城際干道的可變車道優(yōu)化及自適應(yīng)控制

楊碧原，蔡建榮，楊子龍，曠 愷，趙衡廣，盧康林

(湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

為提高道路資源利用效率，緩解交通流方向性不均衡帶來的交通延誤和擁堵，國內(nèi)外不少學(xué)者對可變車道問題進行了深入研究[1-5].Wolshon等[6]對可變車道設(shè)置能夠解決的問題進行了分析，指出在可變車道應(yīng)用前，需要提前作好相應(yīng)的規(guī)劃，特別是長遠考慮可變車道優(yōu)化的各種優(yōu)缺點及各類費用.Dey 等[7]從基礎(chǔ)設(shè)施利用率、安全、經(jīng)濟發(fā)展的角度考慮城市建成區(qū)中的固有約束以及交通管理部門施加的運行約束，對特定區(qū)域的可變車道設(shè)置方案進行了研究.Waleczek 等[8]研究了可變車道系統(tǒng)對交通流和道路安全的影響，認(rèn)為可變車道系統(tǒng)是一種實用、安全的智能交通管理工具.上述關(guān)于可變車道的研究均沒有考慮到路權(quán)重新分配中車道數(shù)對道路通行能力的影響，而實際上，隨著車道數(shù)的增加，車輛換道概率增加，平均每條車道的通行能力是邊際遞減的[9-10].蔡建榮等[11]針對路段車道數(shù)對通行能力折減的影響研究了可變車道路網(wǎng)優(yōu)化方法.岳雷等[12]對上海世博會召開期間實施可變車道調(diào)節(jié)的必要性及可行性進行了論證，并對具體的實施方案進行了研究.然而，當(dāng)前國內(nèi)外對可變車道的控制方法主要還是通過交通管理部門根據(jù)經(jīng)驗采取相應(yīng)的可變車道定時優(yōu)化的措施，不能機動靈活地處理交通量隨時間變化的可變車道優(yōu)化問題.

因此，為了充分利用輕交通流方向的道路資源，發(fā)揮可變車道系統(tǒng)對交通量實時變化的自適應(yīng)功能，減少路段總出行時間，本文考慮路段車道數(shù)對通行能力折減的影響，建立符合路段實際運行情況的BPR 函數(shù)，提出了基于路段交通量實時監(jiān)控可變車道自適應(yīng)控制系統(tǒng).

1 城際干道可變車道設(shè)置條件

城際干道可變車道設(shè)置條件為：

1)潮汐現(xiàn)象明顯.路段雙向車流量有明顯差異，一個方向車流量較小而另一個方向車流量較大，甚至出現(xiàn)擁堵的路段.

2)路段雙向至少有3 車道.本文主要考慮城際干道，因此在每個方向至少有1 條車道的基礎(chǔ)上，還至少有1 條車道可用于調(diào)節(jié).

3)城際干道上的交叉口不宜過多.因為交叉口對可變車道優(yōu)化及自適應(yīng)控制有一定影響，一定路段長度下，交叉口越少，同一方向流量的變化越小，同時對路段的整體控制更容易.

2 可變車道自適應(yīng)控制原理

可變車道自適應(yīng)控制系統(tǒng)，是指能夠自動進行車道調(diào)整以適應(yīng)交通流變化的系統(tǒng).這種系統(tǒng)是用布置在路段兩端的車輛檢測器，實時對進入路段的雙向交通流進行監(jiān)測，中心控制系統(tǒng)根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算出適應(yīng)交通流變化的最優(yōu)可變車道分配方案，并控制信號機實施.城際干道的可變車道實時自適應(yīng)控制系統(tǒng)—RROT 系統(tǒng)由以下幾個模塊組成.

1)監(jiān)測模塊.RROT 系統(tǒng)實行分級在線實時監(jiān)測.通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備實時監(jiān)測城際干道兩端斷面的各方向車流量，用于車道方案實施時間的精準(zhǔn)判定.路段車流預(yù)測由預(yù)測車輛速度、預(yù)測車輛數(shù)量、路口轉(zhuǎn)向率估計、到達時間等組成.

2)決策模塊.將監(jiān)測的實時交通流信息輸入控制中心的可變車道分配模型，以交通系統(tǒng)性能指標(biāo)(最小化平均行程時間、最大社會經(jīng)濟效益)為目標(biāo)，輸出最優(yōu)可變車道方案及實施時間.

3)車道劃分模塊.為保證雙向高速行駛下車輛的通行安全，采用可遠程控制的移動式護欄等交通安全設(shè)施劃分可變車道路段雙向通行的車流.移動式護欄根據(jù)決策模塊提供的最優(yōu)決策改變指定的車道分界線，使其達到隨潮汐現(xiàn)象發(fā)生改變，靈活劃分雙向車道的目的.

3 城際干道BPR 函數(shù)建模

城際干道的實際行程時間t 與路段通行能力C、交通量大小Q、自由流行程時間 t0滿足BPR函數(shù)關(guān)系：

其中α 和β 為待定參數(shù).

3.1 待定參數(shù)的標(biāo)定

為獲得符合城際干道實際運行情況的 BPR函數(shù)，可通過實地調(diào)查的行程時間t、路段通行能力C、交通量大小Q、自由流行程時間 t0來對待定參數(shù)α 和β 進行擬合.對式(1)進行變形，有：

對式(2)兩邊同時取對數(shù)，有

令

則有

此時，只需根據(jù)實地調(diào)查的多組行程時間t、路段通行能力C、交通量大小Q、自由流行程時間t0等數(shù)據(jù)，運用式(4)～式(8)進行一元線性回歸分析，即可標(biāo)定參數(shù)α 和β .

3.2 車道數(shù)對通行能力C 的影響

路段單向通行能力與車道數(shù)是正相關(guān)的，但隨著車道數(shù)的增加，車輛換道機會也相應(yīng)增加，車輛之間的相互干擾增大，路段實際通行能力的增加隨著車道數(shù)的增多而邊際遞減.n 條車道路段的平均車道利用系數(shù)n′為：

4 城際干道可變車道優(yōu)化模型

5 城際干道可變車道優(yōu)化算例

表1 路段流量與行駛時間調(diào)查數(shù)據(jù)

根據(jù)表 1，采用式(2)～式(8)，通過一元線性回歸，可求得α =0.14，β =0.35.即該路段雙向分別為3 條車道時，符合該路段的實際行駛時間的BPR 函數(shù)為：

表2 可變車道不同優(yōu)化方案路段流量與行駛時間調(diào)查數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

可變車道優(yōu)化自適應(yīng)控制系統(tǒng)先根據(jù)實際調(diào)查的路段流量和行程時間數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸方法對BPR 函數(shù)的參數(shù)進行標(biāo)定，得到反映路段實際的行駛時間函數(shù)；再結(jié)合實時監(jiān)測路段的交通流數(shù)據(jù)，考慮路段車道數(shù)對通行能力的影響，計算不同可變車道分配方案的總出行時間，得到適合交通流變化的最優(yōu)可變車道分配方案；最后通過可變信息牌等傳遞給出行用戶，從而達到可變車道優(yōu)化的自適應(yīng)控制.

本研究通過對道路資源分配進行優(yōu)化，提高了路段運行效率，節(jié)省了系統(tǒng)總出行時間，緩解了潮汐現(xiàn)象導(dǎo)致的路段擁堵，為契合當(dāng)今交通智能化發(fā)展方向和可持續(xù)發(fā)展的時代主題，下一步研究將重點考慮對向車流清空對可變車道通行能力的影響.