鄢勇飛，車麗彬，蔣 樂，周 俊，何 丹

（武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(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，周 俊，何 丹

（武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(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，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)出越來越嚴(yán)重的趨勢。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，縮短了城市時空距離，但也帶來了新的交通擁堵問題。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大或銜接問題也經(jīng)常發(fā)生擁堵。由于快速路的相對封閉和單一路徑等特點，快速路出入口的點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)時間長、影響范圍廣和難以分流等特點，因此，對城市快速路的交通管理控制勢在必行[2]。通過分析快速路常發(fā)性交通擁堵原因及特點，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匝道出入口控制實現(xiàn)，依托在匝道出入口與主線的上下游設(shè)置相應(yīng)的檢測設(shè)備，通過對車流參數(shù)的檢測分析，采取相應(yīng)的控制策略來實現(xiàn)對匝道出入口的開關(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匝道附近主線上下游交通量和匝道交通量的檢測，并根據(jù)容量限制、車速或排隊長度評估擁堵狀態(tài)[4,5]，通過匝道開關(guān)或紅綠燈控制來調(diào)節(jié)進(jìn)出主線的交通量[6]，以減少主線交通擁堵。單匝道控制較簡單，但隨機(jī)性和受管理人員主觀經(jīng)驗因素影響較大，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于隨機(jī)的缺點，但其OD推算算法較復(fù)雜，難以適應(yīng)交通控制對時間響應(yīng)的要求，而且并不是所有關(guān)聯(lián)匝道都會造成對主線的擁堵。這些匝道控制策略通常針對單個匝道出入口，無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，無法反映實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)和后臺數(shù)據(jù)庫系統(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，主要通過匝道出入口等實現(xiàn)與其他道路的轉(zhuǎn)換連接?？焖俾窊矶曼c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，匝道數(shù)量過多，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

在快速路的規(guī)劃設(shè)計階段，主要是根據(jù)遠(yuǎn)期預(yù)測的交通量需求進(jìn)行方案規(guī)劃和工程設(shè)計，但城市的發(fā)展具有較大不確定性和多變性，導(dǎo)致實際需求與預(yù)測需求發(fā)生偏差，交通出行規(guī)律也會相應(yīng)發(fā)生變化，當(dāng)這種偏差和變化幅度較大時，必然會對快速路的交通運(yùn)行產(chǎn)生沖擊。在快速路建成運(yùn)行后，實際交通出行需求逐漸穩(wěn)定，這種沖擊就會演變?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際交通需求超出道路設(shè)施局部區(qū)域或節(jié)點最大通行能力，使得常發(fā)性交通擁堵具有相對固定性，同時其通常發(fā)生在高峰時間段，表現(xiàn)為周期性和規(guī)律性擁堵[9]，因而具有相對穩(wěn)定性和預(yù)見性。因此，在相對固定的時間，通過對關(guān)鍵匝道采取針對性的匝道控制策略，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)鍵匝道識別

5.1基本思路

由于快速路常發(fā)性交通擁堵的時間和區(qū)域具有一定規(guī)律性和預(yù)見性，因此，可將匝道出入口歷史流量統(tǒng)計規(guī)律作為實時匝道控制的數(shù)據(jù)依據(jù)，避免了對某個匝道盲目控制的弊端。

在每個匝道出入口處設(shè)置ETC前端系統(tǒng)和信號燈裝置，組成ETC匝道控制系統(tǒng)，利用ETC系統(tǒng)的通信功能可以對進(jìn)出匝道出入口的車輛信息進(jìn)行讀取和存儲，通過后臺數(shù)據(jù)中心對車牌信息的比對分析，可以計算統(tǒng)計出每個匝道出入口的OD流量，并以此統(tǒng)計出每個出口車輛的入口來源流量及其分布規(guī)律。將入口匝道和出口匝道按交通量大小排列，依據(jù)匝道實際通行能力和常發(fā)擁堵匝道狀況判斷識別快速路的關(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獨(dú)立性，可單獨(dú)分析一個行車方向，并以環(huán)線快速路逆時針方向為例，從而簡化分析模型。

模型假設(shè)不會有車輛繞圈行駛，并只會在不超過環(huán)線半圈出行距離的匝道出入口之間出行，因為如果出行距離超過半圈距離，則會選擇反方向的匝道出入口，行駛距離會更短，這與現(xiàn)實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，將離開主線的匝道出口作為D點，并選定某一個匝道為起點，分別依次編號1至i。假設(shè)入口和出口數(shù)量相等，最大入口個數(shù)i=M，則環(huán)線上每一次機(jī)動車出行均可視為一個OD點對出行。

對于某一個匝道出口i，當(dāng)其位于所有編號半數(shù)以內(nèi)時，其交通流量Di計算統(tǒng)計公式為：

當(dāng)其位于所有編號半數(shù)以外時，其交通流量計算統(tǒng)計公式為：

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了匝道實際通行能力，這種情況下只能通過減少、轉(zhuǎn)移或控制進(jìn)入匝道的交通量來緩解擁堵。通常，城市快速路入口匝道交通量呈現(xiàn)出明顯的周期性、脈沖性和波動性，其明顯程度與匝道入口距上游信號燈控路口的距離有關(guān)，距離越小越明顯[10]?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)上游路口交通信號燈配時方案或者定時匝道控制策略[9]來控制匝道入口交通量，同時結(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)可以計算統(tǒng)計全天的匝道交通流量特征，為定時匝道控制和動態(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，即匝道出口排隊車輛還沒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)路口過近及路口信號燈方案不合理所導(dǎo)致?？刹扇?yōu)化關(guān)聯(lián)路口信號燈控制的策略[13,14]，基于匝道出口的ETC匝道控制系統(tǒng)可以計算統(tǒng)計全天的匝道交通流量，可與下游關(guān)聯(lián)路口的信號燈聯(lián)控，實現(xiàn)實時協(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)超過匝道和下游關(guān)聯(lián)路口允許的實際通行能力，并已對主線的交通流產(chǎn)生了明顯干擾，造成主線交通擁堵排隊，此時對該匝道出口和關(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)。基于本文5.2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該匝道出口的交通組成特征。根據(jù)交通流量大小識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間的分布特征，可以在不同的時間段內(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48 km，總體建設(shè)方案以長距離高架為主，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，高峰時段常發(fā)性擁堵點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)性交通擁堵點及排隊延誤觀測見表1。

7.1方案實現(xiàn)

匝道ETC設(shè)備主要由微波天線、車輛檢測器、交通信號燈、信號控制機(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)備可通過網(wǎng)絡(luò)與ETC后臺控制中心、交通管理中心連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳、分析和匝道控制。

7.2方案效益評估

（1）擁堵?lián)p失評估。根據(jù)對二環(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可以計算出平均每個擁堵車輛的直接時間價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格計算,得到上述常發(fā)性擁堵位置的平均時間價值損失約3.8萬元/擁堵天，平均汽油消耗損失約12.5萬元/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)性擁堵位置排隊延誤觀測值

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)投資評估。根據(jù)設(shè)備估價，按每個匝道進(jìn)出口的ETC系統(tǒng)裝置60萬元估算，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1 300萬元，三年即可收回設(shè)備投資費(fèi)用，具有較高的社會經(jīng)濟(jì)效益。

8　結(jié)論與討論

通過分析快速路常發(fā)性交通擁堵特點，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。特別是針對匝道出口擁堵和主線擁堵同時存在的情況，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象和控制策略的不足。

ETC匝道控制系統(tǒng)功能挖掘，通過快速路ETC匝道控制系統(tǒng)全覆蓋，實現(xiàn)通行車輛車型分類信息的比對，可以對違章通行車輛進(jìn)行識別篩選，彌補(bǔ)了匝道限高、警告標(biāo)牌等無法取證的不足。同時，通過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。

[1]高德交通信息事業(yè)部.2014年第三季度中國主要城市交通分析報告[R].北京：高德交通信息事業(yè)部，2014.

[2]郝媛,孫立軍,徐天東.城市快速路交通擁擠分析及擁擠閾值的確定[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2008（5）：609-614.

[3]李健.匝道交通控制理論與方法[M].北京：北京交通大學(xué)出版社，2013.

[4]孫劍,張娟.城市快速路瓶頸交通流失效生存分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2013（4）：530-535.

[5]馮星宇,周晨靜，榮建.基于速度特性的城市快速路常發(fā)性交通擁堵研究[J].交通信息與安全，2014(1):29-33.

[6]胡興華,楊繼明.城市快速路入口匝道控制方案研究[J].西華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2009（4）:33-37.

[7]陳曉輝.武漢ETC與城市視頻監(jiān)控系統(tǒng)的偵查價值研究[J].中外企業(yè)家,2011(8):162-163.

[8]程斌,舒昌俊.集成ETC的武漢智能停車誘導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計[J].建材世界,2012(1):95-100.

[9]陳楠楠,周彤梅.緩解快速路常發(fā)性交通擁堵的對策研究[J].中國人民公安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版,2010(1):83-86.

[10]李英帥,姚紅云,呂喬.城市快速路匝道交通特性分析[J].交通信息與安全,2010（5）：21-25.

[11]楊曉芳,韓印,付強(qiáng).快速路入口匝道與銜接交叉口協(xié)調(diào)控制策略[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用，2008(29):196-199.

[12]保麗霞,楊曉光.快速路進(jìn)口匝道及其銜接交叉口的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制模型[J].中國公路學(xué)報，2009（2）:82-86.

[13]陳學(xué)文,王娜.快速路匝道關(guān)聯(lián)交叉口配時模糊控制[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013(1):45-49.

[14]楊曉芳,韓印,付強(qiáng).城市快速路出口匝道與銜接交叉口整合控制模型[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報,2009(2):110-115.

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)計工作。