城市道路交通溢出控制方法及其应用

　　摘要：针对交通溢出这种较严重的城市交通拥堵状态，提出了一种城市道路交通溢出控制方法。首先，介绍了国内外过饱和交通控制的研究动态;然后，分析了交通溢出现象和常用的基于交叉口排队长度的交通溢出预测模型，在此基础上提出了新的车辆检测器设置方法和相应的交通溢出预测模型，并给出了交通溢出控制思想和实现方法;最后，以重庆两路口区域为试点应用案例进行针对性分析，分析结果表明，该方法可显著改善交通拥堵状况，实用性强。

　　关键词：城市道路交通;交通溢出;溢出控制;关键路段;交通职称论文

　　引言

　　随着机动车数量增加，交通拥堵已成为制约城市发展的重要瓶颈。尤其在交通高峰时段或受特殊天气等影响，交叉口等待车辆不断积累，出现交通溢出现象，即车辆排队长度超过路段长度。交通溢出是交通拥堵较严重的一种交通状态，即交叉口过饱和状态，此时，车辆到达率超过了交叉口的通行能力。

　　对于路网中关键交叉口，由于交通关联性强，一旦出现交通溢出现象，一定会波及路段两端路口即上下游交叉口。随着时间推移，如拥堵不能有效控制，交通溢出将会逐步扩散到周边多个交叉口，进而扩散到路网内全部交叉口，甚至造成整个路网交通瘫痪。

　　1国内外研究动态

　　交叉口的交通拥堵可分为2类：1)由于信号交叉口自身排队车辆不断积累造成的拥堵;2)受其他交叉口排队车辆影响而产生的拥堵。当第1类拥堵不可避免时，应以避免或推迟第2类拥堵产生为交通控制目标。

　　近半个世纪以来，为了缓解交通拥堵，很多学者对过饱和交叉口控制进行研究并取得了许多研究成果。Shepherd[1]在1994年针对过饱和状态下交通控制进行了综述，并指出控制策略应由局部控制层和区域控制层组成，且各层应采用不同交通模型。HuHeng等[2]在2011年基于过饱和严重程度指标(oversaturationseverityindex)，通过前向和反向过程迅速改善干线过饱和程度。其中，前向过程通过调整支路或冲突相位的可用绿灯时间来增加干线的绿灯时间，进而增加干线的交通量;反向过程指在增加的可用绿灯时间不足时，对部分交叉口的交通流进行控制，进而避免剩余排队长度及下游排队溢流。仕小伟[3]运用冲击波理论分析车辆排队及消散过程研究车辆的排队长度，以延误时间为控制目标，提出了交叉信号控制策略的改进F-B方法和协调控制优化方法，建立交通溢出控制模型，预防交通溢出或控制在合理范围。

　　学者和专家提出的过饱和交通控制策略，往往利用交通仿真的方法进行验证。但实际交通环境更复杂，除了存在不恰当的绿灯放行时长外，受行人过街和交通事件等影响，造成每个周期交叉口产生的滞留排队，均可能出现过饱和状态。

　　目前，在世界著名的2大交通信号控制系统(澳大利亚SCATS和英国SCOOT系统)及国内厂商的信号控制系统中，交叉口信号控制基础均采用以车辆平均延误最小为目标的交通信号配时模型，在轻交通量和适度交通量状态下有较好控制效果，对于重交通量状态或过饱和状态下控制效果不佳。

　　本文基于交通溢出现象分析，研究如何通过检测器的合理设置实时识别关键路段的交通溢出状态，建立有效的交通溢出控制策略。以重庆两路口为应用案例进行针对性分析，提出3种交通溢出状态及调整相关交叉口的信号配时方案，控制交叉口的交通需求，避免排队车辆蔓延至相邻交叉口，通过提高整个控制区域内交通路网运行效率，有效解决城市交通容量不足和交通阻塞问题。

　　2溢出控制

　　2.1交通溢出现象

　　交通流受外界因素影响，运动受阻逐渐出现排队现象;随着时间推移，车辆排队长度延伸到上游路口或过上游路口，形成交通溢出现象。外界影响因素主要包括：1)交通需求大于道路交通容量，导致道路上交通流无法畅行，是交通溢出主要原因。对于与上游路口连接路段较短的路口，经常出现交通溢出，引发上游路口交通拥堵。2)交通信号配时不合理。对于接近饱和的交叉口，如果与上游路口不进行周期性协调或上游路口的绿灯放行时间过长，对于与上游路口连接路段较短的路口，容易导致交通溢出。3)交通组织设计不合理或道路自身条件限制。4)交通事件、行人干扰和天气条件等。

　　对于经常拥堵的交叉口，其路段长度对是否出现交通溢出具有重要影响。如果路段有足够的存储排队车辆能力，则出现交通溢出的可能性较小;如果路段缺少足够的存贮排队车辆能力，则出现交通溢出的可能性较大。通常利用交叉口排队长度来判断其路段是否可能出现交通溢出。

　　2.3路段交通溢出状态

　　交叉口交通流信息实时采集是交通信号控制的基础，一般采用固定位置的采集方式，将车辆检测器设置在交叉口停车线附近或渠化线附近。为了识别路段的交通溢出状态，本文提出了车辆检测器新的设置方法和相对应的溢出预测模型。1)车辆检测器设置一旦发生交通拥堵，车辆排队实际运动状态分为3部分：(1)车辆停止状态;(2)车辆开始减速;(3)车辆自由行驶状态，速度保持不变。本文采用在上游交叉口的出口车道上设置车辆检测器，如图1所示。

　　根据2个交叉口间路段长度和拥堵状态等情况，检测区设在离出口停车线30～120m不等处，优点是该处交通干扰相对较少，可提前预测溢出状态。车辆检测器可采用线圈、地磁、视频和雷达等。

　　2)交通溢出预测模型当车辆通过检测区时，可采集到车辆通过检测区的时间，尤其是上游过来的车辆较多、车队已排到检测区或排队超过检测区时，检测器一直处于被占有状态，时间占有率较高。实时车辆占有状态如图2所示，表明车辆通过检测器的占有情况。图中连续一串“1”表明一辆车通过检测器的时间，“1”越多，则通过时间越多，时间占有率越大，表明车速越慢。

　　模型中平滑系数取值对预测结果有较大影响。如序列比较平均和平稳，则平滑系数可取较小值，使预测模型能包含较长时间序列信息;如时间序列变化波动较大，则平滑系数取相对较大值，以提高模型灵敏度，加强预测效果。需经过一段时间误差分析方可确定可应用的平滑系数。

　　由路段平均占有率的预测值形成路段交通溢出预测分析图，指定路段上下阈值后即可识别路段可能溢出状态。路段交通溢出预测分析结果如图3所示，给出了不同车道在一段时间内的时间占有率预测曲线。

　　2.4控制方法

　　2.4.1灯控信号与排队

　　饱和或过饱和交通状态指车辆到达率接近或超过了通行能力的交通状态，绿灯放行时间内，排队一直存在且不能完全清除。过饱和状态下灯控信号与车辆排队关系如图4所示。

　　在绿灯期间，不能将到达车辆放完，交叉口车辆到达率>车辆消散率，排队车辆在交叉口停车线前出现2次或更多次停车现象。就目前典型应用控制手段为干线协调控制，对未饱和交通状态下有较好控制效果，但目前干线协调控制很少考虑上游交叉口配时对下游交叉口车辆排队的影响。如果上游交叉口放行车辆过多，超过下游交叉口通行能力，则会增加下游交叉口排队长度。

　　2.4.2控制思想

　　交叉口溢出控制指在协调控制基础上，同时根据下游路段的排队长度和放行能力，通过延长绿灯、缩短红灯和截留等控制手段，及时调整下游、上游及相关交叉口绿灯的开启时间和放行时间，尽可能减少进口处的滞留车辆，避免形成路网“锁死”状态。因此，溢出控制与传统理念上控制有一定区别，是区域控制的重要突破口。

　　2.4.3实现方法

　　李岩等[5]在分析溢流、滞留排队和阻挡等拥堵诱因基础上，选取关键路径上通过车辆数最多和平均排队最少为优化目标，建立单点交叉口层、关键路段控制层和交叉口群层相互协调的信号配时优化实施框架及分层优化措施。

　　利用上述溢出控制思想，本文提出以下溢出控制方法：先形成相应的分析决策模型，识别出溢出控制区域，区域中包含上游交叉口及周围相关路径和交叉口，包括设立关键路段控制层;再形成实时监测分析模型，实时监测关键路段上交通流信息以及在溢出控制区域周围主要交通流出入口车流量;在此基础上，根据路段溢出状态形成相应的配时方案优化和溢出控制策略，优化溢出控制区和周围主要出入口交通信号配时方案，实现2层交通信号控制。1)第1层：形成溢出控制区域内交叉口的信号控制方案，主要包括相序、相位长度、周期长度和协调相位差。根据关键路段交通流溢出状态，关联相关信号控制方案，实现溢出控制第1步。2)第2层：在第1层基础上，根据关键路段上实时交通状态，实时调整当前放行相位长度，采用绿灯延长或提前终止放行的控制策略，实现2次精细化控制。其中，绿灯延长指延长关键路段流向的绿灯时间使车流尽快消散;提前终止放行指提前结束非关键路段上车流放行，在关键路段出现或即将出现溢出时使用，以避免交叉口内拥堵。

　　3应用案例

　　本文选择重庆两路口溢出控制应用案例进行分析。重庆两路口是重庆主城区早晚高峰最拥堵区域之一，两路口是重庆市保证渝中区与江北区和南岸区地面交通连通的重要交通咽喉。两路口环道位于两路口中心，是关键结点。早高峰和晚高峰时，交通常达到溢出状态，需人工在两路口环道进行车流控制。

　　经调研分析，本文认为两路口拥堵需先解决两路口环道拥堵问题。两路口环道存在3方面拥堵难题：1)中山支路出口的下游道路疏散能力不足，两路口环道的进入车流由江北、大坪、南岸、菜园坝和解放碑等方向5个进口的多车道汇入构成，而出口仅有中山支路的2条车道，导致环道内车流阻滞和拥堵;2)两路口环道内4个交叉口距离较近，无法根据环道内蓄车能力及下游疏散能力进行控制流入，导致环道内拥堵持续蔓延和恶化;3)绕环道各方向(菜园坝长江大桥、长江一路和中山三路)的车流未能有效分离，截流和卸载流向组织不明确。

　　3.1溢出控制区

　　以两路口环道为溢出控制区解决拥堵持续蔓延和恶化问题。两路口环道上共有5处流量汇入口(A～E)，形成4个信号交叉口溢出控制区。两路口溢出控制区如图5所示。

　　3.2关键路段检测区

　　设置从入口流量看：B>A>C>E>D。环道内主要流量出口为中山支路，一旦中山支路出现拥堵，环道控制区域同时出现拥堵;另外，当A、B和C口交通流向D口流入时，出现严重交织路段。因此，在中山支路和菜园坝大桥2个关键路段上设置了2组出口车辆检测器d1和d2，车辆检测器埋设在离交叉口出口30～70m处，检测器埋设位置如图6所示。

　　3.3溢出状态识别和溢出控制策略

　　针对核心控制层4个交叉口，采用类同步式协调控制策略。4个交叉口间距较短，且单循环方向高峰时交通量接近或超过通行能力，采用相同周期长度或半周期长度，绿灯启亮时刻也相同，组成一个同步式协调控制，改善单循环方向车辆通行。

　　将溢出状态归为3种：1)重交通量状态Ⅰ：交叉口有溢出趋势;2)重交通量状态Ⅱ：排队已接近上游交叉口出口处(临界点);3)交通溢出状态：排队已到上游交叉口出口处。交通拥堵状态从1)～3)逐步升级。

　　针对3种交通溢出状态，在采用类同步式协调控制基础上，通过在上游交叉口减少绿灯放行时间截留对应入口的交通流，同时增加下游交叉口的绿灯放行时间，确保关键路段排队尽快消散，形成了溢出控制区域内4个交叉口放行相位。4个交叉口放行相位如表1所示。

　　检测器d1和d2的预测模型平滑系数均为0.45;其中，检测器d1在重交通量状态Ⅱ上下阈值为50%～60%;检测器d2在重交通量状态Ⅰ上下阈值为45%～55%组合，两者形成溢出控制区域内4个交叉口配时方案，如表2所示。

　　3.4应用效果

　　经过近半年在重庆两路口区域的试点应用，高德交通信息发布平台的信息显示，两路口平均车速提升15%左右;改变了传统方式“堵后再通”的弊病，节省了交警警力，实现了区域交通能力均衡，缓解了拥堵状况，取得了显著效果。

　　4结束语

　　分析了交通溢出现象和利用交叉口排队长度预测该路段是否会出现交通溢出状态，在此基础上，本文提出了识别路段交通溢出状态的方法和预测模型，并给出了交通溢出控制的思想和实现方法。溢出控制区域包含上游交叉口和周围相关路径及交叉口。本文方法首次在重庆两路口试点应用，并取得了显著效果。目前，国内城市基本存在交通溢出现象，本文提出的城市道路交通溢出控制思想与方法具有推广应用价值。