何瑋梁坤

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學機械交通學院,新疆烏魯木齊 830000;2.天津科技大學機械工程學院,天津 300457)

復雜路網(wǎng)交通信號協(xié)同控制的優(yōu)化研究

何瑋1梁坤2

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學機械交通學院,新疆烏魯木齊 830000;2.天津科技大學機械工程學院,天津 300457)

目前,城市交通擁堵問題已嚴重影響了城鎮(zhèn)居民生活,制約了城市的經(jīng)濟發(fā)展。對城市道路交叉口信號配時提出了更高要求.結(jié)合烏魯木齊市交通擁堵的現(xiàn)狀,根據(jù)烏市道路平面交叉口與信號配時的特點,提出了以延誤、排隊和通行能力三個指標進行信號協(xié)同控制優(yōu)化的問題,并建立了基于流量大小、排隊和綠信比大小的信號優(yōu)化模型。結(jié)合實際路口分析對模型進行了驗證,證明了該模型和算法的有效性。

復雜路網(wǎng) 協(xié)同控制 信號優(yōu)化模型

目前，城市交通擁堵問題已嚴重影響了烏魯木齊市城鎮(zhèn)居民生活，制約了城市的經(jīng)濟發(fā)展，研究一種經(jīng)濟合理、環(huán)保節(jié)能、協(xié)調(diào)有效的解決城市交通擁堵問題的的方法，成為人們關注的焦點。在綜合比較分析并參考國內(nèi)外經(jīng)驗[1][2]的基礎上，城市道路交叉口信號配時優(yōu)化，將是解決交通擁堵問題的一個很好的方法。但是，不同的城市有它特殊性，需要考慮城市本身的路網(wǎng)交通特征。

本文結(jié)合烏魯木齊市交通現(xiàn)狀，借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有交通信號控制配時設計的研究和應用成果[3][4][5]，依托目前使用的信號機，對烏市交叉口信號配時設計方法進行研究，提出一套適合烏魯木齊交通現(xiàn)狀的信號配時設計方法。

圖1 車隊頭部受阻的情形

圖2 車隊頭部受阻延誤示意圖

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

1 優(yōu)化模型的建立

交叉口間協(xié)調(diào)控制分為兩種情況：單向協(xié)調(diào)和雙向協(xié)調(diào)，單向協(xié)調(diào)即為雙向協(xié)調(diào)僅考慮一個方向流量的特殊情況，比較簡單，這里重點研究雙向協(xié)調(diào)。

1.1 雙向協(xié)調(diào)模型

在實際道路中，進入系統(tǒng)的車輛是不斷增加的，對于系統(tǒng)內(nèi)部而言，協(xié)調(diào)方向的車流也有支向車流的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)匯入，所以在各個單獨的交叉口，協(xié)調(diào)方向的車流到達是源源不斷的，區(qū)別只是車

頭時距的大小。因此，假設車流到達積累數(shù)和時間呈線性關系，流量的大小僅僅影響該線性關系的斜率。

車流以車隊的形式經(jīng)過各個交叉口，而車隊車頭在交叉口處受阻和車身在交叉口處受阻的情形是不同的，區(qū)別在于：車頭受阻時，可能是頭車前還有排隊車輛，也可能是頭車前無排隊車輛，受阻等待的時間小于或等于一個紅燈的時間；車身受阻時，前面沒有排隊長度，受阻等待時間為一個紅燈時間，以下討論兩種情況下的協(xié)調(diào)模型。

1.1.1 下行車隊在下一交叉口受阻

其車隊頭部受阻情況如圖1所示。單相協(xié)調(diào)中交叉口設為i，下一交口為i+1，則交叉口i+1相對于i的相位差如公式(1)所示。

式中，1+→iiφ ——交叉口i+1相對于i的相位差(s)；1+→iil ——交叉口i到交叉口i+1的距離(m)；1+iS ——交叉口i+1處的由i向i+1流向的排隊長度(m)；1+→iiv ——交叉口i到交叉口i+1間路段的平均速度(m/s)；1+iτ ——車隊頭部到達交叉口i+1處至開始消散的時間。

此時，車隊頭部受阻產(chǎn)生的延誤如圖2中陰影部分所示。

tr為整列車隊到達交叉口后后續(xù)沒有車輛跟來的時間，綠燈開啟后，1+iτ 時間內(nèi)累積的車輛全部疏散，t時間后進入交叉口的車輛不受阻的通過交叉口，因此有：

圖4 算法結(jié)構(gòu)流程圖

圖5 周期的選擇示意圖

圖6 綠信比的優(yōu)化

式中， qi→i+1——交叉口i+1到交叉口i+1的流量(pcu/s)；t——綠燈開啟后排隊長度消散時間(s)； ui→i+1——交叉口i到交叉口i+1的最大通行能力(pcu/s)； ni+1——排隊車輛數(shù)。

可得到延誤 di→i+1如公式(4)所示。

其中，tr在公式中是一個非負整數(shù)，并不影響最終結(jié)果，因此設tr為0。則 di→i+1的最終計算結(jié)果如公式(5)所示。

1.1.2 上行車隊在下一交叉口受阻

雙向協(xié)調(diào)的相位差在單向協(xié)調(diào)的基礎上進行計算，首先按照下游車隊延誤的計算方法計算上游車隊的延誤。設上游相鄰兩個交叉口為i+1和i，顯然，交叉口i對交叉口i+1來說相位差為：

式中，ii→+1φ ——交叉口i+1對交叉口i的相位差(s)；T——周期時長(s)。

與下行車隊頭部受阻的情形類似，計算得到上行車隊的總延誤如公式(7)所示。

1.2 雙向總延誤

由公式(5)和(7)可得系統(tǒng)中雙向的總延誤如公式(8)所示。

可見，雙向協(xié)調(diào)問題最終歸結(jié)為一個非線性規(guī)劃求最優(yōu)解問題，當總延誤D最小時求出相位差的最優(yōu)解。

1.3 約束條件

該模型的約束條件為路口實際流量小于道路最大流量，周期時間的長度大于設計相位差和路段計算相位差之和，即公式(9)所示。

2 參數(shù)選擇

由上面介紹的雙向協(xié)調(diào)相位差的計算模型，只需要得到路段流量，飽和流量，交叉口的排隊長度，路段均速，相鄰交叉口之間的距離，就能夠通過模型得出相鄰交叉口的雙向相位差。

2.1 路段流量

路段流量由路口檢測器獲得，線圈檢測到的流量為一周期統(tǒng)計一次，系統(tǒng)根據(jù)上三個周期的平均流量得出本周期預測流量。

2.2 路段均速

經(jīng)過大量的數(shù)據(jù)分析，得出路段均速與流量之間的關系如下。(1)單車道情況：

(2)雙車道情況：

表1 子區(qū)劃分表

表2 優(yōu)化前喀什路-文光路當前配時表

表3 優(yōu)化后喀什路-文光路當前配時表

表4 子區(qū)一相位差表

表5 各個路口優(yōu)化前的停車次數(shù)及總延誤時間

表6 各個路口優(yōu)化后的停車次數(shù)及總延誤時間

(3)三車道及三車道以上情況：

式中，q——停車線處線圈檢測出的流量，本周期數(shù)據(jù)用于擬合下周期路段均速；v——路段均速。

各種情況系數(shù)可以累積，軟件界面中增加車道數(shù)，有無分隔帶的設置。

2.3 排隊長度

(1)路段流量不飽和情況(綠燈利用率＜1)。

路口線圈能夠檢測到車輛的車頭時距，當車頭時距小于3s(此值可以手動設置)的時候，即認為此時統(tǒng)計到的車輛數(shù)是紅燈相位排隊的車輛，或是綠燈開啟后匯入排隊長度車輛的車輛數(shù)，該值為排隊車輛數(shù)的最大值，用 N測表示。

排隊車輛數(shù)計算公式如下：

式中，sN——排隊車輛數(shù)；預測q ——停車線檢測線圈三個周期的平均檢測流量(pcu/s)。

排隊長度根據(jù)交通工程飽和流量的定義，按照每輛車占地6米計算，即：

(2)路段流量過飽和情況(綠燈利用率≥1)。

此時中心軟件應提出報警，排隊車輛數(shù)選用 N測的數(shù)據(jù)。

3 信號控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)組成

系統(tǒng)采用三層分布式結(jié)構(gòu)：中心層、通信層和路口層。信號機能夠通過RS232/RJ45或者無線通訊實現(xiàn)與中心連接，本方案采用無線通訊形式組網(wǎng)。

針對烏魯木齊市的實際情況和需求，設計系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。其交通信號控制系統(tǒng)架構(gòu)具體描述如下。

(1)信號控制中心。信號控制中心設備主要包括中心控制服務器、區(qū)域控制服務器、通信服務器、數(shù)據(jù)庫服務器、客戶端等，服務器安裝在指揮中心，客戶端既可以安裝在指揮中心，主要用于監(jiān)視和修改路口控制參數(shù)等。

(2)通信部分。通信部分主要包括無線通訊模塊(DTU)和通信網(wǎng)絡，本方案中采用無線通訊模塊(DTU)通過GPRS/3G無線網(wǎng)絡與中心設備相連。

(3)外場部分。外場部分設備主要包括信號機、檢測器等，信號機根據(jù)車輛檢測器檢測的交通信息(包括車流量等)實時調(diào)整路口控制方案(信號周期和綠信比)，實現(xiàn)路口的有序控制。

3.2 原理分析

信號控制原理是通過兩級優(yōu)化體系實現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)自適應控制。

一級優(yōu)化是中心完成周期、綠信比、相位差等參數(shù)的計算或選擇，直接下發(fā)給信號機執(zhí)行；二級優(yōu)化是信號機根據(jù)具體的車輛個體到達需求和相位差限制，對綠燈長度作微調(diào)。

圖7 喀什路子區(qū)一晚高峰時距圖

優(yōu)化的目標是綠燈利用率達到最高，子系統(tǒng)交叉口延誤達到最小。周期長、綠信比、相位差選擇與計算的主要依據(jù)是“綠燈利用率”。其算法結(jié)構(gòu)流程圖如圖4所示。

3.2.1 周期選擇模型

周期長方案優(yōu)選包括5套方案：最小周期、可變周期1、可變周期2、可變周期3、最大周期，其選擇示意圖如圖5所示。

3.2.2 綠信比計算模型

協(xié)調(diào)控制下，計算綠信比時，關鍵交叉口綠信比的計算方法與單點優(yōu)化綠信比的計算方法相同，要根據(jù)關鍵交叉口進行調(diào)整，兩者所應用的流量都為預測流量，非實測流量。

首先，確定相位的最小綠燈時間：各交叉口協(xié)調(diào)相位所必須保持的最小綠燈時間就是關鍵交叉口協(xié)調(diào)相位的綠燈顯示時間，ming為取整后所得：

式中，ming ——關鍵交叉口協(xié)調(diào)相位的有效綠燈時間；L——交叉口進口道處路寬，包括非機動車道寬度，無調(diào)查值情況下，雙向四車道取16m，雙向六車道取25m；行人v ——行人過街速度，該值應由老年人的平均行走速度決定，取0．9m/s。

最小綠燈時間計算得出以后，可以得出在周期中每個相位的綠信比。系統(tǒng)根據(jù)檢測到的綠燈利用率對綠信比進行小步距優(yōu)化，進行綠信比一級優(yōu)化。然后按照圖6完成綠信比二級優(yōu)化。

4 實際路況分析

所建立的優(yōu)化模型和優(yōu)化算法采用對實際路況的分析進行驗證。以喀什路沿線從喀什路五建橋頭到喀什路天津路的各個路口為實驗對象，共有10個路口，將其劃分為兩個區(qū)域，如表1所示。

4.1 喀什路沿線路況分析

運用本文設計的交通配時優(yōu)化模型，即公式(8)，將各個子區(qū)調(diào)查的交通參數(shù)代入，經(jīng)過計算機迭代計算，進行優(yōu)化。

以喀什路-文光路這個路口為例，其距離上一個路口為300mm，其優(yōu)化前當前配時表如表2所示。

優(yōu)化依據(jù)：延長協(xié)調(diào)相位的綠燈時間，同時增加東進口左轉(zhuǎn)時間，由之前的15s增加到25s，第二個單口放行相位保持不變，增加部分南北進口的放行時間，得到優(yōu)化后的配時表如表3所示。

依次計算得到喀什路子區(qū)一晚高峰時距圖，如圖7所示。

根據(jù)時距圖可以清晰看出車流由東向西行進時各個路口的相位差，如表4所示。

4.2 優(yōu)化前后效果的對比

在沒有利用本文介紹的交通模型優(yōu)化前，各個路口的延誤以及停車次數(shù)如表5所示，優(yōu)化以后，經(jīng)過實際的交通調(diào)查，得出表6的結(jié)果。

可見，經(jīng)過本文設計的模型優(yōu)化以后，總延誤以及停車次數(shù)都得到了降低，因此，該交通模型是適用于烏魯木齊城市道路的。

5 結(jié)語

本文根據(jù)目前烏市道路平面交叉口與信號配時的特點，對城市道路交叉口的基礎理論進行了研究，研究了影響信號控制交叉口的因素和參數(shù)；建立了流量大小、排隊和綠信比信號優(yōu)化模型；通過對喀什路上兩個交通子區(qū)進行模型的實際驗證，結(jié)果表明通行效果良好，驗證了模型和算法的有效性。

[1]陳小紅,錢大琳.基于互補問題的混合交通信號配時優(yōu)化模型[J].系統(tǒng)工程理論與實踐,2010,30(1):184-191.

[2]張存保,冉斌.車路協(xié)同下道路交叉口信號控制優(yōu)化方法[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息,2013,13(03):40-45.

[3]陳傳明,張鈴.智能交通信號燈配時及優(yōu)化設計 微機發(fā)展 2005 15(03):4-6.

[4]柴琳果.基于車路協(xié)同系統(tǒng)的交通仿真方法研究[D].北京交通大學,2012.

[5]賀明.城域交通沖突點控制策略研究[D].浙江大學,2008.

At present, urban traffic congestion problem seriously affected the living quality of urban residents in China, and restricted urban economic development. This raised higher requirements for signal timing at urban road intersections. Combined with current condition of traffic congestion in Urumchi, according to its characters of plane intersection signal timing, this paper presented a cooperative control optimization problem with three indexes: delay time, queue length, and traffic capacity. Then the signal optimal model is constructed. Finally, the presented plane intersection signal timing optimization model is verified by experimental analysis of real plane road intersection traffic conditions.

Complex Traffic Network;Cooperative Control;Signal Optimization Model

何瑋(1979—),女,新疆烏魯木齊人,回族,2008級工程碩士,研究方向:智能交通。

梁坤。