城市快速路入口匝道控制方法綜述

林昱辰，王嘉文，鄒林志，周溪召

（上海理工大學(xué) 管理學(xué)院，上海 200093）

0 引言

城市快速路系統(tǒng)作為連接城市各地區(qū)之間的重要交通樞紐，有效的加強(qiáng)了各地區(qū)之間的聯(lián)系，推動(dòng)了城市的發(fā)展以及空間架構(gòu)的實(shí)時(shí)化轉(zhuǎn)變[1]。在一些特大城市中快速路的作用無(wú)可替代，是城市道路的主體，城市之間主要的交通運(yùn)行及貨物運(yùn)輸都離不開快速路系統(tǒng)，但其舒適性、便捷性在某些地區(qū)正在逐步減弱，早晚高峰期間的車輛擁堵更是頻發(fā)事件[2]。因此，如何使用合理的控制手段有效提高快速路系統(tǒng)的整體交通運(yùn)行水平，已經(jīng)成為各方關(guān)注的焦點(diǎn)。快速路交通控制手段主要包括入口匝道控制、出口匝道控制、主線交通控制、網(wǎng)絡(luò)路由控制和通道集成控制。其中入口匝道控制是應(yīng)用最為廣泛，也是最為有效的控制措施[3]。本文對(duì)當(dāng)前入口匝道控制研究的研究脈絡(luò)（如圖1所示）、理論體系進(jìn)行梳理和總結(jié)，特別是對(duì)入口匝道控制方法及影響因素進(jìn)行評(píng)述，并梳理出具有潛在價(jià)值的研究方向和問題，推動(dòng)快速路入口匝道與地面相關(guān)研究成果在城市信號(hào)控制交叉口的應(yīng)用。

圖1 快速路入口匝道控制整體研究脈絡(luò)

1 城市快速路入口匝道控制理論

入口匝道控制的基本原理可以理解為將快速路作為容器，及時(shí)調(diào)整進(jìn)入快速路的車輛數(shù)，使其作為容器的指標(biāo)在最佳并非最大的狀態(tài)時(shí)即可。入口匝道作為連接器的作用，若有車輛準(zhǔn)備進(jìn)入主路，則排隊(duì)等待，不想排隊(duì)等待，則可選擇地面道路行駛，到下一個(gè)入口匝道進(jìn)入主路，即選擇替代路線[3]。所以，使用合理的控制方法，將快速路主路及地面的交通運(yùn)行維持在最佳狀態(tài)附近，對(duì)二者來(lái)說(shuō)都有益處。

2 入口匝道控制影響因素分析

無(wú)控制匝道的交通情況參差不齊，與有控制的匝道有不小的差距，而控制效果的提升多少依賴于交通需求水平。匝道控制涵蓋內(nèi)容較多,如交通流模型、控制算法、交通條件、道路狀況等,因此不同的影響因素給入口匝道造成控制效果各有差異。本文主要從交通條件、理論條件和其他條件三個(gè)方面分析影響因素對(duì)入口匝道控制造成的不同差異。

2.1 道路及交通條件的影響

道路條件會(huì)在一定程度上影響通行能力的變化。一般來(lái)說(shuō)，匝道與主路的連接形式一般有：入口-出口、入口-入口、出口-入口和出口—出口四種情況。為了提高通行能力，一般采用出口-入口的組合形式，上游來(lái)的車輛恰好在出口駛出，入口匝道上來(lái)的車輛可以減少對(duì)主線車輛的干擾。通行能力的影響包括主線通行能力以及匝道通行能力兩個(gè)方面的影響。主線通行能力與其設(shè)計(jì)速度等相關(guān),匝道通行能力與其設(shè)計(jì)速度和坡度相關(guān)，不同的匝道設(shè)計(jì)容量會(huì)造成排隊(duì)的延誤不同。通行能力也是交通條件的主要影響因素之一。

2.2 理論條件的影響

2.2.1 交通流模型的影響。交通流模型有三大類，分別為宏觀交通流模型、中觀交通流模型。微觀交通流模型，宏觀的交通流模型主要有格林希爾德、格林伯格等模型，然而應(yīng)用最多且最經(jīng)典的模型為METANET模型和元胞傳輸模型。Papageorgiou[4-7]在匝道控制方面作為先驅(qū)，有許多經(jīng)典的交通流模型創(chuàng)造性研究。在交通流模型方法，通過改進(jìn)Payne模型，提出了現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的宏觀交通流穩(wěn)態(tài)METANET模型。1994年美國(guó)專家Daganzo[8-10]創(chuàng)立了原始的元胞傳輸模型（CTM）來(lái)研究宏觀交通流。與數(shù)學(xué)解析模型不同的是，CTM作為仿真模型，規(guī)則更加簡(jiǎn)單并且易于在計(jì)算機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)，具有排隊(duì)形成、消散等真實(shí)的交通特性。Spiliopoulou，等[11]以某一匝道為研究對(duì)象，證明了METANET模型模擬效果更好。

2.2.2 控制算法的影響。不同的算法對(duì)匝道控制效果也有較大的影響。根據(jù)控制范圍的大小，可以將匝道控制分為單點(diǎn)控制與協(xié)調(diào)控制。單點(diǎn)控制的算法有需求-容量控制法、OCC控制法、ALINEA算法等。Greguri，等[12]對(duì)比了三種匝道控制算法發(fā)現(xiàn)，ALINEA算法平均延誤最大，原因是該算法比較適合單點(diǎn)控制而不適合各匝道間的協(xié)同控制；SWARM算法平均行程時(shí)間最短，但延誤較二者來(lái)說(shuō)更多；HELPER算法延誤及總行程時(shí)間都為最小。當(dāng)然不同地區(qū)的不同匝道使用不同的算法都會(huì)有差異，不能直接照搬使用。

2.3 突發(fā)條件的影響

突發(fā)條件主要包括不良天氣情況和緊急事件不良的天氣情況有陰雨天氣、大霧天氣、雪天等等。不良的天氣會(huì)對(duì)快速路系統(tǒng)造成一些潛在性的事故，原因其一，降低了道路的能見度及摩擦阻力;其二，車輛行駛速度減小，導(dǎo)致行程時(shí)間增加，更容易造成延誤的發(fā)生。緊急事件是指可能導(dǎo)致快速路系統(tǒng)路段通行能力下降的事件，比如事故、路面維護(hù)等。這二類情況都會(huì)對(duì)快速路系統(tǒng)控制效果造成影響。

3 入口匝道控制方法比較

3.1 定時(shí)控制

匝道控制理論起源于1965年，最先應(yīng)用于匝道控制的方法為Wattlewortht[13]提出的定時(shí)控制方法，將路段分段，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入主線交通量，以防止交通流量超過主線每一段的通行能力。由于交通數(shù)據(jù)的非實(shí)時(shí)性，該方法反而會(huì)在平峰時(shí)間導(dǎo)致?lián)矶卵诱`或交通設(shè)施使用不充分的情況。因此，定時(shí)控制方法一般只應(yīng)用于高峰時(shí)期。

入口匝道是主路與輔路的交匯，一般采用單點(diǎn)信號(hào)控制，用紅綠兩種顏色對(duì)車流進(jìn)行引導(dǎo)。在確定整個(gè)信號(hào)控制周期后，根據(jù)道路車流組成、單位時(shí)間內(nèi)通過道路的主路以及輔路車流量，來(lái)確定信號(hào)周期的綠燈時(shí)間，而紅燈時(shí)長(zhǎng)則為周期剩余時(shí)間[15]。

3.2 感應(yīng)控制

由于定時(shí)控制具有很大的局限性，無(wú)法根據(jù)道路的實(shí)時(shí)狀況做出反饋，眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始研究感應(yīng)控制。交通感應(yīng)控制通過對(duì)快速路的交通參數(shù)（流量、占有率、速度、進(jìn)出口匝道排隊(duì)長(zhǎng)度等）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),利用監(jiān)測(cè)到的實(shí)時(shí)交通信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)閉環(huán)最優(yōu)控制。

Kontorinaki，等[16]發(fā)展并提出統(tǒng)一的自適應(yīng)感應(yīng)控制方案，該方案的獨(dú)特之處在于，它適合與區(qū)域管理或干線協(xié)調(diào)時(shí)使用，可以估計(jì)一些未知的系統(tǒng)變量。

3.2.1 需求-容量控制。Mashert，等[17]提出的需求-容量模型是以匝道下游的通行能力為參照目的，通過調(diào)整匝道進(jìn)入主路的交通量，使上游車輛與匝道進(jìn)入主路的和小于參照目標(biāo)即可，該控制方法在國(guó)外應(yīng)用較廣。該控制方案的算法為：

式中：r(k)—進(jìn)入主路的車輛數(shù);

qin(k)—上游車輛數(shù);

qcap—匝道下游的通行能力;

Oout—下游測(cè)量得到的占有率;

Oer—下游臨界占有率（此時(shí)對(duì)應(yīng)的交通流量最大）。

3.2.2 反饋控制。ALINEA算法[18]是最有代表性的占有率控制方法，它是一種基于經(jīng)典閉環(huán)反饋控制的匝道控制策略，其算法如下：

式中:r(k)—k時(shí)刻入口匝道調(diào)節(jié)率；

Oout—匝道下游期望占有率，一般來(lái)說(shuō)它等于臨界占有率或略小于臨界占有率；

KR—調(diào)節(jié)參數(shù)。

在需求-容量模型中，當(dāng)占有率達(dá)到臨界值時(shí)，控制率會(huì)進(jìn)行跳躍，直接變?yōu)樽钚≈?，?duì)交通流的連續(xù)與穩(wěn)定較為不利。而ALINEA算法雖然沒有加強(qiáng)各匝道之間的聯(lián)系，但控制率的改變方式較為緩和，也是有效的交通疏導(dǎo)手段。ALINEA但其實(shí)現(xiàn)需要是目前應(yīng)用最廣泛的局部匝道控制策略。與其他策略相比，該算法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低，保證了目標(biāo)性能目標(biāo)，但其實(shí)現(xiàn)需要入口匝道有足夠的存儲(chǔ)空間。在協(xié)調(diào)計(jì)量策略中，基于區(qū)域的計(jì)量實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于重新配置。

ALINEA算法由于其匝道間缺乏聯(lián)系性，所以有可能造成相鄰路段的延誤，但是對(duì)快速路系統(tǒng)而言也能較為有效的緩解交通壓力[18]。因此，諸多ALINEA改進(jìn)模型被提出來(lái)提高效率。如AD-ALINEA算法考慮了天氣情況等對(duì)占有率的影響；FL-ALINEA算法使用來(lái)自下游檢測(cè)器的主線流而不是占用，而當(dāng)下游檢測(cè)器不可用時(shí)，UP-ALINEA算法使用來(lái)自上游檢測(cè)器的占用值。X-ALINEA算法解決了當(dāng)高速公路飽和時(shí)，匝道上的排隊(duì)長(zhǎng)度過長(zhǎng)導(dǎo)致限速行駛的問題。為了使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)的效果，介于單點(diǎn)和區(qū)域之間的控制算法被提出，且具有較高的使用價(jià)值，相較多區(qū)域協(xié)同控制的復(fù)雜性也較小[19]。METALINEA算法[20]的參數(shù)設(shè)置較為復(fù)雜，其占有率的準(zhǔn)確性直接決定了該控制方法的效果。SWARM算法[21]（System Wide Adaptive Ramp Metering）主要應(yīng)用于美國(guó)，包含兩層相互獨(dú)立的匝道控制算法，對(duì)校準(zhǔn)交通狀態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)更加敏感。HELPER算法[22]即合作型協(xié)調(diào)控制，分為局部控制層與協(xié)調(diào)控制層兩個(gè)結(jié)構(gòu)。該算法增加了中央超控功能，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)快速路上的全系統(tǒng)交通響應(yīng)。所有的匝道被分為6組，根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌ㄇ闆r，匝道儀表可選擇6種控制率。如果匝道上的隊(duì)列連續(xù)三個(gè)時(shí)間間隔超過指定的閾值，則將計(jì)量速率降低一個(gè)級(jí)別，這個(gè)過程一直持續(xù)到問題被解決為止。如果隊(duì)列持續(xù)存在，那么所有上游匝道都將被覆蓋，并將以更嚴(yán)格的控制級(jí)別運(yùn)行，將該匝道處交通量連續(xù)分配給上游匝道，上游匝道通過降低控制率級(jí)別以減小該匝道的交通壓力。

3.2.3 模糊控制。20世紀(jì)80年代，Chen[23]提出了單個(gè)匝道口的模糊控制問題。Taylor，等[24]將模糊控制應(yīng)用于Cettle高速公路的匝道控制，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明模糊控制比定時(shí)控制和需求-容量控制的控制效果都好。模糊控制的優(yōu)點(diǎn)就是因?yàn)槟：?，不需要?zhǔn)確的數(shù)據(jù)輸入，數(shù)學(xué)模型也不用十分精確。缺點(diǎn)也正是因?yàn)槠淠：裕湟?guī)則一般來(lái)自專家的經(jīng)驗(yàn)，需要提前設(shè)置大量的參數(shù)，并且控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性仍有待解決。尤其針對(duì)多匝道的控制，其規(guī)則會(huì)更為復(fù)雜，更難實(shí)現(xiàn)。

3.2.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。Zhang，等[25]研究了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在入口匝道控制中的應(yīng)用，結(jié)果表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制能取得良好的效果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是一種模擬人腦的控制方法，人的大腦具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，這也正是該控制方法的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)非線性的系統(tǒng)可以直接應(yīng)用。其缺點(diǎn)也正是因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的龐大性，沒有一個(gè)精確的數(shù)量定值，需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間學(xué)習(xí)，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)性較高的匝道控制系統(tǒng)。

匝道控制的幾種典型方法比較見表1。

表1 匝道控制典型方法比較

4 結(jié)語(yǔ)

入口匝道控制方法從定時(shí)控制發(fā)展為感應(yīng)控制，可以有效地根據(jù)不同的時(shí)間、事件做出相應(yīng)的處理，提高控制效率。為加強(qiáng)控制學(xué)習(xí)的魯棒性，提升實(shí)時(shí)反饋控制水平，模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制算法也應(yīng)用于快速路匝道中，有效提升了控制的預(yù)見性、可靠性、自適應(yīng)能力，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：主干線通行能力和匝道的排隊(duì)情況。目前已有很多入口匝道控制方面的研究成果，將入口匝道控制與城市地面道路控制相結(jié)合，將極大地改善整個(gè)路網(wǎng)系統(tǒng)。同時(shí)實(shí)時(shí)交通信息的手段不斷提高，一些重要的交通數(shù)據(jù)，如O-D矩陣等，可以用來(lái)估計(jì)流量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為實(shí)現(xiàn)綜合控制提供了必要的條件，在這些方面可進(jìn)行更加深入的研究。