1、4. 匝道控制专题研究4.1 匝道控制简介城市道路系统由高快速路和普通道路组成（主干道、次干道、支路），高快速路系统主要服务于城市对外及城市内部各组团之间快速、长距离交通，普通道路主要满足中短距离的城市内部交通需求。城市快速路是城市交通网络的骨架，承载着绝大部分的交通出行，对路网的总体通行效率有着直接的影响。例如上海市的高架道路仅占市区道路面积的5%，却承载着市内的 35%的交通出行，其通行效率直接决定着所在交通网络的性能。城市快速路是一个相对封闭的系统 其通过出入口匝道与普通道路相连 构造上的特点，决定了城市快速路交通受限于出入口匝道。高快速路的控制方式包括匝道控制、主线控制、通道控制，其中
2、匝道控制是应用最广的、效果最好的一种控制形式。匝道控制又分为入口匝道控制和出口匝道控制两种类型：1）入口匝道控制可以控制进入快速路的交通量，使整个快速路网上的交通流量分布合理，充分利用其通行能力，同时可以消除或减少匝道处交通流交汇时的冲突和事故，更重要的是它能够影响与之相邻的普通道路的交通状况，是城市高快速路交通控制的主要手段。2）出口匝道控制是缓解出口匝道衔接的平面交叉口的交通阻塞和防止出口排队过长而导致高速干道上交通阻塞为目的的控制方法，包括调节快速路流出的车辆数和封闭出口匝道。这种强迫限制车辆离开快速路的做法通常会使行车时间增长，最糟糕的是，有时由于没有相应的替代路径，从而会导致车辆不能
3、正确到达目的地，遭到司机和出行者的强烈反对，所以一般很少采用。伴随城市规模扩大，高快速路网已经成为国内外特大城市交通系统的必不可少的重要组成，高快速路压力日益增长。伴随智能化交通管理系统建设，针对高快速路交通拥挤和交通事件管理的需要实施匝道控制，进一步确保高快速路主线2交通的畅通、快捷和安全舒适，已经是城市道路交通智能化管理的重要手段。4.2 国内外匝道控制调研伴随城市发展，国内外大城市都逐步建立了高快速路系统，但伴随交通压力增长，以下问题凸显：不断从匝道“挤入”主线的车辆迪使主线速度不断降低：主线车速的降低又导致车辆不能尽快到选目的地从而囤积于快速路上，这反过来又使得入口匝道车辆更难以汇入主
4、线：高快速路入口匝道排队车辆的溢出，影响邻近地而道路的正常运行；高快速路车速的降低使得服务能力和服务水平急剧下降，于是部分车辆转移到周边普通道路加剧地面道路交通压力：受平面交叉口制约，出口匝道车辆无法尽快小三，从而车辆排队蔓延，导致快速路主线阻塞。在这断相互作用的恶性循环中高快速路变得不再“快速”，高快速路网与城普通道路网络的基本功能在高峰时段都难以得到发挥。在此情况下，国内外针对匝道控制进行了研究和实践，取得了显著效果。匝道控制技术最早出现在美国的芝加哥市，芝加哥市匝道控制的成功使得美国各州及加拿大、法国等纷纷应用匝道控制技术来控制高速公路交通流。2000年后，国内北京、上海等城市也开展了匝
5、道控制的实践。4.2.1 美国匝道控制美国，匝道调节的定义：采用“stop-and-go”停走交通信号，控制进入高速公路主线车辆的频率。对于驾驶员来说，匝道调节使用的方法：如果在进口匝道遇到红灯，则在停车线前停车，知道绿灯方可汇入。但是，如果进口匝道设有高占有率车（high occupancy vehicle HOV）专用车道，该车道不进行控制。美国的高快速路出入口匝道控制一般是单车放行，一次绿灯信号放行 1 辆最多不超过 3 辆。在美国高快速路控制系统采用需求-容量控制策略较为广泛。需求-容量控制策略是以交通量为控制参量，通过调节进入快速路的交通量 ，使得进入快速路的交通量与上游交通量 之和
6、不超过匝道下游的通行能力 ，保证主线下游交通量维持在其通行能力之内，最大限度利用快速路。3图 4-1 美国匝道控制1）华盛顿州华盛顿交通运输局（WSDOT）实施匝道调节，以降低事故发生率，减少通勤行程时间，大多数的匝道调节允许每次绿灯通过 1 辆车，调节率大概在 4-15 秒之间，这样的间隔可以保障进口匝道的汇入交通受到一定的阻滞，减少高速汇入时容易产生的刮擦、碰撞等事故。华盛顿匝道调节已经实施在大多数的交通繁忙进口匝道，如 I-5, SR 520, I-90, I-405 and SR 167，实施匝道调节的时间段一般为 6 a.m. to 9 a.m 以及 3 p.m. to 7 p.m.
7、时间段根据交通拥挤情况进行调整。匝道调节是一个大型的计算机操作系统，设计在华盛顿运输局交通管理中心(TMCs)，在道路上通过磁力线圈检测到实时数据（高速公路主线以及进口匝道的车辆速度、流量等），上传到 TMCs，在中心自动计算出保证交通流最有效运行的各匝道控制周期长度，反馈到匝道控制器进行实施。实践表明：华盛顿实施匝道调节后，该地区高速公路全范围内事故发生率降低 30，在 Renton 的 I405 高速公路，匝道调节使得平均行程时间减少了 316分钟，匝道调节是一种比较有效的缓解交通拥挤的控制手段。2）乔治亚州亚特兰1996 年亚特兰大就开始在州际 75 号高速公路的 5 个进口匝道实施匝道
8、调节，但是因为当初交通流量不高，缓解交通拥堵的效果也不明显。随着交通量的日益增加，2004 年，乔治亚州交通运输局为了缓解拥挤的进口匝道与主线汇入区拥4堵，降低可能的碰撞事故。再次启动匝道调节系统。经过乔治亚州运输局前期研究分析后，确定 4 个最繁忙的进口匝道进行控制，即州际高速公路 75，85 的 Williams 街, Ellis 街, Edgewood 干道和 Freedom 公园大道，整个系统由 Day-Wilburn 进行实施，开工于 2004 年末，2005 年 4 月完调成，4 月 5 日正式运行，匝道调节实施的时间段为下午 2 点7 点。这些进口匝道均为 2 车道，在使用匝道控
9、制前都是饱和运行， 匝道控制策略采用的是固定周期式，约 900 辆车/小时/车道，也就是说调节周期为 4s，允许一辆车通过。在实施过程中，所有的检测器已经被布设，以期将来实施自适应匝道节控制。同时，虽然一期工程采用固定周期式匝道调节，但是如果排队检测器检测到预设的排队长度极限值，匝道调节的速度将会被提高，周期缩短，以尽快的减少排队。该系统是乔治亚州 ITS 系统的重要组成部分，通过先进的视频检测系统确定最有效的匝道调节策略，该系统中心由 NaviGAtor 公司建设实施，地理位置设在州运输管理中心。在乔治亚州匝道控制研究报告中，2009 年 4 月前通过 9 个交通工程项目在亚特兰大城市 12
10、0 多个进口匝道实施调节控制。4.2.2 欧洲匝道控制随着经济社会的发展以及汽车保有量的不断攀升，欧洲也面临同样的交通问题：常发性和偶发性交通拥挤，使得高速公路这种高价投资的基础设施破坏严重、交通安全问题日益凸显、环境污染问题越来越严重。欧洲政府采取了很多智能交通管理与控制的手段以期缓解目前的状况，其中一项就是希望通过匝道调节控制等对出入口及主线的交通流进行管理，来缓解以上问题，提高交通流运行的安全及有效性。欧洲的高快速路出入口匝道控制一般是车队放行，每次绿灯信号放行匝道车辆数不确定，但每次最多放行的车辆数有限制，一般不超过 9 辆，控制策略中的红灯时长和绿灯时长都是变化的。欧洲的高快速路系统
11、大部分采用是 ALINEA 控制算法。ALINEA 控制算法属于线性状态调节,由 Papageorgiou 在 1991 年提出。它通过调整匝道调节率使得其下游主线5的占有率尽量维持在理想状态，是经典控制理论的应用，现在欧洲很多国家在该算法的基础之上进行了许多不同的改进，在实际应用中也得到了很好的效果。EURAMP（EUropean RAmp Metering Project）是欧盟 FP6 行动计划中“e-safety of road and air transports”中匝道控制领域的一个重大项目，该项目由欧洲委员会资助，旨在研究和促进欧洲的匝道调节控制。欧洲委员会投资204 万欧元，2
12、004 年 3 月 1 日启动，历时 39 个月，于 2007 年 5 月 31 日验收。该项目由法国、德国、英国、意大利、荷兰、希腊、以色列 6 个国家共计 17 个政府部门、研究院、高校团队共同参与完成。该项目的科学研究、系统开发围绕单个进口匝道调节以及网络动态调节等方面展开，其中网络动态调节除了考虑主线沿线若干个匝道调节的协调控制，还会考虑进口匝道控制与衔接交叉口的整合控制。更深入的控制策略、控制方法也EURANMP 项目中进行了研究，匝道控制的交通安全问题以及相关的匝道调节的应用是本项目的重点。该系统实施的目标：从交通流安全有效性角度，提出控制方法上的改进，以保证欧洲在该领域处于国际上
13、技术领先地位；整合，协调、促进匝道调节在欧洲的实施；欧洲高速公路示范工程开展，为新一代的网络扩展式匝道调节控制系统安装打下基础；研究匝道调节与衔接交叉口信号控制的协调，从交通流的安全有效性角度提出满足最大协同程度的多种先进的控制方法。除了系列科研和系统开发，EURAMP 在欧洲选取了 5 个代表性的实地现场（来自 5 个国家，Ile-de-France, The Netherlands) to utter newcomers (Vienna)）进行示范工程。理论成果和实际产品在 5 个示范工程中得到全面测试和交叉评估，本项目最后还形成了欧洲的“匝道控制设计手册”，供道路交通工程设计时参考。法国
14、匝道控制示范工程：包括 5 个连续的进口匝道，覆盖巴黎南部 A6 高速公路约 20 公里路段，这 5 个匝道分别位于 Ris-Orangis, Grigny, Viry, Savigny and Chily-Mazarin，是通往南部通往巴黎方向的重要交通通道。每个进口匝道都有环形线圈检测器和交通信号灯，在 EURANMP 项目中，现场实验的主要目标是开发、测试并评估单点以及协调控制策略所产生的交通影响。6荷兰示范工程：在乌特列支 Utrecht，匝道调节的实验选择在 A2 高速公路Maarssen 的西部，2003.12.14 开始实施匝道控制，采用的控制策略是每车道每绿灯通过 2 辆车。除
15、了在 Maarssen 进行主要的评估外，还基于 A28 北部Soesterberg, Maarn and Leusden Zuid.路段进行匝道控制实施前后的安全评估。图 4-2 法国 Viry 地区 A6 高速公路 图 4-3 Maarssen 西部 A2 高速公路德国慕尼黑 Munich 的示范工程：选择在 Munich 东部 A94 高速公路上的一个匝道控制现场，该匝道控制主要是调节 AS5 交叉口离开新贸易中心和大卖场经过A94 出城的车流，该示范工程中，测试了匝道调节算法 ALINEA 参数设置和控制策略，以及基于模糊控制的 ACCEZZ 匝道控制算法。以色列示范工程：Ayalon
16、 高速公路纵跨以色列的特拉维夫（TelAviv）城市南北区域，是以色列最繁忙的道路，每天承载 75 万车流量，EURAMP 项目实施之前尚没有在 Ayalon 高速公路尚进行匝道调节。在 EURAMP 项目中，选择了 2 个进口匝道进行示范，即北面 KKL 地方的进口匝道，南面 Kibutz Galuyot 地区的进口匝道，采用的是本地匝道调节方式。78图 4-4 德国 MunichA94 高速公路 图 4-5 以色列 Ayalon, Tel Aviv94.2.3 英国匝道调节南安普顿地区 M3/M27 高速公路正在实施“匝道调节示范计划”（Ramp Metering Pilot Scheme
17、 ，RMPS)，该项目由英国交通部联合汉普郡议会、南安普顿交通管理局、汉普郡警察局共同实施，该项目匝道调节实施地点包括 M3 与11 号高速公路南段衔接点、M27 与 3 号高速公路东段衔接点，M27 与 5，7 号高速公路西部衔接点、M27 与 10、11 号高速公路东部衔接，加上 M3 与 12 号南段、5 号东段交界处的 2 个控制点，共计 8 处。图 4-8 英国匝道调节现场该示范计划旨在通过试点工程为英国全范围实施匝道调节提供指导作用，评估新一代的匝道调节设备与技术在不同交通环境下的适应性，以集成到公路管理局“自适应交通管理示范计划中”（交通部 10 年计划）。RMPS 项目中，基于
18、对多种检测技术的比较，决定在匝道调节系统中采用环形线圈作为基础检采集设备，同时也可以融合使用已建设的高速公路事件检测与报警系统（Motorway Incident Detection 动态调节考虑到交通需求的波动较大, 利用实测信息进行实时调节。各种入口匝道控制方式的适用条件如下：1）模式一：入口匝道关闭匝道关闭就是对所有交通都实行关闭，不允许车辆进入快速路，维持快速路顺畅。由于入口匝道关闭可能会引起公众的反对，应谨慎使用，建议在下述几种情况下考虑采纳。 入口匝道上停车空间已满，为防止匝道内捧队车辆过长而妨碍地面路网交通，此时关闭匝道可以消除车队积存问题。 入口匝道上游的高快速路的交通需求已达
19、到下游道路容量，而可替换道路上还有容量可供使用。关闭匝道可以防止高快速路上由于交通需求超过交通容量丽造成的交通堵塞。 在设置匝道调节设施情况下，当允许进入高快速路的车辆很少时，为防止驾驶员误认为匝道调节信号已坏，致使不经允许闯入快速路。在这种情况下，关闭匝道是一种防止交通拥挤的有效方法。匝道关闭的方法有：人工设置路栏，自动路栏，标志，信号灯等四种方法。24其中自动路栏和信号灯的方式在我市可以采纳。在高速公路出口匝道上设有收费站的地方,可采用自动路栏，通过关闭和开放收费车道的数量，对进出匝道流量进行调节，可根据路况灵活控制交通状况。人工设置路栏、标志的方式很难有效控制匝道的关闭，所以一般不采用。
20、在快速路匝道可设置信号灯，在紧急情况下，可实施匝道关闭，避免车流汇入引发进一步的交通拥堵。2）模式二：入口匝道定时控制早在 1965 年 WaRle worth 就提出定时控制方法，其基本原理是以流入快速路的交通量最大为目标函数，高快速路主线上的交通量不超过其通行能力为约束。定时控制是指匝道调节率是预先给定的，它是根据历史情况的调查得出的经验值,在某一段时间内固定不变掌握交通流的统计情况，把一天分为若干个时段.假定每个时段内交通流状况近似不变，以此作为依据来确定每个时段内单个匝道不变的入口调节率。这种控制方式的缺点是不能适应交通状况的快速变化，对于交通事故和突发事件，系统缺乏相应的处理能力。因
21、此在突发状况较多、交通状况比较复杂、交通流波动大的情况下，此控制方式控制效果较差。但该方式的优点是简单易行，这种控制运行安全可靠，使用设备少。且比匝道封闭灵活，定时调节很容易实现多个匝道口协调控制，因此是目前应用最广的匝道控制形式。当交通流在一段时间内波动不大时，这种控制是十分有效的。入口匝道定时控制系统的构成如下图所示。图 4-19 入口匝道定时控制系统示意图25定时控制是一种静态调节方法，它有若干优缺点。最重要的优点是能为驾驶员提供一种可靠的能迅速适应的情况。主要缺点是系统不能适应在某段时段内下游道路可能因某种事件引起的容量下降情况，上游需求可能超过预定值变化。所以，一般设定的定时调节率都
22、要使运行的交通量略低于道路容量，例如可取下游容量为正常值的 09 倍，以防止大部分因交通的随机变化所带来的拥挤。3）模式三：交通感应控制定时控制是根据以往观察到的实际交通状况，利用预先设定的调节率进行控制的，所以，它无法应付交通的突然变化。而交通感应控制在一定程度上克服了定时调节的这种弊端，其特点是调节率的变化不再依赖过去观测到的交通状况，而是依赖现场检测的实际交通状况，以实时检测到的交通数据为依据来确定匝道调节率，因此能适应交通流的随机变化。交通感应控制通常可分为需求一容量控制、占有率控制和可接受间隙汇合控制三类。图 4-20 入口匝道感应控制系统示意图需求一容量差额控制：需求一容量差额控制
23、是在保证进入高快速路的交通量，与上游交通量)之和不超过匝道下游的通行能力的情况下，即调节进入高快速路的交通量，以最大限度地利用高快速路。该控制策略能使匝道下游主线交通量始终维持在其通行能力可以负荷的领域内，当下游占有率大于下游临界占有率时，采用最小调节率。占有率控制：占有率控剖的原理是对遁道上游或下游占有率进行实时测量来26估算匝道下游剩余容量，再来确定入口匝道的调节率。该算法需建立在交通量和占有率的关系的基础上，一般是通过在占有率测量点采集的历史数据来建立交通量和占有率近似关系曲线，并确定与交通量相应的占有率数值。可接受间隙控制：是指当主线两连续车辆间的车头时距满足入口匝道处一辆车安全汇入的
24、最小车头间隔时间，即对匝道汇入车流进行放行。可接受间隙汇合控制多采用单车进入控 制方式 。当匝道上没有车辆等待时 ，匝道信号保持红灯。当有一辆车到来，检测器开始工作。信号控制器的工作流程如下：检测从间隙/ 速度检测器传来的间隙和速度信号；将测得的间隙与给定的最小可接受间隙比较，并确定是否可以接受 ；如果此间隙不可接受 ,可控制器继续检测下 一个间隙 ,直到检测到一个可接受的间隙为止；当测得的间隙为可接受时 ,控制器便立即计 算应该在什么时间放车辆通过匝道信号，使车辆和间隙同时到达汇合的地点；根据时间计算值 ,在适当的时刻控制器控制 匝道信号变换为绿灯；绿灯时间应足够放过一辆车，然后信号由绿变黄
25、又回到红灯。在入口匝道控制的同时，往往会同步采取匝道及其邻近交叉口协调控制，以避免匝道控制对邻近地面道路的干扰。即对入口匝道及其邻近交叉口进行分层协同控制, 将距道交通流与高快速路主线交通流、地面交叉口交通流关联起来, 根据上匝道的交通量, 判断上匝道的交通状态, 再选择不同目标下的合适的协调控制模型, 继而调整上匝道的调节率, 并对协调控制的交叉口进行信号配时的优化。其控制流程图如下图所示。图 4-21 图上匝道极其邻近交叉口的分层协调控制流程图4.6.3 出口匝道控制城市高快速路出口匝道上的车辆通过与之衔接交叉进入普通道路网，可采取出27口匝道关闭和出口匝道调节两类方式。出口匝道封闭：可以
26、减少由于车辆交织带来的通安全问题，但却给周边居民造成不便且影响沿线商业的发展。因为出口封闭以后目地在附近的驾驶员就得提前或推后离开主线，增加了绕行距和车时间导致来此处消费的人群越来少，由此将会激起公众的强烈反对。除此之外，还可能增加追尾事故发生的能性。匝道调节：对驶离快速路的车辆数进行调节。能在一 定程度上缓解快速路衔接普通道交叉口的拥挤而且增加了可能发生交通事故的风险，若车辆不及时驶离超长排队就延伸到快速路主线从而造成主线的拥堵。上述两种出口匝道 控制方法均是弊大于利，一般都不会单独采用，而是通过对车辆优先放行、与相衔接道路交叉口整合控制及工程施方面的一些策略来实现对出口匝道的调节，确保快速
27、路主线畅通。以一定的优先程度放行出口匝道车辆并不是简单给予绝对的优先权，而是在以高快速路和相衔接的普通道总体利益最大化为目标的前提下，基于高快速路的效益相对高于普通道路的角度考虑，以出口匝道车辆的相对优先为前提，通过衔接信号控制交叉周期长度、 绿信比、红灯时间等参数的调整，实现对出口匝道优化控制，减少出口匝道车辆的延误，保证快速路主线的畅通。在出口匝道常发拥堵，且与周边相邻平面交叉口干扰严重的情况下，可对出口匝道设置信号控制，出口匝道车辆优先放行,并与相衔接地面交叉口的信号进行协调控制。出口匝道车辆优先放行是指相比其他流向的车辆以一定的优先程度放行出口匝道车辆。首先可以通过合理的交通设计来保证
28、出口匝道车辆的优先放行。如可以在辅路上增设信号灯和停车线，扩大下匝道车辆的排队空间，减少出口匝道和辅路两股车流的冲突和交织，通过充分利用道路空间和时间资源及对普通道路车辆的控制来实现出口匝道优先放行的策略；其次可以通过调整衔接交叉口的信号控制方案，如调整相位相序、周期、绿信比等，在满足各方向的最大排队长度和最大、最小绿灯时间的约束条件下，尽可能的给予出口匝道车辆一定的优先通行权。28图 4-22 出口匝道车辆优先放行示意图高快速路出口匝道衔接交叉口时，首先分析此交叉口的通行能力是否能够满足疏散出口匝道车辆的要求，若不能满足，则要提前告知驾驶员，诱导车辆选择其他路径；若衔接交叉口能够疏散出匝道的
29、车辆，则采取以下方式进行协调控制。1）延长出口匝道关联相的绿灯时间运用感应式控制的基本原理，并引入了最大排队长度的概念，即通过检测与出口匝道相连的进口道上最大排队长度处是否存在车辆排队来决定是否延长绿灯时间。当初始方案中制定的关联相绿灯时间结束时，先检测最大排队长度出是否存在排队，如果有排队则延长绿灯时间一个，然后再在延长时间内判断有无超长排队，如果仍然有超长排队，那么继续延长绿灯时间直至达到该相设置的最大绿灯时间时结束；如果检测发现没有排队则直接结束该相绿灯。图 4-23 相邻交叉口关联相位绿灯时间延长感应式控制原理示意29图 4-24 相邻交叉口关联相位绿灯时间延长感应式控制流程2）提前激
30、活绿灯运用感应式控制的提前激活的基本原理。在出口匝道上的最大排队长度位置埋设检测器，用于实时的检测出口匝道上的车辆排队情况。出口匝道关联相为红灯周期时，判断最大排队长度处是否出现超长排队现象，如果出现超长排队则在满足一定的条件下提前结束当前的红灯信号周期，提前启亮出口匝道衔接交叉口关联相绿灯信号；如果在判断结束时刻仍然无出口匝道衔接交叉口关联相位超长排队出现，则维持原信号配时方案。30图 4-25 相邻交叉口关联相位提前激活绿灯原理示意图 4-26 相邻交叉口关联相位提前激活绿灯控制流程判断出口匝道红灯是否提前结束时刻，需要满足几个条件：1）是否满足其他相的最小绿灯时长的约束条件；2）若要提前结束其他相位的绿灯信号，则该相位的车辆排队长度是否小于最大排队长度。
