大交織流量快速路的非中斷控制優(yōu)化

吳 中， 王凌微， 楊 潔， 方利君， 楊海飛

(1. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 江蘇 南京 210024； 2. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司， 江蘇 南京 210098)

快速路是城市交通路網(wǎng)骨架的重要構(gòu)成部分，大中城市內(nèi)環(huán)快速路更是承擔(dān)了主城區(qū)的大量交通量、是維系城市核心區(qū)域交通暢通的主要交通設(shè)施.城市快速路常見有高架、路堤、路塹、隧道、地面以及混合形式，它們都由獨(dú)立單向的快速干線、上下快速路的匝道或輔線和連接干線、匝道的交織區(qū)組成.匝道或輔線連接城市其他道路路網(wǎng)，從而形成不同等級(jí)道路組成的城市交通網(wǎng)絡(luò).南京市井字型快速內(nèi)環(huán)主要由城西干道(虎踞路)、城東干道(龍?bào)绰?、緯三路(模范馬路)、緯七路及其延伸的8條放射性道路等組成.西環(huán)、北環(huán)、東環(huán)主要采用隧道段加地面段的快速通過形式，南環(huán)、鳳臺(tái)南路、玄武大道則主要采用高架橋段快速通過形式.內(nèi)環(huán)線以低于10%的道路網(wǎng)里程承擔(dān)了40%以上“車·公里”機(jī)動(dòng)車交通量，有效緩解了主城區(qū)地面道路交通壓力[1].根據(jù)交管部門發(fā)布的交通出行狀況數(shù)據(jù)分析[2]，近年來快速內(nèi)環(huán)擁堵狀況不斷加劇(見圖1)，西線直接連接長江北岸與江寧新區(qū)且沿程隧道密集、交織段距離過短，擁堵尤為嚴(yán)重.平峰期交通量約為高峰期的45%～55%，尚能夠保持暢通；高峰期主要斷面主線3車道最大流率已經(jīng)達(dá)到5 500～7 400 pcu·h-1，擁堵嚴(yán)重.交通量呈現(xiàn)出主干路流量大，主輔路之間車流交織頻繁[3](交織比小，為0.25～0.35)，車流速度受影響的特點(diǎn).西線擁堵主要集中在漢中門隧道和集慶門隧道交織區(qū)，高峰期交織區(qū)已成為內(nèi)環(huán)線的主要瓶頸之一.因此，在現(xiàn)有道路設(shè)施的基礎(chǔ)上，運(yùn)用新時(shí)代5G技術(shù)[3]和其他技術(shù)，進(jìn)一步加強(qiáng)控制與管理、提高快速路通行能力、改善交織區(qū)服務(wù)水平已經(jīng)成為解決高峰期內(nèi)環(huán)線交通擁堵難點(diǎn)問題的有效方式.

圖1 高峰期內(nèi)環(huán)西線交織區(qū)擁堵狀況

國內(nèi)外學(xué)者從駕駛行為、道路特性、車輛行為特性等方面對(duì)交織區(qū)展開研究，取得了一定的成果.SUN S.C.等[4]通過元胞自動(dòng)機(jī)仿真分析了虛線允許換道、實(shí)線禁止換道和虛實(shí)線部分換道3種換道行為對(duì)于交織區(qū)入口和出口匝道交織速度的影響; WANG F.等[5]通過仿真模型對(duì)不同城市道路與快速路連接長度進(jìn)行對(duì)比，分析得出合理的匝道長度能夠不同程度減少平均延誤與行程時(shí)間等指標(biāo)；M.S. SURBAKTI等[6]對(duì)比了greenberg、greenshields等4種模型對(duì)于交織區(qū)下游沖突的代表性，結(jié)果表明greenshields模型適應(yīng)性最高；WANG H.J.等[7]考慮了2種具有顯著差異的駕駛行為，并實(shí)證分析了不同駕駛行為下對(duì)高速公路出入口匝道的決策順序優(yōu)先級(jí)；在智能網(wǎng)聯(lián)汽車迅猛發(fā)展的技術(shù)背景下，LI H.J.等[8]通過精細(xì)化車道管理，分別采用引導(dǎo)換道車輛分離主線和引導(dǎo)車輛提前換道2種方案，形成沖突回避區(qū)從而有效降低延誤.

在車輛、駕駛員以及道路3種交通管理對(duì)象中，道路靜態(tài)控制措施相對(duì)成本最低、可操作性、可復(fù)制性強(qiáng)，在傳統(tǒng)人-車-路模式與車聯(lián)網(wǎng)模式的轉(zhuǎn)換中能夠完全適配駕駛員及人工智能，并能在2種模式中進(jìn)行過渡與轉(zhuǎn)換.因此，文中擬以南京內(nèi)環(huán)線東西線交織區(qū)為研究對(duì)象，深入分析交織區(qū)運(yùn)行機(jī)理，研究高峰期工況下合理優(yōu)化的城市快速路非中斷靜態(tài)控制方法，為緩解城市快速路高峰期交織區(qū)擁堵提供參考，研究成果具有普適性.

1 快速路交織區(qū)控制發(fā)展

1.1 理論研究

以往對(duì)交織區(qū)的理論研究主要集中在交織區(qū)通行能力、服務(wù)水平、分流及合流影響范圍等方面，常見有匝道及交織區(qū)布置形式對(duì)通行能力的影響[9]、交通流特性對(duì)通行能力的影響、通行能力計(jì)算模型改進(jìn)等研究成果[10].而對(duì)城市快速路交織區(qū)的管理與控制的成果僅常見于工程實(shí)踐中，系統(tǒng)理論研究并不多見.

交織區(qū)的控制分為匝道控制、主線控制和綜合協(xié)同控制.交織區(qū)是連續(xù)交通流設(shè)施，在交織區(qū)和快速路主線上一般只能實(shí)施非中斷控制(標(biāo)志標(biāo)線、變速協(xié)同等).

1.2 緩解擁堵的工程實(shí)踐

1.2.1提 速

為緩解高峰期快速路擁堵程度，2016年杭州市組織相關(guān)專業(yè)咨詢機(jī)構(gòu)針對(duì)已經(jīng)開通的多條城市快速路甚至主干路隧道進(jìn)行了限制速度專題評(píng)估研究，經(jīng)論證后對(duì)這些快速路(包括隧道)的限制車速從60 km·h-1提升到了70～80 km·h-1，取得了較好的成效.

2019年1月底廈門實(shí)施3大主干道和“三橋一隧”提速，仙岳高架、成功大道、環(huán)島干道、海滄大橋、杏林大橋、集美大橋以及翔安隧道的道路限速值提高，幅度達(dá)10 km·h-1.

2020年南京內(nèi)環(huán)東線與西線實(shí)施了分時(shí)段提速方案，提速幅度為10 km·h-1，取得了一定的效益.提高車速限制即提升暢行速度，從理論上說可以提高最大通過能力，同時(shí)提速還可以提高交織區(qū)的交織與非交織車流速度、緩解高峰交通壓力，但提速需要滿足道路行車安全保障條件.

1.2.2接入控制

對(duì)高峰期快速路的管理通過匝道駛?cè)肼收{(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn).依據(jù)實(shí)測快速路干線上的流量，決策使用信號(hào)燈控制入口匝道放行車輛駛?cè)氲牧髀?其理論依據(jù)如下：當(dāng)主線上車流由較低密度向最佳密度發(fā)展時(shí)，要控制匝道上的車輛較快較多地并入主線，使主線車流密度超過最佳密度、主線交通流狀態(tài)進(jìn)入基本圖擁擠區(qū)，從而降低主線通過能力.接入控制思想是暫緩匝道上的并入主線車流，確保主線暢通.接入控制需要匝道容量保證，以避免外溢效應(yīng)，該控制方法在國外應(yīng)用廣泛.

1.2.3標(biāo)志標(biāo)線控制

通過在交織區(qū)設(shè)置具有特殊功能的標(biāo)志標(biāo)線，規(guī)范區(qū)內(nèi)各股車流的流線，以期達(dá)到交織暢通的目的.此方法在國內(nèi)部分快速路已經(jīng)有所應(yīng)用.

2 非中斷控制方案

2.1 交織區(qū)類型

南京內(nèi)環(huán)線快速路東西線交織區(qū)類似于A型交織區(qū)(稱為類A型，見圖2)，快速路主線為單向3車道.上下游隧道間主線升至地面與地面2車道輔線并列.輔線起到進(jìn)出匝道與部分加減速道的功能，形成5車道的交織區(qū)(從行車方向計(jì)，從左至右車道編號(hào)為1至5).輔線2車道出交織區(qū)后擴(kuò)展成6車道、直達(dá)下游信號(hào)交叉口，與其他道路相接.輔線擴(kuò)展前設(shè)有“U”形調(diào)頭車道，方便車輛反向行駛.與高速公路交織區(qū)不同的是，交織區(qū)內(nèi)主線限速60 km·h-1、輔線限速40 km·h-1，輔線的加減速道功能均部分受到限速的限制.

圖2 類A型5車道交織區(qū)構(gòu)造示意圖

內(nèi)環(huán)線路段還設(shè)有第3條輔線，最外側(cè)的第3條輔線(第6車道)部分是斷頭路、部分設(shè)為公交專用道以方便公交車停靠，因此分析中不考慮功能不完整的第6車道，這不影響分析結(jié)論.

2.2 計(jì)算理論

經(jīng)典的交織區(qū)通過能力與服務(wù)水平分析主要依據(jù)美國《公路通行能力手冊》，快速路A型交織區(qū)的計(jì)算可參考文獻(xiàn)[5].相關(guān)計(jì)算公式也表達(dá)了影響交織區(qū)運(yùn)行質(zhì)量各個(gè)因素之間的關(guān)系.公式應(yīng)用中應(yīng)考查其適用范圍.下面對(duì)交織區(qū)一些參數(shù)作出說明，如表1所示.

表1 交織區(qū)參數(shù)說明

續(xù)表

當(dāng)Nw>1.4時(shí)A型交織區(qū)為約束運(yùn)行，約束運(yùn)行重新計(jì)算Sw和Snw需選用表2約束運(yùn)行參數(shù).

表2 A型交織區(qū)a、b、c、d取值

交織強(qiáng)度計(jì)算式為

(1)

車速比值計(jì)算式為

(2)

交織車輛為達(dá)到非約束運(yùn)行所必須使用的車道數(shù)為

(3)

式中：Wi為交織強(qiáng)度因子，i代表交織或非交織2種狀態(tài)；Smax為交織區(qū)主輔線限速下最大車流速度；a、b、c、d為常數(shù)，取值由交織區(qū)運(yùn)行狀態(tài)決定.

由于南京內(nèi)環(huán)線交織區(qū)主線與輔線限速不一致，真實(shí)的Sw和Snw必然大于主線輔線都按40 km·h-1限速的工況、小于都按60 km·h-1限速的工況.令SFmax、SRmax表示主線、輔線限速，則交織與非交織流速可以用式(4)替代式(2)進(jìn)行分析估算：

(4)

主輔線限速60 km· h-1，主線限速60 km·h-1、輔線限速40 km·h-1和主輔線限速40 km·h-1這3種情況下的Sw估算值見圖3.Smax由主、輔線不同限速值的中值替代，反映出真實(shí)車流車輛在交織過程中跨越車道線后的適應(yīng)性變速對(duì)交織與非交織車流速度的影響.

圖3 主輔線不同限速值的Sw估算值(中間曲面)

2.3 3種控制方案

南京內(nèi)環(huán)線是外城進(jìn)出主城唯一的快速通道，交織區(qū)在高峰期呈現(xiàn)大流量、大交通量比的低速大密度車流特征.車流交織引起的延誤影響了快速路的通過效率，其外溢效應(yīng)甚至?xí)T發(fā)全線擁堵.利用式(1)、(3)、(4)研究發(fā)現(xiàn)，過大的交通量比VR、較短的有效交織長度L會(huì)導(dǎo)致交織區(qū)交織與非交織車速下降；交織車輛交織過程占用過多的車道，會(huì)引起交織車流約束運(yùn)行、并伴隨交織秩序的下降，同時(shí)降低交織與非交織車流速.交織秩序既影響交織速度、也是誘發(fā)交織車輛無序占用更多車道的原因.利用非中斷控制提高交織車流秩序是改善高峰期交織區(qū)服務(wù)水平的有效方法.

2.3.1現(xiàn)行上下快速流線分離方案

南京交管部門將干線與輔線車道分隔線等份設(shè)置成交織區(qū)上半段僅允許主線-輔線(F-R)交織車流換道通過、不允許輔線-主線(R-F)交織車流通過的單向換道線，交織區(qū)下半段單向換道線正好相反.這個(gè)設(shè)置在空間上分離上下快速的車流，降低了兩股沖突車流的相互干擾；交織區(qū)單向換道線先下后上的設(shè)置體現(xiàn)了保障主線交通優(yōu)先的原則(見圖4，圖中F-F表示主線-主線).

圖4 交織空間流線分離控制(現(xiàn)實(shí)施方案)

利用式(4)分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在某些高峰工況時(shí)，3主線、2并列輔線的5車道交織區(qū)與3主線、1并列輔線和1獨(dú)立輔線的4車道交織區(qū)方式的交織車流速非常接近，這表明在輔線利用和交織流線控制上可能存在可深入挖掘的潛力.

2.3.24.5車道方案

圖5給出了輔線間單向換道的4.5車道交織控制方案.

圖5 輔線間單向換道的4.5車道交織控制

如圖5所示，在輔線入口處控制交織車流R-F與非交織車流R-R分道行駛，非交織車流在外側(cè)第5車道行駛，且在交織區(qū)路段內(nèi)禁止換道.輔線-主線交織車流R-F走內(nèi)側(cè)第4車道，以方便一次變道進(jìn)入主線.R-F車流車輛可以在交織區(qū)1-4車道內(nèi)運(yùn)行；主線-輔線的交織車流F-R從主線駛離后，可以沿第4車道行駛，也可以選擇由第4車道換道至外側(cè)第5車道，以平衡兩輔線車輛駛離速率，并充分利用外側(cè)輔線.同時(shí)也為處于交織中心位置的第4車道讓出空間，便于后續(xù)交織車輛利用第4車道，F(xiàn)-R車輛在交織區(qū)可以使用1-5車道.上下快速的交織車輛在交織區(qū)分別可以使用4條車道與5條車道，因此稱此控制為4.5車道交織控制.控制方案增加了交織車流秩序性的同時(shí)，也給了交織車輛較多可利用車道，更大程度上保證了主線的暢通.為確保行車安全，在兩輔線分隔線的交織區(qū)上下游段還各設(shè)雙黃線，禁止車輛在此路段上換道、影響輔線駛?cè)腭偝鲋刃?

2.3.3交織流線分離的4.5車道方案

為進(jìn)一步增強(qiáng)交織秩序，將4.5車道方案與交織空間流線分離方案(見圖4)迭加，形成交織流線分離的4.5車道方案.方案中F-R車流流線在交織區(qū)上游半幅區(qū)域，可以使F-R車流在整個(gè)交織區(qū)段自由選擇由4車道換道至外側(cè)車道，從第5車道承接第4車道的換道車流角度看，這使迭加的二方案完美結(jié)合(見圖6).

圖6 交織流線分離的4.5車道交織控制

3 分析與仿真

以快速路西線水西門-清涼門段為研究對(duì)象，對(duì)短交織長度交織區(qū)段不同流量進(jìn)行仿真結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證各非中斷控制方案的優(yōu)劣.水西-清涼門交織區(qū)長度為151 m，考慮兩端各10 m魚腹線的設(shè)置，有效交織段長度僅為131 m.較短的交織長度是高峰期通過壓力大的典型案例.

3.1 仿真模型

利用VISSIM交通仿真平臺(tái)建立水西-清涼門5車道交織區(qū)模型.其中1-3車道為快速路主線、限速60 km· h-1；4-5車道為輔線、限速40 km· h-1，模型中按車道分別進(jìn)行速度限制設(shè)定.設(shè)置模型主線與輔線入流口距交織區(qū)100 m，以便讓車輛入流后充分行駛調(diào)整至合理的車頭時(shí)距.交織區(qū)下游設(shè)100 m路段，末端采用無反射開邊界條件，確保交織區(qū)車流僅受交織區(qū)車流與非中斷控制的影響.

仿真中進(jìn)行A-D共4個(gè)控制方案的比較，同一交織區(qū)各種方案只有對(duì)車流控制的不同，道路尺度與車流輸入都完全相同.各方案特殊控制如下：A方案為3主2輔5車道交織區(qū)，車輛在交織區(qū)內(nèi)交織無額外的控制，R-F交織車流與R-R非交織車流自由選擇4、5車道進(jìn)入交織區(qū)；B方案為控制R-F交織車流走4車道，R-R非交織車流走5車道，在交織區(qū)段輔線僅允許4至5車道換道，交織區(qū)上下游端點(diǎn)處4、5車道分隔線上游向上、下游向下各30 m區(qū)段禁止換道(示意圖見圖5)；C方案為R-F交織車流與R-R非交織車流自由選擇4、5車道進(jìn)入交織區(qū)，3、4車道分隔線上游半幅僅允許3至4車道換道，下游半幅僅允許4至3車道換道(示意圖見圖4)；D方案為控制R-F交織車流走4車道，R-R非交織車流走5車道，在交織區(qū)段輔線間僅允許4至5車道換道，交織區(qū)上下游端點(diǎn)處4、5車道分隔線上游向上、下游向下各30 m區(qū)段禁止換道，3、4車道分隔線上游半幅僅允許3至4車道換道，下游半幅僅允許4至3車道換道(示意圖見圖6).

仿真工況如下：交通量比VR=0.3；交織比R=0.3；有效交織長度L=131 m；快速路車道限速60 km·h-1；輔線限速40 km·h-1；總流量V分別為1 000、2 000、…、7 000 pcu·h-1.

3.2 仿真結(jié)果分析

由于交織長度短、主輔線限速值不一致，輔線無法充分完成加減速道功能、上下快速路加減速部分功能必然要由主線第3車道完成，從而降低了交織區(qū)車輛通過與交織效率.水西-清涼門交通參數(shù)集中體現(xiàn)了交織區(qū)的不利特征，各車道仿真車速結(jié)果見表3、4.

表3 方案A、B典型工況各車道仿真空間平均車速 km·h-1

表4 方案C、D典型工況各車道仿真空間平均車速 km·h-1

在低速高密度工況下，由于密度再難以增加(可視為常數(shù))，交通流量等于空間平均車速乘以密度，則空間平均車速大小就反映流量的大小.第3車道是快速路最外側(cè)車道，與輔線第4車道并列共同構(gòu)成了交織的中心區(qū)域，所有交織車輛必須跨越第3、4車道的分隔線.這種車輛駛離原車道、跨越分隔線、并入新車道、調(diào)整車速適應(yīng)新車道的過程必然會(huì)干擾兩車道正常行駛的車流.干擾越大，車道車流速就越慢.作為快速路車道的第3車道空間平均車速是衡量交織運(yùn)行質(zhì)量的重要指標(biāo)(表3、4陰影列)，通常也是快速路3車道中速度最慢的車道.表3、4表明，B方案在大流量區(qū)間有較高的交織質(zhì)量水平.第1車道主要承載F-F非交織車流，表4、5中4個(gè)方案第1車道車速都比較接近，第2車道狀態(tài)處于第1和第3車道之間.

4方案主輔線車流速平均結(jié)果表現(xiàn)出一定的規(guī)律性.交織區(qū)的非中斷控制可以顯著地提高短交織長度交織區(qū)主線上的車速(B、C、D方案好于A方案，見圖7、8)，這也表明交織秩序?qū)Χ探豢梾^(qū)服務(wù)水平影響很大.在所有方案中，R=0.3工況下，B方案提供了主線大流量工況下最大車速，C、D方案雖然比無控的A方案有明顯提升，但仍然低于B方案.輔線上D方案表現(xiàn)最佳，其他方案則差別不大.

圖7 交織比為0.3工況的主、輔線平均車速

R=0.5工況下，上下快速的兩股交織流量相等，含有流線分離控制成分的C、D方案表現(xiàn)好于R=0.3工況.圖8中的總體變化趨勢與圖7基本相同，只是主線大流量工況下，B、C、D方案相差不大、C方案略好.輔線D方案優(yōu)勢更明顯，其他方案對(duì)輔線車輛運(yùn)行速度提升效果較為接近，B方案略好.

圖8 交織比為0.5工況的主、輔線平均車速

圖7、8的對(duì)比說明，包含車流線分離控制的C、D方案對(duì)交織比R敏感.C、D方案中，上下行3與4車道間的單向換道標(biāo)線是等長的，它最適合于R=0.5工況.當(dāng)上下交織流量不等時(shí)，必然引起某一方向交織車流擁擠堆集、另一方向換道時(shí)空資源相對(duì)浪費(fèi).D與C方案比較，大流量下主線表現(xiàn)稍差，這表明控制措施過多不一定會(huì)完全最佳匹配車流多變的工況，同時(shí)也會(huì)限制交織車流的自組織能力.D方案在主線的稍差表現(xiàn)，使主線下快速路的車輛通過率略小，同時(shí)成就了輔線上較高的平均速度.

4 結(jié) 論

1) 4.5車道交織非中斷控制B方案能夠適當(dāng)約束交織車流與非交織車流秩序，給交織車流交織過程提供較多車道，同時(shí)不過多限制交織車流在較小交織比工況下的自組織能力，適應(yīng)性強(qiáng).B方案能夠顯著提升快速路平均車速、有較好的控制效果，推薦B方案.

2) 上下快速路流線空間分離控制C方案能夠顯著改進(jìn)快速路主線的服務(wù)水平，因其存在資源劃分與交織比匹配問題，建議應(yīng)用在有較長交織段的交織區(qū)，或大流量下交織比固定的交織區(qū)(資源劃分需與交織比匹配).

3) 復(fù)合控制D方案控制策略復(fù)雜、限制了車流自組織能力且復(fù)雜控制無法同時(shí)在各個(gè)細(xì)節(jié)上匹配不同工況各股交通流的需求，在服務(wù)主線車流上并無明顯優(yōu)勢，建議謹(jǐn)慎使用.

4) 現(xiàn)行上下快速流線等份分離方案只符合較大駛?cè)胲囁俸蛙嚵鬈囶^時(shí)距較大的高速公路常見工況和《公路通行能力手冊》中交織區(qū)通過能力受交通量比影響的計(jì)算思想；仿真研究表明，城市快速路在低速高密度工況下，交織區(qū)的通過能力不僅受交通量比影響，還受交織比影響.交織比越小，通過能力越小.4.5車道的交織區(qū)控制方案較好應(yīng)對(duì)了低速高密度工況通過能力受交織比影響的現(xiàn)象.

5) 主線與輔線限速不一致的交織區(qū)，交織行為復(fù)雜且受多因素控制，式(4)估算雖然能夠反映交織車流的變化趨勢，但不夠精確，仍需要深入研究.