城市快速路出入口匝道联动控制策略研究

　城市快速路出入口匝道联动控制策略研究

　交通与计算机2007年第6期第25卷总139期 城市快速路出人口匝道联动控制策略研究* 陈学文田傲霜王殿海刘诗序

　（吉林大学长春130022）（辽宁工业大学锦州121001）

　摘要以北京市快速路为研究对象，对分布密集的出入口匝道实施信号联动控制?为 减少

　驶入与驶出车流间的交织冲突，保证快速路主线交通流处于最佳运行状态,提出出 入口匝道信号

　联动控制方法?采用Vissim对提出的控制方法进行模拟验证,结果表明该方法可以 提高主线车辆

　的运行速度?有效缓解交织区的严重冲突现象. 关键词城市快速路;匝道联动控制;交织区 中图法分类号:U412.36+6.2文献标识码:A 0前言 北京快速路交通拥挤现象日益严重，快速路 自身高效，快捷的运行效率也正在H趋减弱?原因 主要在于快速路相邻出入口匝道间距较近且分布 密集,这将导致驶入主线车流与驶出主线车流在 快速路上形成严重的交织现象而降低道路通行能 力.当交通需求增加时，主线车流间交织行为尤为 明显，致使主线车辆很难驶离出口匝道，此时辅路 流量也较大，极易形成排队上溯引起主线堵塞?为 减少冲突,需要合理地分配进入主线的车辆数，适 当截止辅路交通以保证出口车辆顺畅驶出?因此， 有必要对快速路出入口匝道实施信号联动控制. 目前的匝道控制系统大部分是针对高速公路

　入口控制而言的.在匝道局部控制方而,如经典 Alinea算法［1 ］,主要以入口匝道主线下游占有率 作为控制变量与期望占有率进行比较确定入口匝 道的调节率.HZhang等与CTaylor等［3分别采 用神经网络,模糊控制技术研究入口匝道控制取 得了一些成果，但这类方法距离实时应用还有差 距?在匝道协调与通道控制方面，主要将不同 控制措施进行结合,从大范围路网角度出发解决 交通拥挤问题?但该方法仍处于理念研究阶段，实 时应用性较差.通过以上分析可知，国内外对高速 公路匝道控制理论的研究是比较完善的,但对于 快速路分布密集的相邻出入口匝道信号联动控制 收稿日期:2007—09—30;修改稿收到日期.2007—10-11 *”973”计划项目资助（批准号:2oo6cB7o55o5）;高等 学校优秀青年教师教学科研奖励计划项目资助（批 准号:357）

　的研究尚未发现.本文以北京市快速路为研究对 象，通过入口匝道优化控制,合理地分配进入主线 的车辆数，同时在辅路上安装信号灯，适当截止辅 路交通量以保证出口匝道车辆顺畅地驶离快速 路,将入口匝道信号与辅路信号实施联动控制，保 证主线车流有序驶入与驶出.

　1岀入口匝道控制类型及检测器布

　设

　结合北京快速路的实际情况，对图1所示的 相邻出入口匝道实施信号联动控制.由于出入车 流的影响，该类型的匝道易使车辆在主路上形成 交织，对其控制必须综合考虑岀入口匝道,辅路和 主路的交通流状况?结合相关算法的要求,其信号

　灯的设置和检测器的布设如图1所示.

　D1 口口 Da——?

　D2 口口 D——?

　D3 口口 D6._+

　□44-

　m

　图1出入口匝道控制示意图

　图1中:D,D和D.检测器检测主路流量及

　时间占有率;D和D,D和D及D.和D检测速

　度;D检测器检测入口匝道流量;D检测器检测

　出口匝道流量.

　2出入口匝道联动控制方法

　通过检测器检测到的交通流数据，以主线交

　通状态作为控制依据寻求最佳入口匝道流量，同

　城市快速路出入口匝道联动控制策略研究一一陈学文田傲霜王殿海刘诗序

　时控制辅路上车流的运行,以保证车辆能够及时

　从岀口匝道驶离主线，使快速路主线交通流处于

　最佳运行状态.

　2」模型建立

　采用时间占有率与速度参数分别作为控制变

　量，以确定入口匝道的调节量，将各参数确定的调

　节量的综合值作为该入口匝道的实际调节量?借

　鉴Alinea算法L2］的思想实现反馈控制，当入口匝

　道上游主路的占有率超过期望的占有率,则入口

　匝道调节率较前一时刻的调节率有所下降，此时

　通过减小信号的绿灯时间來实现;反之，若入口匝

　道上游主路的占有率小于期望的占有率,则入口

　匝道调节率较前一时刻的调节率有所上升，通过 增加信号的绿灯时间来实现?这样根据快速路主 路交通状态的变化实现入口匝道的调节,确保入 口匝道上游主路的占有率维持在期望值附近，使 快速路主路运行在最大容量附近,占有率控制模 型如式⑴.

　计（走）一 q（走一 l）+（Eo — 0（走一 1）］（1）

　由于单一控制参数具有不稳定性L1,这里将 速度参数同样作为控制变量实现反馈机制.基本 思想同占有率控制类似，模型如式（2）.

　「2（走）一 q（走一 1）+讫［（走一 1）/- 1］

　⑵

　考虑速度与占有率在数值上相差较大，将速 度变量进行调整以期达到与占有率具有类似的变 化趋势（控制平缓），这里采用（走一 1）/- 1作 为调整量实现入口匝道的调节.

　通过实地调查数据发现，当交通流处于拥挤

　状态时占有率具有较大波动性，此时的调节率应 以速度控制为主，而畅通状态吋两者变化基本一 致，最终将两者的综合控制值赋予相应的权重来 决定实际的入口匝道调节量，即：

　r（志）一 rl（志）+（1 一 z）r2（志）（3）

　的取值介于o与1 Z间，根据交通流的控制状态 及检测器提供的参数精度要求而定?将交通流控 制在临界状态的下限时，两参数确定的调节率的 变化基本一致，这里取两者的平均值作为实际的 控制值（一 0.5）,也可根据实际情况确定.

　这种控制方法是以实时检测到的交通数据为 依据确定匝道调节率，进而得到合理的配吋方案， 同时考虑交织区通行能力的限制,入口匝道调节 率最终的确定方法如下:同时考虑如下约束条件：

　（志）一 rain｛「（志）,q 一 Q（七一 1））（4）

　r…Wrd（走）Wr（5）

　将入口匝道调节量限定在与7”max之间,目的为 了使辅路交通不致发生锁死现象.以上各式中： a（走）为k时刻入口匝道调节率;q（走一 1）为k- 1 时刻入口匝道流量检测器实测值;％。j为匝道 实用的最小,最大调节率;，仇为调节系数;0为 主路上游占有率临界值;0（走一 1）为主路上游占 有率，取各车道加权值;为主路上游速度临界 值;（走一 1）为主路上游速度，取各车道速度加权 值;q为出入口所容许的最大交织区流量;Q（走一 1）为k- 1时刻出口匝道流量检测器实测值;为 权重系数.

　通过调整入口匝道流入率使得入口匝道主线 上游交通流尽量维持在理想状态,即占有率维持 在O附近，速度维持在附近;由于交织车流的相 互影响，要使车辆能及时汇入及驶离主路,岀入口 流量之和不能超过一个阈值q.

　入口匝道信号周期确定方法如下：

　C1 一 3600nl/rnd（走）（6）

　式屮:为每个周期允许进入的车辆数，一 2,3,

　当给定每个周期允许进入的车辆数值后， 就可以确定周期C.的确定可根据快速路的实 际情况（小周期小股车流释放以减小对主线的冲 击）结合入口匝道调节率设定?入口匝道有效绿灯 时间g及入口匝道绿灯显示时间G如式（7）, （8）.

　gl 一 3600nl/s(7)

　Gl—gl+1—Al(8)

　入口匝道信号周期约束：

　CWCWC(9)

　式中:5为入口匝道饱和流率,veh/h;为入口

　匝道车辆损失时间,S,取2S;A为入口匝道黄灯 时问,s,取2s.

　2.2出口匝道控制

　为了使车辆能及时驶离出口，并且尽量减少

　出入车辆在主路上的冲突，在辅路上设置信号灯， 对辅路车流进行适当地截止，将辅路信号灯与入 口信号灯采用同周期，这样才能保证出入口 Z间 的协调控制.

　对于辅路而言，辅路车辆释放率与驶离出口 匝道流量之和应不超过辅路下游道路的通行能力 c,则以下式子成立：

　一 AC?一q(10)

　交通与计算机2007年第6期第25卷总139期 辅路信号配时与城市道路信号交叉口相似， 辅路释放率与信号周期满足下式：

　C2r=g2S(ll)

　辅路绿灯显示吋间：

　G2 — g2+2 — A2(12)

　辅路信号周期约束：

　C.jWCWC(13)

　辅路红灯期间，若出口匝道有车辆排队，其车

　辆先以饱和流量释放，然后以到达率释放;若无车 辆排队，出口匝道车辆以车辆到达流量释放?辅路 绿灯期间,若出口匝道流量较大，受辅路车辆的影 响，驶离出口的车辆则以一定的流量q.释放;若 出口匝道流量g.”较小,qoff?q?,驶离出口匝道的 车辆则以qoff释放，此时辅路信号灯可常绿.否则 驶离出口的车辆可能在减速车道上临时排队，存 在如下关系：

　(n.ff—q0)g2/3600 一 2(14)

　5+qO —amAC(15)

　式中：i?为辅路车辆释放率,veh/h;qoff为出口匝 道检测器检测流量,veh/h;q.为辅路绿灯期间出 口匝道的最小释放流量,veh/h(根据交通调查确 定);C为辅路信号灯周期时长,S;g为辅路有效 绿灯时间,Sin为出口匝道车辆拥挤条件下，允许 在附加车道排队的车辆数;G为辅路显示绿灯时 间,s;S为辅路绿灯时其最大释放流量,veh/h; m为快速路辅路车道数;a为饱和度(取0.9). 2.3信号联动控制的实现 实现岀入口匝道信号联动控制，辅路信号灯 与入口信号灯应采用同周期，这样才能保证出入 口之间的协调控制，有:C 一 C.

　由于附加车道可以容纳的车辆有限，每周期 从入口匝道进入附加车道的车辆和出口匝道 车辆排队z有以下约束：

　1+2 —N(16) 式中:IV值可根据附加车道的长度折算为车辆数 来确定.

　通过式(6) ,(10),(11),(14),( 15)及(⑹可

　以求得信号周期：

　Cl — C2—

　360ON(amAC — qo)

　rnd(amAC 口 一 qO)+(n.ff—qo)(amAC 一 qoff)

　(17)

　则入口匝道有效绿灯时间：

　gl 一 FendCl/s(18)

　辅路有效绿灯时间：

　g2 一(amA—qoff)(C2/(amAC 一 q0)(19)

　当出现计算周期超过入口或者出口周期限值

　时,按照以下方式调整：

　(1)当 Ci<C<C 时,C 一 C 一 C.

　⑵当C>C时，入口周期C 一 C,出口

　周期C-2C?

　(3)当 C<C?时,C — C — Cno

　3模拟验证

　为验证方法的可行性，采集北京快速路朝—阳 门桥一东四十条桥地点的出入口匝道调查数据， 利用Vissim对其进行模拟，具体参数如表1所歹U. 表1参数标定结果

　表22种控制方式结果对比

　控制指标控制方式

　联动控制无控制提咼率/%

　图2与图3为2种控制方式下主线行程时间 与交织区平均速度对比效果图?从图中可以看岀， 实施出入口联动控制可以减小主线车辆行程时间 (行程时间的计算距离从入口匝道上游到岀口匝 道下游228m),提高主线交织区的平均速度，具 体改善结果如表2所列.

　40

　三30

　10

　凶0

　+出入口联动控制+无控制1

　t, ? ?,— 1:—, :? k 叠,

　?一k.

　,A/..\

　?\

　300900150021002700330039004500

　600120018002400300036004200

　模拟时问/s

　图2主线行程时间对比图

　城市快速路出入口匝道联动控制策略研究一一陈学文田傲霜王殿海5t0诗序7 叠5.0

　嚣：

　一1一出入口联动控制一无控制I八

　J?/.\ ?.——J * /,?

　300900150021002700330039004500

　600120018002400300036004200

　模拟时间/s

　图3交织区速度对比图

　4结论

　以北京市快速路为研究对象，对分布密集的相邻出入口匝道实施信号联动控制?以主线交通 状态为控制依据寻求最佳入口匝道流量,适当控 制辅路上车流的运行保证车辆能够及时从出口匝 道驶离主路.为了验证方法的可行性，通过实地调 查数据，采用Vissim对其进行模拟，表明该方法 可以提高主线车辆的运行速度，有效缓解交织区

　的冲突现彖.

　[1]

　E23

　F3]

　参考文献

　PapageorgiouM,SalemHHadj,MiddelhamE ALINEAlocalrampmeteringsummaryoffield results^TransportationResearchRecord 1603, 1997:90—98

　PapageorgiouM,HadjSalemH,BlossevilleJM.

　ALINEA:alocalrampfeedbackcontrollawforon一 rampmetering.TransportationResearchRecord 1320,1991:58—64

　ZhangH,RitchieSG.Freewayrampmetering usingartificialneuralnetworks,Transportation

　Research, 1997,5C(5):273-286 [43TaylorC,MeldrumD,JacobsonL.Fuzzyrampme一 tering:designoverviewandsimulationresults, TransportationResearchRecordl634,Trans一 portationResearchBoard,NationalResearch

　Council,Washington,D.C., 1998:10一 18

　[53陈德望，王飞跃，陈龙?基于模糊神经网络的城市 高速公路人口匝道控制算法?交通运输工程， 2003,3(2):100— 105

　[63ApostolosKotsialos.MarkosPapageorgiou.Coor一 dinatedandintegratedcontrolofmotorway networksvianon一linearoptimalcontro 1.

　TransportationResearchPartC,2002,10:65一84 [7]ChangTang一Hsien,LiZhung—Yih.Optimizationof mainlinetrafficviaanadaptivecoordinatedramp. meteringcontrolmodelwithdynamicOD estimation.TransportationResearchPartC,2002, 10(2):99—120

　[83TaylorCJames-McKennaPaulG-Macro一scopic trafficflowmodellingandrampmeteringcontrol usingMatlab/Simulink.EnvironmentalModelling

　andSoftware,2004,19(10):975—988 |93VandenBerg,Deschutter.Modelpredictivecon一 trolformixedurbanandfreewaynetworks.TRB

　2004AnnualMeetingCD一ROM

　[103王英平.城市快速路交通流数据间隙特性研究.

　吉林大学,2006

　111 ]王殿海?交通流理论?北京:人民交通岀版社，

　2002

　CoordinationControlStrategyof

　UrbanExpresswayOn一-rampandOff一-ramp

　CHENXuewenTIANAoshuangWANGDianhaiLIUShixu

　(JilinUniversity,Changchun 130022,China)

　(LiaoningUniversityofTechnologyJinzhou 121001,China)

　Abstract:BytakingBeijingurbanexpresswayasresearchobject,thecoordinationcontrolstr ategybetweenthe

　closeon 一 rampandoff 一

　rampwasstudied.Inordertoreducetheconflictsbetweenthetrafficstreamsofenteringand exitingandtoensuretheoptimaltrafficstateofthemainline^theon 一 rampandoff 一 rampsignalcoordinationcontrol methodwasproposed.ThemethodwassimulatedbyVISSIM.Theresultshowsthatitcanimp rovethevehicles

　averagespeedofthemainlineandeffectivelyreducetheconflictsatweavingarea-

　Keywords:urbanexpressway;rampcoordinationcontrol;weavingarea