智能匝道管控技術實施策略與效果評估

胡永愷 楊陽

（1.江蘇寧滬高速公路股份有限公司，江蘇 南京 210049；2.江蘇中路工程技術研究院有限公司，江蘇 南京 211008）

隨著高速公路周邊城市經濟的發展，土地資源日益稀缺，若通過大規模的高速公路改擴建來提升其通行能力，將會耗費大量的人力物力財力，而且實施難度也非常大，即使能夠實現，其實際收益也必將大打折扣。因此，在非大規模擴建高速公路的基礎上，利用智能化、精細化交通管控技術，較大程度提升高速公路道路通行能力，滿足超大規模交通流量常態化作用下高速公路正常、有序通行，就顯得尤為重要。

高速公路主動管控技術根據適用場景分為主線、匝道和路網3種。其中，匝道控制策略近年來獲得了各方學者、研究人員的關注，發展得越來越成熟。匝道控制策略此前多用于城市道路控制。隨著經濟社會的快速發展和車流量的迅猛增長，高速公路擁堵越來越嚴重，匝道控制[4-6]這種主動交通管控技術就常被用于緩解高速公路擁堵。匝道控制技術還經常與主線控制技術如可變限速控制等協同應用于高速公路管控[7-9]。

匝道管控技術多用于城市快速路交叉口及高速公路單個入口匝道等情形，面對日益復雜的高速公路擁堵狀況，當前的管控效果顯然不能滿足車輛的通行需求。本文的分析評估對象為互通型多層次匝道，采用智能匝道管控技術評估驗證管控效果。

一、智能匝道管控技術

（一）互通型多層次匝道管控技術

多層次匝道結構由A、B兩個從屬匝道和C主匝道組成。A、B分別為其他兩條高速公路的出口匝道，A、B匝道合并形成主干匝道C，車輛經C匝道駛入主線。這種構造形成了多層次的復雜匝道結構。車輛通過匝道的不斷匯合，駛入主線。在匝道內部，由于C匝道通行能力有限，A、B同時放行，流量過大，沖突點增加，在匝道內部甚至會產生瓶頸，導致匝道管控技術失效。同時，由于高速公路互通、匝道承載了較大的車流量，沖突點較多，容易誘發長路段擁堵，甚至會蔓延至高速公路主線，從而嚴重影響交通。

針對互通型多層次匝道管控，本文提出了一種動態調節算法，實行多層次匝道的管控方案設計。其中A、B匝道放行順序根據實時檢測的匝道排隊長度確定。

多層次匝道管控方案將匝道狀態分為3種，分別為匝道開放、匝道調節、匝道關閉；分別對應主線交通狀況為暢通、擁擠、堵塞3種狀態。其中，匝道調節狀態時，擬采用拉鏈式交替放行策略，控制進入主干匝道的車流量，進而控制匯入主線車輛數，并且兼顧次級匝道的放行。在匝道調節狀態，放行A、B哪個匝道是由動態調節算法決定的。

（二）互通型短間距聯動匝道管控技術

短距離雙匝道結構是指在較短距離內有連續兩個入口匝道（A、B）的互通匝道結構。這種特殊結構的匝道因為相距距離較近，車輛連續匯入，相互影響，交通狀態不穩定，在輕微的擾動、甚至沒有擾動的情況下就會自發產生擁堵瓶頸，進而影響主線的通行效率，降低安全保障。

對于短距離雙匝道結構，為了避免雙匝道同時放行導致主線流量增加，擬采用匝道聯動管控技術——METALINE方法，該匝道控制策略根據各匝道處檢測線圈檢測到的車輛占有率序列來計算匝道調節率，是ALIENA的擴展，不僅擁有ALINEA穩定性高的特點，同時還對主線交通流的波動具有較高的敏感性，實現了對METALINE方法的升級。

擬利用G42滬蓉高速江蘇段沿線的檢測器，提供主線交通狀態數據，利用METALNE算法，聯動控制距離較近的雙匝道，保障主線通行效率。

其中，rk是第k個時段入口匝道的調節率向量，Oout(k-1)是第k個時段受控入口匝道下游主線占有率向量，K1

LQ1、K2LQ2為增益矩陣，Od為受控入口匝道下游主線理想狀態下的占有率向量。

在k時間段計算完畢，輸出沿線受控匝道的調節率后，模型重新獲取k+1時間段主線占有率，自動調整增益矩陣，計算k+1時間段占有率。

二、微觀交通仿真

（一）主動管控技術VISSIM仿真平臺

1.仿真平臺

現有條件下，選定VISSIM作為仿真平臺。VISSIM是由德國PTV公司開發的微觀交通流仿真系統。該系統是一個離散的、隨機的、以十分之一秒為時間步長的微觀仿真軟件。該系統不僅可以模擬車輛的行為，還能夠模擬駕駛員的行為。采用VISSIM仿真模型，能夠全方位地模擬高速公路上交通流的運行狀態。

2.仿真環境搭建

該次微觀仿真選用G42滬蓉高速江蘇段作為仿真環境。G42滬蓉高速江蘇段為全封閉、全立交、高等級、多功能的現代化高速公路，全線采用交通運輸部頒布的標準建設，主線高速公路路基42.5m，雙向八車道，每車道寬3.75m，中央設3m寬分隔帶，外側設2.5m寬的緊急停車帶，設計車速為120km/h，設計車輛荷載為汽車—超20、掛—120，通過能力每天達6萬輛次。

結合仿真軟件，利用地圖作為仿真的背景資料，搭建高速公路實際道路幾何特征的仿真環境，并重點搭建常規路段、互通立交、匝道、收費站、服務區等關鍵節點的動態仿真驗證環境。

以G42滬蓉高速江蘇段無錫東互通立交為例，具體說明仿真環境搭建的步驟：

（1）新建文件并導入底圖。包括新建文件，加載背景圖片并調整比例。

（2）建立路網。繪制路段并用連接器連接，繪制匝道，編輯道路幾何特征。

（3）設置路徑決策。

（4）設置檢測器。包含車輛記錄、車輛記錄過濾器、數據采集點的設置。

3.仿真場景加載

劃分高速公路運營過程中所發生的各類交通場景（天氣、交通事故、占道施工、交通飽和度），并分級梳理各類交通場景發生的程度、影響范圍、持續時間，在此基礎上搭建不同類別、不同級別的仿真分析場景，并根據具體需要將這些場景加載到仿真環境。結合高速公路運營特征，分類梳理主動管理技術應用場景，并細化各類應用場景的指標及分級標準。

（二）微觀交通仿真效果評價

根據具體需要，在實施各類主動管理技術后，仿真分析各類場景下高速公路道路通行承載能力、出行交通流量、交通車流分配情況，從而驗證仿真分析結果，可視化展現高速公路通行承載能力、出行交通流量、車流分配情況。

通過分析對比仿真實驗數據與真實調查數據，所搭建的仿真平臺具有較好的還原真實場景的效果，還原率達到95.6%。

根據以上仿真實驗結果，搭建的微觀交通仿真平臺具有良好的仿真效果，能較高程度地還原G42滬蓉高速江蘇段運行狀態及事故發生前后場景。

三、智能匝道管控技術實施效果應用分析

（一）互通型多層次匝道管控效果評估

圖1 智能匝道管控技術管控效果評價

針對多層次匝道的特殊線性，本文提出了互通型多層次匝道管控技術，并基于仿真平臺開展仿真實驗，驗證所提算法的有效性和穩定性。

仿真結果如圖1（a）所示，管控后主線交通秩序得到明顯改善。管控前G42滬蓉高速江蘇段主線車流排隊，合流區匝道車流匯入秩序混亂，管控后G42滬蓉高速江蘇段主線車流排隊長度縮短，合流區匝道車流匯入秩序得到改善。其中，車均延誤在上行方向略有增加，在下行方向降低了50%。行程時間的減少程度雖然不大，但在G42滬蓉高速江蘇段交通流量如此飽和的情況下，行程時間減少顯得難能可貴；停車次數相比無控制情況下降低得比較明顯。綜上，相比之前的無管控方案，在車均延誤、停車次數、行程時間這3項關鍵指標上均有明顯改善。

（二）互通型短間距聯動匝道管控效果評估

針對主線短間距內出現兩個及多個匝道的案例，項目提出互通型短間距聯動匝道管控技術，仿真結果如圖1（b）所示。

通過仿真，實現匝道管控后，相比無控制情境，行程時間最高下降33.33%，停車次數最高下降12.2%，車均延誤最高下降41.5%。對于停車次數而言，雖然匝道管控通過信號燈設置，使車輛停車等待一段時間進入主線，增加了車輛停車次數。但是由于整體交通狀況的改善，車輛通行順暢，主線交通擁堵減少，從而使整體停車次數減少。

四、結語

本文分析評估了智能匝道管控技術中的互通型多層次匝道管控技術、互通型短間距聯動管控技術的管控原理，并基于VISSIM仿真平臺搭建了微觀仿真環境，評估以上兩種智能匝道管控技術的實施效果，從仿真結果看，互通型多層次匝道與互通型短間距聯動匝道管控技術在車均延誤、停車次數、行程時間這3項關鍵指標上均有明顯改善，管控效果顯著。