基于ALINEA算法的城市快速路入口匝道優(yōu)化控制策略

謝羲，任璐，單東輝

(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075；2.長安大學(xué))

快速路是指建于城市內(nèi)，具有單向雙車道或以上的中央分隔、全部控制出入并設(shè)有配套的交通安全與管理設(shè)施的城市道路，是城市大運量快速交通干道。城市快速路互通立交承擔(dān)著交通轉(zhuǎn)換的功能，是連接快速路、次干路、地方路的關(guān)鍵節(jié)點，也是交通擁堵頻繁發(fā)生的位置之一。匝道管控技術(shù)通過在入口匝道、主線處布設(shè)交通檢測器，通過優(yōu)化算法實時調(diào)節(jié)進(jìn)入主線的車輛數(shù)，減少合流交織次數(shù)、保證主線交通暢通，從而使路網(wǎng)通行能力和容量被充分挖掘、發(fā)揮。歐美國家的大量研究和工程實踐已經(jīng)表明：匝道管控技術(shù)是解決干線公路擁堵直接、有效、低成本的控制方法。

與國外相比，中國匝道管控技術(shù)研究起步較晚，僅在上海、杭州等地快速路入口有少量應(yīng)用示范?？茖W(xué)合理的城市快速路入口匝道管控可以顯著緩解交通擁堵，提高道路服務(wù)水平；但是，不合理的控制策略可能會導(dǎo)致入口匝道排隊溢出、控制滯后等問題，進(jìn)一步惡化路網(wǎng)交通擁堵情況。因此，該文從城市快速路入口匝道管控基本技術(shù)原理、控制算法、案例仿真分析等方面，剖析入口匝道管控方法策略，以期為城市快速路管控策略提出、緩解擁堵提供參考。

1 入口匝道管控策略與方法

1.1 匝道管控基本原理

匝道管控技術(shù)是在入口匝道安裝信號燈，通常以交通流三參數(shù)為基礎(chǔ)，分析匝道交通量對主線的影響，根據(jù)主線和匝道交通流檢測結(jié)果，調(diào)控進(jìn)入主線的車輛數(shù)，減少匝道車輛匯入主線交織頻率，從而保證主線交通流暢通。圖1為匝道控制基本原理，在匝道和主線安裝車輛檢測器，實時監(jiān)測交通運行狀態(tài)，匝道排隊長度檢測器檢測車輛的排隊長度，通過控制算法，調(diào)節(jié)信號燈準(zhǔn)入或禁止車輛通行；從而保證主線交通順暢。

FHWA出版的《匝道管理和控制手冊》將匝道管控技術(shù)，從時間和控制范圍兩個層面分為：單點定時匝道控制、單點自適應(yīng)匝道控制、協(xié)同定時匝道控制、協(xié)同自適應(yīng)匝道控制。單點定時控制用于局部交通擁堵問題治理，獨立于上下游匝道，需要定期人工調(diào)節(jié)紅綠燈時間；單點自適應(yīng)控制與單點定時控制類似，區(qū)別在于自適應(yīng)控制，不需要人工調(diào)節(jié)；協(xié)同定時控制,是指上下游匝道聯(lián)動，定時控制車輛匯入；協(xié)同自適應(yīng)控制是指上下游匝道聯(lián)動，根據(jù)實時交通流量自適應(yīng)控制信號燈時長。

圖1 匝道管控技術(shù)原理

1.2 入口匝道控制策略

主線交通狀態(tài)根據(jù)上下游實時監(jiān)測的交通數(shù)據(jù)可分為：暢通、擁堵、阻塞3種狀態(tài)。因此，對應(yīng)3種不同狀態(tài)及不同狀態(tài)之間的過渡，入口匝道管控策略分為以下3種。

(1)無控制策略

主線和匝道交通流暢通，不需要進(jìn)行管控調(diào)節(jié)。

(2)控制放行策略

實時監(jiān)測交通流發(fā)現(xiàn)主線上游交通流、匝道交通流超過某一特定閾值，有可能造成主線擁堵，此時匝道紅綠燈開啟工作，按照調(diào)節(jié)算法控制放行車輛數(shù)進(jìn)入主線；當(dāng)匝道控制放行一段時間后，主線下游交通流恢復(fù)暢通，此時匝道紅綠燈關(guān)閉，切換為無控制方式?？刂七^程需確定匝道控制放行啟動的下游占有率閾值、最小控制周期、控制周期時長等參數(shù)。

(3)關(guān)閉匝道策略

當(dāng)主線上游是導(dǎo)致路段擁堵，溢出影響下游交通狀態(tài)至擁堵狀態(tài)時，匝道放行車輛進(jìn)入主線會導(dǎo)致交通惡化；此時，需要關(guān)閉匝道策略進(jìn)行緩解和調(diào)節(jié)。當(dāng)關(guān)閉一段時間，主線交通流恢復(fù)暢通時，逐漸切換為控制放行策略和無控制策略。這個過程需要確定主線上下游占有率等參數(shù)。

匝道管控流程和策略切換見圖2。

2 入口匝道管控算法與指標(biāo)

2.1 ALINEA控制算法

ALINEA模型是匝道管控中使用最廣泛、最穩(wěn)定的反饋控制算法，廣泛應(yīng)用于歐美等發(fā)達(dá)國家的城市道路管控環(huán)節(jié)中；ALINEA是一種經(jīng)典的單點控制算法，也是一種閉環(huán)反饋控制算法，其參數(shù)可以選擇或者標(biāo)定，思想來源于自動控制理論的PID算法，算法以維持主線下游占有率設(shè)定期望值為目標(biāo)，實現(xiàn)主線通行能力最大化。在一個控制周期內(nèi)，調(diào)節(jié)率為：

圖2 匝道管控流程和策略切換

(1)

(1)已有研究和工程實踐采用的調(diào)節(jié)周期范圍較廣，一般為20～300 s；考慮到匝道和主線流量、占有率檢測器數(shù)據(jù)采集頻率為20 s/次，該文將其控制周期設(shè)定為40 s，最小控制周期數(shù)為6，即單次控制至少4 min。

(2)一般情況下控制結(jié)果對校核參數(shù)KR并不敏感，取值范圍一般為70～200 veh/h，研究表明當(dāng)KR=70 veh/h時控制效果較佳。

(3)期望占有率一般為最佳占有率(流量與通行能力相等或相近)，取值一般為0.18～0.31；該文設(shè)置略小于通行能力的占有率，設(shè)定為0.3。

ALINEA算法屬于閉環(huán)反饋控制算法，根據(jù)下游主線占有率表征的交通狀態(tài)和上一周期匝道調(diào)節(jié)率來計算當(dāng)前周期綠燈時長；因此上下游檢測器的布設(shè)安裝和相關(guān)參數(shù)的設(shè)定對匝道管控效果至關(guān)重要。

2.2 評價指標(biāo)

城市快速路匝道管控主要調(diào)節(jié)匯入主線車流實現(xiàn)交通擁堵的緩解，因此，采用匝道管控和不采用匝道管控技術(shù)的對比分析是評價管控技術(shù)應(yīng)用效果的主要方式；主要指標(biāo)包括：主線平均速度、流量、行程時間、最大排隊長度、平均延誤等。

3 案例分析

3.1 工程概況

以西安市繞城高速公路為研究對象，繞城高速公路設(shè)計速度為120 km/h，雙向六車道，以互通立交A為入口匝道管控技術(shù)應(yīng)用做對比分析，上下游互通立交平均間距為4 km。以2018年12月26日(星期二)觀測站小時統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，見表1。

表1 西安繞城高速公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

從表1可知：主線小時交通量最大達(dá)3 525 veh/h，統(tǒng)計當(dāng)天日交通量達(dá)42 874 veh/d，當(dāng)量日交通量為50 587 veh/d；由擁擠程度和擁堵等級分布可以看出，早高峰08：00～11：00擁堵等級達(dá)到最大，為5級；晚高峰17：00～18：00擁堵等級達(dá)到5級；特別是早高峰時段擁擠度均大于1，時間占有率均在10 s以上，平均速度為45 km/h；這對于城市快速干道，特別是繞城高速公路的功能定位顯然不相符合，因此，該文提出城市快速路入口匝道管控技術(shù)應(yīng)用，以達(dá)到緩解主線擁堵，充分發(fā)揮其“快速、暢通”的功能。

3.2 VISSIM仿真模型建立

為了分析匝道管控技術(shù)應(yīng)用效果，依托VISSIM仿真平臺建立道路模型，收集管控策略調(diào)控作用下的各參數(shù)變化。首先，將分析對象的底圖圖紙導(dǎo)入VISSIM仿真平臺，根據(jù)地圖繪制道路仿真模型；繪制道路仿真模型過程中盡量還原道路主線、匝道線形指標(biāo)，建立完成后將底圖刪除。根據(jù)監(jiān)測站監(jiān)測數(shù)據(jù)，將車輛組成、期望速度、平均速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。為使交通流運行穩(wěn)定后進(jìn)行統(tǒng)計，模型建立和參數(shù)輸入之后，先進(jìn)行900 s預(yù)熱，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)共采集2 h。為了避免單次仿真帶來的隨機性，故每次仿真分別采用隨機種子20、40、60、80，最后求其平均值。輸出數(shù)據(jù)設(shè)置包括交通量、平均速度、行程時間、匝道排隊長度等。

通過VISSIM建立的仿真模型，通過輸入觀測站早高峰時段交通數(shù)據(jù)，對互通立交A匝道管控策略進(jìn)行相關(guān)研究，建立模型見圖3。

圖3 互通立交VISSIM仿真模型及輸入?yún)?shù)設(shè)置(單位：veh)

3.3 結(jié)果分析

借助VISSIM 9仿真平臺，以圖3設(shè)置參數(shù)為交通量和交通組成輸入，設(shè)置期望速度為80～100 km/h，每間隔5 min采集一次交通數(shù)據(jù)；分別對比普通無匝道控制、ALINEA調(diào)節(jié)控制情況下的交通量、平均速度、匝道排隊長度等參數(shù)變化。具體參數(shù)見表2。

表2 控制效果參數(shù)

續(xù)表2

從表2可知：在主線平均運行速度方面，無控制策略和ALINEA控制策略主線平均運行速度分別為52.93、77.64 km/h，采用ALINEA控制策略情況下主線平均運行速度增加了24.47 km/h，提升了46.2%；在主線交通量方面，無控制策略和ALINEA控制策略主線平均交通量分別為235.5、270.08 veh/h，采用ALINEA控制策略情況下主線平均交通量增加了34.58 veh/h，提升了14.7%；在匝道影響方面，無控制策略和ALINEA控制策略匝道平均排隊長度分別為13.79、15.50 pcu，采用ALINEA控制策略情況下匝道平均排隊長度增加了14.7%。

由以上分析可以看出，ALINEA匝道管控能夠有效提升主線平均運行速度和交通量，與無控制對比，平均交通量提升14.7%、平均運行速度提升46.2%；ALINEA對主線運行速度提升效果更為顯著。但是，采用ALINEA匝道管控階段放行策略，導(dǎo)致匝道排隊長度增加，是以犧牲匝道交通運行狀態(tài)為代價保證主線運行效率的提升。

4 結(jié)語

該文從匝道管控技術(shù)原理、管控策略、控制算法方面出發(fā)，論述城市快速入口匝道管控策略和流程，并基于VISSIM仿真平臺，以實際觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對比分析ALINEA管控策略和無管控情況下交通狀態(tài)，分析結(jié)果表明：ALINEA匝道管控能夠有效提升主線平均運行速度和交通量。但是，ALINEA匝道管控階段放行策略是以犧牲匝道交通運行狀態(tài)為代價保證主線運行效率的提升。因此，如何防止匝道排隊長度溢出影響關(guān)聯(lián)道路運行狀態(tài)是下一階段研究的重點。