城市地下快速路交通智能管控策略研究*

彭 坤 趙 迪 陳 長 邵敏華

(1.深圳市綜合交通與市政工程設計研究總院有限公司 深圳 518019;2.同濟大學道路與交通工程教育部重點試驗室 上海 201804)

隨著城市的不斷發展,交通需求逐漸增長,地上空間資源日益緊張。作為城市地面和高架道路系統的延伸和補充,地下快速路的建設不僅可以緩解城市路網的擁堵、節約土地資源,還能減少噪聲和空氣污染、保護城市景觀。因此其開發利用已成為趨勢和必然,在城市未來的發展中將發揮越來越重要的作用。

盡管地下快速路已在巴黎、波士頓、東京、上海等城市成功應用,但對城市地下快速路交通運行管控策略的研究還十分有限。目前的研究主要集中于地下快速路車輛安全運行特征分析[1-3],研究方法主要有基于實際事故數據和外場視頻數據的統計分析法[4-5]及基于模擬駕駛試驗的虛擬分析法[6-7],且研究對象多為公路或城市隧道,所形成的研究成果未能有效支撐城市地下快速路交通管控工作。在實際管理中,通常將地下快速路納入城市快速路系統中進行統一管理,管理的方法和策略也直接沿用一般快速路的既有方法,這顯然無法體現地下快速路與一般快速路的特征差異。要取得最佳的管理控制效果,需要明確地下快速路交通管控需求,制定恰當的智能交通管控策略。

本文在對城市地下快速路交通運行特征進行分析的基礎上,分別從通道/道路宏觀層面和斷面微觀層面,制定能滿足地下快速路管控需求的交通管控目標,在此基礎上,構建針對通道/區域路網的智能管控架構,并以深圳僑城東路北延通道工程為例,對地下快速路交通管控目標的合理性進行研究,對地下快速路交通智能管控策略進行說明。

1 地下快速路交通管控目標

城市交通管控方法和策略總體可分為在通道/道路宏觀層面的多設施協同管控及以斷面為對象的微觀層面的單設施管控。前者包括路網信號燈協調控制、道路信號燈協調控制、快速通道聯動控制等,從廣義上還包括交通誘導、擁擠收費等,通常以被管控對象達到最大通行能力作為管控目標。后者則以快速路匝道控制為典型手段,多以斷面最大通行能力對應的占有率作為管控目標。

與一般快速路相比,地下快速路相對狹小的內部空間、照度不佳的光線條件,以及缺乏路側參照等特點使得駕駛員心理壓力增大,致使其不能正確感知行駛環境,內部車流的速度離散性增加、超速現象多發,帶來交通運行的安全隱患[8]。而交通事故一旦發生,相對封閉的空間條件也將增加救援難度,事故的嚴重程度普遍高于地面和高架道路。地下快速路具有特殊的交通流特性與更高的安全需求,傳統的交通管控目標難以滿足地下快速路的交通管控需求。

本文將分別從通道/道路宏觀層面和斷面微觀層面出發,結合地下快速路的交通運行特征及管控需求重新制定交通管控目標。

1.1 通道/道路宏觀層面管控目標

在通道/道路宏觀層面,地下快速路交通管控目標的設定應綜合考慮以下因素:①管理者。設施能夠得到充分利用,為盡可能多的出行提供服務。反映在交通流指標上,體現為道路服務的流量越大越好。②出行者。在現有設施服務水平評價體系下,個體出行速度越快越好,速度越快,出行者感受到的服務水平越高。③穩定運行。交通系統應能夠在最佳的管控水平上穩定運行,即需要系統運行具有充分的可靠性。

根據Greenshields模型,交通流速度、密度、流量之間的關系見圖1。由圖1可見,若從出行者角度出發,一味追求高水平的速度,則道路服務流量處于較低水平,設施利用效率不高;從管理者角度,道路以通行能力水平運行,設施利用效率最高,所對應的車速為傳統方法中認為的最佳車速,但此時系統運行不穩定。

圖1 交通流的流量-速度-密度關系圖

權衡三方面的需求,嘗試構建交通流密度-流量與車速的乘積關系見圖2。

圖2 交通流的密度-流量×速度關系圖

由圖2可見,當流量與車速乘積取得最大值時,管理者與個體出行者均較為滿意,且系統能夠穩定運行,即

max(Q·V)

(1)

式中:Q為通道或路網服務的交通流量,pcu/h;V為平均行程車速,km/h。

此狀態對應的車速作為宏觀層面交通智能管控的最優目標車速Vbest,將傳統方法中道路達到通行能力時對應的車速作為次優車速Vgood。

利用線性模型速度V與密度K的關系,求解得到Vbest與Vgood。

(2)

式中:Vf為自由流車速,km/h;Kj為阻塞密度,pcu/km。

由此可知,城市地下快速路通道/道路宏觀層面管控目標可以將最優車速設定為自由流車速的2/3水平,次優車速則為自由流車速的1/2。

1.2 斷面微觀層面管控目標

面向斷面微觀層面的管控措施以快速路入口匝道控制為典型代表。已有方法中多將斷面最大通行能力對應的占有率作為最優占有率,以此作為斷面微觀層面的管控目標,此管控目標可以滿足高速、高效的管控需求。

從已有研究可知,地下快速路對穩定運行的需求高于普通道路,因此除滿足傳統高速、高效的管控需求外,還應增加穩定運行的控制指標。即在選取地下快速路斷面最優占有率時應綜合考慮以下因素。

1) 高速。車速高(非擁堵狀態),為個體出行者追求的目標。

2) 高效。流量大(靠近通行能力),為管理者追求的目標。

3) 穩定運行。躍遷到擁堵狀態的概率低。

(3)

式中:交通狀態t按照占有率進行劃分, 以最大通行能力對應的占有率為上限,將非擁堵狀態細化分成T個占有率區間。

由此,城市地下快速路斷面微觀層面的管控目標宜選擇對應流量高、狀態躍遷概率低的占有率作為最優占有率,選擇通行能力對應占有率作為次優占有率。

2 地下快速路通道管控策略

針對通道/區域路網內部的交通管控需求制定具體的控制策略,考慮不同情形的通道管控架構見圖3。

圖3 通道/區域路網層面的智能管控架構圖

通道/區域路網智能管控框架分為數據采集、實時評價和控制策略3個模塊。

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊主要采集通道/區域路網內的道路行程車速、路段流量、斷面占有率等數據,作為實時評價模塊的數據支撐。數據采集可采用車輛實時定位技術、基于車牌識別的行程時間估計、各類斷面交通數據采集技術等設備與技術實現。

2.2 實時評價模塊

實時評價模塊基于采集模塊提供的數據,對通道/區域路網的交通運行狀況進行實時評價。評價可分為通道/區域路網層面、斷面層面和擁堵空間關聯性3個層面,在評價流程上分為2個步驟:①計算通道/區域路網內的平均行程車速;②斷面層面的擁堵狀態評價。

當通道/區域路網內的平均行程車速高于最優車速時:

1) 當通道/區域路網內無擁堵斷面時,可判定控制區域處于低需求、無擁堵情況。

2) 當通道/區域路網中存在擁堵斷面、且擁堵路段之間無空間關聯性(即擁堵未蔓延到上游路段)時,可判定控制區域處于單點局部擁堵狀態。比較斷面實際占有率與最優占有率,若前者高于后者即可認定為存在擁堵斷面(需要管控的臨界狀態)。

當通道/區域路網內的平均行程車速低于最優車速時:

1) 當通道/區域路網中存在擁堵斷面、擁堵路段之間開始出現空間關聯性,但通道/區域路網整體交通運行狀態仍處于宏觀交通基本圖的非擁堵側時,可判定控制區域處于小范圍局部擁堵(未飽和)狀態。

2) 當通道/區域路網整體交通運行狀態處于宏觀交通基本圖的擁堵側時,可判定控制區域處于整體擁堵(過)飽和狀態。

2.3 控制策略模塊

針對上述實時評價的4種結果,結合實際工程應用,給出相應的管控策略。

3 應用實例

以深圳市僑城東路北延通道工程為例,對城市地下快速路的交通管控目標及交通管控策略進行說明。

深圳市僑城東路北延通道工程構成深圳市“八橫十三縱”干線路網體系中的“一縱”,是全市高快速路網的重要組成部分,主要承擔南山、福田西部與龍華、東莞方向的交通聯系,并承擔橫向道路的交通轉換以及沿線的服務功能。

本文所選取依托工程位于工程尾部位置,項目位置見圖4。

圖4 項目位置示意圖

工程沿線依次經過北環大道、廣深高速、僑香路、深南大道、白石路、濱海大道、全長約為4.7 km ,其中,與北環大道,濱海大道采用互通式立交進行快速轉換,與廣深高速采用分離式立交布置,與僑香路采用出入口連接地面道路與快速主線。 考慮到該段的匝道與立交相較于其他路段較多,且連接了現狀僑城東路,其交通狀況較為復雜,適合作為典型路段展開地下快速路交通智能管控策略的研究。

3.1 通道/道路宏觀層面管控目標

依托工程為新建項目,尚無實際交通運行數據?？紤]到以道路整體為研究對象時,高架快速路與地下快速路同樣為連續流交通,具有相似的宏觀交通流基本圖。因此,以上海市逸仙高架快速路為例,構建2011年5月6日、2017年6月2日和2018年5月4日 3 d的宏觀交通流基本圖,見圖5～圖7,以此計算最優車速與次優車速,分析以max(Q·V)作為通道/道路宏觀層面管控目標的可行性。

圖5 逸仙高架交通流密度-速度圖

圖6 逸仙高架交通流密度-流量圖

圖7 逸仙高架交通流密度-速度*流量圖

由圖5～圖7可見:

1) 從出行者角度出發,密度小于30 pcu/h時,速度可維持在最高水平,達到70～80 km/h ,且系統運行穩定。但此時道路服務流量處于較低水平,設施利用效率不高。

2) 從管理者角度,道路以通行能力水平運行,設施利用效率最高。此時對應次優車速約為55 km/h 。但此時數據離散性較大,系統運行不穩定。

3) 使得流量與密度乘積達到最大值時的密度約為40 pcu/km,此時對應最優車速約為65 km/h 。此時出行者、管理者均較為滿意,數據離散性小,表明系統可以實現較為穩定的運行。

由此證明,采用流量與車速乘積取得最大值對應的車速作為最優車速進行宏觀層面的交通管控,相較于傳統管控目標,更能滿足地下快速路對于系統穩定運行的強烈需求。

3.2 斷面微觀層面管控目標

同樣以2014年12月1日上海市南北高架快速路東側主線“永興路下-內環”斷面環形線圈檢測器采集的交通流數據(數據采集時間間隔20 s)為例,進行傳統最優占有率與本研究采用的最優占有率比較。

數據分析采用1 min為時間間隔,以最大通行能力對應的占有率(傳統方法中的最優占有率)為上限,將非擁堵狀態細化分成5個占有率區間,計算每個占有率區間發生交通狀態躍遷的概率。計算結果見圖8。

圖8 南北高架快速路東側主線

由圖8可見,如最優占有率按照傳統匝道控制方法選擇19.5%,則當斷面占有率在[15.6,19.5]區間時,有13.8%的可能下1 min會躍遷至擁堵狀態,而占有率在[11.7,15.6]區間時僅有2.1%的可能下1 min躍遷至擁堵狀態?？梢?本研究采用的考慮躍遷概率的最優占有率比傳統以最大通行能力對應的占有率作為最優占有率的方法更能滿足地下快速路斷面微觀層面對于交通穩定運行的需求。

3.3 地下快速路通道管控策略

搭建深圳市僑城東路北延通道工程通道/區域路網智能管控框架,完成數據采集與實時評價工作,對實時評價4種結果下的地下快速路交通智能管控策略進行說明。

3.3.1低需求、無擁堵狀態下的管控策略

此時通道/區域路網無迫切的管控需求,可以提升效率和交通運行安全性為目標,引導車輛在安全車速下行駛。

3.3.2單點局部擁堵狀態下的管控策略

單點局部擁堵狀態下,控制區域內出現的交通擁堵無空間關聯性。進行管控時遵循以在“單節點層面消化擁堵”為主,以通過“鄰近節點間進行需求平衡”為輔的原則。

1) 單節點層面“消化”擁堵的主要管控措施。面向快速路的單節點擁堵,可采用技術相對成熟、已經獲得推廣應用的快速路入口匝道控制及出口匝道與地面交叉口聯動控制。在選擇臨界占有率指標時,可用本研究給出的最優占有率。

2) 節點間需求誘導措施?？稍谙噜彽?個或多個節點間進行交通誘導,完成單擁堵節點交通需求在上下游、鄰近道路節點間的需求均衡,從而達到緩解擁堵的目的。如在上游道路發布斷面擁堵信息,引導出行者避開擁堵節點。

3.3.3小范圍局部擁堵(未飽和)狀態下的管控策略

對于車速低于最優車速、出現小范圍局部擁堵但路網未飽和的情況,管控方式仍以在控制區域內部化解擁堵為主?？赏ㄟ^通道內平行路徑需求誘導、關鍵路徑需求控制等手段來均衡需求、提高局部路網容量,進而提升交通運行效率。

1) 通道內平行路徑需求誘導:均衡通道內部交通出行需求。為均衡通道內部交通流量分布,對通道內主方向平行路徑交通運行狀態進行監控與誘導。

以圖9中擬建后的僑城東路北延通道為例。通道在南北方向存在4條平行路徑,從西向東為:沙河西路、沙河東路、僑城東路北延、香蜜湖路。若僑城東路北延通道出現局部擁堵,可采取交通誘導措施,引導車輛向平行路徑轉移(如向香蜜湖路轉移),從而達到平衡交通分布、提高交通效率的目標。

圖9 僑城東路北延通道

2) 通道內主路徑需求管控:保證主路徑運行效率,行程車速達到最優車速?？刹捎媒煌ㄐ枨蠊芸卮胧?保證通道內主路徑(即通道中承擔較高比例出行服務的高速公路、快速路或主干路,如本研究中僑城東路快速路段)的通行效率,使其盡可能以最優車速行駛?？刹扇〉男枨蠊芸卮胧┌?①主路徑進入控制,可通過對主路徑的入口路段進行交通管控,控制進入主路徑的交通流量;②主路徑擁擠收費,采用擁擠收費等管理手段?？梢詫④囁倏刂圃谧顑炣囁僖陨蠟槟繕?進行費率的制定和實時調整,也可進行有傾向性的收費。

3.3.4整體擁堵過飽和狀態下的管控策略

當車速低于最優車速,出現大范圍擁堵,路網處于過飽和狀態,采用前述3類策略仍然無法實現對通道/區域路網使用的緩解時,可通過在大路網層面采用多通道需求誘導、通道/路網進入需求管控和區域協調控制等方法,促使將控制區域內的交通需求回歸到合理范圍,提升路網整體的運行水平。

4 結語

1) 本研究從宏/微觀2個層面,提出適應城市地下快速路交通運行特征、滿足地下快速路管控需求的智能管控目標,包括:在通道/道路宏觀層面,基于宏觀交通基本圖,從高速、高通行量和高可靠性3個方面進行分析,提出了以實現流量車速乘積最大化時的速度作為最優車速控制目標、以通行能力對應車速作為次優車速控制目標。在斷面微觀層面,提出了以狀態躍遷概率表征交通運行可靠性的方法,認為最優占有率需綜合考慮流量和狀態躍遷概率。

2) 研究提出了通道/區域路網層面的智能管控總體框架。通道/區域路網層面管控將通道運行狀況劃分為4種狀態,分別給出了控制策略。

3) 以僑城東路北延通道工程為例,對城市地下快速路交通智能管控目標制定的合理性及智能管控策略的應用進行說明。

考慮到新建的依托工程路段尚無實際交通運行數據,因此借助了同為連續流交通的上海市快速路(高架)數據進行管控目標的合理性分析。然而由于車道數目、交通組成、運行環境等方面存在差異,在實際應用過程中需要根據僑城東路北延通道實際的交通運行數據,計算最優車速及最優占有率。

研究成果可為深圳僑城東路北延通道及其他待建地下快速路交通運行全過程優化措施制定提供參考,也可為已建地下快速路在運行階段的安全改善提供指導。