基于节能减排的高速公路瓶颈处拥挤车流控制技术研究

崔洪军，李海南，张志磊，朱敏清

(1. 河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2. 深圳市综合交通设计研究院有限公司，广东 深圳 518003；3. 河北省高速公路京秦管理处，河北 秦皇岛 056000)

基于节能减排的高速公路瓶颈处拥挤车流控制技术研究

崔洪军1，李海南1，张志磊2，朱敏清3

(1. 河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2. 深圳市综合交通设计研究院有限公司，广东 深圳 518003；3. 河北省高速公路京秦管理处，河北 秦皇岛 056000)

针对高速公路施工段、收费站等通行能力瓶颈路段等时常出现的车辆拥挤缓行、频繁停行、燃油急剧增加的问题，在充分调查交通拥挤缓行时车流特征的基础上，结合交通控制、感应检测等技术，建立了基于节能减排的交通拥挤缓行车流控制系统。实例分析表明：该控制系统在不增加车辆通过时间的前提下，大幅减少了车辆的起停次数，降低了燃油消耗。

交通运输工程；交通瓶颈；拥挤缓行；交通控制；节能减排

0 引 言

高速公路主线在道路施工、交通事故、交通需求波动等因素的影响下，交通拥挤缓行时常发生，尤其是在车流量较大的收费站附近，高速公路主线车辆受排队等候服务车辆的干扰，经常形成大规模拥挤、频繁停行、长时怠速的现象[1]。据统计，车辆起步油耗为正常油耗的3～6倍，怠速缓行通过拥挤路段的油耗是正常通过的16～20倍，因此交通拥挤缓行会造成严重的燃油浪费。道路运输业的节能减排在一定程度上直接关系到道路运输业的可持续发展[2]。

自20世纪80年代以来，国外就开始对交通流理论进行研究，主要出发点是基于流体力学模拟的方法和思想。M．CREMER等[3]利用元胞自动机来研究交通能够避免离散-连续-离散的近似过程规定车辆运动的演化规则；对于车辆油耗方面，D．C．BIGGS[4]采用了类似的建模技术通过比油耗建立了后来成为HDM-4油耗模型基础的ARFCOM油耗模型； R．CHRISTOPHER等[5]对车辆在不同速度、不同延误率、不同拥挤状况下的油耗情况，进行了分析研究，并分别建立了不同影响因素下的油耗模型；在高速公路匝道进行交通控制方面，C．J．TAYLOR等[6]在运用匝道进行交通控制上取得了一定的成果。

国内相关研究起步较晚，朱超军等[7]提出一种基于实时视频处理的车辆排队长度检测方法，对通过固定摄像头得到的实时道路监控视频图像序列，利用Sobel边缘检测和背景差分相结合的方式进行车辆存在检测，利用帧间差判断车辆是否运动，从而计算出车辆的排队长度；胡怡玮等[8]利用变权层次分析法和logit模型对驾驶员拥挤收费路径进行选择；周俊昌等[9]通过交通仿真软件VISSIM 对交通冲突进行仿真，结合模糊评价法，对高速公路的冲突地点安全状况进行了评价。

笔者在研究拥挤缓行车流交通特性基础上，建立了车辆起停次数模型，结合交通管理控制技术、感应检测技术，提出了既不增加车辆通过时间、又能减少燃油消耗的交通控制系统，对实现高速公路节能减排具有显著的意义。

1 拥挤车流交通特性

通过对高速公路实际情况的广泛调查分析，总结得到高速公路交通拥挤处的拥堵车辆有两种状态：①熄火状态。此状态多发生在受交通事故、严重恶劣天气等因素影响造成的道路全封闭的情况，拥堵车辆长时间处于停滞状态，驾驶人员通常会采取熄火方式等候通行；②蠕动状态。此状态多发生在交通流量激增至大于交通瓶颈的通行能力或道路全封闭放行初期，车流呈现为缓慢蠕动，驾驶人员通常不会熄火，车辆半停半行。

熄火状态下，虽然没有燃油的消耗，但由于车流处于停滞，整条公路上的出行时间成本在不断的增加；蠕动状态下，各车辆间的车头间距小、相互作用大，大多车辆处于紧急跟驰状态，频繁停行。尤其是受交通事故影响而封闭的高速公路，其交通瓶颈处车辆排队长度高达数公里，排队等候通行的车辆走走停停、长时怠速，造成了严重的能源浪费和空气污染。

2 节能减排交通控制系统介绍

笔者建立的交通控制系统原理是通过在拥堵缓行车流瓶颈前设置车辆通行信号控制灯，在不增加车辆通过时间前提下，采用分批通行的方式，大幅降低车辆的起步制动次数、怠速时间，从而达到节约能源，减少废气排放的目的。

基于节能减排高速公路拥挤缓行车流交通控制系统的基本原理和具体控制流程如图1。

图1 控制系统构成及设施布置Fig.1 Constitution of control system and layout of facilities

当车辆的排队长度到达排队检测器1检测范围时启动控制系统，车流控制灯配以红灯倒计时显示，用于控制车辆的停行；检测器2测定排队长度小于L2时控制灯显示绿色，车辆通行，且每批放行的长度为L3；放行车辆形成新的队列后，控制灯将显示红色进行截流。通过以上控制方法，可以使拥挤蠕动车流变为分批放行的间断流，防止了蠕动车流中的频繁起步制动现象；同时驾驶员在截流状态时，可以避免怠速采取熄火方法等候通行。该控制系统保证了瓶颈处时刻有车辆等候通行，所以车辆通过交通瓶颈所耗费的总时间不会延长。

交通控制系统具体运行流程如图2。

图2 控制系统运行流程Fig.2 Operation flowchart of control system

根据图2不难发现，需要重点解决的问题有以下两点：①车流控制灯最佳位置研究；②收费站前最小排队长度阈值的确定(排队检测器2位置)。

3 控制系统参数计算方法

3.1 车辆起停次数模型

通过对车辆排队形成和消散过程进行分析[10]，将车辆从开始排队至通过交通瓶颈所需的停车次数分为两部分。

第1部分为车辆开始排队至通过车流控制灯所需的停车次数。根据图1可以看出，该部分的车辆均处于分批放行状态，且每批放行的长度为L3+L2。

第2部分为车辆驶过车流控制灯至通过交通瓶颈所需的停车次数。由于车流在拥挤且不存在车流交织的状况下，前车每制动或停止一次，后车也必定会制动或停止一次。若车辆排队长度较短，那么某排队车辆通过收费站所需的停车次数与该车前方车辆数基本相等。考虑同一批驶入该路段的车辆通过瓶颈所需的停车次数不尽相同，为实现整个系统起停次数最优化，可采用平均起停车次数对其进行分析。

车辆从开始排队至通过交通瓶颈所需总停车次数可由式(1)表示：

(1)

式中：N为驶过交通瓶颈所需的总停车次数；N1为车辆开始排队至通过车流控制灯所需的停车次数；N2为车辆驶过车流控制灯至通过交通瓶颈所需的停车次数；L为车辆排队总长度(交通瓶颈至队尾的长度)；hs为平均车头间距。

3.2L2最优值计算模型

为保车辆的通过时间不会增加，前一批车辆的尾车在驶离交通瓶颈的同时，后续放入车辆的前车必须到达瓶颈处等候，由此原理可得出L2与L3存在的关系如式(2)：

(2)

对式(2)进行变化可得到

(3)

对式(1)进行优化计算。

则

(4)

(5)

为求得N的最小值，对L2求偏导，计算如下：

(6)

由式(6)可知，最佳的L2值可以根据排队长度L推出。

3.3L3最优值计算模型

根据L3与L2存在的关系﹝式(3)﹞可得到L3的值，但在取值时也应考虑到驾驶员的心理可接受等待时间、车辆的平均长度、服务流率等因素，再对实际L3值做适当调整。

4 实例分析

4.1 津保高速拥挤路段交通参数

笔者以津保高速收费站(天津段)为例，对该收费站在拥挤缓行时的交通参数进行实地调查，调查内容包含车辆组成、车辆到达率、车头间距、平均服务时间、收费站限速值等。

将以上数据作为Paramics微观交通模拟的基本参数，对收费站交通拥挤状态进行模拟仿真，车辆拥挤状态如图3。

图3 Paramics微观仿真交通拥堵收费站Fig.3 Paramics microscopic simulation of traffic congestion at toll station

为得到车辆在拥挤缓行时通过收费站所需的平均起停次数，需分别对大货车3.51 veh /min，中货车1.2 veh/min，小货车2.85 veh/min，大客车0.21 veh/min，中客车0.18 veh/min，小客车10.89 veh/min等6种类型车辆进行追踪观察，再对不同类型车辆的起停次数求平均，具体结果如表1。

表1 拥挤路段交通参数

4.2 控制系统参数计算

4.2.1L2最优值计算

将表1中的交通参数代入式(6)中得到

4.2.2L3最优值计算

将L2值带入式(3)中，求得L3最优值：

4.3 控制系统效果

为分析车辆通过收费站的油耗值，对津保高速小客车的起动油耗和怠速油耗进行了调查，结果显示小客车起动一次的油耗为27.6 mL、怠速油耗为0.23 mL/s。

4.3.1 未设置交通控制系统

该收费站不实施交通控制系统，那么车辆起停次数和延误时间可通过表1查得，车辆通过收费站的油耗值W计算如下：

N=182次

W=27.6×181.8+0.23×3 600=5 845.7(mL)

4.3.2 设置交通系控制系统

倘若该收费站设置了交通控制系统，可将该控制系统各参数带入式(1)，计算得到车辆起停次数如下：

由于车流处于分批放行的状态，所以只有在(L2+L3)路段上车辆才会出现怠速现象，且车辆在该路段的平均启动间隔时间为38 s、平均启动次数为9.5次。

由此计算得到车辆通过收费站的油耗值如下：

W=27.6×18.07+0.23×38×9.5=581.76(mL)

将设置交通控制系统前后车辆启停次数和油耗值进行对比，发现设置控制系统后车辆启停次数和油耗值均减少了近10倍。

4.3.3 不同队长的最优参数值

车辆总排队长度不同，L3的大小也随之变化。为了实现不同排队长度下达到最优节能减排的效果，表2中列举了与L值对应控制系统参数值。

表2 信号控制系统参数选取

5 结 语

笔者针对高速公路瓶颈处车流拥挤缓行现象，在保证不增加通过时间的基础上，建立了实现节能减排的交通控制系统；最后以津保高速实测交通参数为例，对交通拥挤缓行车流的起停次数进行模拟计算，将设置交通控制系统前后的车辆起停次数及油耗参数进行对比。

结果表明:设置交通控制系统后车辆起停次数和燃油消耗显著降低。根据控制系统各参数之间的关系，进一步推导出控制系统的最佳参数计算方法及不同排队长度时所对应的L2和L3最优取值。

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Control Technique of Congested Traffic of Freeway Bottlenecks from the Perspective of Energy Conservation and Emission Reduction

CUI Hongjun1, LI Hainan1, ZHANG Zhilei2, ZHU Minqing3

(1. College of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, P.R.China;2. Shenzhen Transportation Design & Research Institute Co. Ltd., Shenzhen 518003, Guangdong, P.R.China; 3. Hebei Provincial Expressway Jinqin Administrative Office, Qinhuangdao 056000, Hebei, P.R.China)

For the questions of vehicles crowded and postponed, frequent start-stop and a sharp increase of fuel which often occurred at the bottlenecks of traffic capability sections, such as construction section and toll station on the freeway, an energy conservation and emission reduction control system of vehicles crowded and postponed was established, which was based on full investigation about the traffic flow characteristics and combined with traffic control technology and sensor detection technology. The case study indicates that the control system significantly reduces the number of vehicle start-stops and fuel consumption on the premise that the time of vehicle passing is not increased.

traffic and transportation engineering; traffic bottlenecks; crowded and postponed; traffic control; energy conservation and emission reduction

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.03.26

2014-06-05；

2015-05-11

崔洪军(1974—)，男，河北定州人，教授，博士，主要从事交通管控及规划方面的研究。E-mail: cuihj1974@126.com。

张志磊(1989—)，男，河北邢台人，硕士研究生，主要从事交通管控及规划方面的研究。E-mail: 1148840536@qq.com。

U491.1+12

A

1674-0696(2016)03-125-04