彭 坤 趙 迪 陳 長 邵敏華

(1.深圳市綜合交通與市政工程設(shè)計研究總院有限公司 深圳 518019;2.同濟大學(xué)道路與交通工程教育部重點試驗室 上海 201804)

隨著城市的不斷發(fā)展,交通需求逐漸增長,地上空間資源日益緊張。作為城市地面和高架道路系統(tǒng)的延伸和補充,地下快速路的建設(shè)不僅可以緩解城市路網(wǎng)的擁堵、節(jié)約土地資源,還能減少噪聲和空氣污染、保護城市景觀。因此其開發(fā)利用已成為趨勢和必然,在城市未來的發(fā)展中將發(fā)揮越來越重要的作用。

盡管地下快速路已在巴黎、波士頓、東京、上海等城市成功應(yīng)用,但對城市地下快速路交通運行管控策略的研究還十分有限。目前的研究主要集中于地下快速路車輛安全運行特征分析[1-3],研究方法主要有基于實際事故數(shù)據(jù)和外場視頻數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析法[4-5]及基于模擬駕駛試驗的虛擬分析法[6-7],且研究對象多為公路或城市隧道,所形成的研究成果未能有效支撐城市地下快速路交通管控工作。在實際管理中,通常將地下快速路納入城市快速路系統(tǒng)中進行統(tǒng)一管理,管理的方法和策略也直接沿用一般快速路的既有方法,這顯然無法體現(xiàn)地下快速路與一般快速路的特征差異。要取得最佳的管理控制效果,需要明確地下快速路交通管控需求,制定恰當(dāng)?shù)闹悄芙煌ü芸夭呗浴?/p>

本文在對城市地下快速路交通運行特征進行分析的基礎(chǔ)上,分別從通道/道路宏觀層面和斷面微觀層面,制定能滿足地下快速路管控需求的交通管控目標(biāo),在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建針對通道/區(qū)域路網(wǎng)的智能管控架構(gòu),并以深圳僑城東路北延通道工程為例,對地下快速路交通管控目標(biāo)的合理性進行研究,對地下快速路交通智能管控策略進行說明。

1 地下快速路交通管控目標(biāo)

城市交通管控方法和策略總體可分為在通道/道路宏觀層面的多設(shè)施協(xié)同管控及以斷面為對象的微觀層面的單設(shè)施管控。前者包括路網(wǎng)信號燈協(xié)調(diào)控制、道路信號燈協(xié)調(diào)控制、快速通道聯(lián)動控制等,從廣義上還包括交通誘導(dǎo)、擁擠收費等,通常以被管控對象達(dá)到最大通行能力作為管控目標(biāo)。后者則以快速路匝道控制為典型手段,多以斷面最大通行能力對應(yīng)的占有率作為管控目標(biāo)。

與一般快速路相比,地下快速路相對狹小的內(nèi)部空間、照度不佳的光線條件,以及缺乏路側(cè)參照等特點使得駕駛員心理壓力增大,致使其不能正確感知行駛環(huán)境,內(nèi)部車流的速度離散性增加、超速現(xiàn)象多發(fā),帶來交通運行的安全隱患[8]。而交通事故一旦發(fā)生,相對封閉的空間條件也將增加救援難度,事故的嚴(yán)重程度普遍高于地面和高架道路。地下快速路具有特殊的交通流特性與更高的安全需求,傳統(tǒng)的交通管控目標(biāo)難以滿足地下快速路的交通管控需求。

本文將分別從通道/道路宏觀層面和斷面微觀層面出發(fā),結(jié)合地下快速路的交通運行特征及管控需求重新制定交通管控目標(biāo)。

1.1 通道/道路宏觀層面管控目標(biāo)

在通道/道路宏觀層面,地下快速路交通管控目標(biāo)的設(shè)定應(yīng)綜合考慮以下因素:①管理者。設(shè)施能夠得到充分利用,為盡可能多的出行提供服務(wù)。反映在交通流指標(biāo)上,體現(xiàn)為道路服務(wù)的流量越大越好。②出行者。在現(xiàn)有設(shè)施服務(wù)水平評價體系下,個體出行速度越快越好,速度越快,出行者感受到的服務(wù)水平越高。③穩(wěn)定運行。交通系統(tǒng)應(yīng)能夠在最佳的管控水平上穩(wěn)定運行,即需要系統(tǒng)運行具有充分的可靠性。

根據(jù)Greenshields模型,交通流速度、密度、流量之間的關(guān)系見圖1。由圖1可見,若從出行者角度出發(fā),一味追求高水平的速度,則道路服務(wù)流量處于較低水平,設(shè)施利用效率不高;從管理者角度,道路以通行能力水平運行,設(shè)施利用效率最高,所對應(yīng)的車速為傳統(tǒng)方法中認(rèn)為的最佳車速,但此時系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。

圖1 交通流的流量-速度-密度關(guān)系圖

權(quán)衡三方面的需求,嘗試構(gòu)建交通流密度-流量與車速的乘積關(guān)系見圖2。

圖2 交通流的密度-流量×速度關(guān)系圖

由圖2可見,當(dāng)流量與車速乘積取得最大值時,管理者與個體出行者均較為滿意,且系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行,即

max(Q·V)

(1)

式中:Q為通道或路網(wǎng)服務(wù)的交通流量,pcu/h;V為平均行程車速,km/h。

此狀態(tài)對應(yīng)的車速作為宏觀層面交通智能管控的最優(yōu)目標(biāo)車速Vbest,將傳統(tǒng)方法中道路達(dá)到通行能力時對應(yīng)的車速作為次優(yōu)車速Vgood。

利用線性模型速度V與密度K的關(guān)系,求解得到Vbest與Vgood。

(2)

式中:Vf為自由流車速,km/h;Kj為阻塞密度,pcu/km。

由此可知,城市地下快速路通道/道路宏觀層面管控目標(biāo)可以將最優(yōu)車速設(shè)定為自由流車速的2/3水平,次優(yōu)車速則為自由流車速的1/2。

1.2 斷面微觀層面管控目標(biāo)

面向斷面微觀層面的管控措施以快速路入口匝道控制為典型代表。已有方法中多將斷面最大通行能力對應(yīng)的占有率作為最優(yōu)占有率,以此作為斷面微觀層面的管控目標(biāo),此管控目標(biāo)可以滿足高速、高效的管控需求。

從已有研究可知,地下快速路對穩(wěn)定運行的需求高于普通道路,因此除滿足傳統(tǒng)高速、高效的管控需求外,還應(yīng)增加穩(wěn)定運行的控制指標(biāo)。即在選取地下快速路斷面最優(yōu)占有率時應(yīng)綜合考慮以下因素。

1) 高速。車速高(非擁堵狀態(tài)),為個體出行者追求的目標(biāo)。

2) 高效。流量大(靠近通行能力),為管理者追求的目標(biāo)。

3) 穩(wěn)定運行。躍遷到擁堵狀態(tài)的概率低。

(3)

式中:交通狀態(tài)t按照占有率進行劃分, 以最大通行能力對應(yīng)的占有率為上限,將非擁堵狀態(tài)細(xì)化分成T個占有率區(qū)間。

由此,城市地下快速路斷面微觀層面的管控目標(biāo)宜選擇對應(yīng)流量高、狀態(tài)躍遷概率低的占有率作為最優(yōu)占有率,選擇通行能力對應(yīng)占有率作為次優(yōu)占有率。

2 地下快速路通道管控策略

針對通道/區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)部的交通管控需求制定具體的控制策略,考慮不同情形的通道管控架構(gòu)見圖3。

圖3 通道/區(qū)域路網(wǎng)層面的智能管控架構(gòu)圖

通道/區(qū)域路網(wǎng)智能管控框架分為數(shù)據(jù)采集、實時評價和控制策略3個模塊。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要采集通道/區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)的道路行程車速、路段流量、斷面占有率等數(shù)據(jù),作為實時評價模塊的數(shù)據(jù)支撐。數(shù)據(jù)采集可采用車輛實時定位技術(shù)、基于車牌識別的行程時間估計、各類斷面交通數(shù)據(jù)采集技術(shù)等設(shè)備與技術(shù)實現(xiàn)。

2.2 實時評價模塊

實時評價模塊基于采集模塊提供的數(shù)據(jù),對通道/區(qū)域路網(wǎng)的交通運行狀況進行實時評價。評價可分為通道/區(qū)域路網(wǎng)層面、斷面層面和擁堵空間關(guān)聯(lián)性3個層面,在評價流程上分為2個步驟:①計算通道/區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)的平均行程車速;②斷面層面的擁堵狀態(tài)評價。

當(dāng)通道/區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)的平均行程車速高于最優(yōu)車速時:

1) 當(dāng)通道/區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)無擁堵斷面時,可判定控制區(qū)域處于低需求、無擁堵情況。

2) 當(dāng)通道/區(qū)域路網(wǎng)中存在擁堵斷面、且擁堵路段之間無空間關(guān)聯(lián)性(即擁堵未蔓延到上游路段)時,可判定控制區(qū)域處于單點局部擁堵狀態(tài)。比較斷面實際占有率與最優(yōu)占有率,若前者高于后者即可認(rèn)定為存在擁堵斷面(需要管控的臨界狀態(tài))。

當(dāng)通道/區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)的平均行程車速低于最優(yōu)車速時:

1) 當(dāng)通道/區(qū)域路網(wǎng)中存在擁堵斷面、擁堵路段之間開始出現(xiàn)空間關(guān)聯(lián)性,但通道/區(qū)域路網(wǎng)整體交通運行狀態(tài)仍處于宏觀交通基本圖的非擁堵側(cè)時,可判定控制區(qū)域處于小范圍局部擁堵(未飽和)狀態(tài)。

2) 當(dāng)通道/區(qū)域路網(wǎng)整體交通運行狀態(tài)處于宏觀交通基本圖的擁堵側(cè)時,可判定控制區(qū)域處于整體擁堵(過)飽和狀態(tài)。

2.3 控制策略模塊

針對上述實時評價的4種結(jié)果,結(jié)合實際工程應(yīng)用,給出相應(yīng)的管控策略。

3 應(yīng)用實例

以深圳市僑城東路北延通道工程為例,對城市地下快速路的交通管控目標(biāo)及交通管控策略進行說明。

深圳市僑城東路北延通道工程構(gòu)成深圳市“八橫十三縱”干線路網(wǎng)體系中的“一縱”,是全市高快速路網(wǎng)的重要組成部分,主要承擔(dān)南山、福田西部與龍華、東莞方向的交通聯(lián)系,并承擔(dān)橫向道路的交通轉(zhuǎn)換以及沿線的服務(wù)功能。

本文所選取依托工程位于工程尾部位置,項目位置見圖4。

圖4 項目位置示意圖

工程沿線依次經(jīng)過北環(huán)大道、廣深高速、僑香路、深南大道、白石路、濱海大道、全長約為4.7 km ,其中,與北環(huán)大道,濱海大道采用互通式立交進行快速轉(zhuǎn)換,與廣深高速采用分離式立交布置,與僑香路采用出入口連接地面道路與快速主線。 考慮到該段的匝道與立交相較于其他路段較多,且連接了現(xiàn)狀僑城東路,其交通狀況較為復(fù)雜,適合作為典型路段展開地下快速路交通智能管控策略的研究。

3.1 通道/道路宏觀層面管控目標(biāo)

依托工程為新建項目,尚無實際交通運行數(shù)據(jù)?？紤]到以道路整體為研究對象時,高架快速路與地下快速路同樣為連續(xù)流交通,具有相似的宏觀交通流基本圖。因此,以上海市逸仙高架快速路為例,構(gòu)建2011年5月6日、2017年6月2日和2018年5月4日 3 d的宏觀交通流基本圖,見圖5～圖7,以此計算最優(yōu)車速與次優(yōu)車速,分析以max(Q·V)作為通道/道路宏觀層面管控目標(biāo)的可行性。

圖5 逸仙高架交通流密度-速度圖

圖6 逸仙高架交通流密度-流量圖

圖7 逸仙高架交通流密度-速度*流量圖

由圖5～圖7可見:

1) 從出行者角度出發(fā),密度小于30 pcu/h時,速度可維持在最高水平,達(dá)到70～80 km/h ,且系統(tǒng)運行穩(wěn)定。但此時道路服務(wù)流量處于較低水平,設(shè)施利用效率不高。

2) 從管理者角度,道路以通行能力水平運行,設(shè)施利用效率最高。此時對應(yīng)次優(yōu)車速約為55 km/h 。但此時數(shù)據(jù)離散性較大,系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。

3) 使得流量與密度乘積達(dá)到最大值時的密度約為40 pcu/km,此時對應(yīng)最優(yōu)車速約為65 km/h 。此時出行者、管理者均較為滿意,數(shù)據(jù)離散性小,表明系統(tǒng)可以實現(xiàn)較為穩(wěn)定的運行。

由此證明,采用流量與車速乘積取得最大值對應(yīng)的車速作為最優(yōu)車速進行宏觀層面的交通管控,相較于傳統(tǒng)管控目標(biāo),更能滿足地下快速路對于系統(tǒng)穩(wěn)定運行的強烈需求。

3.2 斷面微觀層面管控目標(biāo)

同樣以2014年12月1日上海市南北高架快速路東側(cè)主線“永興路下-內(nèi)環(huán)”斷面環(huán)形線圈檢測器采集的交通流數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)采集時間間隔20 s)為例,進行傳統(tǒng)最優(yōu)占有率與本研究采用的最優(yōu)占有率比較。

數(shù)據(jù)分析采用1 min為時間間隔,以最大通行能力對應(yīng)的占有率(傳統(tǒng)方法中的最優(yōu)占有率)為上限,將非擁堵狀態(tài)細(xì)化分成5個占有率區(qū)間,計算每個占有率區(qū)間發(fā)生交通狀態(tài)躍遷的概率。計算結(jié)果見圖8。

圖8 南北高架快速路東側(cè)主線

由圖8可見,如最優(yōu)占有率按照傳統(tǒng)匝道控制方法選擇19.5%,則當(dāng)斷面占有率在[15.6,19.5]區(qū)間時,有13.8%的可能下1 min會躍遷至擁堵狀態(tài),而占有率在[11.7,15.6]區(qū)間時僅有2.1%的可能下1 min躍遷至擁堵狀態(tài)?？梢?本研究采用的考慮躍遷概率的最優(yōu)占有率比傳統(tǒng)以最大通行能力對應(yīng)的占有率作為最優(yōu)占有率的方法更能滿足地下快速路斷面微觀層面對于交通穩(wěn)定運行的需求。

3.3 地下快速路通道管控策略

搭建深圳市僑城東路北延通道工程通道/區(qū)域路網(wǎng)智能管控框架,完成數(shù)據(jù)采集與實時評價工作,對實時評價4種結(jié)果下的地下快速路交通智能管控策略進行說明。

3.3.1低需求、無擁堵狀態(tài)下的管控策略

此時通道/區(qū)域路網(wǎng)無迫切的管控需求,可以提升效率和交通運行安全性為目標(biāo),引導(dǎo)車輛在安全車速下行駛。

3.3.2單點局部擁堵狀態(tài)下的管控策略

單點局部擁堵狀態(tài)下,控制區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的交通擁堵無空間關(guān)聯(lián)性。進行管控時遵循以在“單節(jié)點層面消化擁堵”為主,以通過“鄰近節(jié)點間進行需求平衡”為輔的原則。

1) 單節(jié)點層面“消化”擁堵的主要管控措施。面向快速路的單節(jié)點擁堵,可采用技術(shù)相對成熟、已經(jīng)獲得推廣應(yīng)用的快速路入口匝道控制及出口匝道與地面交叉口聯(lián)動控制。在選擇臨界占有率指標(biāo)時,可用本研究給出的最優(yōu)占有率。

2) 節(jié)點間需求誘導(dǎo)措施?？稍谙噜彽?個或多個節(jié)點間進行交通誘導(dǎo),完成單擁堵節(jié)點交通需求在上下游、鄰近道路節(jié)點間的需求均衡,從而達(dá)到緩解擁堵的目的。如在上游道路發(fā)布斷面擁堵信息,引導(dǎo)出行者避開擁堵節(jié)點。

3.3.3小范圍局部擁堵(未飽和)狀態(tài)下的管控策略

對于車速低于最優(yōu)車速、出現(xiàn)小范圍局部擁堵但路網(wǎng)未飽和的情況,管控方式仍以在控制區(qū)域內(nèi)部化解擁堵為主?？赏ㄟ^通道內(nèi)平行路徑需求誘導(dǎo)、關(guān)鍵路徑需求控制等手段來均衡需求、提高局部路網(wǎng)容量,進而提升交通運行效率。

1) 通道內(nèi)平行路徑需求誘導(dǎo):均衡通道內(nèi)部交通出行需求。為均衡通道內(nèi)部交通流量分布,對通道內(nèi)主方向平行路徑交通運行狀態(tài)進行監(jiān)控與誘導(dǎo)。

以圖9中擬建后的僑城東路北延通道為例。通道在南北方向存在4條平行路徑,從西向東為:沙河西路、沙河?xùn)|路、僑城東路北延、香蜜湖路。若僑城東路北延通道出現(xiàn)局部擁堵,可采取交通誘導(dǎo)措施,引導(dǎo)車輛向平行路徑轉(zhuǎn)移(如向香蜜湖路轉(zhuǎn)移),從而達(dá)到平衡交通分布、提高交通效率的目標(biāo)。

圖9 僑城東路北延通道

2) 通道內(nèi)主路徑需求管控:保證主路徑運行效率,行程車速達(dá)到最優(yōu)車速?？刹捎媒煌ㄐ枨蠊芸卮胧?保證通道內(nèi)主路徑(即通道中承擔(dān)較高比例出行服務(wù)的高速公路、快速路或主干路,如本研究中僑城東路快速路段)的通行效率,使其盡可能以最優(yōu)車速行駛?？刹扇〉男枨蠊芸卮胧┌?①主路徑進入控制,可通過對主路徑的入口路段進行交通管控,控制進入主路徑的交通流量;②主路徑擁擠收費,采用擁擠收費等管理手段。可以將車速控制在最優(yōu)車速以上為目標(biāo),進行費率的制定和實時調(diào)整,也可進行有傾向性的收費。

3.3.4整體擁堵過飽和狀態(tài)下的管控策略

當(dāng)車速低于最優(yōu)車速,出現(xiàn)大范圍擁堵,路網(wǎng)處于過飽和狀態(tài),采用前述3類策略仍然無法實現(xiàn)對通道/區(qū)域路網(wǎng)使用的緩解時,可通過在大路網(wǎng)層面采用多通道需求誘導(dǎo)、通道/路網(wǎng)進入需求管控和區(qū)域協(xié)調(diào)控制等方法,促使將控制區(qū)域內(nèi)的交通需求回歸到合理范圍,提升路網(wǎng)整體的運行水平。

4 結(jié)語

1) 本研究從宏/微觀2個層面,提出適應(yīng)城市地下快速路交通運行特征、滿足地下快速路管控需求的智能管控目標(biāo),包括:在通道/道路宏觀層面,基于宏觀交通基本圖,從高速、高通行量和高可靠性3個方面進行分析,提出了以實現(xiàn)流量車速乘積最大化時的速度作為最優(yōu)車速控制目標(biāo)、以通行能力對應(yīng)車速作為次優(yōu)車速控制目標(biāo)。在斷面微觀層面,提出了以狀態(tài)躍遷概率表征交通運行可靠性的方法,認(rèn)為最優(yōu)占有率需綜合考慮流量和狀態(tài)躍遷概率。

2) 研究提出了通道/區(qū)域路網(wǎng)層面的智能管控總體框架。通道/區(qū)域路網(wǎng)層面管控將通道運行狀況劃分為4種狀態(tài),分別給出了控制策略。

3) 以僑城東路北延通道工程為例,對城市地下快速路交通智能管控目標(biāo)制定的合理性及智能管控策略的應(yīng)用進行說明。

考慮到新建的依托工程路段尚無實際交通運行數(shù)據(jù),因此借助了同為連續(xù)流交通的上海市快速路(高架)數(shù)據(jù)進行管控目標(biāo)的合理性分析。然而由于車道數(shù)目、交通組成、運行環(huán)境等方面存在差異,在實際應(yīng)用過程中需要根據(jù)僑城東路北延通道實際的交通運行數(shù)據(jù),計算最優(yōu)車速及最優(yōu)占有率。

研究成果可為深圳僑城東路北延通道及其他待建地下快速路交通運行全過程優(yōu)化措施制定提供參考,也可為已建地下快速路在運行階段的安全改善提供指導(dǎo)。