快速路智能協(xié)同控制的影響因素研究

李 敢

（中國城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院深圳分院，廣東 深圳 518055）

當(dāng)前，城市快速路交通擁堵日益嚴(yán)峻，引發(fā)延誤增加、環(huán)境污染、交通安全等一系列問題。針對(duì)上述問題，限于土地、資金等方面的因素，傳統(tǒng)粗放式增建快速道路已很難取得良好效益。相反，協(xié)同多種控制策略對(duì)快速路進(jìn)行有效控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路資源的充分利用，成為緩解交通擁堵的一劑良方。

目前，協(xié)同控制在理論研究及工程實(shí)踐中取得了一定的成果，其中，最顯著的是匝道控制和可變限速控制的協(xié)同控制，但以往研究缺乏對(duì)協(xié)同控制影響因素的系統(tǒng)梳理?；诖?，文章運(yùn)用文獻(xiàn)綜述的方法，展開深入探索及研究，全面地梳理與分析快速路協(xié)同控制的影響因素，為協(xié)同控制在我國快速道路上的理論研究及實(shí)踐應(yīng)用提供依據(jù)。

1 快速路智能協(xié)同控制概述

1.1 快速路概述

快速路是在城市內(nèi)修建的，中央分隔、全部控制出入、控制出入口間距及形式，具有單向雙車道或以上的多車道，并設(shè)有配套的交通安全與管理設(shè)施的城市道路?？焖俾放c高速公路及其他等級(jí)城市道路存在顯著區(qū)別，其最重要的三個(gè)交通特點(diǎn)為交通管理與控制相對(duì)簡(jiǎn)單但方式豐富、交通流特性與交通組成相對(duì)簡(jiǎn)單、出入口密度較高。

1.2 交通流惡化過程

當(dāng)快速路交通量小于路段通行能力，主線車輛所受干擾較小，交通流穩(wěn)定且快速通行。當(dāng)交通量持續(xù)增加，超出通行能力時(shí)，在不采取任何控制措施的條件下，交通流難以穩(wěn)定運(yùn)行，最終形成交通堵塞，并伴隨兩種明顯現(xiàn)象：通行能力下降和交通流溢出。交通擁堵后，自由流狀態(tài)下的車頭時(shí)距將無法維持，導(dǎo)致道路通行能力下降。A點(diǎn)變化至B點(diǎn)，通行能力大約降低10%～30%[1]。此外，由于擁堵導(dǎo)致入口匝道出現(xiàn)排隊(duì)現(xiàn)象，當(dāng)排隊(duì)長度超過其最大承載能力時(shí)，產(chǎn)生交通流溢出現(xiàn)象，如圖1和圖2所示。

圖1 通行能力降低示意圖

圖2 交通流溢出現(xiàn)象

1.3 智能協(xié)同控制

組合多種控制方式對(duì)快速路交通流進(jìn)行控制與管理，能夠有效地抑制交通惡化，避免交通擁堵，例如，實(shí)施匝道控制和可變限速的協(xié)同控制。

匝道控制 （RM） 通過控制匝道駛?cè)虢煌?，減小匝道對(duì)主線車流的干擾，避免交通流惡化?？勺兿匏倏刂?（VSL）利用物聯(lián)網(wǎng)、電子感應(yīng)等技術(shù)手段，收集道路、交通、環(huán)境等條件信息，綜合分析各項(xiàng)信息，合理選擇控制算法確定限制速度值，保證車行安全條件下實(shí)現(xiàn)最佳的交通流量和密度。

2 協(xié)同控制影響因素

協(xié)同控制涉及內(nèi)容多且廣，如模型算法、協(xié)同方式、道路及交通條件、設(shè)計(jì)指標(biāo)等，因此，影響協(xié)同控制效果的因素很多。文章主要從理論方法、技術(shù)應(yīng)用和其他三個(gè)方面系統(tǒng)地梳理與分析協(xié)同控制的影響因素，如圖3所示。

圖3 快速路協(xié)同控制影響因素

2.1 理論方法

2.1.1 控制算法

匝道控制和可變限速控制通過相應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)。采用不同算法，協(xié)同控制實(shí)施效果將存在顯著差異。匝道控制有多種類型，如單點(diǎn)控制與協(xié)調(diào)控制，對(duì)于同一類型匝道控制，又存在不同控制算法。對(duì)于單點(diǎn)控制，常見算法有Demand-Capacity控制法，Occupancy控制法，模糊控制法，ALINEA算法以及ALINEA的改進(jìn)算法。M.Greguri等對(duì)比了三種匝道控制算法，研究發(fā)現(xiàn)，ALINEA算法由于各匝道孤立缺乏聯(lián)系導(dǎo)致其產(chǎn)生平均行程時(shí)間與平均延誤最大；HELPER算法產(chǎn)生的平均延誤、總行程時(shí)間以及平均排隊(duì)數(shù)最?。籗WARM算法產(chǎn)生的平均行程時(shí)間最小，但造成了更多的延誤[2]。

可變限速控制策略可簡(jiǎn)單分為被動(dòng)控制與主動(dòng)控制。被動(dòng)控制是基于規(guī)則的簡(jiǎn)單邏輯控制，其限制速度根據(jù)交通流量、占有率或平均速度等指標(biāo)進(jìn)行設(shè)置。PEI-WEI LIN等提出VSL-1和VSL-2兩種被動(dòng)控制算法，結(jié)果顯示，對(duì)于改善交通流運(yùn)行效率，VSL-2控制效果更優(yōu)[3]。

在被動(dòng)控制的基礎(chǔ)上，主動(dòng)控制引入預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)交通流狀態(tài)， 提前調(diào)整控制輸出以應(yīng)對(duì)未來交通流惡化。目前，預(yù)測(cè)模型多為Payne第二代模型的改進(jìn)版本，這些改進(jìn)模型因采用的期望速度表達(dá)式不同，導(dǎo)致控制效果也不盡相同。

此外，可變限速控制算法還有MCS、RCP、SPECIALIST、MTFC-VSL以及COSCALv2等，這些算法對(duì)交通運(yùn)行影響各有差異。Ellen Grumert等從交通安全、運(yùn)行效率以及環(huán)境影響三個(gè)方面評(píng)估四種控制算法：MCS、SPECIALIST、MTFC和RCP，結(jié)果表明，MTFC控制算法在提升交通安全、改善運(yùn)行效率和降低環(huán)境影響上均具有明顯的優(yōu)勢(shì)[4]，如圖4所示。

圖4 不同VSL算法下控制效果對(duì)比：運(yùn)行效率

2.1.2 交通流模型

交通流模型分為微觀模型、中觀模型和宏觀模型。對(duì)于快速路宏觀交通流模型，除了經(jīng)典的GreenShields、Underwood和Greenberg等模型外，最重要也是應(yīng)用最多的模型為METANET模型和元胞傳輸模型 （CTM）。

在協(xié)同控制已有研究中，大多只是獨(dú)立地采用某種模型，缺乏對(duì)兩種模型的分析對(duì)較。在其他領(lǐng)域，A.Spiliopoulou等以出口匝道為研究對(duì)象，證明了METANET模型模擬效果更好，對(duì)比結(jié)果如表1所示[5]。

表1 不同交通流模型下控制效果對(duì)比

2.1.3 協(xié)同方式

協(xié)同方式主要有三種，匝道控制優(yōu)先式[6]、可變限速控制優(yōu)先式[7]以及兩者同步式[8]。匝道控制優(yōu)先式先確定入口匝道率，再確定限制速度?？勺兿匏倏刂苾?yōu)先式與之相反，協(xié)同控制系統(tǒng)先確定限制速度，再確定入口匝道率。兩者同步式在一個(gè)控制周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)匝道率和限制速度值得同步輸出。三種協(xié)同方式各有特點(diǎn)，對(duì)路網(wǎng)的控制效果也不相同。匝道控制優(yōu)先式、可變限速控制優(yōu)先式以及兩者同步式原理圖分別如圖5、圖6和圖7所示。

圖5 匝道控制優(yōu)先式原理圖

圖6 可變限速控制優(yōu)先式原理圖

圖7 兩者同步式原理圖

2.1.4 優(yōu)化目標(biāo)

為保證控制效果最優(yōu)，模型預(yù)測(cè)控制被廣泛采用。模型預(yù)測(cè)控制由四部分組成：預(yù)測(cè)、效果評(píng)估、優(yōu)化和控制。其中，優(yōu)化的核心在于選擇優(yōu)化目標(biāo)。以往研究中，優(yōu)化指標(biāo)可以歸納為三個(gè)方面：交通效率、交通安全以及交通環(huán)境。在交通效率方面，優(yōu)化指標(biāo)有總行程時(shí)間 （TTS）、總延誤 （TTD）、總駛出交通量 （TTV）、車輛總行駛距離（CTTD） 以及上述組合指標(biāo)。交通安全方面的指標(biāo)有速度變異系數(shù) （CVS）、事故發(fā)生概率 （PC）、待碰撞時(shí)間 （TTC）等。在交通環(huán)境方面，直觀指標(biāo)為燃料消耗量 （FC）、二氧化碳排放量 （CO2）、一氧化碳排放量 （CO）、碳?xì)湮锱欧帕浚℉C）、氮氧物排放量 （NOx） 等，間接指標(biāo)有排放消耗比（E/FC） 等。

優(yōu)化目標(biāo)會(huì)直接導(dǎo)致輸出最優(yōu)化控制參數(shù)的異同，進(jìn)而影響控制效果。如Bidoura Khondaker等考慮了機(jī)動(dòng)性、安全性以及環(huán)境性三個(gè)維度，并改變各個(gè)維度的權(quán)重系數(shù)分別建立不同的目標(biāo)函數(shù)，結(jié)果顯示控制效果隨目標(biāo)函數(shù)的變化而顯著不同，仿真結(jié)果如表2所示[9]。

表2 不同優(yōu)化目標(biāo)下控制效果對(duì)比

2.1.5 控制參數(shù)

協(xié)同控制參數(shù)主要有三類：控制算法參數(shù)、交通流模型參數(shù)以及MPC控制系統(tǒng)參數(shù)。其中，控制算法參數(shù)主要為調(diào)整參數(shù)；交通流模型參數(shù)包括路段基礎(chǔ)參數(shù)，路段劃分長度以及模型中待標(biāo)定參數(shù)；MPC控制系統(tǒng)參數(shù)主要有采樣周期與控制周期、預(yù)測(cè)步長與控制步長等?？刂茀?shù)的選取對(duì)控制效果影響顯著，應(yīng)結(jié)合快速路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，合理標(biāo)定協(xié)同系統(tǒng)中的參數(shù)，并進(jìn)行有效性驗(yàn)證。

2.2 技術(shù)應(yīng)用

2.2.1 道路條件

道路條件主要指道路類型與幾何條件。道路類型包括快速路、出入口以及銜接道路等的類型及形式?？焖俾分饕问接懈呒苁健⒙返淌?、路塹式、地平式和隧道式。出入口類型主要有互通式立交匝道出入口、高架路匝道出入口和平面輔路匝道出入口，組合形式分四種：入口—出口、入口—入口、出口—入口和出口—出口。銜接道路類型主要為高速路、快速路、主干路、次干路、輔路等。幾何條件方面影響因素包括主線橫斷面形式、平縱橫線性、車道數(shù)及車道寬度等。

2.2.2 交通條件

交通條件影響因素主要為道路通行能力以及交通特性。道路通行能力包括主線通行能力和匝道通行能力。主線通行能力與其設(shè)計(jì)速度有關(guān)，匝道通行能力與其設(shè)計(jì)速度和坡度有關(guān)。交通特性包括交通流特性以交通組成特性，其中，交通流特性包括主線與入口匝道的交通流特性，如交通量、速度、密度三參數(shù)的時(shí)空分布特性。

2.2.3 設(shè)計(jì)條件

設(shè)計(jì)條件包含匝道控制和可變限速控制兩方面的相關(guān)設(shè)計(jì)條件。對(duì)于匝道控制，設(shè)計(jì)條件主要有匝道放行方式、加速車道長度、停車線位置等。單車道入口匝道放行方式主要有單輛放行式與列隊(duì)放行式，不同放行方式對(duì)應(yīng)不同的入口匝道率，從而影響控制效果。可變限速控制設(shè)計(jì)條件涉及VSL應(yīng)用形式、區(qū)域長度、加速車道長度、可變限速信息牌 （VMS） 數(shù)目及位置、限制速度值及更新頻率等。其應(yīng)用方式分為點(diǎn)控 （P-VSL） 和面控 （S-VSL） 兩種。點(diǎn)控在控制區(qū)域內(nèi)合理選擇控制點(diǎn)，車輛通過控制點(diǎn)時(shí)需根據(jù)控制點(diǎn)處的可變限速信息牌調(diào)整速度，并維持此速度值直至下一控制點(diǎn)。面控作用于整個(gè)控制區(qū)域，一旦限制速度值發(fā)生變化，控制區(qū)域內(nèi)所有車輛同時(shí)調(diào)整速度，控制區(qū)域內(nèi)車輛速度并不完全一致。Eduardo Rauh Müller等研究發(fā)現(xiàn)S-VSL反應(yīng)更加迅速，控制效果更優(yōu)，P-VSL示意圖如圖8所示，S-VSL示意圖如圖9所示，對(duì)比結(jié)果如表3所示[10]。

圖8 P-VSL示意圖

圖9 S-VSL示意圖

表3 P-VSL和S-VSL對(duì)比結(jié)果圖

VSL區(qū)域太長，則延誤增加，區(qū)域太短，車輛無法減速至限制速度。VSL加速車道指從VSL區(qū)域尾部到瓶頸路段處的路段，其長度影響控制的效果，加速車道太短，則加速不充分，車輛駛至瓶頸路段時(shí)速度不夠，影響車輛合流；加速車道過長，車輛通過需要更多的時(shí)間，增加了延誤。有學(xué)者研究了不同區(qū)域長度和不同加速車道長度下的控制效果，發(fā)現(xiàn)區(qū)域長度及加速車道分別為100、175 m時(shí)，總行程時(shí)間最小[10]。

Huiyuan Liu等[11]證明了VMS數(shù)目及位置也會(huì)影響可變限速系統(tǒng)的控制效果。限制速度值、限制速度差值及其更新頻率對(duì)控制效果影響也很大，如M Papageorgiou等[12]發(fā)現(xiàn)當(dāng)路段密度小于臨界密度時(shí)，限制速度值越高，流量—密度曲線斜率越小。M.Tazul Islam等從機(jī)動(dòng)性和安全性兩個(gè)角度探尋最佳的限制速度差值及更新頻率，結(jié)果顯示，限制速度差值為10 km/h，且每5 min更新時(shí)，控制效果最優(yōu)[13]。

2.2.4 其他條件

其他影響因素主要為遵守率和普及率。遵守率是車輛是否按照限制速度值行駛的直觀反映，它直接影響顯示的速度值，遵守率越高，限制速度顯示值越高，反之越低。另外，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，快速路控制相關(guān)研究開始利用技術(shù)和數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行多方面的探索，如實(shí)現(xiàn)VSL面控制等。影響這些研究的一個(gè)重要因素就是車聯(lián)網(wǎng)普及率，普及率越低，則可使用數(shù)據(jù)越少，模型精度與控制效果受到影響。如文獻(xiàn)[9]對(duì)比了兩種普及率下可變限速控制效果，結(jié)果顯示100%普及率時(shí)控制效果顯著最優(yōu)。

2.3 其他因素

2.3.1 不良天氣

不良天氣主要包括雨天、霧天、雪天等。不良天氣對(duì)快速路控制系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是降低能見度及道路摩擦系數(shù)，增加交通事故概率；二是車輛行駛速度下降，路段通行能力降低，導(dǎo)致行程時(shí)間增加，交通擁堵更易發(fā)生。

2.3.2 緊急事件

緊急事件是指能引起車道通行能力下降或交通需求增加的非正常事件，如事故、停滯、公路維護(hù)、項(xiàng)目重建等，它具有偶發(fā)性與不可預(yù)測(cè)性，影響控制效果，甚至導(dǎo)致延誤和交通擁堵，引發(fā)二次交通事故。

3 結(jié)語

針對(duì)快速路協(xié)同控制影響因素展開研究。首先闡釋了快速路交通流的惡化過程，指出協(xié)同控制是穩(wěn)定交通流的有效手段。然后從理論方法、技術(shù)應(yīng)用和其他因素三個(gè)方面系統(tǒng)梳理和分析了協(xié)同控制的影響因素。本研究為科學(xué)制定協(xié)同控制策略奠定了理論基礎(chǔ)，促進(jìn)協(xié)同控制在我國快速道路上有效實(shí)施，推動(dòng)城市交通向現(xiàn)代化、智能化的方向發(fā)展，為城市解決交通擁堵、提高交通效率添一份力。