車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下快速路出口匝道與地面銜接區(qū)多階段控制方法

慈玉生，韓應(yīng)軒，吳麗娜

車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下快速路出口匝道與地面銜接區(qū)多階段控制方法

慈玉生1，韓應(yīng)軒1，吳麗娜2

(1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)，交通科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150090；2. 黑龍江工程學(xué)院，汽車與交通工程學(xué)院，哈爾濱 150050)

為了提高快速路出口匝道與地面銜接區(qū)的通行效率，提出了一種車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下出口匝道與地面銜接區(qū)多階段控制方法。首先，根據(jù)速度特性將出口匝道與地面銜接區(qū)劃分為調(diào)整區(qū)、緩沖區(qū)和排隊區(qū)。然后，針對銜接區(qū)車輛沖突頻繁問題，提出了一種考慮相位優(yōu)先級的車道變換策略。最后，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了三階段快速路出口匝道與地面銜接區(qū)控制方法，并基于MATLAB和VISSIM搭建了車聯(lián)網(wǎng)仿真環(huán)境。仿真結(jié)果表明：文中方法控制下銜接區(qū)路段間速度波動更小，平均速度提高了5%；與車聯(lián)網(wǎng)速度控制相比，銜接區(qū)、排隊區(qū)和緩沖區(qū)的延誤分別降低了4%、6%和4%。此外，敏感性分析可知：當(dāng)銜接區(qū)交通需求處于中等飽和度和滲透率大于70%時，本文方法控制效果優(yōu)勢最為明顯。相關(guān)成果可為車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下出口匝道與地面銜接區(qū)控制提供理論支持。

智能交通系統(tǒng)；快速路；出口匝道與地面銜接區(qū)；車聯(lián)網(wǎng)；速度控制；車道變換

0 引 言

城市快速路的相對封閉性使得其出入口匝道與地面道路銜接區(qū)交通擁堵頻發(fā)，出現(xiàn)入口匝道“上不來”和出口匝道“下不去”等問題。尤其當(dāng)交通需求較大時，多股交通流在出口匝道與地面銜接區(qū)交織，極易引起交通擁堵。

當(dāng)前研究一般通過對出口匝道和輔路信號控制及合理設(shè)計交通組織來減少銜接區(qū)交通沖突。例如Gunther等[1]通過確定出口匝道與輔路的競爭關(guān)系，將輔路部分交通流通過繞行其他道路來提高出口匝道銜接區(qū)通行能力；Zhao和Liu[2]提出一種非傳統(tǒng)車道渠化集成模型來減少銜接區(qū)車輛交織，提高銜接區(qū)通行能力；Zhao等[3]利用在輔路設(shè)置預(yù)信號和引入車輛分揀區(qū)的概念來消除出口匝道銜接區(qū)交通沖突從而提高銜接區(qū)運行效率；Yang等[4]開發(fā)了出口匝道排隊長度評估、干線動態(tài)綠波優(yōu)化及出口匝道優(yōu)先控制的集成控制系統(tǒng)，較好地解決出口匝道與地面道路銜接區(qū)交通擁堵問題，有效緩解了出口匝道排隊溢出現(xiàn)象。

上述研究均是通過交通設(shè)計、交通控制等方面被動改善出口匝道與地面銜接區(qū)交通運行情況[5, 6]。近年來，車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為城市交通管控提供了一種新的方法，可為解決快速路出口匝道與地面銜接區(qū)擁堵問題提供一個新的思路。在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，車輛之間、車輛與信號燈等基礎(chǔ)設(shè)施之間可以進(jìn)行信息交互，并能提供給駕駛員合適的速度引導(dǎo)信息使車輛不停車通過交叉口，同時能實時為信號控制提供數(shù)據(jù)源[7]。如鹿應(yīng)榮等[8]研究了車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下信號交叉口車速控制策略，構(gòu)建了加速和減速控制模型，提高了信號交叉口的通行效率，但未考慮交叉口存在排隊的情況；Wu等[9]考慮排隊長度對速度控制的影響，根據(jù)車輛到達(dá)控制區(qū)請求速度控制時相位狀態(tài)和交叉口排隊情況，優(yōu)化得出車輛到達(dá)停車線的最佳引導(dǎo)速度和到達(dá)交叉口的時刻，但未考慮車輛到達(dá)速度控制區(qū)的初始速度與引導(dǎo)速度之間的差值問題；Li等[10]在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于可接受間隙理論構(gòu)建了入口匝道與主線銜接區(qū)的車輛組行為模型，并使用VISSIM時間切片仿真策略對模型進(jìn)行了評估，從而提高主線與入口匝道銜接區(qū)交通安全及效率；Jing等[11]針對入口匝道車輛匯入主線易發(fā)生沖突引發(fā)通行效率降低的問題，以燃油消耗和行程時間最小為目標(biāo)，提出了一種車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下基于合作的多人游戲優(yōu)化算法來實現(xiàn)合流車輛的協(xié)調(diào)控制；Mo等[12]針對三種出口匝道與主線銜接區(qū)場景提出了四種不同道路空間平衡條件下的車輛組合協(xié)作策略，并進(jìn)行了仿真和評價；龐明寶等[13]針對出口匝道超長排隊現(xiàn)象和高飽和度入口匝道提出了主線分散換道和速度控制自適應(yīng)控制方法，并采用元胞自動機模型進(jìn)行了仿真驗證。

以上研究主要集中于信號交叉口和快速路主線、出入口匝道銜接區(qū)的車聯(lián)網(wǎng)控制，除此之外還包括對車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下快速路入口匝道與主線速度控制[14]、多車道協(xié)同換道[15]、高速公路合流區(qū)控制[16]及快速路入口匝道交通量預(yù)測[17]等。但出口匝道與地面銜接區(qū)多股交通流交匯導(dǎo)致的通行效率低下和沖突嚴(yán)重的問題也應(yīng)引起重視，尤其是車聯(lián)網(wǎng)在出口匝道與地面銜接區(qū)相關(guān)研究。本文針對出口匝道與地面銜接區(qū)車輛間沖突嚴(yán)重導(dǎo)致排隊過長問題，構(gòu)建考慮排隊長度和初始速度與引導(dǎo)速度間速度差的速度控制模型，結(jié)合出口匝道銜接段車道變換策略，提出了車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下出口匝道與地面銜接區(qū)多階段控制方法。研究網(wǎng)聯(lián)車在不同滲透率和不同道路飽和度下的運行情況，并對不同滲透率下緩沖區(qū)長度進(jìn)行敏感性分析，為網(wǎng)聯(lián)車在出口匝道與地面銜接區(qū)的控制應(yīng)用提供相應(yīng)的參考。

1 問題描述

1.1 出口匝道與地面銜接區(qū)劃分

出口匝道與地面銜接區(qū)包括出口匝道、輔路以及出口匝道與地面銜接點至下游交叉口停車線之間的區(qū)域，如圖1所示。為了更好地對出口匝道與地面銜接區(qū)進(jìn)行車聯(lián)網(wǎng)控制，評價各部分的控制效果，將該區(qū)域劃分為調(diào)整區(qū)、緩沖區(qū)、排隊區(qū)三部分，并假設(shè)出口匝道與地面銜接區(qū)為三車道[18]。第一部分為調(diào)整區(qū)，輔路和主線交通流進(jìn)入該區(qū)域后便進(jìn)行速度調(diào)整；第二部分為緩沖區(qū)，輔路和出口匝道的網(wǎng)聯(lián)車在緩沖區(qū)換道后進(jìn)入目標(biāo)車道；第三部分為排隊區(qū)，駛?cè)胲囕v和車道變換結(jié)束的車輛以車隊的形式快速通過交叉口。車聯(lián)網(wǎng)控制區(qū)可由調(diào)整區(qū)、緩沖區(qū)和排隊區(qū)三部分組成，見下式：

式中，為控制區(qū)長度(m)；為調(diào)整區(qū)長度(m)；為緩沖區(qū)長度(m)；為排隊區(qū)長度(m)。

1.2 基本假設(shè)

車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下快速路出口匝道與地面銜接區(qū)交通控制[7]需要作如下假設(shè)：

(1)車輛均搭載智能車載單元，路側(cè)設(shè)置智能路側(cè)單元，可以實現(xiàn)與控制中心的實時通信，通信延遲誤差在可接受范圍之內(nèi)；

(2)車輛每隔1s與路側(cè)設(shè)備交換位置、速度和行駛方向等信息；

(3)不考慮行人和非機動車的影響。

1.3 控制區(qū)長度確定

車聯(lián)網(wǎng)控制區(qū)最短長度應(yīng)滿足車輛以任意初始速度進(jìn)入控制區(qū)后均可以調(diào)整至目標(biāo)速度；最大長度應(yīng)保證網(wǎng)聯(lián)車在一個信號周期時間內(nèi)能通過銜接交叉口[19]。車聯(lián)網(wǎng)控制區(qū)長度范圍確定如下：

2 出口匝道與地面銜接區(qū)控制方法

2.1 出口匝道與地面銜接區(qū)速度控制模型

考慮停車線前排隊長度和車輛進(jìn)入控制區(qū)時初始速度調(diào)整至最佳引導(dǎo)速度的時間，根據(jù)車輛進(jìn)入車聯(lián)網(wǎng)控制區(qū)時相位情況，建立紅燈情形下和綠燈情形下的速度控制模型[20, 21]。

情形1：當(dāng)車輛以某一初始速度駛?cè)胨俣瓤刂茀^(qū)時，此時信號燈處于紅燈，且出口匝道與地面銜接區(qū)停車線前存在一定的排隊長度。

到達(dá)停車線的時刻和最終的建議引導(dǎo)速度分別如式(5)和(6)：

情形2：當(dāng)網(wǎng)聯(lián)車進(jìn)入速度控制區(qū)時，此時信號燈顯示為綠燈，但車輛按照當(dāng)前速度行駛無法通過交叉口。對網(wǎng)聯(lián)車進(jìn)行速度控制存在兩種情形，即在不考慮二次停車的情況下，網(wǎng)聯(lián)車可以通過加速在本周期綠燈時間內(nèi)通過交叉口，或不能通過則減速在下個周期的綠燈期間通過[9]。此種情況只考慮兩個周期的情況，則最佳的引導(dǎo)速度見下式：

因此，快速路出口匝道與地面銜接區(qū)速度控制過程如圖2所示[22]。

圖2 快速路出口匝道與地面銜接區(qū)速度控制流程圖

2.2 緩沖區(qū)車道變換策略

Step1 當(dāng)車輛進(jìn)入銜接段緩沖區(qū)后，判斷車輛是否需要變道，首先確定是否滿足變道安全條件。變道安全條件為換道過程中后車與換道車輛之間距離大于潛在碰撞距離[24]，見下式：

如果滿足安全條件，開始換道，否則進(jìn)入下一步。

Step2 如果不滿足安全條件，判斷換道車輛行駛路徑是否與當(dāng)前信號交叉口相位通行狀態(tài)一致。假設(shè)出口匝道銜接交叉口相位方案為左轉(zhuǎn)和直行分別放行，當(dāng)左轉(zhuǎn)相位為當(dāng)前相位時，左轉(zhuǎn)車輛優(yōu)先于直行車輛換道；當(dāng)直行相位為當(dāng)前相位時，直行車輛具有較高的優(yōu)先級；當(dāng)前相位均不是左轉(zhuǎn)和直行相位時，執(zhí)行下一步。

圖3 快速路出口匝道與地面銜接區(qū)車道變換策略

2.3 出口匝道與地面銜接區(qū)三階段控制方法

根據(jù)銜接交叉口區(qū)劃分情況，對應(yīng)網(wǎng)聯(lián)車在銜接區(qū)控制策略可分為三個控制階段：速度調(diào)整階段、緩沖換道階段和排隊通過階段[25]?？焖俾烦隹谠训琅c地面銜接區(qū)的控制流程如圖4所示。

Step2 緩沖換道階段。進(jìn)入到緩沖區(qū)后的網(wǎng)聯(lián)車要根據(jù)信號相位狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)換道行為，進(jìn)入相應(yīng)車道。按照出口匝道與地面銜接區(qū)緩沖區(qū)車道變換策略進(jìn)行車道變換。

Step3 排隊通過階段。進(jìn)入目標(biāo)車道后，車輛進(jìn)入排隊通過區(qū)。若此時為綠燈相位，且前方不存在排隊車輛，網(wǎng)聯(lián)車可作為頭車加速至最大速度快速通過交叉口，否則跟隨前方車輛形成車隊通過交叉口；若此時為紅燈相位，則以最小速度駛?cè)肱抨爡^(qū)，盡可能不停車通過交叉口，減少燃油消耗和尾氣排放。

3 案例分析

本文以濟(jì)南市二環(huán)南快速路出口匝道銜接二環(huán)南路與舜耕路區(qū)域為例來驗證本文方法的可行性。該出口匝道銜接地面道路進(jìn)口道設(shè)置有兩條直行車道、兩條左轉(zhuǎn)車道和一條右轉(zhuǎn)車道，出口匝道設(shè)置兩條車道，輔路設(shè)置三條車道(包括一條右轉(zhuǎn)專用車道)，車道寬度均為3.5m；調(diào)整區(qū)長240m，緩沖區(qū)長100m，排隊區(qū)長60m，大型車與小型車的比例為1∶9，如圖5所示。銜接交叉口的周期時長為216s，東西直行相位有效綠燈時間為87s，東西左轉(zhuǎn)相位有效綠燈時間為42s。換算后的快速路出口匝道與地面銜接區(qū)進(jìn)口道交通流量如表1所示。

圖5 濟(jì)南二環(huán)南快速路出口匝道與地面銜接區(qū)示意

表1 快速路出口匝道與地面銜接區(qū)交通量

3.1 實驗方案

首先，利用VISSIM軟件建立仿真模型，對仿真參數(shù)標(biāo)定后結(jié)果為：安全距離附加部分為3.54，安全距離倍數(shù)部分為3.40，最大減速度為6m/s2，平均停車間距為1.8m，最小前視距離標(biāo)定為10m，前方可觀察車輛數(shù)為3輛，最長等待時間為45s，最小車頭間距為0.5m，直行車道和左轉(zhuǎn)車道的飽和流率分別為1 260 pcu/h和1 152 pcu/h。經(jīng)校驗，東西南北四個進(jìn)口道的流量誤差為0.35%、2.44%、0.71%和1.28%，能較好地反映實際的交通情況。

其次，使用MATLAB編程調(diào)用VISSIM的COM接口搭建車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，對出口匝道與地面銜接區(qū)進(jìn)行車聯(lián)網(wǎng)控制。為了避免路網(wǎng)未完全加載所產(chǎn)生的誤差，設(shè)置仿真時間為5 400s，選取1 800～5 400s為仿真數(shù)據(jù)輸出分析時段。將排隊區(qū)、緩沖區(qū)和調(diào)整區(qū)路段編號1至7，通過分析各路段速度分布波動程度來對比定時控制與車聯(lián)網(wǎng)控制下交通運行狀況[26]。在出口匝道銜接交叉口信號周期固定的情況下，將采用傳統(tǒng)定時控制、基于ALINEA的輔路反饋控制[27]、僅車聯(lián)網(wǎng)速度控制[8]以及本文方法進(jìn)行對比分析。對文中方法進(jìn)行影響因素敏感性分析，研究網(wǎng)聯(lián)車在不同滲透率或駕駛員服從率和不同飽和度下的延誤變化情況，并對不同滲透率下緩沖區(qū)長度對延誤的影響進(jìn)行分析。

3.2 結(jié)果分析

出口匝道與地面銜接區(qū)各路段車聯(lián)網(wǎng)控制前后每間隔2min的速度分布情況如圖6和表2所示。從圖6(a)中可以看出，路段1、2、3之間的速度變化較大，這與實際交通情況相符，紅燈期間車輛在排隊區(qū)聚集，并且輔路和匝道車輛在緩沖區(qū)聚集，導(dǎo)致車速降低和各區(qū)段之間速度波動變大。從圖6(b)中可以看出，文中方法控制下各路段間速度變化幅度相對平穩(wěn)，由表2可知速度均值相對定時控制提高了5%，方差相對于定時控制降低了7.4%，中位數(shù)提高了2%，整體運行速度有了一定的提高。主要因為對出口匝道與地面銜接區(qū)進(jìn)行車聯(lián)網(wǎng)控制后，可以控制車輛車速盡可能不停車通過交叉口。在緩沖區(qū)可以根據(jù)此時信號相位情況，變道車輛可以更快速度變換至目標(biāo)車道，減少因車輛交織產(chǎn)生的延誤。

圖6 出口匝道與地面銜接區(qū)各路段速度分布圖

表2 速度分布分析表(km/h)

不同控制方法下延誤和停車次數(shù)指標(biāo)的變化情況如圖7和圖8所示。對于銜接區(qū)，文中方法相對于定時控制、輔路反饋控制和僅車聯(lián)網(wǎng)速度控制延誤降低了45%、42%和4%，停車次數(shù)降低了31%、18%和4%。與定時控制相比，輔路反饋控制可以通過獲取緩沖區(qū)的排隊長度和占有率來調(diào)節(jié)輔路進(jìn)入緩沖區(qū)的交通量，減少了輔路和匝道車輛交匯產(chǎn)生的沖突，緩沖區(qū)的延誤和停車次數(shù)降低了33%和9%，但不會提高排隊區(qū)的通行效率；相對于輔路反饋控制，車聯(lián)網(wǎng)速度控制使銜接區(qū)的延誤和停車次數(shù)減少了39%和14%。文中方法在車聯(lián)網(wǎng)速度控制的基礎(chǔ)上考慮了相位優(yōu)先級進(jìn)行車道變換，當(dāng)前相位下的車輛能更快地通過緩沖區(qū)，提高了當(dāng)前相位下的綠燈利用率；相對于僅車聯(lián)網(wǎng)速度控制，排隊區(qū)和緩沖區(qū)的延誤分別降低了6%和4%，停車次數(shù)降低了9%和7%，說明了文中方法的有效性。

圖7 不同控制方法延誤對比圖

圖8 不同控制方法停車次數(shù)對比圖

分析在低、中、高飽和度下，不同網(wǎng)聯(lián)車滲透率對出口匝道與地面銜接區(qū)車均延誤的影響，如圖9所示。選取飽和度為0.2、0.5和0.8反映道路在不同交通需求下的情況。為避免隨機因素影響，選取不同隨機種子進(jìn)行多次仿真，仿真結(jié)果取平均值。從圖9可知，出口匝道與地面銜接區(qū)的車輛延誤在三種飽和度情形下均隨著網(wǎng)聯(lián)車滲透率的增加而降低。線性擬合之后的斜率為1.27、3.15和3.13，說明在中飽和度情形下延誤隨滲透率增加降低最快；當(dāng)滲透率大于70%時，隨著滲透率的增加中飽和度情形下的延誤最低。這是因為在中飽和度下，車輛更易形成穩(wěn)定流，隨著滲透率的增加，網(wǎng)聯(lián)車比例增加，傳統(tǒng)車輛受網(wǎng)聯(lián)車輛影響更容易形成飽和車隊，提高了通過銜接交叉口的效率。

圖9 不同滲透率和飽和度下的延誤變化圖

出口匝道與地面銜接區(qū)的緩沖區(qū)是提供兩股交通流匯聚的區(qū)域，需要一定的距離供車輛變換車道。圖10反映了飽和度為0.8的情形下不同滲透率和緩沖區(qū)長度下對出口匝道與地面銜接區(qū)延誤的影響。從圖中可以看出，當(dāng)滲透率在40%至80%之間為中滲透率時，延誤隨緩沖區(qū)長度的增加呈現(xiàn)出先減小后增大再減小的趨勢；在低滲透率和高滲透率情形下，緩沖區(qū)長度變化對延誤的影響較小。主要因為在中滲透率情形下，網(wǎng)聯(lián)車輛和傳統(tǒng)車輛比重相當(dāng)，車輛間的交互行為較為復(fù)雜，對緩沖區(qū)長度的變化較為敏感。當(dāng)車輛處于完全網(wǎng)聯(lián)環(huán)境下，車輛運行延誤主要來自于因信號燈相位切換而調(diào)整車速產(chǎn)生的信控延誤。

圖10 不同滲透率和緩沖區(qū)長度下延誤變化圖

4 結(jié)束語

本文以快速路出口匝道與地面銜接區(qū)交通流為研究對象，提出了一種車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下出口匝道與地面銜接區(qū)多階段控制方法。

(1)考慮銜接交叉口排隊長度和初始速度與引導(dǎo)速度間的關(guān)系，建立了快速路出口匝道與地面銜接區(qū)的速度控制模型，提出了一種考慮相位優(yōu)先級車道變換策略。經(jīng)驗證，本文方法可以有效減少排隊區(qū)的排隊長度，各路段間速度波動變小，平均速度提高了5%；與定時控制、輔路反饋控制和車聯(lián)網(wǎng)速度控制相比，銜接區(qū)延誤降低了45%、42%和4%，停車次數(shù)降低了31%、18%和4%。

(2)對飽和度和滲透率進(jìn)行了敏感分析，結(jié)果表明，銜接區(qū)延誤隨飽和度和滲透率的增加而降低，當(dāng)滲透率大于70%時，出口匝道與地面銜接區(qū)處于中飽和度下更易形成穩(wěn)定的飽和交通流，車輛更快地通過銜接交叉口。

(3)在高飽和度情形下，出口匝道與地面銜接區(qū)的緩沖區(qū)長度變化在低滲透率和高滲透率下對延誤影響較小，中滲透率下延誤隨緩沖區(qū)長度的增加呈先減小后增大再減小的趨勢。

然而，本文未考慮車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下受控車輛對周圍車輛的影響和多車交互的優(yōu)化控制，需要后續(xù)進(jìn)行深入研究，未來將會考慮在車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下出口匝道與銜接交叉口的聯(lián)合控制進(jìn)一步研究。

[1] GUNTHER G E, COEYMANS J E, MUNOZ J C, et al. Mitigating freeway off-ramp congestion: asurface streets coordinated approach[J]. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 2012, 20(1): 112-125.

[2] ZHAO J, LIU Y. Integrated signal optimization and non-traditional lane assignment for urban freeway off- ramp congestion mitigation[J]. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 2016, 73: 219-238.

[3] ZHAO J, MA W J, XU H J. Increasing the capacity of the intersection downstream of the freeway off-ramp using presignals[J]. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 2017, 32(8): 674-690.

[4] YANG X, CHENG Y, CHANG G L. Integration of adaptive signal control and freeway off-ramp priority control for commuting corridors[J]. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 2018, 86: 328-345.

[5] 趙海娟, 趙海平, 李金萍. 基于交通流特性的高速公路出口匝道與地面道路銜接部安全幾何設(shè)計[J]. 交通運輸工程與信息學(xué)報, 2017, 15(1): 47-55.

[6] 趙海娟, 陸鍵. 上跨式互通立交出口匝道與地面道路銜接部渠化設(shè)計研究[J]. 交通運輸工程與信息學(xué)報, 2011, 9(4): 101-107, 124.

[7] 張存保, 冉斌, 梅朝輝, 等. 車路協(xié)同下道路交叉口信號控制優(yōu)化方法[J]. 交通運輸系統(tǒng)工程與信息, 2013, 13(3): 40-45.

[8] 鹿應(yīng)榮, 許曉彤, 丁川, 等. 車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下信號交叉口車速控制策略[J]. 交通運輸系統(tǒng)工程與信息, 2018, 18(1): 50-58.

[9] WU W, HUANG L, DU R H. Simultaneous optimization of vehicle arrival time and signal timings within a connected vehicle environment[J]. Sensors, 2019, 20(1): 191-205.

[10] LI H J, ZHANG J J, LI Y X, et al. Modeling and simulation of vehicle group collaboration behaviors in an on-ramp area with a connected vehicle environment[J]. Smart and Resilient Transportation, 2019, 1(1): 17-29.

[11] JING S C, HUI F, ZHAO X M, et al. Cooperative game approach to optimal merging sequence and on-ramp merging control of connected and automated vehicles[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2019, 20(11): 4234-4244.

[12] MO T, LI K Y, ZHANG J J, et al. Collaborative strategies and simulation of vehicle group behaviors for off-ramp areas[J]. Journal of Advanced Transportation, 2020, 8817364: 1-11.

[13] 龐明寶, 安少怡. 快速路與鄰接交叉口分散換道和速度引導(dǎo)方法[J]. 交通運輸系統(tǒng)工程與信息, 2019, 19(6): 168-175.

[14] WU L N, CI Y S, SUN Y C, et al. Research on joint control of on-ramp metering and mainline speed guidance in the urban expressway based on MPC and connected vehicles[J]. Journal of Advanced Transportation, 2020, 7518087: 1-8.

[15] 李珣, 曲仕茹, 夏余. 車路協(xié)同環(huán)境下多車道車輛的協(xié)同換道規(guī)則[J]. 中國公路學(xué)報, 2014, 27(8): 97-104.

[16] 王東柱, 陳艷艷, 馬建明, 等. 車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的高速公路合流區(qū)協(xié)調(diào)控制方法及效果評價[J]. 公路交通科技, 2016, 33(9): 99-105.

[17] CIY S, WU H L, SUN Y C, et al. A prediction model with wavelet neural network optimized by the chicken swarm optimization for on-ramps metering of the urban expressway[J]. Journal of Intelligent Transportation Systems, 2021, 74944035: 1-11.

[18] WANG P W, JIANG Y L, XIAO L, et al. A joint control model for connected vehicle platoon and arterial signal coordination[J]. Journal of Intelligent Transportation Systems, 2019: 1-12.

[19] 安實, 姚焓東, 姜慧夫, 等. 信號交叉口綠色駕駛車速控制方法[J]. 交通運輸系統(tǒng)工程與信息, 2015, 15(5): 53-59.

[20] YANG H, RAKHA H, ALA M V. Eco-cooperative adaptive cruise control at signalized intersections considering queue effects[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2017, 18(6): 1575- 1585.

[21] 李鵬凱, 吳偉, 杜榮華, 等. 車路協(xié)同環(huán)境下多車協(xié)同車速引導(dǎo)建模與仿真[J]. 交通信息與安全, 2013, 31(2): 134-139, 148.

[22] 龍科軍, 高志波, 吳偉, 等. 城市道路干線信號協(xié)調(diào)控制與車速引導(dǎo)集成優(yōu)化[J]. 長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2018, 38(2): 94-102.

[23] ZHENG Y, RAN B, QU X U, et al. Cooperative lane changing strategies to improve traffic operation and safety nearby freeway off-ramps in a connected and automated vehicles environment[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2019, 8855110: 1-10.

[24] 王濤, 徐良杰, 陳國俊. 基于車路協(xié)同的信號交叉口換道引導(dǎo)方法[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版), 2020, 44(2): 342-347.

[25] DU Z B, ZHANG Q Y, ZHAO P C. Research on vehicle control strategy at weaving area under vehicle infrastructure cooperative environment[J]. Journal of Physics: Conference Series, Iop publishing, 2020, 1486(7): 072013: 1-12.

[26] 胥川, 付川云, 朱援. 車速空間波動對城市快速路安全的影響分析[J]. 交通運輸工程與信息學(xué)報, 2018, 16(2): 117-122.

[27] 喬岸青. 城市快速路出口匝道控制方法研究[D]. 長沙: 長沙理工大學(xué), 2018.

Multi-stage Control Method for Urban Expressway Off-ramps and Ground Road Adjacent Areas under Connected Vehicle Environments

CI Yu-sheng1, HAN Ying-xuan1, WU Li-na2

(1. School of Transportation Science and Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China; 2. School of Automobile and Traffic Engineering, Heilongjiang Institute of Technology, Harbin 150050, China)

To improve the traffic efficiency of urban expressway off-ramps and ground road adjacent areas, a multi-stage control method is proposed for an off-ramp and ground road adjacent area under a connected vehicle environment. First, according to vehicle speed characteristics, the selected adjacent area is divided into adjustment, buffer, and queuing areas. Then, considering the problem of frequent conflicts between vehicles in adjacent area, a lane-changing strategy is proposed that considers phase priority. Finally, a three-stage control strategy is designed for the off-ramp and ground road adjacent area, and a simulation environment of connected vehicles is built based on MATLAB and VISSIM. Simulation results show that the proposed method can reduce speed fluctuations between each road section while increasing the average speed by 5%. Compared with the speed control under connected vehicle environments, the delays in the adjacent, queuing, and buffer areasare reduced by 4%, 6%, and 4%, respectively. In addition, a sensitivity analysis shows that when the traffic demand is in medium saturation and the penetration rate is greater than 70%, the control effect of the proposed method is the most obviou. The relevant results can provide theoretical support for off-ramps and ground road adjacent areas under connected vehicle environments.

intelligent transportation systems; urban expressway; off-ramp and ground road adjacent area; connected vehicle; speed control; lane-changing

U491.1+2

A

10.19961/j.cnki.1672-4747.2021.04.0033

1672-4747(2021)04-0052-10

2021-04-22

2021-05-24

2021-05-26

2021-04-22～04-25； 05-12～05-15； 05-17～05-18； 05-24

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC0803907)

慈玉生(1980—)，男，副教授，博導(dǎo)，研究方向：智能交通系統(tǒng)、交通安全，E-mail：ciyusheng1999@126.com

慈玉生，韓應(yīng)軒，吳麗娜. 車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下快速路出口匝道與地面銜接區(qū)多階段控制方法[J]. 交通運輸工程與信息學(xué)報，2021, 19(4): 52-61.

CI Yu-sheng, HAN Ying-xuan, WU Li-na. Multi-stage Control Method for Urban Expressway Off-ramps and Ground Road Adjacent Areas under Connected Vehicle Environments[J]. Journal of Transportation Engineering and Information, 2021, 19(4): 52-61.

(責(zé)任編輯：劉娉婷)