基于節(jié)能減排的高速公路瓶頸處擁擠車流控制技術(shù)研究

崔洪軍，李海南，張志磊，朱敏清

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2. 深圳市綜合交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518003；3. 河北省高速公路京秦管理處，河北 秦皇島 056000)

基于節(jié)能減排的高速公路瓶頸處擁擠車流控制技術(shù)研究

崔洪軍1，李海南1，張志磊2，朱敏清3

(1. 河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401；2. 深圳市綜合交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 深圳 518003；3. 河北省高速公路京秦管理處，河北 秦皇島 056000)

針對(duì)高速公路施工段、收費(fèi)站等通行能力瓶頸路段等時(shí)常出現(xiàn)的車輛擁擠緩行、頻繁停行、燃油急劇增加的問題，在充分調(diào)查交通擁擠緩行時(shí)車流特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合交通控制、感應(yīng)檢測(cè)等技術(shù)，建立了基于節(jié)能減排的交通擁擠緩行車流控制系統(tǒng)。實(shí)例分析表明：該控制系統(tǒng)在不增加車輛通過時(shí)間的前提下，大幅減少了車輛的起停次數(shù)，降低了燃油消耗。

交通運(yùn)輸工程；交通瓶頸；擁擠緩行；交通控制；節(jié)能減排

0 引 言

高速公路主線在道路施工、交通事故、交通需求波動(dòng)等因素的影響下，交通擁擠緩行時(shí)常發(fā)生，尤其是在車流量較大的收費(fèi)站附近，高速公路主線車輛受排隊(duì)等候服務(wù)車輛的干擾，經(jīng)常形成大規(guī)模擁擠、頻繁停行、長(zhǎng)時(shí)怠速的現(xiàn)象[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，車輛起步油耗為正常油耗的3～6倍，怠速緩行通過擁擠路段的油耗是正常通過的16～20倍，因此交通擁擠緩行會(huì)造成嚴(yán)重的燃油浪費(fèi)。道路運(yùn)輸業(yè)的節(jié)能減排在一定程度上直接關(guān)系到道路運(yùn)輸業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。

自20世紀(jì)80年代以來，國外就開始對(duì)交通流理論進(jìn)行研究，主要出發(fā)點(diǎn)是基于流體力學(xué)模擬的方法和思想。M．CREMER等[3]利用元胞自動(dòng)機(jī)來研究交通能夠避免離散-連續(xù)-離散的近似過程規(guī)定車輛運(yùn)動(dòng)的演化規(guī)則；對(duì)于車輛油耗方面，D．C．BIGGS[4]采用了類似的建模技術(shù)通過比油耗建立了后來成為HDM-4油耗模型基礎(chǔ)的ARFCOM油耗模型； R．CHRISTOPHER等[5]對(duì)車輛在不同速度、不同延誤率、不同擁擠狀況下的油耗情況，進(jìn)行了分析研究，并分別建立了不同影響因素下的油耗模型；在高速公路匝道進(jìn)行交通控制方面，C．J．TAYLOR等[6]在運(yùn)用匝道進(jìn)行交通控制上取得了一定的成果。

國內(nèi)相關(guān)研究起步較晚，朱超軍等[7]提出一種基于實(shí)時(shí)視頻處理的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)方法，對(duì)通過固定攝像頭得到的實(shí)時(shí)道路監(jiān)控視頻圖像序列，利用Sobel邊緣檢測(cè)和背景差分相結(jié)合的方式進(jìn)行車輛存在檢測(cè)，利用幀間差判斷車輛是否運(yùn)動(dòng)，從而計(jì)算出車輛的排隊(duì)長(zhǎng)度；胡怡瑋等[8]利用變權(quán)層次分析法和logit模型對(duì)駕駛員擁擠收費(fèi)路徑進(jìn)行選擇；周俊昌等[9]通過交通仿真軟件VISSIM 對(duì)交通沖突進(jìn)行仿真，結(jié)合模糊評(píng)價(jià)法，對(duì)高速公路的沖突地點(diǎn)安全狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

筆者在研究擁擠緩行車流交通特性基礎(chǔ)上，建立了車輛起停次數(shù)模型，結(jié)合交通管理控制技術(shù)、感應(yīng)檢測(cè)技術(shù)，提出了既不增加車輛通過時(shí)間、又能減少燃油消耗的交通控制系統(tǒng)，對(duì)實(shí)現(xiàn)高速公路節(jié)能減排具有顯著的意義。

1 擁擠車流交通特性

通過對(duì)高速公路實(shí)際情況的廣泛調(diào)查分析，總結(jié)得到高速公路交通擁擠處的擁堵車輛有兩種狀態(tài)：①熄火狀態(tài)。此狀態(tài)多發(fā)生在受交通事故、嚴(yán)重惡劣天氣等因素影響造成的道路全封閉的情況，擁堵車輛長(zhǎng)時(shí)間處于停滯狀態(tài)，駕駛?cè)藛T通常會(huì)采取熄火方式等候通行；②蠕動(dòng)狀態(tài)。此狀態(tài)多發(fā)生在交通流量激增至大于交通瓶頸的通行能力或道路全封閉放行初期，車流呈現(xiàn)為緩慢蠕動(dòng)，駕駛?cè)藛T通常不會(huì)熄火，車輛半停半行。

熄火狀態(tài)下，雖然沒有燃油的消耗，但由于車流處于停滯，整條公路上的出行時(shí)間成本在不斷的增加；蠕動(dòng)狀態(tài)下，各車輛間的車頭間距小、相互作用大，大多車輛處于緊急跟馳狀態(tài)，頻繁停行。尤其是受交通事故影響而封閉的高速公路，其交通瓶頸處車輛排隊(duì)長(zhǎng)度高達(dá)數(shù)公里，排隊(duì)等候通行的車輛走走停停、長(zhǎng)時(shí)怠速，造成了嚴(yán)重的能源浪費(fèi)和空氣污染。

2 節(jié)能減排交通控制系統(tǒng)介紹

筆者建立的交通控制系統(tǒng)原理是通過在擁堵緩行車流瓶頸前設(shè)置車輛通行信號(hào)控制燈，在不增加車輛通過時(shí)間前提下，采用分批通行的方式，大幅降低車輛的起步制動(dòng)次數(shù)、怠速時(shí)間，從而達(dá)到節(jié)約能源，減少廢氣排放的目的。

基于節(jié)能減排高速公路擁擠緩行車流交通控制系統(tǒng)的基本原理和具體控制流程如圖1。

圖1 控制系統(tǒng)構(gòu)成及設(shè)施布置Fig.1 Constitution of control system and layout of facilities

當(dāng)車輛的排隊(duì)長(zhǎng)度到達(dá)排隊(duì)檢測(cè)器1檢測(cè)范圍時(shí)啟動(dòng)控制系統(tǒng)，車流控制燈配以紅燈倒計(jì)時(shí)顯示，用于控制車輛的停行；檢測(cè)器2測(cè)定排隊(duì)長(zhǎng)度小于L2時(shí)控制燈顯示綠色，車輛通行，且每批放行的長(zhǎng)度為L(zhǎng)3；放行車輛形成新的隊(duì)列后，控制燈將顯示紅色進(jìn)行截流。通過以上控制方法，可以使擁擠蠕動(dòng)車流變?yōu)榉峙判械拈g斷流，防止了蠕動(dòng)車流中的頻繁起步制動(dòng)現(xiàn)象；同時(shí)駕駛員在截流狀態(tài)時(shí)，可以避免怠速采取熄火方法等候通行。該控制系統(tǒng)保證了瓶頸處時(shí)刻有車輛等候通行，所以車輛通過交通瓶頸所耗費(fèi)的總時(shí)間不會(huì)延長(zhǎng)。

交通控制系統(tǒng)具體運(yùn)行流程如圖2。

圖2 控制系統(tǒng)運(yùn)行流程Fig.2 Operation flowchart of control system

根據(jù)圖2不難發(fā)現(xiàn)，需要重點(diǎn)解決的問題有以下兩點(diǎn)：①車流控制燈最佳位置研究；②收費(fèi)站前最小排隊(duì)長(zhǎng)度閾值的確定(排隊(duì)檢測(cè)器2位置)。

3 控制系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算方法

3.1 車輛起停次數(shù)模型

通過對(duì)車輛排隊(duì)形成和消散過程進(jìn)行分析[10]，將車輛從開始排隊(duì)至通過交通瓶頸所需的停車次數(shù)分為兩部分。

第1部分為車輛開始排隊(duì)至通過車流控制燈所需的停車次數(shù)。根據(jù)圖1可以看出，該部分的車輛均處于分批放行狀態(tài)，且每批放行的長(zhǎng)度為L(zhǎng)3+L2。

第2部分為車輛駛過車流控制燈至通過交通瓶頸所需的停車次數(shù)。由于車流在擁擠且不存在車流交織的狀況下，前車每制動(dòng)或停止一次，后車也必定會(huì)制動(dòng)或停止一次。若車輛排隊(duì)長(zhǎng)度較短，那么某排隊(duì)車輛通過收費(fèi)站所需的停車次數(shù)與該車前方車輛數(shù)基本相等。考慮同一批駛?cè)朐撀范蔚能囕v通過瓶頸所需的停車次數(shù)不盡相同，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)起停次數(shù)最優(yōu)化，可采用平均起停車次數(shù)對(duì)其進(jìn)行分析。

車輛從開始排隊(duì)至通過交通瓶頸所需總停車次數(shù)可由式(1)表示：

(1)

式中：N為駛過交通瓶頸所需的總停車次數(shù)；N1為車輛開始排隊(duì)至通過車流控制燈所需的停車次數(shù)；N2為車輛駛過車流控制燈至通過交通瓶頸所需的停車次數(shù)；L為車輛排隊(duì)總長(zhǎng)度(交通瓶頸至隊(duì)尾的長(zhǎng)度)；hs為平均車頭間距。

3.2L2最優(yōu)值計(jì)算模型

為保車輛的通過時(shí)間不會(huì)增加，前一批車輛的尾車在駛離交通瓶頸的同時(shí)，后續(xù)放入車輛的前車必須到達(dá)瓶頸處等候，由此原理可得出L2與L3存在的關(guān)系如式(2)：

(2)

對(duì)式(2)進(jìn)行變化可得到

(3)

對(duì)式(1)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

則

(4)

(5)

為求得N的最小值，對(duì)L2求偏導(dǎo)，計(jì)算如下：

(6)

由式(6)可知，最佳的L2值可以根據(jù)排隊(duì)長(zhǎng)度L推出。

3.3L3最優(yōu)值計(jì)算模型

根據(jù)L3與L2存在的關(guān)系﹝式(3)﹞可得到L3的值，但在取值時(shí)也應(yīng)考慮到駕駛員的心理可接受等待時(shí)間、車輛的平均長(zhǎng)度、服務(wù)流率等因素，再對(duì)實(shí)際L3值做適當(dāng)調(diào)整。

4 實(shí)例分析

4.1 津保高速擁擠路段交通參數(shù)

筆者以津保高速收費(fèi)站(天津段)為例，對(duì)該收費(fèi)站在擁擠緩行時(shí)的交通參數(shù)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容包含車輛組成、車輛到達(dá)率、車頭間距、平均服務(wù)時(shí)間、收費(fèi)站限速值等。

將以上數(shù)據(jù)作為Paramics微觀交通模擬的基本參數(shù)，對(duì)收費(fèi)站交通擁擠狀態(tài)進(jìn)行模擬仿真，車輛擁擠狀態(tài)如圖3。

圖3 Paramics微觀仿真交通擁堵收費(fèi)站Fig.3 Paramics microscopic simulation of traffic congestion at toll station

為得到車輛在擁擠緩行時(shí)通過收費(fèi)站所需的平均起停次數(shù)，需分別對(duì)大貨車3.51 veh /min，中貨車1.2 veh/min，小貨車2.85 veh/min，大客車0.21 veh/min，中客車0.18 veh/min，小客車10.89 veh/min等6種類型車輛進(jìn)行追蹤觀察，再對(duì)不同類型車輛的起停次數(shù)求平均，具體結(jié)果如表1。

表1 擁擠路段交通參數(shù)

4.2 控制系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

4.2.1L2最優(yōu)值計(jì)算

將表1中的交通參數(shù)代入式(6)中得到

4.2.2L3最優(yōu)值計(jì)算

將L2值帶入式(3)中，求得L3最優(yōu)值：

4.3 控制系統(tǒng)效果

為分析車輛通過收費(fèi)站的油耗值，對(duì)津保高速小客車的起動(dòng)油耗和怠速油耗進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果顯示小客車起動(dòng)一次的油耗為27.6 mL、怠速油耗為0.23 mL/s。

4.3.1 未設(shè)置交通控制系統(tǒng)

該收費(fèi)站不實(shí)施交通控制系統(tǒng)，那么車輛起停次數(shù)和延誤時(shí)間可通過表1查得，車輛通過收費(fèi)站的油耗值W計(jì)算如下：

N=182次

W=27.6×181.8+0.23×3 600=5 845.7(mL)

4.3.2 設(shè)置交通系控制系統(tǒng)

倘若該收費(fèi)站設(shè)置了交通控制系統(tǒng)，可將該控制系統(tǒng)各參數(shù)帶入式(1)，計(jì)算得到車輛起停次數(shù)如下：

由于車流處于分批放行的狀態(tài)，所以只有在(L2+L3)路段上車輛才會(huì)出現(xiàn)怠速現(xiàn)象，且車輛在該路段的平均啟動(dòng)間隔時(shí)間為38 s、平均啟動(dòng)次數(shù)為9.5次。

由此計(jì)算得到車輛通過收費(fèi)站的油耗值如下：

W=27.6×18.07+0.23×38×9.5=581.76(mL)

將設(shè)置交通控制系統(tǒng)前后車輛啟停次數(shù)和油耗值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)設(shè)置控制系統(tǒng)后車輛啟停次數(shù)和油耗值均減少了近10倍。

4.3.3 不同隊(duì)長(zhǎng)的最優(yōu)參數(shù)值

車輛總排隊(duì)長(zhǎng)度不同，L3的大小也隨之變化。為了實(shí)現(xiàn)不同排隊(duì)長(zhǎng)度下達(dá)到最優(yōu)節(jié)能減排的效果，表2中列舉了與L值對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)參數(shù)值。

表2 信號(hào)控制系統(tǒng)參數(shù)選取

5 結(jié) 語

筆者針對(duì)高速公路瓶頸處車流擁擠緩行現(xiàn)象，在保證不增加通過時(shí)間的基礎(chǔ)上，建立了實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的交通控制系統(tǒng)；最后以津保高速實(shí)測(cè)交通參數(shù)為例，對(duì)交通擁擠緩行車流的起停次數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，將設(shè)置交通控制系統(tǒng)前后的車輛起停次數(shù)及油耗參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

結(jié)果表明:設(shè)置交通控制系統(tǒng)后車輛起停次數(shù)和燃油消耗顯著降低。根據(jù)控制系統(tǒng)各參數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)一步推導(dǎo)出控制系統(tǒng)的最佳參數(shù)計(jì)算方法及不同排隊(duì)長(zhǎng)度時(shí)所對(duì)應(yīng)的L2和L3最優(yōu)取值。

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Control Technique of Congested Traffic of Freeway Bottlenecks from the Perspective of Energy Conservation and Emission Reduction

CUI Hongjun1, LI Hainan1, ZHANG Zhilei2, ZHU Minqing3

(1. College of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, P.R.China;2. Shenzhen Transportation Design & Research Institute Co. Ltd., Shenzhen 518003, Guangdong, P.R.China; 3. Hebei Provincial Expressway Jinqin Administrative Office, Qinhuangdao 056000, Hebei, P.R.China)

For the questions of vehicles crowded and postponed, frequent start-stop and a sharp increase of fuel which often occurred at the bottlenecks of traffic capability sections, such as construction section and toll station on the freeway, an energy conservation and emission reduction control system of vehicles crowded and postponed was established, which was based on full investigation about the traffic flow characteristics and combined with traffic control technology and sensor detection technology. The case study indicates that the control system significantly reduces the number of vehicle start-stops and fuel consumption on the premise that the time of vehicle passing is not increased.

traffic and transportation engineering; traffic bottlenecks; crowded and postponed; traffic control; energy conservation and emission reduction

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.26

2014-06-05；

2015-05-11

崔洪軍(1974—)，男，河北定州人，教授，博士，主要從事交通管控及規(guī)劃方面的研究。E-mail: cuihj1974@126.com。

張志磊(1989—)，男，河北邢臺(tái)人，碩士研究生，主要從事交通管控及規(guī)劃方面的研究。E-mail: 1148840536@qq.com。

U491.1+12

A

1674-0696(2016)03-125-04