楊碧原，蔡建榮，楊子龍，曠 愷，趙衡廣，盧康林

(湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

為提高道路資源利用效率，緩解交通流方向性不均衡帶來的交通延誤和擁堵，國內(nèi)外不少學者對可變車道問題進行了深入研究[1-5].Wolshon等[6]對可變車道設置能夠解決的問題進行了分析，指出在可變車道應用前，需要提前作好相應的規(guī)劃，特別是長遠考慮可變車道優(yōu)化的各種優(yōu)缺點及各類費用.Dey 等[7]從基礎設施利用率、安全、經(jīng)濟發(fā)展的角度考慮城市建成區(qū)中的固有約束以及交通管理部門施加的運行約束，對特定區(qū)域的可變車道設置方案進行了研究.Waleczek 等[8]研究了可變車道系統(tǒng)對交通流和道路安全的影響，認為可變車道系統(tǒng)是一種實用、安全的智能交通管理工具.上述關于可變車道的研究均沒有考慮到路權重新分配中車道數(shù)對道路通行能力的影響，而實際上，隨著車道數(shù)的增加，車輛換道概率增加，平均每條車道的通行能力是邊際遞減的[9-10].蔡建榮等[11]針對路段車道數(shù)對通行能力折減的影響研究了可變車道路網(wǎng)優(yōu)化方法.岳雷等[12]對上海世博會召開期間實施可變車道調(diào)節(jié)的必要性及可行性進行了論證，并對具體的實施方案進行了研究.然而，當前國內(nèi)外對可變車道的控制方法主要還是通過交通管理部門根據(jù)經(jīng)驗采取相應的可變車道定時優(yōu)化的措施，不能機動靈活地處理交通量隨時間變化的可變車道優(yōu)化問題.

因此，為了充分利用輕交通流方向的道路資源，發(fā)揮可變車道系統(tǒng)對交通量實時變化的自適應功能，減少路段總出行時間，本文考慮路段車道數(shù)對通行能力折減的影響，建立符合路段實際運行情況的BPR 函數(shù)，提出了基于路段交通量實時監(jiān)控可變車道自適應控制系統(tǒng).

1 城際干道可變車道設置條件

城際干道可變車道設置條件為：

1)潮汐現(xiàn)象明顯.路段雙向車流量有明顯差異，一個方向車流量較小而另一個方向車流量較大，甚至出現(xiàn)擁堵的路段.

2)路段雙向至少有3 車道.本文主要考慮城際干道，因此在每個方向至少有1 條車道的基礎上，還至少有1 條車道可用于調(diào)節(jié).

3)城際干道上的交叉口不宜過多.因為交叉口對可變車道優(yōu)化及自適應控制有一定影響，一定路段長度下，交叉口越少，同一方向流量的變化越小，同時對路段的整體控制更容易.

2 可變車道自適應控制原理

可變車道自適應控制系統(tǒng)，是指能夠自動進行車道調(diào)整以適應交通流變化的系統(tǒng).這種系統(tǒng)是用布置在路段兩端的車輛檢測器，實時對進入路段的雙向交通流進行監(jiān)測，中心控制系統(tǒng)根據(jù)實測數(shù)據(jù)計算出適應交通流變化的最優(yōu)可變車道分配方案，并控制信號機實施.城際干道的可變車道實時自適應控制系統(tǒng)—RROT 系統(tǒng)由以下幾個模塊組成.

1)監(jiān)測模塊.RROT 系統(tǒng)實行分級在線實時監(jiān)測.通過數(shù)據(jù)采集設備實時監(jiān)測城際干道兩端斷面的各方向車流量，用于車道方案實施時間的精準判定.路段車流預測由預測車輛速度、預測車輛數(shù)量、路口轉(zhuǎn)向率估計、到達時間等組成.

2)決策模塊.將監(jiān)測的實時交通流信息輸入控制中心的可變車道分配模型，以交通系統(tǒng)性能指標(最小化平均行程時間、最大社會經(jīng)濟效益)為目標，輸出最優(yōu)可變車道方案及實施時間.

3)車道劃分模塊.為保證雙向高速行駛下車輛的通行安全，采用可遠程控制的移動式護欄等交通安全設施劃分可變車道路段雙向通行的車流.移動式護欄根據(jù)決策模塊提供的最優(yōu)決策改變指定的車道分界線，使其達到隨潮汐現(xiàn)象發(fā)生改變，靈活劃分雙向車道的目的.

3 城際干道BPR 函數(shù)建模

城際干道的實際行程時間t 與路段通行能力C、交通量大小Q、自由流行程時間 t0滿足BPR函數(shù)關系：

其中α 和β 為待定參數(shù).

3.1 待定參數(shù)的標定

為獲得符合城際干道實際運行情況的 BPR函數(shù)，可通過實地調(diào)查的行程時間t、路段通行能力C、交通量大小Q、自由流行程時間 t0來對待定參數(shù)α 和β 進行擬合.對式(1)進行變形，有：

對式(2)兩邊同時取對數(shù)，有

令

則有

此時，只需根據(jù)實地調(diào)查的多組行程時間t、路段通行能力C、交通量大小Q、自由流行程時間t0等數(shù)據(jù)，運用式(4)～式(8)進行一元線性回歸分析，即可標定參數(shù)α 和β .

3.2 車道數(shù)對通行能力C 的影響

路段單向通行能力與車道數(shù)是正相關的，但隨著車道數(shù)的增加，車輛換道機會也相應增加，車輛之間的相互干擾增大，路段實際通行能力的增加隨著車道數(shù)的增多而邊際遞減.n 條車道路段的平均車道利用系數(shù)n′為：

4 城際干道可變車道優(yōu)化模型

5 城際干道可變車道優(yōu)化算例

表1 路段流量與行駛時間調(diào)查數(shù)據(jù)

根據(jù)表 1，采用式(2)～式(8)，通過一元線性回歸，可求得α =0.14，β =0.35.即該路段雙向分別為3 條車道時，符合該路段的實際行駛時間的BPR 函數(shù)為：

表2 可變車道不同優(yōu)化方案路段流量與行駛時間調(diào)查數(shù)據(jù)

6 結(jié)語

可變車道優(yōu)化自適應控制系統(tǒng)先根據(jù)實際調(diào)查的路段流量和行程時間數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸方法對BPR 函數(shù)的參數(shù)進行標定，得到反映路段實際的行駛時間函數(shù)；再結(jié)合實時監(jiān)測路段的交通流數(shù)據(jù)，考慮路段車道數(shù)對通行能力的影響，計算不同可變車道分配方案的總出行時間，得到適合交通流變化的最優(yōu)可變車道分配方案；最后通過可變信息牌等傳遞給出行用戶，從而達到可變車道優(yōu)化的自適應控制.

本研究通過對道路資源分配進行優(yōu)化，提高了路段運行效率，節(jié)省了系統(tǒng)總出行時間，緩解了潮汐現(xiàn)象導致的路段擁堵，為契合當今交通智能化發(fā)展方向和可持續(xù)發(fā)展的時代主題，下一步研究將重點考慮對向車流清空對可變車道通行能力的影響.