城市快速路合流區車流優化策略

周琪

（中國電子科技集團第二十研究所 軟件產品部，陜西 西安710000）

1 合流區問題描述

環城道路與城際高速整體運行有較大的不同。城際高速線路長、車流分布稀疏，大多數車輛基本處于自由流行駛方式，合流過程影響基本不明顯。而環城道路，設計目的是為了緩解城市中心交通狀況，因此在城市交通高峰期，城市環線車流密度大，匝道插入車流大，甚至導致內車道出現排隊情況，這樣會導致合流區內外側車道有較大的車流密度差，由于駕駛員期望更好的駕駛收益，導致合流過程中或者合流結束后，內車道出現密集的自發向外車道的換道行為。如圖1 所示。

圖1 合流區域附近換道情況圖

本文關注的重點將在于內車道向外車道的自發換道行為，駕駛員自發換道行為隨機性較大，且自發換道行為受駕駛員駕駛風格影響，激進型駕駛員產生的換道行為對后車影響較大，使得合流區附近車流失穩。因此減少合流區自發換道行為或者通過更合理的換道行為代替合流區自發換道行為，可以提高合流區整體流量，減少減速行為產生。

2 預換道車流優化策略

2.1 策略描述

該策略通過在車聯網路側單元，實時獲取主路匝道車流數據，計算并選擇建議換道車輛，在建議換道區域向內側車道部分車輛發送換道建議，使其換道至外車道。策略實施步驟如下：

Step 5 向本次建議換道車輛發送換道建議，建議其換道到外側車道，等待區域內車輛均進入合流區域，結束本次策略。

圖2 預換道策略場景圖

2.2 換道控制區位置界定

該策略中換道控制區距離合流區中心距離設為L0，如圖2所示，在L0的界定中，應考慮控制區域頭車應有足夠的具體進行換道準備，且在合流區排隊車流前完成換道，因此需要考慮實時車流平均車速與駕駛員反映時間，若換道區域距離合流區域太緊，駕駛員的換道行為倉促，且有可能受到合流區減速波的影響。若距離合流中心過遠，車流調整效果減弱，因此存在一個理論閾值。對實際多種因素的考慮，有以下公式描述：

l0為內側車道排隊長度；v 為車流平均速度；T0為駕駛員對換道建議的反應時間；t1為預測換道時間；a 為換道加速度；b 為換道距離折減系數。

2.3 建議換道車輛數目分析模型

本文所描述的策略其目的是減少合流區自發換道行為，而合流區自發換道行為發生的主要原因是駕駛員對于行車收益判斷最終決策的結果，在合流區域主要影響駕駛員行車收益的因素是兩車道車流速度與本車隊減速行為。現階段主要使用Greenshields 提出的速度-密度線性模型為基礎進行研究，基本關系式如下:

圖3 不同流量下合流區平均車速

圖4 不同流量下合流區平均延誤

上式中：k1,k2分別表示外車道與內車道車流密度，l 為控制區長度。

2.4 最佳建議換道車輛的選擇方法

本文所提出優化策略的關鍵在于在控制區向選定車輛發送換道建議，建議選定車輛提前進行換道，選定建議換道車輛的過程中，必須考慮選定車輛在換道過程中相對于內車道其它車輛對目標車道后隨車影響最小。為評價此項換道收益，本策略定義參數Ui為編號為i 的車輛換道收益，該收益通過擬換道車輛與目標車道前車、后車距離以及與后車相對速度來進行評價，其評價公式表示如下：

式中：N 為擬換道車輛與目標車道前車車距；dF為擬換道車輛與目標車道后車車距；dsafe為車輛最小安全距離；vn為擬換道車輛速度；vF為目標車道后車速度；kT為前車車距收益權重；kF為后車車距收益權重。

3 車流密度優化策略的仿真與評估

完成策略建模后，本文選用VISSIM 進行車流密度優化策略的仿真，為了確定優化策略是否可以對車流產生積極影響，需要在仿真中對比策略使用前后合流區車速的變化情況，因此通過逐漸增加仿真路網中的輸入車流，并對合流區平均車速以及平均延誤進行數據收集，其結果如圖3、圖4 所示。

通過圖3、4 合流區內外車道平均車速進行分析，采用本文所述策略的仿真，在合流區整體車流處于自由流與阻塞流量之間時，采用策略后的車流明顯有速度提升，提升幅度約5%。內側車道車輛在使用策略后延誤變化并不明顯，說明內側車道車輛延誤產生的主要原因是匯入車輛導致的減速行為，但合流區整體延誤有5%-10%的減少，說明車流整體流量有相應的提升。

4 結論

優化策略通過交通流角度分析合流區車流特點，設計優化策略中換道車輛數目、位置的選擇，以及換道區域選擇。最終在VISSIM 仿真平臺進行策略的仿真，結果可以證實在合流區整體流量較大情況下，對車流整體速度有5%左右的提升，而在車流量未達到最大時，能有效減少合流區整體延誤情況。