高速公路出口匝道平面交叉口自適應(yīng)信號控制策略研究

楊 勇，錢公斌

（1.江蘇省高速公路管理局，江蘇 南京 210004；2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210014）

高速公路出口匝道平面交叉口自適應(yīng)信號控制策略研究

楊 勇1，錢公斌2

（1.江蘇省高速公路管理局，江蘇 南京 210004；2.江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，江蘇 南京 210014）

針對滬寧高速公路G42馬群互通出口匝道擁堵蔓延至高速主線上的問題，提出了基于Aimsun仿真的自適應(yīng)信號控制策略。通過數(shù)據(jù)的采集、擁堵原因分析、提出緩堵策略，在關(guān)鍵監(jiān)測點布設(shè)檢測器檢測速度和占有率，并實現(xiàn)與相連交叉口信號控制器的聯(lián)動控制，達(dá)到對交叉口的自適應(yīng)控制，基于仿真軟件Aimsun對方案實施的效果作了評價研究，結(jié)果表明文中提出的自適應(yīng)信號控制策略，可以有效地降低車輛的延誤時間和排隊長度，提高道路的通行能力。

交通仿真；自適應(yīng)信號控制；Aimsun；交叉口優(yōu)化

1 概述

高速公路出口匝道是連接高速公路與地方道路的重要通道，是道路系統(tǒng)中的重要組成部分。滬寧高速馬群互通連接太陽城路出口匝道是一個典型的高速公路連接城市道路區(qū)域，該區(qū)域以東連接江蘇省內(nèi)流量最大的滬寧高速，以西是南京主城區(qū)。作為外地進(jìn)入南京城區(qū)的東大門，馬群樞紐區(qū)域的交通需求十分巨大，在上下午高峰時期，車流在匝道口出現(xiàn)擁堵，并且排隊車輛蔓延至高速主路上，嚴(yán)重影響主路上車輛的正常行駛。自適應(yīng)信號控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)車輛運(yùn)行效率的最大化，提高道路的通行能力，在一定程度上能夠緩解交通擁堵，因此對該區(qū)域（如圖1所示）進(jìn)行自適應(yīng)信號控制策略緩解交通擁堵的研究具有重要意義。

交通仿真技術(shù)是研究運(yùn)用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)建立一個能夠代替現(xiàn)實的交通系統(tǒng)的計算機(jī)模型的過程［1］，該模型能夠再現(xiàn)實際交通系統(tǒng)的特性，分析交通系統(tǒng)在各種設(shè)定條件下的可能行為，通過模型仿真試驗的結(jié)果，以尋求交通問題的最優(yōu)解，評價各類設(shè)計方案的效果。本文通過提出的自適應(yīng)信號控制策略來緩解馬群區(qū)域的交通擁堵，并通過仿真軟件Aimsun的輸出指標(biāo)（排隊長度和延誤時間）對緩堵效果進(jìn)行評價。

圖1 研究區(qū)域示意圖

2 擁堵成因分析

通過對現(xiàn)場車輛運(yùn)行情況的觀測，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域交通的主要問題集中在滬寧高速馬群互通由東向西至太陽城路下匝道出口?，F(xiàn)場觀測結(jié)果顯示，高峰時期下匝道擁堵的車輛發(fā)生排隊回溯并蔓延至主線上，且最大排隊長度超過了140輛車，排隊長度蔓延至高速公路主路上游450 m以上。通過調(diào)查人員的多次踏勘，深入挖掘和分析擁堵產(chǎn)生的原因，總結(jié)歸納為3個方面：道路條件、車流組成和信號配時。

2.1 道路條件

根據(jù)馬群互通所處的地理位置可以發(fā)現(xiàn)，在擁堵區(qū)域上游（不足50 m處）存在交織區(qū)域（寧洛高速公路至滬寧高速公路行駛車輛與滬寧高速主路上的車輛在此交匯），如圖2所示。且馬群樞紐下匝道幾何線性為小半徑圓曲線，縱向上坡單車道，車輛經(jīng)過此匝道區(qū)域時，行駛緩慢，造成車輛在匝道出口產(chǎn)生擁堵和排隊。

圖2 擁堵區(qū)域上游交織區(qū)示意圖

2.2 車流組成

通過觀測數(shù)據(jù)可知，在下匝道車流組成中，貨車所占比例較大，高峰時期貨車一直保持在一個很高的比例（約18%）。由于大型貨車本身體積較大，機(jī)動性差，會嚴(yán)重干擾小車的正常行駛，車輛經(jīng)過此匝道時，造成車流無法正常有序消散。

2.3 信號配時

通過現(xiàn)場采集的信號配時數(shù)據(jù)可知，由北向南的綠燈信號時長為45 s，由西向北的綠燈信號時長為48 s，較大流量的兩個方向目前使用了大部分的綠燈信號時長。但是從現(xiàn)場觀測的實際的路口排隊情況來看，由北向南的綠燈時長還存在一定的富余，上下午高峰時期由西向北綠燈信號時長嚴(yán)重不足，因此易造成車輛在匝道口擁堵。如圖3所示。

圖3 擁堵區(qū)域信號配時示意圖

3 自適應(yīng)信號控制方案

通過對關(guān)鍵交叉口實施自適應(yīng)信號控制，增加出口匝道所在相位的綠燈時間，可以改善交叉口的通行能力，起到緩解交通擁堵的作用［2-4］。實施自適應(yīng)信號控制方案需要分析合理的配時方案選取依據(jù)和轉(zhuǎn)換時機(jī)，通過設(shè)置車輛檢測器對交通條件進(jìn)行檢測，并與信號控制機(jī)聯(lián)動，對信號配時進(jìn)行實時調(diào)整。

應(yīng)用車輛探測技術(shù)，在關(guān)鍵出口匝道安裝車輛檢測器，并實現(xiàn)與相連交叉口信號控制器的聯(lián)動控制，在檢測到出口匝道交通擁堵嚴(yán)重的情況下（即當(dāng)排隊車輛延伸至主線上時），對該交叉口的信號相位進(jìn)行自適應(yīng)控制，優(yōu)先排放出口匝道上的車流。擁堵監(jiān)測點（速度和占有率檢測）和實施交通信號自適應(yīng)控制的交叉口（交叉口1）位置如圖4所示。

圖4 方案實施的關(guān)鍵節(jié)點

交叉口1的信號相位如圖5所示。從控制目的而言，該交叉口的關(guān)鍵相位為相位3，而對于其他兩個相位，根據(jù)交通流量，相位1為重要相位（對應(yīng)交通流量較大），相位2為一般相位（對應(yīng)交通流量較?。?。

圖5 交叉口1信號相位

以檢測器檢測到的速度和占有率表征出口匝道擁堵情況，當(dāng)出口匝道擁堵嚴(yán)重時，對交叉口1進(jìn)行自適應(yīng)控制。具體方案為交叉口周期長度不變，適當(dāng)增加相位3的綠燈時間，壓縮相位1和相位2的綠燈時間。

設(shè)交叉口2的周期長度為C，相位1的綠燈時間為t1，定時控制時的綠燈時間為t'1，相位2的綠燈時間為t2，定時控制時的綠燈時間為t'2，相位3的綠燈時間為t3，定時控制時的綠燈時間為t'3，設(shè)置最小綠燈時間為tmin，最大綠燈時間為tmax。

v（T）為T時段檢測器采集到的速度數(shù)據(jù)，o（T）為T時段檢測器采集到的占有率數(shù)據(jù)，當(dāng)v（T）＜α1vf，且o（T）＜β1of時，匝道嚴(yán)重?fù)矶拢せ钚盘柵鋾r方案A；而當(dāng)v（T）＜α2vf，且o（T）＜β2of時，交通恢復(fù)到可接受范圍，激活信號配時方案B，為了避免信號配時過于頻繁波動，對于除此之外的其他情況，維持與上一周期相同的信號配時方案。其中vf和of分別表示平峰時期的速度平均值和占有率平均值，系數(shù)α1、β1、α2、β2可以通過在仿真中采取參數(shù)回歸的方式獲取，實際應(yīng)用中也可以根據(jù)工程經(jīng)驗適當(dāng)調(diào)整。配時方案A和配時方案B的設(shè)置情況如表1所示。

表1 地點1高峰時期信號相位和配時

表1中，?t表示綠燈增加時長，可預(yù)先設(shè)置不同的?t，通過仿真觀察其實施效果，?t設(shè)置時需滿足的限制條件為t'3+?t≤tmax。

自適應(yīng)控制流程圖如圖6所示：

圖6 交叉口1信號控制方案流

4 微觀交通仿真

微觀交通仿真建模分析能夠為交通分析人員提供交通系統(tǒng)的現(xiàn)狀，同時，它還可以為各種交通產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)和性能優(yōu)化提供直接的技術(shù)支持，為說服交通管理決策層采納新的交通理念提供幫助。

本文基于Aimsun仿真軟件進(jìn)行微觀交通仿真主要分為以下幾個步驟［5］：首先是通過搭建路網(wǎng)，交通流特性的輸入及交通規(guī)則、信號控制方案的設(shè)置進(jìn)行仿真建模，其次是對仿真模型進(jìn)行校準(zhǔn)、驗證及測試，最后是對自適應(yīng)信號控制方案在校正后的模型中進(jìn)行實現(xiàn)，并評價方案實施的效果。

4.1 仿真建模

對于交通流的仿真研究而言，模型是仿真的基礎(chǔ),仿真是模型的實現(xiàn)［6］。通過現(xiàn)場觀測馬群樞紐地區(qū)的道路條件和幾何線性，參照百度地圖的實景圖進(jìn)行原始路網(wǎng)的搭建。同時工作人員于2015-11-12～2015-11-16在馬群樞紐處進(jìn)行了為期一周的交通調(diào)查。在上下午高峰時期對該區(qū)域的交通數(shù)據(jù)進(jìn)行采集（包括交通量、信號配時等），將采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和處理后錄入到仿真平臺中，馬群的測試平臺如圖7所示。

圖7 馬群的測試平臺示意圖

4.2 模型校準(zhǔn)

仿真平臺的校驗是確保仿真有效性、可靠性的關(guān)鍵。仿真平臺校準(zhǔn)是根據(jù)實地交通運(yùn)行狀況，對仿真平臺進(jìn)行調(diào)整，使模型能夠準(zhǔn)確模擬仿真對象的交通運(yùn)行特征及過程。主要分為建模檢查和仿真動畫檢查。

（1）建模檢查

通過采集到的交通流量數(shù)據(jù)，對整個仿真模型的各個節(jié)點輸出交通流量進(jìn)行核對，確保仿真路網(wǎng)各個區(qū)域的流量和運(yùn)行情況與實際路網(wǎng)基本吻合。出口匝道北向南直行實際車流量和仿真車流量的對比結(jié)果如圖8所示。

圖8 出口匝道北向南直行流量對比圖

（2）動畫檢查

通過現(xiàn)場實際觀測確定兩個特征區(qū)域如下：仙林大街由東向南往太陽城路方向車輛，高峰時期車輛排隊現(xiàn)象明顯；滬寧高速由東向西下匝道往太陽城路方向，車輛在下匝道出現(xiàn)較長排隊，特征比較明顯，作為校對區(qū)域。仿真結(jié)果如圖9所示。由圖可知仿真動畫與實際觀測情況基本吻合，可作為方案實施的平臺。

圖9 排隊車輛示意圖

4.3 方案實現(xiàn)

應(yīng)用搭建好的仿真路網(wǎng)進(jìn)行自適應(yīng)交通控制策略研究，包括在監(jiān)測路段布設(shè)檢測器，設(shè)計自動化信號控制配時，并實現(xiàn)監(jiān)測點和控制點關(guān)聯(lián)。監(jiān)測和控制關(guān)系如圖10所示。

圖10 自適應(yīng)信號控制策略仿真實施示意圖

信號配時的調(diào)整采用由西向北方向綠燈信號分別增加5 s、10 s、15 s的時間且其他方向綠燈時長相應(yīng)減少，保持整個信號相位的周期不變，以此觀測車流的行駛狀態(tài)，篩選出效果最優(yōu)的方案，方案實施細(xì)則如表2、圖11所示。

4.4 仿真輸出與評價

選取同一時刻（2015-11-16T8：45），對實施方案2前后的車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真動畫可視化對比，以此來觀測所提方案的緩堵效果，緩解擁堵效果如圖12所示。

車輛在交叉口的延誤時間和排隊長度是評價擁堵程度的兩個重要參數(shù)［7］，本文通過選取排隊長度和延誤時間作為仿真的輸出指標(biāo)。排隊長度為單車道一個信號周期內(nèi)（2 min）最大排隊車輛數(shù)，延誤時間是指車輛由于正常行駛受阻所損失的時間，輸出指標(biāo)為十次仿真隨機(jī)種子的平均值。選取2015-11-16上午高峰時期的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，仿真輸出指標(biāo)如表3所示。

表2 自適應(yīng)信號控制策略方案實施

圖11 相位示意圖

圖12 方案實施后緩堵效果對比

表3 信號控制策略輸出指標(biāo)匯總

通過輸出結(jié)果可知，在車流行駛高峰時期，地點1下匝道出口處平均延誤時間為164 s，排隊長度為54輛車，實施策略后，排隊長度和延誤時間都有明顯的減少，排隊長度和延誤時間平均減少了35%。由此可知所提方案對緩解該地區(qū)的交通擁堵是有效的。

同時對方案實施的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了定量評估，按照高峰時期90 min內(nèi)該下匝道經(jīng)過1 500輛車計算，每天約3 000輛車在此發(fā)生擁堵，并產(chǎn)生時間延誤。由國家統(tǒng)計局2015年上半年發(fā)布的人均GDP的產(chǎn)值，以通過實施自適應(yīng)信號控制策略后每輛車平均減少30 s的延誤時間計算，帶來的年經(jīng)濟(jì)效益約為32萬元。

5 結(jié)論

本文通過對南京馬群樞紐處高速公路出口匝道擁堵原因進(jìn)行分析，應(yīng)用Aimsun仿真軟件再現(xiàn)現(xiàn)場實際路況，仿真運(yùn)行道路條件、交通流量和信號配時輸入與實際情況相符，驗證了自適應(yīng)信號控制策略的有效性，目標(biāo)是輔助交通管理策略的實施，為交通管理部門的決策提供了參考和依據(jù)。

本文從交通信號控制的角度提出了擁堵緩解方案并通過仿真驗證了其在短期內(nèi)的有效性。但是從本質(zhì)來看，造成馬群樞紐出口匝道交通擁堵的最主要原因是地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及道路供給的嚴(yán)重不足。 因此，下一步將結(jié)合相關(guān)的交通規(guī)劃政策等，研究如何借助仿真手段實施新增互通等長遠(yuǎn)發(fā)展策略，從根本上解決馬群樞紐處的交通擁堵問題。

［1］裴玉龍，張亞平.道路交通系統(tǒng)仿真［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］周雅玲.城市交通信號控制方法綜述［J］.東南大學(xué)學(xué)報(哲學(xué)社會科學(xué)版). 2015（S1）：61-64.

［3］宋志洪，尹少東，于海洋，等.基于微波檢測器的道路交叉口信號自適應(yīng)控制方法研究［J］.現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2014，（12）：15-18.

［4］劉暢.基于VISSIM的城市道路交叉口自適應(yīng)信號控制仿真技術(shù)研究［D］.南昌：華東交通大學(xué)，2015.

［5］AIMSUN 6.1 User Manual，TSS，2011.3

［6］申麗君.基于AIMSUN的城市交通流的仿真研究［D］.西安：長安大學(xué)，2007.

［7］Transportation Research Board. Highway Capacity Manual 2000［R］. Washington D.C：Transportation Research Board publications，2000.

Study on Expressway Off-ramp Adaptive Signal Control

Yang Yong1, Qian Gongbin2
（1. Jiangsu Province Expressway Administration, Nanjing 210004, China; 2. Jiangsu Provincial Communications Planning and Design and Institute Co., Ltd., Nanjing 210014, China）

To relieve the off-ramp spillover queue problem at Maqun interchange on Nanjing-Shanghai Expressway , this paper developed an adaptive traffic signal control strategy based on Aimsun traffic simulator. The queuing and congestion problem had been analyzed upon the traffic data collected at the interchange. The adaptive signal control strategy was developed with consideration of real-time spillover queue detection. The strategy was evaluated on a calibrated test-bed built with Aimsun traffic simulation. The evaluation results indicated the effectiveness of the proposed strategy in reducing delay time and queue length, reflecting the safety and efficiency improvement on the traffic operations.

traffic simulation; adaptive signal control; Aimsun; intersection optimization

U491.2+32

A

1672-9889（2016）06-0080-05

2016-02-24）

楊勇（1980-），男，湖北宜都人，工程師，主要從事高速公路管理工作。