城市快速路出口匝道拥堵状态下衔接辅路上游协调控制研究

李哲

摘 要：城市快速路系统作为无信号控制、全封闭的高等级城市道路系统，是现代城市交通网络中重要的组成部分。城市快速路出口匝道拥堵影响了快速路系统的通行效率，临时关闭出口的措施无法从根本上解决这一问题。本文将拥堵出口匝道衔接辅路作为研究对象，通过分析辅路车辆饱和和过饱和两种状态，对辅路及其上游交叉口进行协调控制，达到快速消散出口匝道拥堵辅路车流的目的，从而加快车辆驶出快速路出口匝道，提升城市快速路的通行效率。

关键词：城市快速路;出口匝道;协调控制

中图分类号：U491.4 文献标识码：A

0 引言

随着机动车保有量逐年激增，加重了城市的交通压力，降低了城市机动车的通行效率，同时带来了严重的交通隐患。面对不断增长的交通需求，许多城市的做法是改扩建原有道路、改善路口交通渠化、新建城市快速路等来提高城市路网的通行能力。通过调查发现，城市快速路确实提高了道路通行能力和效率，然而城市快速路出口匝道的拥堵问题也是受到越来越多的关注。本文主要研究城市快速路出口的拥堵问题和与辅路的衔接问题，通过对出口匝道衔接辅路上游的交通流进行控制，缓解出口匝道与辅路交通流的交织拥堵，降低车辆驶离出口匝道的时间，提高城市快速路主路的通行效率。

1 解决城市快速路出口匝道拥堵常见措施

常见的缓解城市快速路出口匝道拥堵的措施包括两种，第一种封闭出口匝道，该措施的优点是控制效果立竿见影，能在最短的时间内降低出口匝道的交通流，但是该措施是临时性的措施，不能常态化使用，这样增加了城市快速路主路通行车辆的不确定性，增加了主路车辆的绕行距离，该措施利用了拥堵矛盾转移的理论，并没有从根本上解决问题，而是将拥堵矛盾转移给了城市快速路下一出口匝道。第二种对出口匝道驶出的车辆进行协调控制，主要基于出口匝道下游与交叉口衔接路段的交通流交织管控、交叉口转向车道优化组织、信号配时和相位相序优化等方法，该方法有效缓解快速路出口匝道与交叉口衔接路段的交织拥堵和交通堵塞，但是，当疏散下游交叉口处于饱和状态时，出口匝道交叉口关键相位绿灯时间过长，导致下游交叉口的进口道的交通需求过大，这样车辆排队到出口匝道与地面衔接的交叉口处，将会影响出口匝道车辆的驶离速度。

2 城市快速路出口匝道与衔接辅路上游的协调控制策略

2.1 出口匝道衔接辅路信号控制

通过在出口匝道辅路车道设置信号灯，保证城市快速路出口匝道车辆的正常通行。该方法是在牺牲辅路车道通行权利的前提下提出的，所以在工程实践中有严格的使用条件。当快速路出口匝道与辅路常发交织拥堵，或者辅路车流量过多对快速路出口匝道车辆的正常驶出造成了严重影响，才能使用该策略。在工程实践中，要把握三个原则，首先，由于该方法采用了拥堵矛盾转移的理论，因此，运用该策略时应当保证辅路红灯控制结束前，车流量排队的最大长度不能影响上游交叉口的交通通行。其次，严格限制方案启动的触发条件，仅当出口匝道与辅路发生交织拥堵或交织辅路车辆过多造成出口匝道车辆回溢，影响快速路主干道车辆通行的情况下使用该方案。最后，当出口匝道车辆排队逐渐疏散，出口车辆达到率和辅路车辆到达率之后小于瓶颈路口的通行能力时，恢复到初始信号方案。

从技术层面来讲，辅路信号控制方案主要有两种。第一种是基于出口匝道占有率的辅路信号反馈控制方案，基于自适应控制的ALINEA等算法，通过读取第K时间段内出口匝道车辆占有率的数据，从而计算辅路调节率R。当R大于辅路调解率的启动阈值时，表明出口匝道车辆能够正常通行，与辅路车辆不存在严重的交织冲突和拥堵，此时辅路信号灯常绿，辅路车辆可以正常通行;当R小于辅路调解率的启动阈值时，表明出口匝道与辅路车辆存在交织冲突，造成了出口匝道车辆拥堵排队，此时计算辅路信号灯绿灯时长，显示红灯。通过对出口匝道辅路的车流量进行自适应控制，使出口匝道下游占有率维持在期望值附近，实现保证出口匝道车辆优先通行的前提下实现对辅路车流量的自适应反馈信号控制。第二种是辅路与下游交叉口协调控制的配时方案，当辅路车流量较大时，如果出口匝道下游的交叉口与辅路信号灯没有进行协调控制的话，容易造成下游交叉口车辆排队过多，导致辅路车辆出现二次停车现象。该方案为了使辅路车辆在绿灯时间内尽快驶出出口匝道交叉口，比较经典的做法是辅路绿灯信号与下游相关信号进行协调控制，形成绿波带，当协调相位绿灯亮起时，需先释放下游交叉口的排队车辆，再释放辅路的车辆。

2.2 出口匝道衔接辅路上游交叉口协调控制

上述的控制方案是基于出口匝道车流量较大，而出口匝道衔接辅路车流量不大、或者车流量较大的情况。但是，当出口匝道车流量达到过饱和状态时，地面车辆的到达率持续大于辅路的实际通行能力，很容易引起辅路车辆排队，造成上游交叉口锁死。此时，交通拥堵发生了转移，上述的两种方案都无法有效缓解辅路车辆过饱和状态下产生的拥堵现象。为了从根本上解决交通拥堵，可以利用上游子区的道路空间，均衡车流分布，最大限度利用时空资源。该方法的原理是将过饱和状态交叉口的交通流转移到协调控制子区域非饱和的交叉口，平衡控制子区域各个交叉口的交通压力，到达消散拥堵交叉口排队车辆的目的。

上游交叉口绿信比的分配方案，跟拥堵出口匝道辅路要减少的车辆数有关系。以下图交叉口1为例，当辅路车辆处于过饱和状态时，会造成辅路的车辆排队，车辆排队过多溢出到上游交叉口2，为了疏散出口匝道衔接的辅路车流量，可以调节交叉口2的信号配时，确保辅路信号的饱和度小于1。根据交叉口2初始配时方案中，关联相位绿灯时长的比例可得到关联相位的绿灯时长，然后根据等饱和原则，计算出其他相位的绿灯时长。其他交叉口的绿信比分配方案，以图中交叉口3为例。为了减轻交叉口2的交通压力，可以控制子区上游交叉口3相关相位的绿灯放行实践，由交叉口2可以得到下游拥堵交叉口相关相位减少通行的车辆数，然后根据等饱和原则和协调控制策略，可以得到其他交叉口3相关相位减少的车辆数，根据交叉口2的绿信比分配方案，计算得出其他交叉口3的相关相位绿灯放行时长。

基于压力均衡的绿信比调整方案，可以得到出口匝道辅路车辆过饱和状态下，控制子区相关交叉口的信号配时方案。该方案能够将控制子区交叉口的车辆进行均衡分配，有效利用时空资源，缓解交通拥堵。

3 结束语

城市快速路的发展，大大提升了道路交通的运输能力和通行效率。但是，当城市快速路出口与地面衔接辅路发生拥堵时，将大大降低城市快速路的通行效率。通过对城市快速路出口匝道衔接辅路车辆饱和及过饱和状态下，辅路车辆的均衡控制策略进行研究，达到消散辅路车辆排队的目的，使得快速路出口匝道车辆顺利驶出车道，减少出口匝道拥堵对于城市快速路主路交通通行的影响，进一步提升城市快速路的通行效率。

参考文献：

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