鄢勇飛，車麗彬，蔣 樂(lè)，周 俊，何 丹

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023）

集成ETC系統(tǒng)的城市快速路常發(fā)性交通擁堵管理策略

鄢勇飛，車麗彬，蔣 樂(lè)，周 俊，何 丹

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023）

分析城市快速路常發(fā)性交通擁堵特點(diǎn)，基于ETC（電子不停車收費(fèi)）系統(tǒng)功能和匝道控制原理，提出了快速路ETC匝道控制和匝道出入口OD流量分析模型。通過(guò)判斷分析關(guān)鍵匝道出入口及其常發(fā)性擁堵的不同原因，提出相應(yīng)的擁堵管理策略，為快速路的常發(fā)擁堵管理及匝道控制提供參考。

ETC；常發(fā)性擁堵；匝道控制；關(guān)鍵匝道；快速路

0　引言

隨著城市的發(fā)展，城市交通擁堵表現(xiàn)出越來(lái)越嚴(yán)重的趨勢(shì)。近些年，城市快速路的建設(shè)在一定程度上改善了交通出行條件，縮短了城市時(shí)空距離，但也帶來(lái)了新的交通擁堵問(wèn)題。有研究數(shù)據(jù)表明，90%的常發(fā)性擁堵發(fā)生在快速路入口處[1]，部分出口由于流量過(guò)大或銜接問(wèn)題也經(jīng)常發(fā)生擁堵。由于快速路的相對(duì)封閉和單一路徑等特點(diǎn)，快速路出入口的點(diǎn)狀擁堵很容易蔓延造成主線的線狀擁堵，且呈現(xiàn)擁堵次數(shù)頻繁、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣和難以分流等特點(diǎn)，因此，對(duì)城市快速路的交通管理控制勢(shì)在必行[2]。通過(guò)分析快速路常發(fā)性交通擁堵原因及特點(diǎn)，本文提出快速路ETC匝道控制系統(tǒng)，為選擇更有效的匝道控制對(duì)象和匝道控制策略等提供參考。

1　現(xiàn)有快速路匝道控制

現(xiàn)有快速路的控制管理主要通過(guò)匝道出入口控制實(shí)現(xiàn)，依托在匝道出入口與主線的上下游設(shè)置相應(yīng)的檢測(cè)設(shè)備，通過(guò)對(duì)車流參數(shù)的檢測(cè)分析，采取相應(yīng)的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)匝道出入口的開關(guān)，從而控制車流進(jìn)出。

根據(jù)不同控制策略，上海主要采用了匝道關(guān)閉策略，而歐美普遍采用匝道調(diào)節(jié)策略[2]。根據(jù)控制匝道對(duì)象，還可分為單匝道控制和關(guān)聯(lián)多匝道控制[3]。目前，匝道控制大多基于對(duì)匝道附近主線上下游交通量和匝道交通量的檢測(cè)，并根據(jù)容量限制、車速或排隊(duì)長(zhǎng)度評(píng)估擁堵?tīng)顟B(tài)[4,5]，通過(guò)匝道開關(guān)或紅綠燈控制來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)出主線的交通量[6]，以減少主線交通擁堵。單匝道控制較簡(jiǎn)單，但隨機(jī)性和受管理人員主觀經(jīng)驗(yàn)因素影響較大，也忽略了上下游匝道的關(guān)聯(lián)性。雖然關(guān)聯(lián)多匝道控制避免了單匝道控制過(guò)于隨機(jī)的缺點(diǎn)，但其OD推算算法較復(fù)雜，難以適應(yīng)交通控制對(duì)時(shí)間響應(yīng)的要求，而且并不是所有關(guān)聯(lián)匝道都會(huì)造成對(duì)主線的擁堵。這些匝道控制策略通常針對(duì)單個(gè)匝道出入口，無(wú)法反映快速路匝道進(jìn)出口整體的交通流規(guī)律，即使有對(duì)關(guān)聯(lián)多匝道的控制方法，但大多是基于OD反推為前提，且相應(yīng)的算法較復(fù)雜，缺少可靠的匝道交通流數(shù)據(jù)支撐，無(wú)法反映實(shí)際的匝道出入口交通出行規(guī)律，因而難以保證控制效果。

2　ETC系統(tǒng)

智能交通是緩解城市交通擁堵和提高交通管理的重要途徑，ETC系統(tǒng)（電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)）是智能交通的主要功能之一。由于ETC系統(tǒng)整合了車輛身份信息，使得它在城市治安偵查、停車誘導(dǎo)等領(lǐng)域[7,8]也能發(fā)揮重要作用。

ETC系統(tǒng)由前端系統(tǒng)和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)組成，其中前端系統(tǒng)包括ETC車道控制系統(tǒng)、ETC路側(cè)單元（RSU）、ETC車載單元（OBU）。

3　快速路擁堵主要原因分析

快速路為全控制出入口形式，主要通過(guò)匝道出入口等實(shí)現(xiàn)與其他道路的轉(zhuǎn)換連接?？焖俾窊矶曼c(diǎn)主要與匝道出入口相關(guān)，主要擁堵原因有以下幾種：一是立交形式選擇不合理，導(dǎo)致主線與匝道進(jìn)出交通流交織嚴(yán)重，影響主線車流通行；二是上下橋匝道功能和選址不合理，導(dǎo)致匝道方向與交通流向需求不符合，同時(shí)，匝道數(shù)量過(guò)多，使得主線車流分、合流區(qū)域較多，而導(dǎo)致交通流紊亂；三是上下橋匝道與地面道路銜接位置不合理，尤其是在交叉口附近，對(duì)匝道車流與路口交通流的相互影響考慮不充分，導(dǎo)致匝道轉(zhuǎn)換車流與地面車流干擾嚴(yán)重。

4　快速路常發(fā)性交通擁堵特點(diǎn)

在快速路的規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，主要是根據(jù)遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)的交通量需求進(jìn)行方案規(guī)劃和工程設(shè)計(jì)，但城市的發(fā)展具有較大不確定性和多變性，導(dǎo)致實(shí)際需求與預(yù)測(cè)需求發(fā)生偏差，交通出行規(guī)律也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，當(dāng)這種偏差和變化幅度較大時(shí)，必然會(huì)對(duì)快速路的交通運(yùn)行產(chǎn)生沖擊。在快速路建成運(yùn)行后，實(shí)際交通出行需求逐漸穩(wěn)定，這種沖擊就會(huì)演變?yōu)橛幸?guī)律性的常發(fā)性交通擁堵。

常發(fā)性交通擁堵根本原因是實(shí)際交通需求超出道路設(shè)施局部區(qū)域或節(jié)點(diǎn)最大通行能力，使得常發(fā)性交通擁堵具有相對(duì)固定性，同時(shí)其通常發(fā)生在高峰時(shí)間段，表現(xiàn)為周期性和規(guī)律性擁堵[9]，因而具有相對(duì)穩(wěn)定性和預(yù)見(jiàn)性。因此，在相對(duì)固定的時(shí)間，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵匝道采取針對(duì)性的匝道控制策略，是減少常發(fā)性交通擁堵的可選途徑。

5　集成ETC系統(tǒng)的快速路關(guān)鍵匝道識(shí)別

5.1基本思路

由于快速路常發(fā)性交通擁堵的時(shí)間和區(qū)域具有一定規(guī)律性和預(yù)見(jiàn)性，因此，可將匝道出入口歷史流量統(tǒng)計(jì)規(guī)律作為實(shí)時(shí)匝道控制的數(shù)據(jù)依據(jù)，避免了對(duì)某個(gè)匝道盲目控制的弊端。

在每個(gè)匝道出入口處設(shè)置ETC前端系統(tǒng)和信號(hào)燈裝置，組成ETC匝道控制系統(tǒng)，利用ETC系統(tǒng)的通信功能可以對(duì)進(jìn)出匝道出入口的車輛信息進(jìn)行讀取和存儲(chǔ)，通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)中心對(duì)車牌信息的比對(duì)分析，可以計(jì)算統(tǒng)計(jì)出每個(gè)匝道出入口的OD流量，并以此統(tǒng)計(jì)出每個(gè)出口車輛的入口來(lái)源流量及其分布規(guī)律。將入口匝道和出口匝道按交通量大小排列，依據(jù)匝道實(shí)際通行能力和常發(fā)擁堵匝道狀況判斷識(shí)別快速路的關(guān)鍵入口和出口匝道。

5.2匝道出入口OD流量分析模型

由于快速路上下行的相對(duì)獨(dú)立性，可單獨(dú)分析一個(gè)行車方向，并以環(huán)線快速路逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)槔?，從而?jiǎn)化分析模型。

模型假設(shè)不會(huì)有車輛繞圈行駛，并只會(huì)在不超過(guò)環(huán)線半圈出行距離的匝道出入口之間出行，因?yàn)槿绻鲂芯嚯x超過(guò)半圈距離，則會(huì)選擇反方向的匝道出入口，行駛距離會(huì)更短，這與現(xiàn)實(shí)車輛出行路徑選擇基本相符合。

將進(jìn)入主線的匝道入口作為O點(diǎn)，將離開主線的匝道出口作為D點(diǎn)，并選定某一個(gè)匝道為起點(diǎn)，分別依次編號(hào)1至i。假設(shè)入口和出口數(shù)量相等，最大入口個(gè)數(shù)i=M，則環(huán)線上每一次機(jī)動(dòng)車出行均可視為一個(gè)OD點(diǎn)對(duì)出行。

對(duì)于某一個(gè)匝道出口i，當(dāng)其位于所有編號(hào)半數(shù)以內(nèi)時(shí)，其交通流量Di計(jì)算統(tǒng)計(jì)公式為：

當(dāng)其位于所有編號(hào)半數(shù)以外時(shí)，其交通流量計(jì)算統(tǒng)計(jì)公式為：

6　快速路常發(fā)性交通擁堵管理策略

6.1匝道入口常發(fā)性擁堵管理策略

單純的匝道入口常發(fā)性擁堵（對(duì)由于主線擁堵導(dǎo)致匝道入口擁堵的情形在后面討論）主要是由于匝道交通量超過(guò)了匝道實(shí)際通行能力，這種情況下只能通過(guò)減少、轉(zhuǎn)移或控制進(jìn)入匝道的交通量來(lái)緩解擁堵。通常，城市快速路入口匝道交通量呈現(xiàn)出明顯的周期性、脈沖性和波動(dòng)性，其明顯程度與匝道入口距上游信號(hào)燈控路口的距離有關(guān)，距離越小越明顯[10]?？赏ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)上游路口交通信號(hào)燈配時(shí)方案或者定時(shí)匝道控制策略[9]來(lái)控制匝道入口交通量，同時(shí)結(jié)合上游路口的交通信息指標(biāo)牌，提示分流和繞行等預(yù)警信息，也可采用匝道入口與銜接交叉口協(xié)調(diào)控制策略[11,12]?；谠训廊肟诘腅TC匝道控制系統(tǒng)可以計(jì)算統(tǒng)計(jì)全天的匝道交通流量特征，為定時(shí)匝道控制和動(dòng)態(tài)匝道控制提供可靠的交通數(shù)據(jù)支撐。

6.2匝道出口常發(fā)性擁堵管理

匝道出口常發(fā)性擁堵可分為兩種情形：第一種情形是單純的匝道出口擁堵，第二種情形是匝道出口擁堵與主線擁堵并存。

第一種常發(fā)擁堵情形，即匝道出口排隊(duì)車輛還沒(méi)有反向回溢到快速路主線部分而導(dǎo)致主線車速減慢形成排隊(duì)擁堵。其主要表現(xiàn)為下游銜接路段或路口通行能力不足，通常是由于匝道出口距下游關(guān)聯(lián)路口過(guò)近及路口信號(hào)燈方案不合理所導(dǎo)致?？刹扇?yōu)化關(guān)聯(lián)路口信號(hào)燈控制的策略[13,14]，基于匝道出口的ETC匝道控制系統(tǒng)可以計(jì)算統(tǒng)計(jì)全天的匝道交通流量，可與下游關(guān)聯(lián)路口的信號(hào)燈聯(lián)控，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制。

第二種常發(fā)擁堵情形，即匝道出口的交通需求量已經(jīng)遠(yuǎn)超過(guò)匝道和下游關(guān)聯(lián)路口允許的實(shí)際通行能力，并已對(duì)主線的交通流產(chǎn)生了明顯干擾，造成主線交通擁堵排隊(duì)，此時(shí)對(duì)該匝道出口和關(guān)聯(lián)路口的控制策略基本失效[4]。

在這種情形下，利用提出的ETC匝道控制系統(tǒng)可獲取所有匝道出入口的全天交通量數(shù)據(jù)?；诒疚?.2節(jié)中提出的匝道出入口OD流量分析模型，可得到上游的各匝道入口通過(guò)該匝道出口的交通組成特征。根據(jù)交通流量大小識(shí)別出較大的匝道入口作為關(guān)鍵匝道，并將其作為主要匝道控制對(duì)象，采取本文6.1節(jié)中的相關(guān)匝道入口控制策略。盡管這些關(guān)鍵匝道本身可能并不是常發(fā)性擁堵匝道，但對(duì)于減少第二種情形中下游匝道出口的常發(fā)性擁堵起著關(guān)鍵作用。結(jié)合ETC系統(tǒng)獲取的匝道流量隨時(shí)間的分布特征，可以在不同的時(shí)間段內(nèi)采取更準(zhǔn)確的控制策略。

7　案例分析

武漢市二環(huán)線全長(zhǎng)48 km，總體建設(shè)方案以長(zhǎng)距離高架為主，全線設(shè)置15處互通式立交、45處上下橋匝道（上橋匝道21處，下橋匝道24處）和12對(duì)地面輔路出入口，主線進(jìn)出口平均間距約1 km。目前交通運(yùn)行基本穩(wěn)定，高峰時(shí)段常發(fā)性擁堵點(diǎn)主要集中在隧道處匝道出入口、互通立交匝道出入口和下橋匝道出口處等。全線調(diào)查的常發(fā)性交通擁堵點(diǎn)及排隊(duì)延誤觀測(cè)見(jiàn)表1。

7.1方案實(shí)現(xiàn)

匝道ETC設(shè)備主要由微波天線、車輛檢測(cè)器、交通信號(hào)燈、信號(hào)控制機(jī)、抓拍攝像機(jī)和高清球機(jī)組成。設(shè)備布置如圖1所示。前端設(shè)備可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與ETC后臺(tái)控制中心、交通管理中心連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳、分析和匝道控制。

7.2方案效益評(píng)估

（1）擁堵?lián)p失評(píng)估。根據(jù)對(duì)二環(huán)線各匝道的高峰交通調(diào)查分析，共有18處常發(fā)性擁堵位置，如表1所示。根據(jù)表1可以計(jì)算出平均每個(gè)擁堵車輛的直接時(shí)間價(jià)值損失和汽油消耗損失。按照武漢市2014年平均工資和汽油價(jià)格計(jì)算,得到上述常發(fā)性擁堵位置的平均時(shí)間價(jià)值損失約3.8萬(wàn)元/擁堵天，平均汽油消耗損失約12.5萬(wàn)元/擁堵天，則全年工作日的直接擁堵?lián)p失費(fèi)用近4 200萬(wàn)元。這還不包括由于擁堵造成的污染排放及事故間接損失等。

表1　二環(huán)線常發(fā)性擁堵位置排隊(duì)延誤觀測(cè)值

圖1　匝道進(jìn)口ETC設(shè)備布置示意圖

（2）匝道ETC控制系統(tǒng)投資評(píng)估。根據(jù)設(shè)備估價(jià)，按每個(gè)匝道進(jìn)出口的ETC系統(tǒng)裝置60萬(wàn)元估算，則二環(huán)線全部匝道進(jìn)出口系統(tǒng)設(shè)備費(fèi)用約3 500萬(wàn)元，遠(yuǎn)低于常發(fā)性擁堵造成的直接經(jīng)濟(jì)損失。該系統(tǒng)建成后，即使按減少30%的常發(fā)性擁堵估算，其每年節(jié)省的直接擁堵費(fèi)用近1 300萬(wàn)元，三年即可收回設(shè)備投資費(fèi)用，具有較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

8　結(jié)論與討論

通過(guò)分析快速路常發(fā)性交通擁堵特點(diǎn)，提出快速路ETC匝道控制和匝道出入口OD流量分析模型，并以此給出了快速路匝道出入口常發(fā)性交通擁堵管理策略。特別是針對(duì)匝道出口擁堵和主線擁堵同時(shí)存在的情況，可應(yīng)用ETC匝道控制系統(tǒng)分析得到關(guān)鍵匝道入口的流量組成特征，采用更準(zhǔn)確有效的控制，避免憑主觀判斷匝道控制對(duì)象和控制策略的不足。

ETC匝道控制系統(tǒng)功能挖掘，通過(guò)快速路ETC匝道控制系統(tǒng)全覆蓋，實(shí)現(xiàn)通行車輛車型分類信息的比對(duì)，可以對(duì)違章通行車輛進(jìn)行識(shí)別篩選，彌補(bǔ)了匝道限高、警告標(biāo)牌等無(wú)法取證的不足。同時(shí)，通過(guò)與快速路主線上已有交通管理視頻監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，可擴(kuò)大快速路上緊急事件的監(jiān)控管理范圍，提高處理反應(yīng)效率，減少因交通事故等產(chǎn)生的非常規(guī)性擁堵。

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U491

B

1009-7716（2016）02-0009-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.003

2015-10-16

鄢勇飛(1982-)，男，湖北天門人，碩士，工程師，從事道路交通規(guī)劃與設(shè)計(jì)工作。