城市快速路出口匝道擁堵狀態下銜接輔路上游協調控制研究

李哲

摘 要：城市快速路系統作為無信號控制、全封閉的高等級城市道路系統，是現代城市交通網絡中重要的組成部分。城市快速路出口匝道擁堵影響了快速路系統的通行效率，臨時關閉出口的措施無法從根本上解決這一問題。本文將擁堵出口匝道銜接輔路作為研究對象，通過分析輔路車輛飽和和過飽和兩種狀態，對輔路及其上游交叉口進行協調控制，達到快速消散出口匝道擁堵輔路車流的目的，從而加快車輛駛出快速路出口匝道，提升城市快速路的通行效率。

關鍵詞：城市快速路;出口匝道;協調控制

中圖分類號：U491.4 文獻標識碼：A

0 引言

隨著機動車保有量逐年激增，加重了城市的交通壓力，降低了城市機動車的通行效率，同時帶來了嚴重的交通隱患。面對不斷增長的交通需求，許多城市的做法是改擴建原有道路、改善路口交通渠化、新建城市快速路等來提高城市路網的通行能力。通過調查發現，城市快速路確實提高了道路通行能力和效率，然而城市快速路出口匝道的擁堵問題也是受到越來越多的關注。本文主要研究城市快速路出口的擁堵問題和與輔路的銜接問題，通過對出口匝道銜接輔路上游的交通流進行控制，緩解出口匝道與輔路交通流的交織擁堵，降低車輛駛離出口匝道的時間，提高城市快速路主路的通行效率。

1 解決城市快速路出口匝道擁堵常見措施

常見的緩解城市快速路出口匝道擁堵的措施包括兩種，第一種封閉出口匝道，該措施的優點是控制效果立竿見影，能在最短的時間內降低出口匝道的交通流，但是該措施是臨時性的措施，不能常態化使用，這樣增加了城市快速路主路通行車輛的不確定性，增加了主路車輛的繞行距離，該措施利用了擁堵矛盾轉移的理論，并沒有從根本上解決問題，而是將擁堵矛盾轉移給了城市快速路下一出口匝道。第二種對出口匝道駛出的車輛進行協調控制，主要基于出口匝道下游與交叉口銜接路段的交通流交織管控、交叉口轉向車道優化組織、信號配時和相位相序優化等方法，該方法有效緩解快速路出口匝道與交叉口銜接路段的交織擁堵和交通堵塞，但是，當疏散下游交叉口處于飽和狀態時，出口匝道交叉口關鍵相位綠燈時間過長，導致下游交叉口的進口道的交通需求過大，這樣車輛排隊到出口匝道與地面銜接的交叉口處，將會影響出口匝道車輛的駛離速度。

2 城市快速路出口匝道與銜接輔路上游的協調控制策略

2.1 出口匝道銜接輔路信號控制

通過在出口匝道輔路車道設置信號燈，保證城市快速路出口匝道車輛的正常通行。該方法是在犧牲輔路車道通行權利的前提下提出的，所以在工程實踐中有嚴格的使用條件。當快速路出口匝道與輔路常發交織擁堵，或者輔路車流量過多對快速路出口匝道車輛的正常駛出造成了嚴重影響，才能使用該策略。在工程實踐中，要把握三個原則，首先，由于該方法采用了擁堵矛盾轉移的理論，因此，運用該策略時應當保證輔路紅燈控制結束前，車流量排隊的最大長度不能影響上游交叉口的交通通行。其次，嚴格限制方案啟動的觸發條件，僅當出口匝道與輔路發生交織擁堵或交織輔路車輛過多造成出口匝道車輛回溢，影響快速路主干道車輛通行的情況下使用該方案。最后，當出口匝道車輛排隊逐漸疏散，出口車輛達到率和輔路車輛到達率之后小于瓶頸路口的通行能力時，恢復到初始信號方案。

從技術層面來講，輔路信號控制方案主要有兩種。第一種是基于出口匝道占有率的輔路信號反饋控制方案，基于自適應控制的ALINEA等算法，通過讀取第K時間段內出口匝道車輛占有率的數據，從而計算輔路調節率R。當R大于輔路調解率的啟動閾值時，表明出口匝道車輛能夠正常通行，與輔路車輛不存在嚴重的交織沖突和擁堵，此時輔路信號燈常綠，輔路車輛可以正常通行;當R小于輔路調解率的啟動閾值時，表明出口匝道與輔路車輛存在交織沖突，造成了出口匝道車輛擁堵排隊，此時計算輔路信號燈綠燈時長，顯示紅燈。通過對出口匝道輔路的車流量進行自適應控制，使出口匝道下游占有率維持在期望值附近，實現保證出口匝道車輛優先通行的前提下實現對輔路車流量的自適應反饋信號控制。第二種是輔路與下游交叉口協調控制的配時方案，當輔路車流量較大時，如果出口匝道下游的交叉口與輔路信號燈沒有進行協調控制的話，容易造成下游交叉口車輛排隊過多，導致輔路車輛出現二次停車現象。該方案為了使輔路車輛在綠燈時間內盡快駛出出口匝道交叉口，比較經典的做法是輔路綠燈信號與下游相關信號進行協調控制，形成綠波帶，當協調相位綠燈亮起時，需先釋放下游交叉口的排隊車輛，再釋放輔路的車輛。

2.2 出口匝道銜接輔路上游交叉口協調控制

上述的控制方案是基于出口匝道車流量較大，而出口匝道銜接輔路車流量不大、或者車流量較大的情況。但是，當出口匝道車流量達到過飽和狀態時，地面車輛的到達率持續大于輔路的實際通行能力，很容易引起輔路車輛排隊，造成上游交叉口鎖死。此時，交通擁堵發生了轉移，上述的兩種方案都無法有效緩解輔路車輛過飽和狀態下產生的擁堵現象。為了從根本上解決交通擁堵，可以利用上游子區的道路空間，均衡車流分布，最大限度利用時空資源。該方法的原理是將過飽和狀態交叉口的交通流轉移到協調控制子區域非飽和的交叉口，平衡控制子區域各個交叉口的交通壓力，到達消散擁堵交叉口排隊車輛的目的。

上游交叉口綠信比的分配方案，跟擁堵出口匝道輔路要減少的車輛數有關系。以下圖交叉口1為例，當輔路車輛處于過飽和狀態時，會造成輔路的車輛排隊，車輛排隊過多溢出到上游交叉口2，為了疏散出口匝道銜接的輔路車流量，可以調節交叉口2的信號配時，確保輔路信號的飽和度小于1。根據交叉口2初始配時方案中，關聯相位綠燈時長的比例可得到關聯相位的綠燈時長，然后根據等飽和原則，計算出其他相位的綠燈時長。其他交叉口的綠信比分配方案，以圖中交叉口3為例。為了減輕交叉口2的交通壓力，可以控制子區上游交叉口3相關相位的綠燈放行實踐，由交叉口2可以得到下游擁堵交叉口相關相位減少通行的車輛數，然后根據等飽和原則和協調控制策略，可以得到其他交叉口3相關相位減少的車輛數，根據交叉口2的綠信比分配方案，計算得出其他交叉口3的相關相位綠燈放行時長。

基于壓力均衡的綠信比調整方案，可以得到出口匝道輔路車輛過飽和狀態下，控制子區相關交叉口的信號配時方案。該方案能夠將控制子區交叉口的車輛進行均衡分配，有效利用時空資源，緩解交通擁堵。

3 結束語

城市快速路的發展，大大提升了道路交通的運輸能力和通行效率。但是，當城市快速路出口與地面銜接輔路發生擁堵時，將大大降低城市快速路的通行效率。通過對城市快速路出口匝道銜接輔路車輛飽和及過飽和狀態下，輔路車輛的均衡控制策略進行研究，達到消散輔路車輛排隊的目的，使得快速路出口匝道車輛順利駛出車道，減少出口匝道擁堵對于城市快速路主路交通通行的影響，進一步提升城市快速路的通行效率。

參考文獻：

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