快速路入口匝道自适应控制方法
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摘要：随着城市交通拥堵范围的不断扩大，城市快速路交通控制也将提上议事日程。入口匝道控制是快速路交通控制系统中应用最广、效果最好的一种控制形式。本文将容量-需求差额控制法和可接受间隙控制法加以组合，形成能适应交通状况动态变化的入口匝道自适应控制方法，比之传统的单一控制方法能取得更好的控制效果；本文还给出了自适应控制方法所需配置的交通检测、控制设备及其控制逻辑。
关键词：交通控制 入口匝道控制 自适应控制
1 引言
要使快速路维持良好的运行状态，除了需要合理配置道路土建设施(如主线车道数、出入口间距、加减速车道长度等)之外，科学有效的交通控制管理也是十分重要的方面，尤其是对于交通流饱和度较高的路段。
美国早在60年代就开始在芝加哥Congress Street (现Eisenhower)快速干道实施入口匝道控制，而国内对高/快速路采取交通控制的例子并不多，所谓的“交通监控系统”大多是“只监(视)不控(制)”。深圳曾尝试对南环快速路(春风路高架段)某入口匝道实施信号灯控制，但由于种种原因未能取得理想的效果。事实上，随着我国各大城市机动车交通需求的迅猛增长，快速路系统的交通拥挤现象也日趋严重，对快速路实施交通控制的必要性也正逐步显现出来。广州已拟在其即将招标的内环快速路监控系统中试点实施入口匝道控制。
快速路交通控制包括入口匝道控制、主线控制和通道控制等内容。其中，入口匝道控制是应用最广、效果最好的一种控制形式。入口匝道控制方法有多种，每种控制方法都有其适用的交通条件，在具体运用时，每个匝道一般只根据其交通条件选用其中一种控制方法，而且国际上并无相关的标准。然而，交通状况是动态变化的，一种控制方法并不能一直适用，而应组合使用不同的控制方式，并随着交通状况的实时变化而灵活地转换控制方式，综合利用各种控制方式的优势，才能达到理想的控制效果。本文在这方面做些探讨，提出一种快速路入口匝道自适应控制方法。
2 入口匝道控制的概念
可以将车辆从入口匝道驶入快速路的过程分解为两个阶段：I)车辆从匝道进入加速车道，II)车辆从加速车道汇入主线。入口匝道控制围绕这两阶段的交通控制来展开。对第I阶段的控制主要是调节驶入主线的交通流量，使得匝道下游的主线流量不超过其通行能力或服务流量，称为“流量控制”；对第II阶段的控制则主要是帮助驶入车辆安全地汇入主线，并尽可能地减少驶入车流对主线车流运行的影响，称为“汇入控制”。
“流量控制”可分为单点控制和整体协调控制。单点控制主要以单个匝道为考虑对象，以本匝道附近快速路主线的交通状况最优为目标，确定从匝道进入主线的流量(调节率)；整体协调控制则以整条快速路的交通状况总体最优为目标，统筹考虑多个入口匝道的调节率。整体协调控制相对于单点控制在理论上具有一定的先进性，但由于交通流本身所固有的随机性和复杂性，在实际应用中，如果不能获得准确描述实时交通状态的模型，整体控制并不能体现出突出的效益。从实用的角度出发，本研究仅限于单点控制。
关于“汇入控制”，如果快速路的几何设计合理，入口匝道附近的加速车道一般可以保证驶入加速车道的车辆安全地汇入主线车流，但不能保证驶入车辆在汇入主线的过程中不对主线车流产生“挤压”或阻滞作用。如果能采取一定形式的“汇入控制”，则可以减少“挤压”或阻滞，避免出现主线车辆被迫变换车道的情况。
3 常见入口匝道控制方法
常用的入口匝道控制方法包括：定时控制(Fix Time Control, FT控制)、需求-容量差额控制(Demand-Capacity Control，D-C控制)、可接受间隙控制(GAP控制)等。各控制方式的简单比较如表1所示。
4 入口匝道自适应控制策略
需求-容量差额控制(D-C控制)、可接受间隙控制(GAP控制)能适应交通流的实时变化，比之定时控制更能防止快速路发生交通堵塞，可以作为入口匝道自适应控制系统的基本控制方式。
GAP控制可以保证主线交通流形态不受影响，但其调节率相对较小，只能适应较低的匝道交通需求；D-C控制方式可以获得较大的调节率，但可能会导致主线车流的车道变换，对主线交通流有一定的干扰。因此，理想的控制策略是匝道交通需求量小时用GAP控制，匝道交通需求量大时改用D-C控制。匝道交通需求量大或小可以通过匝道车辆排队长度来衡量，如果匝道车辆排队即将达到平交道路，则可以认为匝道交通需求已经很大，须改用D-C控制来增加匝道调节率，减少匝道车辆排队长度。
5 检测控制设备及控制逻辑
入口匝道自适应控制系统配备相应的交通检测控制设备来收集交通状况信息，生成控制指令，并控制匝道信号灯的运行。
入口匝道自适应控制系统所需的交通检测设备和信号灯的布置如图1所示。
在快速路主线上游布置流量检测器组D1和间隙/速度检测器D2。D1用来检测主线上游各车道的流量；D2用来检测外侧车道的车流间隙和行车速度。
在快速路主线下游布置流量检测器组D3，用来检测主线下游各车道的流量，作为计算主线交通容量的基础数据。
在入口匝道与主线交汇处布置汇合检测器D4，用来检测停在匝道末端和加速车道起始部分的车辆。
在入口匝道停车线前后分别布置检入检测器D6和检出检测器D5，D6用来确认等待放行的车辆的存在及其位置，D5用来检测离开匝道停车线的车辆。
在入口匝道与地面道路衔接点下游6米处布置车队检测器D7，用来检测匝道车辆排队长度。
在上述检测器中，D1、D2、D3、D5为通过型检测器，有车通过即发出动作；D4、D6、D7为存在型检测器，有车辆停驻才发出动作。
除检测器外，控制系统还需配备控制机和匝道信号灯。控制机应具备的功能包括：接受并处理各检测器传送来的信息；计算主线上游车流间隙和车速，确定可接受间隙(指两个相随车辆的车头间隔时间足够一个入口匝道车辆汇和进入)的存在；计算主线下游容量与上游车流量的差额，确定匝道信号灯的调节率；控制入口匝道信号灯不同色灯的启动与关闭。
从控制逻辑上看，控制机需能集成GAP控制和D-C控制两种控制模式，并根据车队检测器D6是否动作而灵活切换，具体如下：
模式1: 如车队检测器D7未动作，则采取GAP控制，运行过程如下：
（1）至少有1辆车停在匝道信号灯前并使检入检测器D6动作；
（2）控制器开始读取从间隙/速度检测器D2传送来的间隙和车辆速度信息；
（3）控制器把每一个测得的间隙和预定的最小间隙进行比较，从而决定这个间隙是否是一个可接受间隙；
（4）如果这个间隙不能接受，则控制器再检查下一个间隙；如果该间隙可接受，那么控制器就计算出应该在什么时间放车辆通过匝道停车线，使车辆和可接受间隙同时到达汇合区域；
（5）在适当的时刻，指示匝道信号灯变为绿灯；
（6）匝道信号保持一定时段的绿灯，该时段长度足够放过1辆车。然后，信号亮一个很短的黄灯之后变回红灯，一般绿灯加黄灯信号的时间为3秒；
（7）匝道调节信号保持足够长的红灯，使队列中的下一辆车能及时开到信号灯前，整个绿-黄-红周期的最小长度应为4-5秒。
模式2：如车队检测器D7动作，则显示匝道车辆已排队至平交街道，需要采用较大的调节率，控制模式切换至D-C控制，运行过程如下：
（8）至少有1辆车停在匝道信号灯前并使检入检测器D6动作；
（9）控制机开始读取从主线检测器D1送来的流量信息；
（10）根据下游主线容量与上游流量的差额计算匝道调节率；
（11）指示匝道信号灯变为绿灯并保持一定时段，该时段长度足够放过1辆车；
（12）控制机读取从汇合检测器D4传送来信息，如果D4动作，则匝道信号灯亮一个很短的黄灯之后变回红灯，如果D4不动作，则信号灯保持一定时段的绿灯，该时段长度足够放过1辆车；
（13）计算已经放行的车辆数是否已经完成(3)所确定的调节率指标，如已完成，则进入(14)，否则返回(11)；
（14）重复(8)-(13).直到车队检测器D6停止动作.切换至模式1。
6 结语
随着城市交通拥堵范围的不断扩大，城市快速路交通控制也将提上议事日程。作为快速路交通控制系统中应用最广、效果最好的一种控制形式，入口匝道控制有很多种方法，各有其优缺点。将常用的容量-需求差额控制法和可接受间隙控制法加以组合，形成能根据交通状况的动态变化而转换控制模式的入口自适应控制方法，可以吸收两种控制方法的长处，取得更好的控制效果。此自适应控制方法在实际应用时，需配置相应的交通检测、控制设备，并采取新的控制逻辑。
参考文献
[1]Masroor Hasan. eva luation of Ramp Control Algorithms Using A Microscopic Traffic Simulation Laboratory, MITSIM. MIT Master Thesis. USA. 1999.
[2]Papageiou, M. ALINEA Local Ramp Metering: Summary of Field Results. Transportation Research Board, 76th Annual Meeting, Washington, DC. 1997.
[3]杨佩昆，吴兵. 交通管理与控制.人民交通出版社. 2003.
来源: 蒋金勇1 云美萍2 段小梅3
1 深圳市城市交通规划研究中心
2 同济大学交通学院
3 广州市政技术开发公司