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快速路匝道调节控制的国外研究和应用
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0 序言
2006年我在杨晓光教授的指导下，申请了博士后基金项目，“入口匝道及其衔接交叉口的协调控制”，虽然这个项目已经结题，但我对匝道调节、衔接交叉口控制、通道（走廊）控制领域依然关注和研究。在上海，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。
最近看到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。
曾经让造价咨询师DAN帮我计算过匝道开关控制、快速路信号灯控制的设备施工费用比较，结论是，从单个匝道看前者要比后者代价高。这样看来，后者不仅经济、而且能够实质性的调节流量，为什么不推广呢？我曾经在常州高架，试图采用匝道调节控制的设计，但最终还是不了了之。
将国外的研究成果梳理下，与各位同仁共同探讨。
1．匝道调节定义
匝道调节，国内外都用英语“ramp metering”, meter翻译成中文的意思为“计量供给”，即根据测到的数量进行提供，引伸到入口匝道控制中，也就是根据检测到的进口匝道、主线的交通量，给予进口匝道绿灯时间允许车辆进入主线的机会。
欧洲，匝道调节的定义：通过安装在高速公路进口匝道的交通信号灯，调整由进口匝道进入主线的交通。其目标是降低主线拥挤，保证车流汇入更加容易，避免交汇点事故发生。进口匝道控制常用的信号灯策略为“1次绿灯1辆车”，和“1次绿灯2辆车”。与城市道路交叉口的信号控制方式相似，匝道调节也包括固定式、响应式、预测型以及单点调节、多匝道协调控制等。
美国，匝道调节的定义：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。
2．欧洲匝道控制系统研究与应用
2.1EURAMP项目
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。
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：
（1）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
（2）整合，协调、促进匝道调节在欧洲的实施
（3）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
（4）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。
该项目示范工程在选点时，主要考虑高速公路以及周边的路网结构，视当地的telematics设施建设情况而定，其主要通信技术是telimatics。
l 法国，巴黎南部的A6汽车高速公路
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。
图1 Viry地区A6高速公路匝道调节
l 荷兰，Utrecht 外围的A28和A2
在荷兰乌特列支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.路段进行了匝道控制实施前后的安全评估。
图2 Maarssen西部A2高速公路的匝道调节
l 德国，Munich 南部的A94
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。
图3 MunichA94高速公路匝道调节
l 以色列，Tel Aviv 的Ayalon公路
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 Ayalon, Tel Aviv匝道调节
2.2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。
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。
图5 英国匝道调节现场
3. 美国匝道控制系统研究与应用
3.1匝道调节－华盛顿州
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。
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。
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。
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3－16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。
2.2匝道调节－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调节控制。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。
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