城市環(huán)線快速路交通緩堵控制策略研究

劉樹青；翟戰(zhàn)強；楊帆

（①北京易華錄信息技術(shù)股份有限公司，北京100043；②天津易華錄信息技術(shù)有限公司，天津300350）

0 引言

城市快速路在緩解城市核心區(qū)交通擁堵、提高城市路網(wǎng)運量、引導城市空間拓展、聯(lián)系城際高速公路、保護既有中心城區(qū)等方面發(fā)揮著重要作用。天津市環(huán)線快速路承載了天津市城市交通很大一部分的交通量。近年來，由于汽車保有量以及人們出行需求的增加，導致天津市環(huán)線快速路交通擁堵日益突出。恢復環(huán)線快速路中長距離大量快速交通運輸能力對緩解天津城市交通擁堵來說刻不容緩。

對快速路匝道交通組織進行優(yōu)化控制是緩解快速路交通擁堵的有效方法[1，2]。Demand-Capacity 通過比較匝道上游交通量與下游主線交通能力控制匝道車流駛?cè)隱3]，ALINEA以控制匝道下游占有率為某一定制為目標控制車流駛?cè)隱4，5]，SWARM 是既考慮主線交通控制又考慮匝道自身控制能力的雙層協(xié)調(diào)控制[6，7]，這些方法被廣泛應用于國內(nèi)外城市[8]。本文以天津市環(huán)線快速路為例，首先分析了其交通運行情況和擁堵原因，然后從匝道交通渠化組織優(yōu)化、快速路交通信號控制、快速路交通綜合管控三個方面提出了有針對性的緩堵控制策略，并對快速路匝道交通信號控制策略進行了仿真驗證。

1 快速路系統(tǒng)路網(wǎng)結(jié)構(gòu)

天津市快速路環(huán)線全長約44km，是天津市路網(wǎng)重要組成部分，起到分流核心區(qū)內(nèi)過境交通，減少跨區(qū)域出行對核心區(qū)的影響，緩解核心區(qū)的交通擁堵，完成核心區(qū)和外圍組團的快速連接，提升城市整體道路服務水平。建設(shè)初期設(shè)計主線車速60～80km/h，平面匝道車速40～50km/h，立交匝道車速30～35km/h。

環(huán)線快速路與十四條射線道路相交形成14 座大型立交橋，由普通地面公路和高架公路構(gòu)成，主線干道為雙向8 車道或雙向10 車道，局部路段為雙向6 車道，兩側(cè)配套輔道一般為雙向4 車道，總計有78 個入口匝道、81 個出口匝道。道路交通檢測設(shè)施比較完善：主路全線分布有微波檢測器，分布間隔300～500m，基本可以實現(xiàn)干線車速及流量全覆蓋檢測；所有出入口都布設(shè)有卡口，可以實現(xiàn)所有進出車輛身份采集；視頻監(jiān)控全線無盲區(qū)覆蓋。

2 快速路系統(tǒng)交通運行情況

基于環(huán)線快速路2018 年第二季度微波檢測數(shù)據(jù)，按照順時針（從外環(huán)線昆侖交叉口順時針至外環(huán)線淮陰道交叉口）、逆時針兩個方向進行分析匯總，環(huán)線快速路各路段日均平均行程速度如圖1、圖2 所示。從圖中可以直觀的看出，兩個方向早晚高峰交通擁堵多個路段發(fā)生交通擁堵，順時針方向黑牛城道早高峰時段和密云路晚高峰時段出現(xiàn)車速低20km/h 嚴重擁堵狀態(tài)，逆時針黑牛城道、昆侖路、簡陽路等多個路段在早晚高峰時段交通嚴重擁堵。對于兩個方向，早晚高峰時段基本一致，早高峰在06:30～09:30 之間，晚高峰在 16:30～19:30 之間，早高峰較晚高峰更加擁堵，逆時針方向較順時針方向更加擁堵，環(huán)線快速路當前運行車速遠低于預期設(shè)計期望。

3 擁堵問題分析

從交通秩序和通行能力兩個方面對快速路系統(tǒng)交通擁堵進行原因分析。天津市環(huán)線快速路交通擁堵主要有以下幾個原因：

3.1 車流交織沖突干擾嚴重

環(huán)線快速路約45%路段位于地面，地面進出口匝道與輔路車流、支路車流形成了復雜的車流交織區(qū)域，這些交織區(qū)域在高峰情況下極容易形成擁堵瓶頸，使擁堵沿輔路和快速路主路向上游傳播。

另外，高峰時期相鄰100m 以內(nèi)的出入口處也由于快速路出入車流交織嚴重也形成了交通瓶頸。這種交通渠化組織不合理形成的交通擁堵瓶頸主要分布在快速路相鄰平面匝道和立交匝道處。

圖1 環(huán)線快速路順時針日均車速變化

圖2 環(huán)線快速路逆時針日均車速變化

3.2 內(nèi)部通行能力不穩(wěn)定

受道路建設(shè)面積限制，環(huán)線快速路主路內(nèi)部車道數(shù)變化頻繁，導致主路內(nèi)部各處最大通行能力不一致。順時針方向有14 處車道變化，例如密云路彎道路段主路車道數(shù)由5變4 然后由4 變3。逆時針方向車道變化有15 處，例如黑牛城道近海津大橋路段車道數(shù)由5 變4 然后由4 變3。

4 控制策略研究

在環(huán)線快速路交通擁堵問題分析的基礎(chǔ)上，遵循弱化交通沖突、控制快速路交通需求、均衡路網(wǎng)交通壓力、優(yōu)先保障主路交通通暢等原則，提出相應的環(huán)線快速路緩堵控制策略。

4.1 交通渠化組織優(yōu)化

針對快速路車流交織沖突干擾現(xiàn)象，可以從以下幾個方面入手：

4.1.1 將車流交叉沖突轉(zhuǎn)化為匯流/分流沖突 施化虛實車道線使相鄰入口出口匝道之間的車流交叉沖突轉(zhuǎn)化為主路駛出車流先與主路駛?cè)胲嚵鲄R流，然后主路駛?cè)胲嚵髋c主路駛出車流分流，使嚴重的交叉沖突轉(zhuǎn)化為合流和分流沖突，并建設(shè)電子警察車輛壓線抓拍輔助監(jiān)督交通秩序。

4.1.2 調(diào)整匝道位置改變車流出行路徑 優(yōu)化調(diào)整出入口匝道位置，一種設(shè)計方式是關(guān)閉部分匝道，轉(zhuǎn)移主路過飽和交通壓力至較為空閑的輔路和周邊路網(wǎng)。另一種方式匝道位置調(diào)整方式是調(diào)整相鄰匝道出入順序。例如紫金橋至中石油橋之間先出后入匝道調(diào)整為先入后出匝道，充分利用主路通行能力強的特點，緩解輔道通行壓力，提高出、入口交通運行效率。

4.2 交通信號控制

基于環(huán)線快速路現(xiàn)有的交通流采集及過車身份采集系統(tǒng)，建立快速路交通信號控制系統(tǒng)。快速路交通信號控制系統(tǒng)的控制策略有兩種：

4.2.1 匝道信號控制 高峰時段對信號控制匝道實行小周期信號放行，延長環(huán)線快速路車流駛?cè)肼窌r間。這種控制策略一方面充分利用入口匝道可排隊空間，同時又可以避免對相交射線干道及支路交通產(chǎn)生不良影響。匝道信號控制具體步驟如下：第一步：利用根據(jù)交通檢測數(shù)據(jù)劃分環(huán)線快速路擁堵時段；第二步：識別各擁堵時段內(nèi)的擁堵路段，并以擁堵路段為界快速路劃分成多個緩堵控制區(qū)段，每個緩堵控制區(qū)段內(nèi)均包含1 個擁堵路段和至少一個輸入匝道。第三步：根據(jù)過車身份檢測數(shù)據(jù)，確定緩堵控制區(qū)域段內(nèi)擁堵路段經(jīng)過車輛的來源入口匝道；第四步：以控制主路車流交通需求與通行能力偏差最小為目標，設(shè)定信號控制方案，每個信號控制周期由紅燈（禁止車流駛?cè)耄┖途G燈（允許車流駛?cè)耄﹥蓚€相位構(gòu)成，快速路緩堵輸入匝道協(xié)調(diào)控制計算公式如下：

其中，Qj表示擁堵路段最大通行能力，fu表示緩堵區(qū)域上游主路到達流量，va表示車輛啟動波傳遞速度，vb表示停車波傳遞速度，γi表示上游輸入匝道i 綠信比表示上游輸入匝道i 初始排隊長度，T 表示控制時段長度，Ci表示上游輸入匝道i 控制周期表示上游輸入匝道i 最大允許排隊長度。

建立一個簡單的VISSIM 交通仿真實驗以驗證上述匝道信號控制策略的有效性，路網(wǎng)模型建立如圖3 所示，匝道1、匝道2 為上游輸入匝道，兩個輸入匝道的初始排隊長度都為0，最大排隊長度分別為300m，200m，主路上游車流量為1400 輛/小時，主路瓶頸路段是一處車道數(shù)由4變3，計單車道最大通行能力為1800 輛/時。

圖3 仿真路網(wǎng)

設(shè)計緩堵控制仿真時長30 分鐘，模型計算得出匝道1 信號控制周期70s，綠信比0.6，匝道2 信號控制周期60s，綠信比0.5。匝道1、匝道2 實行信號控制和無信號控制情況下交通運行對比圖4、圖5 所示，通過數(shù)據(jù)分析可知，過飽和情況下采取輸入匝道信號控制后，區(qū)域總體輸出流量不變，雖然區(qū)域輸入匝道1 車均延誤時間升高，但主路車流車均延誤時間明顯降低，支路2 車均延誤時間也由于主路緩堵效果而降低，所以區(qū)域整體車均延誤整體降低，降幅30%以上，這說明輸入匝道信號控制通過均衡擁堵壓力分布提升了路網(wǎng)整體交通運行水平。

圖4 區(qū)域輸出流量對比

圖5 車均交通延誤對比

4.2.2 車道信號控制 對主路車道數(shù)變化引起的交通嚴重擁堵瓶頸路段，建立主路車道燈，高峰時段對外側(cè)匯流合并車道進行輪流放行控制，避免車輛加塞刮擦引發(fā)事故二次擁堵。

4.3 建立快速路交通管控一體化平臺

在獨立分散的視頻監(jiān)控系統(tǒng)、非現(xiàn)場執(zhí)法系統(tǒng)、交通流檢測系統(tǒng)等業(yè)務系統(tǒng)基礎(chǔ)上，整合所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源，建設(shè)快速路交通“感知-分析-評價-決策輔助-控制-誘導”功能集成一體化管控平臺，包含GIS 地圖可視化集成展示與控制、交通態(tài)勢監(jiān)測、交通信號控制、交通運行對比評價、交通信息誘導、管理決策輔助、事件檢測預警、車輛跟蹤監(jiān)控8 個功能模塊，實現(xiàn)快速路交通流運行、道路環(huán)境、交通事件實時觀測及可視化展示及預警；實現(xiàn)交通信號控制及警力指揮調(diào)度聯(lián)動快速處理常態(tài)及偶發(fā)性交通擁堵事件；實現(xiàn)交通誘導信息提示發(fā)布及非現(xiàn)場執(zhí)法輔助優(yōu)化交通秩序；實現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析支持決策輔助及管理評價。

5 結(jié)論

本文基于微波數(shù)據(jù)采集結(jié)果研究分析了天津市環(huán)線快速路交通擁堵的主要原因，從交通渠化組織優(yōu)化、交通信號控制、交通綜合管控三個維度提出了對應的緩堵控制策略，并采用VISSIM 仿真驗證了論文提出的匝道交通信號控制策略的有效性。該研究成果可服務于天津市環(huán)線快速路交通緩堵精細化治理工作，并逐步推廣到全市兩橫兩縱及聯(lián)絡線快速路交通系統(tǒng)。另外，調(diào)控與擁堵路段車流路徑關(guān)聯(lián)性強的輸入匝道對擁堵路段緩堵取得的效果更佳，所以，論文下一步研究方向是將輸入匝道與擁堵路段的OD 關(guān)聯(lián)性表征參數(shù)加入快速路緩堵輸入匝道協(xié)調(diào)控制。