呼和浩特市快速路出入口交通管理與控制系統(tǒng)研究

馬玉成，廖苑伶

（上海市政交通設(shè)計研究院有限公司，上海200030）

0 引言

呼和浩特市（簡稱“呼市”）規(guī)劃快速路共六條——兩橫兩縱加兩條快速路連接線。兩橫兩縱為：二環(huán)北路、二環(huán)南路、二環(huán)西路和二環(huán)東路及延伸線。兩條快速連接線為：機場快速路、二環(huán)東路延伸段向東接繞城高速公路。目前，機場快速路已通車，二環(huán)南路正在建設(shè)階段，其余快速路正處于施工圖設(shè)計階段。呼市的快速路布局形式與北京的快速路布局形式比較相似，主要采用路面形式的主路輔路系統(tǒng)。二環(huán)線快速路預(yù)計2015 年全部貫通，如何提高快速路的運營效率，減少交通擁堵，提高交通安全性已成為亟需解決的問題。

由于快速路對出行者具有較大吸引力，大量車流將涌入快速路，再加上呼市現(xiàn)有的交通信號控制系統(tǒng)缺乏對快速路的交通需求管理和有效控制，易導(dǎo)致快速路交通嚴(yán)重堵塞。研究結(jié)果表明，快速路交通瓶頸一般發(fā)生在入口匝道、出口匝道或出入口匝道的交織區(qū)處。因此，對快速路出入口匝道進行交通管理和智能控制是提高快速路運營效率、減少交通擁堵的重要途徑[1]。

圖1 呼市快速路網(wǎng)

快速路出入口控制系統(tǒng)是采用高新技術(shù)建立快速路信號控制平臺，如現(xiàn)代通訊技術(shù)、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等手段，采用布設(shè)的檢測器，對快速路出、入口的某個或多個參數(shù)進行實時采集和預(yù)處理，然后按照既定的控制策略來調(diào)節(jié)出、入快速路系統(tǒng)的交通量，實現(xiàn)重點快速路匝道控制，主要包括匝道控制和誘導(dǎo)兩個方面[2]。

1 國內(nèi)外成功應(yīng)用案例研究

1.1 國內(nèi)應(yīng)用

（1）上海

截至2011 年底，上海中心城快速路路網(wǎng)里程數(shù)穩(wěn)定在141.0km，基本采用高架形式。至2009年，上海浦西地區(qū)快速路88個入口匝道中有70多個實施了匝道控制，除了武寧路實施了匝道調(diào)節(jié)控制，其他都為匝道開關(guān)控制，其中部分入口預(yù)留了匯入控制功能。浦東中環(huán)8 個匝道及A1 的11個匝道實施匝道控制，其中17 個入口匝道為開關(guān)控制，并預(yù)留遠期匯入控制功能，1個入口匝道實施自適應(yīng)匯入控制，1個出口匝道實施可變車道控制。近期，在楊高路上匝道，匯入南浦大橋的入口處，浦東張揚路上匝道與進入楊浦大橋的主線，設(shè)置了挑桿信號燈控制。上述匝道控制在關(guān)聯(lián)道路上布設(shè)“固定文字+可變文字”可變信息標(biāo)志，在匝道入口及高架路段上設(shè)置了交通流情報信息板，目前系統(tǒng)運行良好。

上海市快速路出入口控制系統(tǒng)開關(guān)控制較多，有交通引導(dǎo)信息發(fā)布/交通監(jiān)控設(shè)備，電子警察設(shè)備。2005 年上?？焖俾吩训缹嵤┛刂葡到y(tǒng)后，交通量和平均車速均有一定程度的提升，特別是在內(nèi)環(huán)高架內(nèi)圈武夷路入口匝道實施自適應(yīng)匯入控制后，更是取得了很好的控制效果，充分體現(xiàn)了匯入控制的優(yōu)越性。試驗區(qū)域主線流量提高了1.1%～23.2%；主線平均車速提高了11.1%～84.6%，主線擁堵時間減小了22.8%～76.5%，縮短了主線車輛排隊長度，改善了快速路主線的交通狀態(tài)。上?？焖俾烦鋈肟诳刂葡到y(tǒng)改善了快速路主線的交通狀態(tài)，同時，快速路控制系統(tǒng)的交通信息和誘導(dǎo)設(shè)施均衡了交通需求，提高了快速路系統(tǒng)和區(qū)域路網(wǎng)的服務(wù)水平。

（2）北京

北京快速路由二、三、四、五環(huán)和11 條聯(lián)絡(luò)線組成，長達360km，承擔(dān)著全市50%以上的交通流，快速路出入口密集，平均間距僅為318m，是世界上最復(fù)雜、控制難度最大的快速路。北京快速路與呼市類似，即為地面快速路，兩側(cè)設(shè)置地面輔路，快速路出入口加減速車道較短，從輔路匯入分流。針對這一結(jié)構(gòu)和特點，北京市公安交管局自主研發(fā)了快速路出入口交通流特性分析、快速路多節(jié)點OD建模技術(shù)和給予主輔路占有率映射算法的交通控制策略，以及城市快速路交通控制技術(shù)?；谏鲜黾夹g(shù)建成的快速路交通控制系統(tǒng)，利用設(shè)置在快速路主要出入口的信號燈，依據(jù)對快速路主輔路流量信息的檢測實施占有率控制，智能控制快速路出入口的開啟和關(guān)閉。北京的地面快速路+輔路形式使得其匝道控制與上海有很大的不同。出入口控制方式包括入口開關(guān)控制、入口匯入控制、出口輔路信號控制，配有交通監(jiān)控系統(tǒng)。北京快速路出入口控制系統(tǒng)有效提高了北京快速路網(wǎng)的承載能力、交通管控能力和城市抗風(fēng)險能力，快速路網(wǎng)日均時速提高6.92%。

1.2 國外應(yīng)用

（1）美國

美國采用“stop-and-go”（停-走）交通信號，控制進入高速公路主線車輛的頻率。華盛頓大多數(shù)的快速路出入口匝道調(diào)節(jié)允許每次綠燈通過1 輛車，最多不超過3 輛，調(diào)節(jié)率大概在4～15s之間，這樣的間隔可以保障進口匝道的匯入交通受到一定的阻滯，減少高速匯入時容易產(chǎn)生的刮擦、碰撞等事故。美國亞特蘭實行固定周期式匝道調(diào)節(jié)，但是如果排隊檢測器檢測到預(yù)設(shè)的排隊長度極限值，匝道調(diào)節(jié)的速度將會被提高，周期縮短，以盡快地減少排隊。

在美國快速路控制系統(tǒng)采用需求-容量控制策略較為廣泛。需求-容量控制策略是以交通量為控制參量，通過調(diào)節(jié)進入快速路的交通量，使得進入快速路的交通量與上游交通量之和不超過匝道下游的通行能力，保證主路下游交通量維持在其通行能力之內(nèi)，最大限度利用快速路。

華盛頓實施匝道調(diào)節(jié)后，該地區(qū)高速公路全范圍內(nèi)事故發(fā)生率降低30%，在Renton 的I405 高速公路，匝道調(diào)節(jié)使得平均行程時間減少了3～16min，匝道調(diào)節(jié)是一種比較有效地緩解交通擁擠的控制手段。

（2）歐洲

歐洲的高快速路出入口匝道控制一般是車隊放行，每次綠燈信號放行匝道車輛數(shù)不確定，但每次最多放行的車輛數(shù)有限制，一般不超過9 輛，控制策略中的紅燈時長和綠燈時長都是變化的。

歐洲的快速路系統(tǒng)大部分采用ALINEA 控制算法。ALINEA 控制算法屬于線性狀態(tài)調(diào)節(jié)，由Papageorgiou 在1991年提出。它通過調(diào)整匝道調(diào)節(jié)率使得其下游主線的占有率盡量維持在理想狀態(tài)，是經(jīng)典控制理論的應(yīng)用，現(xiàn)在歐洲很多國家在該算法的基礎(chǔ)之上進行了許多不同的改進，在實際應(yīng)用中也得到了很好的效果。

1.3 應(yīng)用小結(jié)

通過國內(nèi)外的快速路出入口控制系統(tǒng)，可以看到出入口匝道控制是比較常用的控制方法。它通過限制入口匝道匯入主線的車流量，達到減少主線交通擁堵的目的，通過控制出口匯出輔路的交通流，使主線的交通流可以更快地離開主線。

快速路匝道控制主要采用在入口匝道處及出口匝道相連輔路上設(shè)置信號燈的方式，調(diào)節(jié)進出快速路的交通流，使匝道交通流進出有度、有序，避免快速路上形成交通瓶頸。為達到此目的，在進行匝道信號控制時應(yīng)從城市快速路的交通特性、控制策略、配時方法及協(xié)調(diào)效果幾方面加以考慮。

在出入口控制算法方面，對于在美國得到廣泛應(yīng)用的需求-容量差額控制方法，還存在著一些不足。由于該方法僅僅檢測交通量的值，所以不能夠判斷快速路主線是擁擠還是自由流的狀態(tài)，并且算法采用開環(huán)控制，不能把控制后的微小變化再反饋給系統(tǒng)進行優(yōu)化，因此，往往無法達到理想的控制效果。歐洲采用的ALINEA算法研究表明，即使算法中的值在很大范圍內(nèi)變動，系統(tǒng)也能保持一個良好的性能，說明ALINEA 算法的穩(wěn)健性較好。此外，ALINEA 算法的可移植性強，如果外部交通條件變化，只需要調(diào)整目標(biāo)占有率的值，而且控制算法簡單，易于實現(xiàn)。目前它成為實際應(yīng)用中非常成功的一種單點動態(tài)控制方法，在實際中還有許多的應(yīng)用對該方法進行了改進。

總之，快速路出入口控制方法的效果取決于多種因素，交通特性、道路條件、匝道分布等多種因素都會影響到控制算法的適用性。即使是同樣的控制算法，其控制參數(shù)的取值往往也會在很大程度上影響控制的效果。從本質(zhì)上講，入口匝道控制是對主線交通與入口匝道交通進行調(diào)節(jié)，方案的可行性與當(dāng)?shù)氐缆方煌l件緊密相關(guān)。呼市快速路系統(tǒng)和國內(nèi)外其他城市的快速路相比，有自身的特點和情況，主要表現(xiàn)為：

（1）以主輔路布置形式為主，部分路段采用高架、地下隧道、半地下路塹形式；

（2）快速路網(wǎng)少，承載的交通流量大，主線交通流量、匝道需求將常處于飽和運行狀態(tài)；

（3）匝道布置間距較小，主輔路之間的合流、分流成為影響主線運行狀況的一個重要因素；

（4）周邊路網(wǎng)發(fā)達，匝道車輛的可行替代路徑較多。

所以應(yīng)該在總結(jié)國內(nèi)外其他城市快速路出入口控制系統(tǒng)的前提下，結(jié)合呼市自身的實際情況，選擇符合需求的快速路出入口的控制系統(tǒng)。

2 快速路出入口交通管理控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)目標(biāo)

目前呼市快速路正在建設(shè)，出入口的現(xiàn)狀道路基礎(chǔ)條件、線形較好，存在著出入口控制系統(tǒng)實施可行性較好的地點。通過綜合考慮各方面因素（科學(xué)性及實用性），應(yīng)用比較成熟的技術(shù)，吸取北京上海經(jīng)驗，可以在呼市快速路出入口實現(xiàn)出入口控制，體現(xiàn)出入口控制的效果、優(yōu)勢。經(jīng)過對呼市快速路網(wǎng)的布局和交通控制系統(tǒng)現(xiàn)狀的深入分析，建立呼市快速路出入口控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)以下目標(biāo)：

（1）保證主路基本暢通、輔路不至于產(chǎn)生嚴(yán)重的交通擁堵；

（2）改善出入口匝道車輛的行駛秩序，確保車輛行駛安全；

（3）對快速路及其關(guān)聯(lián)區(qū)域進行協(xié)調(diào)控制，有效使用地面道路的容量；

（4）保證大型活動、緊急事件等非常態(tài)的快速路骨架路網(wǎng)作用；

（5）與其他系統(tǒng)協(xié)同，提高對道路交通的誘導(dǎo)能力和綜合調(diào)控水平。

2.2 系統(tǒng)功能需求

目前呼市二環(huán)線以內(nèi)路網(wǎng)密度較大，但高峰時間交通擁堵嚴(yán)重，其中一個重要原因是呼市交通信息管理系統(tǒng)不完善，出行者無法及時查詢或獲取路況信息，導(dǎo)致交通需求分布失衡。因此，呼市快速路出入口管理與控制系統(tǒng)功能主要集中在幾個方面：中心控制、出入口多級調(diào)控、出入口信號協(xié)調(diào)、快速路交通信息采集、快速路信息發(fā)布、系統(tǒng)關(guān)聯(lián)、快速路信息查詢。

呼市快速路出入口交通管理控制系統(tǒng)可分為三個層次：策略層、管控層、執(zhí)行層。三個層次相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)系統(tǒng)信息采集、多級調(diào)控、日常管理和系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的功能[3]。

2.3 控制管理中心

管理控制中心分為硬件設(shè)備和軟件設(shè)備兩大部分。其中，硬件部分按功能分為數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、管理端設(shè)備、以太網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和不間斷電源（UPS）等幾個部分；軟件部分分為系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、管理平臺軟件等[4]。

快速路出入口控制中心局域網(wǎng)系統(tǒng)是系統(tǒng)集成和管理協(xié)調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺，是一個分布式計算機平臺，包括基礎(chǔ)平臺服務(wù)、分布式計算和對象服務(wù)、公共設(shè)施、共享領(lǐng)域服務(wù)以及應(yīng)用，可以讓不同的軟件對象跨網(wǎng)絡(luò)、跨操作系統(tǒng)進行互操作，滿足交通信息的發(fā)布與查詢、訪問。

2.4 系統(tǒng)控制方法和算法

根據(jù)以往研究，快速路控制系統(tǒng)匝道進出口的主要控制方法包括單點信號燈控制、單點開關(guān)控制、多匝道協(xié)調(diào)控制、快速路干線控制、區(qū)域控制、路由控制和不同控制方式的協(xié)調(diào)控制等[3]。目前呼市二環(huán)線快速路匝道相距較近，主線為雙向六車道，沿線相交道路高峰時間交通流量大，擁堵嚴(yán)重。因此，針對呼市快速路交通瓶頸形成原因，快速路出、入口匝道控制主要采用在入口匝道處及出口匝道相連輔路上設(shè)置信號燈的方式，平峰時間采用單點控制，高峰時間采用整體協(xié)調(diào)控制方法，調(diào)節(jié)進出快速路的交通流，使匝道交通流進出有度、有序，避免快速路上形成交通瓶頸，并有效利用輔路容量。建議呼市快速路與常規(guī)道路信號控制綜合考慮，形成快速路、區(qū)域信號控制協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，提高快速路的抗風(fēng)險能力和消散阻塞的能力。進一步確?？焖俾废到y(tǒng)的高速、高效、安全和舒適性。

根據(jù)呼市快速路道路網(wǎng)設(shè)計和出入口布置形式，建議呼市快速路出入口控制算法可以結(jié)合采用改進型的ALINEA 控制算法、需求-容量差額控制算法、占有率控制算法和定時控制算法。針對呼市快速路道路網(wǎng)不同的道路條件、交通狀況，采用不同的快速路出入口控制算法，將幾種控制算法相互結(jié)合，針對不同的適用條件和系統(tǒng)實際運行狀況選擇合適的快速路出入口控制算法策略[5]。

2.5 出入口信號協(xié)調(diào)控制

由于快速路出入口的控制有很多的限制條件，對于不同的路段和車流量，出入口控制的效果也會有很大差異。其中對出入口控制影響最大的還是出入口是否有較多的道路空間資源可以儲存出入口控制造成的排隊。

對于呼市部分快速路出入口間距較小的路段，將快速路出入口控制和快速路上下游交叉口控制結(jié)合起來，實行協(xié)調(diào)控制?？焖俾烦鋈肟趨f(xié)調(diào)控制從區(qū)域路網(wǎng)的角度上，將快速路和普通道路進行銜接和整合，制定協(xié)調(diào)控制的策略和方法，將快速路出入口和上下游交叉口控制作為一個整體控制系統(tǒng)，從整體路網(wǎng)的角度出發(fā)，制定統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制目標(biāo)。從而更好地提高整個道路系統(tǒng)的運輸效率[6]。

2.6 誘導(dǎo)信息發(fā)布系統(tǒng)

用于發(fā)布快速路出入口交通信息，對交通流進行有效地引導(dǎo)分流。入口控制信息情報板能夠接受匝道控制器的指令，在可變文字顯示部分以不同顏色顯示“匝道開放”、“匝道關(guān)閉”、“匯入調(diào)節(jié)”等匝道控制內(nèi)容，以及“主線暢通”、“主線擁擠”、“主線堵塞”等交通狀態(tài)信息[7]。目前呼市尚缺少交通誘導(dǎo)信息發(fā)布系統(tǒng)，導(dǎo)致交通高峰期間部分路段和區(qū)域非常擁擠，而有些道路上車流量很少，道路資源未得到有效利用。

快速路入口控制設(shè)備布設(shè)如圖2所示。

圖2 快速路入口控制設(shè)備布設(shè)概念圖

3 結(jié)語

從國內(nèi)、國外的應(yīng)用情況上看，出入口控制系統(tǒng)技術(shù)比較成熟，效果比較明顯。尤其是在北京、上海，不論從控制算法還是設(shè)備選型，因地制宜，均根據(jù)本城市快速路的特點，建立了行之有效的出入口控制系統(tǒng)，并在服務(wù)于日常交通及重大活動中起到了關(guān)鍵作用。

結(jié)合呼市快速路建設(shè)情況，從技術(shù)層面出發(fā)，應(yīng)用已經(jīng)較成熟的控制算法及設(shè)備，采用的控制策略建議以簡單實用為主，包括單點開關(guān)、單點信號控制及多匝道協(xié)調(diào)控制，并適當(dāng)進行高級控制策略的實驗，達到國內(nèi)領(lǐng)先水平。出入口控制系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的銜接，要做好數(shù)據(jù)的共享交換，應(yīng)配套實時動態(tài)引導(dǎo)系統(tǒng)、電子監(jiān)控系統(tǒng)及電子警察系統(tǒng)。建設(shè)呼市快速路出入口控制系統(tǒng)，可對呼市的交通需求進行有效管理，可提高呼市快速路及整個路網(wǎng)的運行效率和服務(wù)水平，提高交通安全性，降低車輛油耗和環(huán)境污染，提升呼市的整體形象。

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