道路交通控制教学课件第九章 高速公路交通控制

省级精品课程第九章高速干道交通控制主讲：魏金丽本章内容：9.1

高速公路交通特性和存在问题9.2主线控制系统9.3入口匝道控制9.4出口匝道控制9.5交通异常事件监测与通道监控系统第九章高速干道交通控制9.1高速公路的交通特性和存在的问题交通特性：高速性：60km/h-120km/h安全性：分隔行驶和严格控制出入分隔行驶：中央分隔带，同向道路划分车道，使快慢车分道行驶。严格控制出入：全封闭、全立交方式，限制行人、非机动车和慢速车辆进入高速公路。舒适性：线形良好，没有陡坡和急弯，路面平整；服务设施和安全设施齐全。高效性：承担较高的交通容量。一条4车道高速公路日通过量为3~5万辆。通行能力大，运行效率高。高速公路的交通问题主要存在拥挤和交通安全问题，拥挤是研究重点。常发性交通拥挤是指在某些指定位置和某些特定时期经常发生的交通拥挤现象。交通需求超过了高速公路的设计通行能力用来描述在某些特定时期经常发生的交通拥挤现象偶发性交通拥挤是指由于诸如事故或其它特殊事件等随机事件造成道路实际通行能力下降而引起的交通拥挤现象。用于描述诸如事故或其他特殊事件等随机事件引起的交通拥挤现象。高速公路常发性交通拥挤的原因与未限制匝道出入有关进入匝道交通量与主线交通量相加导致合流路段的交通需求超过通行能力，主线将产生拥挤，并导致瓶颈上游车辆出现排队现象。拥挤出现的时间和地点均能完全准确地加以预测。道路几何上的缺陷几何瓶颈路段的通行能力低于高速公路邻近路段的通行能力。车道减少、交织路段短、道路横断面窄、标志短缺、视线不良、互通式立交不合标准等都是引起几何瓶颈的主要原因。第二类拥挤和第一类拥挤有许多相同的特性，也能完全准确地加以预测。高速公路偶发性交通拥挤的原因随机事件引起的延误和危险构成另一类同样严重的高速公路拥挤问题。市区高速公路最常见的偶发性问题类型包括：交通事故、车辆抛锚、货物掉落、不利的气候条件等。随机事件的位置和时间都是无法预测的，所引起的交通拥挤问题，难以采取控制交通需求或者提高通行能力等减轻常发性交通拥挤问题的对策来处理。解决高速公路交通问题的办法方案一新建高速公路或在原有线路上附加支线。成本高，拆迁费用大，而且会破坏居住环境，经济和环境均难以承受。方案二对高速公路上的交通情况进行控制，以期达到合理组织交通，减少交通事故，缓和或消除拥挤，提高道路利用效率的目的。设置高速公路监控系统，其成本仅占公路全部投资的5%~10%。方案二是解决高速公路交通问题的有效方法之一。高速公路交通控制的含义所谓高速公路的交通控制，就是对一些主要交通参数，如交通量、交通密度、速度、占有率、堵塞度以及交通状况、路面状况和气象参数等的实时观察和测量，根据交通参数及交通条件的历史数据或实时采集的数据，按照某种预定的性能准则来调节高速公路上的交通参数，从而使公路自动地保持最佳的运行状态。交通控制策略偶发性交通问题的控制策略策略：消除或防止引起事件的原因，管理好事件临近地段的交通需求，使高速公路尽快恢复正常服务水平。技术:建立监视系统，事件服务系统和驾驶员信息系统。常发性交通问题的控制策略控制交通需求、通过几何改善来提高通行能力、管理旅行需求。交通需求控制技术主要有：入口匝道控制、高速公路干道控制、优先通行权控制和通道控制高速公路的控制系统分为三个部分（1）高速干道主线控制系统（2）入口匝道控制系统（3）出口匝道控制系统其中使用最广泛的是入口匝道控制系统。9.2高速公路主线控制系统1.主线控制的作用取得最佳均匀车速，从而使瓶颈路段的通行能力达到最大；一旦因车速或车流密度发生变化而产生冲击波时，可防止汽车尾端冲撞；当出现事故或因维修而使干道通行能力受到限制时，可提高高速干道的使用效率。2.主线控制系统的几种控制方法1）可变限速控制法设置可变限速标志，指示随交通状况变化的限制车速。其作用是向驾驶员预告前方交通拥塞或将要通过瓶颈路段，驾驶员应按指示的限速行驶。

2）车道封闭控制法美国底特律试用车道封闭标志来提高高速干道使用效率。

3）可逆车道控制法高速干道在高峰期间，交通量将会出现较大的方向不平衡，这种不平衡在将来若干年内仍会存在，较为合理的解决办法是设计可逆车道。利用可变情报标志通告驾驶员该走哪一个车道。可逆车道的使用：西雅图北部的第5号州际干道上的可逆车道控制取得了较好的效果。优点：比较经济，能有效地利用道路空间和通行权。设计依据：车流有很大的方向不平衡性，且今后将继续存在应用：高速干道在维修养护期间，或一条车道因严重交通事故而引起车流阻塞时，可以利用对向车道作为应急之用。高速干道如果没有良好的平行干道或街面道路可利用时，应优先考虑使用可逆车道。若能保证安全、方便地行驶，则可逆车道能更有效地控制利用为车行道。是高速公路交通控制中使用最广泛的一种方式基本原理：平衡入口匝道处高速公路上、下游交通量。一般来说，如果上游交通量与从匝道进入的交通量之和大于下游的通行能力就会发生交通拥挤。若根据上游的交通需求与下游通行能力之差来限制进入匝道的交通流量便可减轻高速公路交通拥挤，车辆在高速公路上的总延误时间及在匝道上等待进入高速公路的时间也会减少。入口匝道控制的基本原理就是限制进入高速公路的车辆数目以保证高速公路自身的交通需求不超过其交通容量。9.3高速公路入口匝道控制入口匝道的控制入口匝道控制的作用减少整个高速干道系统内所有车辆的行程时间；（干道＋通道）使交通流量均匀平滑；消除或减少交汇中的冲突和事故；可以减少车辆运行中的不舒适感和环境的干扰。入口匝道的控制作用可以是上述作用中的一个、几个或全部。入口匝道控制成功与否的条件（1）若要减少行程时间，则应有其它可供选择的路线为高速干道起到分流作用。否则车辆将被迫阻塞在匝道上。（2）必须有适当的储备空间可为等待匝道的车辆利用。（3）为节约行程时间，在高速干道下游出口必须有可供利用的通行能力存在，否则较少有益。（4）车流起讫必须适当，不然使用短程高速干道将意味车流分散小

1）封闭匝道法

在以下情形下考虑匝道封闭。（1）互通式立交非常接近，交织问题十分严重的地方；（2）有较多车辆要在匝道上排队，但没有足够长度容纳排队车辆的匝道；（3）附近有良好的道路可供绕道行驶。

匝道封闭这种方式缺乏灵活性，其缺点多于优点，一般不采用。但高峰交通量条件下的一些时间内，封闭入口匝道在某些城市，如洛杉矶、休斯敦等地的使用已经获得成功。实际上，封闭匝道对控制交通量的作用有限，且将引起公众强烈不满。采用“封闭”来控制匝道不是好办法，用“调节”来实现匝道控制要好得多。．入口匝道控制法2）匝道定时限流控制采用调节方法限制进入高速干道交通量的一种控制。目的是为改善高速干道的交通状况和车流汇合时的安全。如果匝道几何形状合理，则其可能通行能力为800~1200辆/h。匝道调节交通量的范围在正常交通量和某个合理最小交通量（180~240辆/h）之间。调节控制用交通信号来实现，按时允许一定数量的匝道车辆驶入高速干道。定时限流是最简单的控制形式，其精确性与城市交叉口信号相同。调节系统主要包括匝道上的信号灯、控制机和交通标志。限流率根据高速干道上游交通量、下游通行能力和匝道进入高速干道的交通量来设定。图例12-10,交通需求超过高速干道瓶颈的例子。图1交通需求量超过高速公路瓶颈的例子图2装置环形检测器的匝道调节系统根据上述图例情况，若匝道限流率选择200辆/h，且设置匝道交通量调节系统，那么此高速干道对7200辆/h的交通需求量是适应的，且产生较好的交通条件。如果认为该限流率太小，则可以调节其他一些匝道上游的交通量。改进式——装置环形检测器的匝道调节系统信号调节匝道入口装置检测器，当车辆在停车线等候时，信号将转换为绿色。如果固定的限流间隔时间已经过去，车辆一经过感应检测器，则信号马上转为绿色。高峰期间，信号灯前通常为排队等待车辆，则系统仍将以定时限流的方式控制。如果调节系统按上述方式进行工作，很可能需要对其最小基本限流率加以规定。按最小基本限流率工作的信号灯将不需要检测器感应。入口匝道定时控制系统构成入口匝道定时控制原理在定时控制系统中，匝道信号以固定周期运行，这些周期是根据为特定的控制时段规定的调节率计算的。而周期中红黄绿信号的配时取决于所使用的调节方式是单车调节还是车队调节。（1）单车调节匝道调节信号配时规定在每个绿灯时段只允许放一辆车进入高速公路。一个周期中，绿灯加黄灯时间（一般为3s）只允许一辆车通过，其余为红灯时间。例如，如果采用的调节率是600veh/h或10veh/min，那么绿灯加黄灯的时间为3s，红灯时间也为3s。如果采用的调节率是300veh/h或5veh/min，那么绿灯加黄灯的时间为3s，红灯为9s.（2）车队调节当要求调节率大于900veh/h时，必须采用每周期允许两辆或两辆以上的车辆进入高速公路，这种方式为车队调节方式。对于车队定时调节，要根据要求的调节率和每个周期要放行的平均车辆数来确定周期。如调节率为1080veh/h，即18veh/min的情况下，并且每个周期放行2辆车，则每分钟安排9个周期。因此周期长度为6.67s。同样，若每周期放行3辆车，那么周期长度约为10s。但是，周期内各灯色间隔时间还要取决于所使用的车队调节类型是串行的或双列的。1）串行调节在这种方式下，车辆是一辆接一辆放行的，因此要有足够长的绿灯加黄灯时间，以便允许每个周期内要求放行的车辆均能通过。为尽量减少可能的尾撞事故应使用黄灯信号。这样，对于周期长为6.67s的双车调节，绿灯和黄灯为4.67s，红灯为2s。对于周期10s的三车调节，绿灯加黄灯为7s，红灯为3s。经验表明，双车调节是令人满意的，而三车调节为实用的最大限度。这种情况下，期望的最大调节率可达1100veh/h。2）双列调节这种方式下，每个周期并列放行两辆车。这种调节形式要求在入口匝道上有平行的双车道，并要求在匝道调节信号以后有足够的距离供两辆车在汇入高速公路交通流之前能排成串行队形。双列调节周期内各灯色的配时和单车调节类似。绿灯加黄灯（通常为3s)刚好足以允许每条车道放一辆车通过停止线，其余时间为红灯。双列调节可以达到的最大调节率约为1100veh/h。和单车调节相比，车队调节有一些缺点：驾驶员更加慌乱追尾事故的可能性更大更有可能中断高速公路上的车流一般不采用车队调节，除非确实必须达到更高的调节率。入口匝道调节率主要依据匝道上游需求、下游容量、匝道需求以及调节率的上下约束条件、道路条件等因素确定，主要用于预防高速公路上的常发性拥挤。匝道调节率r（veh/h）的计算公式为：3）入口匝道感应控制定时调节是根据历史交通量数据，按预先给定的调节率进行控制的，因此它不能响应交通量的随机变化，难以排除交通拥挤。交通感应匝道控制方法的特点：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，它以交通量实时检测数据为依据来确定匝道调节率，因而能响应交通流的随机变化。3）匝道感应交汇控制法在高速干道和匝道上都装有检测器，以取得交通信息。根据不同的控制方案，通过就地控制器或中心计算机实施限流控制。限流率可根据交通信息作相应地调整匝道调节可看作是对高速干道、匝道和匝道引道上交通监视的一种反应。控制方案的大量变量可根据交通参数的各种组合获得。高速干道进口匝道上的检测器种类有：交通量检测器、占有率检测器、速度和车辆存在间隔的检测器、交汇区的存在检测器、等待队列检测器等很多种。高速干道进口匝道上检测器的位置匝道感应交汇控制的方法（1）交通量-通行能力差额控制思路：实时累计高速干道通行能力和交通量之间的差值，直到出现通行能力有车辆可以利用时，放行匝道车辆。然后控制器再次从零开始累计差值。（2）占有率控制思路：以匝道上游检测的占有率为控制基础，选择合适限流率（3）路肩车道间隔控制思路：仅以路肩车道测得的交通量为控制基础。将测得的上游路肩车道交通量与下游路肩车道交通量进行比较，将能显示是否有为交汇车辆利用的间隔，限流率也可相应地配置。（4）可插间隙交汇控制根据路肩车道检测器对可插车间隔（临界间隔）的探测进行工作。这种方案还得把从匝道信号前起动车辆的行程时间与到交汇区的可插车间隙的移动时间相匹配。见图12-13。图12-13匝道控制的可插车间隔模式a)可插车间隔的探测b)可插车间隔的投射c)车辆汇合（5）移动交汇控制——为驾驶员提供驶入匝道的连续显示。一种是跟随移动的“定速”灯行驶，可引导驾驶员进入一个插车间隔；另一种是以一种或几种速度移动的绿带显示，并在匝道入口标志上指示。若车流在交汇区易发生危险时，采用第二种系统特别有效。它显示出车流间隔及间隔与驾驶员之间的关系。高速干道的可插车间隙由路肩车道检测器确定。见图12-14和图12-15图12-14移动交汇控制的定速系统图12-15移动交汇控制的绿带系统（1）若入口匝道具有良好的加速车道等几何设计，则采用定时调节、交通量—通行能力差额控制或占有率控制系统，可获得良好经济效果。（2）以占有率为基础的控制系统，用交通量-通行能力差额来限流调节（3）对因视距不良或加速车道、坡度等道路条件造成车辆交汇困难的那种老式高速干道，采用可插车间隙控制是有利的。（4）移动交汇控制对低标准交汇运行的匝道有利。（5）采用单车调节控制的地方，由于信号周期循环需要时间的限制，入口匝道的交通量将<=800辆/h。对入口匝道感应交汇控制中几种控制法的说明4）匝道系统控制将一系列匝道集中起来作为一个整体统一考虑交通控制的系统称为匝道系统控制。限流率根据整个系统的交通量与通行能力之差来确定优点：能够兼顾整个系统缺点：系统操作复杂，需要中心计算机进行控制9.4出口匝道控制（1）调节驶离高速干道的车辆数优势：缓解了接近干道交叉口的交通拥挤程度。不足：信号灯前停车，车辆急剧减速有发生滑行和造成追尾冲撞等交通事故的危险，且使等待驶离高速干道之车辆排队从信号灯向后延伸到高速干道上。（2）封闭出口匝道可大大减少车辆在该处的交织及随之而来的安全问题。特别是出口匝道到连接着一个大型互通式立交的沿街道路或者近郊道路的距离较短时（小于0.8km），封闭匝道是一种很实用的解决办法。封闭出口匝道的缺点：大大增加驾驶员的行车时间及距离若使用人工控制的栅栏，或某种型式的自动门，则在高峰期间封闭匝道，其费用甚大；由于限制了出口，将会激起公众强烈的反对；追尾事故的可能性大为增加。9.5异常事件检测与应急管理系统一、异常事件的定义交通事故交通事件二、检测原理

不是检测事件本身，而是发现事件所带来的交通流特征的变化，若变化程度超过了预置的极限值，则判定为交通异常事件发生。三、检测方法电子监视：要求干道和匝道上按照大量检测器闭路电视：费用高，受天气影响大航空监视：范围大时，未必能及时地检测到异常事件呼援装置和紧急电话驾驶人救护合作系统：flash（闪光求助）民用频道无线电话：设置车载无线电收发机四、应急管理系统1、目的和目标目的目标1、减少二次事故2、提高事件处理人员的安全3、积极提供并鼓励使用替代路线4、减少事件响应部门的负担1、减少事件检测时间2、减少事件响应时间3、提供更多的驾驶人信息4、建快事件清除过程5、减少车道关闭数量6、减少道路或车道的关闭时间2、管理过程事件检测事件确认事件信息服务事件响应现场管理交通事件管理事件清除五、紧急事件救援系统措施提供紧急救援服务；维修和牵引事故车辆；改变交通管制方案；提供交通事故信息等。六、高速干道的通道监控系统监控方法监视高速干道交通；高速干道交通控制，特别是匝道交通的控制；沿街道路的控制和监控；进入高速干道驾驶人情报系统；离开高速干道驾驶人情