郝弗非 ，謝 剛 ，董 歡 ，張 凡 ，趙 華

（1.天津市公安局交通警察總隊(duì)，天津 300000；2.天津易華錄信息技術(shù)有限公司，天津 300000）

1 概述

城市快速路作為城市快速干道，用于保證車輛暢通連續(xù)地行駛，提高城市內(nèi)部的交通運(yùn)輸效率。近年來，隨著城市人民群眾物質(zhì)生活水平不斷提高和出行機(jī)動化進(jìn)程加快，汽車保有量不斷攀升，快速路的管控水平已經(jīng)滯后于城市發(fā)展。快速路交通安全事故與擁堵時常發(fā)生，嚴(yán)重影響快速路的通行效率和人民群眾的出行體驗(yàn)。因此，基于當(dāng)下城市快速路交通現(xiàn)狀，通過智能管控提高快速路系統(tǒng)運(yùn)行效率，成為現(xiàn)代城市交通管理的重要研究課題?？焖俾啡肟谠训绤^(qū)域易發(fā)生車流交織，成為快速路車流運(yùn)行的瓶頸。而通過合理控制入口匝道匯入主線的流量，是提升快速路運(yùn)行效率的一種有效方法。

2 國內(nèi)外對于城市快速路的理論研究

從20世紀(jì)以來的研究綜合分析，匝道控制大多以緩解快速路主路擁堵為主為目標(biāo)，綜合考慮快速路周邊輔路交通運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行協(xié)同控制。

BIN HAN等以減少匝道排隊(duì)延遲和降低匝道排隊(duì)長度為目標(biāo)對匝道調(diào)節(jié)率進(jìn)行了研究，并通過模擬測試驗(yàn)證了該方法的有效性[1]。陳學(xué)文以快速路系統(tǒng)車輛總消耗時間為控制目標(biāo)，建立快速路系統(tǒng)擁堵疏散控制模型，實(shí)現(xiàn)了快速路網(wǎng)絡(luò)整體優(yōu)化控制[2]。鄒祥莉提出擁堵條件下的出口匝道交叉口與下游交叉口協(xié)同控制方法和基于宏觀基本圖的路網(wǎng)交通擁堵甄別方法，構(gòu)建了多匝道協(xié)同控制模型[3]。項(xiàng)喬君、禹奧業(yè)等發(fā)明了一種基于排隊(duì)長度的城市快速路入口匝道控制系統(tǒng)及控制方法，通過迭代計(jì)算得到最終合理的綠信比[4]。唐立、羅霞等發(fā)明了一種基于密度的快速路多車道匝道控制方法，以期在主線交通流量最大的同時解決匝道排隊(duì)長度過長和排隊(duì)延誤過大的問題[5]。

本文的研究中，以天津市快速路環(huán)線路網(wǎng)為例，將基于增強(qiáng)學(xué)習(xí)的自適應(yīng)控制算法應(yīng)用于入口匝道交通信號控制系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)時快速路環(huán)線主路、輔路及匝道的車輛流量、平均速度、密度等數(shù)據(jù)訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以減少擁堵為目標(biāo)對快速路環(huán)線多個入口匝道進(jìn)行信號燈調(diào)節(jié)控制，同時不斷在線學(xué)習(xí)并修正自動控制模型。

3 天津快速路智慧交通管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

3.1 天津市快速路概況

天津市快速路是天津市重點(diǎn)工程，是天津市路網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分。其功能為分流核心區(qū)內(nèi)過境交通，減少跨區(qū)域出行對核心區(qū)的影響，緩解核心區(qū)的交通擁堵，完成核心區(qū)和外圍組團(tuán)的快速連接，提升城市整體道路服務(wù)水平。天津市快速路以高架道路和地面道路結(jié)合的方式，地面道路兩側(cè)一般有配套輔道，初始設(shè)計(jì)車速：主路60～80km/h，匝道 40～50km/h，環(huán)形匝道 30～35km/h。

圖1 天津市快速路交通管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

近些年隨著天津市車輛逐年增多，交通出行量迅速增長，交通擁堵與交通事故頻發(fā)。當(dāng)前快速路環(huán)線部分路段呈周期性擁堵特征，嚴(yán)重?fù)矶聲r速低于20km/h，進(jìn)出口道與現(xiàn)狀路網(wǎng)接駁配合不佳，限制了快速路長距離交通運(yùn)輸功能，快速路交通擁堵問題日益突出。西北半環(huán)順時針方向早高峰擁堵嚴(yán)重，從復(fù)康橋向青云橋蔓延，且早晚高峰差異明顯，東南半環(huán)多處擁堵并發(fā)，擁堵壓力最大，白天主路車速一般低于50km/h，車速低于30km/h的時長超過4h。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

根據(jù)天津市快速路網(wǎng)的總體設(shè)計(jì)，綜合考慮快速路環(huán)線交通運(yùn)行現(xiàn)狀和擁堵特點(diǎn)，根據(jù)匝道周邊交通需求、路網(wǎng)分流條件，與相鄰出、入口匝道的間距及交織路段交通運(yùn)行、交通事故情況，匝道的幾何線型、蓄車能力等條件，天津市交通管理局對天津市快速路主要擁堵路段進(jìn)行了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)在主要擁堵路段入口匝道處安裝車道指示信號燈、信息提示屏和電子警察違法抓拍系統(tǒng)。車道指示信號燈用于控制匝道開啟和封閉，同時配備信息提示屏提示。當(dāng)快速路入口長期允許通行時，提示快速路入口開放及安全駛?cè)?；?dāng)快速路入口短時間封閉禁行時，提示快速路入口關(guān)閉及繞行信息；當(dāng)快速路入口實(shí)行周期信號控制時，提示快速路入口實(shí)行信號控制及請遵守交通規(guī)則。同時快速路入口附近車道線為虛實(shí)線，機(jī)動車在實(shí)線的一側(cè)不得越過實(shí)線變道，機(jī)動車在虛線的一側(cè)則可以越過虛線變道。

管控系統(tǒng)以入口控制為主，通過匝道控制快速路車流駛?cè)?，可以使快速路主要交通可控，根?jù)快速路環(huán)線內(nèi)部交通出行特征及周圍路網(wǎng)交通特征合理設(shè)置快速路匝道交通信號控制方案，可以達(dá)到緩解快速路擁堵瓶頸，均衡路網(wǎng)交通壓力，提高快速路與周圍路網(wǎng)整體交通運(yùn)輸效率。管控平臺接入各類流量、速度、密度、擁堵指數(shù)等數(shù)據(jù)并進(jìn)行融合處理，以融合后數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行快速路的車輛出行分布、潮汐流規(guī)律等的分析，并根據(jù)分析結(jié)果生成匝道及出入口信號控制系統(tǒng)的控制策略并向該系統(tǒng)發(fā)布，同時向交通信息提示系統(tǒng)發(fā)布相關(guān)快速路入口車道的開啟及關(guān)閉狀態(tài)信息。

在控制策略方面，根據(jù)控制方式分為匝道關(guān)閉和匝道調(diào)節(jié)。匝道關(guān)閉需在滿足特定條件時啟用。應(yīng)用于匝道自動調(diào)節(jié)的模型主要遵循以下步驟。

步驟一：將天津快速路環(huán)線按照匝道情況、車道數(shù)情況等劃分為一定數(shù)量的元胞路段，觀測各元胞路段的長度、車速、流量等數(shù)據(jù)，并作為模型輸入數(shù)據(jù)，觀測變量間隔時長為5分鐘。

步驟二：計(jì)算k時刻的快速路環(huán)線交通運(yùn)行指數(shù)Ck。

采用GB/T33171-2016中基于行程時間比的方法計(jì)算交通運(yùn)行指數(shù)。

（1）計(jì)算各評價元胞路段在k-1時間間隔內(nèi)行程時間比TTIi，k-1

TTIi，k-1表示評價元胞i在k-1時間間隔內(nèi)行程時間比表示評價元胞i在k-1時間間隔內(nèi)所使用的平均行程時間；ti，k-1表示評價元胞i在k-1時間間隔內(nèi)自由流行程時間表示評價元胞i在k-1時間間隔內(nèi)所使用的平均行程速度；vi，k-1表示評價元胞i在k-1時間間隔內(nèi)自由流行速度；當(dāng)路段平均行程時間小于自由流行程時間時，設(shè)定TTIi-1=1。

（2）計(jì)算各評價元胞權(quán)重 γi，k-1

采用GB/T 29107-2012的算法計(jì)算各評價元胞權(quán)重。

首先，計(jì)算各評價元胞路段在k-1時間間隔內(nèi)車公里數(shù)VKTi

VKTi，k-1=fi，k-1*Li

VKTi，k-1表示評價元胞i在k-1時間間隔內(nèi)車公里數(shù)；fi，k-1表示評價元胞i在k-1時間間隔內(nèi)交通流量；Li表示評價元胞i長度。

然后，計(jì)算得到所有評價元胞快速路的車公里數(shù)VKTk-1

VKTk-1=ΣVKTi，k-1

最后，計(jì)算各評價元胞權(quán)重γi，k-1

（3）計(jì)算評價元胞段總行程時間比TTIk-1

（4）基于下表換算評價元胞路段總交通運(yùn)行指數(shù)Ck

?

步驟三：計(jì)算對k-1時間間隔內(nèi)控制策略執(zhí)行的Reward Rk，并存儲。

步驟四：判斷K時間間隔開始時刻擁堵開始情況，存儲該步驟生成的控制策略。

如果 Ck≥1.9，Ck-1≥1.9，Ck-2<1.9，Ck-3<1.9 則表示擁堵開始，跳轉(zhuǎn)至第五步；否則下發(fā)控制策略：未來5分鐘內(nèi)外場所有信號控制點(diǎn)位燈態(tài)為綠燈。令k=k+1，返回第一步。

步驟五：判斷k時間間隔開始時刻擁堵消散情況，存儲該步驟生成的控制策略。

如果 Ck<1.9，Ck-1<1.9，Ck-2≥1.9，Ck-2≥1.9 則表示擁堵消散，下發(fā)控制策略：未來5分鐘內(nèi)外場所有信號控制點(diǎn)位燈態(tài)為綠燈，跳轉(zhuǎn)至第六步；否則下發(fā)控制策略：k時間間隔內(nèi)子周期時長和綠信比，返回第一步。

步驟六：自適應(yīng)控制器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重參數(shù)學(xué)習(xí)調(diào)整。

在每一次擁堵形成到擁堵消散的緩堵周期，系統(tǒng)要根據(jù)各時間間隔k的Rk值、各時間間隔k的環(huán)境觀測量、各時間間隔k的控制策略，計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)損失值，用于指導(dǎo)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重參數(shù)學(xué)習(xí)調(diào)整。

對于匝道關(guān)閉控制，只有發(fā)生以下情況時啟用：一是入口匝道合流點(diǎn)下游的主線長時間嚴(yán)重?fù)矶聲r；二是主線、匝道或其關(guān)聯(lián)區(qū)域發(fā)生交通事故、施工等特殊事件，需要臨時關(guān)閉入口匝道時；三是主線、匝道或其交織區(qū)幾何條件不滿足車輛正常通行要求，存在安全隱患時。在匝道關(guān)閉控制策略實(shí)施時上匝道口交通流需有分流路徑，入口匝道處應(yīng)設(shè)置相應(yīng)交通標(biāo)志，與匝道相銜接的地面交叉口宜同時設(shè)置交通指示標(biāo)志。

3.3 管控效果

目前，天津市快速路智慧交通管控平臺已經(jīng)開始對部分匝道入口控制功能進(jìn)行測試，運(yùn)行結(jié)果顯示出較好的控制效果。

測試選取了快速路主路較擁堵的某處點(diǎn)位，選取某早高峰時段啟用入口匝道信號燈調(diào)節(jié)由輔道進(jìn)入主路的流量。并對測試入口下游500m主路路段速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。速度方面，開啟控制當(dāng)日在早高峰燈控時段，該下游主路路段平均速度為47.36公里/小時，較上周同期速度44.22公里/小時提升7.09%；流量方面，開啟控制當(dāng)日，該下游主路路段每五分鐘平均車流量為540，較上周同一時段每五分鐘車流量460提升17.29%。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文首先對城市快速路入口匝道區(qū)域交通特性及通行能力的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析梳理，其次介紹天津市對快速路交通現(xiàn)狀、交通信號控制的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自動控制模型，并對試點(diǎn)控制效果進(jìn)行分析。但是在實(shí)際復(fù)雜的交通環(huán)境中大范圍落地應(yīng)用的效果，還需要逐步驗(yàn)證和優(yōu)化完善。基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的快速路匝道信號自動控制系統(tǒng)，用模型自學(xué)習(xí)優(yōu)化替代以往的專家經(jīng)驗(yàn)，是一個值得繼續(xù)深化研究的方向。