城市高速公路可切换或离坡的设计与控制方法

抽象的

在交通高峰时段，城市高速公路以及连接主干道和辅路的匝道都有较大的车流量。一旦需求超过坡道的承载能力，主路和辅路都可能发生挤塞。为了解决这一问题，本文提出了一种新的城市公路匝道——可开关匝道(SR)。本文通过将研究时段划分为短时段，将研究路段划分为小路段，建立了一个宏观的时空离散模型来模拟这一过程。分析了坡道类型对上下游交通流的影响。本文以中国成都的一段城市高速公路为例进行研究。采集并使用高峰时段的交通流量数据。数学分析表明，本文提出的SR系统可以有效地减少研究区域的总旅行时间。结果表明，当交通量较大时，SR系统更有用。

1.介绍

城市公路是城市道路网络的重要组成部分。它通常由车辆可以高速行驶的主干道和连接主干道和辅路的坡道组成。城市高速公路的主路与辅路始终处于同一水平线上，并相互平行。车辆通过进、出匝道进出高速公路主干道。

如图所示1，当入口匝道和出口匝道的交通量超过排队存储空间时(通常发生在高峰时段)，匝道前就会有车辆排队。这导致出口或进口喷枪的车速降低[1］.这些通道将会出现瓶颈。为了避免交通拥堵的发生，对匝道计量和新型匝道的研究非常重要。

相关研究表明，提高匝道通行能力的措施是可行的。入口匝道方面，通过入口匝道进入主干道的车辆将与已经在主干道上行驶的车辆交织。因此，控制通过入口匝道进入主干道的交通，可以提高合流区通行能力[2那3.］.同样，通过控制出匝道进入辅路的车辆，可以提高辅路合并区域的通行能力。然而，高速公路相邻坡道之间的相互作用是不可避免的。如果考虑多个匝道的协调控制，匝道和公路的通行能力可进一步提高[4.-11.］.考虑到高波动的交通需求随着时间的推移，如果实时获得并分析了流量信息，则还可以以实时方式应用最佳控制方法。一些研究人员还发现实时协调的坡道计量策略可以更好地处理交通流量的波动[12.-14.］.还发现，沿着主道路的可变速度限制（VSL）的控制方法具有类似的效果，匝道计量与VSL相结合可以实现更好的结果[1那15.那16.］.Pasquale等人提出了一种结合匝道计量和路线引导的减少拥堵和排放的控制模型。[17.］.

匝道限行可以通过限制通过匝道的车辆数量来减少公路拥堵，也可以减少列队进入匝道车辆的乱流，从而提高交通安全。然而，匝道测控等控制方法虽然可以改善主干道的交通状况，但这些方法只考虑主干道的状况。当高速公路上下车需求变化时，传统匝道无法很好地满足不同的需求，以平衡主干道或辅路的交通压力。

通常，现有的坡道不能满足高峰时段的高交通需求。如果我们使用固定坡道，则需要一对坡道(入口坡道和出口坡道)。此外，根据上述固定坡道的缺点，新建固定坡道可能会导致车辆在非繁忙时间不必要地绕行。因此，有必要设计一种能够根据实际交通状况进行工况切换的可切换匝道。它也可以在不需要的时候关闭，以避免吸引额外的需求。在实施方面，很容易让道路使用者知道老的状况实时使用各种方法(如变量信息系统(VMS)设置上游和地图应用。SR能满足交通需求过度的使用主要道路或辅助道路和减少的可能性排车辆通过坡道。此外，SR还可用于其他用途，如在紧急情况下打开消防车或应急车辆。

本文着重讨论了安全控制系统的设计及其最优控制方法，并讨论了安全控制系统在实施过程中的安全性和可操作性问题。本文的结构如下。部分2解决SR的几何设计，操作和实现。SR的宏观时间空间离散控制模型内置3.．在一节中讨论了一个真正的案例研究4.．章节5.6提出了本文的结论和致谢。

2.城市公路上的可切换坡道

2.1。SR系统

SR可以根据实时流量条件切换条件。通过使用云服务器，可以基于实时业务数据和预设算法来确定SR形式的最佳解决方案。我们在执行SR时考虑两个问题，如下所示。

首先，我们必须通知SR的实时状况的驱动程序。我们建议在本文中推荐两种通知方式。一个是VM，另一个是地图应用程序。只要司机知道SR的实时条件，司机就可以做出更好的决定。

其次，还考虑了SR在实施中的安全问题。如果SR的几何形状与传统固定坡道相似，SR将具有类似的安全性能。所以，安全问题不应该是一个问题。

SR系统的示意图如图所示2．

２.２.SR的几何设计

根据上述原因，本文设计了一种可切换匝道，它可以通过简单的物理改造或交通灯来切换其状态。SR的形式可以是这三种形式之一:入口匝道、出口匝道和封闭。条件的选择取决于实时交通状况。本节解释了确定SR条件的方法3.．一般来说，在交通高峰时段，它会变成出入口匝道，而在交通需求较低时，它又会变成封闭状态。当使用SR时，可以缓解交通拥堵。当它关闭时，它可以通过减少不必要的换车道来减少编织交通。下面介绍SR的设计方案。

如图所示3.，每个子图中的箭头表示交通流量的方向。上侧是城市公路的主要道路，下侧是高速公路的辅助道路。阴影区域代表高速公路和辅助道路之间的中心隔离带。它经常使用花床，植被适当的高度。这将是实现SR的基础。几何设计如下所述。

整个SR系统嵌入中央隔离带（辅助道路和主干道之间的阴影区域）。SR系统分为三个段：区域（A），区域（B1）和区域（B2）。每个段不同于近似三角形和面积（B1）和近似两个梯形的区域（B2）的区域（a）不同。可以看出，区域（B1）和区域（B2）是轴对称的。面积（A），区域（B1）和区域（B2）应设计有弯曲边缘，以适应车辆运行流线。

每个区域都配有一个可以升高和降低的电路板。电路板升高的上限是车辆不能通过的适当高度。电路板可以降低的下限与周围的路线表面相同。如果所有板都上升到最高点，则SR关闭，车辆无法通过。如果区域（a）降低，则下方（b1）和（b2）中的一个降低，形成开口斜坡。例如，当区域（B1）打开并且（B2）被阻挡时，它是一个斜坡。

在接下来的章节中，我们将介绍一种SR的控制方法，并验证其有效性。

3.控制方法

３.１.主要道路交通状况正常

根据先前的研究[18.，这三个参数相互作用来描述交通状态可以描述如下: 在哪里表示速度参数是由密度确定的函数 ．速度随密度的增加而减小当密度等于零时达到充血密度。

宏观分散的交通流量模型用于本文的模型建筑物，通过描述研究区域的道路网络作为包含节点和链路的定向图。道路段的交通状况被视为均匀。可以以一种方式划分道路段来确保任何段中没有斜坡，大曲线或通道数量的变化。节点的位置应该是斜坡和曲线所在的点，以及车道数量变化的点。同样，我们将整个研究时间分为几个时间的长度 ．因此，该路段的交通状况的长度在可以描述如下和小(1]： 在哪里代表道路段的平均车速在时间和代表在时间内的道路段的交通量在段 那这表达为远离路段的下游边界的车辆数量在 ．密度受道路几何形状的影响，路段的车辆数量以及车辆的车道变革行为[19.那20.］.车道改变行为影响密度的方式将会在Section3．2．

3.2。车道变革行为对主要道路交通状况的影响

当车辆改变车道时，它将从当前车道到目标车道。在此期间，车辆占据这两个车道。它可以被认为是有两辆车排队。如图所示4.，图中的虚线矩形4(一)代表实际的车道改变行为，以及图中的虚线矩形4 (b)表示等价情况。

根据以上分析，等效密度在分部的时间可以描述如下[21.]： 在哪里表示在研究区域中没有车道改变行为时的交通流密密度，和分别表示研究的时间周期和空间，表示在和 那和代表车道改变行为所需的时间。

如果我们表示On-Ramp的交通量以及主要道路的交通量 那然后下游交通量是 ．研究区域的上游或下游边界设定为满足该区域可以包含由斜坡引起的所有车道变化行为的要求。上游和下游的每个车道的交通量是 和 那分别在哪里是车道的数量。在这种情况下，由数字表示5(一个)，相同的密度在斜坡下游的主要道路上表示为

出匝道的变道行为发生在匝道上游的主干道上，如图所示5（b）．如果我们表示斜坡上的交通流量 那车道变化的时间与斜坡的情况相同。等同的密度在离坡道上游的主要道路上

车道改变行为增加了段的等效密度。如前所述，车道变化数量的增加降低了车辆的交通流量速度。功能的表达是 在哪里表示拥塞密度，为自由流动速度，和代表道路的速度限制。

从上面的功能可以看出，等效密度的变化导致道路段的平均速度的变化，这导致所有车辆的行进时间的变化。假设道路段的交通状况在时间上是均匀的当和是足够小。在区段内的车辆数量可记录为 ．该路段车辆的预期总行驶时间(TTT)在是 在哪里表示道路段车辆的预期TTT 那和代表研究区域的车辆的总体预期TTT。

３．3.路段之间的节点模型

在本文中，要研究的道路分为几个段和节点，用于连接这些段以进行建模目的。应该注意的是，节点充当连接上游和下游路段的虚拟点，并且没有空间属性。这样节点就不能像路段一样储存车辆。因此，对于节点 那随时， 参数在哪里和表示节点的流入和流出 那分别，表示节点上游的一组路段 那同样，表示节点下游侧的一组路段 ．段与节点之间的关系如图所示6.．

在选择节点的位置时，应遵循以下三个原则：(我)坡道上游和下游侧的交通状况通常是不同的。因此，应选择斜坡所在的点作为节点。（ii）当两个相邻坡道之间的距离太长时，为了确保每个段的长度足够小，应该沿着道路作为节点选择适当数量的点。（iii）当道路几何变化时，这些点应该被选择为节点。

节点只能是三种类型之一：正常节点（无斜坡），斜坡或越斜坡。节点的类型可以表示为 那值为1,0和-1表示On-Ramp，Normal和Off-Ramp节点。

3.4。时间范围模型

每条道路段的交通状况随着时间的推移不断变化。在本节中，我们讨论了交通流量之间的关系 和过去的时间段的交通流量th ．两个时段间的等效密度递归函数为: 在哪里代表可通过道路段适应的最大车辆数量和表示已经在道路段上的车辆在里面时间。由上式可知，交通状况为 可由以下公式计算:

方程式（9.) (16.）可以总结如下： 在哪里表示该时间段内的交通流状态和 表示该时间段内的节点类型 ．

3.5。优化目标

在繁忙时间或紧急情况下，固定坡道的容量可能无法应付繁忙的交通需求。在某些时段，主干道到辅路的交通需求较大，有时则相反。在这两种情况下，SR的条件可以根据实际交通状态进行调整。当交通需求不高时，固定坡道可以满足所有的要求。因此，SR应转为封闭状态，以减少车辆不必要的编织。

在本文中，我们将TTT最小化为优化目标。SR的形式 由时间段的交通状态决定 ：

当交通需求高并且现有坡道的容量不能满足需求时，将有大量的车辆积累在坡道的上游段中。根据等式（6.)，当某路段交通流密度达到拥堵密度时，该路段交通流速度为零。在这种情况下，开放SR可以让车辆通过，以减少拥堵。编织段密度达到拥塞密度的概率也降低了。一节中4.在此基础上，通过一个案例研究来证明这一点。

4.案例研究

4．1.案件资料

四通道的主要道路和大约2.03公里的双车道辅助道，位于中国成都，用于我们的案例研究。它显示在图中7.．路段在Supo-Flyover之间（103.9906E.，30.6763N），在该部分的上游和杨溪 - 天桥（104.0047E., 30.7037N)，在该段的下游。我们将研究区域分成20个小段，每个小段的长度约为100米。只有一个固定的入口匝道(节点) ）和一个固定的ramp（节点 ）沿着路。这两个坡道之间的距离约为800米。2019年7月8日星期一的交通数据被使用，从下午5:00到下午5:30。主要道路和辅助道路上的交通量如表显示为表格1和2．假设的SR（节点 ）设置在入口匝道和出口匝道之间的中点。

主干道上游起始点的初始交通平均速度为43.808 km / h，辅路为36.768 km / h。主干道和辅路起始点的平均交通密度分别为19.325%和32.263%。根据格林希尔兹的研究[22.];主路和辅路的自由通行速度分别为67公里/小时和49公里/小时。主干道限速80公里/小时，辅路限速60公里/小时。车辆变道所需时间设置为10.5秒[20.］.

4．2.添加节点SR时的优化效果

在本节中，我们在两种流量需求下添加SR后分析交通状况的变化。结果如下。

数字8(一个)表示研究区域无sr的交通状况X轴代表道路段(从1到20)，以及y轴代表时间（从1到170）。一步的大小被选为10s。不同颜色代表该段的不同TTT在 那IE。， ．数字8 (b)1）代表整体TTT的曲线随着时间的推移在没有SR案例中。当研究中的流量需求增加5％时，没有SR的交通状况如图所示8(一个)）。图中的坐标系8(一个)）与图中的坐标系相同8(一个)）。数字8 (b)）显示没有SR时的总时间TTT曲线。

在使用SR时，上述两种情况的结果显示在其他子图中。将交通需求设置为当前交通需求时，结果如图所示8 (c)和8 (d)．当交通需求增加5%时，结果如图所示8 (c)和8 (d)．而且，数字8（e）显示了（在这种情况下是具有SR的节点）。如前所述，1,0和-1分别代表斜坡，正常和越斜坡。

数学分析证明本文提出的SR系统可以减少与没有SR案例的TTT对比。在目前的交通流量条件下，TTT可从148.107小时减少至142.024小时，减少4.107％。当交通需求增加5％时，高速公路系统的TTT可以从157.289小时减少到150.262小时，减少4.468％。

上述还原是在研究期间减少TTT。但SR一直没有开放。如果我们只比较SR的开放期间TTT的减少，则调查的交通流量下TTT的减少率为6.416％，TTT的减少率为5％，TTT为9.526％。交通流量的增加导致更大的效果。

4.3。SR和传统坡道影响的比较

上面的分析表明，本文提出的SR有效地减少了调查的交通流量条件的整体TTT，并且当体积增加5％时。为了验证添加SR是否具有比添加传统的On-Ramp或Off-ramp的效果更好，我们在不同的交通流量条件下分析TTT。结果显示在表格中3.．考虑了四种情况:场景1：没有变化场景2：添加SR场景3：添加一个斜坡场景4：添加一个越野

表中的第一行3.表示输入业务流量，由乘以原始流量的数字表示。

每列中的灰色细胞表示列中的最低TTT，这是最佳情况。我们发现场景1的TTT是当输入流量小于或等于调查流量的0.93倍时最短。在这些条件下添加斜坡将增加TTT。因此，当业务流量小于或等于0.93次时，SR应处于封闭形式，这相当于缺口。当输入流量流量大于或等于调查的流量流量的0.94倍时，无论添加哪种类型的斜坡，TTT都将减小。添加SR时，TTT是最低的。

为了找出SR可以提高交通状况的临界点，我们在调查流量0.93和0.94倍之间更详细地研究了0.93和0.94倍，发现临界点是在这种情况下调查的交通流量的0.935倍。

5.结论

本文提出了一种易于实现的城市公路SR类型。适用于城市高速公路主路与辅路在同一平面的情况。时空离散模型提出了最小化的所有车辆的到达目标时间研究区通过调整老的条件的概念模型是研究公路段划分为几个部分,研究时间短周期成小间隔计算车辆在每一节的旅行时间和时间时间间隔。分析了公路通行条件对相邻主干道和辅路交通流的影响。

最后，以成都一段约2公里的高速公路路段为例，对该控制方法进行了验证。通过数学分析，采用SR可以降低车辆在该路段行驶的TTT。流量需求越高，TTT减少的百分比也越高，说明SR越有效。还确定了临界阈值。当流量需求大于临界阈值时，应开启SR。

本文还有几个局限性。首先，本文仅考虑新SR时SR对周围区域交通状况的影响。在以下研究中，我们将研究整个城市道路网络中多个SRS的协调控制。本研究的另一个限制是将SR转到，关闭或关闭条件的决定在很大程度上取决于主和辅助道路上的交通量。确定SR条件的方法是不知何故复杂的。因此，没有简单的准则可以显示何时将SR条件转换为ON，关闭或关闭。第三，在接通和关闭条件下添加斜坡或切换斜坡的决定取决于人为因素的大量因素。本文不考虑这些因素。未来的研究可以专注于设计SR时如何考虑这些因素。但是，SR的设置取决于现有技术，并且可以被视为与计量的开启和离坡的组合。 This combination is not considered before and a control method is proposed for this type of random. This type of ramp may not be implemented immediately because a lot of factors such as travellers’ reaction are not considered. But, we believe it is a valuable exploration and this type of ramp may be implemented in the future.

数据可用性

用于支持该研究的查找的数据可在文章中获得。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

本研究由中国国家自然科学基金资助（授予号码51774241和71704145），四川青年科技创新研究团队项目（Grant Number 2020JDTD0027），中国教育部的人文和社会科学基金会（授予18YJCZH138），中国博士后科学基金会。

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