城市高架快速路出口匝道与衔接交叉口整合控制研究

王慧勇

(西南交通大学交通运输与物流学院，四川成都　610031)



城市高架快速路出口匝道与衔接交叉口整合控制研究

王慧勇

(西南交通大学交通运输与物流学院，四川成都610031)

摘要：在城市高架快速路出口匝道与衔接交叉口处，为避免车辆排队回溯至高架快速路主线，提出可接受排队长度控制的出口匝道与衔接交叉口的整合控制策略。当出口匝道上排队长度超过可接受排队长度时，实行相应的绿灯相位延长策略或绿灯相位提前激活策略，通过调整衔接交叉口的信号配时，实现对出口匝道的优化控制。仿真结果表明：与出口匝道落地点控制策略相比，可接受排队长度控制策略在保证出口匝道车辆不溢出的前提下，使相交道路的平均排队长度和平均延误时间都有所减少。

关键词：城市高架快速路；交通控制；出口匝道；交叉口；整合控制

城市高架快速路作为城市快速路的一种形式，一般修建在主干道路上，多数修建在城市环状道路上，承载着主要的交通出行[1]。例如：上海市的高架道路仅占市区道路面积的5%，却承担着市内35%的交通出行[2]。随着城市交通的迅猛发展，交通出行不断增长，快速路也出现了交通拥挤问题，使得快速路具备的快速便捷的优势有所削弱[3]，其中一个很重要的原因就是快速路上的车辆无法及时通过出口匝道驶离快速路，严重时排队还会回溯至主线，影响主路交通流的正常运行，这一问题比由入口匝道引起的交通拥挤问题更为严重[4-6]。

出口匝道一旦建成，其改建困难，管理与控制成为改善出口匝道及衔接交叉口的关键措施[7]。而与出口匝道下游相连的信号交叉口通常为固定信号配时，不能很好地适应快速路连续流与辅路关联交叉口间断流之间的频繁突变[8]。鉴于此，本文基于车辆的主动优先控制策略(目前采用最多的是延长现行相位或提前激活相位)[9-12]，依据可接受排队长度检测器布设方法对出口匝道车辆运行情况进行识别分析，设计相应的绿灯相位延长策略和绿灯相位提前激活策略，实时调整交叉口信号控制方案，从而实现高架快速路出口匝道与衔接交叉口的整合控制。

1控制策略

1.1出口匝道关联相位绿灯时间延长[13]

延长绿灯时间策略运用感应式控制的基本原理[14]。引入最大排队长度的概念，即绿灯时间内通过出口匝道进入交叉口的最大车辆排队长度。最大排队长度延伸至快速路主线时称为超长排队。在相位初期维持由离线方案制定的初始绿灯时间tr0，当绿灯时间到达开始判断时刻tb时，检测设定的最大排队长度处是否存在排队，如果没有，则继续执行剩余绿灯时间，直到该相位绿灯tr结束；如果存在排队，则判断绿灯时间是否到达最大绿灯时间trmax，若到达则转入下一相位，若没有到达，则将绿灯时间延长一个Δt，然后在延长的时间内检测有无超长排队，如果有超长排队，则继续延长时间至最大绿灯时间，如图1所示。

1)检测器的设置

传统出口匝道上排队检测器的布设方式有2种，即匝道底端处的落地点排队检测器和匝道顶端的排队溢出长度检测器，将可接受排队长度检测器布设在传统排队检测器中间，如图2所示。

图1　交叉口关联相位绿灯时间延长机理

图2　出口匝道检测器布设位置示意图

可接受排队长度是指关联相有效绿灯时间内匝道允许的车辆最大排队长度。从出口匝道车辆延误和停车次数的角度考虑，对可以接受的排队长度做出定量计算。可接受排队长度检测器可以使车辆尽快驶离出口匝道，同时考虑减小匝道车辆延误和相交道路的车辆延误，出口匝道可接受排队长度

式中:t为衔接交叉口关联相的绿灯时长，s，信号控制采用多段式时，t取各段绿灯时长的加权平均值；h为出口匝道车辆的平均车头时距，s；La为出口匝道车辆的车身长度与车头间距的平均值，m；T为关联相绿灯总损失时间，s。

2)关联相位绿灯延长判断开始时刻

相位延长判断开始时刻tb应大于或等于最小绿灯时长trmin，且主要与相位初始绿灯时长以及可接受排队长度检测器的位置相关，即

tb=tr0-L/v，

式中：L为可接受排队长度检测器至停车线的距离，m；v为出口匝道平均行驶车速，m/s。

3)相位延长判断结束时刻

为使尽可能多的车辆驶离出口匝道，应该对出口匝道是否存在超长排队进行持续判断直至到达关联相位的绿灯时长，但考虑到须给予系统一定的优化计算时间。判断结束时刻

te=tr-th，

式中:tr为关联相位的绿灯时长，s；th为系统进行优化计算所需时间，s。

关联相位绿灯延长策略所延长的绿灯时间Δt通过对相交道路排队长度的判断得出。通过比较相交道路每相位的实际排队长度与最大排队长度lmax，可知相交道路是否有剩余的绿灯时间tm分配给出口匝道关联相。如果实际排队长度小于最大排队长度，则有剩余时间分配给出口匝道关联相；如果实际排队长度大于最大排队长度，则没有剩余时间分配给出口匝道关联相，有

式中：ts为离线制定的相交道路的初始绿灯时长，s；lmax为相交道路最大排队长度，m；li为相交道路进口道实际排队长度，m；t0为绿灯启亮时车辆启动的损失时间，通常取3 s；h′为饱和车流通过停车线的车头时距，通常取2 s；Ld为排队车辆的车头间距，通常取6 m。

关联相最小绿灯时间tr,min与所分配给的绿灯剩余时间tm存在2种可能性：

①若trmin+tm>trmax，此时按最大绿灯时间trmax处理。

②若trmin+tm

1.2出口匝道关联相位绿灯提前激活

相位初期维持由离线方案制定的红灯时长，到达判断开始时刻判断在出口匝道设定的最大排队处是否存在排队，如果存在超长排队，则在满足当前相位提前结束后的排队长度小于其最大排队长度，且当前相位绿灯时长大于其最小绿灯时长的条件下提前结束当前正在运行的相位，激活出口匝道关联相的绿灯；如果不存在超长排队，则维持原控制方案。在出口匝道相衔接交叉口相位提前激活的判断过程中有2个关键时刻：相位提前激活优化的判断开始时刻t′b和判断结束时刻t′e。

1)出口匝道关联相提前激活的判断开始时刻

当前相的绿灯时间大于其最小绿灯时长时，即可开始判断是否存在超长排队，是否需要提前激活相位。令t′b=tbmin,tbmin为当前相的最小绿灯时间。

2)判断结束时刻

判断结束时刻考虑系统优化计算所需时间t′h。令tb,0为当前相的绿灯时长，有

t′e=tb0-t′h。

3)判断步距

为了能够对出口匝道的排队情况做出及时反应，取判断步距为1 s。交叉口关联相位绿灯提前激活控制流程如图4所示。

图3　交叉口关联相位绿灯延长控制流程　　　　　　　　　　　　图4　交叉口关联相位绿灯提前激活控制流程

2仿真研究

采用VISSIM交通仿真软件对控制方案进行仿真试验，通过记事本编写逻辑文件*.VAP和*.PUA(包含信号和相位间隔定义)，在VISSIM的信号控制中直接调用这两个程序[15]。

选取成都市二环路九里堤处高架路出口匝道进行仿真分析，该高架路出口匝道与地面道路衔接段及相邻交叉口的几何特征如图5所示。图5中，出口匝道为外侧式匝道，长度为200 m，衔接段长度为115 m，出口匝道及交叉口各进口道的车道宽度均为3.25 m，检测器的布设按照可接受排队长度检测器布设点进行设置，信号相位如图6所示。

图5　仿真路网示意图　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图6　衔接交叉口信号相位图

经调查得到该出口匝道交叉口高峰期间18：00—19：00的交通流量数据如表1所示。平峰时期出口匝道和地面道路的流量比较少，出口匝道很少有排队现象出现，基本的固定配时就可以满足通行需求，不需要实施控制策略。

表1　仿真路网高峰交通流量　单位：pcu/h

为了便于分析，将排队检测器布设在可接受排队长度位置的控制策略简称为整合控制策略，设在匝道落地点处的控制策略简称为匝道落地点控制策略，未铺设检测器的控制策略称为固定配时策略。仿真结果见表2、3。

表2　高峰条件下的排队长度　单位：m

表3　高峰条件下的平均延误时间　单位：s

从表2可以看出：固定配时下的匝道最大排队长度为225 m，由图5可知排队已经溢出至高架快速路主线(图5中匝道长度为200 m)，实施整合控制策略后最大排队长度为162 m，匝道车辆排队不会影响高架快速路主线车辆的运行。从表2、3可以看出：匝道落地点控制策略的关联相进口道、东进口的平均排队长度与平均延误时间都有不同程度的减少，而相交方向的南进口、北进口直行和左转的平均排队长度与平均延误时间都有不同程度的增加，这是因为此种控制策略的实施使得原本在离线方案下制定的相交道路的绿灯时间有一部分被分配给了与出口匝道关联的相位。在总时间一定的情况下，匝道落地点控制策略与固定配时策略相比，前者使出口匝道关联相有更多的通行时间，进而关联相位平均排队长度有所下降，相交相的排队长度与平均延误时间有所增加。整合控制策略与匝道落地点控制策略的排队长度、平均延误时间变化趋势相同，但其变化的幅度比匝道控制策略小，这是由于整合控制策略从相交道路获得的额外通行时间少，使得相交道路的平均排队长度相较匝道落地点控制策略有所减少，致使出口匝道、关联相进口道、东进口道排队长度有所增加。

因此，整合控制策略相对于固定配时策略和匝道落地点控制策略，在保证出口匝道车辆不溢出的前提下，使相交道路的平均排队长度和平均延误时间有所减少，在兼顾相交道路的交通效益方面比排队检测器布设在出口匝道落地点处的控制策略更具有优越性。

3结语

本文提出布设可接受排队长度检测器的方法，将交叉口处不同的匝道控制策略进行对比。仿真结果表明：采用整合控制策略后出口匝道排队不会回溯至主线，使相交道路的交通状况得到改善，从而保障了高架快速路主线交通流运行的稳定性。该方法可为交通管理部门在治理交通拥堵方面提供有效的交通控制方案。

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(责任编辑：杨秀红)

Integrated Control of Off-Ramp and Correlative

Intersection in Urban Elevated Expressway

WANGHuiyong

(SchoolofTransportationandLogistics,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)

Abstract:In the off-ramp and convergence intersection of urban elevated expressway, in order to keep the queue from backing up to elevated expressway mainline, this paper proposes an integrated control strategy of the off-ramp and correlative intersection with the acceptable queue length. When the queue length of off-ramp exceeds the acceptable queue length, the corresponding phase green light duration strategy or early-activated green light phase strategy will be adopted. The optimal control of the off-ramp is realized by the adjustment of the cycle and the green signal ratio of the intersection. Simulation results show that without the overflow of the off-ramp vehicles, the acceptable queue control strategy makes the average queue length and average delay time of the intersection shortened compared with the off-ramp landing point control strategy.

Key words:urban elevated expressway; traffic control; off-ramp; correlative intersection;integrated control

文章编号：1672-0032(2015)04-0017-06

中图分类号：U412.366

文献标志码：A

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2015.04.005

作者简介：王慧勇(1990—)，男，石家庄人，硕士研究生，主要研究方向为交通运输规划与管理.

收稿日期：2015-07-14