智能匝道管控技術(shù)實施策略與效果評估

胡永愷 楊陽

（1.江蘇寧滬高速公路股份有限公司，江蘇 南京 210049；2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 211008）

隨著高速公路周邊城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地資源日益稀缺，若通過大規(guī)模的高速公路改擴(kuò)建來提升其通行能力，將會耗費(fèi)大量的人力物力財力，而且實施難度也非常大，即使能夠?qū)崿F(xiàn)，其實際收益也必將大打折扣。因此，在非大規(guī)模擴(kuò)建高速公路的基礎(chǔ)上，利用智能化、精細(xì)化交通管控技術(shù)，較大程度提升高速公路道路通行能力，滿足超大規(guī)模交通流量常態(tài)化作用下高速公路正常、有序通行，就顯得尤為重要。

高速公路主動管控技術(shù)根據(jù)適用場景分為主線、匝道和路網(wǎng)3種。其中，匝道控制策略近年來獲得了各方學(xué)者、研究人員的關(guān)注，發(fā)展得越來越成熟。匝道控制策略此前多用于城市道路控制。隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和車流量的迅猛增長，高速公路擁堵越來越嚴(yán)重，匝道控制[4-6]這種主動交通管控技術(shù)就常被用于緩解高速公路擁堵。匝道控制技術(shù)還經(jīng)常與主線控制技術(shù)如可變限速控制等協(xié)同應(yīng)用于高速公路管控[7-9]。

匝道管控技術(shù)多用于城市快速路交叉口及高速公路單個入口匝道等情形，面對日益復(fù)雜的高速公路擁堵狀況，當(dāng)前的管控效果顯然不能滿足車輛的通行需求。本文的分析評估對象為互通型多層次匝道，采用智能匝道管控技術(shù)評估驗證管控效果。

一、智能匝道管控技術(shù)

（一）互通型多層次匝道管控技術(shù)

多層次匝道結(jié)構(gòu)由A、B兩個從屬匝道和C主匝道組成。A、B分別為其他兩條高速公路的出口匝道，A、B匝道合并形成主干匝道C，車輛經(jīng)C匝道駛?cè)胫骶€。這種構(gòu)造形成了多層次的復(fù)雜匝道結(jié)構(gòu)。車輛通過匝道的不斷匯合，駛?cè)胫骶€。在匝道內(nèi)部，由于C匝道通行能力有限，A、B同時放行，流量過大，沖突點增加，在匝道內(nèi)部甚至?xí)a(chǎn)生瓶頸，導(dǎo)致匝道管控技術(shù)失效。同時，由于高速公路互通、匝道承載了較大的車流量，沖突點較多，容易誘發(fā)長路段擁堵，甚至?xí)又粮咚俟分骶€，從而嚴(yán)重影響交通。

針對互通型多層次匝道管控，本文提出了一種動態(tài)調(diào)節(jié)算法，實行多層次匝道的管控方案設(shè)計。其中A、B匝道放行順序根據(jù)實時檢測的匝道排隊長度確定。

多層次匝道管控方案將匝道狀態(tài)分為3種，分別為匝道開放、匝道調(diào)節(jié)、匝道關(guān)閉；分別對應(yīng)主線交通狀況為暢通、擁擠、堵塞3種狀態(tài)。其中，匝道調(diào)節(jié)狀態(tài)時，擬采用拉鏈?zhǔn)浇惶娣判胁呗裕刂七M(jìn)入主干匝道的車流量，進(jìn)而控制匯入主線車輛數(shù)，并且兼顧次級匝道的放行。在匝道調(diào)節(jié)狀態(tài)，放行A、B哪個匝道是由動態(tài)調(diào)節(jié)算法決定的。

（二）互通型短間距聯(lián)動匝道管控技術(shù)

短距離雙匝道結(jié)構(gòu)是指在較短距離內(nèi)有連續(xù)兩個入口匝道（A、B）的互通匝道結(jié)構(gòu)。這種特殊結(jié)構(gòu)的匝道因為相距距離較近，車輛連續(xù)匯入，相互影響，交通狀態(tài)不穩(wěn)定，在輕微的擾動、甚至沒有擾動的情況下就會自發(fā)產(chǎn)生擁堵瓶頸，進(jìn)而影響主線的通行效率，降低安全保障。

對于短距離雙匝道結(jié)構(gòu)，為了避免雙匝道同時放行導(dǎo)致主線流量增加，擬采用匝道聯(lián)動管控技術(shù)——METALINE方法，該匝道控制策略根據(jù)各匝道處檢測線圈檢測到的車輛占有率序列來計算匝道調(diào)節(jié)率，是ALIENA的擴(kuò)展，不僅擁有ALINEA穩(wěn)定性高的特點，同時還對主線交通流的波動具有較高的敏感性，實現(xiàn)了對METALINE方法的升級。

擬利用G42滬蓉高速江蘇段沿線的檢測器，提供主線交通狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用METALNE算法，聯(lián)動控制距離較近的雙匝道，保障主線通行效率。

其中，rk是第k個時段入口匝道的調(diào)節(jié)率向量，Oout(k-1)是第k個時段受控入口匝道下游主線占有率向量，K1

LQ1、K2LQ2為增益矩陣，Od為受控入口匝道下游主線理想狀態(tài)下的占有率向量。

在k時間段計算完畢，輸出沿線受控匝道的調(diào)節(jié)率后，模型重新獲取k+1時間段主線占有率，自動調(diào)整增益矩陣，計算k+1時間段占有率。

二、微觀交通仿真

（一）主動管控技術(shù)VISSIM仿真平臺

1.仿真平臺

現(xiàn)有條件下，選定VISSIM作為仿真平臺。VISSIM是由德國PTV公司開發(fā)的微觀交通流仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個離散的、隨機(jī)的、以十分之一秒為時間步長的微觀仿真軟件。該系統(tǒng)不僅可以模擬車輛的行為，還能夠模擬駕駛員的行為。采用VISSIM仿真模型，能夠全方位地模擬高速公路上交通流的運(yùn)行狀態(tài)。

2.仿真環(huán)境搭建

該次微觀仿真選用G42滬蓉高速江蘇段作為仿真環(huán)境。G42滬蓉高速江蘇段為全封閉、全立交、高等級、多功能的現(xiàn)代化高速公路，全線采用交通運(yùn)輸部頒布的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，主線高速公路路基42.5m，雙向八車道，每車道寬3.75m，中央設(shè)3m寬分隔帶，外側(cè)設(shè)2.5m寬的緊急停車帶，設(shè)計車速為120km/h，設(shè)計車輛荷載為汽車—超20、掛—120，通過能力每天達(dá)6萬輛次。

結(jié)合仿真軟件，利用地圖作為仿真的背景資料，搭建高速公路實際道路幾何特征的仿真環(huán)境，并重點搭建常規(guī)路段、互通立交、匝道、收費(fèi)站、服務(wù)區(qū)等關(guān)鍵節(jié)點的動態(tài)仿真驗證環(huán)境。

以G42滬蓉高速江蘇段無錫東互通立交為例，具體說明仿真環(huán)境搭建的步驟：

（1）新建文件并導(dǎo)入底圖。包括新建文件，加載背景圖片并調(diào)整比例。

（2）建立路網(wǎng)。繪制路段并用連接器連接，繪制匝道，編輯道路幾何特征。

（3）設(shè)置路徑?jīng)Q策。

（4）設(shè)置檢測器。包含車輛記錄、車輛記錄過濾器、數(shù)據(jù)采集點的設(shè)置。

3.仿真場景加載

劃分高速公路運(yùn)營過程中所發(fā)生的各類交通場景（天氣、交通事故、占道施工、交通飽和度），并分級梳理各類交通場景發(fā)生的程度、影響范圍、持續(xù)時間，在此基礎(chǔ)上搭建不同類別、不同級別的仿真分析場景，并根據(jù)具體需要將這些場景加載到仿真環(huán)境。結(jié)合高速公路運(yùn)營特征，分類梳理主動管理技術(shù)應(yīng)用場景，并細(xì)化各類應(yīng)用場景的指標(biāo)及分級標(biāo)準(zhǔn)。

（二）微觀交通仿真效果評價

根據(jù)具體需要，在實施各類主動管理技術(shù)后，仿真分析各類場景下高速公路道路通行承載能力、出行交通流量、交通車流分配情況，從而驗證仿真分析結(jié)果，可視化展現(xiàn)高速公路通行承載能力、出行交通流量、車流分配情況。

通過分析對比仿真實驗數(shù)據(jù)與真實調(diào)查數(shù)據(jù)，所搭建的仿真平臺具有較好的還原真實場景的效果，還原率達(dá)到95.6%。

根據(jù)以上仿真實驗結(jié)果，搭建的微觀交通仿真平臺具有良好的仿真效果，能較高程度地還原G42滬蓉高速江蘇段運(yùn)行狀態(tài)及事故發(fā)生前后場景。

三、智能匝道管控技術(shù)實施效果應(yīng)用分析

（一）互通型多層次匝道管控效果評估

圖1 智能匝道管控技術(shù)管控效果評價

針對多層次匝道的特殊線性，本文提出了互通型多層次匝道管控技術(shù)，并基于仿真平臺開展仿真實驗，驗證所提算法的有效性和穩(wěn)定性。

仿真結(jié)果如圖1（a）所示，管控后主線交通秩序得到明顯改善。管控前G42滬蓉高速江蘇段主線車流排隊，合流區(qū)匝道車流匯入秩序混亂，管控后G42滬蓉高速江蘇段主線車流排隊長度縮短，合流區(qū)匝道車流匯入秩序得到改善。其中，車均延誤在上行方向略有增加，在下行方向降低了50%。行程時間的減少程度雖然不大，但在G42滬蓉高速江蘇段交通流量如此飽和的情況下，行程時間減少顯得難能可貴；停車次數(shù)相比無控制情況下降低得比較明顯。綜上，相比之前的無管控方案，在車均延誤、停車次數(shù)、行程時間這3項關(guān)鍵指標(biāo)上均有明顯改善。

（二）互通型短間距聯(lián)動匝道管控效果評估

針對主線短間距內(nèi)出現(xiàn)兩個及多個匝道的案例，項目提出互通型短間距聯(lián)動匝道管控技術(shù)，仿真結(jié)果如圖1（b）所示。

通過仿真，實現(xiàn)匝道管控后，相比無控制情境，行程時間最高下降33.33%，停車次數(shù)最高下降12.2%，車均延誤最高下降41.5%。對于停車次數(shù)而言，雖然匝道管控通過信號燈設(shè)置，使車輛停車等待一段時間進(jìn)入主線，增加了車輛停車次數(shù)。但是由于整體交通狀況的改善，車輛通行順暢，主線交通擁堵減少，從而使整體停車次數(shù)減少。

四、結(jié)語

本文分析評估了智能匝道管控技術(shù)中的互通型多層次匝道管控技術(shù)、互通型短間距聯(lián)動管控技術(shù)的管控原理，并基于VISSIM仿真平臺搭建了微觀仿真環(huán)境，評估以上兩種智能匝道管控技術(shù)的實施效果，從仿真結(jié)果看，互通型多層次匝道與互通型短間距聯(lián)動匝道管控技術(shù)在車均延誤、停車次數(shù)、行程時間這3項關(guān)鍵指標(biāo)上均有明顯改善，管控效果顯著。