高速路網(wǎng)與城市路網(wǎng)連接線智能交通管控設計

陳 鑫

(蘇交科集團股份有限公司智能交通研究所, 江蘇 南京 210017)

石湖互通位于蘇州市吳中區(qū)南部,是蘇州灣北工業(yè)園、越溪等區(qū)域駛入高速的主要入口.近年來,石湖互通收費站出入口流量增長趨勢明顯,2019年為6 404 093輛,2020年達到了7 115 653輛.對蘇州繞城高速公路管理有限公司營運部提供的報表進行分析,2020年,石湖互通收費站的入口車輛平均等待時間為39.3 s,平均排隊車輛數(shù)為3.4輛.車輛在早高峰(7:00至8:00)平均等待時間甚至達到了116.2 s,平均排隊車輛數(shù)達到了15.3輛,排隊車輛蔓延至城市道路，車輛等待時間概率分布如圖1所示.2020年度蘇州市市民熱線共收到石湖互通收費站排隊等待時間過長及其導致的區(qū)域交通擁堵的投訴達26件.其車輛等待時間、排隊長度、投訴數(shù)量均居蘇州繞城高速公路管轄的24個互通收費站之首.

圖1 2020年石湖互通收費站的入口車輛等待時間概率分布

因此,迫切需要解決石湖互通區(qū)域城市路網(wǎng)與高速路網(wǎng)的銜接問題,緩解內環(huán)快速路交通壓力,完善城市綜合交通體系,滿足居民日趨增長的出行需求,實現(xiàn)城市各組團間的快速聯(lián)系,推動中心城市空間合理布局和優(yōu)化發(fā)展[1].為此，迫切需要實現(xiàn)城市-高速交通信息資源的充分整合,實現(xiàn)全方位的協(xié)同運作,以期進一步提高城市交通組織能力.

本文研究石湖收費站入口設置智能交通管控方案,加強連接線入口的流量管控,提高交通事故反應和處理速度,提高交通服務質量,全面提升交通管理能力,為公眾出行提供便利和良好的服務.

1 擁堵原因

1.1 交通擁堵的概念

交通擁堵是指在某一特定的時間范圍內和一定的空間區(qū)域內,交通需求超出交通容量或運力供給時,超過部分滯留在道路上的交通現(xiàn)象.這種停滯現(xiàn)象的發(fā)生可能由交通設施所能提供的交通供給容量不足引起(如車道數(shù)較少)、可能由交通行為過程中的行為矛盾產(chǎn)生(如車輛交織)、也可能因各種突發(fā)事件以及天氣等的影響而產(chǎn)生.

1.2 擁堵致因分析

石湖互通入口連接線的擁堵是典型的常發(fā)性擁堵,是由于交通流量突然增大、超出道路設施正常容量所引起的,擁堵情況相對穩(wěn)定,且有規(guī)律可預測.

石湖互通入口連接線的車輛分別由西環(huán)高架吳中方向、蘇州方向與地面道路蘇州駛來,這3條匝道在連接線起點相匯聚(詳見圖2),使車流產(chǎn)生無序交織.另外,數(shù)據(jù)顯示,石湖互通連接線入口方向的年高峰小時流量為3 030輛/h(出現(xiàn)在2020年3月20日7:00至8:00,詳見圖3),貨車比例高達24%,遠超收費站最大服務能力.且由于互通連接線較短(僅為200 m),其蓄車能力不足,車輛排隊至城市道路的下匝道口.當超限車輛需掉頭駛離時會進一步加劇擁堵.

圖2 石湖互通收費站區(qū)域平面圖

圖3 2020年3月20日石湖互通收費站入口連接線流量變化圖

2 管控研究

為使連接線上車輛交織行為合理有序,提高連接線整體通行效率,必須通過有效手段來調控連接線車輛運行.為此,國內外相關從業(yè)者做了大量研究與試點.從措施來看,對交織區(qū)的管控可分為靜態(tài)管控和動態(tài)管控,靜態(tài)管控大都是在連接線設置標志標線,動態(tài)管控則根據(jù)交通流參數(shù)決定對應的控制措施,主要分為匝道管控與主線管控[2].

2.1 匝道管控方法

匝道管控分為單匝道管控與多匝道管控.單匝道管控主要通過占有率管控、需求與容量管控、可接受間隙管控和ALINEA算法管控等實現(xiàn)車輛有序交織[3-5],但單匝道控制往往由于蓄車能力有限導致匝道排隊溢出而對主線交通產(chǎn)生影響.需對多個匝道進行整體協(xié)調控制以提升蓄車能力,達到系統(tǒng)最優(yōu)[6].

2.2 主線控制方法

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)道路實時交通狀況及環(huán)境等因素動態(tài)調整信息板上的限速值,實現(xiàn)車流安全﹑高效、平穩(wěn)行駛,可優(yōu)化車輛出行時間、提升出行效率、減少交通事故率[7-12].

3 設計方案

石湖互通連接線3個方向的車流交織導致連接線通行能力下降.采用連接線入口匝道控制直接對入口匝道的交通量進行調節(jié),對連接線交織區(qū)部分的交織行為進行ALINEA算法控制,能夠有效提高交織區(qū)的通行效率.這種控制方法是當前應用最為廣泛的局部匝道控制方法,通過控制匝道調解率,維持主線下游占有率處于期望值附近,同時配合標志與地面標線等,達到最大化交織區(qū)通行能力的目的[13-15].

3.1 設備布設方案

在3個方向合流交織的區(qū)域設置交通信號燈,通過控制間歇放行來調節(jié)交通流量.信號燈附著于現(xiàn)有燈桿上,在前端單獨設置1套交通信號控制機.本文設計兩種備選方案:

1) 在入口3個匝道各設置一套信號燈附著于燈桿上,在3個匝道上設置兩級交通安全提示牌,并在地面施畫停車線及縱向減速標線,詳見圖4;

圖4 方案1平面布置圖

2) 在入口3個匝道合流點設置交通安全標志、信號燈組合式門架,將3個方向的車輛按4個車道固定方向行駛,信號燈分車道進行控制.信號燈及交通安全標志牌設置于組合式門架上,路面重新施畫停車線及縱向減速標線,詳見圖5.

圖5 方案2平面布置圖

3.2 信號燈配時方案

本項目信號燈主要為控制早高峰時段交通秩序,通過信號燈控制3條匝道行駛車輛有序通過,并根據(jù)各條匝道交通量大小、匝道長度等合理設置信號燈配時,盡量避免車輛交織和排隊積壓的情況,信號燈配時方案如圖6所示.

圖6 信號燈配時方案圖

信號燈循環(huán)周期為90 s,Signal group 1設置于高架吳中至石湖匝道,Signal group 2設置于地面蘇州至石湖匝道,Signal group 3設置于高架蘇州至石湖匝道.此信號燈配時方案僅在工作日7∶00～9∶00使用,其余時間信號燈均為黃閃,發(fā)揮警示作用.

此外,項目運營期擬在城市道路設置交通量檢測設備,交通時序可由現(xiàn)場交通量變化進行調整.

3.3 方案仿真比選

仿真采用VISSIM平臺,仿真場景選取每日車輛最高峰時段7∶00～8∶00.高架吳中至石湖匝道、地面蘇州至石湖匝道、高架蘇州至石湖匝道交通量分別設置為1 230、1 080、690輛自然車/h(2020年第30小時交通量).小客車、貨車與大客車的車型比例為0.61∶0.24∶0.15,車輛到達強度模型設置為泊松分布,仿真精度設置為10.

根據(jù)交通流理論,車輛到達的時間間隔受某一特定區(qū)間的車頭時距影響,其交通流的主要特性為:

1) 在一定時間間隔,收費站到達的車輛數(shù)量的分布是離散的;

2) 某個時間間隔內的車輛到達頻率不受上一個時間間隔內車輛到達頻率的影響.

車輛通過信號燈駛入連接線后減速并觀察各收費車道的排隊長度,選擇并駛入ETC或E/MTC收費車道.ETC車輛通過ETC車道時,以服從正態(tài)分布N(19,1.5)的車速通過識別交易區(qū)域,在道閘抬桿后加速駛離;MTC車輛通過E/MTC車道時,減速至崗亭旁停車,領取復合通行卡[8],根據(jù)對蘇州繞城高速各收費站人工繳費時間的觀察,領卡時間服從正態(tài)分布N(8,1.1).

仿真運行圖如圖7至圖9所示.

圖7 無信號燈情況仿真模型運行圖

圖8 方案1仿真模型運行圖

圖9 方案2仿真模型運行圖

從仿真模型運行圖中可以明顯看出,通過信號燈對入口匝道交通量進行調節(jié),可以有效緩解連接線的交通擁堵.各方案仿真運行結果如表1所示.

表1 仿真模型輸出數(shù)據(jù)

兩種方案均能在一定程度減輕連接線的排隊情況,且對石湖立交主線的擁堵也有一定的緩解作用.與方案2相比,方案1減少了對車輛合流區(qū)域的占用,使車輛有更多的空間與時間用于變道,且信號燈設置的位置視角較好,易于觀察.

根據(jù)仿真運行結果可知,方案1連接線上的平均排隊長度比方案2縮短了53 m,車輛平均等待時間減少6.7 s;雖然匝道上排隊車輛較多但對主線影響較小.方案1能較好緩解連接線上車輛排隊的情況,減輕交通管理的壓力.經(jīng)與交通管理部門討論,最終采用方案1為實施方案.

4 結語

本項目建成后效果較好,改善了早高峰時段石湖互通收費站連接線交通秩序,通過信號燈控制3個方向行駛車輛有序通行,避免了車輛交織和車輛排隊積壓的情況.通過智能交通管控改造,起到了誘導交通、確保行車安全、減少車輛發(fā)生事故的重要作用.為高速公路與城市道路交界的智能交通管控改造項目提供了新思路及解決方案.