深圳市匝道专题控制研究2020

4. 匝道控制专题研究4.1 匝道控制简介城市道路系统由高快速路和普通道路组成（主干道、次干道、支路），高快速路系统主要服务于城市对外及城市内部各组团之间快速、长距离交通，普通道路主要满足中短距离的城市内部交通需求。城市快速路是城市交通网络的骨架，承载着绝大部分的交通出行，对路网的总体通行效率有着直接的影响。例如上海市的高架道路仅占市区道路面积的5%，却承载着市内的35%的交通出行，其通行效率直接决定着所在交通网络的性能。城市快速路是一个相对封闭的系统􀋑其通过出入口匝道与普通道路相连􀋑构造上的特点，决定了城市快速路交通受限于出入口匝道。高快速路的控制方式包括匝道控制、主线控制、通道控制，其中匝道控制是应用最广的、效果最好的一种控制形式。匝道控制又分为入口匝道控制和出口匝道控制两种类型：1）入口匝道控制可以控制进入快速路的交通量，使整个快速路网上的交通流量分布合理，充分利用其通行能力，同时可以消除或减少匝道处交通流交汇时的冲突和事故，更重要的是它能够影响与之相邻的普通道路的交通状况，是城市高快速路交通控制的主要手段。2）出口匝道控制是缓解出口匝道衔接的平面交叉口的交通阻塞和防止出口排队过长而导致高速干道上交通阻塞为目的的控制方法，包括调节快速路流出的车辆数和封闭出口匝道。这种强迫限制车辆离开快速路的做法通常会使行车时间增长，最糟糕的是，有时由于没有相应的替代路径，从而会导致车辆不能正确到达目的地，遭到司机和出行者的强烈反对，所以一般很少采用。伴随城市规模扩大，高快速路网已经成为国内外特大城市交通系统的必不可少的重要组成，高快速路压力日益增长。伴随智能化交通管理系统建设，针对高快速路交通拥挤和交通事件管理的需要实施匝道控制，进一步确保高快速路主线交通的畅通、快捷和安全舒适，已经是城市道路交通智能化管理的重要手段。4.2 国内外匝道控制调研伴随城市发展，国内外大城市都逐步建立了高快速路系统，但伴随交通压力增长，以下问题凸显：不断从匝道“挤入”主线的车辆迪使主线速度不断降低：主线车速的降低又导致车辆不能尽快到选目的地从而囤积于快速路上，这反过来又使得入口匝道车辆更难以汇入主线：高快速路入口匝道排队车辆的溢出，影响邻近地而道路的正常运行；高快速路车速的降低使得服务能力和服务水平急剧下降，于是部分车辆转移到周边普通道路加剧地面道路交通压力：受平面交叉口制约，出口匝道车辆无法尽快小三，从而车辆排队蔓延，导致快速路主线阻塞。在这断相互作用的恶性循环中高快速路变得不再“快速”，高快速路网与城普通道路网络的基本功能在高峰时段都难以得到发挥。在此情况下，国内外针对匝道控制进行了研究和实践，取得了显著效果。匝道控制技术最早出现在美国的芝加哥市，芝加哥市匝道控制的成功使得美国各州及加拿大、法国等纷纷应用匝道控制技术来控制高速公路交通流。2000年后，国内北京、上海等城市也开展了匝道控制的实践。4.2.1  美国匝道控制美国，匝道调节的定义：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。对于驾驶员来说，匝道调节使用的方法：如果在进口匝道遇到红灯，则在停车线前停车，知道绿灯方可汇入。但是，如果进口匝道设有高占有率车（high occupancy vehicle HOV）专用车道，该车道不进行控制。美国的高快速路出入口匝道控制一般是单车放行，一次绿灯信号放行1辆最多不超过3辆。在美国高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 ，保证主线下游交通量维持在其通行能力之内，最大限度利用快速路。 图4-1 美国匝道控制1）华盛顿州华盛顿交通运输局（WSDOT）实施匝道调节，以降低事故发生率，减少通勤行程时间，大多数的匝道调节允许每次绿灯通过1辆车，调节率大概在4-15秒之间，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。华盛顿匝道调节已经实施在大多数的交通繁忙进口匝道，如I-5, SR 520, I-90, I-405 and SR 167，实施匝道调节的时间段一般为6 a.m. to 9 a.m以及 3 p.m. to 7 p.m.时间段根据交通拥挤情况进行调整。匝道调节是一个大型的计算机操作系统，设计在华盛顿运输局交通管理中心(TMCs)，在道路上通过磁力线圈检测到实时数据（高速公路主线以及进口匝道的车辆速度、流量等），上传到TMCs，在中心自动计算出保证交通流最有效运行的各匝道控制周期长度，反馈到匝道控制器进行实施。实践表明：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316分钟，匝道调节是一种比较有效的缓解交通拥挤的控制手段。2）乔治亚州亚特兰1996年亚特兰大就开始在州际75号高速公路的5个进口匝道实施匝道调节，但是因为当初交通流量不高，缓解交通拥堵的效果也不明显。随着交通量的日益增加，2004年，乔治亚州交通运输局为了缓解拥挤的进口匝道与主线汇入区拥堵，降低可能的碰撞事故。再次启动匝道调节系统。经过乔治亚州运输局前期研究分析后，确定4个最繁忙的进口匝道进行控制，即州际高速公路75，85的Williams 街, Ellis 街, Edgewood 干道和 Freedom 公园大道，整个系统由Day-Wilburn 进行实施，开工于2004年末，2005年4月完调成，4月5日正式运行，匝道调节实施的时间段为下午2点7点。这些进口匝道均为2车道，在使用匝道控制前都是饱和运行， 匝道控制策略采用的是固定周期式，约900辆车/小时/车道，也就是说调节周期为4s，允许一辆车通过。在实施过程中，所有的检测器已经被布设，以期将来实施自适应匝道节控制。同时，虽然一期工程采用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，以尽快的减少排队。该系统是乔治亚州ITS系统的重要组成部分，通过先进的视频检测系统确定最有效的匝道调节策略，该系统中心由NaviGAtor公司建设实施，地理位置设在州运输管理中心。在乔治亚州匝道控制研究报告中，2009年4月前通过9个交通工程项目在亚特兰大城市120多个进口匝道实施调节控制。4.2.2 欧洲匝道控制随着经济社会的发展以及汽车保有量的不断攀升，欧洲也面临同样的交通问题：常发性和偶发性交通拥挤，使得高速公路这种高价投资的基础设施破坏严重、交通安全问题日益凸显、环境污染问题越来越严重。欧洲政府采取了很多智能交通管理与控制的手段以期缓解目前的状况，其中一项就是希望通过匝道调节控制等对出入口及主线的交通流进行管理，来缓解以上问题，提高交通流运行的安全及有效性。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。欧洲的高快速路系统大部分采用是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。EURAMP（EUropean RAmp Metering Project）是欧盟FP6行动计划中“e-safety of road and air transports”中匝道控制领域的一个重大项目，该项目由欧洲委员会资助，旨在研究和促进欧洲的匝道调节控制。欧洲委员会投资204万欧元，2004年3月1日启动，历时39个月，于2007年5月31日验收。该项目由法国、德国、英国、意大利、荷兰、希腊、以色列6个国家共计17个政府部门、研究院、高校团队共同参与完成。该项目的科学研究、系统开发围绕单个进口匝道调节以及网络动态调节等方面展开，其中网络动态调节除了考虑主线沿线若干个匝道调节的协调控制，还会考虑进口匝道控制与衔接交叉口的整合控制。更深入的控制策略、控制方法也EURANMP项目中进行了研究，匝道控制的交通安全问题以及相关的匝道调节的应用是本项目的重点。该系统实施的目标：从交通流安全有效性角度，提出控制方法上的改进，以保证欧洲在该领域处于国际上技术领先地位；整合，协调、促进匝道调节在欧洲的实施；欧洲高速公路示范工程开展，为新一代的网络扩展式匝道调节控制系统安装打下基础；研究匝道调节与衔接交叉口信号控制的协调，从交通流的安全有效性角度提出满足最大协同程度的多种先进的控制方法。除了系列科研和系统开发，EURAMP在欧洲选取了5个代表性的实地现场（来自5个国家，Ile-de-France, The Netherlands) to utter newcomers (Vienna)）进行示范工程。理论成果和实际产品在5个示范工程中得到全面测试和交叉评估，本项目最后还形成了欧洲的“匝道控制设计手册”，供道路交通工程设计时参考。法国匝道控制示范工程：包括5个连续的进口匝道，覆盖巴黎南部A6高速公路约20公里路段，这5个匝道分别位于Ris-Orangis, Grigny, Viry, Savigny and Chily-Mazarin，是通往南部通往巴黎方向的重要交通通道。每个进口匝道都有环形线圈检测器和交通信号灯，在EURANMP项目中，现场实验的主要目标是开发、测试并评估单点以及协调控制策略所产生的交通影响。荷兰示范工程：在乌特列支Utrecht，匝道调节的实验选择在A2高速公路Maarssen 的西部，2003.12.14开始实施匝道控制，采用的控制策略是每车道每绿灯通过2辆车。除了在Maarssen进行主要的评估外，还基于A28北部Soesterberg, Maarn and Leusden Zuid.路段进行匝道控制实施前后的安全评估。 图4-2 法国Viry地区A6高速公路 图4-3 Maarssen西部A2高速公路德国慕尼黑Munich的示范工程：选择在Munich东部A94高速公路上的一个匝道控制现场，该匝道控制主要是调节AS5交叉口离开新贸易中心和大卖场经过A94出城的车流，该示范工程中，测试了匝道调节算法ALINEA参数设置和控制策略，以及基于模糊控制的ACCEZZ匝道控制算法。 以色列示范工程：Ayalon高速公路纵跨以色列的特拉维夫（TelAviv）城市南北区域，是以色列最繁忙的道路，每天承载75万车流量，EURAMP项目实施之前尚没有在Ayalon高速公路尚进行匝道调节。在EURAMP项目中，选择了2个进口匝道进行示范，即北面KKL地方的进口匝道，南面Kibutz Galuyot地区的进口匝道，采用的是本地匝道调节方式。图4-4 德国MunichA94高速公路 图4-5 以色列Ayalon, Tel Aviv4.2.3 英国匝道调节南安普顿地区M3/M27高速公路正在实施“匝道调节示范计划”（Ramp Metering Pilot Scheme ，RMPS)，该项目由英国交通部联合汉普郡议会、南安普顿交通管理局、汉普郡警察局共同实施，该项目匝道调节实施地点包括M3与11号高速公路南段衔接点、M27与3号高速公路东段衔接点，M27与5，7号高速公路西部衔接点、M27与10、11号高速公路东部衔接，加上M3与12号南段、5号东段交界处的2个控制点，共计8处。图4-8  英国匝道调节现场该示范计划旨在通过试点工程为英国全范围实施匝道调节提供指导作用，评估新一代的匝道调节设备与技术在不同交通环境下的适应性，以集成到公路管理局“自适应交通管理示范计划中”（交通部10年计划）。RMPS项目中，基于对多种检测技术的比较，决定在匝道调节系统中采用环形线圈作为基础检采集设备，同时也可以融合使用已建设的高速公路事件检测与报警系统（Motorway Incident Detection & Automatic Signalling ，MIDAS)中的检测设备，通讯协议采用的是匝道调节的基础交通数据字典和数据规范。所有上述的控制点都进行数据采集，包括基础交通数据、基于车牌识别的行程时间数据，CCTV视频监控，其它还有如天气、交通事件等信息收集。2000年末所有的匝道调节投入运营。在系统研究阶段提出了多种匝道调节算法，但是实际工程中应用效果最好的还是ALINEA算法和需求/容量（Demand/Capacity，D/C）算法。目前这2种算法的适应性正在评估当中。实施中，红灯时间最小2sec，黄灯时间0.5sec，绿灯时间、红灯时间根据计算的调节率进行调整。4.2.4 国内匝道控制1)上海2005年，上海在浦西内环高架路、南北高架路、延安高架路实施了30个入口匝道控制系统，在关联道路上布设66块“固定文字+可变文字”可变信息标志。2009年，后续46个入口匝道实施匝道控制，目前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。匝道开关控制的外场设备主要是是控制器、龙门架、车道灯，设置在匝道进口处，为防止匝道关闭时车辆闯入快速路，现在很多上匝道在实施开关控制的同时，也安装了电子警察。而调节控制设备多用红绿信号灯，设置在匝道汇入主线处。图4-7 上海中心城区快速路网浦东内环线杨高路上匝道，汇入南浦大桥的入口处，安装了信号灯控制，采用挑杆信号灯，主线上位置设在距离汇入点下游20米处，相应的匝道入口信号灯停车线设在匝道入口处，距离汇入点上游20米处。信号灯控制策略与地面交叉口相似，采用两相位，主要是在高峰流量时让主线和匝道的交通流分时汇入南浦大桥，从而缓解过江交通拥挤。同样，浦东张扬路上匝道与进入杨浦大桥的主线，也采用类似的信号控制方式。上海市快速路出入口控制系统简单开闭控制较多，汇入控制效果良好，有交通引导信息发布/交通监控设备/电子警察设备；快速路出入口控制系统改善了快速路主线的交通状态，使驾驶员明显感觉到了道路服务水平的提高。上海快速路匝道控制系统实施效果良好。2005年入口匝道控制系统系统实施后，快速路交通流量增加了5%、平均车速增加了3%；2007年10月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%，缩短了主线车辆排积长度，改善了快速路主线的交通状态，使驾驶员明显感觉到了道路服务水平提高。图4-8 上海匝道控制示例2)北京北京快速路由二、三、四、五环和11 条联络线组成, 长度达360 km, 承担着全市50%以上的交通量，快速路出入口密集，平均间距仅318 m。北京快速路与深圳类似，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。北京快速路出入口控制方式包括入口开闭控制、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。图4-9 北京高快速路网“科技奥运”是北京奥运的三大理念之一，在各项奥运准备中得到了很好的体现。有消息称，为确保奥运期间交通安全、高效、可靠运行，北京奥科委组织实施了北京市智能交通规划和实施研究。通过实施“北京市快速路出入口控制系统示范工程”，完成了12处出入口示范工程建设，其中朝阳门南出口改造后，主线速度最大提高10公里/每小时，提高比例高达44。图4-10 北京匝道控制示例4.2.5  国内外调研总结通过国内外的高快速路控制系统，可以看到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的离开主线。在匝道控制中入口匝道应用最为广泛，入口匝道有匝道关闭、匝道调节两类，匝道调节又分为定时控制、感应控制等多种模式，在实际使用中根据各自的情况进行选择。国外砸到调节应用比较普遍，而国内则以匝道关闭为主。匝道控制被认为是一种缓解高速公路或城市快速路交通拥挤的有效方式。从理论上讲，以入口匝道控制为例，当入口匝道上游主线流量小于下游通行能力（不产生交通瓶颈）时，实施匝道调节是有效的。它主要从以下几点来实现缓解交通拥挤的目的：1）减小入口匝道的实际流率，将高峰期的交通需求在较长时间内进行分配。2）确定合理的入口匝道车辆汇合方式，确保主线交通流运行在理想状态。3）转移主线交通量至相邻辅路，通过出口匝道及时疏导快速路车辆。4.3 深圳实施匝道控制的必要性4.3.1 深圳市高快速路网现状深圳市路网结构由高速公路、快速路和普通道路（主干道、次干道和支路）组成，高快速路网承担我市各区之间以及对外、过境的中长距离快速交通服务，是我市交通的主动脉。根据深圳市干线道路网规划（修编）我市将形成“七横十三纵”高快速路网，目前南坪、北环、盐坝、机荷等“四横”以及广深沿江、南光、梅观、福龙、清平、盐排、博深高速等“七纵”已全部建成通车。且通过回购方式，实现了我市范围内的梅观、盐排、南光、龙大等四条高速公路的免费通行。“十三五”期间，我市仍将继续推进高快速路网的建设，其中外环高速、东部过境高速连接线、南坪三期、丹平一期北延段等项目都在建设中，总里程超过180公里。除此外，还将继续推进高速公路回购，实现我市范围内更多的高速公路免费通行。图4-11 深圳现状高快速路网结构示意图图4-12 深圳市规划高快速路网细结构示意图目前深圳现状的高快速路没有匝道控制。深圳的高快速路布局形式与北京的快速路布局形式比较相似，都是采用路面形式的主线辅路系统。与北京不同的地方在于深圳市的快速路主辅路之间的间距比较大，进出口匝道比较长，比较容易实现快速路出入口的匝道控制，在匝道上的排队长度不会到达辅路，影响辅路上的交通。4.3.2 深圳市高快速路网运行状态1） 高快速路交通压力日益增长深圳从十一五至今一直在进行高快速路网的建设和改造升级，路网规模在不断扩大，部分道路进行了拓宽，虽然取得了一定效果，但是伴随交通需求不断增长，高快速路拥挤也是日益加剧。北环大道-泥岗路、滨海大道、南坪快速、梅观高速、机荷高速、广深高速等主要通道，高峰时段常发交通拥堵；其余道路交通压力也日益增长，因事故引发拥堵也日益频繁。2） 高速快速路匝道与邻近的灯控路口互相干扰高快速路与相交的普通城市道路之间的交通运行状况的相互干扰也日益严重，在邻近高快速路匝道的平面交叉口，在高峰时段容易出现以下现象：现象1：高快速路驶出匝道的车流量过于集中，邻近的平面灯控路口通行能力无法满足需求，排队空间不足，导致驶出匝道车辆排队过长影响高快速路主线车流通行，从而容易引发高快速路擦碰事故，导致主线交通拥堵。现象2：高快速路交通拥堵导致驶入车流排队溢出至下游灯控路口，有时会导致下游交叉口堵塞，在不能及时疏散的情况下，由点及面，导致区域性交通拥堵。以上两种现象在深圳高快速路与干线性主干道相交的节点附近比较常见，如北环与科苑、北环与新洲、北环与上步、沙河西与东滨等。以沙河西路与临近的东滨路深圳湾口岸灯控路口为例，由于相互干扰，早高峰沙河西路压力较大，西向北匝道排队溢出至下游的东滨路深圳湾口岸灯控路口，有时会导致该路口堵塞，对出入深圳湾口岸的车辆造成严重干扰。晚高峰则相反，东滨路深圳湾口岸灯控路口交通压力较大，容易导致排队溢出至沙河西路，引发沙河西路交通拥堵。 图4-13 早晚高峰深圳湾口岸与东滨路的相互影响3） 高速快速路之间的互相影响在高峰时段，交通压力较大，容易产生交通拥堵。在缺乏匝道控制的情况下，上游匝道未采取任何控制措施，在拥堵的情况下，流量仍然集中汇入，容易在匝道及匝道与主道的交织区引发交通事故，导致大面积的交通拥堵。典型的案例如南坪快速与梅观高速转换节点，早高峰梅观高速接近饱和，流受梅观高速堵车影响，南坪快速西向北匝道排队超过上游交织区，对南坪西向东主线车流造车严重干扰，经常导致南坪快速大塞车。晚高峰，由于南坪快速压力较大，梅观高速由北向西驶入南坪快速流量集中，西向北匝道与主线交织区通行能力紧张，经常引发交通拥堵。 图4-14 早高峰南坪转梅观高速（西至北） 图4-15 晚高峰梅观转南坪（北至西） 伴随交通需求增长，高快速路匝道控制的实施日益迫切，包括出入口匝道控制及相邻灯控路口信号协调及配套的动态引导系统设施，电子监控系统以及电子警察系统。4.3.3 深圳市高快速路匝道控制系统建设必要性分析随着深圳市经济的快速发展，机动车辆急速增多，由于快速路对出行者具有较大吸引力，大量车流涌入快速路。再加上深圳市现有的交通信号控制系统缺乏对快速路的有效控制，这就造成了快速路交通阻塞现象屡见不鲜，表现出行驶速度降低、交通事故增加、燃料消耗加大、空气污染加剧、运行效率降低等特征。深圳市高快速路网体系在不断完善，规模在逐步扩大，但相比之下，针对快速路的交通信号控制却没有实现与高快速路发展速度相对应的规模与智能化程度，这严重制约了深圳市整体交通发展趋势。随着机动车保有辆的逐年攀升，不论是快速环路还是城区路网，交通需求越来越趋于饱和或超饱和。城区平交路口智能交通信号控制系统的不断完善中，已经提出了对路网承载能力和信号运行边界条件约束下的控制策略，并逐步实施。不论是交通需求的发展，还是路网控制管理的需求，均对匝道控制系统的建设提出紧迫的需求。经过对深圳市高快速路网的布局和高快速路匝道控制系统现状的深入分析，建立深圳高快速路出入口控制系统非常迫切，如系统建成并有效运作，预期可达到以下效果：1) 减少或避免高快速路常发性拥挤的发生,加快疏散偶发性拥挤受阻的车辆；2) 规范匝道和主线车辆汇合；3) 对高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主骨架路网作用；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。目前深圳市高快速路出入口匝道的现状道路基础条件、线形较好，存在着大量潜在的出入口匝道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，吸取上海北京经验，可以在深圳市高快速路出入口实现匝道控制，体现匝道控制的效果、优势。4.4 深圳市实施匝道控制的可行性深圳市实施匝道控制有良好的基础，1）高快速路网的建设与完善深圳市高快速路网基础良好，近几年还将进一步通过新建和改造进行扩容完善，此外还将通过回购的方式实现深圳境内高速公路的免费通，并且按照市政道路进行管理。而且地面道路也将通过新建、改造拓宽等方式逐步改善。将为匝道控制提供良好的道路条件。2）良好的智能化交通管理基础深圳市一直比较重视智能化交通管理系统建设，建立了信号控制、电子警察、视频监控、交通诱导、车牌识别等多个子系统及交通信息共享平台。且近几年将充分利用市里、区里多种渠道的资金，加大智能化交通基础设施的覆盖率，实现多元化交通数据融合，全面控制与引导。3）信号配时管理的精细化、专业化深圳市是国内最早探索信号配时专业化运行的城市，建立了专业化的服务团队，并且近几年通过服务外包方式，提升信号配时的管理水平，信号配时的精细化、智能化水平将进一步提升。综上可知，深圳市高快速匝道控制具有可行性。4.5 深圳市匝道控制的建设目标与功能构成4.5.1 建设目标通过建设高快速路匝道控制系统，实现以下目标：1） 实现对进出高快速路主线车流的实时全面管控，通过高快速路系统的高效运行和整体调控，在高快速路主线发生交通拥堵时或根据重大活动等紧急事件的要求，对高快速路匝道进行自动开放或封闭管理，提高高快速路的抗风险能力和消散阻塞的能力，达到节省警力，保证快速路主干道畅通，从而有效缓解深圳市交通拥堵的整体态势。2） 实现快速路及其关联区域的协调控制，减少高快速路与相交普通道路的相互干扰，使得高快速路及周边相交干道运行状态保持在可控水平；3） 提升应对突发事件的能力，满足重特大事件对交通疏导的需求。4） 实现与交通视频监控、交通流检测、事故检测和交通诱导等系统的信息共享，提高完善对道路交通的监视、诱导能力和综合管控水平。4.5.2 深圳市高快速路匝道控制系统构成根据对国内外经验的总结，建议深圳市高快速路匝道控制系统应该由以下几部分组成：1）信息采集部分全面、实时采集匝道及相关道路交通信息采集，包括高快速路出入口匝道交通流数据采集、区域相关道路交通数据采集。数据来源应为多元化的，包括各种检测器（线圈、地磁等）检测的数据、视频监控的路况及交通事件识别、车牌识别数据及其他方式。2） 匝道协调控制部分包括前端设备及控制系统两部分。前端控制点设置信号控制机、出入口匝道铺设车辆检测器、并配套电子警察进行违章监管, 信号控制机以简易型为主并配套与邻近路口信号控制系统区域联动功能。新增快速路信号控制平台对快速路状况进行监控、同时通过交警局内部网络与信号控制系统、市级交通信号综合控制系统相连接，快速路数据与交警局共用信息平台共享，形成协调联动。图4-16 高快路入口匝道设备布置示意图图4-17 高快路出口匝道设备布置示意图出入口匝道采取多级调控策略：单点开关控制、单点信号控制；多匝道协调控制；高快速路干线控制、区域控制。出入口匝道与地面区域路网信号协调：高快速路的出入口匝道控制策略与相交道路沿线的相邻灯控路口之间的信号协调。3）路况信息发布和查询通过路侧交通诱导屏、手机、电脑等多种方式，发布并供公众查询高快速路及匝道、周边相邻道路的路况及诱导信息，起到主动诱导的作用。具体实施时纳入我市干线诱导及有关交通信息发布及查询平台建设。快速路控制系统建设包括场外设备建设及控制系统建设部分，匝道控制点设置信号控制机、车检器、电子警察等场外设备，同时在中央控制系统中建设高快速速路信号控制平台。4.5.3 快速路系统整体控制策略1）分层优先高快速路匝道控制应该保证主线的交通流畅通，主线优先，驶出车流优先，限制短途交通借路行驶的现象。主线车辆离开主线驶入辅路时，优先通行；辅路车辆进主线时，让主线车辆先行。在辅路和主线之间，尽量避免主线的交通拥挤，必要时牺牲辅路利益。同时，确保高快速路的主动脉战略地位，实现高快速路主线优于辅路，辅路优于一般路网，在时域和地域上合理分配交通流，实现区域交通流的基本畅通。2）诱导与控制相结合通过VMS等信息发布手段，为进出主线的车辆提供实时可靠的交通信息，首先提示前方交通状况及出入口匝道关闭情况，当出口关闭时，VMS或其他诱导方式可提示驾驶员选择其它出口匝道，对车辆尽可能的实施诱导，使它们能合理地分布到城市路网中。3）辅路及路网协调控制对设置主辅路的城市快速路来说，辅路起到了类似高速公路通道的作用。在主线车辆产生拥挤乃至阻塞的情况下，辅路能负担一部分交通需求。兼顾辅路和邻近路网，将辅路与邻近路网进行协调联动控制，预防及解除瓶颈区间的交通拥堵，增加道路通行能力。总之，高快速路匝道控制的理想效果是：在交通高峰时段（交通需求大于交通供给）快速路能以最高效率运行，具体表现为车流以最佳速度和最佳流量运行。要达到这样的控制效果，要求在各出口匝道对辅路车流加以控制并与下游信号交叉口协调来保证出口匝道车辆排队不至于到达快速路交织区；各入口匝道放入车辆要与快速路交通流状态相适应，其放入量和放入时间既不至于使快速路形成交通瓶颈又不能浪费快速路的时空资源。与此同时，应协调辅路上游交叉口控制信号、匝道控制信号和辅路下游交叉口控制信号，从而尽量减小辅路的车辆排队和延误。4.6 深圳市高快速路匝道控制模式4.6.1 高快速路匝道与主线衔接区域交通运行特征分析高快速路主线和普通道路的衔接部分的交通组织和控制是匝道控制的重点。 入口匝道与道路衔接, 出口匝道与地面道路衔接, 且大多数出入口匝道均与地面邻近交叉口衔接。我市快速路与普通干道相交常采纳简交方式，例如北环与科苑交叉口，下图为快速路主线- 出入匝道- 地面道路三者相互衔接关系的示意图。图4-18 快速路主线- 出入匝道- 地面道路三者相互衔接关系示意图在高峰期，流量比较大的匝道上都易出现排队现象, 要离开高高快速路主线的车辆排队在主线等待强行插入出口匝道排队车流，车辆频繁交织对主线直行车流造成干扰。在普通道路排队等待进入高快速路主线的车辆同样对其所在路段及邻近交叉口的运行状况产生影响。在这种情况下, 所产生的恶性循环就是“ 上面的车下不来, 下面的车上不去”，可能导致整个高快速路网的擁痪。入口匝道的交通运行特征：由于高快速路主线与普通道路车速的差异，普通道路上匝道的车辆需加速才能顺利和高快速路上主线的车辆形成合流。当高快速路主线外侧车道的流量较小时， 车辆之间的空隙较大，上匝道的车辆能够顺畅实现合流。但当高快速路主线流量较大时，普通道路上匝道的车辆难以插入主线车流，需在匝道上排队等待时机, 此时匝道的通行能力降低，排队车辆往往会延伸到普通道路上，甚至溢出至下游平面交叉口。出口匝道的交通运行特征：车辆从高速运行的状态转为低速行驶，此时距道的通行能力主要是由匝道与普通道路衔接区域的通行能力决定，匝道驶出车流与普通道路原有车流之间交织，会比一般道路交叉口的交织次数更多、交织区更大，当上下匝道与邻近平交路口较近的情况下，导致平交路口通行能力下降，容易成为瓶颈。这种现象在各城市高快速路下匝道的邻近平交路口十分常见。4.6.2 入口匝道控制根据国内外调研，在实际应用中有入口匝道控制也有出口匝道控制，但出口匝道在实际中较少采纳。入口匝道是高快速路匝道控制应用最为广泛的措施。入口匝道控制的工作原理是通过调节从入口匝道进入快速路的交通量, 使快速路主线的交通需求，不超过它的容量(即通行能力), 从而使快速路主线的交通运行在最佳状态附近, 保证快速路交通通畅。入口匝道控制包括匝道关闭和匝道调节两种形式，匝道关闭比较简单易行，匝道调节则比较灵活。匝道调节在匝道上使用交通信号灯对进入车辆实行计量控制，也可通过收费站的收费车道开放数来调节进入快速路的车辆数。单位时间内允许进入的车辆数称为匝道调节率。入口匝道调节的手段有空间上和时间上两种，空间上分为单一匝道的局部调节和多个匝道的协同调节和网络联动调节。时间上可分为定时调节和动态调节， 当一日中不同时段交通需求变化不大时可采用定时控制;动态调节考虑到交通需求的波动较大, 利用实测信息进行实时调节。各种入口匝道控制方式的适用条件如下：1）模式一：入口匝道关闭匝道关闭就是对所有交通都实行关闭，不允许车辆进入快速路，维持快速路顺畅。由于入口匝道关闭可能会引起公众的反对，应谨慎使用，建议在下述几种情况下考虑采纳。l 入口匝道上停车空间已满，为防止匝道内捧队车辆过长而妨碍地面路网交通，此时关闭匝道可以消除车队积存问题。l 入口匝道上游的高快速路的交通需求已达到下游道路容量，而可替换道路上还有容量可供使用。关闭匝道可以防止高快速路上由于交通需求超过交通容量丽造成的交通堵塞。l 在设置匝道调节设施情况下，当允许进入高快速路的车辆很少时，为防止驾驶员误认为匝道调节信号已坏，致使不经允许闯入快速路。在这种情况下，关闭匝道是一种防止交通拥挤的有效方法。匝道关闭的方法有：人工设置路栏，自动路栏，标志，信号灯等四种方法。其中自动路栏和信号灯的方式在我市可以采纳。在高速公路出口匝道上设有收费站的地方,可采用自动路栏，通过关闭和开放收费车道的数量，对进出匝道流量进行调节，可根据路况灵活控制交通状况。人工设置路栏、标志的方式很难有效控制匝道的关闭，所以一般不采用。在快速路匝道可设置信号灯，在紧急情况下，可实施匝道关闭，避免车流汇入引发进一步的交通拥堵。2）模式二：入口匝道定时控制早在1965年WaRle worth就提出定时控制方法，其基本原理是以流入快速路的交通量最大为目标函数，高快速路主线上的交通量不超过其通行能力为约束。定时控制是指匝道调节率是预先给定的，它是根据历史情况的调查得出的经验值,在某一段时间内固定不变掌握交通流的统计情况，把一天分为若干个时段.假定每个时段内交通流状况近似不变，以此作为依据来确定每个时段内单个匝道不变的入口调节率。这种控制方式的缺点是不能适应交通状况的快速变化，对于交通事故和突发事件，系统缺乏相应的处理能力。因此在突发状况较多、交通状况比较复杂、交通流波动大的情况下，此控制方式控制效果较差。但该方式的优点是简单易行，这种控制运行安全可靠，使用设备少。且比匝道封闭灵活，定时调节很容易实现多个匝道口协调控制，因此是目前应用最广的匝道控制形式。当交通流在一段时间内波动不大时，这种控制是十分有效的。入口匝道定时控制系统的构成如下图所示。图4-19 入口匝道定时控制系统示意图定时控制是一种静态调节方法，它有若干优缺点。最重要的优点是能为驾驶员提供一种可靠的能迅速适应的情况。主要缺点是系统不能适应在某段时段内下游道路可能因某种事件引起的容量下降情况，上游需求可能超过预定值变化。所以，一般设定的定时调节率都要使运行的交通量略低于道路容量，例如可取下游容量为正常值的09倍，以防止大部分因交通的随机变化所带来的拥挤。3）模式三：交通感应控制定时控制是根据以往观察到的实际交通状况，利用预先设定的调节率进行控制的，所以，它无法应付交通的突然变化。而交通感应控制在一定程度上克服了定时调节的这种弊端，其特点是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，以实时检测到的交通数据为依据来确定匝道调节率，因此能适应交通流的随机变化。交通感应控制通常可分为需求一容量控制、占有率控制和可接受间隙汇合控制三类。图4-20 入口匝道感应控制系统示意图需求一容量差额控制：需求一容量差额控制是在保证进入高快速路的交通量，与上游交通量)之和不超过匝道下游的通行能力的情况下，即调节进入高快速路的交通量，以最大限度地利用高快速路。该控制策略能使匝道下游主线交通量始终维持在其通行能力可以负荷的领域内，当下游占有率大于下游临界占有率时，采用最小调节率。占有率控制：占有率控剖的原理是对遁道上游或下游占有率进行实时测量来估算匝道下游剩余容量，再来确定入口匝道的调节率。该算法需建立在交通量和占有率的关系的基础上，一般是通过在占有率测量点采集的历史数据来建立交通量和占有率近似关系曲线，并确定与交通量相应的占有率数值。可接受间隙控制：是指当主线两连续车辆间的车头时距满足入口匝道处一辆车安全汇入的最小车头间隔时间，即对匝道汇入车流进行放行。可接受间隙汇合控制多采用单车进入控 制方式 。当匝道上没有车辆等待时 ，匝道信号保持红灯。当有一辆车到来，检测器开始工作。信号控制器的工作流程如下：检测从间隙/ 速度检测器传来的间隙和速度信号；将测得的间隙与给定的最小可接受间隙比较，并确定是否可以接受 ；如果此间隙不可接受 ,可控制器继续检测下 一个间隙 ,直到检测到一个可接受的间隙为止；当测得的间隙为可接受时 ,控制器便立即计 算应该在什么时间放车辆通过匝道信号，使车辆和间隙同时到达汇合的地点；根据时间计算值 ,在适当的时刻控制器控制 匝道信号变换为绿灯；绿灯时间应足够放过一辆车，然后信号由绿变黄又回到红灯。在入口匝道控制的同时，往往会同步采取匝道及其邻近交叉口协调控制，以避免匝道控制对邻近地面道路的干扰。即对入口匝道及其邻近交叉口进行分层协同控制, 将距道交通流与高快速路主线交通流、地面交叉口交通流关联起来, 根据上匝道的交通量, 判断上匝道的交通状态, 再选择不同目标下的合适的协调控制模型, 继而调整上匝道的调节率, 并对协调控制的交叉口进行信号配时的优化。其控制流程图如下图所示。图4-21 图上匝道极其邻近交叉口的分层协调控制流程图4.6.3 出口匝道控制城市高快速路出口匝道上的车辆通过与之衔接交叉进入普通道路网，可采取出口匝道关闭和出口匝道调节两类方式。出口匝道封闭：可以减少由于车辆交织带来的通安全问题，但却给周边居民造成不便且影响沿线商业的发展。因为出口封闭以后目地在附近的驾驶员就得提前或推后离开主线，增加了绕行距和车时间导致来此处消费的人群越来少，由此将会激起公众的强烈反对。除此之外，还可能增加追尾事故发生的能性。匝道调节：对驶离快速路的车辆数进行调节。能在一 定程度上缓解快速路衔接普通道交叉口的拥挤而且增加了可能发生交通事故的风险，若车辆不及时驶离超长排队就延伸到快速路主线从而造成主线的拥堵。上述两种出口匝道 控制方法均是弊大于利，一般都不会单独采用，而是通过对车辆优先放行、与相衔接道路交叉口整合控制及工程施方面的一些策略来实现对出口匝道的调节，确保快速路主线畅通。以一定的优先程度放行出口匝道车辆并不是简单给予绝对的优先权，而是在以高快速路和相衔接的普通道总体利益最大化为目标的前提下，基于高快速路的效益相对高于普通道路的角度考虑，以出口匝道车辆的相对优先为前提，通过衔接信号控制交叉周期长度、 绿信比、红灯时间等参数的调整，实现对出口匝道优化控制，减少出口匝道车辆的延误，保证快速路主线的畅通。在出口匝道常发拥堵，且与周边相邻平面交叉口干扰严重的情况下，可对出口匝道设置信号控制，出口匝道车辆优先放行,并与相衔接地面交叉口的信号进行协调控制。出口匝道车辆优先放行是指相比其他流向的车辆以一定的优先程度放行出口匝道车辆。首先可以通过合理的交通设计来保证出口匝道车辆的优先放行。如可以在辅路上增设信号灯和停车线，扩大下匝道车辆的排队空间，减少出口匝道和辅路两股车流的冲突和交织，通过充分利用道路空间和时间资源及对普通道路车辆的控制来实现出口匝道优先放行的策略；其次可以通过调整衔接交叉口的信号控制方案，如调整相位相序、周期、绿信比等，在满足各方向的最大排队长度和最大、最小绿灯时间的约束条件下，尽可能的给予出口匝道车辆一定的优先通行权。图4-22 出口匝道车辆优先放行示意图高快速路出口匝道衔接交叉口时，首先分析此交叉口的通行能力是否能够满足疏散出口匝道车辆的要求，若不能满足，则要提前告知驾驶员，诱导车辆选择其他路径；若衔接交叉口能够疏散出匝道的车辆，则采取以下方式进行协调控制。1）延长出口匝道关联相的绿灯时间运用感应式控制的基本原理，并引入了最大排队长度的概念，即通过检测与出口匝道相连的进口道上最大排队长度处是否存在车辆排队来决定是否延长绿灯时间。当初始方案中制定的关联相绿灯时间结束时，先检测最大排队长度出是否存在排队，如果有排队则延长绿灯时间一个，然后再在延长时间内判断有无超长排队，如果仍然有超长排队，那么继续延长绿灯时间直至达到该相设置的最大绿灯时间时结束；如果检测发现没有排队则直接结束该相绿灯。图4-23 相邻交叉口关联相位绿灯时间延长感应式控制原理示意 图4-24 相邻交叉口关联相位绿灯时间延长感应式控制流程2）提前激活绿灯运用感应式控制的提前激活的基本原理。在出口匝道上的最大排队长度位置埋设检测器，用于实时的检测出口匝道上的车辆排队情况。出口匝道关联相为红灯周期时，判断最大排队长度处是否出现超长排队现象，如果出现超长排队则在满足一定的条件下提前结束当前的红灯信号周期，提前启亮出口匝道衔接交叉口关联相绿灯信号；如果在判断结束时刻仍然无出口匝道衔接交叉口关联相位超长排队出现，则维持原信号配时方案。图4-25 相邻交叉口关联相位提前激活绿灯原理示意图4-26 相邻交叉口关联相位提前激活绿灯控制流程判断出口匝道红灯是否提前结束时刻，需要满足几个条件：1）是否满足其他相的最小绿灯时长的约束条件；2）若要提前结束其他相位的绿灯信号，则该相位的车辆排队长度是否小于最大排队长度。相位提前激活优化的起始时刻在出口匝道衔接交叉口关联相位提前激活的判断过程中非常关键，在满足其他相的最小绿灯时间的约束条件下，不断检测有无超长排队，若超长排队检测器检测到存在超长排队，则判断当前相结束绿灯后的车辆排队长度是否小于最大排队长度，若是则开始执行更优的控制方案；否则就不能提前结束该相的绿灯信号，然后再以一定的步距继续判断实时的排队长度与最大排队长度之间的大小直至判断结束；判断结束时刻主要考虑的是系统计算优化控制所需的时间。3）减少信号控制相位在相邻交叉口通行能力比较紧张的情况下，可考虑调整交通组织并减少相位的方法,，增加主流向的通行能力，保障高快速路匝道驶出车流快速疏散，保障高快速主线畅通。一是在交叉口直接禁止某流向交通流，大多数采用是禁止左转；二是在左转流量较小时不设置专门的相位，而通过设置左转待行区或设计直行和左转共用车道，减少相位；三是利用交叉口的中央分隔带，设置U-turn，减少交叉口的交通流流向，从而减少相位。4.7 深圳市高快速路匝道控制点布局建议建议重点在高快速路与普通道路相交的匝道处设置匝道控制设施，此外还考虑与周边相邻灯控路口的协调控制。4.7.1 北环大道-泥岗路沿线东起洪湖立交，西至宝安大道立交，改造完成于2011年，以地面道路连续设置立交为主，全长约23.5公里，全线设双向8车道。沿线由西至东依次与宝安大道、107国道、南山大道、南海大道、科苑路、沙河西路、沙河东路侨香路、南坪快速、龙珠大道、香蜜湖路、香梅路、新洲路、彩田路、皇岗路、上步路、红岭路、洪湖西路、文锦路相交，共设置18处立交。图4-27北环大道-泥岗路现状沿线立交建议在北环沿线出入口匝道实施匝道控制，并在下表中的节点考虑与周边灯控路口的协调控制。表4-1 北环沿线建议匝道控制并与周边灯控路口的节点序号匝道控制的节点周边需要协调的相邻灯控路口1北环大道-南山大道南山大道玉泉路口、南山大道前进路2北环大道-科苑北环科苑路口、科苑高新南一道、科苑高新北六道3北环大道-沙河东沙河东-山堡路口、沙河东-香山西街4北环大道-侨香侨香路香山西街5北环大道-香蜜湖路侨香路-香蜜湖辅路6北环大道-香梅路侨香香梅路口7北环大道-新洲路新洲莲花路口8北环大道-彩田路梅林彩田辅路路口9北环大道-皇岗路皇岗笋岗路口10泥岗-上步路上步八卦二路路口11泥岗-红岭路红岭八卦三路路口4.7.2 滨海大道-滨河大道-船步路-沿河路-布心路沿线东起洪湖立交，西至南海大道立交，建成于1999年，以地面道路连续设置立交为主，全长约28.5公里，全线设双向6/8车道。沿线由西到东依次与南海大道、后海大道、后海滨路、科苑南路、沙河西路、沙河东路、深湾五路、侨城东路、广深高速平行的地面道路、香蜜湖路、新洲路、益田路、金田路、彩田路、皇岗路、华强南路、上步路、红岭中路、宝安南路、和平路、文锦路、深南路、罗沙路、丹平快速、翠竹路相交，共设置25处立交。图4-28 滨海大道-滨河大道-船步路-沿河路-布心路现状沿线立交建议在北环沿线滨海大道-滨河大道-船步路-沿河路-布心路沿线出入口匝道实施匝道控制，并在下表中的节点考虑与周边灯控路口的协调控制。表4-2 滨海大道至布心路沿线建议匝道控制并与周边灯控路口的节点序号匝道控制的节点周边需要协调的相邻灯控路口1滨海大道-南山大道南山学府路口、南山海德二路路口2滨海大道-南海大道南海创业路口3滨海大道-后海大道后海学府路口、后海海德一路4滨海大道-后海滨路后海滨海德三道5滨海大道-科苑南路科苑南海德三道、科苑高新南十道6滨海大道-沙河西路沙河西高新南十道7滨海大道-沙河东路沙河东白石三道8滨海大道-白石路白石深湾五路9滨海大道-侨城东路侨城东路白石路口10滨河大道-福强路福强沙嘴路口11滨河大道-新洲路新洲福民路口12滨河大道-益田路益田福民、益田福华三路口13滨河大道-金田路金田福华三路口、金田皇岗一街14滨河大道-彩田路彩田福华三路口、彩田福民15滨河大道-华强南华强南园路口16滨河大道-红岭路红岭金华街路口17沿河路-东门路桥下灯控路口18沿河路-文锦路桥下灯控路口19沿河路-北斗路桥下灯控路口、深南东路北斗路口20沿河路-新秀路新秀罗芳路口21沿河路-怡景路黄贝怡景路口22布心路-翠竹翠竹太白路口、翠竹水贝一路4.7.3 南坪快速沿线西起南山区前海地区、东至龙岗区坪山地区，目前建成段为广深高速公路至水官高速公路段，建成于2006年，以地面道路和高架道路结合为主，全长17.5公里，全线设双向8车道。沿线与南海大道、沙河西路、塘朗山隧道、福龙路、梅观高速、坂雪岗大道、清平高速相交，共设置7处立交。图4-29 南坪快速现状沿线立交建议在南坪快速沿线出入口匝道实施匝道控制，并在下表中的节点考虑与周边灯控路口的协调控制。表4-3 南坪快速沿线建议匝道控制并与周边灯控路口的节点序号匝道控制的节点周边需要协调的相邻灯控路口1南坪快速-沙河西路沙河西宝深路口、沙河西茶光路口2南坪快速-留仙大道留仙南坪路口3南坪快速-玉龙大道玉龙民丰路口4南坪快速-坂雪岗大道环城南路坂雪岗大道4.7.4 福龙快速沿线福龙路南起北环大道香环立交，穿越横龙山、白石岭，横跨南坪快速路、留仙大道，经长岭皮水库、红木山水库、龙华二线拓展区，北接龙大高速路，全长14.25公里，双向六车道，设计时速80公里，2007年12月开始通车。福龙快速沿线与北环大道、南坪快速、留仙大道、龙华人民路、龙华和平路、布龙路等6条道路相交，设置6处立交。图4-30 福龙快速现状沿线立交建议在福龙快速沿线出入口匝道实施匝道控制，并在下表中的节点考虑与周边灯控路口的协调控制。表4-4 福龙快速沿线建议匝道控制并与周边灯控路口的节点序号匝道控制的节点周边需要协调的相邻灯控路口1福龙路-侨香路侨香香蜜湖辅路2福龙路-留仙大道留仙大道学苑大道、留仙大道致远中路3福龙路-人民路人民路福龙路辅路4福龙路-和平路和平路福龙路辅路5福龙路-布龙路布龙路华旺路4.7.5 丹平快速沿线丹平快速起于罗湖区东湖街道爱国路与布心路交叉处，终点接机荷高速白泥坑立交，主线长9.7km，90%以上是高架桥和隧道。全线采用城市快速路标准，主线全线为双向六车道，深惠公路以北主线两侧设置辅路，辅路长3.4公里。 2011年一期建成通车。丹平快速由西到东依次与布沙路、丹沙路、深惠路、红棉路、水官高速、横东岭路、白泥坑路相交，设置处立交。图4-3丹平快速现状沿线立交建议在丹平快速沿线出入口匝道实施匝道控制，并在下表中的节点考虑与周边灯控路口的协调控制。表4-5 丹平快速沿线建议匝道控制并与周边灯控路口的节点序号匝道控制的节点