摘要：針對(duì)交通溢出這種較嚴(yán)重的城市交通擁堵狀態(tài)，提出了一種城市道路交通溢出控制方法。首先，介紹了國內(nèi)外過飽和交通控制的研究動(dòng)態(tài);然后，分析了交通溢出現(xiàn)象和常用的基于交叉口排隊(duì)長度的交通溢出預(yù)測(cè)模型，在此基礎(chǔ)上提出了新的車輛檢測(cè)器設(shè)置方法和相應(yīng)的交通溢出預(yù)測(cè)模型，并給出了交通溢出控制思想和實(shí)現(xiàn)方法;最后，以重慶兩路口區(qū)域?yàn)樵圏c(diǎn)應(yīng)用案例進(jìn)行針對(duì)性分析，分析結(jié)果表明，該方法可顯著改善交通擁堵狀況，實(shí)用性強(qiáng)。

　　關(guān)鍵詞：城市道路交通;交通溢出;溢出控制;關(guān)鍵路段;交通職稱論文

　　引言

　　隨著機(jī)動(dòng)車數(shù)量增加，交通擁堵已成為制約城市發(fā)展的重要瓶頸。尤其在交通高峰時(shí)段或受特殊天氣等影響，交叉口等待車輛不斷積累，出現(xiàn)交通溢出現(xiàn)象，即車輛排隊(duì)長度超過路段長度。交通溢出是交通擁堵較嚴(yán)重的一種交通狀態(tài)，即交叉口過飽和狀態(tài)，此時(shí)，車輛到達(dá)率超過了交叉口的通行能力。

　　對(duì)于路網(wǎng)中關(guān)鍵交叉口，由于交通關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，一旦出現(xiàn)交通溢出現(xiàn)象，一定會(huì)波及路段兩端路口即上下游交叉口。隨著時(shí)間推移，如擁堵不能有效控制，交通溢出將會(huì)逐步擴(kuò)散到周邊多個(gè)交叉口，進(jìn)而擴(kuò)散到路網(wǎng)內(nèi)全部交叉口，甚至造成整個(gè)路網(wǎng)交通癱瘓。

　　1國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

　　交叉口的交通擁堵可分為2類：1)由于信號(hào)交叉口自身排隊(duì)車輛不斷積累造成的擁堵;2)受其他交叉口排隊(duì)車輛影響而產(chǎn)生的擁堵。當(dāng)?shù)?類擁堵不可避免時(shí)，應(yīng)以避免或推遲第2類擁堵產(chǎn)生為交通控制目標(biāo)。

　　近半個(gè)世紀(jì)以來，為了緩解交通擁堵，很多學(xué)者對(duì)過飽和交叉口控制進(jìn)行研究并取得了許多研究成果。Shepherd[1]在1994年針對(duì)過飽和狀態(tài)下交通控制進(jìn)行了綜述，并指出控制策略應(yīng)由局部控制層和區(qū)域控制層組成，且各層應(yīng)采用不同交通模型。HuHeng等[2]在2011年基于過飽和嚴(yán)重程度指標(biāo)(oversaturationseverityindex)，通過前向和反向過程迅速改善干線過飽和程度。其中，前向過程通過調(diào)整支路或沖突相位的可用綠燈時(shí)間來增加干線的綠燈時(shí)間，進(jìn)而增加干線的交通量;反向過程指在增加的可用綠燈時(shí)間不足時(shí)，對(duì)部分交叉口的交通流進(jìn)行控制，進(jìn)而避免剩余排隊(duì)長度及下游排隊(duì)溢流。仕小偉[3]運(yùn)用沖擊波理論分析車輛排隊(duì)及消散過程研究車輛的排隊(duì)長度，以延誤時(shí)間為控制目標(biāo)，提出了交叉信號(hào)控制策略的改進(jìn)F-B方法和協(xié)調(diào)控制優(yōu)化方法，建立交通溢出控制模型，預(yù)防交通溢出或控制在合理范圍。

　　學(xué)者和專家提出的過飽和交通控制策略，往往利用交通仿真的方法進(jìn)行驗(yàn)證。但實(shí)際交通環(huán)境更復(fù)雜，除了存在不恰當(dāng)?shù)木G燈放行時(shí)長外，受行人過街和交通事件等影響，造成每個(gè)周期交叉口產(chǎn)生的滯留排隊(duì)，均可能出現(xiàn)過飽和狀態(tài)。

　　目前，在世界著名的2大交通信號(hào)控制系統(tǒng)(澳大利亞SCATS和英國SCOOT系統(tǒng))及國內(nèi)廠商的信號(hào)控制系統(tǒng)中，交叉口信號(hào)控制基礎(chǔ)均采用以車輛平均延誤最小為目標(biāo)的交通信號(hào)配時(shí)模型，在輕交通量和適度交通量狀態(tài)下有較好控制效果，對(duì)于重交通量狀態(tài)或過飽和狀態(tài)下控制效果不佳。

　　本文基于交通溢出現(xiàn)象分析，研究如何通過檢測(cè)器的合理設(shè)置實(shí)時(shí)識(shí)別關(guān)鍵路段的交通溢出狀態(tài)，建立有效的交通溢出控制策略。以重慶兩路口為應(yīng)用案例進(jìn)行針對(duì)性分析，提出3種交通溢出狀態(tài)及調(diào)整相關(guān)交叉口的信號(hào)配時(shí)方案，控制交叉口的交通需求，避免排隊(duì)車輛蔓延至相鄰交叉口，通過提高整個(gè)控制區(qū)域內(nèi)交通路網(wǎng)運(yùn)行效率，有效解決城市交通容量不足和交通阻塞問題。

　　2溢出控制

　　2.1交通溢出現(xiàn)象

　　交通流受外界因素影響，運(yùn)動(dòng)受阻逐漸出現(xiàn)排隊(duì)現(xiàn)象;隨著時(shí)間推移，車輛排隊(duì)長度延伸到上游路口或過上游路口，形成交通溢出現(xiàn)象。外界影響因素主要包括：1)交通需求大于道路交通容量，導(dǎo)致道路上交通流無法暢行，是交通溢出主要原因。對(duì)于與上游路口連接路段較短的路口，經(jīng)常出現(xiàn)交通溢出，引發(fā)上游路口交通擁堵。2)交通信號(hào)配時(shí)不合理。對(duì)于接近飽和的交叉口，如果與上游路口不進(jìn)行周期性協(xié)調(diào)或上游路口的綠燈放行時(shí)間過長，對(duì)于與上游路口連接路段較短的路口，容易導(dǎo)致交通溢出。3)交通組織設(shè)計(jì)不合理或道路自身?xiàng)l件限制。4)交通事件、行人干擾和天氣條件等。

　　對(duì)于經(jīng)常擁堵的交叉口，其路段長度對(duì)是否出現(xiàn)交通溢出具有重要影響。如果路段有足夠的存儲(chǔ)排隊(duì)車輛能力，則出現(xiàn)交通溢出的可能性較小;如果路段缺少足夠的存貯排隊(duì)車輛能力，則出現(xiàn)交通溢出的可能性較大。通常利用交叉口排隊(duì)長度來判斷其路段是否可能出現(xiàn)交通溢出。

　　2.3路段交通溢出狀態(tài)

　　交叉口交通流信息實(shí)時(shí)采集是交通信號(hào)控制的基礎(chǔ)，一般采用固定位置的采集方式，將車輛檢測(cè)器設(shè)置在交叉口停車線附近或渠化線附近。為了識(shí)別路段的交通溢出狀態(tài)，本文提出了車輛檢測(cè)器新的設(shè)置方法和相對(duì)應(yīng)的溢出預(yù)測(cè)模型。1)車輛檢測(cè)器設(shè)置一旦發(fā)生交通擁堵，車輛排隊(duì)實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分為3部分：(1)車輛停止?fàn)顟B(tài);(2)車輛開始減速;(3)車輛自由行駛狀態(tài)，速度保持不變。本文采用在上游交叉口的出口車道上設(shè)置車輛檢測(cè)器，如圖1所示。

　　根據(jù)2個(gè)交叉口間路段長度和擁堵狀態(tài)等情況，檢測(cè)區(qū)設(shè)在離出口停車線30～120m不等處，優(yōu)點(diǎn)是該處交通干擾相對(duì)較少，可提前預(yù)測(cè)溢出狀態(tài)。車輛檢測(cè)器可采用線圈、地磁、視頻和雷達(dá)等。

　　2)交通溢出預(yù)測(cè)模型當(dāng)車輛通過檢測(cè)區(qū)時(shí)，可采集到車輛通過檢測(cè)區(qū)的時(shí)間，尤其是上游過來的車輛較多、車隊(duì)已排到檢測(cè)區(qū)或排隊(duì)超過檢測(cè)區(qū)時(shí)，檢測(cè)器一直處于被占有狀態(tài)，時(shí)間占有率較高。實(shí)時(shí)車輛占有狀態(tài)如圖2所示，表明車輛通過檢測(cè)器的占有情況。圖中連續(xù)一串“1”表明一輛車通過檢測(cè)器的時(shí)間，“1”越多，則通過時(shí)間越多，時(shí)間占有率越大，表明車速越慢。

　　模型中平滑系數(shù)取值對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果有較大影響。如序列比較平均和平穩(wěn)，則平滑系數(shù)可取較小值，使預(yù)測(cè)模型能包含較長時(shí)間序列信息;如時(shí)間序列變化波動(dòng)較大，則平滑系數(shù)取相對(duì)較大值，以提高模型靈敏度，加強(qiáng)預(yù)測(cè)效果。需經(jīng)過一段時(shí)間誤差分析方可確定可應(yīng)用的平滑系數(shù)。

　　由路段平均占有率的預(yù)測(cè)值形成路段交通溢出預(yù)測(cè)分析圖，指定路段上下閾值后即可識(shí)別路段可能溢出狀態(tài)。路段交通溢出預(yù)測(cè)分析結(jié)果如圖3所示，給出了不同車道在一段時(shí)間內(nèi)的時(shí)間占有率預(yù)測(cè)曲線。

　　2.4控制方法

　　2.4.1燈控信號(hào)與排隊(duì)

　　飽和或過飽和交通狀態(tài)指車輛到達(dá)率接近或超過了通行能力的交通狀態(tài)，綠燈放行時(shí)間內(nèi)，排隊(duì)一直存在且不能完全清除。過飽和狀態(tài)下燈控信號(hào)與車輛排隊(duì)關(guān)系如圖4所示。

　　在綠燈期間，不能將到達(dá)車輛放完，交叉口車輛到達(dá)率>車輛消散率，排隊(duì)車輛在交叉口停車線前出現(xiàn)2次或更多次停車現(xiàn)象。就目前典型應(yīng)用控制手段為干線協(xié)調(diào)控制，對(duì)未飽和交通狀態(tài)下有較好控制效果，但目前干線協(xié)調(diào)控制很少考慮上游交叉口配時(shí)對(duì)下游交叉口車輛排隊(duì)的影響。如果上游交叉口放行車輛過多，超過下游交叉口通行能力，則會(huì)增加下游交叉口排隊(duì)長度。

　　2.4.2控制思想

　　交叉口溢出控制指在協(xié)調(diào)控制基礎(chǔ)上，同時(shí)根據(jù)下游路段的排隊(duì)長度和放行能力，通過延長綠燈、縮短紅燈和截留等控制手段，及時(shí)調(diào)整下游、上游及相關(guān)交叉口綠燈的開啟時(shí)間和放行時(shí)間，盡可能減少進(jìn)口處的滯留車輛，避免形成路網(wǎng)“鎖死”狀態(tài)。因此，溢出控制與傳統(tǒng)理念上控制有一定區(qū)別，是區(qū)域控制的重要突破口。

　　2.4.3實(shí)現(xiàn)方法

　　李巖等[5]在分析溢流、滯留排隊(duì)和阻擋等擁堵誘因基礎(chǔ)上，選取關(guān)鍵路徑上通過車輛數(shù)最多和平均排隊(duì)最少為優(yōu)化目標(biāo)，建立單點(diǎn)交叉口層、關(guān)鍵路段控制層和交叉口群層相互協(xié)調(diào)的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化實(shí)施框架及分層優(yōu)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：先形成相應(yīng)的分析決策模型，識(shí)別出溢出控制區(qū)域，區(qū)域中包含上游交叉口及周圍相關(guān)路徑和交叉口，包括設(shè)立關(guān)鍵路段控制層;再形成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析模型，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵路段上交通流信息以及在溢出控制區(qū)域周圍主要交通流出入口車流量;在此基礎(chǔ)上，根據(jù)路段溢出狀態(tài)形成相應(yīng)的配時(shí)方案優(yōu)化和溢出控制策略，優(yōu)化溢出控制區(qū)和周圍主要出入口交通信號(hào)配時(shí)方案，實(shí)現(xiàn)2層交通信號(hào)控制。1)第1層：形成溢出控制區(qū)域內(nèi)交叉口的信號(hào)控制方案，主要包括相序、相位長度、周期長度和協(xié)調(diào)相位差。根據(jù)關(guān)鍵路段交通流溢出狀態(tài)，關(guān)聯(lián)相關(guān)信號(hào)控制方案，實(shí)現(xiàn)溢出控制第1步。2)第2層：在第1層基礎(chǔ)上，根據(jù)關(guān)鍵路段上實(shí)時(shí)交通狀態(tài)，實(shí)時(shí)調(diào)整當(dāng)前放行相位長度，采用綠燈延長或提前終止放行的控制策略，實(shí)現(xiàn)2次精細(xì)化控制。其中，綠燈延長指延長關(guān)鍵路段流向的綠燈時(shí)間使車流盡快消散;提前終止放行指提前結(jié)束非關(guān)鍵路段上車流放行，在關(guān)鍵路段出現(xiàn)或即將出現(xiàn)溢出時(shí)使用，以避免交叉口內(nèi)擁堵。

　　3應(yīng)用案例

　　本文選擇重慶兩路口溢出控制應(yīng)用案例進(jìn)行分析。重慶兩路口是重慶主城區(qū)早晚高峰最擁堵區(qū)域之一，兩路口是重慶市保證渝中區(qū)與江北區(qū)和南岸區(qū)地面交通連通的重要交通咽喉。兩路口環(huán)道位于兩路口中心，是關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)。早高峰和晚高峰時(shí)，交通常達(dá)到溢出狀態(tài)，需人工在兩路口環(huán)道進(jìn)行車流控制。

　　經(jīng)調(diào)研分析，本文認(rèn)為兩路口擁堵需先解決兩路口環(huán)道擁堵問題。兩路口環(huán)道存在3方面擁堵難題：1)中山支路出口的下游道路疏散能力不足，兩路口環(huán)道的進(jìn)入車流由江北、大坪、南岸、菜園壩和解放碑等方向5個(gè)進(jìn)口的多車道匯入構(gòu)成，而出口僅有中山支路的2條車道，導(dǎo)致環(huán)道內(nèi)車流阻滯和擁堵;2)兩路口環(huán)道內(nèi)4個(gè)交叉口距離較近，無法根據(jù)環(huán)道內(nèi)蓄車能力及下游疏散能力進(jìn)行控制流入，導(dǎo)致環(huán)道內(nèi)擁堵持續(xù)蔓延和惡化;3)繞環(huán)道各方向(菜園壩長江大橋、長江一路和中山三路)的車流未能有效分離，截流和卸載流向組織不明確。

　　3.1溢出控制區(qū)

　　以兩路口環(huán)道為溢出控制區(qū)解決擁堵持續(xù)蔓延和惡化問題。兩路口環(huán)道上共有5處流量匯入口(A～E)，形成4個(gè)信號(hào)交叉口溢出控制區(qū)。兩路口溢出控制區(qū)如圖5所示。

　　3.2關(guān)鍵路段檢測(cè)區(qū)

　　設(shè)置從入口流量看：B>A>C>E>D。環(huán)道內(nèi)主要流量出口為中山支路，一旦中山支路出現(xiàn)擁堵，環(huán)道控制區(qū)域同時(shí)出現(xiàn)擁堵;另外，當(dāng)A、B和C口交通流向D口流入時(shí)，出現(xiàn)嚴(yán)重交織路段。因此，在中山支路和菜園壩大橋2個(gè)關(guān)鍵路段上設(shè)置了2組出口車輛檢測(cè)器d1和d2，車輛檢測(cè)器埋設(shè)在離交叉口出口30～70m處，檢測(cè)器埋設(shè)位置如圖6所示。

　　3.3溢出狀態(tài)識(shí)別和溢出控制策略

　　針對(duì)核心控制層4個(gè)交叉口，采用類同步式協(xié)調(diào)控制策略。4個(gè)交叉口間距較短，且單循環(huán)方向高峰時(shí)交通量接近或超過通行能力，采用相同周期長度或半周期長度，綠燈啟亮?xí)r刻也相同，組成一個(gè)同步式協(xié)調(diào)控制，改善單循環(huán)方向車輛通行。

　　將溢出狀態(tài)歸為3種：1)重交通量狀態(tài)Ⅰ：交叉口有溢出趨勢(shì);2)重交通量狀態(tài)Ⅱ：排隊(duì)已接近上游交叉口出口處(臨界點(diǎn));3)交通溢出狀態(tài)：排隊(duì)已到上游交叉口出口處。交通擁堵狀態(tài)從1)～3)逐步升級(jí)。

　　針對(duì)3種交通溢出狀態(tài)，在采用類同步式協(xié)調(diào)控制基礎(chǔ)上，通過在上游交叉口減少綠燈放行時(shí)間截留對(duì)應(yīng)入口的交通流，同時(shí)增加下游交叉口的綠燈放行時(shí)間，確保關(guān)鍵路段排隊(duì)盡快消散，形成了溢出控制區(qū)域內(nèi)4個(gè)交叉口放行相位。4個(gè)交叉口放行相位如表1所示。

　　檢測(cè)器d1和d2的預(yù)測(cè)模型平滑系數(shù)均為0.45;其中，檢測(cè)器d1在重交通量狀態(tài)Ⅱ上下閾值為50%～60%;檢測(cè)器d2在重交通量狀態(tài)Ⅰ上下閾值為45%～55%組合，兩者形成溢出控制區(qū)域內(nèi)4個(gè)交叉口配時(shí)方案，如表2所示。

　　3.4應(yīng)用效果

　　經(jīng)過近半年在重慶兩路口區(qū)域的試點(diǎn)應(yīng)用，高德交通信息發(fā)布平臺(tái)的信息顯示，兩路口平均車速提升15%左右;改變了傳統(tǒng)方式“堵后再通”的弊病，節(jié)省了交警警力，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域交通能力均衡，緩解了擁堵狀況，取得了顯著效果。

　　4結(jié)束語

　　分析了交通溢出現(xiàn)象和利用交叉口排隊(duì)長度預(yù)測(cè)該路段是否會(huì)出現(xiàn)交通溢出狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上，本文提出了識(shí)別路段交通溢出狀態(tài)的方法和預(yù)測(cè)模型，并給出了交通溢出控制的思想和實(shí)現(xiàn)方法。溢出控制區(qū)域包含上游交叉口和周圍相關(guān)路徑及交叉口。本文方法首次在重慶兩路口試點(diǎn)應(yīng)用，并取得了顯著效果。目前，國內(nèi)城市基本存在交通溢出現(xiàn)象，本文提出的城市道路交通溢出控制思想與方法具有推廣應(yīng)用價(jià)值。