王艷麗, 王 玲, 吳 兵, 李林波

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 201804)

快速路是城市交通的骨干和大動脈,以5%～10%的城市道路網(wǎng)里程承擔(dān)著30%～50%的市域機(jī)動車出行。為了確保快速路的通行效率、充分發(fā)揮其效用,對快速路實(shí)行合理的交通管控是極為必要的,因而也成為高?！敖煌ü芾砼c控制”等交通工程類課程的重點(diǎn)內(nèi)容。

快速路系統(tǒng)比較復(fù)雜,除快速路主路本身外,還涉及匯入、匯出的匝道以及相關(guān)聯(lián)的道路,交通管控策略較難制定,而目前比較有效的方法是進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)及人工智能等技術(shù)的發(fā)展,各種基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的交通仿真軟件應(yīng)運(yùn)而生。運(yùn)用這些軟件來解決復(fù)雜的交通問題成為交通科技人員的必要技能和交通管理人才培養(yǎng)的新要求[1-2]。在高校交通工程類課程中,結(jié)合新的交通科學(xué)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)課程越來越受到重視,并成為交通工程學(xué)科教學(xué)環(huán)節(jié)的重要組成部分[3-4],其中基于虛擬仿真的快速路系統(tǒng)控制方法實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)就顯得極為重要。考慮到快速路交通管控最常用、也最有效的是入口匝道的控制,所以選取微觀仿真軟件VISSIM對快速路入口匝道進(jìn)行控制方案設(shè)計(jì)和仿真分析,以此作為快速路控制的典型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究[5]。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目的

通過運(yùn)用“交通管理與控制”理論知識,借助于交通仿真軟件,對快速路系統(tǒng)進(jìn)行控制方案設(shè)計(jì)和仿真分析。該實(shí)驗(yàn)可以加強(qiáng)對學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的應(yīng)用能力的培養(yǎng),也是培養(yǎng)交通管理人才的有效途徑和方法[6-7]。從實(shí)驗(yàn)室的角度來說,該實(shí)驗(yàn)可以充分利用現(xiàn)有大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用效能,豐富實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容；從社會發(fā)展來說,該實(shí)驗(yàn)結(jié)合當(dāng)前城市交通管理的實(shí)際需求；從交通類本科學(xué)生角度來說,該實(shí)驗(yàn)有利于拓展專業(yè)視野、增強(qiáng)專業(yè)修養(yǎng)、提高實(shí)踐動手能力。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

快速路入口匝道的交通管理和控制,涵蓋交通秩序管理、交通運(yùn)行管理、交通系統(tǒng)管理、交通信號控制等多方面內(nèi)容,是“交通管理與控制”課程的核心內(nèi)容之一,也是學(xué)生較難掌握的知識點(diǎn)[8]。

在實(shí)際城市路網(wǎng)中,快速路入口常常是交通擁堵的節(jié)點(diǎn),因此,快速路入口匝道控制是快速路的主要交通控制措施。采用合理的入口匝道控制策略、限制入口匝道匯入主線的車流量,不僅可以緩解主線交通擁擠,而且有利于改善普通道路的交通狀況；而不合理的入口匝道控制策略則可能會對交通系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響。所以,將快速路入口匝道的交通管理和控制選為交通管理與控制實(shí)驗(yàn)的主題。

單個(gè)入口匝道的管理和控制是交通管理與控制實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),在此基礎(chǔ)上才能進(jìn)行更深層次的干線以及區(qū)域群交叉口的管理和控制。單個(gè)入口匝道的控制方法按照是否響應(yīng)實(shí)時(shí)的交通狀況分為定時(shí)和感應(yīng)控制兩類。定時(shí)控制是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)確定固定的匝道匯入率；而感應(yīng)控制則是根據(jù)檢測到的匝道附近交通參數(shù)實(shí)時(shí)確定匝道匯入率。其中,感應(yīng)控制根據(jù)控制參量的不同又分為交通量-通行能力差額控制(也叫需求-容量控制)、占有率控制、可插間隔控制等[8-9]。

綜上,開發(fā)了“快速路入口匝道不同信號控制方法設(shè)計(jì)與比較”仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)定為:根據(jù)交通流量調(diào)查,對單個(gè)快速路入口匝道進(jìn)行交通渠化改善設(shè)計(jì),分別采用定時(shí)信號控制和感應(yīng)信號控制兩種方式進(jìn)行交通控制,并對控制效果進(jìn)行比較分析,探索不同控制方式的適用性。

3 實(shí)驗(yàn)原理

3.1 定時(shí)控制方法

定時(shí)控制方法是根據(jù)一天內(nèi)高峰時(shí)段或者各時(shí)段的變化而預(yù)先設(shè)定固定或變化的調(diào)節(jié)率,該控制方法的關(guān)鍵是調(diào)節(jié)率的計(jì)算。通常,按上游交通需求qin,下游通行能力Qcap及匝道到達(dá)流量qramp之間的關(guān)系確定調(diào)節(jié)率。當(dāng)qin+qramp≤Qcap時(shí)不需調(diào)節(jié)；當(dāng)qin>Qcap時(shí)調(diào)節(jié)無效，封閉匝道,或者采用最小調(diào)節(jié)率；當(dāng)qinQcap時(shí)需調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)率r=Qcap-qin。該方法控制簡單,無需設(shè)置檢測器,不需要實(shí)時(shí)交通信息,但不能根據(jù)交通狀況變化而實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

具體的調(diào)節(jié)方式則分為單車調(diào)節(jié)和車隊(duì)調(diào)節(jié)(包括單列調(diào)節(jié)、雙列調(diào)節(jié))。單車調(diào)節(jié)是每次綠燈只允許放行1輛車,而每周期綠燈取3 s,其余為紅燈,不設(shè)黃燈,周期c=3 600/r(單位：s)。車隊(duì)調(diào)節(jié)適用于計(jì)算調(diào)節(jié)率r大于900 輛/h或15輛/min的情況,即每周期允許2輛或2輛以上的車輛進(jìn)入快速路。周期c=3600n/r(單位:s),其中n為單列車隊(duì)中的車輛數(shù),輛/周期。

3.2 交通量-通行能力差額控制

調(diào)節(jié)的原理與定時(shí)控制方法類似,同樣是根據(jù)上游的交通需求、匝道的交通需求以及下游的通行能力來確定調(diào)節(jié)率。但不同的是:該流量和調(diào)節(jié)率是實(shí)時(shí)計(jì)算和變化的,所以需要在主線的上下游設(shè)置檢測器。如果k時(shí)刻下游檢測器占有率Oout不超過預(yù)設(shè)臨界值OCR則該時(shí)刻調(diào)節(jié)率為r(k)=Qcap-qin(k)；如果下游檢測器占有率Oout超過了預(yù)設(shè)臨界值OCR,則認(rèn)為主線擁堵則采用最小調(diào)節(jié)率rmin[9]。該控制方法是一個(gè)開環(huán)擾動抑制策略,但需要預(yù)設(shè)臨界值OCR。

3.3 占有率控制

占有率控制方法是通過實(shí)時(shí)檢測下游占有率,調(diào)整匝道調(diào)節(jié)率以保持下游占有率為某一定值,使得快速路主線通行能力最大化。這是一種基于經(jīng)典閉環(huán)反饋控制的策略,有較多計(jì)算方法。最常用的算法為ALINEA算法[10],其調(diào)節(jié)率計(jì)算公式為:

r(k)=r(k-1)+KR[Od-Oout(k-1)]

其中r(k)為第k周期入口匝道的調(diào)節(jié)率(輛/h),KR為調(diào)節(jié)參數(shù)(輛/h),Od為下游期望占有率,Oout(k-1)為第k周期的上一周期下游占有率。

該方法的實(shí)現(xiàn)相對簡單,控制平緩,只需在下游設(shè)置檢測器即可,但需要確定為調(diào)節(jié)參數(shù)KR和下游期望占有率Od,可根據(jù)實(shí)際檢測到的占有率流量曲線獲得。

3.4 路肩車道間隔控制

路肩車道間隔控制僅以路肩車道測得的流量為基礎(chǔ),在匝道相鄰的主線路肩車道上下游設(shè)置檢測器,根據(jù)兩個(gè)檢測器交通量的比較確定是否有未交匯車輛利用的間隔來確定調(diào)節(jié)率。

3.5 可插間隔控制

可插間隔控制無需計(jì)算調(diào)節(jié)率,但需要設(shè)置檢測器以確定是否存在可插間隙[8]。在路肩車道上游設(shè)置1～2個(gè)檢測器,檢查是否有可插車間隔。該間隔參數(shù)為根據(jù)交通條件確定的控制參數(shù),這種控制方法還需要把從匝道信號前啟動車輛的行程時(shí)間與到交匯區(qū)的可插車間隔的移動時(shí)間相匹配。

4 實(shí)驗(yàn)方法和步驟

采用人工設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)辦法。

首先根據(jù)快速路及匝道交通數(shù)據(jù)資料進(jìn)行道路和控制方案設(shè)計(jì)；然后利用仿真軟件進(jìn)行建模和仿真；最后對仿真結(jié)果進(jìn)行處理和比較分析。根據(jù)快速路的特點(diǎn)和對仿真軟件的要求,交通仿真軟件VISSIM涵蓋路網(wǎng)、車流、交通控制等子系統(tǒng),可以設(shè)置檢測器輸出行程時(shí)間、排隊(duì)長度等數(shù)據(jù)，較適宜進(jìn)行快速路交通控制仿真實(shí)驗(yàn),可以可視化直觀展現(xiàn)控制措施的效果[11-12],故選用微觀交通仿真軟件VISSIM進(jìn)行仿真。

實(shí)驗(yàn)時(shí),借助于VISSIM實(shí)驗(yàn)平臺,首先通過設(shè)置道路條件、交通流狀況來展示無控制的入口匝道的實(shí)際情況；然后通過對軟件參數(shù)的設(shè)置與調(diào)整,實(shí)現(xiàn)自行設(shè)計(jì)的定時(shí)限流方案、感應(yīng)控制方案,直觀展示不同管理和控制方案的影響效果。具體包括以下幾個(gè)步驟:

(1) 根據(jù)快速路及匝道交通數(shù)據(jù)資料,進(jìn)行基本參數(shù)標(biāo)定；

(2) 進(jìn)行交通網(wǎng)絡(luò)建模；

(3) 進(jìn)行無控制方式下的交通運(yùn)行仿真；

(4) 進(jìn)行定時(shí)控制信號配時(shí)方案設(shè)計(jì)；

(5) 根據(jù)定時(shí)控制配時(shí)方案進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析；

(6) 進(jìn)行感應(yīng)控制信號配時(shí)方案設(shè)計(jì)；

(7) 根據(jù)感應(yīng)控制配時(shí)方案進(jìn)行仿真分析；

(8) 根據(jù)仿真結(jié)果對多種控制方法進(jìn)行比較。

通過實(shí)驗(yàn),學(xué)生不僅可以掌握快速路入口匝道控制的理論和實(shí)現(xiàn)方法,對各控制方法的效果和適用性有更直觀的感受,而且可以掌握仿真實(shí)驗(yàn)方法,為后續(xù)的其他實(shí)驗(yàn)和交通仿真實(shí)驗(yàn)打下基礎(chǔ),為將來實(shí)際參與交通管理與控制工作奠定堅(jiān)實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)。

采用“效果展示、統(tǒng)一指導(dǎo)、典范引導(dǎo)、獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法。首先由實(shí)驗(yàn)教師展示不同道路入口匝道控制方案的應(yīng)用效果,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)的主動性與積極性；然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)原理和方法的集中指導(dǎo),通過講授與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行典型示范,然后由學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書進(jìn)行自主設(shè)計(jì)。教師在實(shí)驗(yàn)過程中注重實(shí)驗(yàn)過程設(shè)計(jì),提高“設(shè)計(jì)性”含量,給予學(xué)生必要的指導(dǎo),實(shí)驗(yàn)由學(xué)生獨(dú)立完成。

5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)案例

5.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)宜安排4～6課時(shí)。實(shí)驗(yàn)前需要編寫實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書,除了明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)要求外,還需指出實(shí)驗(yàn)報(bào)告的要求,讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,并提出自己的看法。為激發(fā)學(xué)生的進(jìn)一步思考,還可附加思考題。實(shí)驗(yàn)前需準(zhǔn)備好基礎(chǔ)數(shù)據(jù),包括快速路主路和入口匝道的幾何數(shù)據(jù)、交通流數(shù)據(jù)等。建議提供的交通流數(shù)據(jù)為分時(shí)段的動態(tài)數(shù)據(jù)(如表1所示)。此外,還需要將VISSIM 7.0仿真軟件的學(xué)習(xí)資料發(fā)放給學(xué)生,以提前熟悉實(shí)驗(yàn)平臺。

表1 交通流數(shù)據(jù)

5.2 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)教學(xué)需先簡要講解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和VISSIM 7.0仿真軟件的使用,然后重點(diǎn)介紹實(shí)驗(yàn)步驟。對于一個(gè)信號方案的主要實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

對不同的控制方案,需分別進(jìn)行信號控制設(shè)定,然后重新運(yùn)行以得到結(jié)果；選取行程時(shí)間、速度、延誤、排隊(duì)長度等指標(biāo)進(jìn)行分析評價(jià)和對比分析。具體指標(biāo)的獲取需要進(jìn)行仿真評估配置,并對應(yīng)設(shè)置行程時(shí)間檢測段、數(shù)據(jù)采集點(diǎn)、延誤測量定義、排隊(duì)計(jì)數(shù)器等。

不同信號控制方案下檢測器的設(shè)置也不同,檢測器的布設(shè)見圖2。交通量-通行能力差額控制利用的檢測器編號是1—8；占有率控制需布設(shè)編號1—4檢測器；路肩車道間隔控制需布設(shè)4號和8號兩個(gè)檢測器；可插間隔控制采用8號檢測器。其中,1—4號檢測器為下游檢測器,設(shè)在距離入口匝道40～500 m之間,可取70 m[10];5—6號檢測器為上游檢測器,距入口匝道的距離通常為100～150 m,這里取100 m[13]。9號和10號檢測器檢測匝道的流入和流出量。匝道信號停車線與主線的距離需考慮加速距離以及與上游檢測穿越間隔的檢測器位置,可取30～50 m。

圖2 檢測器布設(shè)示意圖

在感應(yīng)控制中涉及到一些關(guān)鍵參數(shù),可以引導(dǎo)學(xué)生查閱文獻(xiàn)獲取,嘗試不同參數(shù)下控制結(jié)果的差異。

例如交通量-通行能力差額控制中,有文獻(xiàn)提到最小調(diào)節(jié)率rmin可取300,預(yù)設(shè)臨界值OCR可取0.26[13]；占有率控制中調(diào)節(jié)參數(shù)KR越大,調(diào)節(jié)速度越快,波動也越大,反之波動小,有文獻(xiàn)認(rèn)為取70輛/h可以得到最佳控制效果[9-10]；對于下游期望占有率Od,根據(jù)主線流量占有率關(guān)系,一般取關(guān)鍵占有率的90%,也有文獻(xiàn)建議取0.23[14]；周期多在60 s以內(nèi),過短不利于及時(shí)檢測擁擠,過長會導(dǎo)致匝道延誤和排隊(duì),有文獻(xiàn)建議選30 s[13]。

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

讓學(xué)生對不同信號控制方案的仿真評價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析,通過對各控制方式仿真結(jié)果的行程時(shí)間、延誤、排隊(duì)長度的比較,了解快速路入口匝道不同控制方法的特點(diǎn)和適用條件。例如,在無控制方式、主路交通流小的情況下,車均延誤較??；而隨著流量增加車均延誤會增加。而對于占有率控制等,其他方式控制對于擁擠狀態(tài)下車均延誤會減少,有利于減少主路的交通擁擠,但會適當(dāng)?shù)卦黾尤肟谠训儡囕v的行程時(shí)間和排隊(duì)長度。再如,對于占有率控制而言,隨著主路占有率閾值取值增大，會更接近無控制的運(yùn)行狀態(tài)。

結(jié)合表1案例數(shù)據(jù),給出無控制、定時(shí)和感應(yīng)控制等控制方案的部分仿真結(jié)果(見圖3)。其中定時(shí)控制是在無控制方案基礎(chǔ)上在1 800～2 700 s時(shí)段需要增加信號燈進(jìn)行定時(shí)控制。但從結(jié)果來看,定時(shí)控制的效果并不明顯,而交通流量大時(shí)感應(yīng)控制效果較好。

圖3 部分控制方案仿真結(jié)果比較

除了對仿真結(jié)果進(jìn)行分析、探討各類控制方法的適用性外,該實(shí)驗(yàn)還可以引導(dǎo)學(xué)生對現(xiàn)有控制方法和算法進(jìn)行改進(jìn)。例如在占有率控制方法中引進(jìn)交通安全因子和主導(dǎo)控制策略進(jìn)行完善等[14]；探討快速路入口匝道控制與平面交叉口的信號控制的不同,將入口匝道控制和銜接的平面交叉口控制進(jìn)行聯(lián)動。

總之,通過對快速路入口匝道進(jìn)行定時(shí)和感應(yīng)信號控制仿真實(shí)驗(yàn),使學(xué)生學(xué)會使用VISSIM仿真軟件進(jìn)行感應(yīng)控制和方案評價(jià),深入了解不同控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)方法以及適用情況,加深對交通信號控制影響交通運(yùn)行狀況的理解,進(jìn)而進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)研究。

6 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用效果

基于仿真的快速路入口匝道控制實(shí)驗(yàn)將先進(jìn)的交通仿真軟件作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具,將入口匝道控制理論完全融合到實(shí)驗(yàn)中,使實(shí)驗(yàn)教學(xué)與課堂理論教學(xué)緊密結(jié)合,鍛煉了學(xué)生用實(shí)驗(yàn)方法解決實(shí)際問題的能力,體現(xiàn)了理論和實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo),在實(shí)際教學(xué)中取得了良好的效果。