美國高速公路匝道管控技術(shù)應(yīng)用研究

高青海

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司， 山西 太原 030000)

根據(jù)高德地圖發(fā)布的《2018年度中國主要城市交通分析報告》[1]，在中國361城市中， 61%的城市路網(wǎng)高峰行程延時指數(shù)為1.5～1.8、處于交通緩行狀態(tài)，13%的城市路網(wǎng)高峰行程延時指數(shù)為1.8～2.5、處于擁堵狀態(tài)，僅有26%的城市路網(wǎng)高峰行程延時指數(shù)小于1.5、不受通勤擁堵影響；由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出：高峰時段中國有74%的城市處于擁堵或緩行狀態(tài)。表1為2018年10大擁堵城市分布及排名，以北京為例，2018年度北京路網(wǎng)高峰行程延時指數(shù)為2.032、平均車速23.35 km/h、高峰平均駕車通勤時間88 min/d、平均每天通勤擁堵44.97 min、高峰擁堵路段里程比為11.08%，即北京平均每100 km就有11.08 km路段處于擁堵或嚴重擁堵狀態(tài)；按照每年232個工作日計算，平均每人年擁堵時長達174 h，相當(dāng)于一年中有22個工作日處于擁堵，折合經(jīng)濟損失約8 400多元。交通擁堵問題反映了日益增長的出行需求與有限的道路資源供給之間的結(jié)構(gòu)性矛盾。

表1 2018年度10大擁堵城市分布及排名

高速公路、城市道路互通立交承擔(dān)交通轉(zhuǎn)換的功能，是連接干線與干線、地方道路與干線公路的重要節(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)(Ramp Metering)作為交通控制管理、緩解交通擁堵的主要方式之一，主要通過實時監(jiān)測主線和匝道交通流變化，根據(jù)主線通行能力，調(diào)控通過匝道進入主線的車輛，從而保證主線交通流通暢運行。匝道管控技術(shù)是在現(xiàn)有道路交通網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用先進的控制理論、感知技術(shù)、信息技術(shù)，結(jié)合交通流特性，挖掘未飽和干線公路的承載空間、優(yōu)化交通控制組織形式，從而提升路網(wǎng)承載能力和運營通行效率；與擴建公路里程相比，匝道管控技術(shù)具有成本低、周期短、見效快、可持續(xù)性強等特點。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[2]。美國聯(lián)邦公路局(FHWA)技術(shù)報告基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)明確指出，匝道管控技術(shù)的成本效益比為1∶15[3]。

近年來，中國國內(nèi)對匝道管控技術(shù)的應(yīng)用逐漸引起專家學(xué)者的注意。孫劍等[4-5]采用MPC框架，改進MetaNet模型設(shè)計方案，基于ALINEA算法決策信號控制，并通過微觀仿真證明匝道管控技術(shù)對提高主線運行效率效果明顯；朱炯[6]基于蟻群算法，結(jié)合MetaNet模型，針對高速公路交通擁堵和交通事故情形下的匝道控制策略進行研究，并基于微觀仿真，探討控制策略和方法的可行性；林煒鑫[7]從大數(shù)據(jù)應(yīng)用的視角，探索利用迭代反饋整定算法，確定匝道控制器實時交通狀態(tài)動態(tài)控制參數(shù)。與國外相比，中國匝道管控技術(shù)研究起步較晚，且僅在上海、杭州等地快速路入口有少量應(yīng)用示范。隨著信息技術(shù)、計算機技術(shù)、感知技術(shù)的發(fā)展，道路交通的智能管控已成為研究的熱點。因此，該文從美國匝道管控技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀出發(fā)，系統(tǒng)闡述匝道管控技術(shù)的基本原理、示范效益、面臨挑戰(zhàn)等，探討中國匝道管控技術(shù)應(yīng)用的難點和可行問題，以期為高速公路、城市快速路匝道管控提供參考。

1 匝道管控技術(shù)(Ramp Metering)

1.1 基本原理

匝道管控技術(shù)是在入口匝道安裝信號燈，根據(jù)主線和匝道交通流檢測的結(jié)果，調(diào)控進入主線的車輛數(shù)，從而保證主線交通流暢通。如圖1所示，為匝道控制基本原理示意圖，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。匝道管控技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代美國芝加哥艾森豪威爾城際高速公路，因為其獨特的優(yōu)勢和效果，在美國、澳大利亞、歐洲等國家和地區(qū)被廣泛應(yīng)用。

圖1 匝道管控技術(shù)原理示意圖及應(yīng)用

從時間和控制范圍角度，匝道管控技術(shù)分為：單點定時控制、單點自適應(yīng)控制、協(xié)同定時控制、協(xié)同自適應(yīng)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。

單點匝道控制算法主要包括：需求-容量算法、占有率控制算法、ALINEA算法和ZONE算法。需求-容量(Demand-Capacity，DC)算法是以主線交通流通行能力作為調(diào)節(jié)進入主線交通量的方法，保證主線上游和匝道匯入交通量不超過通行能力上限；此方法抗干擾差，面臨突發(fā)交通狀況時難以發(fā)揮作用。占有率(Occupancy)控制算法是對DC算法的改進，通過測量下游車輛的占有率，控制匝道匯入主線交通流，使其不超過通行能力上限。ALINEA算法，是一種閉環(huán)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，算法穩(wěn)定性好、控制效率高，是一種經(jīng)典的單點控制算法，目前在歐美國家廣泛使用[8-10]。

協(xié)同匝道控制算法主要包括：HELPER算法、LINKED-RAMP算法、METALINE算法。HELPER控制算法分為兩層——單線響應(yīng)層和協(xié)同控制層，在單點響應(yīng)層，HELPER算法采用占有率算法；在協(xié)同控制層，HELPER算法根據(jù)匝道檢測的排隊長度將交通流量分流至排隊長度較小的匝道上。LINKED-RAMP算法，其基本原理與HELPER算法類似，區(qū)別在單點響應(yīng)層采用需求-容量(Demand-Capacity，DC)算法。METALINE算法是對單點ALINEA算法的延伸和擴展，目前在歐美等國家已經(jīng)應(yīng)用[11]。

1.2 適用條件

匝道管控技術(shù)借助不同算法，通過調(diào)節(jié)匝道匯入交通流，來實現(xiàn)提升運營效率的目的，其落地應(yīng)用有一定的適用范圍，該文通過檢索已成熟應(yīng)用的匝道管理案例和規(guī)定，將其適用條件梳理，案例實踐證明滿足以下條件之一，可考慮應(yīng)用匝道管控技術(shù)緩解擁堵[12-15]：

(1) 一年中至少200 d高速公路行駛速度持續(xù)30 min以上小于80 km/h。

(2) 事故率明顯高于臨近道路平均值。

(3) 主線-匝道設(shè)計小時交通量有以下情況時：① 單向雙車道小時交通量大于2 650 veh/h；② 單向三車道小時交通量大于4 250 veh/h;③ 單向四車道小時交通量大于5 850 veh/h;④ 單向五車道小時交通量大于7 450 veh/h;⑤ 單向六車道小時交通量大于9 050 veh/h。

(4) 最右側(cè)車道和匝道設(shè)計小時交通量大于2 100 veh/h。

(5) 匝道高峰小時交通量為240～900 veh/(h·ln)。

匝道管控技術(shù)作為一種運營階段優(yōu)化管理的輔助手段，大多在建設(shè)期并未將其安裝納入考慮因素；因此，當(dāng)在應(yīng)用匝道管控技術(shù)時，除了考慮交通流量、速度等因素外，幾何線形(半徑、加速車道長度等)的可實施性也需要考慮。

2 美國匝道管控技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 應(yīng)用分布

匝道管控技術(shù)是美國高速公路管理運行集成計劃(TSM&O)的組成部分，此計劃主要包括：車道管理、匝道管控、信息發(fā)布、預(yù)警和事故檢測、事件管理等。通過與其他組成部分協(xié)同作用，提高高速公路整體運行效率、降低事故率。

根據(jù)美國統(tǒng)計資料顯示，美國約80%的州將匝道管控技術(shù)應(yīng)用于高速公路日常運營管理。在美國超過2/3的大城市均應(yīng)用匝道管控技術(shù)。其中，舊金山、洛杉磯、明尼阿波里斯等城市高速公路匝道管控技術(shù)應(yīng)用超過300個入口匝道。除此，從匝道管控技術(shù)應(yīng)用類型來看，單點匝道控制應(yīng)用占絕大多數(shù)；這表明，在理論上協(xié)同匝道控制更具有先進性，但在實際應(yīng)用過程中，由于交通流的隨機性、復(fù)雜性、不可控性等，難以系統(tǒng)地對多個匝道和路段的交通運行狀態(tài)進行實時判別，因此協(xié)同型自適應(yīng)匝道控制目前大多處于理論研究和模擬階段，在部分路段應(yīng)用也是進行試點應(yīng)用驗證。這對于中國吸收、消化、引用匝道管控技術(shù)具有一定的指導(dǎo)意義。匝道管控技術(shù)在美國被廣泛接收和認可，目前在日本、澳大利亞、歐洲等國家和地區(qū)也有廣泛應(yīng)用。

2.2 應(yīng)用效果統(tǒng)計分析

科學(xué)、有效的匝道管控策略能夠?qū)崿F(xiàn)長期收益，收益大小主要取決于擁堵程度、交通組成等。匝道管控技術(shù)應(yīng)用的效果主要包含以下幾個方面：運營效率提升、交通安全水平提升、減少污染物排放等；其中高峰行程時間減少、高峰小時車流量增加和平均行駛速度增加等指標(biāo)可表征運營效率的改善程度，事故率下降百分比表征改善安全程度，污染物排放減少百分比(通過車流量和平均速度反映)表征環(huán)境效益。

通過檢索美國各大具有代表性城市的交通局網(wǎng)站，根據(jù)其公開報告、論文、演講、研討會等資料，對匝道管控技術(shù)的應(yīng)用進行效果分析，統(tǒng)計結(jié)果見表2。

表2 美國部分城市匝道管控技術(shù)應(yīng)用效果統(tǒng)計

如表2所示，高峰行程時間、平均速度增加和事故率下降是主要統(tǒng)計指標(biāo)。匝道管控技術(shù)的應(yīng)用使得高峰行程時間減少最大達150%、最小為10%，平均行程時間減少38.7%；平均運行速度增加38.25%，平均事故率下降30.1%。明尼阿波里斯(Minneapolis)是明尼蘇達州交通局(MnDOT)選取的典型應(yīng)用驗證點，統(tǒng)計指標(biāo)不僅限于上述5個指標(biāo)，還包括運力提升、行程時間可靠度等，通過明尼阿波里斯詳細統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知：匝道管控技術(shù)的應(yīng)用使得高峰行程時間減少20%、運力提升25%、事故率下降22%、平均行駛速度提升18%、行程時間可靠度增加90%、污染物排放減少1 160 t。與沒有采用匝道管控技術(shù)的同類別高速公路相比，成本收益比為1∶15。

3 匝道管控技術(shù)適用性分析

3.1 匝道管控技術(shù)難點分析

(1) 算法穩(wěn)定性和適用性需本地化數(shù)據(jù)支撐

該文已經(jīng)介紹匝道管控的原理和諸多算法，各區(qū)域在使用匝道管控技術(shù)時均提出了不同的算法。即使是廣泛接受的ALINEA算法也僅是提出算法框架，如果應(yīng)用實施，需要根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌魈攸c、車輛組成、擁堵程度等因素，標(biāo)定基本交通流模型參數(shù)。歸根結(jié)底，匝道管控技術(shù)是一種交通流干預(yù)技術(shù)，因此適應(yīng)中國交通組成、交通行為、交通流特點的基本交流理論模型標(biāo)定，是合理的控制算法提出的基礎(chǔ)。

(2) 現(xiàn)有道路幾何條件能否為設(shè)備、標(biāo)志設(shè)置提夠足夠空間，是匝道管控技術(shù)應(yīng)用的決定因素

圖2為美國加州I-210高速公路匝道管控技術(shù)設(shè)備和預(yù)警提示布設(shè)圖，按照行駛方向依次為：“匝道管控開啟”標(biāo)志、“前方準(zhǔn)備停車”標(biāo)志、“前方匝道管控”提示板、停車線。在進入匝道之前150 m處安裝提示“匝道管控開啟”標(biāo)志；進入匝道后，設(shè)置“前方準(zhǔn)備停車”標(biāo)志，其與停車線的距離為最大排隊長度與運行速度停車視距之和；在彎道處路側(cè)安裝“前方準(zhǔn)備停車”標(biāo)志或“前方匝道管控”提示板。

圖2 美國匝道管控設(shè)備典型布設(shè)圖

由此案例可以看出：匝道管控技術(shù)通過在匝道設(shè)置信號燈調(diào)節(jié)進入主線車流量，停車線位置的設(shè)定需考慮排隊長度和加速車道長度的限制，停車線位置既要能滿足車輛從停止到安全合流達到主線速度的加速車道長度，又需要盡可能長的排隊長度。因此，當(dāng)擬定算法和控制策略均滿足目標(biāo)需求時，匝道管控技術(shù)落地應(yīng)用最大的障礙是現(xiàn)有的道路幾何條件是否有足夠的空間設(shè)置信號燈控制車輛，這不僅要考慮匝道排隊長度和停車視距，更需要考慮車輛在匝道某處速度從0加速到主線合流速度時的距離。

(3) 高速公路、城市快速路的推廣應(yīng)用需試點驗證

美國高速公路絕大多數(shù)為不收費公路、不設(shè)收費站，該文統(tǒng)計數(shù)據(jù)和效果分析也都基于此得到。中國城市快速路，如二環(huán)、三環(huán)、繞城高速公路等與此類似，但是高速公路大多數(shù)均在匝道入口位置設(shè)置收費站，因此如何充分應(yīng)用匝道排隊長度空間需考慮收費站影響。除此之外，匝道管控技術(shù)雖然在歐美等國家被廣泛應(yīng)用，但在中國僅有上海、杭州等近年有局部示范，因此匝道管控技術(shù)的可行性、效益分析亟需更多試點應(yīng)用示范驗證。

3.2 匝道管控技術(shù)流程

基于以上事實和分析，該文提出匝道管控技術(shù)應(yīng)用實施的流程，如圖3所示。主要包括：問題提出、控制框架、算法選擇、模擬分析和方案制定等環(huán)節(jié)。首先，明確核心問題是緩解擁堵還是改善局部安全問題，同時宏觀政策層面需考慮公眾接受程度，道路現(xiàn)有幾何條件是否滿足排隊長度和停車視距要求。其次，根據(jù)具體問題，結(jié)合統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析道路擁堵或交通事故是單點問題還是上下游匝道聯(lián)動問題，從而確定采用單點匝道控制還是協(xié)同匝道控制，同時根據(jù)交通流特點確定自適應(yīng)控制和定時控制方案。第三步，根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌饔^測數(shù)據(jù)，標(biāo)定交通流模型參數(shù)，提出適合此場景的模型標(biāo)定參數(shù)或其他算法。第四步，根據(jù)提出的模型算法，在仿真平臺建立道路模擬場景，輸入模型變量參數(shù)、訓(xùn)練場景，得到運營效率、平均速度、流量、密度、速度等對比指標(biāo)，論證模型和控制策略的可行性。最后根據(jù)道路幾何條件和控制策略，詳細設(shè)計設(shè)備和標(biāo)志布設(shè)方法，并落地實施。

圖3 匝道管控技術(shù)實施流程

4 結(jié)語

該文從匝道管控技術(shù)的基本原理和技術(shù)難點出發(fā)，詳細梳理論述匝道管控技術(shù)在美國的應(yīng)用分布和效益統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果表明：匝道管控技術(shù)的應(yīng)用使得平均行程時間減少38.7%、平均運行速度增加38.25%、平均事故率下降30.1%。同時，結(jié)合中國道路管理特點，分析匝道管控技術(shù)應(yīng)用的難點，主要體現(xiàn)在模型參數(shù)本地化、幾何條件、試點應(yīng)用等方面。最后，根據(jù)匝道管控技術(shù)特點和原理，提出匝道管控技術(shù)實施流程。隨著智慧高速公路的推進，大量感知設(shè)備、管理平臺、管控策略逐漸落地實施，該文研究結(jié)果可以為中國高速公路和城市快速路管控提供技術(shù)參考。