謝濟銘, 彭博,2, 蔡曉禹,2, 唐聚, 張媛媛

(1.重慶交通大學(xué) 交通運輸學(xué)院, 重慶 400074；2.山地城市交通系統(tǒng)與安全重慶市重點實驗室, 重慶 400074)

隨著汽車保有量的連年增長，連接城市各組團的主動脈——城市快速路在節(jié)點區(qū)域經(jīng)常發(fā)生交通擁堵?？焖俾方豢梾^(qū)由于其交通流復(fù)雜性及自身組成的特殊性，成為快速路擁堵的主要節(jié)點，大大制約了快速路功能的發(fā)揮。隨著城市交通的愈發(fā)復(fù)雜，交織區(qū)占比上升，交織復(fù)雜度逐步升級。對交織區(qū)交通流進行合理控制，可減少或避免交織區(qū)由于換道等產(chǎn)生的交通問題，其中如何實現(xiàn)高效交通控制策略是交通完善的關(guān)鍵一步。國內(nèi)外學(xué)者在交織區(qū)、分流區(qū)、合流區(qū)等區(qū)域交通流特性方面展開了大量研究，取得了一系列成果，包括通行能力、服務(wù)水平、車輛行為、幾何構(gòu)型、安全分析、仿真分析、控制策略等。但針對交織區(qū)內(nèi)部控制的相關(guān)研究較少。該文從運行特性、安全特性、控制策略三方面綜述交織區(qū)控制策略，研究交織區(qū)多途徑協(xié)同控制策略，為提升交織區(qū)運行效率提供借鑒。

1 交織區(qū)運行特性

交織區(qū)運行特性分析的目的是描述交通流特性和運行狀態(tài)，運行特性主要包括幾何特性、交通流特性、車輛行為特性三方面。

1.1 交織區(qū)幾何特性

國內(nèi)外學(xué)者大都從幾何長度、匝道間距兩方面對交織區(qū)幾何特性展開研究，主要通過元胞自動機理論、微觀仿真等方法，提出交織區(qū)長度、匝道間距等建議值。例如：文獻[1]提出了一定交織交通量和服務(wù)水平下交織區(qū)長度的取值上、下限；文獻[2]建立連續(xù)多次換道的軌跡模型，計算了分流區(qū)合理長度；文獻[3]通過定量模型公式變形，給出了匝道間距推薦區(qū)間；文獻[4]構(gòu)建了先入后出型匝道最小間距計算模型，并提出了間距推薦區(qū)間；文獻[5]建立了高速公路主路和同側(cè)匝道出入口的最小間距模型，并提出了指標值。

1.2 交織區(qū)交通流運行特性

1.2.1 交織區(qū)運行狀態(tài)

主要從交通參數(shù)建模分析、交通狀態(tài)判別兩方面展開交織區(qū)運行狀態(tài)研究。在交通參數(shù)建模分析方面，文獻[6]提出了交織區(qū)影響下合流區(qū)車頭時距的絕對值韋布爾分布模型；文獻[7]提出了交織區(qū)速度改進回歸模型；文獻[8]得出了匝道出入口、合流區(qū)、分流區(qū)的車輛運行速度與交通量之間的影響關(guān)系。交織區(qū)交通狀態(tài)判別方面的研究文獻則相對較少，文獻[9]建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的快速路交織區(qū)運行狀態(tài)判別模型；文獻[10]研究了單雙平行式匯入匝道情況下主線交通流的運行狀態(tài)，進而判斷合流區(qū)的交通狀態(tài)。

1.2.2 交織區(qū)通行能力

交織區(qū)通行能力研究主要從以下三方面展開：1) 匝道布置形式對通行能力的影響。文獻[11]研究得出出匝道車輛對交織區(qū)通行能力的影響比入匝道車輛的影響嚴重；文獻[12]分析了匝道布置與車道平衡設(shè)計對通行能力的影響。2) 交通流特性對通行能力的影響。文獻[13]～[15]分別提出了交織區(qū)交織流量比、交織區(qū)長度等參數(shù)與通行能力的關(guān)系模型。3) 通行能力模型改進。文獻[16]～[18]在既有規(guī)范(HCM、通行能力手冊等)中通行能力模型的基礎(chǔ)上提出了改進模型。

1.2.3 交織區(qū)服務(wù)水平

目前交織區(qū)服務(wù)水平以密度為主要指標，有研究提出應(yīng)將負荷度、綜合交通量等指標納入服務(wù)水平指標體系中，以全面反映綜合服務(wù)水平。文獻[19]歸納總結(jié)了快速路A類交織區(qū)服務(wù)水平劃分標準；文獻[20]以負荷度為主要指標、密度為次要指標，提出了更細化的交織區(qū)服務(wù)水平劃分標準；文獻[21]在HBS 2015的基礎(chǔ)上，將合流、分流和交織區(qū)作為整體對象，提出以綜合交通量與通行能力之比定義總路段服務(wù)水平的改進模型；文獻[22]認為各方向交通流量對交織區(qū)密度的影響最顯著。

1.3 交織區(qū)車輛行為特性

在換道行為特性研究方面，目前主要有文獻[23]的換道決策模型、文獻[24]的元胞自動機模型、文獻[25]的馬爾可夫換道模型。而對于交織區(qū)車輛換道行為的研究則相對較少，文獻[26]～[29]基于元胞自動機、回歸分析、LWR換道模型、概率選擇模型等展開了研究。

在跟馳行為特性研究方面，目前主要有文獻[30]的GM跟馳模型、文獻[31]的模糊推理模型、文獻[32]的全速度差模型、文獻[33]的混合速度差模型等，希望通過對微觀跟馳行為的建模展現(xiàn)宏觀交通流中交通失穩(wěn)、激波、相變等的非線性特性，解釋交通阻塞形成與消散的機理。但以上模型大都未應(yīng)用到交織區(qū)研究中?，F(xiàn)階段針對交織區(qū)車輛跟馳行為的研究大都是在成熟的跟馳模型的基礎(chǔ)上加以改進，包括文獻[34]的考慮擁擠條件、文獻[13]的引入交通壓力、文獻[35]的加減速階段分類等方法。

1.4 評述

現(xiàn)有交織區(qū)研究大多以流量、速度、密度為基礎(chǔ)對交織區(qū)通行能力、分流及合流影響范圍等進行研究，大多聚焦于交織區(qū)通行能力等，而對影響交織區(qū)交通流運行狀態(tài)的車輛行為特征的研究相對薄弱。如何采用新興技術(shù)進一步挖掘交織區(qū)車輛行為特性，有待更系統(tǒng)、全面地研究。

2 交織區(qū)交通安全特性

實施交織區(qū)控制策略的目的是保障交織區(qū)安全有序地運行，而影響交織區(qū)交通安全運行的因素眾多。目前對于交織區(qū)安全方面的研究包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩方面。

交織區(qū)靜態(tài)研究主要從交織區(qū)安全評價、沖突形成機理等方面展開。交織區(qū)沖突點的形成是由于交織區(qū)內(nèi)車輛運行時產(chǎn)生車道變換行為，形成分流點、交叉點、合流點三類沖突點，使交織區(qū)車輛運行相互干擾，影響交通安全和效率。在沖突形成機理方面，主要從交織區(qū)和車道復(fù)雜度關(guān)系、沖突變化趨勢等方面展開研究。

交織區(qū)動態(tài)安全研究大都針對車輛行駛行為展開。如文獻[41]采用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬車輛跟馳行為，分析交織區(qū)安全影響；文獻[42]分析車輛特殊駕駛行為的產(chǎn)生機理，得出其對交織區(qū)通行效率和安全性的影響；文獻[43]考慮臨時駛出車輛的影響，結(jié)合車輛變道安全間距、變道決策等因素，建立了多車道交織區(qū)離散模型。

交織區(qū)由于各種交通流的交織會產(chǎn)生大量交通沖突點，導(dǎo)致車速穩(wěn)定性差、通行能力嚴重降低。交織區(qū)沖突點和幾何設(shè)計等靜態(tài)特性，由于其自身特性受先天設(shè)計限制難以更改，因而改善交織區(qū)交通安全的切入點之一是合理控制交織區(qū)車輛行為，而導(dǎo)致交通流交織的源頭為車輛行為各異，為深入剖析交織流特性，需進一步研究交織區(qū)車輛行為，探尋其行為特性。

3 交織區(qū)控制策略

為規(guī)范、管理交織區(qū)車輛行為，提高交織區(qū)整體通行效率，必須采取措施調(diào)控交織區(qū)車輛運行。對此，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究。從研究手段來看，對交織區(qū)的控制可分為靜態(tài)控制(static control)和動態(tài)控制(dynamic control)，其中靜態(tài)控制主要是針對交織區(qū)標志標線進行研究，動態(tài)控制則根據(jù)實時交通流參數(shù)信息進行控制管理，主要有動態(tài)匝道控制、主動式可變限速控制、動態(tài)協(xié)同控制等。從控制對象來看，交織區(qū)的控制分為匝道控制、主線控制和綜合協(xié)同控制。

3.1 匝道控制

3.1.1 單匝道控制方法

單點控制(isolated control)算法主要包括占有率控制(OCC控制)、需求-容量控制(D-C控制)、可接受間隙控制(GAP控制)和ALINEA控制等。其中ALINEA控制算法是Papageorgiou M.在經(jīng)典控制理論的基礎(chǔ)上提出的控制策略，它通過控制主線下游占有率維持在期望值附近，達到主線流量最大的控制目標，目前應(yīng)用較廣泛。

由于ALINEA算法存在實時性與適應(yīng)性不足的問題，研究者們對ALINEA算法不斷進行改進。如文獻[47]結(jié)合自適應(yīng)控制原理，提出了對臨界占有率進行實時估計的AD-ALINEA算法；文獻[48]構(gòu)建了以控制閾值表、ALINEA算法和匝道排隊分段約束模型于一體的匝道單點動態(tài)控制策略；文獻[49]提出了一種對下游交通瓶頸有較好緩解作用的PI-ALINEA算法；文獻[50]運用VisVAP編寫以ALINEA感應(yīng)算法為基礎(chǔ)的入口匝道感應(yīng)控制算法，實現(xiàn)入口匝道交通控制改善。

3.1.2 多匝道協(xié)調(diào)控制方法

在單匝道控制中，往往由于單匝道容量有限，導(dǎo)致匝道排隊溢出，因而需增至多個匝道參與控制以提升排隊空間。同時對于多匝道可進行整體協(xié)調(diào)控制，達到系統(tǒng)最優(yōu)。自20世紀以來，國內(nèi)外學(xué)者對多匝道協(xié)調(diào)控制(coordinated control)展開了研究(見表1)。多匝道協(xié)調(diào)控制算法可對研究路網(wǎng)在整體協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上進行控制，解除單匝道控制對實測數(shù)據(jù)誤差大的限制。但目前多匝道協(xié)調(diào)控制存在成本高、數(shù)據(jù)量過大、難以用于實際等問題。

3.2 主線控制方法

常用的主線控制方法有全線統(tǒng)一限速法、局部限速法、分車道/車型限速法、可變限速法等。其中可變限速系統(tǒng)根據(jù)道路實時交通狀況及環(huán)境等因素動態(tài)調(diào)整信息板上的限速值，實現(xiàn)車流安全、高效、平穩(wěn)行駛，可優(yōu)化車輛出行時間、提升出行效率、減少交通事故率?？勺兿匏倏刂撇呗苑譃楸粍邮娇刂坪椭鲃邮娇刂苾深悺１粍邮娇刂破鹪摧^早，是基于簡單的閾值判斷規(guī)則進行限速值調(diào)整，其對實時交通狀況的反應(yīng)存在一定時滯性，有必要通過預(yù)測流量等參數(shù)，消除實時交通狀態(tài)與優(yōu)化控制之間的時間差，進一步反饋優(yōu)化，形成閉環(huán)反饋，即形成圖1所示的主動式控制。文獻[67]提出了基于運動波理論的可變限速模型；文獻[68]以總通行時間和總周轉(zhuǎn)量為優(yōu)化目標函數(shù)，采取預(yù)測性控制框架建模方法建立了瓶頸路段可變限速控制策略；文獻[69]基于元胞傳輸模型，提出了兩階段協(xié)調(diào)滾動層VSL序列生成方法；文獻[70]構(gòu)建了可變限速多目標優(yōu)化控制模型，采用基于群智能的差分進化算法求解可變限速值；文獻[71]基于交織區(qū)的實時安全分析模型計算交織區(qū)的碰撞概率，通過替代安全評估模型(SSAM)，得出沖突數(shù)量、變速裝置的速度和位置建議。

表1 多匝道協(xié)調(diào)控制方法

圖1 主動式控制流程

目前針對可變限速控制的研究較成熟，由于其靈活性高、可控性好，得到廣泛使用。隨著車聯(lián)網(wǎng)、車路協(xié)同等技術(shù)的逐步應(yīng)用，可變限速控制將不僅停留在路段層面，還可進行車道單元甚至車輛的可變限速控制。

3.3 交織區(qū)綜合協(xié)同控制

對綜合協(xié)同控制的研究主要從匝道-主線、匝道-銜接區(qū)域(非主線)兩方面展開。匝道-主線綜合協(xié)同控制研究通?；诤暧^交通流模型，建立主線限速和匝道調(diào)節(jié)的協(xié)同控制方法。如文獻[72]將可變限速與反饋式匝道控制相結(jié)合進行高速公路交通流控制；文獻[73]實現(xiàn)了可變限速控制影響下對入口匝道的優(yōu)化控制；文獻[74]提出了一種可變限速、匝道控制相協(xié)調(diào)的控制系統(tǒng)；文獻[75]提出了協(xié)同主線和匝道最優(yōu)信號配時模型。

匝道-銜接區(qū)域綜合協(xié)同控制是將匝道與相鄰交叉口、輔路等進行協(xié)同控制。如文獻[76]提出了基于模糊聚類理論的出口匝道輔路控制方法；文獻[77]提出了基于MLD-MPC的匝道與下游交叉口多信號自適應(yīng)控制方法；文獻[78]將出口匝道銜接交叉口和輔路統(tǒng)一控制，建立了新的協(xié)調(diào)控制模型。

此外，部分學(xué)者結(jié)合路線誘導(dǎo)展開綜合協(xié)同控制研究。如文獻[79]提出了一種結(jié)合車隊和路線誘導(dǎo)的協(xié)調(diào)策略；文獻[80]提出了一種結(jié)合匝道控制和路線誘導(dǎo)兩種控制策略的多級控制策略；文獻[81]提出了基于動態(tài)臨界占有率的區(qū)域入口匝道協(xié)調(diào)控制、銜接區(qū)域動態(tài)誘導(dǎo)方法的關(guān)鍵技術(shù)。

縱觀國內(nèi)外相關(guān)研究，目前主要利用可變限速控制、路線誘導(dǎo)、匝道控制和車道控制等手段對交織區(qū)交通流進行綜合協(xié)同控制，對于考慮車輛行為特征的交織區(qū)個體車輛及交織影響區(qū)交通流的精準調(diào)控還需進一步研究。

3.4 評述

目前主要利用匝道控制、可變限速控制和綜合協(xié)同控制等對交織區(qū)及其影響范圍交通流進行調(diào)控，對于交織區(qū)自身控制的研究較少，對交織區(qū)內(nèi)部與主線、匝道協(xié)同控制的研究是一個重要發(fā)展方向。就控制對象而言，除少數(shù)車路協(xié)同、車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境研究外，目前基于微觀研究的控制方式尚停留于對車隊或車流的集群控制，對采用新技術(shù)結(jié)合交織區(qū)個體車輛實現(xiàn)車路協(xié)同控制還需進一步研究。

4 快速路交織區(qū)協(xié)同控制框架

城市快速路交織區(qū)控制策略研究具有重要的實踐和理論意義，而當前對多途徑(交織區(qū)及其影響范圍多種控制手段相結(jié)合)綜合協(xié)同控制的研究較匱乏。在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，基于交織區(qū)高效和安全運行的思想，以平穩(wěn)運行、提升服務(wù)水平和通行能力為控制目標，建立圖2所示城市快速路交織區(qū)協(xié)同控制策略框架。

為實現(xiàn)交織區(qū)協(xié)同控制，首先提取交織區(qū)及其影響范圍內(nèi)流量、排隊長度、占有率、行駛車速、擁堵發(fā)生點等宏觀交通信息，車輛軌跡、瞬時速度、加速度、車頭間距及車頭時距等微觀交通信息，分析交織區(qū)運行特性與安全特性。其次預(yù)測匝道、主線上游和交織區(qū)內(nèi)部3個區(qū)域的交通運行狀態(tài)，若各區(qū)域交通運行均暢通有序，則繼續(xù)提取交通信息；否則，借鑒現(xiàn)有交織區(qū)控制策略研究成果，結(jié)合各控制對象和方法的特點，根據(jù)各區(qū)域交通狀態(tài)制定相應(yīng)控制策略。

圖2 城市快速路交織區(qū)協(xié)同控制策略框架

為保證控制策略的實施效果，在策略實施前進行預(yù)評估，若能達到預(yù)期控制效果，則直接執(zhí)行；否則，重新制定控制策略。根據(jù)控制效果評估結(jié)果，實施控制策略。與此同時，繼續(xù)采集實時交通信息并進行分析，組成一個閉合的循環(huán)，形成協(xié)同控制策略框架，實現(xiàn)多對象的聯(lián)動控制。協(xié)同控制方案布局見圖3。

圖3 交織區(qū)協(xié)同控制方案示意圖

5 結(jié)語與展望

該文圍繞交織區(qū)控制策略對城市快速路交織區(qū)運行特性、交通安全特性、控制策略等相關(guān)研究進行綜述，初步建立以主線、匝道、交織區(qū)協(xié)同為核心的城市快速路交織區(qū)協(xié)同控制框架，以推動控制策略朝多目標、多途徑方向發(fā)展。由于交織區(qū)車輛行為和運行狀態(tài)復(fù)雜多變，對于控制的實時性和精細化的要求較高，國內(nèi)外學(xué)者對交織區(qū)的研究思路也不盡相同，各類方法、模型的普適應(yīng)不強，今后可從以下幾方面進一步完善：

(1) 交織區(qū)內(nèi)部控制。目前的研究大多針對匝道和主線，對交織區(qū)內(nèi)部控制的研究寥寥無幾。下一步研究可通過設(shè)置地面標線、移動隔離等管理手段，規(guī)范交織區(qū)車輛行駛行為、規(guī)避沖突點，實現(xiàn)幾何設(shè)計優(yōu)化。

(2) 協(xié)同控制。針對交織區(qū)及其影響范圍需要控制的對象群，根據(jù)主線、匝道、交織區(qū)等控制對象的不同特性，制定涵蓋可變限速控制、路線誘導(dǎo)、車道控制、匝道控制、移動隔離等的協(xié)同控制策略，實現(xiàn)一體化控制。

(3) 車聯(lián)網(wǎng)、車路協(xié)同環(huán)境下的控制策略研究。目前車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已成為全世界爭相發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)，為車路協(xié)同賦予了新的內(nèi)涵，采用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合個體車輛實現(xiàn)交織區(qū)車路協(xié)同控制，是一個重要發(fā)展方向。