郭海鋒

（浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 杭州 310023）

所謂“綠波”，是指車流沿某條主要路線行進(jìn)過(guò)程中，連續(xù)得到一個(gè)接一個(gè)的綠燈放行信號(hào)，暢通無(wú)阻地通過(guò)沿途所有交叉口.已有的綠波協(xié)調(diào)控制方法，從不同角度選擇優(yōu)化目標(biāo)，尋求單向或雙向綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的最優(yōu)帶寬［1－3］.雖然已相對(duì)成熟的城市道路交通狀態(tài)判別方法可以判別道路交通狀態(tài)，但是方法中需要的交通數(shù)據(jù)在現(xiàn)實(shí)狀況下還很難獲得［4－5］.此外，對(duì)于干線協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)而言，某一路段或某一交叉口發(fā)生擁擠，未必會(huì)立即導(dǎo)致干線協(xié)調(diào)控制失效，若以此為依據(jù)切換信號(hào)控制方案可能會(huì)使控制效果不理想.本文以道路上交通檢測(cè)器采集到的實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種有效協(xié)調(diào)時(shí)間的計(jì)算方法，監(jiān)控綠波協(xié)調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并以VISSIM為工具通過(guò)編程對(duì)上述方法進(jìn)行模擬驗(yàn)證.

1 有效協(xié)調(diào)時(shí)間

由圖1、圖2可以看出，設(shè)計(jì)帶寬是一個(gè)理論值，適合低流量情況.在高流量及飽和情況下，實(shí)際運(yùn)行中各交叉口綠燈前段時(shí)間通常先放行停車線前的排隊(duì)車輛，綠燈后段時(shí)間才參與綠波協(xié)調(diào)放行上游駛來(lái)的車流.如果交叉口綠波方向排隊(duì)車輛數(shù)較多，將導(dǎo)致該交叉口參與綠波協(xié)調(diào)的時(shí)間較少，即占用了設(shè)計(jì)帶寬的一部分時(shí)間用于放行綠燈起始時(shí)刻停車線前的排隊(duì)車輛.由此可見(jiàn)，各交叉口有效協(xié)調(diào)時(shí)間越小，意味著從上游駛出的車流能連續(xù)通過(guò)下游交叉口的概率越小，當(dāng)有效協(xié)調(diào)時(shí)間低于某一閾值時(shí)，綠波協(xié)調(diào)將難以實(shí)現(xiàn)，因此，有必要實(shí)時(shí)計(jì)算有效協(xié)調(diào)時(shí)間的數(shù)值.

在本文研究中，有效協(xié)調(diào)時(shí)間（available coordinated time，ACT）是指綠波協(xié)調(diào)控制過(guò)程中能夠真正起到綠波通行作用的那部分時(shí)間.

圖1 理想情況下綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)時(shí)－空?qǐng)D

圖2 擁堵情況下綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)時(shí)－空?qǐng)D

由圖1、圖2及前述分析可知，某一個(gè)相位的綠燈時(shí)間可分為兩部分，一部分用于釋放停車線前的排隊(duì)車輛，另一部分釋放上游交叉口當(dāng)前綠燈放行過(guò)來(lái)的車輛，使其無(wú)阻滯地通過(guò)交叉口.本文將前者記為本地時(shí)間Gloc（i），將后者記為彈性時(shí)間Grem（i）.

在某一信號(hào)周期內(nèi)，各交叉口綠波方向的彈性時(shí)間Grem（i）越多，系統(tǒng)獲得的有效協(xié)調(diào)時(shí)間越多.整個(gè)系統(tǒng)的有效協(xié)調(diào)時(shí)間受各交叉口中最小的彈性時(shí)間制約，即某個(gè)交叉口的彈性時(shí)間Grem（i）較小，則會(huì)影響當(dāng)前信號(hào)周期整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的有效協(xié)調(diào)時(shí)間，成為系統(tǒng)的瓶頸點(diǎn).

2 計(jì)算方法

本文以SCATS系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)每組最多支持6個(gè)交叉口進(jìn)行綠波協(xié)調(diào)控制，因此設(shè)計(jì)有效協(xié)調(diào)時(shí)間計(jì)算方法時(shí)假定參與綠波協(xié)調(diào)的交叉口數(shù)量為N，2≤N≤6；同時(shí)假定綠波方向參與協(xié)調(diào)的末端交叉口與其下游相鄰交叉口間的路段較長(zhǎng)，足以容納末端交叉口釋放的車輛而不會(huì)排隊(duì)溢出.

2.1 Gloc和Grem的計(jì)算

SCATS系統(tǒng)停車線前各車道布設(shè)有檢測(cè)器，能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算出相鄰兩輛車通過(guò)檢測(cè)器的時(shí)間間隔.飽和情況下，綠燈開(kāi)始的前期階段，排隊(duì)車輛以車隊(duì)的形式通過(guò)檢測(cè)器，飽和車頭時(shí)距通常為1.5～3.5s［6］.

本文對(duì)某一實(shí)際路口進(jìn)行了實(shí)際調(diào)查，綠燈期間通過(guò)的車輛均是小車，車頭時(shí)距見(jiàn)圖3所示.經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，排在隊(duì)前的車輛車頭時(shí)距較大，排在隊(duì)尾的車輛車頭時(shí)距較小，最小的車頭時(shí)距為1s，15輛車放行完畢后，逝去的綠燈時(shí)間為29s，該方向綠燈時(shí)間為35s，因此綠燈剩余時(shí)間為6s.

由此可知，若檢測(cè)器檢測(cè)到的車輛間隔時(shí)間大于飽和車頭時(shí)距，則可認(rèn)為排隊(duì)車輛已放行完畢，綠燈剩余時(shí)間為彈性時(shí)間，可用于放行上游正駛來(lái)的車輛.

圖3 飽和車頭時(shí)距分布圖

設(shè)相鄰車輛通過(guò)檢測(cè)器的間隔時(shí)間為Tgap，某交叉口綠波方向所在相位綠燈時(shí)間為G（i），則

式中：Tgap（j）為檢測(cè)到的第j個(gè)間隔時(shí)間，當(dāng)Tgap（j）小于4s時(shí)，認(rèn)為釋放的是排隊(duì)車輛；一旦Tgap（j）大于4s，則后續(xù)再檢測(cè)到的車輛認(rèn)為是上游交叉口剛放行駛來(lái)的車輛，間隔時(shí)間不再參與公式（1）的計(jì)算，Gwaste為綠燈初始損失時(shí)間.

顯然，0≤Grem（i）≤G（i），即若綠燈起始時(shí)刻，停車線前排隊(duì)車輛數(shù)為0，則當(dāng)前交叉口的綠燈時(shí)間可全部用于綠波協(xié)調(diào)；若當(dāng)前交叉口綠燈起始時(shí)刻停車線前排隊(duì)車輛數(shù)較多，則Grem（i）將趨于0，即交叉口用于綠波協(xié)調(diào)的時(shí)間為0.

2.2 有效協(xié)調(diào)時(shí)間的計(jì)算

由前述分析可知，綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)當(dāng)前信號(hào)周期的有效協(xié)調(diào)時(shí)間計(jì)算見(jiàn)式（3），即當(dāng)前系統(tǒng)最小的Grem（i）值.

有效協(xié)調(diào)時(shí)間的計(jì)算過(guò)程如下：（1）監(jiān)測(cè)交叉口i綠波方向紅燈時(shí)間是否結(jié)束，如果是則轉(zhuǎn)向（2），否則繼續(xù)監(jiān)測(cè)，i＝1，2，…，N；（2）獲得當(dāng)前信號(hào)周期交叉口i綠波方向的綠燈時(shí)間 ，i＝1，2，…，N；（3）計(jì)算交叉口i的本地時(shí)間Gloc（i），i＝1，2，……，N；（4）計(jì)算交叉口i的剩余時(shí)間Grem（i），i＝1，2，……，N；（5）計(jì)算 N 個(gè)交叉口的最小剩余時(shí)間 min｛Grem（i）｝，即有效協(xié)調(diào)時(shí)間ACT；（6）輸出當(dāng)前信號(hào)周期綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的有效協(xié)調(diào)時(shí)間，并對(duì) min｛Grem（i）｝所屬的交叉口i給予1分懲罰，即punish（i）＝punish（i）＋1；（7）如果ACT小于閾值d，則當(dāng)前綠波協(xié)調(diào)控制失效，輸出 max｛punish（i），i＝1，...，N｝所屬的交叉口Int（i）；否則轉(zhuǎn)步驟（1），對(duì)下一信號(hào)周期進(jìn)行監(jiān)測(cè).

2.3 瓶頸交叉口的確定方法

本文以當(dāng)前綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的信號(hào)周期為時(shí)間間隔，在每個(gè)信號(hào)周期結(jié)束時(shí)，選取Grem（i）最小的交叉口，并給予其數(shù)值為1分的懲罰.當(dāng)綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的有效協(xié)調(diào)時(shí)間低于某一閾值時(shí)，則表明當(dāng)前的綠波協(xié)調(diào)控制失效，此時(shí)獲得懲罰分?jǐn)?shù)最大的交叉口即為該系統(tǒng)的瓶頸交叉口.確定瓶頸交叉口的流程圖見(jiàn)圖4所示.

圖4 確定綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)瓶頸交叉口流程圖

由木桶理論可知，實(shí)際運(yùn)行中綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的有效協(xié)調(diào)時(shí)間受系統(tǒng)中瓶頸交叉口的影響較大，系統(tǒng)實(shí)際執(zhí)行的有效協(xié)調(diào)時(shí)間取決于該瓶頸交叉口所能獲得的綠燈剩余時(shí)間.

3 模擬實(shí)驗(yàn)

3.1 方案設(shè)計(jì)

圖5所示，以連續(xù)的五個(gè)交叉口為研究對(duì)象，5個(gè)交叉口所在的道路為城市主干路，各交叉口間距離約為600m.在實(shí)驗(yàn)中以VISSIM模擬軟件為工具，利用VB調(diào)用VISSIM的COM接口，讀取檢測(cè)器數(shù)據(jù)及信號(hào)控制機(jī)參數(shù)，模擬時(shí)間為3 600s，設(shè)置的交通流量隨仿真時(shí)間的增加而逐漸增大.

各交叉口東西方向進(jìn)行綠波協(xié)調(diào)控制，共用信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)為100s，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的帶寬為25s，即理論上在帶寬所轄25s時(shí)間范圍內(nèi)，自交叉口E駛出的車輛能夠無(wú)阻滯地順利通過(guò)交叉口A.

圖5 交叉口的渠化結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)

圖6中，橫軸為綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的共用信號(hào)周期，縱軸為每一信號(hào)周期干線系統(tǒng)的有效協(xié)調(diào)時(shí)間.從圖6中可見(jiàn)，模擬期間綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的有效協(xié)調(diào)時(shí)間隨著交通流量的增大而逐漸減小.因此，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)有效協(xié)調(diào)時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化對(duì)綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控.

圖6 綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)有效協(xié)調(diào)時(shí)間

模擬結(jié)果表明，擁堵?tīng)顩r下綠波協(xié)調(diào)控制既不能實(shí)現(xiàn)理論上的“綠波”通行，又不能對(duì)擁擠的車流給予及時(shí)疏導(dǎo).因此，出現(xiàn)擁堵時(shí)應(yīng)及時(shí)切換信號(hào)控制方案.

3.3 有效協(xié)調(diào)時(shí)間閾值分析

有效協(xié)調(diào)時(shí)間閾值d的確定直接影響干線不同信號(hào)控制方案的切換時(shí)機(jī).為了確定最優(yōu)d值，本文采用試探的方法對(duì)d分別取值為3，4，5，6，7，當(dāng)有效協(xié)調(diào)時(shí)間小于d時(shí)，則將信號(hào)控制方案切換為已有文獻(xiàn)所采用的TSS－CAI控制方案［7］，并對(duì)不同取值的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，見(jiàn)表1所列.

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)d＝5時(shí)，模擬期間系統(tǒng)的性能指標(biāo)最優(yōu)，即當(dāng)有效協(xié)調(diào)時(shí)間小于等于5s時(shí)已有的綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)該切斷綠波，而改用其他有利于疏導(dǎo)擁擠交通流的信號(hào)控制方案，以便及時(shí)地對(duì)擁擠的車流進(jìn)行疏導(dǎo).

4 結(jié) 論

1）綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的效果取決于系統(tǒng)各信號(hào)周期能夠獲得的有效協(xié)調(diào)時(shí)間，高峰及擁堵情況下有效協(xié)調(diào)時(shí)間較小，因此個(gè)別信號(hào)周期會(huì)出現(xiàn)路段排隊(duì)車輛溢出至上游交叉口的現(xiàn)象.

2）確定的瓶頸交叉口，有利于對(duì)擁堵的成因進(jìn)行深入分析，進(jìn)一步提高干線系統(tǒng)的通行能力.

3）仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用有效協(xié)調(diào)時(shí)間計(jì)算方法，能夠?qū)G波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為確定不同干線交通信號(hào)控制方式的切換時(shí)點(diǎn)提供技術(shù)支持.

表1 不同有效協(xié)調(diào)時(shí)間閾值d的對(duì)比分析結(jié)果

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