（道路与铁道工程专业论文）城市快速路入口匝道控制研究.pdf

摘要 摘要 城市快速路的在城市交通中的重要地位和经常处于拥挤的现状，对入口匝 道控制提出了迫切需求。城市快速路的交通运行模式不同于城市地面道路和高 速公路，故有必要研究与之相适应的交通控制策略和方法。 匝道调节在我国城市快速路管理中一直未得到应用，其中的一个原因是对 其必要性存在顾虑。本文通过理论分析引证了入口匝道调节对改善路网效率的 作用。在分析实际数据中发现，匝道车流的到达因受到地面交叉口信号灯的作 用而呈现出不均匀性，并且无论主线处于畅通或是拥挤状态，不均匀到达的匝 道车流都造成主线运行扰动现象。扰动现象为实施匝道调节控制的必要性提供 了直接论据。 根据入口匝道是否有替代路径、是否已实施调节控制，本文将匝道控制问 题分为三类：有替代路径时的匝道控制、无替代路径时的匝道调节和无调节措 施的匝道关闭。 基于城市快速路与地面道路的相互关系，以及匝道关闭的o d 重分布效应， 设计了有替代路径时的快速路入口匝道控制策略和流程。控制策略为“以快速 路为主、兼顾地面道路”，控制流程集成了匝道调节与关闭两种方式。从实用和 可靠的角度考虑，建议当前应用中采用启发式控制算法，并结合控制策略对 b o t t l e n e c k 算法进行了修正，提出了匝道瓶颈的概念和调节率修正方法。排队空 间和排队管理策略是匝道调节系统得以成功应用的关键。针对城市快速路匝道 排队空间小和匝道存在替代路径的特点对常用排队管理策略进行分析后，提 出无空禁用的管理策略，并对具体的管理方式进行了初步设计。匝道调节工程 的实施需要逐步开展。为给入口匝道调节工程的优先排序提供决策依据，本文 建立了评价匝道流量到达模式的不均匀度指标。 在某些情况下，城市快速路入口匝道不存在替代路径。结合无替代路径时 城市快速路入口匝道调节特点，提出两种新的匝道调节算法。与已有算法相比， 新算法有助于降低匝道延误。本文对实施调节控制所需要的最小排队空间进行 研究，为分析实施匝道调节的可行性提供依据。 结合实际交通数据，本文对无调节措施时的匝道关闭问题进行了研究，包 括典型案例分析、定时关闭和动态关闭的位置选择、关闭决策流程及相关方法 摘要 等。 匝道控制中是否应该采取关闭措施，即与当前交通状态有关，也与未来交 通系统短时变化有关。本文提出基于非参数回归的短时流量预测方法，着重对 状态向量构造、近邻的选择和权函数的确定做了研究。真实数据的检验表明预 测误差低于7 。 最后就进一步研究方向进行了简要的讨论。 关键词：城市快速路，入口匝道控制，匝道调节的必要性，主线扰动，替代路 径，匝道关闭，控制策略与流程，启发式控制，修正的b o t t l e n e c k 算法， 排队管理，短时交通预测 a b s t r a c t a b s t r a c t r a m pc o n t r o li sn e c e s s a r yt ou r b a ne x p r e s s w a yb e c a u s eo fi t si m p o r t a n c ei nc i t y t r a n s p o r t a t i o na n dc o n g e s t i o n s i n c eo p e r a t i o np a t t e r ni sd i f f e r e n tf r o ms u r f a c es t r e e t s a n df r e e w a y , u r b a ne x p r e s s w a yn e e d sn e w a p p r o p r i a t er a m pc o n t r o ls t r a t e g i e sa n d m e t h o d s t h ef a c tt h a t r a m pm e t e r i n gn o tb ea p p l i e di nd o m e s t i cu r b a ne x p r e s s w a y m a n a g e m e n ti sr e l a t e dw i t ht h es u s p i c i o na b o u ti t sn e c e s s i t y b e s i d e sc i t i n gc u r r e n t r e s e a r c hf i n d i n g st op r o v et h ee f f e c to fr a m pm e t e r i n gi n i m p r o v i n gt r a f f i cn e t w o r k e f f i c i e n c y , ag r e a td e a lo fr e a ld a t ai sa n a l y z e di nt h et h e s i s f r o mt h er e a lt r a f f i cd a t a , t r a m cs t r e a mi n o n - r a m ps h a p e db ys i g n a l i z e di n t e r s e c t i o nm a yc a u s em a i n l i n e t u r b u l e n c e ，w h i c hm e a n su n e x p e c t e dd e c r e a s i n gi nv e h i c l es p e e d sa td o w n s t r e a mo f f r e e w a y r a m pm e r g ep o i n tn om a t t e rm a i n l i n e b e i n gc o n g e s t i o no r n o t t h e p h e n o m e n o nc a nb es e r v e da sad i r e c te v i d e n c ef o rt h en e c e s s i t yo fr a m pm e t e r i n g a c c o r d i n gt ow h e t h e ro n r a m ph a ss u b s t i t u t er o u t eo rr a m pm e t e r i n gh a sb e e n a p p l i e d ，r a m pc o n t r o lp r o b l e m sc a l lb ed i v i d e di n t ot h r e et y p e s ：r a m pc o n t r o lu n d e r h a v i n gs u b s t i t u t er o u t e sc o n d i t i o n , r a m pm e t e r i n gu n d e rn o n - s u b s t i t u t er o u t es i t u a t i o n ， r a m pc l o s u r ew h e ni th a sn or a m pm e t e r b a s e do nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nu r b a ne x p r e s s w a ya n ds u r f a c es t r e e t s ，a n dt h e o dr e d i s t r i b u t i o ne f f e c tc a u s e db yr a m pc l o s u r e ，t h eo n r a m pc o n t r o ls t r a t e g ya n d f l o wu n d e rh a v i n gs u b s t i t u t er o u t e sc o n d i t i o ni s d e s i g n e d t h ec o n t r o ls t r a t e g y f o c u s e so nu r b a ne x p r e s s w a y ，a sw e l la ss u r f a c es t r e e t s t h ec o n t r o lf l o wi n t e g r a t e d r a m pm e t e r i n ga n dr a m pc l o s u r e a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c eu s a g ea n dr e l i a b i l i t y , h e u r i a i cc o n t r o la l g o r i t h m sa r ep r o p o s e df o rc u r r e n ta p p l i c a t i o n t h i st h e s i sm o d i f i e s b o t t l e n e c ka l g o r i t h mb a s e do nt h ec o n t r o ls t r a t e g y , w h i c hh a sa d d e dt h em e t e r i n gr a t e o fr a m pb o t t l e n e c k s t o r a g ea n dq u e u em a n a g e m e n ti st h ek e yp o i n to fs u c c e s s f u l a p p l i c a t i o no fr a m pc o n t r o ls y s t e m o w et ot h el i m i t e d s t o r a g ea n dt h ee x i s t e d s u b s t i t u t er o u t e s ，t h e n os p a c e ，n oa v a i l a b i l i t y s t r a t e g yi ss u g g e s t e da n dt h ep r i m a r y i m p l e m e n tm e t h o di sd e s i g n e d t h ea p p l i c a t i o no fr a m pc o n t r o lp r o j e c t ss h o u l db e a b s t r a c t c a r r i e do u ts t e pb ys t e p i no r d e rt o p r o v i d ed e c i s i o nr e f e r e n c ef o ro r d e r i n gt h e p r o j e c t s ，a l li n d e xn a m e da su i ( u n i f o r m i t yi n d e x ) i sb u i l dt oe v a l u a t eo n r a m p s t r e a mp a t t e r n s o m e t i m e su r b a ne x p r e s s w a yh a sn o s u b s t i t u t er o u t e ，t w ok i n d so fr a m p m e t e r i n ga l g o r i t h m si sd e s i g n e ds p e c i a l l yf o rt h i ss i t u a t i o n ，w h i c hh e l pt or e d u c e o n - r a m pd e l a ya ne q u a t i o ni sg i v e nt oe s t i m a t et h em i n i m u ms t o r a g er e q u i r e m e n t s f o rr a m pm e t e r i n g i fa v a i l a b l es p a c ei sl o w e rt h a nm i n i m u m v a l u e ，r a m pm e t e r i n gi s n o tf e a s i b l e b ya n a l y s e ss e v e r a lt y p i c a lc a s e s ，d e c i s i o n - m a k i n gm e t h o da b o u ts c h e d u l e d c l o s u r e sa n dd y n a m i cc l o s u r e si ss t u d i e d ，i n c l u d i n gt h eb e g i n n i n gt i m ea n dp o s i t i o n o fr a m pc l o s u r e w h e t h e ra no n - r a m ps h o u l db ec l o s e do rn o ti sr e l a t e dw i t hs y s t e ms h o r t - t e r m e v o l u t i o n ，a sw e l la sc u r r e n ts t a t e as h o r t - t e r mf o r e c a s t i n gm e t h o db a s e do nn e a r e s t n e i g h b o ra l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，a n di t sp r e d i c t i o ne r r o ri sw i t h i n7 r e s e a r c hi s f o c u so ns t a t ev e c t o r c o n s t r u c t i o n ，n e i g h b o rs e l e c t i o na n dw e i g h t i n gf a c t o r c a l c u l a t i o n i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：u r b a ne x p r e s s w a y , r a m pc o n t r o l ，n e c e s s i t yo fr a m pm e t e r i n g ，m a i n l i n e t u r b u l e n c e ，s u b s t i t u t er o u t e s ，r a m pc l o s u r e ，r a m pc o n t r o ls t r a t e g ya n d f l o w , h e u r i s t i cc o n t r o la l g o r i t h m s ，m o d i f i e db o r l e n e c ka l g o r i t h m ， q u e u em a n a g e m e n t ，s h o r t t e r mt r a f f i cf l o wf o r e c a s t i n g 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 糊躲鹏 年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 拍 年月 日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签娟( 日焰 第l 章序言 1 1 研究背景 第1 章序言 随着经济的发展、城市化进程的加快和城市区域的外扩，人们日常出行的 范围r 趋扩大。从城市一端赶往几公里甚至几十公里外的另一端工作、学习、 购物或是娱乐，已经成为现代都市人的生活的一部分。这种生活方式，大概让 生活在依靠步行或马车出行年代舶人们难以想象，但汽车文明的发展，促成了 这一巨大的变化。汽车的速度，大大缓解了地域对人们生活和工作方式的束缚。 遗憾的是，尽管汽车本身速度可以高达1 0 0 2 0 0k m h ，可是城市早无处不 在的交通拥挤使得其性能无法得以完全发挥，世界上各大城市地面道路平均车 速普遍低于3 0 k m h ( 周小鹏，2 0 0 5 ) 。为改善出行的便捷性和可达性，城市快速 路( u r b a ne x p r e s s w a y ) 这一新的道路形态大量涌现。 近十年来，我国城市快速路芨展迅猛：上海市快速路网栉局为三环十射， 北京市环路达到六条之多，外加多条射线状快速路；广州、天津、济南和杭州 等城市也在筹划扩大城市快速路的规模。作为城市内交通的大动脉，城市快速 路对保证城市内出行的快遮、便捷起着重要作用。快速路网运行效率的高低， 对整个城市交通状况具有至关重要的影响。 幽i 一1 + ( ”上海快速路网( 2 ) 北京快述路网 按照建设意图，城市快速路应浚是“快速”的，为车辆提供快速、安全和便 第1 苹序青 捷的行驶州、境。但不幸的足，城h 陕速路经常发生如f 的情况： 口不断从匝道“挤”八士线的车辆迪使主线速度h ：断降低： o士线车速的降低义导致车辆不能尽快到选目的地从而幽积r 快速路 e ，这反过来又使得入门匝道车 辆更难以汇入主线： 口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； 口快速路车速的降低使得服务能 力和服务水平急剧下降，f 是部 分车辆转移到地而道路嘲加剧 地面道路交通j e j ： 口 受地哳交叉几作】_ l _ | ，f m 逍f ：的 r 辆无法尽消敞，1 二辆排队蔓 延，导致快速路主线阻塞。 在这小断相互作用的恶性循环中 快速路变得不再“快速”，快速路网与城 i 订道路网络的基本功能在高峰时段都难 以得到发挥。缓解交通拥挤己足社会各 界的共同呼声，也成为政府管理部门 项重点工作。 逃成交通拥挤的原冈是多 血的， 包括交通需求增长过快、城市形态不台 理、路网组合不科学、道路设施不足、 信号灯设置a i 当、交通行为不文明 等等。所以，清理城市交通捌挤问题需 幽i - - 2 * 城 1j 伙速路堵中心片 要采用技术、经济、政策、宣传教育等各种方式，多管齐f 。 交通信号控制是除交通规划、交通政策、交通纽织等拙术之外的刑变通流 运行产生晕要作用的一个手段对提高出行效率、维护交通秩序和保证行车安 全发挥积极作用。相对其他措施阿吉，变通拧制具有见实施方便、对局部交通 问题影响效果明锰的特点。 第1 章序言 自1 8 8 6 年英国伦敦首次使用红绿两色煤气照明灯以来( 徐吉谦，2 0 0 4 ) ， 城市道路交通信号控制技术经历了一百多年的发展，并随着计算机技术、检测 器技术和网络信息技术的迅速发展而取得显著进展。城市交通控制经历了从点 控制到线控和面控、从定时控制到感应控制和实时自适应最优控制的过程。目 前，有影响的交通信号控制系统有t r a n s y t 、s c o o t 、s c a t s 、s p o t u t o p i a 等( 吴兵，2 0 0 5 ) 。实践证明，合理的地面道路的信号控制系统能明显提高交通 运行效率、改善出行安全。 与城市道路相对应，高速公路控制技术自上世纪6 0 年代以来也得到了广泛 地重视，并在许多国家进行了研究和实践。入口匝道控制是高速公路交通控制 中使用最广泛的一种方式( 刘伟铭，1 9 9 8 ) 。控制算法从空间上分为单点控制和 区域协调控制，从时间上可分为定时控制与实时动态控制，出现了包括a l i n e a 、 b o t t l e n e c k 、m e t a l i n e 等一系列代表性算法。实际数据和仿真研究表明，匝道 调节对提高高速公路的运行效率发挥着积极而明显的作用。 而城市规模的扩大，城市快速路的大量建设与运营，对交通信号控制技术 提出了新的要求。城市快速路和地面道路融为一体，共同组成为车辆服务的道 路网络。城市快速路的交通运行模式既不同于城市地面道路，也有别于城市间 的高速公路，主要表现有： l 、快速路是汽车专用道路，无行人和非机动车的干扰，车流之间无直接冲 突，不同于地面交叉口的交通组织方式； 2 、城市快速路匝道密集，入口匝道和出口匝道处的合流、分流问题成为影 响主线运行状况的一个重要因素；而高速公路介于城市之间，匝道间距 较大，其交通流基本可视为连续流，交通事件是影响运行的主要因素。 3 、城市快速路经常处于商饱和运行状态，通常主线交通流量、匝道需求远 高于高速公路。 4 、快速路匝道与地面交叉口的问距较小，匝道排队空间远低于高速公路， 因此快速路与地面道路之间的相互影响、相互作用更为显著和迅速。 5 、快速路匝道间距小、周边路网发达，匝道车辆的可行替代路径较多；而 高速公路入口匝道问距大，周边道路服务水平明显低于高速公路，因此 匝道车辆的可行替代路径较少。 由此可见，城市快速路与国内外现有交通控制技术的应用场合存在较大差 别。目前已有的、分别适用于城市道路网和高速公路的交通信号控制技术，面 3 第1 章序言 临应对新的道路网络形式及由此带来的新的交通模式的挑战。新的需求期待着 与之适应的交通控制策略和方法。 随着改善城市交通状况呼声的与同剧增，缓解拥挤已经成为所有交通管理 组织部门的共同目标。为达到整个交通系统的最优化运行，各相关部门已意识 到相互协作的重要性及紧迫性。因此，在这样的背景下，综合考虑地面道路和 城市快速路交通运行，研究城市快速路交通控制问题，具备了必要的社会推动 力量。雨交通流与交通控制理论的研究进展，交通信息采集、处理、传输等技 术的快速发展，为控制策略与方法的实现提供了技术支撑。 在交通拥挤已成世界大城市通病的今天，城市快速路网与地面道路网r 趋 融为一体的形势下，探寻适用于城市快速路的交通控制研究，具有必要性和重 要性，研究成果将在降低出行时问、改善交通安全、减少资源消耗与污染物排 放方面起到积极作用，具有直接的经济效益和社会效益。 1 2 研究内容 随着城市规模的不断扩大，快速路所覆盖的范围也不断增加。本文认为城 市快速路可以进一步划分为城市内部快速路和城市外围快速路，二者的区别在 于： 1 服务对象。内部快速路以市内交通为主，外围快速路主要为过境交通； 2 出行距离。内部快速路多为短途，根据推算如上海市内环线平均出行距 离为5 k m ，中心区域数值更低；外围快速路多为中长途出行； 3 匝道问距。内部快速路匝道间距较短，外围快速路匝道问距较长。如内 环线浦西段入口匝道间距约为2 2 k m ，中环线入口匝道间距为3 5 m 【1 2 l ， 外环线更大； 4 主线车道数目。内部快速路车道数受限于用地范围，如上海内环线大部 分为双向4 车道：而外围快速路车道数较多，如上海市外环线为双向8 车道； 5 匝道与地面交叉口的间距。城市内部路网发达，地面道路交叉口问距小， 相应地快速路匝道与地面交叉口的间距也很小；而外围快速路的匝道距 离地面道路交叉口相对要远。 4 第1 章序言 从交通控制的角度看，城市外围快速路基本可以借鉴高速公路的控制方法， 国外相关的研究和应用较为成熟。而针对城市内部快速路的交通控制方法，研 究和应用相对较少。为缓解城市交通拥挤，这方面的研究有更为迫切的需要， 所以本文研究对象定为城市内部快速路。在后文中快速路均指城市内部快速路。 目前与城市快速路控制相关的技术手段中，匝道控制、主线控制、网络路 由控制和通道控制受到的关注较多。 匝道控制主要有匝道调节和匝道关闭两种方式。入口匝道调节( r a m p m e t e r i n g ) ，是在入1 ：3 匝道上设置信号灯，调节匝道进入主线的流量，以保证快速 路运行状态的一种控制手段。按时间方式分为静态调节和动态调节，按空阳j 方 式分为单匝道局部调节，多匝道协调控制，网络联动控制等。静态调节基于不 同时段内交通需求的历史数据有一定统计规律、变化不大的特点，在不同时段 内按预先设定的固定调节率进行匝道调节，没有利用实时检测的交通信息。动 态调节利用实时检测信息，根据交通需求变化随时调整匝道调节率，通常在发生 突发事件时能起到较好的效果。在特殊情况下，一般控制措施已无法改善交通 状况时，也会采取匝道关闭的极端措施。由于关闭是对整个交通系统的影响较 大，一般难于被公众接受，所以认为应该尽量避免使用。另外还有一种以安全 为原则的微观控制方法一一汇入控制，根据主线外侧车道车流间隙长度决定是 否放行匝道车辆，只有当检测到主线车流间隙长度不小于可插入间隙时，彳。允 许匝道车辆进入主线。这种方法适用于入口匝道视距不良、需要优先考虑安全 因素、主线中间车道流量偏大且外侧车道流量较小的情况。由于汇入控制的排 队等待时间较长，系统设备较多、成本较大，国外已较少采用。 主线控制的主要方法有可变限速控制、车道控制、驾驶员信息系统( 唐辉， 2 0 0 1 ) 。在交通需求接近通行能力时，即使交通流密度小于临界密度，交通流的 不均匀性，如交通流密度空间分布不均、车辆速度相差较大，所产生扰动也会 导致交通流不稳定而引发搠堵。使用可变限速控制可使主线交通流保持均匀和 稳定，改善交通流运行状态。车道控制是通过对车辆在使用车道的时间和空间 的限制对交通流进行控制；驾驶员信息系统是通过可变信息情报板、路侧无线传 输装置，车载设备对驾驶员提出行车速度、车辆间距限制的警告，提供行程时 问和行驶路线等实时交通信息进行路线引导，使其选择合理的运行状态，保证 交通畅通。此外还有优先控制，对一定种类的车辆在使用交通设施时分配优先 通行权或特别使用权，如对救护车、公共汽车、合用车辆的优先控制。 s 第l 章序言 网络路由控制是近年来的热点研究动态交通分配问题( 张海军，2 0 0 5 ) 。 在现有交通模式下，由于出行者在出行途中很难得到实时交通信息，因而无法 及时选择最优行车路线，以最小费用抵达终点。交通需求与供给不平衡而无法 充分利用路网资源，导致高峰期间长时间拥堵。在驾驶员路径选择行为在很大 程度上是可以预测的前提下，网络路由控制以某个性能指标最优为目标，根据 驾驶员路径选择行为，为路网中的车辆实时分配路径。主要通过可变信息标志 v m s ( v a r i a b l em e s s a g es i g n s ) 实现，按所选取的交通分配原则分为用户最优问题 和系统最优问题。 通道控制是通过在通道系统内有效地分配和管理交通流以达到在交通需求 和通道通行能力之问获得最佳平衡和充分利用通道通行能力的目的，使整个通 道系统处于最佳运行状态( 张建嵩，2 0 0 2 1 张建嵩，2 0 0 3 ) 。通道系统由快速路、 辅路、互通立交、平行主干道，连接快速路和主干道的交叉道路组成。通道控 制以多层分级控制的方式实施，高层主要功能是制定和调整全区域的控制战略， 协调各子区域的控制，各中间层负责各子区域内的短期控制策略，低层实施局 部的实时控制。由于通道系统控制是以系统最优为目标，其控制对象又分布在 较大的地区范围上，所以要求通道系统的控制采用交通感应控制方式，这样通 道控制系统能否有效监测各条道路交通状态是控制效果好坏的关键因素。影响 通道控制效果的另一个基本因素是通道控制方法。由于通道控制对象包括高速 公路主线、匝道、侧道及干道、城市街道，它们在控制方式、控制方法上有很 大区别。如何选择各类控制对象的交通控制方法，以及如何组织、协调这些控 制方法，是通道控制的战略问题。 总体来说，匝道调节技术在国外高速公路上已经有了许多应用的实例，但 在城市快速路的应用不多，特别是针对城市内部快速路的匝道调节研究更少。 高速公路与城市快速路的在设施结构和交通模式上的差别，决定了城市快速路 匝道调节不可直接沿用国外现有经验。 本文以上海快速路交通为背景，对城市快速路入口匝道控制的策略、方法 和相关技术进行研究。 匝道控制措施分为调节和关闭两种。研究匝道控制策略和方法时，有必要 按属性对匝道进行分类，以便有针对性地解决问题。在城市快速路同常交通控 制管理中，入口匝道可分为可关闭和不可关闭两类。前者指入口匝道有替代路 径，关闭是用户可接受一种的管理措施；后者通常是特殊位置的入口匝道，如 6 第1 章序言 河流、铁路周边的匝道，用户无其他可行替代路径，关闭是不可接受的管理措 施。匝道也可按是否已可实施调节控制分类。于是城市快速路匝道控制问题可 分解三大类： 1 3 章节安排 匝道分类问题分类 太n 1 1 ：j4 葭眨，九 ：乍f 匕譬 i 傩i f i 约l ，瞳 趱潮1 j 父涵呵接受，白张代路径埘的孵 白眦道调节道挣制 咒涮1 了措施l f f 的l i l 七m 邀阋缸叶道又瞳1 图l 一3 城市快速路匝道控制问题分类 基于本论文的研究内容，各章节的安排如下： 第l 章：序言。阐述开展本研究的背景和意义、研究内容及对内容的分类。 第2 章：入口匝道控制综述。对当前匝道控制的应用情况、效果、算法模 型进行了综述，包括匝道调节和匝道关闭两种方式。 第3 章：入口匝道调节的必要性分析。匝道调节一直在我国未得到应用， 这既与交通检测、信息诱导等相关技术发展水平有关，更重要的是对实施城市 快速路匝道调节控制的必要性存在顾虑。充分论证匝道调节控制的必要性，取 得管理部门与公众的认可，是这一措施得以顺利决策和实施的前提条件。因此 这也成为本论文的一个研究问题。 第4 章：有替代路径时的匝道控制。有替代路径是指当匝道关闭后用户可 选择其他替代路径完成出行，意味着必要时采取关闭匝道等控制措施将交通流 分流到地面道路也是一种可行的管理方式。城市快速路与地面道路组成紧密联 7 第l 章序言 系的网络，绝大部分入口匝道都有替代路径，因此成为城市快速路入口匝道控 制研究的重点。匝道关闭可否接受是城市快速路与高速公路匝道控制的区别， 后者往往只有在特殊紧急情况下爿采取关闭匝道的控制方式。针对城市快速路 的特点，本章对匝道控制的策略和流程进行了研究，并对不同的调节算法类型 进行比选，结合控制策略提出匝道调节算法。另外，对实施匝道调节控制时排 队管理策略及方式、工程实施的优先排序、车辆放行模式和停车线的设置位置 等问题进行了分析研究。 第5 章：无替代路径时的匝道调节。某些特殊情况下，城市快速路入口匝 道不存在替代路径，但同样存在实施调节控制的必要性。本章结合无替代路径 时城市快速路入口匝道调节特点，对匝道调节算法和实施调节控制所需要的最 小排队空间进行了研究。 第6 章：无调节措施时的匝道关闭浅析。匝道关闭技术在国内外研究的较 少，然而目前却是上海快速路交通控制的一项常规措施，并且在一定时| 日j 段内 还有应用的需要，本章对无调节措施时的匝道关闭相关问题进行了分析研究， 包括典型案例分析、定时关闭和动态关闭的位置选择及关闭时机等。 第7 章：短时交通预测。在确定是否应该采取匝道关闭措施时，需要对交 通需求进行短时预测。本章综述了现有预测方法，提也基于最近邻函数法的预 测方法进行短时流量预测。 第8 章：总结与展望。总结全文，并对后续研究进行展望。 8 第1 章序言 参考文献 】 徐占谦交通l ：科总论北京：人比交通出版社，2 0 0 4 2 周小鹏香港公共交通运营管理模式交通运输系统l ：样与信息，2 0 0 5 。v 0 1 5 ( 1 ) ：7 4 - 7 7 c 3 吴兵交通管理控制北京：人比交通出版社，2 0 0 5 4 刘伟铭高速公路系统控制方法北京：人比交通出版社，1 9 9 8 5 刘智勇智能交通控制理论及其应川北京：科学出版社，2 0 0 3 6 庸辉城市快速路交通控制策略及算法研究北京i n l , 人学博十学位论文，2 0 0 1 7 张海军城市高速道路路口匝道动态协调控制方法研究同济大学博十学位论文，2 0 0 5 8 3 张建嵩城市高架道路交通控制技术，同济人学硕十学位论文，2 0 0 2 9 张建嵩，陈建国l ，孙立军城市道路中的通道控制模型交通运输i ：稗学报，2 0 0 3 v 0 1 3 n o 4 1 0 千殷海，交通流理论，入氏交通出版社，2 0 0 2 年 11 杨晓光，城市快速道路交通流仿真方法研究，公路交通科技，1 9 9 9 v 0 1 1 6n o 2 1 2 u sd e p a r t m e n to ft r a n s p o r t a t i o n ，f e d e r a lh i g h w a ya d w i n i s t r a t i o n ，f r e e w a y m a n a g e m e n ta n do p e r a t i o n sh a n d b o o k ，s e p t e m b e r2 0 0 3 1 3 f e d e r a lh i g h w a ya d m i n i s t r a t i o n ，r a m pm a n a g e m e n ta n dc o n t r o lh a n d b o o k ( d r a f t ) ，2 0 0 5 。 1 4 宰图1 - 1 ，卜2 分别引臼 h t t p ：w w w s h s z g o v c n g o v i m g x 叭p j p g w w w ，b j x c h i n v e s t g o v c n b b o s r 0 0 6 _ h h i m h t t p ：w w w q g l t c o m b b s r e a d f i l e ? w h i c h f i l e = l1 3 8 0 6 9 4 & t y p e i d = 1 4 h t t p ：n e w s x i n h u a n e t c o m f o c u d 2 0 0 3 - 0 8 2 0 c o n t e n t10 3 3 3 7 4 h t m 9 第2 章入口匝道控制综述 2 1 引言 第2 章入口匝道控制综述 目前的交通控制技术可分为交叉路口的信号控制和高速道路的交通控制两 类，从道路形态和交通流运行模式上来看，快速路控制技术无疑更应类似于后 者。所以，在本文首先回顾高速公路的交通控制技术。 目前高速公路采用的交通控制策略有入口匝道控制、主线控制、通道控制 等类型，此外还有一系列管理模型。 主线控制就是当道路交通需求接近通行能力时，对主线交通流进行调节与 诱导，使之比较均匀、稳定，常用的技术包括主线调节、可变速度控制、车道 使用控制及驾驶员信息系统等。主线调节对经由主线入口( 如收费站、隧道等) 进入高速公路控制路段的交通流实行控制，使该段下游能保持期望服务水平。 可变速度控制通过设置限速标志来限制行车速度，从而使交通流更加稳定。国 外运行经验，特别是西欧国家所进行的试验证明了这一效果( 荆便顺，1 9 9 5 ) ， 但上海市经验表明效果比预期要差，原因可能是可变速度标志的约束力较弱。 车道使用控制是一种紧急控制手段，包括车道关闭控制、可逆车道变向控制、 公共汽车与合用小客车专用车道等，其使用需要特定条件和场合( 吴兵，2 0 0 5 ) 。 驾驶员信息系统通过信息的发布来影响驾驶员的行为，在驾驶员有多种路线选 择、并信任所接受信息时有效。 通道控制是通过在通道系统内有效地分配和管理交通流以达到在交通需求 和通道通行能力之问获得最佳平衡和充分利用通道通行能力的目的，使整个通 道系统处于最佳运行状态。由于通道系统控制是以系统最优为目标，其控制对 象又分布在较大的地区范围上，所以要求通道系统的控制采用交通感应控制方 式( 刘伟铭，1 9 9 8 1k t i h n e ，2 0 0 4 ) 。这样通道控制系统能否有效监测各条道路 交通状态是控制效果好坏的关键因素。影响通道控制效果的另一个基本因素是 通道控制方法。由于通道控制对象包括高速公路主线、匝道、侧道及干道、城 市街道，它们在控制方式、方法上有很大区别。如何选择各类控制对象的交通 控制方法，以及如何组织、协调这些控制方法，是通道控制的战略问题。通道 l o 第2 章 口匝道控制综述 控制的复杂性使得这一技术仍需要更多研究( m a r k e sp a p a g e o r g i o u ，1 9 9 5 ) 。 出口匝道控制町采用2 种方法( 是兵，2 0 0 5 ) ：( 1 ) 调节驶离快速道路的车 辆数；( 2 ) 封闭出口匝道。第一种方法用于缓解邻近快速路出口的交叉口 ) | 挤 程度，但不利于行车安全，目容易影响主线交通。地特律的戴维森一洛奇快速 路i - 的互通式立交采用出口匝道调节控制，但效果不理想。第二种方法的主要 缺点足增加用户的出行时问及距离，容易遭到公众反对。 相列而j ，入口匝道控制是高速公路交通控制中使用最广泛的一种方式。 其纂奉原理是限制高速公路的车流量以保证高速公路自身的交通需求不超过其 通行能力，达到改善变通效率和安全的目标( 姜紫峰，1 9 0 7 ) 。入口匝道控制分 为匝道凋节和匝道关闭两种，由于匝道关闭影响较大，不易获得公众的支持 所以国内外研究和实践都比较少。囤外实际运行效果表明匝道调节对于改善主 线运行状况具有较好的教果。 对城市快速路控制而言，高速公路各种控制技术中，入口匝道控制技术最 具参考价值，所以下面着重介绍 口匝道控制技术。 2 2 匝道调节的应用现状 匝道调节虽早 f 上世纪5 0 年代术 6 0 年代初在美国的 芝加哥、底特律和洛 杉矶等城市应用，随 后有超过2 1 0 0 个匝 道调节器在美国的 2 9 个城市使用，具 体情况如下表 ( f h w a ，2 0 0 5 ) 。 美国在使用匝 道调节后，发现在交 通安伞、行程时川、 幽2i 美国匝道调“o 照片 速度、服务车辆数和环保方面部有所改善。在美国明尼苏达州的城市明尼阿波 第2 章入口匝道控制综述 利斯，通过关闭匝道调节器，来对比评价匝道调节的效果。经过长达6 周的实 验后发现，实施匝道调节可减少2 1 的车辆碰撞事故，主线流量提高9 。在明 尼苏达、格拉斯哥和苏格兰，基本都认为匝道调节是一项有益的交通管理策略。 表2 - 2 列出了匝道调节的一些效益情况。 表2 1 美国匝道调节使用情况 主要城市调1 ，器数聋宰 m i n n e a p o l i s s t p a u l m n 4 1 9 s a nd i e g o ，c a2 8 8 s a nf r a n c i s c o o a k l a n d s a nj o s e ，c a1 9 l l o sa n g e l e s a n a h e i m r i v e r s i d e ，c a1 3 1 6 h o u s t o n g a l v e s t o n b r a z o r i a , t x 1 2 8 p h o e n i x , a z 1 2 2 s e a t t l e t a c o m a , w a 1 2 0 m i l w a u k e e r a c i n e ，w i 1 1 8 c h i c a g o 1 l g a r y , i n l a k ec o u n t y , l l l1 3 p o r t l a n d 0 r v a n c o u v e r ，w a 1 l o 拳：为2 0 0 2 年数据 表2 2 匝道调节效益评价 1 2 第2 章入口匝道控制综述 通过实施匝道调节，可以获得以下几方面效益： 增加服务流量 提高车速 减少事故特别是追尾和侧面刮擦 提高出口匝道利用率 减少尾气排放 减少燃油消耗 但是，除带来上述效益外，匝道调节对交通系统还具有下列潜在影响 ( f h 姒，2 0 0 5 ) ： 1 交通分流效应。实施匝道调节后，部分用户选择利用与快速路平行的主 干道设施，以避免在匝道调节器处排队等候。对于短途出行者，这种影 1 3 第2 章入口匝道控制综述 响更明显，因为排队等候时问可能超过了利用速度较低的主干道所需额 外时间。如果可行路径不能支持分流的额外流量，那么附近道路的交通 状况可能变差。 2 公平问题。有观点认为匝道调节对于住在郊区的长途出行者有利，而对 生活在调节区域附近的短途出行者不利。对生活在市区的驾车者来说会 觉得不公平，因为经常需要在入口匝道处排队等候，丽长途出行者可以 方便地使用快速路。 荷兰在1 9 8 9 1 9 9 8 的十年内年共有2 0 处使用了匝道调节( h t a a l e ，f m i d d e l h a m ，2 0 0 0 ) ，主要用于如下场合： 1 ：3 靠近主线瓶颈的上匝道； 口 车流汇入过程对主线交通流造成干扰的上匝道。比如受信号灯作用，匝道车 辆脉冲性很强，短时间高强度的汇入车流将影响主线的运行。 h t a a l e 和f m i d d e l h a m ( 2 0 0 0 ) 对荷兰的多处匝道调节措施进行