城市快速路入口匝道交通信號控制方法研究

郝弗非 ，謝 剛 ，董 歡 ，張 凡 ，趙 華

（1.天津市公安局交通警察總隊，天津 300000；2.天津易華錄信息技術有限公司，天津 300000）

1 概述

城市快速路作為城市快速干道，用于保證車輛暢通連續地行駛，提高城市內部的交通運輸效率。近年來，隨著城市人民群眾物質生活水平不斷提高和出行機動化進程加快，汽車保有量不斷攀升，快速路的管控水平已經滯后于城市發展。快速路交通安全事故與擁堵時常發生，嚴重影響快速路的通行效率和人民群眾的出行體驗。因此，基于當下城市快速路交通現狀，通過智能管控提高快速路系統運行效率，成為現代城市交通管理的重要研究課題。快速路入口匝道區域易發生車流交織，成為快速路車流運行的瓶頸。而通過合理控制入口匝道匯入主線的流量，是提升快速路運行效率的一種有效方法。

2 國內外對于城市快速路的理論研究

從20世紀以來的研究綜合分析，匝道控制大多以緩解快速路主路擁堵為主為目標，綜合考慮快速路周邊輔路交通運行狀態，進行協同控制。

BIN HAN等以減少匝道排隊延遲和降低匝道排隊長度為目標對匝道調節率進行了研究，并通過模擬測試驗證了該方法的有效性[1]。陳學文以快速路系統車輛總消耗時間為控制目標，建立快速路系統擁堵疏散控制模型，實現了快速路網絡整體優化控制[2]。鄒祥莉提出擁堵條件下的出口匝道交叉口與下游交叉口協同控制方法和基于宏觀基本圖的路網交通擁堵甄別方法，構建了多匝道協同控制模型[3]。項喬君、禹奧業等發明了一種基于排隊長度的城市快速路入口匝道控制系統及控制方法，通過迭代計算得到最終合理的綠信比[4]。唐立、羅霞等發明了一種基于密度的快速路多車道匝道控制方法，以期在主線交通流量最大的同時解決匝道排隊長度過長和排隊延誤過大的問題[5]。

本文的研究中，以天津市快速路環線路網為例，將基于增強學習的自適應控制算法應用于入口匝道交通信號控制系統，根據實時快速路環線主路、輔路及匝道的車輛流量、平均速度、密度等數據訓練深度學習神經網絡模型，以減少擁堵為目標對快速路環線多個入口匝道進行信號燈調節控制，同時不斷在線學習并修正自動控制模型。

3 天津快速路智慧交通管控系統設計與實踐

3.1 天津市快速路概況

天津市快速路是天津市重點工程，是天津市路網系統的重要組成部分。其功能為分流核心區內過境交通，減少跨區域出行對核心區的影響，緩解核心區的交通擁堵，完成核心區和外圍組團的快速連接，提升城市整體道路服務水平。天津市快速路以高架道路和地面道路結合的方式，地面道路兩側一般有配套輔道，初始設計車速：主路60～80km/h，匝道 40～50km/h，環形匝道 30～35km/h。

圖1 天津市快速路交通管控系統設計圖

近些年隨著天津市車輛逐年增多，交通出行量迅速增長，交通擁堵與交通事故頻發。當前快速路環線部分路段呈周期性擁堵特征，嚴重擁堵時速低于20km/h，進出口道與現狀路網接駁配合不佳，限制了快速路長距離交通運輸功能，快速路交通擁堵問題日益突出。西北半環順時針方向早高峰擁堵嚴重，從復康橋向青云橋蔓延，且早晚高峰差異明顯，東南半環多處擁堵并發，擁堵壓力最大，白天主路車速一般低于50km/h，車速低于30km/h的時長超過4h。

3.2 系統設計原理

根據天津市快速路網的總體設計，綜合考慮快速路環線交通運行現狀和擁堵特點，根據匝道周邊交通需求、路網分流條件，與相鄰出、入口匝道的間距及交織路段交通運行、交通事故情況，匝道的幾何線型、蓄車能力等條件，天津市交通管理局對天津市快速路主要擁堵路段進行了控制系統設計，如圖1所示。

系統設計在主要擁堵路段入口匝道處安裝車道指示信號燈、信息提示屏和電子警察違法抓拍系統。車道指示信號燈用于控制匝道開啟和封閉，同時配備信息提示屏提示。當快速路入口長期允許通行時，提示快速路入口開放及安全駛入；當快速路入口短時間封閉禁行時，提示快速路入口關閉及繞行信息；當快速路入口實行周期信號控制時，提示快速路入口實行信號控制及請遵守交通規則。同時快速路入口附近車道線為虛實線，機動車在實線的一側不得越過實線變道，機動車在虛線的一側則可以越過虛線變道。

管控系統以入口控制為主，通過匝道控制快速路車流駛入，可以使快速路主要交通可控，根據快速路環線內部交通出行特征及周圍路網交通特征合理設置快速路匝道交通信號控制方案，可以達到緩解快速路擁堵瓶頸，均衡路網交通壓力，提高快速路與周圍路網整體交通運輸效率。管控平臺接入各類流量、速度、密度、擁堵指數等數據并進行融合處理，以融合后數據為依據進行快速路的車輛出行分布、潮汐流規律等的分析，并根據分析結果生成匝道及出入口信號控制系統的控制策略并向該系統發布，同時向交通信息提示系統發布相關快速路入口車道的開啟及關閉狀態信息。

在控制策略方面，根據控制方式分為匝道關閉和匝道調節。匝道關閉需在滿足特定條件時啟用。應用于匝道自動調節的模型主要遵循以下步驟。

步驟一：將天津快速路環線按照匝道情況、車道數情況等劃分為一定數量的元胞路段，觀測各元胞路段的長度、車速、流量等數據，并作為模型輸入數據，觀測變量間隔時長為5分鐘。

步驟二：計算k時刻的快速路環線交通運行指數Ck。

采用GB/T33171-2016中基于行程時間比的方法計算交通運行指數。

（1）計算各評價元胞路段在k-1時間間隔內行程時間比TTIi，k-1

TTIi，k-1表示評價元胞i在k-1時間間隔內行程時間比表示評價元胞i在k-1時間間隔內所使用的平均行程時間；ti，k-1表示評價元胞i在k-1時間間隔內自由流行程時間表示評價元胞i在k-1時間間隔內所使用的平均行程速度；vi，k-1表示評價元胞i在k-1時間間隔內自由流行速度；當路段平均行程時間小于自由流行程時間時，設定TTIi-1=1。

（2）計算各評價元胞權重 γi，k-1

采用GB/T 29107-2012的算法計算各評價元胞權重。

首先，計算各評價元胞路段在k-1時間間隔內車公里數VKTi

VKTi，k-1=fi，k-1*Li

VKTi，k-1表示評價元胞i在k-1時間間隔內車公里數；fi，k-1表示評價元胞i在k-1時間間隔內交通流量；Li表示評價元胞i長度。

然后，計算得到所有評價元胞快速路的車公里數VKTk-1

VKTk-1=ΣVKTi，k-1

最后，計算各評價元胞權重γi，k-1

（3）計算評價元胞段總行程時間比TTIk-1

（4）基于下表換算評價元胞路段總交通運行指數Ck

?

步驟三：計算對k-1時間間隔內控制策略執行的Reward Rk，并存儲。

步驟四：判斷K時間間隔開始時刻擁堵開始情況，存儲該步驟生成的控制策略。

如果 Ck≥1.9，Ck-1≥1.9，Ck-2<1.9，Ck-3<1.9 則表示擁堵開始，跳轉至第五步；否則下發控制策略：未來5分鐘內外場所有信號控制點位燈態為綠燈。令k=k+1，返回第一步。

步驟五：判斷k時間間隔開始時刻擁堵消散情況，存儲該步驟生成的控制策略。

如果 Ck<1.9，Ck-1<1.9，Ck-2≥1.9，Ck-2≥1.9 則表示擁堵消散，下發控制策略：未來5分鐘內外場所有信號控制點位燈態為綠燈，跳轉至第六步；否則下發控制策略：k時間間隔內子周期時長和綠信比，返回第一步。

步驟六：自適應控制器神經網絡權重參數學習調整。

在每一次擁堵形成到擁堵消散的緩堵周期，系統要根據各時間間隔k的Rk值、各時間間隔k的環境觀測量、各時間間隔k的控制策略，計算神經網絡損失值，用于指導神經網絡權重參數學習調整。

對于匝道關閉控制，只有發生以下情況時啟用：一是入口匝道合流點下游的主線長時間嚴重擁堵時；二是主線、匝道或其關聯區域發生交通事故、施工等特殊事件，需要臨時關閉入口匝道時；三是主線、匝道或其交織區幾何條件不滿足車輛正常通行要求，存在安全隱患時。在匝道關閉控制策略實施時上匝道口交通流需有分流路徑，入口匝道處應設置相應交通標志，與匝道相銜接的地面交叉口宜同時設置交通指示標志。

3.3 管控效果

目前，天津市快速路智慧交通管控平臺已經開始對部分匝道入口控制功能進行測試，運行結果顯示出較好的控制效果。

測試選取了快速路主路較擁堵的某處點位，選取某早高峰時段啟用入口匝道信號燈調節由輔道進入主路的流量。并對測試入口下游500m主路路段速度數據進行分析。速度方面，開啟控制當日在早高峰燈控時段，該下游主路路段平均速度為47.36公里/小時，較上周同期速度44.22公里/小時提升7.09%；流量方面，開啟控制當日，該下游主路路段每五分鐘平均車流量為540，較上周同一時段每五分鐘車流量460提升17.29%。

4 結束語

綜上所述，本文首先對城市快速路入口匝道區域交通特性及通行能力的研究現狀進行分析梳理，其次介紹天津市對快速路交通現狀、交通信號控制的系統設計、自動控制模型，并對試點控制效果進行分析。但是在實際復雜的交通環境中大范圍落地應用的效果，還需要逐步驗證和優化完善。基于強化學習的快速路匝道信號自動控制系統，用模型自學習優化替代以往的專家經驗，是一個值得繼續深化研究的方向。