可变车道研究现状综述

近年来我国都市建设突飞猛进，受都市规划布局和中心城区土地价值飘升的影响，都市居住区不停往城外迁移，逐步形成了工作单位集中在都市中心区域，居住地集中在都市外围的格局，这种格局造成潮汐交通流的产生。潮汐交通流很容易在早晚上下班高峰造成潮汐行交通拥堵，这种潮汐拥堵体现为重交通方向道路拥堵的同时轻交通方向道路资源浪费。可变车道能够有效地运用现有道路资源、提高道路的通行效率。在交通拥堵日趋严重的今天，可变车道作为有效缓和交通拥堵的重要手段之一，在确保交畅通通方面起着重要作用。可变车道的有效管理、诱导和控制已成为交通管理和控制的难点和重点。为了有效地对可变车道进行研究运用必须理解可变车道在国内外的应用状况。国内外的可变车道研究重要集中在下列几方面：1可变车道设计及评价研究1.1可变车道设计研究受都市中心区域土地价值相对偏高的影响，人们的工作场合多在都市中心区，而居住社区多在都市郊区，这样直接造成了都市交通流的潮汐现象，也就是上午上班车流从郊区拥往都市中心区域，下午下班车流从都市中心区疏散到都市郊区。因此现在有诸多学者针对潮汐流控制需求研究对应的可变车道控制办法。马振虎[1]根据可变车道的应用方式重要分为两部分，首先是对都市发生潮汐交通的特定路段、交叉口等运用潮汐可变车道技术进行研究；另首先，结合应急可变车道技术，对交通网络设计中的路网容量进行了研究。王勇[2]以交通拥堵扩散理论为基础，研究了潮汐性交通拥堵在网络内的传输形式和体现特性，为可变车道方案设计需在交通网络内进行这一论断提供了理论根据。魏依[3]在分析其潮汐交通运行特性的基础上，运用基于路阻函数的可变车道数量计算模型和交叉口车道功效划分模型，并结合路段和交叉口的时间资源优化，探究可变车道的设立办法。原龙[4]针对早高峰期居民会由都市周边涌向都市中心，晚高峰时期相反，具体路段两侧出现交通量严重不均衡的现象，研究了可变车道设计的条件和办法，并以哈尔滨市哈平路及和平路为例，通过实地调研和理论分析，得出了两条路可变车道设立的具体方案，以达成缓和交通拥堵的目的。对单交叉口而言，左转车辆不仅是产生冲突点的重要因素，并且也会干扰直行车辆的通行，减少交叉口的通行能力，增大车辆延误，致使车辆排队造成交通堵塞，废气排放加剧了环境污染。可见，组织好左转车辆是提高交叉口通行效率的核心问题之一。针对左转车辆单渠化车道过饱和(即渠化一条左转车道不够，两条左转车道又多出)的状况，为了使左转车辆尽快的通过交叉口，充足运用交叉口的有限车道，平衡由于车道局限性、流量不均而引发的交通拥堵，需要适时地变换与左转车道相邻的车道的功效。因此现在也有诸多学者针对交叉口车道功效转换做出大量研究。王娟[5]在都市道路交叉口设立潮汐可变进口道的动态交通组织，对出口道可变车道的设立条件、设立参数、信号控制方案等进行系统的研究。对道路交通资源进行了动态的优化配备，充足运用道路现有时空资源。王雄[6]采用一主二从双层规划模型描述可变车道优化设计问题，上层规划以全天出行总费用和可变车道综合管理成本最小化为目的，优化可变车道设立方案；两个下层规划在给定的可变车道设立方案下，分别拟定早、晚高峰顾客出行的均衡状态。并进一步设计了基于遗传算法的可变车道优化设计的一主二从双层规划模型的求解算法。孙海峰[7]提供一种能够根据交通流量数据和数况数据进行实时判断道路的交通需求，对可变车道路权进行按需分派缓和道路交通拥堵状况的都市车辆运输承载量的可变车道控制系统。1.2可变车道配套设施研究设立可变车道能够根据交通流需求，变化部分道路双向车道的配比或者交叉口车道功效，提高道路运用率，起到缓和交通拥堵、减少都市交通网络出行费用的作用。同时，可变车道的设立增加了交通组织的管理成本和难度，也会对出行者造成一定的困扰。因此也有学者针对可变车道的高效管理出发对可变车道的对应配套设施展开研究。崔凯[8]对左转车流交通特性进行分析，对比分析设有左转逆向可变车道与常规左转交通组织方式下的左转车流交通特性。采用视频拍摄和图像解决的调查方式得到左转逆向可变车道的车辆饱和车头时距和通行能力，对左转逆向可变车道设计方案的预信号相位和交叉口信号配时方案提出调节办法；为确保车道设计和信号控制方案得到顺利实施，对可变车道的诱导和监控等配套设施的安装进行分析。刘冬[9]为了提高潮汐交通道路的安全度，基于南京市虎踞路调查的交通数据，分析其潮汐交通特性，针对潮汐路段提出优化设计方案，在可变车道内，分析车辆的速度、道路宽度以及汽车转弯半径对分流带长度的影响，运用切函数与约束函数，设计一定长度的自动可移动式分流带。曹金韡[10]以PLC控制器为核心构成可变车道控制系统。通过梯形图模式的软件设计，实现控制预案中所涉及的各项功效，并且输出信号控制LED批示标志的显示图案，实现车道功效变化，达成缓和交通拥堵现象的目的。1.3可变车道影响程度研究可变车道的设立在改善路段通行效率的同时也增加了上下游车辆的协调控制难度，因此有学者从车辆延误、速度特性、旅行时间、上下游影响以及换道阈值等影响因素入手，针对动态交通状态分析可变车道的影响程度。李庆吉[11]通过对交叉口可变车道在转换过程中的直行和左转车辆达成－驶离状况进行分析，得到了可变车道转换过程的延误计算模型，在此基础上进行可变车道转换阀值的计算，拟定可变车道功效与否需要进行转换。李庆吉[12]基于主预信号协调控制的交叉口可变车道，通过分析车道功效转换过程的车辆达成－驶离累计曲线图，得出不同状况下延误计算公式，并分析了各影响因素对转换过程延误的影响。周洋[13]以设立可变导向车道的信号交叉口进口道为研究对象，运用可变车道的交通特性与传统的信号控制交叉口进口道上游车辆交通特性相比在换道特性和速度特性方面体现出的特殊差别性，这些差别化的交通特性能够更加好地指导可变导向车道系统的设立方式和控制方略。徐红领[14]在都市有限的道路资源下交叉口转向可变车道的已被应用到都市交叉口的控制中。围绕信号控制交叉口可变车道转向变换的阈值条件．从通行能力的角度出发，对不同交通流量条件下的转向可变车道转向变换的阈值条件进行了分析．ZhangY[15]开发了一种组合变道和VSL控制方案，提出车道变换控制器在事故或瓶颈上游生成车道变换建议。H.-Y.Jin[16]在两种交通流模型的基础上，建立了交通系统在车道下降瓶颈上游区域的VSL控制问题。设计控制系统的特性能够在两个模型之间进行转换，建立了一种研究非线性交通流系统控制问题的双重办法。Y.Zhang[17]证明了旅行时间的改善缺少是由于车道变化正在靠近造成容量严重下降的瓶颈。开发了一种混合车道变换和VSL控制方略，能够提前减少除VSL之外车道容量。JinWL[18]考虑交通系统上游的控制设计问题，由变速限制调节的车道下降瓶颈。通过最大化外部通量和最小化延迟以及使系统稳定在抱负平衡状态来减轻容量下降的影响。1.4可变车道评价研究可变车道的设立有助于提高道路运用率，起到缓和交通拥堵、减少都市交通网络出行费用，由于有学者针对可变车道的效果及影响进行对应的研究，进一步完善可变车道的评定研究。商振华[19]提出了在交叉口出口道设立逆向可变车道的交叉口交通组织新办法，对逆向可变车道进行了定义；研究了交叉口设立逆向可变车道的条件；研究了逆向可变车道的设立办法，重要研究了逆向可变车道的车道数、长度、宽度、开闭时间等设立参数和逆向可变车道的配套方法设立；研究了设立逆向可变车道对交叉口交通效率影响的分析评价办法。YihangZhang[20]通过两种不同的燃料消耗/排放模型来评价组合可变限速和变道控制方略对环境的影响:美国加利福尼亚大学河滨分校开发的EPA模型MOVES和CMEM。通过对I-710高速公路交通的微观Monte-Carlo模拟，验证了组合控制办法对环境的影响。无论与否采用综合控制方略，这两种环境模型都用来评定燃料消耗和尾气排放的。证明了组合变速限制和车道变换控制方略是有利的。T.Santos[21]提出了一种办法，运用交通与排放综合平台的微观模拟模型来评定三种限制性交通方法对都市主干道的影响。该分析扩展到某些替代道路和整个网络区域。1.5所存在问题现在的可变车道设立多针对交通流量需求和道路实际状况。较少的将可变车道设计同可变车道运行管理相结合，造成对应的运行管理方法不到位，极易使驾驶者产生困惑，诱发交通事故，减少了可变车道的应用效果；现在的可变车道研究多针对车辆延误、通行效率以及环境影响等因素作为可变车道设立的参考条件，但是可变车道效益和费用的定量研究理论根据；现在的可变车道配套设备研究多针对潮汐车道的交通检测、交通诱导以及信号控制等方面，缺少配套设备对驾驶员的信息影响效果分析，难以确保驾驶员精确及时接受变道信息，造成安全隐患；现在可变车道的影响因素分析重要集中在车辆延误、速度特性、旅行时间、上下游影响以及换道阈值等方面，尚缺少将可变车道信号控制同多影响因素分析相结合的可变车道效果评价技术。2可变车道控制研究可变车道是指能够周期性变化规定行车方向的机动车道，重要分为两类：路区段内处在中央位置的动态持续车道，又称潮汐车道；信号控制交叉口的动态进出口车道，如可变导向车道、逆向可变车道、综合待行车道等。2.1潮汐车道控制潮汐车道控制重要针对潮汐车流控制需求，通过变化中央位置车道行驶方向，调节道路资源来实现潮汐车流的快速疏导。其控制过程重要涉及换道触发阈值拟定、换道过程中车辆控制、交通流诱导等部分。曹俊业[22]建立潮汐车道、导向可变车道、潮汐车道与变向车道协同设立三种车道模型，分别就单点、干线、交叉口区域的变向车道设立影响分析，协同优化信号控制办法，实现都市交通的有效控制。马鑫俊[23]基于交通检测系统的设立，自动采集路段上车流分布状况，从而对该路段与否实施可变车道进行判断，实现基于感应信号控制的可变车道控制办法。文建斌[24]提出一种基于可变车道的交通流诱导与控制协同的办法。采用基于遗传算法的自适应含糊控制算法，通过多相位优化并整合车道使用办法，运用多级微距信号配时调节，从而达成在确保道路交通安全的前提下，及时、有效地缓和特殊时间段交通流浪涌产生的都市交通压力。高瑞[25]对都市交通系统实施可变车道控制，建立双层规划模型来描述都市道路交通系统的阻抗及出行方式，上层模型为交通系统总出行费用与投资费用之和，下层模型采用顾客平衡配流模型描述出行者选择途径方式。马莹莹[26]针对大都市道路双向交通需求不均衡的潮汐交通问题，提出一种根据双向交通运行状态动态控制可变车道行驶方向的交通控制办法。运用可变车道路段双向饱和度分析道路交通运行状态，以此划分为5种交通状态，建立多个交通状态下对应的车道行驶方向优化模型，并使用枚举法对模型求解。刘恋[27]运用可变车道来实现分时段合理的转换，运用信号控制系统、可变批示牌等基础设施的引导，基于道路行驶阻抗的车道优化模型，拟定了设立可变车道的环节。孙锋[28]充足运用地磁、微波等多源数据预测交叉口的交通需求，明确了逆向可变车道的开关鉴别指标及开关控制条件，将逆向可变车道信号灯与交叉口内信号灯实现协同控制，使得逆向可变车道控制实现动态和智能化。周鹏[29]运用视频检测获得的车流量等有关参数信息，提出了基于非参数回归短时间交通流预测的智能可变车道的导向判决算法，实现了对可变车道随着实时车流量而自动变化的智能控制。WangM[30]通过车辆到基础设施的通信将交通控制器与车载控制器连接起来进而构建可变车道信号控制系统。链路层交通控制器通过变速限制（VSL）龙门架来调节交通速度，以解决停走波浪，而智能车辆则通过车辆推动和制动系统控制加速，以优化实际状况。YihangZhang[31]提出了一种协调的变速限速、匝道测速和变道的控制。在提出的控制方略中，当车道变换控制制止通行能力下降时，反馈线性化变速限制控制器与匝道测量相协调，并将瓶颈流量稳定在最高水平。L.D.Baskar[32]提出了一种基于模型的预测控制（MPC）办法来拟定排的适宜速度限制和车道分派。通过优化分派动态限速和车道变化来最小化路网内车辆行程时间。2.2交叉口可变向车道控制都市道路交叉口的交通组织对于合理运用道路资源、提高道路通行能力、减小交通延误、缓和交通拥堵含有重大意义。在都市道路交叉口应用的交通组织办法有：提前右转、提前掉头、进出口拓宽、左转待转区、直行待行区、严禁左转、车道变窄、停车线前移、可变导向车道等。有许多学者在现有的道路资源下，开展交叉口可变车道研究，进一步挖掘道路潜力，充足运用交叉口时空资源。姚荣涵[33]为了均衡交通流向分布且确保控制方案平稳过渡，提出含有可变导向车道的交叉口时空资源优化模型以及可变导向车道标志与信号灯组协调控制办法。林浩[34]基于车辆感应控制技术，对可变导向车道转向功效变换时刻及车辆清空时耗进行研究；并运用VISSIM仿真技术对单个交叉口延误进行评定。通过合理选择可变导向车道转向功效变换时刻以及合理设立清空时间，提高可变导向车道运用效率，减少交叉口延误。丁靖[35]构建可变导向车道功效与信号配时协同优化模型，分别对三相位控制和双环相位控制下单进口道可变导向车道以及双进口道可变导向车道的设立状况进行研究分析，根据不同的相位控制构造对信号相位约束条件进行了模型调节。并运用基于微观仿真的替代安全评价模型对可变导向车道设立前后交叉口的安全性进行对比分析，验证可变导向车道对于交叉口安全性的影响。刘昱岗[36]建立基于自适应含糊神经推理系统的可变导向车道智能控制系统。将数据采集子系统检测到的实时交通数据录入到预先训练好的交通状态预测子系统中，可得到左转车辆和直行车辆的运行状态，并根据控制子系统的构造化算法来拟定可变导向车道的属性。YoujunLiu[37]提出了一种基于视频检测的可变车道控制办法，以解决车道导向属性的自适应切换，扩大交叉口的通行能力。2.3可变车道预信号控制可变车道重要是通过变化车道功效，实现有效地运用现有道路资源、提高道路的通行效率。但是驾驶员以及车辆对车道功效的转换需要一定的时间适应，从交通安全和控制高效的角度出发，合理的设立可变车道预信号控制，对于提高驾驶员变道适应力和减少交通事故有着非常大的控制优势，并且通过预信号设立能够提高在不同交通组织条件下的车辆高效运行，确保控制效果。因此国内外诸多学者针对可变车道预信号控制展开对应研究，具体以下：马永锋[38]根据历史交通量数据以及可变导向车道的属性建议值，对鉴别分析函数的有关系数进行标定；另首先根据历史交通量数据和检测器检测到的实时交通量数据，运用近邻非参数回归对将来的短时交通量进行预测，并据此选择可变导向车道转向功效变换的时刻，并且计算可变导向车道的清空时间，实现信号控制机进行车道功效转换和主预信号的配时协调。徐红领[39]根据交叉口信号配时和通行能力的基本理论，分析了不同交通量条件下信号交叉口进口道可变车道属性变化前后通行能力的变化，得出了可变车道属性变化的控制条件；对不同状况对的信号交叉口进口道处可变车道属性过渡时主预信号之间协调控制关系进行了理论推导和分析，得出了在不同的情形下主预信号之间协调控制关系模型。梁培佳[40]提出在确保安全的前提下，周期性的将左转车辆提前引入对面的出口道，然后跟随本方向左转车辆一起放行办法来减少左转车流对交叉口的影响。将Webster配时办法与双目的优化配时办法与逆向可变车道结合起来，在此基础上形成交叉口新的渠化和配时方案。杨龙海[41]提出一种交叉口进口道直左共用可变车道预信号控制办法，涉及车道预信号控制办法。MaQ[42]提出了一种通过设立专用右转车道和前置信号控制来提高路口工作效率的办法。在右转弯车辆的低流量但是另一方向车辆的高流量的状况下，在每个信号周期的特定时间，将右转车道变化为通行车道，并结合预信号控制。在每个信号周期的一定时间内，通信信号变为绿色时，通过车辆能够使用右侧弯道，从而提高绿色信号的效率。LiLL[43]根据检测器的数据拟定恒定车道的属性，提出恒定车道的信号控制办法。为了避免由于驾驶员在车道属性变化时进入错误车道而造成的交通流混乱，提出了虚拟停车线，并提出了一种基于虚拟停车线的前置信号控制办法。C.Roncoli[44]考虑到车辆数量配备特定的汽车自动控制和通信系统（VACS），构建了一种层次模型预测控制框架，可用于高速公路系统的协调和集成控制。ClaudioRoncolip[45]针对VACS在高速公路交通流控制中的应用状况，设计出最优控制方略。基于一种新的多车道高速公路一阶交通流模型，定义了一种二次规划问题。并验证所提出的优化问题的有效性。SchmiedR[46]提出了一种多车辆场景中的ACC办法，其以稳健和预测的方式考虑周边交通参加者的车道变换机动，目的是提高驾驶舒适性。通过考虑有关在前车辆的车道变化行为的最坏状况轮廓来解决控制鲁棒性。2.4可变车道特殊车辆信号优先控制针对特殊车辆的信号优先需求，在可变车道控制增加优先信号也是近年来的研究方向。赵欣[47]提出应急车辆在交叉口的可变导向车道优先控制概念，并建立交叉口车辆实时延误模型，制订对应的信号优先控制及时空组合优先控制方略，在实现应急车辆无延误的前提下，以交叉口车辆总延误最小为目的，建立多相位信号优化配时模型。徐建闽[48]针对交叉口出口道时空资源运用不高的问题，以进口道公交左转优先为目的，提出了一种基于现有道路条件下的逆向可变车道及左转公交专用道设立办法从而实现了公交车辆的左转优先。2.5所存在问题现在可变车道控制多针对路段车道方向可变和交叉口导向车道可变，对机动车道与非机动车道可变和不固定时段的动态车道可变研究较少，难以进一步解放道路资源，提高道路通行能力；现在的潮汐车道控制多针对早晚高峰的潮汐交通流需求进行控制，缺少有效的车道动态可变方略和突发事件应急调节方略，难以快速应对交通流突变状态，消除道路拥堵；现在的交叉口导向车道可变控制多针对单点，缺少多交叉口导向车道可变的协调控制能力和同潮汐车道协同控制能力，难以实现干线或区域的高效疏堵；现在的可变车道预信号控制的切换阈值选定多假设主信号控制为定时控制，缺少动态的主、预信号协同控制技术。3可变车道实际应用设计现在国内有许多都市已经开始可变车道的具体实施，由于也有学者针对可变车道的实际应用展开可变车道设立条件，设备设立以及控制优化等方面的研究。温旭丽[49]以南京市主干道北京西路为研究对象，通过实地调查，在分析交通流量、流向等交通特性的基础上，分析可变车道设立的具体条件，提出北京西路可变车道的基本设立方案及控制方案。杨莉[50]根据潮汐交通特性，进行了可变车道的初步方案设计研究，分析了可变车道设立中控制系统、设施系统以及信息通告、管理办法，并提出了火炬大道可变车道的转换与衔接的方式和办法，进而得出了火炬大道设立可变车道方案的设计方案。孙颖[51]以上海市为例，介绍了可变车道的定义、功效、设立条件及控制方法，指出了实践中可能碰到的问题，并给出理解决方案，以期为可变车道技术应用推广积累经验。程灿[52]该文以无锡市蠡湖大道周新路路口为例，介绍可变车道在信号交叉口的应用办法，包含可变车道检测器的布置、信号灯控制机理，以及交通安全配套设施的设立等，最后通过饱和度指标评价可变车道方案的实施效果。参考文献马振虎.都市道路可变车道设立办法研究[D].吉林：吉林大学，王勇.都市交通网络可变车道设立方案研究[D].四川：西南交通大学，.魏依.都市主干路可变车道设立办法研究[D].北京：北京交通大学，.原龙,张勃.可变车道控制的交通标志设立[J].山西建筑,,43(14):3-4.王娟，王世能，周涛.都市道路交叉口潮汐进口道设立研究[J].交通节能与环保，（04）:49-54王雄.都市道路可变车道设立的一主二从双层规划模型与算法[D].湖南：中南大学，.孙海峰,徐忠建,朱必亮,李俊,陈朴.一种都市车辆运输承载量的可变车道控制系统[P].江苏：CNU,-06-06.崔凯.左转逆向可变车道的优化设计与控制方略[D].山东大学,.刘冬，曹雪山，苗选.基于潮汐交通的可变车道分流带设立研究[J].河北工业科技，,31（05）:372-377.曹金韡.基于PLC控制器的可变车道LED标志控制[D].上海：复旦大学，.李庆吉.基于主预信号控制的交叉口可变车道延误分析[D].大连：大连理工大学,.李庆吉,周红媚,徐洪峰.交叉口可变车道车道功效转换过程延误分析[J].黑龙江交通科技,,02:158-160.周洋,孙烨垚.可变导向车道上游车辆交通特性分析[C]//中国都市交通规划年会暨第28次学术研讨会..徐红领,于泉.信号交叉口可变车道控制阈值的研究[J].道路交通与安全,(2):43-48.ZhangY,IoannouPA.CombinedVariableSpeedLimitandLaneChangeControlforHighwayTraffic[J].IEEETransactionsonIntelligentTransportationSystems,,PP(99):1-12.H.-Y.Jin,W.-L.Jin,"Controlofalane-dropbottleneckthroughvariablespeedlimits",Transp.Res.PartCEmerg.Technol.,vol.58,pp.568-584,Sep..Y.Zhang,P.A.Ioannou,"Combinedvariablespeedlimitandlanechangecontrolfortruck-dominanthighwaysegment",Proc.IEEE18thInt.Conf.Intell.Transp.Syst.(ITSC),pp.1163-1168,Sep..JinWL,JinH.Analysisanddesignofavariablespeedlimitcontrolsystematafreewaylane-dropbottleneck:Aswitchedsystemsapproach[C]//DecisionandControl.IEEE,:1753-1758.商振华.逆向可变车道在都市平面交叉口中的设立办法[D].长安大学,.YihangZhang,PetrosA.Ioannou.EnvironmentalImpactofCombinedVariableSpeedLimitandLaneChangeControl:AComparisonofMOVESandCMEMModel[J].IFAC-PapersOnLine,:323-328.T.Santos,J.Maria,D.Rosas,F.Soriguera,"Evaluationofspeedlimitmanagementonc-32highwayaccesstobarcelona",Proc.90thAnnu.MeetingTransp.Res.Board,pp.2397,曹俊业.基于潮汐流特性的变向车道协同优化控制办法[D].山东：青岛理工大学，.马鑫俊.基于潮汐式交通车道信号控制办法研究[C].中国都市交通规划年会暨学术研讨会,.文建斌,王毅峰,许明洪.基于可变车道的交通流诱导与控制办法研究[C].中国国际交通安全论坛,:467-474.高瑞.基于可变车道优化的交通网络设计问题[D].安徽:合肥工业大学,.马莹莹,曾令宇,陈纲梅,等.可变车道行驶方向的动态控制办法研究[J].控制理论与应用,,33(11):1457-1462.刘恋.可变车道优化控制研究[D].大连交通大学,孙锋,焦方通,赵菲,刘玮轩,王晓原,郭栋,苏文恒,曹辉,朱新远.一种基于多源数据的逆向可变车道智能控制办法[P].山东：CNA,-09-15.周鹏,丁晨.智能可变车道的导向判决算法的研究与实现[J].武汉理工大学学报,,34(08):82-86.WangM,DaamenW,HoogendoornSP,etal.Connectedvariablespeedlimitscontrolandcar-followingcontrolwithvehicle-infrastructurecommunicationt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