一個(gè)雙層城市快速路匝道聯(lián)合控制模型系統(tǒng)仿真研究

張麗巖，校鵬程，馬 健，葛 靜

（蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011）

0 引言

經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展推動(dòng)了交通行業(yè)的高速成長(zhǎng)，機(jī)動(dòng)車(chē)保有量和城市交通需求的明顯增長(zhǎng)也衍生出了各種交通問(wèn)題，其中快速路的堵塞尤為嚴(yán)重?？焖俾方煌刂朴卸喾N方式，其中匝道控制（Ramp Metering,RM）和可變限速控制（Variable Speed Limit,VSL）是兩個(gè)重要組成部分，目前獲得應(yīng)用最多的是快速路主線VSL 和RM 的協(xié)同控制，但是由于存在一些現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題往往導(dǎo)致這些控制策略的應(yīng)用收效甚微。

車(chē)路協(xié)同技術(shù)的興起與發(fā)展為解決城市快速路匝道控制問(wèn)題提供了新的思路，在車(chē)路協(xié)同環(huán)境下，車(chē)與車(chē)、車(chē)與路側(cè)設(shè)施之間皆可利用無(wú)線通信技術(shù)完成信息交換，這有助于管理者實(shí)時(shí)獲取精確的道路狀況和實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的精準(zhǔn)控制。

本文選取了城市快速路匝道這一場(chǎng)景，對(duì)雙層城市快速路匝道聯(lián)合控制模型系統(tǒng)的框架進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過(guò)交通仿真來(lái)模擬雙層城市快速路并分析所提出的控制策略在應(yīng)用時(shí)可取得的效果，為后續(xù)的研究提供基礎(chǔ)。

1 快速路匝道聯(lián)合控制模型系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)框架。本文構(gòu)建了雙層城市快速路匝道聯(lián)合控制模型系統(tǒng)的基本框架，框架整體可分為路徑?jīng)Q策系統(tǒng)和快速路匝道控制系統(tǒng)，路徑?jīng)Q策系統(tǒng)包括交通信息采集子系統(tǒng)和車(chē)輛路徑?jīng)Q策子系統(tǒng)，快速路匝道控制系統(tǒng)包括主線、入口匝道和車(chē)輛控制子系統(tǒng)。借助計(jì)算各個(gè)可選路徑的實(shí)時(shí)阻抗，車(chē)輛路徑?jīng)Q策子系統(tǒng)為車(chē)輛是否選擇快速路行駛提供依據(jù)?？焖俾吩训揽刂葡到y(tǒng)聯(lián)合主線上游可變限速引導(dǎo)和入口匝道控制消除主線交通瓶頸，提升下游通行效率。

1.2 路徑?jīng)Q策系統(tǒng)。路徑?jīng)Q策系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1 所示。該系統(tǒng)共包含兩條可選路徑，輔路車(chē)輛到達(dá)決策點(diǎn)即啟動(dòng)路徑?jīng)Q策控制，路徑1 為選擇進(jìn)入快速路，包含上下匝道和主線，路徑2 為選擇繼續(xù)在輔路行駛。本文將路徑選擇的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為最短行程時(shí)間，輔路控制中心通過(guò)處理和計(jì)算實(shí)時(shí)獲取的交通信息，計(jì)算出可選路徑的權(quán)值，并通過(guò)通信設(shè)備將結(jié)果反饋至車(chē)輛。

圖1 路徑?jīng)Q策系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.3 快速路匝道控制系統(tǒng)。提出雙層城市快速路匝道控制模型系統(tǒng)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由主線、入口匝道以及車(chē)輛控制子系統(tǒng)組成。

圖2 雙層城市快速路匝道控制模型系統(tǒng)示意圖

（1）主線控制子系統(tǒng)?？焖俾分骶€控制子系統(tǒng)的控制目標(biāo)是對(duì)主線上游車(chē)輛實(shí)施VSL，緩解快速路瓶頸，系統(tǒng)組成包括主線路側(cè)單元RSU，匝道RSU，車(chē)載設(shè)備以及交通信息管理控制中心等。主線及匝道RSU 的作用是獲取控制區(qū)域各處的實(shí)時(shí)交通狀態(tài)信息，同時(shí)利用車(chē)載設(shè)備得到車(chē)輛的行駛數(shù)據(jù)信息，并將這些信息實(shí)時(shí)傳輸至控制中心。

（2）入口匝道控制子系統(tǒng)。入口匝道控制子系統(tǒng)的控制目標(biāo)是在控制周期內(nèi)約束匯入快速路的車(chē)輛數(shù)，減少合流區(qū)交通延誤，系統(tǒng)組成有主線、入口匝道RSU，入口匝道排隊(duì)檢測(cè)器，入口匝道及交通信息管理控制中心等。

（3）控制車(chē)輛子系統(tǒng)。控制區(qū)域內(nèi)的自動(dòng)駕駛車(chē)輛CAV（Connected Automated Vehicle）均配置了車(chē)載單元OBU（On Board Unit），主要功能是和路側(cè)RSU 通信。車(chē)載單元OBU 包含三個(gè)模塊，其功能分別是數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)通信以及車(chē)輛控制。

2 實(shí)例驗(yàn)證及仿真分析

2.1 仿真平臺(tái)的構(gòu)建。仿真路網(wǎng)來(lái)自蘇州市中環(huán)高架快速路，其中雙層城市快速路為婁江快速路（星明街立交—星港街立交）與婁江大道（婁門(mén)路—星港路）。該快速路段主線全長(zhǎng)約2km，為單向三車(chē)道，在入口匝道處拓寬為四車(chē)道，后變?yōu)閱蜗蛉?chē)道，車(chē)道寬度為3.5m。城市道路婁江大道為城市主干道，單向三車(chē)道，車(chē)道寬度為3.25m，設(shè)定A 為路徑?jīng)Q策點(diǎn)，可選路徑1為：A—B—C—D，其中B 為快速路匝道合流點(diǎn)，路徑2 為：A—D，中間有一T 型信號(hào)控制交叉口（婁江大道—揚(yáng)明路）。當(dāng)車(chē)輛駛至A 點(diǎn)時(shí)，輔路控制中心路徑?jīng)Q策系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)道路及車(chē)輛狀態(tài)信息，計(jì)算出兩條路徑的實(shí)時(shí)阻抗，然后通過(guò)通信設(shè)備發(fā)送至車(chē)輛，車(chē)輛接收到控制指令后調(diào)整自身駕駛行為，并默認(rèn)駕駛員會(huì)選擇阻抗最小的路徑。仿真平臺(tái)的基本架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 參數(shù)標(biāo)定

2.2.1 VISSIM 仿真參數(shù)標(biāo)定。對(duì)跟馳模型的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，包括平均停車(chē)間距（CC0）、期望車(chē)頭時(shí)距（CC1）、跟馳隨機(jī)震蕩距離（CC2）等。同時(shí)也對(duì)VISSIM 中車(chē)輛換道模型的最大減速度、可接受的減速度等部分參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，具體如圖4 所示。

圖4 模型參數(shù)標(biāo)定

將快速路主線和城市道路實(shí)際的交通量檢測(cè)數(shù)據(jù)作為原始輸入數(shù)據(jù)分時(shí)段輸入仿真路網(wǎng)，并以此為基礎(chǔ)建立仿真模型。車(chē)輛構(gòu)成以小汽車(chē)為主，快速路主線與輔路城市道路的車(chē)輛組成比例，具體比例：主路上小汽車(chē)的占比為0.8，大型貨車(chē)為0.1，公共汽車(chē)為0.1；輔路上小汽車(chē)的占比為0.7，大型貨車(chē)為0.1，公共汽車(chē)為0.2。在VISSIM 中根據(jù)實(shí)際交通設(shè)定路網(wǎng)車(chē)輛原始的決策路徑，設(shè)城市快速路編號(hào)為1，城市道路編號(hào)為2，則本文的路徑設(shè)置為1-1、1-2 的車(chē)流比為7:3，2-1、2-1-2、2-2的車(chē)流比為4:3:3。

路徑?jīng)Q策設(shè)置完成之后，需進(jìn)行沖突區(qū)設(shè)置，結(jié)合城市快速路交通流的運(yùn)行現(xiàn)狀，確定主線和匝道期望車(chē)速的取值，其中主線期望速度值的最大值與最小值分別為70km/h 和50km/h,而匝道期望速度值的最大值與最小值分別為45km/h 與20km/h。城市道路存在一個(gè)T 型交叉口，其控制周期為90s，具體相位設(shè)計(jì)和信號(hào)配時(shí)為東西直行35s，東西左轉(zhuǎn)20s，北左轉(zhuǎn)20s。

2.2.2 模型參數(shù)標(biāo)定。根據(jù)改進(jìn)路阻模型標(biāo)定結(jié)果所得模型參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)回歸計(jì)算，得出路徑1 和路徑2 的改進(jìn)路阻模型，各路徑阻抗T 如式（1）、式（2）所示。

式中：φ 是根據(jù)不同飽和度劃分的路段交通流狀態(tài)；q、q分別表示入口匝道車(chē)輛匯入前后的合流區(qū)交通量，veh/h；T 為交叉口信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)；λ 為交叉口信號(hào)燈綠信比；q 為進(jìn)入交叉口的車(chē)流量；c 為交叉口飽和度。

2.3 交通流仿真模型有效性驗(yàn)證。根據(jù)路段特點(diǎn)，選取快速路主線路段2 為對(duì)象，對(duì)比在交通量相同情況下，仿真時(shí)間內(nèi)各時(shí)刻路段速度和密度的實(shí)際值和預(yù)測(cè)結(jié)果，并用圖像表示，如圖5 所示。

圖5 路段2 速度、密度預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

可以得出，研究路段2 的預(yù)測(cè)密度值與實(shí)際密度值基本保持一致，速度預(yù)測(cè)值整體上比實(shí)際值高7.68%，但是其變化趨勢(shì)與實(shí)際速度值的變化非常接近，模擬效果較好。改進(jìn)后的交通流模型的平均絕對(duì)百分比誤差值為9.3%，因此可得出標(biāo)定后的改進(jìn)路阻模型具有良好的適用性。

2.4 不同控制策略下的仿真結(jié)果對(duì)比分析。選取總行程時(shí)間、主線車(chē)輛行程時(shí)間、平均延誤時(shí)間以及相鄰路段間的速度差作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。分別對(duì)比無(wú)控制、僅采用快速路匝道控制策略以及采用改進(jìn)阻抗模型進(jìn)行路徑?jīng)Q策控制和快速路匝道控制策略的運(yùn)行效率和安全性，分析結(jié)果如表1 所示。

表1 不同控制策略下評(píng)價(jià)指標(biāo)比較

由表1 可知，相較于無(wú)控制情況，采用快速路匝道控制策略后，總行程時(shí)間、主線車(chē)流行程時(shí)間、平均延誤以及速度差都得到了降低。而加上路徑?jīng)Q策控制后，路網(wǎng)在運(yùn)行效率以及安全性方面都獲得了更大的提升，尤其是路網(wǎng)平均延誤時(shí)間，相較于無(wú)控制情景減少了32.48%，以及相鄰路段間的速度差減小了34.44%。

3 結(jié)論與展望

本文構(gòu)建了雙層城市快速路匝道聯(lián)合控制模型系統(tǒng)，包括路徑?jīng)Q策系統(tǒng)和快速路匝道控制系統(tǒng)，分別介紹了各系統(tǒng)的工作原理及控制方法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證其可靠性。今后有望添加天氣、事故等因素進(jìn)一步完善路徑?jīng)Q策模型的構(gòu)建，同時(shí)在下一步研究中，會(huì)采用更為微觀的模型來(lái)模擬城市交通駕駛行為。