城市环线快速路交通缓堵控制策略研究

刘树青；翟战强；杨帆

（①北京易华录信息技术股份有限公司，北京100043；②天津易华录信息技术有限公司，天津300350）

0 引言

城市快速路在缓解城市核心区交通拥堵、提高城市路网运量、引导城市空间拓展、联系城际高速公路、保护既有中心城区等方面发挥着重要作用。天津市环线快速路承载了天津市城市交通很大一部分的交通量。近年来，由于汽车保有量以及人们出行需求的增加，导致天津市环线快速路交通拥堵日益突出。恢复环线快速路中长距离大量快速交通运输能力对缓解天津城市交通拥堵来说刻不容缓。

对快速路匝道交通组织进行优化控制是缓解快速路交通拥堵的有效方法[1，2]。Demand-Capacity 通过比较匝道上游交通量与下游主线交通能力控制匝道车流驶入[3]，ALINEA以控制匝道下游占有率为某一定制为目标控制车流驶入[4，5]，SWARM 是既考虑主线交通控制又考虑匝道自身控制能力的双层协调控制[6，7]，这些方法被广泛应用于国内外城市[8]。本文以天津市环线快速路为例，首先分析了其交通运行情况和拥堵原因，然后从匝道交通渠化组织优化、快速路交通信号控制、快速路交通综合管控三个方面提出了有针对性的缓堵控制策略，并对快速路匝道交通信号控制策略进行了仿真验证。

1 快速路系统路网结构

天津市快速路环线全长约44km，是天津市路网重要组成部分，起到分流核心区内过境交通，减少跨区域出行对核心区的影响，缓解核心区的交通拥堵，完成核心区和外围组团的快速连接，提升城市整体道路服务水平。建设初期设计主线车速60～80km/h，平面匝道车速40～50km/h，立交匝道车速30～35km/h。

环线快速路与十四条射线道路相交形成14 座大型立交桥，由普通地面公路和高架公路构成，主线干道为双向8 车道或双向10 车道，局部路段为双向6 车道，两侧配套辅道一般为双向4 车道，总计有78 个入口匝道、81 个出口匝道。道路交通检测设施比较完善：主路全线分布有微波检测器，分布间隔300～500m，基本可以实现干线车速及流量全覆盖检测；所有出入口都布设有卡口，可以实现所有进出车辆身份采集；视频监控全线无盲区覆盖。

2 快速路系统交通运行情况

基于环线快速路2018 年第二季度微波检测数据，按照顺时针（从外环线昆仑交叉口顺时针至外环线淮阴道交叉口）、逆时针两个方向进行分析汇总，环线快速路各路段日均平均行程速度如图1、图2 所示。从图中可以直观的看出，两个方向早晚高峰交通拥堵多个路段发生交通拥堵，顺时针方向黑牛城道早高峰时段和密云路晚高峰时段出现车速低20km/h 严重拥堵状态，逆时针黑牛城道、昆仑路、简阳路等多个路段在早晚高峰时段交通严重拥堵。对于两个方向，早晚高峰时段基本一致，早高峰在06:30～09:30 之间，晚高峰在 16:30～19:30 之间，早高峰较晚高峰更加拥堵，逆时针方向较顺时针方向更加拥堵，环线快速路当前运行车速远低于预期设计期望。

3 拥堵问题分析

从交通秩序和通行能力两个方面对快速路系统交通拥堵进行原因分析。天津市环线快速路交通拥堵主要有以下几个原因：

3.1 车流交织冲突干扰严重

环线快速路约45%路段位于地面，地面进出口匝道与辅路车流、支路车流形成了复杂的车流交织区域，这些交织区域在高峰情况下极容易形成拥堵瓶颈，使拥堵沿辅路和快速路主路向上游传播。

另外，高峰时期相邻100m 以内的出入口处也由于快速路出入车流交织严重也形成了交通瓶颈。这种交通渠化组织不合理形成的交通拥堵瓶颈主要分布在快速路相邻平面匝道和立交匝道处。

图1 环线快速路顺时针日均车速变化

图2 环线快速路逆时针日均车速变化

3.2 内部通行能力不稳定

受道路建设面积限制，环线快速路主路内部车道数变化频繁，导致主路内部各处最大通行能力不一致。顺时针方向有14 处车道变化，例如密云路弯道路段主路车道数由5变4 然后由4 变3。逆时针方向车道变化有15 处，例如黑牛城道近海津大桥路段车道数由5 变4 然后由4 变3。

4 控制策略研究

在环线快速路交通拥堵问题分析的基础上，遵循弱化交通冲突、控制快速路交通需求、均衡路网交通压力、优先保障主路交通通畅等原则，提出相应的环线快速路缓堵控制策略。

4.1 交通渠化组织优化

针对快速路车流交织冲突干扰现象，可以从以下几个方面入手：

4.1.1 将车流交叉冲突转化为汇流/分流冲突 施化虚实车道线使相邻入口出口匝道之间的车流交叉冲突转化为主路驶出车流先与主路驶入车流汇流，然后主路驶入车流与主路驶出车流分流，使严重的交叉冲突转化为合流和分流冲突，并建设电子警察车辆压线抓拍辅助监督交通秩序。

4.1.2 调整匝道位置改变车流出行路径 优化调整出入口匝道位置，一种设计方式是关闭部分匝道，转移主路过饱和交通压力至较为空闲的辅路和周边路网。另一种方式匝道位置调整方式是调整相邻匝道出入顺序。例如紫金桥至中石油桥之间先出后入匝道调整为先入后出匝道，充分利用主路通行能力强的特点，缓解辅道通行压力，提高出、入口交通运行效率。

4.2 交通信号控制

基于环线快速路现有的交通流采集及过车身份采集系统，建立快速路交通信号控制系统。快速路交通信号控制系统的控制策略有两种：

4.2.1 匝道信号控制 高峰时段对信号控制匝道实行小周期信号放行，延长环线快速路车流驶入路时间。这种控制策略一方面充分利用入口匝道可排队空间，同时又可以避免对相交射线干道及支路交通产生不良影响。匝道信号控制具体步骤如下：第一步：利用根据交通检测数据划分环线快速路拥堵时段；第二步：识别各拥堵时段内的拥堵路段，并以拥堵路段为界快速路划分成多个缓堵控制区段，每个缓堵控制区段内均包含1 个拥堵路段和至少一个输入匝道。第三步：根据过车身份检测数据，确定缓堵控制区域段内拥堵路段经过车辆的来源入口匝道；第四步：以控制主路车流交通需求与通行能力偏差最小为目标，设定信号控制方案，每个信号控制周期由红灯（禁止车流驶入）和绿灯（允许车流驶入）两个相位构成，快速路缓堵输入匝道协调控制计算公式如下：

其中，Qj表示拥堵路段最大通行能力，fu表示缓堵区域上游主路到达流量，va表示车辆启动波传递速度，vb表示停车波传递速度，γi表示上游输入匝道i 绿信比表示上游输入匝道i 初始排队长度，T 表示控制时段长度，Ci表示上游输入匝道i 控制周期表示上游输入匝道i 最大允许排队长度。

建立一个简单的VISSIM 交通仿真实验以验证上述匝道信号控制策略的有效性，路网模型建立如图3 所示，匝道1、匝道2 为上游输入匝道，两个输入匝道的初始排队长度都为0，最大排队长度分别为300m，200m，主路上游车流量为1400 辆/小时，主路瓶颈路段是一处车道数由4变3，计单车道最大通行能力为1800 辆/时。

图3 仿真路网

设计缓堵控制仿真时长30 分钟，模型计算得出匝道1 信号控制周期70s，绿信比0.6，匝道2 信号控制周期60s，绿信比0.5。匝道1、匝道2 实行信号控制和无信号控制情况下交通运行对比图4、图5 所示，通过数据分析可知，过饱和情况下采取输入匝道信号控制后，区域总体输出流量不变，虽然区域输入匝道1 车均延误时间升高，但主路车流车均延误时间明显降低，支路2 车均延误时间也由于主路缓堵效果而降低，所以区域整体车均延误整体降低，降幅30%以上，这说明输入匝道信号控制通过均衡拥堵压力分布提升了路网整体交通运行水平。

图4 区域输出流量对比

图5 车均交通延误对比

4.2.2 车道信号控制 对主路车道数变化引起的交通严重拥堵瓶颈路段，建立主路车道灯，高峰时段对外侧汇流合并车道进行轮流放行控制，避免车辆加塞刮擦引发事故二次拥堵。

4.3 建立快速路交通管控一体化平台

在独立分散的视频监控系统、非现场执法系统、交通流检测系统等业务系统基础上，整合所有系统数据资源，建设快速路交通“感知-分析-评价-决策辅助-控制-诱导”功能集成一体化管控平台，包含GIS 地图可视化集成展示与控制、交通态势监测、交通信号控制、交通运行对比评价、交通信息诱导、管理决策辅助、事件检测预警、车辆跟踪监控8 个功能模块，实现快速路交通流运行、道路环境、交通事件实时观测及可视化展示及预警；实现交通信号控制及警力指挥调度联动快速处理常态及偶发性交通拥堵事件；实现交通诱导信息提示发布及非现场执法辅助优化交通秩序；实现大数据分析支持决策辅助及管理评价。

5 结论

本文基于微波数据采集结果研究分析了天津市环线快速路交通拥堵的主要原因，从交通渠化组织优化、交通信号控制、交通综合管控三个维度提出了对应的缓堵控制策略，并采用VISSIM 仿真验证了论文提出的匝道交通信号控制策略的有效性。该研究成果可服务于天津市环线快速路交通缓堵精细化治理工作，并逐步推广到全市两横两纵及联络线快速路交通系统。另外，调控与拥堵路段车流路径关联性强的输入匝道对拥堵路段缓堵取得的效果更佳，所以，论文下一步研究方向是将输入匝道与拥堵路段的OD 关联性表征参数加入快速路缓堵输入匝道协调控制。