高速公路车道分配与入口多匝道协同控制方法.pdf
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1、第 39 卷 第 3 期2023 年 6 月 公 路 交 通 技 术Technology of Highway and Transport Vol.39 No.3 Jun.2023张军,宋浪,俞山川,等.高速公路车道分配与入口多匝道协同控制方法J.公路交通技术,2023,39(3):166-175.ZHANG Jun,SONG Lang,YU Shanchuan,et al.A collaborative control method of lane assignment and entrance multi-ramp on expresswayJ.Technology of Highway
2、and Transport,2023,39(3):166-175.DOI:10.13607/ki.gljt.2023.03.024基金项目:交通运输行业重点科技项目(2020-ZD3-018);山东省交通运输厅科技计划项目(2020BZ02-04)收稿日期:2023-05-06作者简介:张 军(1972),男,山东省济南市人,硕士,高工,主要从事智慧高速建设、高速公路数字化转型规划及管理工作。E-mail:960298382 。通信作者:江维维(1995),男,重庆市人,本科,助工,主要从事公路交通管理工作。E-mail:351733272 。高速公路车道分配与入口多匝道协同控制方法张 军1,
3、宋 浪2,俞山川2,江维维2,3(1.山东高速股份有限公司,济南 250101;2.招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆 400067;3.重庆交通大学 交通运输学院,重庆 400074)摘 要:为提升多车道高速公路主线合流区通行效率,由于主线合流区各车道交通特征差异,针对多条匝道相互合流再一同汇入主线的情况,分析了主线合流区流量均衡状态、各车道饱和状态和匝道流量对通行效率的影响,提出了多车道高速公路车道分配与入口多匝道协同控制模型,主要通过主线车道控制引导上游主线车辆提前选择合适车道行驶,同时采用入口多匝道控制协调匝道合流区各汇入匝道车辆的驶入,实现主线和匝道的通行效率最大化提升。仿真验证
4、及工程应用结果表明:通过主线车道控制引导上游主线车辆尽量选择内侧车道行驶,尽管会增加内侧车道行驶车辆的车均延误,但明显降低了主线和匝道的整体车均延误,说明主线车道控制与入口多匝道控制相结合对合流区通行效率提升优势明显,且主线合流区各车道流量均衡有助于提升入口匝道汇入效率。关键词:交通工程;入口匝道控制;多车道高速公路;车道控制;匝道合流文章编号:1009-6477(2023)03-0166-10 中图分类号:U491 文献标识码:BA Collaborative Control Method of Lane Assignment and Entrance Multi-ramp on Expre
5、sswayZHANG Jun1,SONG Lang2,YU Shanchuan2,JIANG Weiwei2,3(1.Shandong Hi-speed Co.,Ltd.,Jinan 250101;2.China Merchants Chongqing Communications Technology Research&Design Institute Co.,Ltd.,Chongqing 400067;3.College of Traffic&Transportation,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074)Abstract:To
6、improve the traffic efficiency of the mainline merge area of the multi-lane expressway,the influence of traffic flow equilibrium state,saturation state of each lane and ramp traffic flow on traffic efficiency was analyzed in the situation that multiple ramps merge into the main line,considering the
7、differences in traffic characteristics of each lane in the mainline merge area.Lane assignment of a multi-lane expressway and entrance multi ramp cooperative control strategy is proposed for the situation where the mainline lane control guides the upstream mainline vehicles to choose the appropriate
8、 lane in advance,while the entrance multiple ramp control coordinates the vehicles of each merging ramp in the ramp merging area to maximize the traffic efficiency of the mainline and ramps.The results show that the mainline lane control guides the upstream mainline vehicles to choose the inner lane
9、 as much as possible,which increases the average delay of the vehicles driving in the inner lane but significantly reduces the overall average delay of the mainline and ramps,indicating that the combination of mainline lane control and entrance multiple ramp control has obvious advantages to improve
10、 the traffic efficiency of the merging area,and the balanced flow of each lane in the mainline merging area helps to improve the entrance ramp convergence efficiency.The mainline merge area has a balanced flow of lanes,which helps to improve the efficiency of the entrance ramps.Keywords:traffic engi
11、neering;on-ramp metering;multi-lane expressway;lane control;ramp confluence 入口匝道控制(On-ramp Metering)是通过调整匝道信号灯配时以控制匝道行驶车辆汇入主线的数量及时机,降低匝道车辆汇入对主线交通运行的干扰,有助于提高主线合流区通行效率,在我国城市道路应用较为普遍。目前,Kan Y、Zhang G、Demiral C等1-3已提出了 ALINEA、ZONE、HERO 等入口匝道控制算法,随着神经网络、迭代学习等技术的发展,部分学者将其引入到匝道控制中。张伟等4将动态模糊神经网络用于匝道控制,并利用遗传
12、算法来训练搜索,相较经典的 ALINEA 有明显的改善效果。张茂帅等5在无模型自适应控制的基础上,加入开环迭代学习,并通过交通仿真验证了模型的正确性。入口匝道控制属于主动交通管控策略的一种,近年来相关研究正在积极探索各种主动交通管控策略之间的协同。如 Carlson 等6将主线可变限速与入口匝道控制相结合,相较单一管控策略优势更加明显。王凯等7从安全、效率等方面分析了速度诱导对匝道控制的影响。Han 等8针对高速公路主线连续设置多个出、入口匝道的情况,提出了一个双层优化模型,以实现各匝道间协同控制。孙凌峰等9研究了收费站流量管控与入口匝道控制的联动,以避免匝道排队溢出。宋现敏等10在快速路入口
13、匝道与地面交叉口间距过近处,探讨了两者的协同控制算法,而李妙晗等11则进一步研究了两者之间衔接段长度的合理取值。还有学者开展了入口匝道控制检测器数据存在丢失的补偿算法12、入口匝道控制效果评价13-15、入口匝道控制安全分析16-17等方面的研究。随着我国高速公路大规模改扩建推进,双向 6车道及以上的多车道高速公路越来越普遍,特别是临近城区的大流量高速公路,出入口匝道设置较为频繁,匝道连续分合流现象突出。如何保证多车道和大流量耦合作用下,高速公路入口匝道汇入的效率与安全是当前亟需解决的问题。Highway Capacity Manual 2010指出,入口匝道汇入车辆主要影响主线外侧 2 车道
14、和加速车道,因此在多车道高速公路上,将应急车道动态开放18、客货分离19、提前诱导换道20、分车道限速21等主线车道控制策略与入口匝道控制策略相结合将是研究的一个可行方向。为此,本文以多车道高速公路为研究对象,同时考虑多条汇入匝道相互合流再一同汇入主线的情况,提出了一种多车道高速公路车道分配与入口多匝道协同控制算法,以提升多车道高速公路主线合流区精细化管理水平,提升通行效率,减少交通冲突。1 协同控制策略1.1 确定研究对象根据公路路线设计规范(JTG D202017)规定,当互通立交与收费站、服务区、停车区等其他有出入口设施的间距过近或 2 个枢纽互通立交间距过近,可通过集散车道将两者组成复
15、合式互通立交。由于复合式互通立交组成要素、布设位置的差异,其形式复杂多样,因此在实际布设中通常将多股车流在匝道上形成合流(匝道合流区)后再一同汇入主线(主线合流区),以减少对主线交通运行的干扰。针对入口匝道控制信号灯布设位置进行分析:首先,若将匝道信号灯设置在主线与匝道合流处,加速车道长度难以满足停车车辆从 0 km/h 加速至主线120 km/h 的安全行驶要求,且匝道合流区也存在合流冲突;其次,入口匝道设置控制信号灯旨在调整车辆驶入数量和时机,与布设的相对位置关系不大。为此,本文以复合式互通为研究对象,并将匝道信号灯设置在匝道合流区,如图 1 所示。主线上的检测器、车道信号灯一般按车道设置
16、,情报板以门架或单臂跨于道路上的方式设置,也可选择单立柱设置在路侧,图 1 中布设位置仅为示意,不代表实际布设情况,具体布设方式根据实际应用场景确定。1.2 主线车道控制策略主线车道控制是指根据主线合流区各车道交通拥堵情况,采用交通设施引导上游主线车辆提前选择合适车道行驶,以确保主线合流区各车道流量均衡,最大化提升入口匝道可汇入车辆数量。在图 1中,以行车方向为参考,将主线从右往左的行驶车道分别编号为 1、2、n,n 为高速公路主线单向车道数,n 大于 2,即本文探讨的是双向 6 车道及以上多车道高速公路。将主线合流区车道 2 与车道 3 之间761 第 3 期 张 军,等:高速公路车道分配与
17、入口多匝道协同控制方法图 1 协同控制研究对象及设施布设Fig.1 Collaborative control research object and facility layout的同向车行道分界线施划为白色实线,或将主线合流区车道 1 与车道 2 之间的同向车行道分界线施划为白色实线,以避免入口匝道车辆汇入对内侧车道的影响。在主线合流区布设检测器 m0,检测主线合流区各车道交通流状态。在同向车行道分界线白色实线起始位置布设检测器 m2,检测当前位置各车道交通流状态。在主线合流区上游 0.5 km2 km 范围内布设至少一组主线引导设施,包括车道信号灯、检测器、可变信息标志、外侧广播等。车道
18、信号灯用于控制当前车道行驶状态,其显示灯色如表 1 所示。检测器 m1检测当前位置主线各车道交通流状态。可变信息标志和外侧广播用于引导主线车辆提前选择合适的行驶车道,显示内容包括“前方道路拥堵 选择内侧行驶”“前方匝道汇入 注意行车安全”2 种。主线车道控制策略如表 2 所示。表 1 车道信号灯控制显示灯色Table 1 Colors of lane signal control display控制标志灯色状态描述车道开放当前车道允许车辆通行车道关闭当前车道禁止车辆通行向左换道前方当前车道存在异常状态,请提前向左变换车道向右换道前方当前车道存在异常状态,请提前向右变换车道表 2 主线车道控制策
19、略Table 2 Control policy of main lanes控制策略编号控制策略车道信号灯可变信息标志和外侧广播状态描述1前方匝道汇入 注意行车安全主线各车道保持正常放行状态,提示驾驶员前方存在合流区2前方道路拥堵 选择内侧行驶主线各车道保持正常放行状态,引导驾驶员选择主线内侧车道行驶3前方道路拥堵 选择内侧行驶主线车道 1 显示“向左换道”,其余车道保持正常放行状态,引导驾驶员选择主线内侧车道行驶,车道 1 在主线合流区禁止主线车辆通行861公 路 交 通 技 术 第 39 卷1.3 入口多匝道控制策略入口多匝道控制是指在匝道合流区为每条汇入匝道配套设置一组信号控制设施,通过调
20、整匝道信号灯绿灯时长控制相应汇入匝道的车辆驶入数量和时机,以避免匝道合流区交通组织紊乱,提升匝道合流区通行效率。入口多匝道控制设施布设如图 1 所示,每条汇入匝道布设一组匝道信号灯、检测器,并施划停止线。匝道信号灯用于指示相应汇入匝道是否允许放行。检测器检测相应汇入匝道各车道交通流状态。入口多匝道控制策略如表 3 所示,部分匝道控制和多匝道协同控制中采用信号控制的汇入匝道存在匝道调节和匝道关闭 2 种状态。匝道调节是指允许车辆在一定时间间隔内驶入。匝道关闭是指始终禁止车辆在管控时段内驶入。表 3 入口多匝道控制策略Table 3 Entrance multi-ramp control stra
21、tegy 控制策略状态描述适用情况匝道控制系统不启用关闭入口多匝道控制系统,即匝道合流区所有汇入匝道不采用信号控制,保持正常放行状态主线交通运行畅通部分匝道控制只控制某些汇入匝道放行,其余匝道保持正常放行状态部分匝道需保证优先放行,例如匝道长度较短无法满足车辆排队要求多匝道协同控制匝道合流区所有汇入匝道均采用信号控制,并实现多个匝道间交通信号协调配时所有汇入匝道通行优先性相同1.4 主线车道分配与入口多匝道协同控制策略高速公路车道分配与入口多匝道协同控制策略具体如下:1)根据主线合流区交通饱和状态,以及外侧 2车道与内侧车道的流量差距,判断是否启用主线车道控制及相应的控制策略,以便诱导主线上游
22、车辆尽量选择内侧车道行驶,降低主线与匝道车辆的相互干扰,促使更多匝道车辆驶入高速。2)根据主线合流区外侧 2 车道交通饱和状态,以及入口匝道和主线上游外侧 2 车道的交通需求,判断是否启用入口多匝道控制及相应的控制策略,调整入口匝道车辆驶入数量和时机,降低对主线交通运行的干扰,保证主线通行效率。2 协同控制模型2.1 主线车道控制方法由Highway Capacity Manual 2010可知,高速公路主线合流区主线车辆与匝道汇入车辆的相互干扰主要集中在外侧 2 车道和加速车道。为此,我国多车道高速公路主线合流区标线施划方式为 3 种:1)将车道 2 与车道 3 之间的同向车行道分界线施划为
23、白色实线,合流影响区为车道 1、车道 2 和加速车道;2)将车道 1 与车道 2 之间的同向车行道分界线施划为白色实线,合流影响区为车道 1 和加速车道;3)主线合流区所有车道的同向车行道分界线均施划为白色虚线。前 2 种施划方式可降低匝道汇入对内侧车道的影响,因此,根据主线合流区各车道交通流量提前引导驾驶员选择合适行驶车道,有助于降低主线合流区交通冲突。考虑主线合流区前 2 种标线施划方式,通过检测器检测的交通流量数据,计算主线合流区各车道的交通需求与通行能力比值(即饱和度),公式如下:m0,n(k)=minqm2,n(k)+nqr(k)cm0,n,1 n1minqm2,n(k)+nqr(k
24、)cm0,n,1 n2minqm2,n(k)cm0,n,1 n3,N(1)1+2=1(2)2=0 j=120 j=2(3)qr(k)=Ii=1qri(k)(4)式中:n 为主线各车道编号,如图 1 所示,n1,2,N;m0,n(k)为周期 k 中主线合流区车道 n 交通需求与通行能力比值;qm2,n(k)为周期 k 中检测器m2检测的主线车道 n 交通流量,pcu/s;n为从入口961 第 3 期 张 军,等:高速公路车道分配与入口多匝道协同控制方法匝道驶入车辆选择车道 n 行驶的比例,0n1;qr(k)为周期 k 中入口匝道预计驶入总流量,pcu/s;cm0,n为主线合流区车道 n 通行能力
25、,pcu/s;qri(k)为周期 k 中匝道合流区各汇入匝道上检测器 ri检测的交通流量,pcu/s;i 为匝道合流区各汇入匝道编号,i1,2,I;I 为汇入匝道数量;j 为主线合流区标线施划方式,j1,2,j=1 表示车道 1 与车道 2之间的同向车行道分界线为白色实线,j=2 表示车道 2 与车道 3 之间的同向车行道分界线为白色实线。主线合流区外侧 2 车道与内侧车道饱和度比值(即流量均衡),计算如式(5)。若此值越大,越迫切需要引导更多主线上游车辆选择内侧车道行驶。m0(k)=maxm0,n=1(k),m0,n=2(k)minn3,Nm0,n(k)(5)式中:m0(k)为周期 k 中主
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