城市快速路匝道控制的應用研究

伍 丹 盧長春

南京萊斯信息技術股份有限公司 江蘇 南京 210000

隨著我國經濟的快速增長和城市規模的不斷擴大，主要大中城市基本建成了相對完善的城市快速路網絡，滿足城市各組團之間的快速出行需要，可緩解城市交通壓力，為出行者提供快速、安全、高效的出行服務。然而，汽車保有量逐年攀升帶來的交通需求不斷增加，城市快速路不再快速，出現了車輛行駛緩慢、入口處交通秩序混亂、交通事故頻發的諸多問題，如何對快速路進行控制,保證快速路的出行效率成為亟待解決的重要課題。入口匝道控制被公認為是解決快速路交通問題最為有效的措施之一，在國內外很多城市已得到廣泛地應用。本文總結國內外對入口匝道控制研究的理論和方法，結合南京匝道控制的現狀問題，通過對交通組織和信號控制的一體化分析，提出定向車道與交替放行的匝道控制模式，為解決其他城市快速路擁堵問題提供經驗借鑒。

1 入口匝道控制方法

入口匝道控制指運用交通信號、交通標志及自動欄桿等交通控制設備調節進入高速道路主線車輛的數量，通過平衡入口匝道上游交通需求和下游主線通行能力的方法，防止高速道路運營陷入癱瘓狀態，讓高速道路系統以最優效率運行，并且改善通過匝道進入主線車輛的匯合安全性。

目前國內城市采用的快速路匝道控制方法主要有匝道關閉法、匝道定時控制法、匝道感應交匯控制法、匝道系統控制、入口匝道與地面交叉口的協調控制五種方法。

(1) 匝道關閉法[1]。是一種臨時、簡單、有效的應急措施，一般情況下不可經常或長時間使用，在高峰期間經常使用匝道關閉法。這種控制方法的做法有：人工設置柵欄、自動彈起式柵欄等。

(2) 匝道定時控制法

這種控制是采用調節方法限制進入快速道路交通量的一種控制。匝道定時限流控制是根據路段當前交通量的實際需要和在對路段歷史交通信息進行分析的基礎上來確定匝道的調節率，所以它的調節率是一個或多個固定值[2]。定時匝道控制法具有算法簡單，易于操作、實施方便等優點，但是無法根據實時道路交通情況對匝道調節率進行修正。

(3) 匝道感應交匯控制法

在快速路和匝道上都裝有檢測器，獲取實時交通數據信息。根據不同的控制方案，通過就地控制器或中心計算機，實施限流控制，限流率可依據交通信息做相應調整。匝道調節可看作對快速道路、匝道和匝道引道上交通監視的一種反應[3]。控制方案的大量變量可根據交通參數的各種組合獲得。

(4) 匝道系統控制

是將一系列匝道集中起來作為整體系統統一考慮的交通控制方法，稱為匝道系統控制，其限流率根據整個系統的交通量與通行能力之差確定。整體車輛感應限流控制能適應交通量變化要求，使整個系統的車流保持最佳化，若快速道路某段發生交通事故，這種控制就顯得特別有效[4]。此時，發生事故的下游匝道，其限流率會自動增加，而上游匝道的限流率會自動減少。

(5) 入口匝道與地面交叉口的協調控制

當入口匝道的長度較短或者匝道與地面道路交叉口距離較近時，入口匝道控制的排隊有可能會發生溢流，并最終阻塞地面道路上游交叉口，進而引起地面道路和快速路整個系統運行效率的降低[5]。這種情況下，需要進行地面道路關聯交叉口與入口匝道的協調控制，其基本原則包括：快速路主線車輛優先通行；避免入口匝道的超長排隊影響地面道路的正常運行；入口匝道排隊溢流時，提前發布誘導策略等引導車輛選擇其他路徑[6]。

目前，國內對于入口匝道控制的實際應用主要集中在對匝道的控制上，對主線控制和整個匝道系統控制理論的應用較少。北京、上海的匝道控制均為入口匝道的開閉控制和入口匝道的定時、自適應控制，不對主線進行控制；重慶市快速路立交眾多，針對道路多車道匯入節點車輛爭道搶行、變道加塞、違規變道等交通問題，使用分車道自適應控制，通過設置車道信號燈來控制上游車輛分批進入交織區，從時間上分離多股交匯車流效果明顯。

2 定向車道+交替放行控制模式

結合北京、上海、重慶等城市已有的匝道開閉控制和分車道信號控制經驗，根據南京市匝道現有通行狀況和矛盾交織點分析，對快速路主線和匝道進行交通組織和信號控制一體化設計，提出“主線匝道交替、定向車道不控”的控制模式，即在合流段，對主線部分車道與匝道采用信號控制，并交替放行，均衡快速路與匝道的負載，緩解由于交通流沖突造成的城市交通混亂、堵塞問題，保障城市交通安全有序；同時，靠近中分帶的車道設置為快速路定向車道，可自由通行，不受主線紅燈信號控制，減少信號控制對快速路車輛的影響，保證主線通行效率。

如圖1所示，快速路最左側車道（車道1）設置定向車道，該車道的車輛在合流點可不受信號控制不停車通過，保證快速路通行效率。快速路右側兩個車道（車道2和車道3）與匝道的兩個車道（車道4和車道5）受信號控制，進行交替放行，保障合流點安全有序。采用信號控制可根據實際流量情況進行定時控制和自適應控制。

圖1 定向車道+交替放行控制模式示意圖

3 案例應用

南京市通勤日快速路早高峰最堵的地點是應天大街高架路段，高德大數據顯示的某入口匝道合流段早高峰區間8點的平均速度約為18.6km/h，晚高峰區間18點的平均速度約為19.7km/h。主要原因是南京市應天大街高架的中華門、雨花路等多處快速路入口及合流段交通流量較大，導致早晚高峰應天大街高架主線快速路與匝道合流段秩序混亂，效率降低，通行不暢。為緩解快速路擁堵問題，選取了應天大街高架的某一入口匝道為例，進行“定向車道+交替放行”控制模式的設計和仿真驗證。

3.1 匝道控制優化方案

為保證應天大街高架主線最左側車道正常通行，在主線車輛停止線上下游300m范圍，高架主線受控與非受控車道之間設置禁止跨越同向車道分界線。

應天大街高架主線與匝道合流處的導流線由原來的20m增加到40m。高架主線受控車道車輛停止線設置在合流點下游60m處，主線車道信號燈布設在主線停止線下游20m處，同時在受控車道停止線上游40m設置禁止跨越同向車道分界線。

上橋匝道車輛停止線設置在合流點下游80m處，匝道信號燈安裝于匝道停止線下游20m處，在匝道停止線上游40m設置禁止跨越同向車道分界線。合流點至匝道車輛停止線區域也應設置禁止跨越同向車道分界線。

圖2 現狀交通組織

圖3 “定向車道+交替放行”交通組織設計

3.2 匝道控制仿真分析

仿真區域是入口匝道（西向東）上下游各500m，總共1000m的范圍。本報告分別仿真了現狀和信號控制方案實施后的交通情況，仿真采用的是微觀仿真主流軟件vissim，根據現狀數據和匝道控制交通組織設計圖按照1：1的比例進行建模和仿真；輸入車流量是在路口實際調查統計得到。本次仿真流量選取矛盾相對集中的早高峰時段進行仿真分析。

現狀和匝道控制仿真主線流量為4221pcu/h，匝道流量為1708pcu/h。車輛組成中小車占95%，大車占5%。

仿真結果顯示，現狀渠化條件下，快速路高峰期車輛通行秩序混亂，停車延誤大，車輛平均速度較慢。仿真平均速度為20.65km/h，與高德大數據顯示的實際數值較為接近，說明仿真模型建立合理，仿真結果具有一定的可信度。

“定向車道+交替放行”控制模式仿真的流量數據、車輛組成與現狀仿真參數一致，根據交通組織設計方案添加了交替放行的信號控制。根據現場的實際情況，也考慮與地面交叉口的協調，初步確定四種配時方案，并進行仿真實驗，選取合適的信號控制配時方案。

方案（1）：根據實際調查的流量情況和配時工作人員的經驗得出的定周期方案。周期為65s，主線綠燈31s，黃燈3s；匝道綠燈28s，黃燈3s。

方案（2）：考慮匝道與地面相近交叉口的協調控制方案。周期與地面相同設置為130s，主線綠燈80s，黃燈3s；匝道綠燈44s，黃燈3s。

方案（3）：考慮匝道與地面相近交叉口的大小周期協調控制方案。周期與地面相同設置為130s，考慮周期長度和排隊長度因素，設置大小周期。其中大周期主線綠燈57s，黃燈3s，匝道綠燈22s，黃燈3s；小周期主線綠燈22s，黃燈3s，匝道綠燈17s，黃燈3s。

方案（4）：根據Webster公式計算得出方案。

最佳周期時長公式：

其中：

有效綠燈時長公式：

其中：

計算得出的方案周期為100s，主線綠燈58s，黃燈3s；匝道綠燈36s，黃燈3s。

圖4 現狀仿真

圖5 “定向車道+交替放行”控制模式仿真

表1 信號控制方案仿真主要參數對比

從配時效果來看，配時方案（2）的指標參數較好。下面以配時方案（2）的控制效果與現狀仿真情況進行對比分析，選取平均停車次數、平均延誤、到達車輛數、平均速度作為評價指標。

表2 匝道控制效果評價

從仿真評價結果來看，采用“定向車道+交替放行”控制模式來對快速路入口匝道進行交通管理，能有效的緩解匝道口交通擁堵，秩序混亂的狀況，優化方案能起到提高車輛的行車速度，減少停車延誤，減少停車次數，保障交通安全的作用，驗證了“定向車道+交替放行”控制模式的有效性。

4 總結

本文總結現有入口匝道控制的方法和經驗，提出了一種“定向車道+交替放行”控制模式，并通過vissim進行控制前后的仿真，選取了延誤、停車次數、速度、到達車輛數等參數作為評價指標，驗證了“定向車道+交替放行”控制模式對解決快速路入口匝道交通擁堵和秩序混亂問題的有效性，對解決國內快速路匝道控制問題具有借鑒意義。但是也存在一些不足，例如出行者對快速路設置信號控制的適應性，與該匝道相連接的上下游匝道口的暢通性，入口匝道與地面交叉口的協調性等需要考慮的問題，后續將對多個連續入口匝道的控制進行研究并實際應用。