車聯網環境下快速路出口匝道與地面銜接區多階段控制方法

慈玉生，韓應軒，吳麗娜

車聯網環境下快速路出口匝道與地面銜接區多階段控制方法

慈玉生1，韓應軒1，吳麗娜2

(1. 哈爾濱工業大學，交通科學與工程學院，哈爾濱 150090；2. 黑龍江工程學院，汽車與交通工程學院，哈爾濱 150050)

為了提高快速路出口匝道與地面銜接區的通行效率，提出了一種車聯網環境下出口匝道與地面銜接區多階段控制方法。首先，根據速度特性將出口匝道與地面銜接區劃分為調整區、緩沖區和排隊區。然后，針對銜接區車輛沖突頻繁問題，提出了一種考慮相位優先級的車道變換策略。最后，在此基礎上設計了三階段快速路出口匝道與地面銜接區控制方法，并基于MATLAB和VISSIM搭建了車聯網仿真環境。仿真結果表明：文中方法控制下銜接區路段間速度波動更小，平均速度提高了5%；與車聯網速度控制相比，銜接區、排隊區和緩沖區的延誤分別降低了4%、6%和4%。此外，敏感性分析可知：當銜接區交通需求處于中等飽和度和滲透率大于70%時，本文方法控制效果優勢最為明顯。相關成果可為車聯網環境下出口匝道與地面銜接區控制提供理論支持。

智能交通系統；快速路；出口匝道與地面銜接區；車聯網；速度控制；車道變換

0 引 言

城市快速路的相對封閉性使得其出入口匝道與地面道路銜接區交通擁堵頻發，出現入口匝道“上不來”和出口匝道“下不去”等問題。尤其當交通需求較大時，多股交通流在出口匝道與地面銜接區交織，極易引起交通擁堵。

當前研究一般通過對出口匝道和輔路信號控制及合理設計交通組織來減少銜接區交通沖突。例如Gunther等[1]通過確定出口匝道與輔路的競爭關系，將輔路部分交通流通過繞行其他道路來提高出口匝道銜接區通行能力；Zhao和Liu[2]提出一種非傳統車道渠化集成模型來減少銜接區車輛交織，提高銜接區通行能力；Zhao等[3]利用在輔路設置預信號和引入車輛分揀區的概念來消除出口匝道銜接區交通沖突從而提高銜接區運行效率；Yang等[4]開發了出口匝道排隊長度評估、干線動態綠波優化及出口匝道優先控制的集成控制系統，較好地解決出口匝道與地面道路銜接區交通擁堵問題，有效緩解了出口匝道排隊溢出現象。

上述研究均是通過交通設計、交通控制等方面被動改善出口匝道與地面銜接區交通運行情況[5, 6]。近年來，車聯網技術的發展和應用為城市交通管控提供了一種新的方法，可為解決快速路出口匝道與地面銜接區擁堵問題提供一個新的思路。在車聯網環境下，車輛之間、車輛與信號燈等基礎設施之間可以進行信息交互，并能提供給駕駛員合適的速度引導信息使車輛不停車通過交叉口，同時能實時為信號控制提供數據源[7]。如鹿應榮等[8]研究了車聯網環境下信號交叉口車速控制策略，構建了加速和減速控制模型，提高了信號交叉口的通行效率，但未考慮交叉口存在排隊的情況；Wu等[9]考慮排隊長度對速度控制的影響，根據車輛到達控制區請求速度控制時相位狀態和交叉口排隊情況，優化得出車輛到達停車線的最佳引導速度和到達交叉口的時刻，但未考慮車輛到達速度控制區的初始速度與引導速度之間的差值問題；Li等[10]在車聯網環境下基于可接受間隙理論構建了入口匝道與主線銜接區的車輛組行為模型，并使用VISSIM時間切片仿真策略對模型進行了評估，從而提高主線與入口匝道銜接區交通安全及效率；Jing等[11]針對入口匝道車輛匯入主線易發生沖突引發通行效率降低的問題，以燃油消耗和行程時間最小為目標，提出了一種車聯網環境下基于合作的多人游戲優化算法來實現合流車輛的協調控制；Mo等[12]針對三種出口匝道與主線銜接區場景提出了四種不同道路空間平衡條件下的車輛組合協作策略，并進行了仿真和評價；龐明寶等[13]針對出口匝道超長排隊現象和高飽和度入口匝道提出了主線分散換道和速度控制自適應控制方法，并采用元胞自動機模型進行了仿真驗證。

以上研究主要集中于信號交叉口和快速路主線、出入口匝道銜接區的車聯網控制，除此之外還包括對車聯網環境下快速路入口匝道與主線速度控制[14]、多車道協同換道[15]、高速公路合流區控制[16]及快速路入口匝道交通量預測[17]等。但出口匝道與地面銜接區多股交通流交匯導致的通行效率低下和沖突嚴重的問題也應引起重視，尤其是車聯網在出口匝道與地面銜接區相關研究。本文針對出口匝道與地面銜接區車輛間沖突嚴重導致排隊過長問題，構建考慮排隊長度和初始速度與引導速度間速度差的速度控制模型，結合出口匝道銜接段車道變換策略，提出了車聯網環境下出口匝道與地面銜接區多階段控制方法。研究網聯車在不同滲透率和不同道路飽和度下的運行情況，并對不同滲透率下緩沖區長度進行敏感性分析，為網聯車在出口匝道與地面銜接區的控制應用提供相應的參考。

1 問題描述

1.1 出口匝道與地面銜接區劃分

出口匝道與地面銜接區包括出口匝道、輔路以及出口匝道與地面銜接點至下游交叉口停車線之間的區域，如圖1所示。為了更好地對出口匝道與地面銜接區進行車聯網控制，評價各部分的控制效果，將該區域劃分為調整區、緩沖區、排隊區三部分，并假設出口匝道與地面銜接區為三車道[18]。第一部分為調整區，輔路和主線交通流進入該區域后便進行速度調整；第二部分為緩沖區，輔路和出口匝道的網聯車在緩沖區換道后進入目標車道；第三部分為排隊區，駛入車輛和車道變換結束的車輛以車隊的形式快速通過交叉口。車聯網控制區可由調整區、緩沖區和排隊區三部分組成，見下式：

式中，為控制區長度(m)；為調整區長度(m)；為緩沖區長度(m)；為排隊區長度(m)。

1.2 基本假設

車聯網環境下快速路出口匝道與地面銜接區交通控制[7]需要作如下假設：

(1)車輛均搭載智能車載單元，路側設置智能路側單元，可以實現與控制中心的實時通信，通信延遲誤差在可接受范圍之內；

(2)車輛每隔1s與路側設備交換位置、速度和行駛方向等信息；

(3)不考慮行人和非機動車的影響。

1.3 控制區長度確定

車聯網控制區最短長度應滿足車輛以任意初始速度進入控制區后均可以調整至目標速度；最大長度應保證網聯車在一個信號周期時間內能通過銜接交叉口[19]。車聯網控制區長度范圍確定如下：

2 出口匝道與地面銜接區控制方法

2.1 出口匝道與地面銜接區速度控制模型

考慮停車線前排隊長度和車輛進入控制區時初始速度調整至最佳引導速度的時間，根據車輛進入車聯網控制區時相位情況，建立紅燈情形下和綠燈情形下的速度控制模型[20, 21]。

情形1：當車輛以某一初始速度駛入速度控制區時，此時信號燈處于紅燈，且出口匝道與地面銜接區停車線前存在一定的排隊長度。

到達停車線的時刻和最終的建議引導速度分別如式(5)和(6)：

情形2：當網聯車進入速度控制區時，此時信號燈顯示為綠燈，但車輛按照當前速度行駛無法通過交叉口。對網聯車進行速度控制存在兩種情形，即在不考慮二次停車的情況下，網聯車可以通過加速在本周期綠燈時間內通過交叉口，或不能通過則減速在下個周期的綠燈期間通過[9]。此種情況只考慮兩個周期的情況，則最佳的引導速度見下式：

因此，快速路出口匝道與地面銜接區速度控制過程如圖2所示[22]。

圖2 快速路出口匝道與地面銜接區速度控制流程圖

2.2 緩沖區車道變換策略

Step1 當車輛進入銜接段緩沖區后，判斷車輛是否需要變道，首先確定是否滿足變道安全條件。變道安全條件為換道過程中后車與換道車輛之間距離大于潛在碰撞距離[24]，見下式：

如果滿足安全條件，開始換道，否則進入下一步。

Step2 如果不滿足安全條件，判斷換道車輛行駛路徑是否與當前信號交叉口相位通行狀態一致。假設出口匝道銜接交叉口相位方案為左轉和直行分別放行，當左轉相位為當前相位時，左轉車輛優先于直行車輛換道；當直行相位為當前相位時，直行車輛具有較高的優先級；當前相位均不是左轉和直行相位時，執行下一步。

圖3 快速路出口匝道與地面銜接區車道變換策略

2.3 出口匝道與地面銜接區三階段控制方法

根據銜接交叉口區劃分情況，對應網聯車在銜接區控制策略可分為三個控制階段：速度調整階段、緩沖換道階段和排隊通過階段[25]。快速路出口匝道與地面銜接區的控制流程如圖4所示。

Step2 緩沖換道階段。進入到緩沖區后的網聯車要根據信號相位狀態進行相應換道行為，進入相應車道。按照出口匝道與地面銜接區緩沖區車道變換策略進行車道變換。

Step3 排隊通過階段。進入目標車道后，車輛進入排隊通過區。若此時為綠燈相位，且前方不存在排隊車輛，網聯車可作為頭車加速至最大速度快速通過交叉口，否則跟隨前方車輛形成車隊通過交叉口；若此時為紅燈相位，則以最小速度駛入排隊區，盡可能不停車通過交叉口，減少燃油消耗和尾氣排放。

3 案例分析

本文以濟南市二環南快速路出口匝道銜接二環南路與舜耕路區域為例來驗證本文方法的可行性。該出口匝道銜接地面道路進口道設置有兩條直行車道、兩條左轉車道和一條右轉車道，出口匝道設置兩條車道，輔路設置三條車道(包括一條右轉專用車道)，車道寬度均為3.5m；調整區長240m，緩沖區長100m，排隊區長60m，大型車與小型車的比例為1∶9，如圖5所示。銜接交叉口的周期時長為216s，東西直行相位有效綠燈時間為87s，東西左轉相位有效綠燈時間為42s。換算后的快速路出口匝道與地面銜接區進口道交通流量如表1所示。

圖5 濟南二環南快速路出口匝道與地面銜接區示意

表1 快速路出口匝道與地面銜接區交通量

3.1 實驗方案

首先，利用VISSIM軟件建立仿真模型，對仿真參數標定后結果為：安全距離附加部分為3.54，安全距離倍數部分為3.40，最大減速度為6m/s2，平均停車間距為1.8m，最小前視距離標定為10m，前方可觀察車輛數為3輛，最長等待時間為45s，最小車頭間距為0.5m，直行車道和左轉車道的飽和流率分別為1 260 pcu/h和1 152 pcu/h。經校驗，東西南北四個進口道的流量誤差為0.35%、2.44%、0.71%和1.28%，能較好地反映實際的交通情況。

其次，使用MATLAB編程調用VISSIM的COM接口搭建車聯網環境，對出口匝道與地面銜接區進行車聯網控制。為了避免路網未完全加載所產生的誤差，設置仿真時間為5 400s，選取1 800～5 400s為仿真數據輸出分析時段。將排隊區、緩沖區和調整區路段編號1至7，通過分析各路段速度分布波動程度來對比定時控制與車聯網控制下交通運行狀況[26]。在出口匝道銜接交叉口信號周期固定的情況下，將采用傳統定時控制、基于ALINEA的輔路反饋控制[27]、僅車聯網速度控制[8]以及本文方法進行對比分析。對文中方法進行影響因素敏感性分析，研究網聯車在不同滲透率或駕駛員服從率和不同飽和度下的延誤變化情況，并對不同滲透率下緩沖區長度對延誤的影響進行分析。

3.2 結果分析

出口匝道與地面銜接區各路段車聯網控制前后每間隔2min的速度分布情況如圖6和表2所示。從圖6(a)中可以看出，路段1、2、3之間的速度變化較大，這與實際交通情況相符，紅燈期間車輛在排隊區聚集，并且輔路和匝道車輛在緩沖區聚集，導致車速降低和各區段之間速度波動變大。從圖6(b)中可以看出，文中方法控制下各路段間速度變化幅度相對平穩，由表2可知速度均值相對定時控制提高了5%，方差相對于定時控制降低了7.4%，中位數提高了2%，整體運行速度有了一定的提高。主要因為對出口匝道與地面銜接區進行車聯網控制后，可以控制車輛車速盡可能不停車通過交叉口。在緩沖區可以根據此時信號相位情況，變道車輛可以更快速度變換至目標車道，減少因車輛交織產生的延誤。

圖6 出口匝道與地面銜接區各路段速度分布圖

表2 速度分布分析表(km/h)

不同控制方法下延誤和停車次數指標的變化情況如圖7和圖8所示。對于銜接區，文中方法相對于定時控制、輔路反饋控制和僅車聯網速度控制延誤降低了45%、42%和4%，停車次數降低了31%、18%和4%。與定時控制相比，輔路反饋控制可以通過獲取緩沖區的排隊長度和占有率來調節輔路進入緩沖區的交通量，減少了輔路和匝道車輛交匯產生的沖突，緩沖區的延誤和停車次數降低了33%和9%，但不會提高排隊區的通行效率；相對于輔路反饋控制，車聯網速度控制使銜接區的延誤和停車次數減少了39%和14%。文中方法在車聯網速度控制的基礎上考慮了相位優先級進行車道變換，當前相位下的車輛能更快地通過緩沖區，提高了當前相位下的綠燈利用率；相對于僅車聯網速度控制，排隊區和緩沖區的延誤分別降低了6%和4%，停車次數降低了9%和7%，說明了文中方法的有效性。

圖7 不同控制方法延誤對比圖

圖8 不同控制方法停車次數對比圖

分析在低、中、高飽和度下，不同網聯車滲透率對出口匝道與地面銜接區車均延誤的影響，如圖9所示。選取飽和度為0.2、0.5和0.8反映道路在不同交通需求下的情況。為避免隨機因素影響，選取不同隨機種子進行多次仿真，仿真結果取平均值。從圖9可知，出口匝道與地面銜接區的車輛延誤在三種飽和度情形下均隨著網聯車滲透率的增加而降低。線性擬合之后的斜率為1.27、3.15和3.13，說明在中飽和度情形下延誤隨滲透率增加降低最快；當滲透率大于70%時，隨著滲透率的增加中飽和度情形下的延誤最低。這是因為在中飽和度下，車輛更易形成穩定流，隨著滲透率的增加，網聯車比例增加，傳統車輛受網聯車輛影響更容易形成飽和車隊，提高了通過銜接交叉口的效率。

圖9 不同滲透率和飽和度下的延誤變化圖

出口匝道與地面銜接區的緩沖區是提供兩股交通流匯聚的區域，需要一定的距離供車輛變換車道。圖10反映了飽和度為0.8的情形下不同滲透率和緩沖區長度下對出口匝道與地面銜接區延誤的影響。從圖中可以看出，當滲透率在40%至80%之間為中滲透率時，延誤隨緩沖區長度的增加呈現出先減小后增大再減小的趨勢；在低滲透率和高滲透率情形下，緩沖區長度變化對延誤的影響較小。主要因為在中滲透率情形下，網聯車輛和傳統車輛比重相當，車輛間的交互行為較為復雜，對緩沖區長度的變化較為敏感。當車輛處于完全網聯環境下，車輛運行延誤主要來自于因信號燈相位切換而調整車速產生的信控延誤。

圖10 不同滲透率和緩沖區長度下延誤變化圖

4 結束語

本文以快速路出口匝道與地面銜接區交通流為研究對象，提出了一種車聯網環境下出口匝道與地面銜接區多階段控制方法。

(1)考慮銜接交叉口排隊長度和初始速度與引導速度間的關系，建立了快速路出口匝道與地面銜接區的速度控制模型，提出了一種考慮相位優先級車道變換策略。經驗證，本文方法可以有效減少排隊區的排隊長度，各路段間速度波動變小，平均速度提高了5%；與定時控制、輔路反饋控制和車聯網速度控制相比，銜接區延誤降低了45%、42%和4%，停車次數降低了31%、18%和4%。

(2)對飽和度和滲透率進行了敏感分析，結果表明，銜接區延誤隨飽和度和滲透率的增加而降低，當滲透率大于70%時，出口匝道與地面銜接區處于中飽和度下更易形成穩定的飽和交通流，車輛更快地通過銜接交叉口。

(3)在高飽和度情形下，出口匝道與地面銜接區的緩沖區長度變化在低滲透率和高滲透率下對延誤影響較小，中滲透率下延誤隨緩沖區長度的增加呈先減小后增大再減小的趨勢。

然而，本文未考慮車聯網環境下受控車輛對周圍車輛的影響和多車交互的優化控制，需要后續進行深入研究，未來將會考慮在車聯網環境下出口匝道與銜接交叉口的聯合控制進一步研究。

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Multi-stage Control Method for Urban Expressway Off-ramps and Ground Road Adjacent Areas under Connected Vehicle Environments

CI Yu-sheng1, HAN Ying-xuan1, WU Li-na2

(1. School of Transportation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China; 2. School of Automobile and Traffic Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China)

To improve the traffic efficiency of urban expressway off-ramps and ground road adjacent areas, a multi-stage control method is proposed for an off-ramp and ground road adjacent area under a connected vehicle environment. First, according to vehicle speed characteristics, the selected adjacent area is divided into adjustment, buffer, and queuing areas. Then, considering the problem of frequent conflicts between vehicles in adjacent area, a lane-changing strategy is proposed that considers phase priority. Finally, a three-stage control strategy is designed for the off-ramp and ground road adjacent area, and a simulation environment of connected vehicles is built based on MATLAB and VISSIM. Simulation results show that the proposed method can reduce speed fluctuations between each road section while increasing the average speed by 5%. Compared with the speed control under connected vehicle environments, the delays in the adjacent, queuing, and buffer areasare reduced by 4%, 6%, and 4%, respectively. In addition, a sensitivity analysis shows that when the traffic demand is in medium saturation and the penetration rate is greater than 70%, the control effect of the proposed method is the most obviou. The relevant results can provide theoretical support for off-ramps and ground road adjacent areas under connected vehicle environments.

intelligent transportation systems; urban expressway; off-ramp and ground road adjacent area; connected vehicle; speed control; lane-changing

U491.1+2

A

10.19961/j.cnki.1672-4747.2021.04.0033

1672-4747(2021)04-0052-10

2021-04-22

2021-05-24

2021-05-26

2021-04-22～04-25； 05-12～05-15； 05-17～05-18； 05-24

國家重點研發計劃項目(2017YFC0803907)

慈玉生(1980—)，男，副教授，博導，研究方向：智能交通系統、交通安全，E-mail：ciyusheng1999@126.com

慈玉生，韓應軒，吳麗娜. 車聯網環境下快速路出口匝道與地面銜接區多階段控制方法[J]. 交通運輸工程與信息學報，2021, 19(4): 52-61.

CI Yu-sheng, HAN Ying-xuan, WU Li-na. Multi-stage Control Method for Urban Expressway Off-ramps and Ground Road Adjacent Areas under Connected Vehicle Environments[J]. Journal of Transportation Engineering and Information, 2021, 19(4): 52-61.

(責任編輯：劉娉婷)