謝濟(jì)銘, 彭博,2, 蔡曉禹,2, 唐聚, 張媛媛
(1.重慶交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院, 重慶 400074;2.山地城市交通系統(tǒng)與安全重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400074)
隨著汽車保有量的連年增長(zhǎng),連接城市各組團(tuán)的主動(dòng)脈——城市快速路在節(jié)點(diǎn)區(qū)域經(jīng)常發(fā)生交通擁堵??焖俾方豢梾^(qū)由于其交通流復(fù)雜性及自身組成的特殊性,成為快速路擁堵的主要節(jié)點(diǎn),大大制約了快速路功能的發(fā)揮。隨著城市交通的愈發(fā)復(fù)雜,交織區(qū)占比上升,交織復(fù)雜度逐步升級(jí)。對(duì)交織區(qū)交通流進(jìn)行合理控制,可減少或避免交織區(qū)由于換道等產(chǎn)生的交通問題,其中如何實(shí)現(xiàn)高效交通控制策略是交通完善的關(guān)鍵一步。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在交織區(qū)、分流區(qū)、合流區(qū)等區(qū)域交通流特性方面展開了大量研究,取得了一系列成果,包括通行能力、服務(wù)水平、車輛行為、幾何構(gòu)型、安全分析、仿真分析、控制策略等。但針對(duì)交織區(qū)內(nèi)部控制的相關(guān)研究較少。該文從運(yùn)行特性、安全特性、控制策略三方面綜述交織區(qū)控制策略,研究交織區(qū)多途徑協(xié)同控制策略,為提升交織區(qū)運(yùn)行效率提供借鑒。
交織區(qū)運(yùn)行特性分析的目的是描述交通流特性和運(yùn)行狀態(tài),運(yùn)行特性主要包括幾何特性、交通流特性、車輛行為特性三方面。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者大都從幾何長(zhǎng)度、匝道間距兩方面對(duì)交織區(qū)幾何特性展開研究,主要通過元胞自動(dòng)機(jī)理論、微觀仿真等方法,提出交織區(qū)長(zhǎng)度、匝道間距等建議值。例如:文獻(xiàn)[1]提出了一定交織交通量和服務(wù)水平下交織區(qū)長(zhǎng)度的取值上、下限;文獻(xiàn)[2]建立連續(xù)多次換道的軌跡模型,計(jì)算了分流區(qū)合理長(zhǎng)度;文獻(xiàn)[3]通過定量模型公式變形,給出了匝道間距推薦區(qū)間;文獻(xiàn)[4]構(gòu)建了先入后出型匝道最小間距計(jì)算模型,并提出了間距推薦區(qū)間;文獻(xiàn)[5]建立了高速公路主路和同側(cè)匝道出入口的最小間距模型,并提出了指標(biāo)值。
1.2.1 交織區(qū)運(yùn)行狀態(tài)
主要從交通參數(shù)建模分析、交通狀態(tài)判別兩方面展開交織區(qū)運(yùn)行狀態(tài)研究。在交通參數(shù)建模分析方面,文獻(xiàn)[6]提出了交織區(qū)影響下合流區(qū)車頭時(shí)距的絕對(duì)值韋布爾分布模型;文獻(xiàn)[7]提出了交織區(qū)速度改進(jìn)回歸模型;文獻(xiàn)[8]得出了匝道出入口、合流區(qū)、分流區(qū)的車輛運(yùn)行速度與交通量之間的影響關(guān)系。交織區(qū)交通狀態(tài)判別方面的研究文獻(xiàn)則相對(duì)較少,文獻(xiàn)[9]建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的快速路交織區(qū)運(yùn)行狀態(tài)判別模型;文獻(xiàn)[10]研究了單雙平行式匯入匝道情況下主線交通流的運(yùn)行狀態(tài),進(jìn)而判斷合流區(qū)的交通狀態(tài)。
1.2.2 交織區(qū)通行能力
交織區(qū)通行能力研究主要從以下三方面展開:1) 匝道布置形式對(duì)通行能力的影響。文獻(xiàn)[11]研究得出出匝道車輛對(duì)交織區(qū)通行能力的影響比入匝道車輛的影響嚴(yán)重;文獻(xiàn)[12]分析了匝道布置與車道平衡設(shè)計(jì)對(duì)通行能力的影響。2) 交通流特性對(duì)通行能力的影響。文獻(xiàn)[13]~[15]分別提出了交織區(qū)交織流量比、交織區(qū)長(zhǎng)度等參數(shù)與通行能力的關(guān)系模型。3) 通行能力模型改進(jìn)。文獻(xiàn)[16]~[18]在既有規(guī)范(HCM、通行能力手冊(cè)等)中通行能力模型的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)模型。
1.2.3 交織區(qū)服務(wù)水平
目前交織區(qū)服務(wù)水平以密度為主要指標(biāo),有研究提出應(yīng)將負(fù)荷度、綜合交通量等指標(biāo)納入服務(wù)水平指標(biāo)體系中,以全面反映綜合服務(wù)水平。文獻(xiàn)[19]歸納總結(jié)了快速路A類交織區(qū)服務(wù)水平劃分標(biāo)準(zhǔn);文獻(xiàn)[20]以負(fù)荷度為主要指標(biāo)、密度為次要指標(biāo),提出了更細(xì)化的交織區(qū)服務(wù)水平劃分標(biāo)準(zhǔn);文獻(xiàn)[21]在HBS 2015的基礎(chǔ)上,將合流、分流和交織區(qū)作為整體對(duì)象,提出以綜合交通量與通行能力之比定義總路段服務(wù)水平的改進(jìn)模型;文獻(xiàn)[22]認(rèn)為各方向交通流量對(duì)交織區(qū)密度的影響最顯著。
在換道行為特性研究方面,目前主要有文獻(xiàn)[23]的換道決策模型、文獻(xiàn)[24]的元胞自動(dòng)機(jī)模型、文獻(xiàn)[25]的馬爾可夫換道模型。而對(duì)于交織區(qū)車輛換道行為的研究則相對(duì)較少,文獻(xiàn)[26]~[29]基于元胞自動(dòng)機(jī)、回歸分析、LWR換道模型、概率選擇模型等展開了研究。
在跟馳行為特性研究方面,目前主要有文獻(xiàn)[30]的GM跟馳模型、文獻(xiàn)[31]的模糊推理模型、文獻(xiàn)[32]的全速度差模型、文獻(xiàn)[33]的混合速度差模型等,希望通過對(duì)微觀跟馳行為的建模展現(xiàn)宏觀交通流中交通失穩(wěn)、激波、相變等的非線性特性,解釋交通阻塞形成與消散的機(jī)理。但以上模型大都未應(yīng)用到交織區(qū)研究中?,F(xiàn)階段針對(duì)交織區(qū)車輛跟馳行為的研究大都是在成熟的跟馳模型的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),包括文獻(xiàn)[34]的考慮擁擠條件、文獻(xiàn)[13]的引入交通壓力、文獻(xiàn)[35]的加減速階段分類等方法。
現(xiàn)有交織區(qū)研究大多以流量、速度、密度為基礎(chǔ)對(duì)交織區(qū)通行能力、分流及合流影響范圍等進(jìn)行研究,大多聚焦于交織區(qū)通行能力等,而對(duì)影響交織區(qū)交通流運(yùn)行狀態(tài)的車輛行為特征的研究相對(duì)薄弱。如何采用新興技術(shù)進(jìn)一步挖掘交織區(qū)車輛行為特性,有待更系統(tǒng)、全面地研究。
實(shí)施交織區(qū)控制策略的目的是保障交織區(qū)安全有序地運(yùn)行,而影響交織區(qū)交通安全運(yùn)行的因素眾多。目前對(duì)于交織區(qū)安全方面的研究包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩方面。
交織區(qū)靜態(tài)研究主要從交織區(qū)安全評(píng)價(jià)、沖突形成機(jī)理等方面展開。交織區(qū)沖突點(diǎn)的形成是由于交織區(qū)內(nèi)車輛運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生車道變換行為,形成分流點(diǎn)、交叉點(diǎn)、合流點(diǎn)三類沖突點(diǎn),使交織區(qū)車輛運(yùn)行相互干擾,影響交通安全和效率。在沖突形成機(jī)理方面,主要從交織區(qū)和車道復(fù)雜度關(guān)系、沖突變化趨勢(shì)等方面展開研究。
交織區(qū)動(dòng)態(tài)安全研究大都針對(duì)車輛行駛行為展開。如文獻(xiàn)[41]采用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬車輛跟馳行為,分析交織區(qū)安全影響;文獻(xiàn)[42]分析車輛特殊駕駛行為的產(chǎn)生機(jī)理,得出其對(duì)交織區(qū)通行效率和安全性的影響;文獻(xiàn)[43]考慮臨時(shí)駛出車輛的影響,結(jié)合車輛變道安全間距、變道決策等因素,建立了多車道交織區(qū)離散模型。
交織區(qū)由于各種交通流的交織會(huì)產(chǎn)生大量交通沖突點(diǎn),導(dǎo)致車速穩(wěn)定性差、通行能力嚴(yán)重降低。交織區(qū)沖突點(diǎn)和幾何設(shè)計(jì)等靜態(tài)特性,由于其自身特性受先天設(shè)計(jì)限制難以更改,因而改善交織區(qū)交通安全的切入點(diǎn)之一是合理控制交織區(qū)車輛行為,而導(dǎo)致交通流交織的源頭為車輛行為各異,為深入剖析交織流特性,需進(jìn)一步研究交織區(qū)車輛行為,探尋其行為特性。
為規(guī)范、管理交織區(qū)車輛行為,提高交織區(qū)整體通行效率,必須采取措施調(diào)控交織區(qū)車輛運(yùn)行。對(duì)此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。從研究手段來看,對(duì)交織區(qū)的控制可分為靜態(tài)控制(static control)和動(dòng)態(tài)控制(dynamic control),其中靜態(tài)控制主要是針對(duì)交織區(qū)標(biāo)志標(biāo)線進(jìn)行研究,動(dòng)態(tài)控制則根據(jù)實(shí)時(shí)交通流參數(shù)信息進(jìn)行控制管理,主要有動(dòng)態(tài)匝道控制、主動(dòng)式可變限速控制、動(dòng)態(tài)協(xié)同控制等。從控制對(duì)象來看,交織區(qū)的控制分為匝道控制、主線控制和綜合協(xié)同控制。
3.1.1 單匝道控制方法
單點(diǎn)控制(isolated control)算法主要包括占有率控制(OCC控制)、需求-容量控制(D-C控制)、可接受間隙控制(GAP控制)和ALINEA控制等。其中ALINEA控制算法是Papageorgiou M.在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上提出的控制策略,它通過控制主線下游占有率維持在期望值附近,達(dá)到主線流量最大的控制目標(biāo),目前應(yīng)用較廣泛。
由于ALINEA算法存在實(shí)時(shí)性與適應(yīng)性不足的問題,研究者們對(duì)ALINEA算法不斷進(jìn)行改進(jìn)。如文獻(xiàn)[47]結(jié)合自適應(yīng)控制原理,提出了對(duì)臨界占有率進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)的AD-ALINEA算法;文獻(xiàn)[48]構(gòu)建了以控制閾值表、ALINEA算法和匝道排隊(duì)分段約束模型于一體的匝道單點(diǎn)動(dòng)態(tài)控制策略;文獻(xiàn)[49]提出了一種對(duì)下游交通瓶頸有較好緩解作用的PI-ALINEA算法;文獻(xiàn)[50]運(yùn)用VisVAP編寫以ALINEA感應(yīng)算法為基礎(chǔ)的入口匝道感應(yīng)控制算法,實(shí)現(xiàn)入口匝道交通控制改善。
3.1.2 多匝道協(xié)調(diào)控制方法
在單匝道控制中,往往由于單匝道容量有限,導(dǎo)致匝道排隊(duì)溢出,因而需增至多個(gè)匝道參與控制以提升排隊(duì)空間。同時(shí)對(duì)于多匝道可進(jìn)行整體協(xié)調(diào)控制,達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)。自20世紀(jì)以來,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多匝道協(xié)調(diào)控制(coordinated control)展開了研究(見表1)。多匝道協(xié)調(diào)控制算法可對(duì)研究路網(wǎng)在整體協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制,解除單匝道控制對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)誤差大的限制。但目前多匝道協(xié)調(diào)控制存在成本高、數(shù)據(jù)量過大、難以用于實(shí)際等問題。
常用的主線控制方法有全線統(tǒng)一限速法、局部限速法、分車道/車型限速法、可變限速法等。其中可變限速系統(tǒng)根據(jù)道路實(shí)時(shí)交通狀況及環(huán)境等因素動(dòng)態(tài)調(diào)整信息板上的限速值,實(shí)現(xiàn)車流安全、高效、平穩(wěn)行駛,可優(yōu)化車輛出行時(shí)間、提升出行效率、減少交通事故率??勺兿匏倏刂撇呗苑譃楸粍?dòng)式控制和主動(dòng)式控制兩類。被動(dòng)式控制起源較早,是基于簡(jiǎn)單的閾值判斷規(guī)則進(jìn)行限速值調(diào)整,其對(duì)實(shí)時(shí)交通狀況的反應(yīng)存在一定時(shí)滯性,有必要通過預(yù)測(cè)流量等參數(shù),消除實(shí)時(shí)交通狀態(tài)與優(yōu)化控制之間的時(shí)間差,進(jìn)一步反饋優(yōu)化,形成閉環(huán)反饋,即形成圖1所示的主動(dòng)式控制。文獻(xiàn)[67]提出了基于運(yùn)動(dòng)波理論的可變限速模型;文獻(xiàn)[68]以總通行時(shí)間和總周轉(zhuǎn)量為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),采取預(yù)測(cè)性控制框架建模方法建立了瓶頸路段可變限速控制策略;文獻(xiàn)[69]基于元胞傳輸模型,提出了兩階段協(xié)調(diào)滾動(dòng)層VSL序列生成方法;文獻(xiàn)[70]構(gòu)建了可變限速多目標(biāo)優(yōu)化控制模型,采用基于群智能的差分進(jìn)化算法求解可變限速值;文獻(xiàn)[71]基于交織區(qū)的實(shí)時(shí)安全分析模型計(jì)算交織區(qū)的碰撞概率,通過替代安全評(píng)估模型(SSAM),得出沖突數(shù)量、變速裝置的速度和位置建議。
表1 多匝道協(xié)調(diào)控制方法
圖1 主動(dòng)式控制流程
目前針對(duì)可變限速控制的研究較成熟,由于其靈活性高、可控性好,得到廣泛使用。隨著車聯(lián)網(wǎng)、車路協(xié)同等技術(shù)的逐步應(yīng)用,可變限速控制將不僅停留在路段層面,還可進(jìn)行車道單元甚至車輛的可變限速控制。
對(duì)綜合協(xié)同控制的研究主要從匝道-主線、匝道-銜接區(qū)域(非主線)兩方面展開。匝道-主線綜合協(xié)同控制研究通?;诤暧^交通流模型,建立主線限速和匝道調(diào)節(jié)的協(xié)同控制方法。如文獻(xiàn)[72]將可變限速與反饋式匝道控制相結(jié)合進(jìn)行高速公路交通流控制;文獻(xiàn)[73]實(shí)現(xiàn)了可變限速控制影響下對(duì)入口匝道的優(yōu)化控制;文獻(xiàn)[74]提出了一種可變限速、匝道控制相協(xié)調(diào)的控制系統(tǒng);文獻(xiàn)[75]提出了協(xié)同主線和匝道最優(yōu)信號(hào)配時(shí)模型。
匝道-銜接區(qū)域綜合協(xié)同控制是將匝道與相鄰交叉口、輔路等進(jìn)行協(xié)同控制。如文獻(xiàn)[76]提出了基于模糊聚類理論的出口匝道輔路控制方法;文獻(xiàn)[77]提出了基于MLD-MPC的匝道與下游交叉口多信號(hào)自適應(yīng)控制方法;文獻(xiàn)[78]將出口匝道銜接交叉口和輔路統(tǒng)一控制,建立了新的協(xié)調(diào)控制模型。
此外,部分學(xué)者結(jié)合路線誘導(dǎo)展開綜合協(xié)同控制研究。如文獻(xiàn)[79]提出了一種結(jié)合車隊(duì)和路線誘導(dǎo)的協(xié)調(diào)策略;文獻(xiàn)[80]提出了一種結(jié)合匝道控制和路線誘導(dǎo)兩種控制策略的多級(jí)控制策略;文獻(xiàn)[81]提出了基于動(dòng)態(tài)臨界占有率的區(qū)域入口匝道協(xié)調(diào)控制、銜接區(qū)域動(dòng)態(tài)誘導(dǎo)方法的關(guān)鍵技術(shù)。
縱觀國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究,目前主要利用可變限速控制、路線誘導(dǎo)、匝道控制和車道控制等手段對(duì)交織區(qū)交通流進(jìn)行綜合協(xié)同控制,對(duì)于考慮車輛行為特征的交織區(qū)個(gè)體車輛及交織影響區(qū)交通流的精準(zhǔn)調(diào)控還需進(jìn)一步研究。
目前主要利用匝道控制、可變限速控制和綜合協(xié)同控制等對(duì)交織區(qū)及其影響范圍交通流進(jìn)行調(diào)控,對(duì)于交織區(qū)自身控制的研究較少,對(duì)交織區(qū)內(nèi)部與主線、匝道協(xié)同控制的研究是一個(gè)重要發(fā)展方向。就控制對(duì)象而言,除少數(shù)車路協(xié)同、車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境研究外,目前基于微觀研究的控制方式尚停留于對(duì)車隊(duì)或車流的集群控制,對(duì)采用新技術(shù)結(jié)合交織區(qū)個(gè)體車輛實(shí)現(xiàn)車路協(xié)同控制還需進(jìn)一步研究。
城市快速路交織區(qū)控制策略研究具有重要的實(shí)踐和理論意義,而當(dāng)前對(duì)多途徑(交織區(qū)及其影響范圍多種控制手段相結(jié)合)綜合協(xié)同控制的研究較匱乏。在國(guó)內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上,基于交織區(qū)高效和安全運(yùn)行的思想,以平穩(wěn)運(yùn)行、提升服務(wù)水平和通行能力為控制目標(biāo),建立圖2所示城市快速路交織區(qū)協(xié)同控制策略框架。
為實(shí)現(xiàn)交織區(qū)協(xié)同控制,首先提取交織區(qū)及其影響范圍內(nèi)流量、排隊(duì)長(zhǎng)度、占有率、行駛車速、擁堵發(fā)生點(diǎn)等宏觀交通信息,車輛軌跡、瞬時(shí)速度、加速度、車頭間距及車頭時(shí)距等微觀交通信息,分析交織區(qū)運(yùn)行特性與安全特性。其次預(yù)測(cè)匝道、主線上游和交織區(qū)內(nèi)部3個(gè)區(qū)域的交通運(yùn)行狀態(tài),若各區(qū)域交通運(yùn)行均暢通有序,則繼續(xù)提取交通信息;否則,借鑒現(xiàn)有交織區(qū)控制策略研究成果,結(jié)合各控制對(duì)象和方法的特點(diǎn),根據(jù)各區(qū)域交通狀態(tài)制定相應(yīng)控制策略。
圖2 城市快速路交織區(qū)協(xié)同控制策略框架
為保證控制策略的實(shí)施效果,在策略實(shí)施前進(jìn)行預(yù)評(píng)估,若能達(dá)到預(yù)期控制效果,則直接執(zhí)行;否則,重新制定控制策略。根據(jù)控制效果評(píng)估結(jié)果,實(shí)施控制策略。與此同時(shí),繼續(xù)采集實(shí)時(shí)交通信息并進(jìn)行分析,組成一個(gè)閉合的循環(huán),形成協(xié)同控制策略框架,實(shí)現(xiàn)多對(duì)象的聯(lián)動(dòng)控制。協(xié)同控制方案布局見圖3。
圖3 交織區(qū)協(xié)同控制方案示意圖
該文圍繞交織區(qū)控制策略對(duì)城市快速路交織區(qū)運(yùn)行特性、交通安全特性、控制策略等相關(guān)研究進(jìn)行綜述,初步建立以主線、匝道、交織區(qū)協(xié)同為核心的城市快速路交織區(qū)協(xié)同控制框架,以推動(dòng)控制策略朝多目標(biāo)、多途徑方向發(fā)展。由于交織區(qū)車輛行為和運(yùn)行狀態(tài)復(fù)雜多變,對(duì)于控制的實(shí)時(shí)性和精細(xì)化的要求較高,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)交織區(qū)的研究思路也不盡相同,各類方法、模型的普適應(yīng)不強(qiáng),今后可從以下幾方面進(jìn)一步完善:
(1) 交織區(qū)內(nèi)部控制。目前的研究大多針對(duì)匝道和主線,對(duì)交織區(qū)內(nèi)部控制的研究寥寥無(wú)幾。下一步研究可通過設(shè)置地面標(biāo)線、移動(dòng)隔離等管理手段,規(guī)范交織區(qū)車輛行駛行為、規(guī)避沖突點(diǎn),實(shí)現(xiàn)幾何設(shè)計(jì)優(yōu)化。
(2) 協(xié)同控制。針對(duì)交織區(qū)及其影響范圍需要控制的對(duì)象群,根據(jù)主線、匝道、交織區(qū)等控制對(duì)象的不同特性,制定涵蓋可變限速控制、路線誘導(dǎo)、車道控制、匝道控制、移動(dòng)隔離等的協(xié)同控制策略,實(shí)現(xiàn)一體化控制。
(3) 車聯(lián)網(wǎng)、車路協(xié)同環(huán)境下的控制策略研究。目前車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為全世界爭(zhēng)相發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù),為車路協(xié)同賦予了新的內(nèi)涵,采用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合個(gè)體車輛實(shí)現(xiàn)交織區(qū)車路協(xié)同控制,是一個(gè)重要發(fā)展方向。