市快速路交織區運行特性、交通安全特性、控制策略等相關研究進行綜述，初步建立以主線、匝道、交織區協同為核心的城市快速路交織區協同控制框架，以推動控制策略朝多目標、多途徑方向發展。由于交織區車輛行為和運行狀態復雜多變，對于控制的實時性和精細化的要求較高，國內外學者對交織區的研究思路也不盡相同，各類方法、模型的普適應不強，今后可從以下幾方面進一步完善：

(1) 交織區內部控制。目前的研究大多針對匝道和主線，對交織區內部控制的研究寥寥無幾。下一步研究可通過設置地面標線、移動隔離等管理手段，規范交織區車輛行駛行為、規避沖突點，實現幾何設計優化。

(2) 協同控制。針對交織區及其影響范圍需要控制的對象群，根據主線、匝道、交織區等控制對象的不同特性，制定涵蓋可變限速控制、路線誘導、車道控制、匝道控制、移動隔離等的協同控制策略，實現一體化控制。

(3) 車聯網、車路協同環境下的控制策略研究。目前車聯網技術已成為全世界爭相發展的創新技術，為車路協同賦予了新的內涵，采用車聯網技術結合個體車輛實現交織區車路協同控制，是一個重要發展方向。