马玉成，廖苑伶

（上海市政交通设计研究院有限公司，上海200030）

0 引言

呼和浩特市（简称“呼市”）规划快速路共六条——两横两纵加两条快速路连接线。两横两纵为：二环北路、二环南路、二环西路和二环东路及延伸线。两条快速连接线为：机场快速路、二环东路延伸段向东接绕城高速公路。目前，机场快速路已通车，二环南路正在建设阶段，其余快速路正处于施工图设计阶段。呼市的快速路布局形式与北京的快速路布局形式比较相似，主要采用路面形式的主路辅路系统。二环线快速路预计2015 年全部贯通，如何提高快速路的运营效率，减少交通拥堵，提高交通安全性已成为亟需解决的问题。

由于快速路对出行者具有较大吸引力，大量车流将涌入快速路，再加上呼市现有的交通信号控制系统缺乏对快速路的交通需求管理和有效控制，易导致快速路交通严重堵塞。研究结果表明，快速路交通瓶颈一般发生在入口匝道、出口匝道或出入口匝道的交织区处。因此，对快速路出入口匝道进行交通管理和智能控制是提高快速路运营效率、减少交通拥堵的重要途径[1]。

图1 呼市快速路网

快速路出入口控制系统是采用高新技术建立快速路信号控制平台，如现代通讯技术、计算机技术、网络技术等手段，采用布设的检测器，对快速路出、入口的某个或多个参数进行实时采集和预处理，然后按照既定的控制策略来调节出、入快速路系统的交通量，实现重点快速路匝道控制，主要包括匝道控制和诱导两个方面[2]。

1 国内外成功应用案例研究

1.1 国内应用

（1）上海

截至2011 年底，上海中心城快速路路网里程数稳定在141.0km，基本采用高架形式。至2009年，上海浦西地区快速路88个入口匝道中有70多个实施了匝道控制，除了武宁路实施了匝道调节控制，其他都为匝道开关控制，其中部分入口预留了汇入控制功能。浦东中环8 个匝道及A1 的11个匝道实施匝道控制，其中17 个入口匝道为开关控制，并预留远期汇入控制功能，1个入口匝道实施自适应汇入控制，1个出口匝道实施可变车道控制。近期，在杨高路上匝道，汇入南浦大桥的入口处，浦东张扬路上匝道与进入杨浦大桥的主线，设置了挑杆信号灯控制。上述匝道控制在关联道路上布设“固定文字+可变文字”可变信息标志，在匝道入口及高架路段上设置了交通流情报信息板，目前系统运行良好。

上海市快速路出入口控制系统开关控制较多，有交通引导信息发布/交通监控设备，电子警察设备。2005 年上海快速路匝道实施控制系统后，交通量和平均车速均有一定程度的提升，特别是在内环高架内圈武夷路入口匝道实施自适应汇入控制后，更是取得了很好的控制效果，充分体现了汇入控制的优越性。试验区域主线流量提高了1.1%～23.2%；主线平均车速提高了11.1%～84.6%，主线拥堵时间减小了22.8%～76.5%，缩短了主线车辆排队长度，改善了快速路主线的交通状态。上海快速路出入口控制系统改善了快速路主线的交通状态，同时，快速路控制系统的交通信息和诱导设施均衡了交通需求，提高了快速路系统和区域路网的服务水平。

（2）北京

北京快速路由二、三、四、五环和11 条联络线组成，长达360km，承担着全市50%以上的交通流，快速路出入口密集，平均间距仅为318m，是世界上最复杂、控制难度最大的快速路。北京快速路与呼市类似，即为地面快速路，两侧设置地面辅路，快速路出入口加减速车道较短，从辅路汇入分流。针对这一结构和特点，北京市公安交管局自主研发了快速路出入口交通流特性分析、快速路多节点OD建模技术和给予主辅路占有率映射算法的交通控制策略，以及城市快速路交通控制技术。基于上述技术建成的快速路交通控制系统，利用设置在快速路主要出入口的信号灯，依据对快速路主辅路流量信息的检测实施占有率控制，智能控制快速路出入口的开启和关闭。北京的地面快速路+辅路形式使得其匝道控制与上海有很大的不同。出入口控制方式包括入口开关控制、入口汇入控制、出口辅路信号控制，配有交通监控系统。北京快速路出入口控制系统有效提高了北京快速路网的承载能力、交通管控能力和城市抗风险能力，快速路网日均时速提高6.92%。

1.2 国外应用

（1）美国

美国采用“stop-and-go”（停-走）交通信号，控制进入高速公路主线车辆的频率。华盛顿大多数的快速路出入口匝道调节允许每次绿灯通过1 辆车，最多不超过3 辆，调节率大概在4～15s之间，这样的间隔可以保障进口匝道的汇入交通受到一定的阻滞，减少高速汇入时容易产生的刮擦、碰撞等事故。美国亚特兰实行固定周期式匝道调节，但是如果排队检测器检测到预设的排队长度极限值，匝道调节的速度将会被提高，周期缩短，以尽快地减少排队。

在美国快速路控制系统采用需求-容量控制策略较为广泛。需求-容量控制策略是以交通量为控制参量，通过调节进入快速路的交通量，使得进入快速路的交通量与上游交通量之和不超过匝道下游的通行能力，保证主路下游交通量维持在其通行能力之内，最大限度利用快速路。

华盛顿实施匝道调节后，该地区高速公路全范围内事故发生率降低30%，在Renton 的I405 高速公路，匝道调节使得平均行程时间减少了3～16min，匝道调节是一种比较有效地缓解交通拥挤的控制手段。

（2）欧洲

欧洲的高快速路出入口匝道控制一般是车队放行，每次绿灯信号放行匝道车辆数不确定，但每次最多放行的车辆数有限制，一般不超过9 辆，控制策略中的红灯时长和绿灯时长都是变化的。

欧洲的快速路系统大部分采用ALINEA 控制算法。ALINEA 控制算法属于线性状态调节，由Papageorgiou 在1991年提出。它通过调整匝道调节率使得其下游主线的占有率尽量维持在理想状态，是经典控制理论的应用，现在欧洲很多国家在该算法的基础之上进行了许多不同的改进，在实际应用中也得到了很好的效果。

1.3 应用小结

通过国内外的快速路出入口控制系统，可以看到出入口匝道控制是比较常用的控制方法。它通过限制入口匝道汇入主线的车流量，达到减少主线交通拥堵的目的，通过控制出口汇出辅路的交通流，使主线的交通流可以更快地离开主线。

快速路匝道控制主要采用在入口匝道处及出口匝道相连辅路上设置信号灯的方式，调节进出快速路的交通流，使匝道交通流进出有度、有序，避免快速路上形成交通瓶颈。为达到此目的，在进行匝道信号控制时应从城市快速路的交通特性、控制策略、配时方法及协调效果几方面加以考虑。

在出入口控制算法方面，对于在美国得到广泛应用的需求-容量差额控制方法，还存在着一些不足。由于该方法仅仅检测交通量的值，所以不能够判断快速路主线是拥挤还是自由流的状态，并且算法采用开环控制，不能把控制后的微小变化再反馈给系统进行优化，因此，往往无法达到理想的控制效果。欧洲采用的ALINEA算法研究表明，即使算法中的值在很大范围内变动，系统也能保持一个良好的性能，说明ALINEA 算法的稳健性较好。此外，ALINEA 算法的可移植性强，如果外部交通条件变化，只需要调整目标占有率的值，而且控制算法简单，易于实现。目前它成为实际应用中非常成功的一种单点动态控制方法，在实际中还有许多的应用对该方法进行了改进。

总之，快速路出入口控制方法的效果取决于多种因素，交通特性、道路条件、匝道分布等多种因素都会影响到控制算法的适用性。即使是同样的控制算法，其控制参数的取值往往也会在很大程度上影响控制的效果。从本质上讲，入口匝道控制是对主线交通与入口匝道交通进行调节，方案的可行性与当地道路交通条件紧密相关。呼市快速路系统和国内外其他城市的快速路相比，有自身的特点和情况，主要表现为：

（1）以主辅路布置形式为主，部分路段采用高架、地下隧道、半地下路堑形式；

（2）快速路网少，承载的交通流量大，主线交通流量、匝道需求将常处于饱和运行状态；

（3）匝道布置间距较小，主辅路之间的合流、分流成为影响主线运行状况的一个重要因素；

（4）周边路网发达，匝道车辆的可行替代路径较多。

所以应该在总结国内外其他城市快速路出入口控制系统的前提下，结合呼市自身的实际情况，选择符合需求的快速路出入口的控制系统。

2 快速路出入口交通管理控制系统设计

2.1 系统目标

目前呼市快速路正在建设，出入口的现状道路基础条件、线形较好，存在着出入口控制系统实施可行性较好的地点。通过综合考虑各方面因素（科学性及实用性），应用比较成熟的技术，吸取北京上海经验，可以在呼市快速路出入口实现出入口控制，体现出入口控制的效果、优势。经过对呼市快速路网的布局和交通控制系统现状的深入分析，建立呼市快速路出入口控制系统，可实现以下目标：

（1）保证主路基本畅通、辅路不至于产生严重的交通拥堵；

（2）改善出入口匝道车辆的行驶秩序，确保车辆行驶安全；

（3）对快速路及其关联区域进行协调控制，有效使用地面道路的容量；

（4）保证大型活动、紧急事件等非常态的快速路骨架路网作用；

（5）与其他系统协同，提高对道路交通的诱导能力和综合调控水平。

2.2 系统功能需求

目前呼市二环线以内路网密度较大，但高峰时间交通拥堵严重，其中一个重要原因是呼市交通信息管理系统不完善，出行者无法及时查询或获取路况信息，导致交通需求分布失衡。因此，呼市快速路出入口管理与控制系统功能主要集中在几个方面：中心控制、出入口多级调控、出入口信号协调、快速路交通信息采集、快速路信息发布、系统关联、快速路信息查询。

呼市快速路出入口交通管理控制系统可分为三个层次：策略层、管控层、执行层。三个层次相互协调，实现系统信息采集、多级调控、日常管理和系统关联的功能[3]。

2.3 控制管理中心

管理控制中心分为硬件设备和软件设备两大部分。其中，硬件部分按功能分为数据库服务器、管理端设备、以太网传输网络设备和不间断电源（UPS）等几个部分；软件部分分为系统软件、数据库软件、数据处理软件、管理平台软件等[4]。

快速路出入口控制中心局域网系统是系统集成和管理协调系统的基础平台，是一个分布式计算机平台，包括基础平台服务、分布式计算和对象服务、公共设施、共享领域服务以及应用，可以让不同的软件对象跨网络、跨操作系统进行互操作，满足交通信息的发布与查询、访问。

2.4 系统控制方法和算法

根据以往研究，快速路控制系统匝道进出口的主要控制方法包括单点信号灯控制、单点开关控制、多匝道协调控制、快速路干线控制、区域控制、路由控制和不同控制方式的协调控制等[3]。目前呼市二环线快速路匝道相距较近，主线为双向六车道，沿线相交道路高峰时间交通流量大，拥堵严重。因此，针对呼市快速路交通瓶颈形成原因，快速路出、入口匝道控制主要采用在入口匝道处及出口匝道相连辅路上设置信号灯的方式，平峰时间采用单点控制，高峰时间采用整体协调控制方法，调节进出快速路的交通流，使匝道交通流进出有度、有序，避免快速路上形成交通瓶颈，并有效利用辅路容量。建议呼市快速路与常规道路信号控制综合考虑，形成快速路、区域信号控制协调控制系统，提高快速路的抗风险能力和消散阻塞的能力。进一步确保快速路系统的高速、高效、安全和舒适性。

根据呼市快速路道路网设计和出入口布置形式，建议呼市快速路出入口控制算法可以结合采用改进型的ALINEA 控制算法、需求-容量差额控制算法、占有率控制算法和定时控制算法。针对呼市快速路道路网不同的道路条件、交通状况，采用不同的快速路出入口控制算法，将几种控制算法相互结合，针对不同的适用条件和系统实际运行状况选择合适的快速路出入口控制算法策略[5]。

2.5 出入口信号协调控制

由于快速路出入口的控制有很多的限制条件，对于不同的路段和车流量，出入口控制的效果也会有很大差异。其中对出入口控制影响最大的还是出入口是否有较多的道路空间资源可以储存出入口控制造成的排队。

对于呼市部分快速路出入口间距较小的路段，将快速路出入口控制和快速路上下游交叉口控制结合起来，实行协调控制。快速路出入口协调控制从区域路网的角度上，将快速路和普通道路进行衔接和整合，制定协调控制的策略和方法，将快速路出入口和上下游交叉口控制作为一个整体控制系统，从整体路网的角度出发，制定统一的协调控制目标。从而更好地提高整个道路系统的运输效率[6]。

2.6 诱导信息发布系统

用于发布快速路出入口交通信息，对交通流进行有效地引导分流。入口控制信息情报板能够接受匝道控制器的指令，在可变文字显示部分以不同颜色显示“匝道开放”、“匝道关闭”、“汇入调节”等匝道控制内容，以及“主线畅通”、“主线拥挤”、“主线堵塞”等交通状态信息[7]。目前呼市尚缺少交通诱导信息发布系统，导致交通高峰期间部分路段和区域非常拥挤，而有些道路上车流量很少，道路资源未得到有效利用。

快速路入口控制设备布设如图2所示。

图2 快速路入口控制设备布设概念图

3 结语

从国内、国外的应用情况上看，出入口控制系统技术比较成熟，效果比较明显。尤其是在北京、上海，不论从控制算法还是设备选型，因地制宜，均根据本城市快速路的特点，建立了行之有效的出入口控制系统，并在服务于日常交通及重大活动中起到了关键作用。

结合呼市快速路建设情况，从技术层面出发，应用已经较成熟的控制算法及设备，采用的控制策略建议以简单实用为主，包括单点开关、单点信号控制及多匝道协调控制，并适当进行高级控制策略的实验，达到国内领先水平。出入口控制系统与其他系统的衔接，要做好数据的共享交换，应配套实时动态引导系统、电子监控系统及电子警察系统。建设呼市快速路出入口控制系统，可对呼市的交通需求进行有效管理，可提高呼市快速路及整个路网的运行效率和服务水平，提高交通安全性，降低车辆油耗和环境污染，提升呼市的整体形象。

[1] 朱彤，许建，白玉，等.城市快速路出入口交通安全仿真评价研究[J].中国安全科学学报，2010，20（10）：53-58.

[2] 陈学文.城市快速路匝道控制理论及优化算法研究[D].长春：吉林大学，2008.

[3] 刘静，杨远舟，何韬，等.快速路出入口设置实证研究[J].交通运输系统工程与信息，2011，11（增1）：175-180.

[4] 周彤梅，陈楠楠.城市快速路的交通管理与控制策略综述[J]. 中国人民公安大学学报：自然科学版，2009（2）：45-47.

[5] 占建云，李志恒，张毅.基于人工神经网络PID控制器的快速路出入口控制算法[J].系统仿真学报，2010，22（3）：686-690.

[6] 占建云，李志恒，张毅，等.基于改进AMOC的北京快速环路协调控制策略[J].华南理工大学学报：自然科学版，2009，37（11）：43-49.

[7] 钱晓晖.可变情报板诱导信息发布系统在上海外环线的应用[J].上海公路，2004（3）：46-48.