張麗巖，校鵬程，馬 健，葛 靜

（蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011）

0 引言

經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展推動了交通行業(yè)的高速成長，機(jī)動車保有量和城市交通需求的明顯增長也衍生出了各種交通問題，其中快速路的堵塞尤為嚴(yán)重。快速路交通控制有多種方式，其中匝道控制（Ramp Metering,RM）和可變限速控制（Variable Speed Limit,VSL）是兩個(gè)重要組成部分，目前獲得應(yīng)用最多的是快速路主線VSL 和RM 的協(xié)同控制，但是由于存在一些現(xiàn)實(shí)的問題往往導(dǎo)致這些控制策略的應(yīng)用收效甚微。

車路協(xié)同技術(shù)的興起與發(fā)展為解決城市快速路匝道控制問題提供了新的思路，在車路協(xié)同環(huán)境下，車與車、車與路側(cè)設(shè)施之間皆可利用無線通信技術(shù)完成信息交換，這有助于管理者實(shí)時(shí)獲取精確的道路狀況和實(shí)現(xiàn)對車輛的精準(zhǔn)控制。

本文選取了城市快速路匝道這一場景，對雙層城市快速路匝道聯(lián)合控制模型系統(tǒng)的框架進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過交通仿真來模擬雙層城市快速路并分析所提出的控制策略在應(yīng)用時(shí)可取得的效果，為后續(xù)的研究提供基礎(chǔ)。

1 快速路匝道聯(lián)合控制模型系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)框架。本文構(gòu)建了雙層城市快速路匝道聯(lián)合控制模型系統(tǒng)的基本框架，框架整體可分為路徑?jīng)Q策系統(tǒng)和快速路匝道控制系統(tǒng)，路徑?jīng)Q策系統(tǒng)包括交通信息采集子系統(tǒng)和車輛路徑?jīng)Q策子系統(tǒng)，快速路匝道控制系統(tǒng)包括主線、入口匝道和車輛控制子系統(tǒng)。借助計(jì)算各個(gè)可選路徑的實(shí)時(shí)阻抗，車輛路徑?jīng)Q策子系統(tǒng)為車輛是否選擇快速路行駛提供依據(jù)?？焖俾吩训揽刂葡到y(tǒng)聯(lián)合主線上游可變限速引導(dǎo)和入口匝道控制消除主線交通瓶頸，提升下游通行效率。

1.2 路徑?jīng)Q策系統(tǒng)。路徑?jīng)Q策系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1 所示。該系統(tǒng)共包含兩條可選路徑，輔路車輛到達(dá)決策點(diǎn)即啟動路徑?jīng)Q策控制，路徑1 為選擇進(jìn)入快速路，包含上下匝道和主線，路徑2 為選擇繼續(xù)在輔路行駛。本文將路徑選擇的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為最短行程時(shí)間，輔路控制中心通過處理和計(jì)算實(shí)時(shí)獲取的交通信息，計(jì)算出可選路徑的權(quán)值，并通過通信設(shè)備將結(jié)果反饋至車輛。

圖1 路徑?jīng)Q策系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.3 快速路匝道控制系統(tǒng)。提出雙層城市快速路匝道控制模型系統(tǒng)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由主線、入口匝道以及車輛控制子系統(tǒng)組成。

圖2 雙層城市快速路匝道控制模型系統(tǒng)示意圖

（1）主線控制子系統(tǒng)。快速路主線控制子系統(tǒng)的控制目標(biāo)是對主線上游車輛實(shí)施VSL，緩解快速路瓶頸，系統(tǒng)組成包括主線路側(cè)單元RSU，匝道RSU，車載設(shè)備以及交通信息管理控制中心等。主線及匝道RSU 的作用是獲取控制區(qū)域各處的實(shí)時(shí)交通狀態(tài)信息，同時(shí)利用車載設(shè)備得到車輛的行駛數(shù)據(jù)信息，并將這些信息實(shí)時(shí)傳輸至控制中心。

（2）入口匝道控制子系統(tǒng)。入口匝道控制子系統(tǒng)的控制目標(biāo)是在控制周期內(nèi)約束匯入快速路的車輛數(shù)，減少合流區(qū)交通延誤，系統(tǒng)組成有主線、入口匝道RSU，入口匝道排隊(duì)檢測器，入口匝道及交通信息管理控制中心等。

（3）控制車輛子系統(tǒng)。控制區(qū)域內(nèi)的自動駕駛車輛CAV（Connected Automated Vehicle）均配置了車載單元OBU（On Board Unit），主要功能是和路側(cè)RSU 通信。車載單元OBU 包含三個(gè)模塊，其功能分別是數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)通信以及車輛控制。

2 實(shí)例驗(yàn)證及仿真分析

2.1 仿真平臺的構(gòu)建。仿真路網(wǎng)來自蘇州市中環(huán)高架快速路，其中雙層城市快速路為婁江快速路（星明街立交—星港街立交）與婁江大道（婁門路—星港路）。該快速路段主線全長約2km，為單向三車道，在入口匝道處拓寬為四車道，后變?yōu)閱蜗蛉嚨?，車道寬度?.5m。城市道路婁江大道為城市主干道，單向三車道，車道寬度為3.25m，設(shè)定A 為路徑?jīng)Q策點(diǎn)，可選路徑1為：A—B—C—D，其中B 為快速路匝道合流點(diǎn)，路徑2 為：A—D，中間有一T 型信號控制交叉口（婁江大道—揚(yáng)明路）。當(dāng)車輛駛至A 點(diǎn)時(shí)，輔路控制中心路徑?jīng)Q策系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)道路及車輛狀態(tài)信息，計(jì)算出兩條路徑的實(shí)時(shí)阻抗，然后通過通信設(shè)備發(fā)送至車輛，車輛接收到控制指令后調(diào)整自身駕駛行為，并默認(rèn)駕駛員會選擇阻抗最小的路徑。仿真平臺的基本架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 仿真平臺結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 參數(shù)標(biāo)定

2.2.1 VISSIM 仿真參數(shù)標(biāo)定。對跟馳模型的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，包括平均停車間距（CC0）、期望車頭時(shí)距（CC1）、跟馳隨機(jī)震蕩距離（CC2）等。同時(shí)也對VISSIM 中車輛換道模型的最大減速度、可接受的減速度等部分參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，具體如圖4 所示。

圖4 模型參數(shù)標(biāo)定

將快速路主線和城市道路實(shí)際的交通量檢測數(shù)據(jù)作為原始輸入數(shù)據(jù)分時(shí)段輸入仿真路網(wǎng)，并以此為基礎(chǔ)建立仿真模型。車輛構(gòu)成以小汽車為主，快速路主線與輔路城市道路的車輛組成比例，具體比例：主路上小汽車的占比為0.8，大型貨車為0.1，公共汽車為0.1；輔路上小汽車的占比為0.7，大型貨車為0.1，公共汽車為0.2。在VISSIM 中根據(jù)實(shí)際交通設(shè)定路網(wǎng)車輛原始的決策路徑，設(shè)城市快速路編號為1，城市道路編號為2，則本文的路徑設(shè)置為1-1、1-2 的車流比為7:3，2-1、2-1-2、2-2的車流比為4:3:3。

路徑?jīng)Q策設(shè)置完成之后，需進(jìn)行沖突區(qū)設(shè)置，結(jié)合城市快速路交通流的運(yùn)行現(xiàn)狀，確定主線和匝道期望車速的取值，其中主線期望速度值的最大值與最小值分別為70km/h 和50km/h,而匝道期望速度值的最大值與最小值分別為45km/h 與20km/h。城市道路存在一個(gè)T 型交叉口，其控制周期為90s，具體相位設(shè)計(jì)和信號配時(shí)為東西直行35s，東西左轉(zhuǎn)20s，北左轉(zhuǎn)20s。

2.2.2 模型參數(shù)標(biāo)定。根據(jù)改進(jìn)路阻模型標(biāo)定結(jié)果所得模型參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)回歸計(jì)算，得出路徑1 和路徑2 的改進(jìn)路阻模型，各路徑阻抗T 如式（1）、式（2）所示。

式中：φ 是根據(jù)不同飽和度劃分的路段交通流狀態(tài)；q、q分別表示入口匝道車輛匯入前后的合流區(qū)交通量，veh/h；T 為交叉口信號周期時(shí)長；λ 為交叉口信號燈綠信比；q 為進(jìn)入交叉口的車流量；c 為交叉口飽和度。

2.3 交通流仿真模型有效性驗(yàn)證。根據(jù)路段特點(diǎn)，選取快速路主線路段2 為對象，對比在交通量相同情況下，仿真時(shí)間內(nèi)各時(shí)刻路段速度和密度的實(shí)際值和預(yù)測結(jié)果，并用圖像表示，如圖5 所示。

圖5 路段2 速度、密度預(yù)測結(jié)果對比

可以得出，研究路段2 的預(yù)測密度值與實(shí)際密度值基本保持一致，速度預(yù)測值整體上比實(shí)際值高7.68%，但是其變化趨勢與實(shí)際速度值的變化非常接近，模擬效果較好。改進(jìn)后的交通流模型的平均絕對百分比誤差值為9.3%，因此可得出標(biāo)定后的改進(jìn)路阻模型具有良好的適用性。

2.4 不同控制策略下的仿真結(jié)果對比分析。選取總行程時(shí)間、主線車輛行程時(shí)間、平均延誤時(shí)間以及相鄰路段間的速度差作為評價(jià)指標(biāo)。分別對比無控制、僅采用快速路匝道控制策略以及采用改進(jìn)阻抗模型進(jìn)行路徑?jīng)Q策控制和快速路匝道控制策略的運(yùn)行效率和安全性，分析結(jié)果如表1 所示。

表1 不同控制策略下評價(jià)指標(biāo)比較

由表1 可知，相較于無控制情況，采用快速路匝道控制策略后，總行程時(shí)間、主線車流行程時(shí)間、平均延誤以及速度差都得到了降低。而加上路徑?jīng)Q策控制后，路網(wǎng)在運(yùn)行效率以及安全性方面都獲得了更大的提升，尤其是路網(wǎng)平均延誤時(shí)間，相較于無控制情景減少了32.48%，以及相鄰路段間的速度差減小了34.44%。

3 結(jié)論與展望

本文構(gòu)建了雙層城市快速路匝道聯(lián)合控制模型系統(tǒng)，包括路徑?jīng)Q策系統(tǒng)和快速路匝道控制系統(tǒng)，分別介紹了各系統(tǒng)的工作原理及控制方法，并通過仿真驗(yàn)證其可靠性。今后有望添加天氣、事故等因素進(jìn)一步完善路徑?jīng)Q策模型的構(gòu)建，同時(shí)在下一步研究中，會采用更為微觀的模型來模擬城市交通駕駛行為。