高速公路入口匝道汇合控制研究.pdf

第6 期辽宁交通科技 4 3 高速公路入口匝道汇合控制研究 宋延石建军 北京工业大学交通研究中心 北京1 0 0 0 2 2 摘要匝道控制是一种抑制交通需求 解决高速公路交通拥挤的有效手段 入口匝道汇合 控制是一种以安全为目标的微观控制方法 本文详细介绍了汇合控制的控制流程 并与传统 的匝道信号调节控制做了比较 当交通量较大时 为提高主线车流的运行效率 确保匝道车辆 安全 快速地汇入主线 有必要对入口匝道实行汇合控制 根据间隙 接受理论 匝道汇入 量由主线最外侧车道的车流间隙数量决定 建立了入口匝道移位负指数分布通行能力模型 并对模型进行了拟合验证 关键词汇合控制入口匝道车头时距可接受间隙通行能力服务水平 1 前言 高速公路是专供汽车高速 安全 舒适行驶 并 能提供大交通量和高服务水平的现代化道路 随着 交通需求的增加 畅通的交通流开始变得混乱 甚至 形成拥挤 极大程度地影响了高速公路的交通安全 和运行效益 拥挤的本质是交通供给与需求关系不 平衡 作为解决拥挤的对策 不外乎扩大供给与抑制 需求两方面 一种方法是通过改建道路横断面增加 车道或在原有的线路上附加支线来增加供给能力 但此方法常受到费用过高 土地及环境等因素的制 约 这迫使人们去寻找其他解决方法 车辆需求 控制 抑制需求通常采取以下几种控制技术 入口 匝道控制 主线控制和通道控制和收费控制 本文 将对入口匝道控制进行深入的研究 2 人口匝道控制概述 入口匝道控制是应用最广泛的需求控制方式 其目标是减少进入高速公路的车辆数 从而使车辆 以最佳的交通密度行驶 取得最大的交通流量 入 口匝道控制方式包括匝道关闭 定时调节 感应调节 和汇合控制四种 定时调节和感应调节都是从宏观上对入口匝道 进行控制 它们都是在入口匝道处设置信号灯或检 测器 根据匝道下游容量和上游需求比较而确定单 位时间内放入主线的车辆数 至于何时放行最佳 系 统无法确定 有时匝道放入的车辆由于受到主线车 辆的阻挡 不能立即汇入车流间隙 导致在汇合区加 速车道上停车 产生拥挤 也增加了不安全因素 汇合控制是一种微观控制方法 以安全为控制 原则 1 其方法是在固定汇合处用信号灯引导匝 道车辆 使匝道车辆汇入高速公路的时刻 恰好是主 线交通流的间隙 从而使匝道车辆最大限度地 安 全地汇入 而对主线交通流没有任何干扰 这样主 线车流间隙得到充分利用 汇合控制系统有可接受 间隙汇合控制系统和移动汇合控制系统两种基本类 型 两者主要差别在于对匝道车辆的引导方式不 同 3 汇合控制流程 可接受间隙汇合控制是一种比较简单的控制方 式 可接受间隙汇合控制系统的基本组成部分有 匝 道信号灯 信号控制器 警告标志和间隙 速度检测 器 引 其构成如图1 圆 卜 图1 可接受间隙汇合控制系统的布置图 1 一匝道控制警告标志2 一排队检测器3 一检人检测器4 一检出检测 器5 一匝道调节信号灯6 一检测放大器7 一控制器8 一汇合检测器9 一间隙 速度检测器 可接受间隙是指主线两连续车辆间的车头时 距 它足够入口匝道处一辆车安全汇入的最小车头 间隔时间 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 检入检测器开始工作 信号 万方数据 4 4 辽宁交通科技2 0 0 3 1 0 控制器的工作流程如下 3 j 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 绿变黄又回到红灯 在实际中 当高速公路出现拥挤时 由于车流行 使速度低 连续的车辆之间的小间隙会形成较大的 车头时距 如果以此为依据来控制匝道信号灯 就会 出现许多车辆被放行而进入拥挤的高速公路 当然 这是不允许的 所以 如果高速公路交通流速度低 于某个预定值时 例如4 0 k m h 就以最小调节率 控制匝道车辆 一般为3 辆 m i n 在可接受间隙汇合控制系统中 如果放行车辆 的加速度和速度掌握不当就不能与被测出间隙同步 到达汇合点 则汇合出现困难和混乱 为此 在匝道 左侧设有绿色光带显示器 向匝道车辆提示高速公 路外侧车道的可接受间隙的移动情况 车辆跟随光 带的移动 则有利于掌握加速度和速度 有利于顺利 汇合 如果在预定的时间内没有可接受间隙 则交 通信号灯给绿色放行该车辆 但不显示绿带 只显示 小心汇合 警告标志 这种控制方法即移动汇合控 制 4 匝道通行能力模型 某四车道高速公路与一条单车道入口匝道相 连 根据测得的主线间隙 匝道信号引导车辆驶入交 织区 由于从匝道进入的车辆的速度较低 只能穿插 在主线最外侧车道的车流间隙中 而不能汇入内侧 快车道 因此 高速公路入口匝道汇合控制的通行 能力主要由主线最外侧车道上的车流特征决定 即 主线最外侧车道可汇入车辆的间隙越多 则由匝道 进入的车辆数就越多 车头时距分布是描述交通流特征的重要参数 也是通行能力分析 确定可接受间隙问题的主要依 据 根据不同的交通特征 人们对时距分布做了深 入的研究 提出了很多实用的模型 常用的时距分 布有 负指数分布 自由流 移位负指数分布 限制流 e r l a n g 型 各种不同程度的限制流 对数正态型 特殊地段 桥梁 隧道等 4 1 移位负指数分布通行能力模型 对于连续交通流 由于横向干扰因素少 主线车 辆在不同车道上的分布比较均匀 且在匝道交织区 一般不会出现超车行为 可认为主线车辆的车头时 距服从移位负指数分布 4 当交通量较大时 部分 车辆甚至会以最小车头时距t m s 结队行驶 为保证 高速公路主线交通流顺畅 匝道车辆只能在引道上 排队等候 可认为匝道车辆的到达服从定长分布 只有当主线侧车道流出现大于某个临界间隙值t s 时 匝道车辆才能进入主线 否则需要等待 设 a 表示车头时距大于t s 的自由流的比例 主线车 流的车头时距为h s 单车道交通量为q 辆 s 由 主线车流的车头时距概率分布密度为 f t 口ae m t t m t t 1 式中 a a q 1 一t m q 因此 主线车流头时距为h s 大于t s 概率 为 p h t a e 靠 t m 2 设t s 为匝道车流的随车时距 即当主线车 流的车头时距较大 允许两辆以上匝道车辆进入时 匝道上进入主线的相邻两车的车头时距 当t h t t 时 允许一辆车进入主线 当 t 志一1 t g h t k t g 时 允许k 辆车进入 主线 则主线车流出现能够提供k 辆车进入主线的 间隙的概率p k 为 p k p h t 愚一1 tg 一p h t k t g a p x t o k 一1 t g m 一口p x t c k t g t m 3 则单车道匝道的通行能力c 辆 为 c 3 6 0 0 p k k q 4 将式 3 代入式 4 级数求和后可得 c 3 6 0 0 q a e x t c t m l e t g 4 2 参数确定及模型验证 5 匝道车辆与高速公路上车辆合流时如下图 图 2 中的h 1 s 为车前时距 h 2 s 为车后时距 因图2 一a 中的主线车头时距恰好为只允许汇入一辆车时 的临界间隙 则有h 1 h 2 t 图2 一b 中t 为汇入 忌辆车时 匝道车辆之间的随车时距 通过对沈大高速公路交通流数据的分析 可知 万方数据 第6 期宋延等 高速公路入1 7 匝道汇合控制研究 4 5 h i h 2 t 与合流时的车速v k m h 有如下关 系 5 h 1 0 7 6 5 3 0 0 3 9 8v s h 2 1 1 8 0 6 0 厂弋 陟7 厂 0 3 4 2 v s t h 1 h 2 1 9 4 5 9 0 0 7 4v s t g 0 1 2 4 5 0 0 4 4 7 v s 广弋 陟7 入 陟7 入 广 茗彩誓磊虿多1 矛 h r 人k 辆 f 4 图2汇人车辆车头时距图 模型中参数t t t g 根据沈大高速公路的观 约 主线最外侧车道的车流特性 匝道车辆连续 测结果 其值可分别取1 5 s 4 s 2 s 参数a 的取值范跟弛特性 车流中的车型比例 本文着重讨论当 围见表1 交通量较大时 主线车流为限制流 车头时距符合移 表1 参数a 的取值范围 主线车流7 0 0 9 0 0 1 1 0 0 1 2 0 0 1 3 0 0 一 7 0 0 量 辆 h 9 0 01 1 0 01 2 0 01 3 0 01 4 0 0 1 篁 将以上各参数代入式 5 根据沈大高速公路实 测的主线车速和最外侧车道的车流量 利用模型算 出单位时间内 小时 由匝道汇入主线的车流量 并 与实测的匝道进入主线的车辆数做比较 做回归曲 线如图3 可见理论值与观测值的误差在可接受范 围之内 说明模型验证结果是可以接受的 o 4 0 06 0 08 0 01 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 0 主线交通量 图3 理论值与实测的通行能力比较 5 结语 高速公路对出行者的吸引力很大 但大批车辆 的涌入不仅会造成交通拥挤 还可能导致交通事故 入口匝道汇合控制是解决这类问题的有效途径 即 根据高速公路主线车流状况和入匝需求控制入匝流 量 入口匝道的通行能力主要受以下三个因素的制 位负指数分布 匝道上有车辆排队等候 车头时距符 合定长分布 建立了入口匝道移位负指数分布通行 能力模型 并做了模型的拟合检验 对于匝道车辆 到达是随机的 车头时距受不同车型影响较大的情 况 仍有待于进一步研究 参考文献 1 杨佩昆 张树升 交通管理与控制 m 北京 人民交通出版社 1 9 9 5 年 2 刘伟铭 杨兆升 高速公路系统控制工程 m 北京 人民交通出 版社 1 9 9 8 年 3 翟润平 周彤梅 城市交通控制原理及应用 m 北京 中国人民 公安大学出版社 2 0 0 0 4 覃煜 晏克菲 高架道路上匝道通行能力理论模型研究 j 武夯 交通科技大学学报 2 0 0 0 2 4 6 6 1 1 6 1 4 5 朱从坤 陈洪仁 王野夫等 高速道路匝道控制对道路通行能力的 影响 j 哈尔滨建筑大学学报 1 9 9 8 3 1 1 1 2 0 1 2 3 6 吴兵 杨佩昆 高速道路入口匝道能行能力研究 j 同济大学学 报 1 9 9 9 2 7 4 4 2 2 4 2 6 7 刘灿奇 李枫 空挡穿插的概率分析 j 上海交通大学学报 2 0 0 0 3 4 增刊 7 5 7 7 8 王殿海 严宝杰 交通流理论 m 北京 人民交通出版社 2 0 0 2 年 9 t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hb o a r d h i g h w a yc a p a c i t ym a n u a l n a t i o n a l r e s e a r c hc o t m c i lw a s h i n g t o n d c 2 0 0 0 1 0 t a k e s h ic h i s h a k y o u i c h it a m t t r a h e a d w a yd i s t r b u t i om