任 慧

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院信息工程系，福州 350007)

0 引言

在當(dāng)前我國的發(fā)展現(xiàn)狀中，限制并困擾城市發(fā)展的主要因素就是交通擁堵問題，我國由于交通擁堵問題而導(dǎo)致的環(huán)境損失與經(jīng)濟(jì)損失正在呈現(xiàn)逐年上升的態(tài)勢。城市交通干線是我國城市交通道路的動脈，具備通行能力大、運(yùn)行速度快以及等級高等特點(diǎn)，能夠有效地疏導(dǎo)與集散交通。減緩與避免城市交通干線的局部擁堵問題，保障城市交通干線的暢通運(yùn)行是確保城市交通高效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要條件之一。在城市交通流量較大的時段，特別是上下班的早高峰與晚高峰，城市交通干線會有巨大的車流量，很容易在交通干線的瓶頸交叉口或者關(guān)鍵交叉口由于車輛的不斷累積而造成局部擁堵的現(xiàn)象，情況比較嚴(yán)峻時甚至可能出現(xiàn)上溯溢出的現(xiàn)象，延緩甚至阻斷相交方向與本方向的正常交通通行，嚴(yán)重影響城市交通網(wǎng)絡(luò)的行車效率。

當(dāng)城市交通干線產(chǎn)生局部擁堵的現(xiàn)象時，原本的交通干線信號的配時無法對擁堵現(xiàn)象產(chǎn)生任何緩解作用，只會使局部擁堵的范圍變的越來越大，此時就需要根據(jù)城市交通干線的實際交通狀況，對更效的局部擁堵控制方法與策略進(jìn)行開發(fā)，防止交通干線局部擁堵的范圍不斷蔓延，降低上溯溢出現(xiàn)象產(chǎn)生的可能性。在城市交通干線的瓶頸交叉口或者關(guān)鍵交叉口容易產(chǎn)生局部擁堵現(xiàn)象的原因就是車輛的離開流率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其到達(dá)流率，導(dǎo)致在整個綠燈時間內(nèi)無法將積累在瓶頸交叉口或者關(guān)鍵交叉口的車輛全部放空而產(chǎn)生滯留車輛，而滯留車輛在每個綠燈時間都會產(chǎn)生，因此，滯留車輛的數(shù)量會不斷增加，從而產(chǎn)生擁堵甚至上溯溢出的現(xiàn)象，對相交方向與本方向的正常交通通行帶來巨大影響，造成交通擁堵現(xiàn)象的加劇。局部擁堵問題的解決關(guān)鍵就是要通過紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方法來降低上游車輛的到達(dá)流率并增加下游車流的卸載能力。

1 城市交通干線局部擁堵紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方法

1.1 方案設(shè)計

在城市交通干線局部擁堵紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方法中，應(yīng)該首先對城市交通干線的整體交通狀態(tài)以及每個交叉路口的局部交通狀態(tài)進(jìn)行仔細(xì)研究，以確定該交通干線是否適合紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方法的應(yīng)用，然后對啟動時機(jī)與控制范圍進(jìn)行進(jìn)一步的確定，并對控制參數(shù)進(jìn)行計算，從而得出適用于該城市交通干線的紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方案[1]。在城市交通干線局部擁堵紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方法的施行過程中，必須對交通干線整體狀態(tài)的變化進(jìn)行實時監(jiān)測，并對紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方案的效果進(jìn)行檢驗以及及時優(yōu)化[2]。并且當(dāng)城市交通干線局部擁堵完全解決后需要繼續(xù)執(zhí)行原本的交通控制方案，才能提升交通干線的運(yùn)行效率。城市交通干線局部擁堵紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方法的整體實施流程如圖1所示。

1.2 選取協(xié)調(diào)控制范圍

在城市交通干線局部擁堵紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方法中，首先要對控制范圍進(jìn)行確定。這樣做既能夠降低交通控制與擁堵疏散中的局限性，確保在控制范圍較小時也可以對交通流進(jìn)行有效的卸載與截流，又能夠最大程度地實現(xiàn)交通疏散效果與交通擁堵控制效果，避免產(chǎn)生控制范圍太大的情況，增加協(xié)調(diào)控制的難度[3]?？梢哉f控制范圍的設(shè)計與選擇對紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方法的實施成效是至關(guān)重要的。只有將控制范圍規(guī)劃合理才能真正地控制交通擁堵。在紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方法中，交叉口關(guān)聯(lián)度的計算需要利用式(1)來完成：

圖1 整體實施流程

(1)

式中：X為城市交通干線的交叉口關(guān)聯(lián)度；a為車輛從交叉口的上游到下游需要花費(fèi)的行車時間，以s為單位；b為駛?cè)虢徊婵谏嫌蔚能囕v分支數(shù)，其計算公式是：

b=交叉口路段數(shù)-1，

(2)

以輛為單位；Cmax為交叉口上游交通主線的最大車輛流率；Ci為從交叉口的上游到下游的車輛流率；當(dāng)X≥0.4的時候，我們就認(rèn)為這兩個交叉口存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。在城市交通干線局部擁堵紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方法中，劃分控制范圍需要遵循以下原則：首先，瓶頸交叉口與干線的相鄰交叉路口將直接劃分到控制范圍內(nèi)。其次，當(dāng)上游交叉口的X≥0.4的時候，該交叉口默認(rèn)為紅波控制交叉口；當(dāng)下游交叉口的X≥0.4的時候，該交叉口默認(rèn)為綠波控制交叉口。最后，由于需要考慮控制成效與計算量問題，當(dāng)紅波控制交叉口與綠波控制交叉口的數(shù)量都到5的時候，默認(rèn)為達(dá)到該方法的控制范圍上限，此時不再繼續(xù)選取控制交叉口[4]。

1.3 設(shè)計下游綠波帶

在下游綠波帶的設(shè)計中，城市交通干線有一個瓶頸交叉口即0號交叉口，并且發(fā)生局部交通擁堵的方向是從西往東，在發(fā)生局部交通擁堵后需要對下游的1號交叉口、2號交叉口、3交叉口以及4號交叉口進(jìn)行控制協(xié)調(diào)。根據(jù)城市交通干線的整體交通流參數(shù)與各個交叉口的交通流參數(shù)，利用控制單點(diǎn)信號的相關(guān)計算方法對各個交叉口的綠信比與最佳信號周期進(jìn)行計算，并選擇略大于原有公共周期或者略小于原有公共周期的交通信號周期作為城市交通干線局部擁堵紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方法中的最終公共周期[5]。對0號交叉口到4號交叉口的綠波帶協(xié)調(diào)控制進(jìn)行設(shè)置，并對各個相鄰的交叉口進(jìn)行相位差的計算，相位差的計算公式：

(3)

(4)

式中：Mi→f為相鄰的交叉口i與f的相位差；Qi→f為從交叉口i到f需要花費(fèi)的行車時間；wi→f為交叉口i到f的整體距離，以m為單位；R為綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的整體運(yùn)轉(zhuǎn)速度[6]。由于在上游競爭相位處還有右轉(zhuǎn)車流與左轉(zhuǎn)車流在連續(xù)不斷地駛?cè)耄⑶以诮徊婵谔庍€可能有一些車輛在排隊，因此，不能單純地按照既定的相位差對綠波帶的協(xié)調(diào)控制進(jìn)行設(shè)置，否則很有可能是在已有車輛等待排隊通行的情況下又涌入了綠波協(xié)調(diào)相位的交通流，這樣會對綠波帶的交通通行效率造成嚴(yán)重的影響。所以，需要對下游交叉口的綠波協(xié)調(diào)相位進(jìn)行提前量的設(shè)置，也就是需要將排隊車輛提前從進(jìn)口道清除，使綠波協(xié)調(diào)相位的交通流能夠直接從這個路口順暢的通行。這就需要利用這個提前量對綠波協(xié)調(diào)控制相位差進(jìn)行修正工作[7]。

1.4 設(shè)計上游紅波帶

在上游紅波帶的設(shè)計中，城市交通干線有一個瓶頸交叉口即5號交叉口，并且發(fā)生局部交通擁堵的方向是從西往東，在發(fā)生局部交通擁堵后需要對下游的6號交叉口、7號交叉口、8交叉口以及9號交叉口進(jìn)行控制協(xié)調(diào)。此時需要利用交通控制設(shè)施與紅波信號控制系統(tǒng)來截流和分解這個交通干線上的交通流。上游紅波帶的整體控制策略是一個離散性的控制系統(tǒng)，也就是在上游紅波帶的整體控制策略中，在每個相鄰的交叉口處都會設(shè)置一個截流系統(tǒng)，由這些截流系統(tǒng)組成了整體的離散性控制系統(tǒng)[8]。由于上游紅波帶的整體控制策略呈現(xiàn)離散性，而下游綠波帶的整體控制策略呈現(xiàn)連續(xù)性，因此二者具有很大的區(qū)別。上游紅波帶的協(xié)調(diào)控制公共周期與下游綠波帶的協(xié)調(diào)控制公共周期相同。在上游紅波帶的協(xié)調(diào)控制中，上游交叉口i與下游交叉口f是一對相鄰的交叉口，并且i的綠燈亮起與f的紅燈亮起會產(chǎn)生一定的時間差，此時間差恰好與車輛從i到f需要花費(fèi)的行車時間相等。因此，下游交叉口f的紅燈亮起相位差會出現(xiàn)3種情況。第一種情況是車輛從i到f需要花費(fèi)的行車時間小于i的綠燈亮起時間，并且i的綠燈亮起時間小于上游紅波帶的協(xié)調(diào)控制公共周期，這種情況下，紅燈亮起的相位差是：

(5)

式中：P為紅燈亮起的相位差；Gi為i的綠燈亮起時間；TGi→f為車輛從i到f需要花費(fèi)的行車時間；A為上游紅波帶的協(xié)調(diào)控制公共周期。第二種情況是車輛從i到f需要花費(fèi)的行車時間大于i的綠燈亮起時間，并且車輛從i到f需要花費(fèi)的行車時間小于上游紅波帶的協(xié)調(diào)控制公共周期，這種情況下，紅燈亮起的相位差是：

(6)

而第三種情況是車輛從i到f需要花費(fèi)的行車時間大于上游紅波帶的協(xié)調(diào)控制公共周期，這種情況下，紅燈亮起的相位差是：

(7)

2 實驗結(jié)果與分析

為了保證城市交通干線局部擁堵紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方法的有效性，設(shè)計一個仿真實驗。在實驗的過程中，以某城市交通干線為實驗對象，對該城市交通干線進(jìn)行局部擁堵紅綠波帶協(xié)調(diào)控制。為了保證實驗的有效性，使用傳統(tǒng)交通干線局部擁堵協(xié)調(diào)控制方法與城市交通干線局部擁堵紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行比較，觀察實驗結(jié)果。首先，利用相關(guān)軟件對該城市交通干線出現(xiàn)的局部擁堵情況進(jìn)行紅綠波帶協(xié)調(diào)控制的模擬仿真，并利用該軟件對紅綠波帶協(xié)調(diào)控制的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與統(tǒng)計；然后對使用城市交通干線局部擁堵紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方法與使用傳統(tǒng)交通干線局部擁堵協(xié)調(diào)控制方法下各個城市交通干線交叉口車輛的平均停車次數(shù)與平均延誤時間進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖2～3所示。

圖2 平均延誤時間的對比

圖3 平均停車次數(shù)的對比

通過圖2～3可知，使用城市交通干線局部擁堵紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方法與使用傳統(tǒng)交通干線局部擁堵協(xié)調(diào)控制方法相比，平均停車次數(shù)與平均延誤時間都更少，同時也證明了城市交通干線局部擁堵紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方法的有效性。

3 結(jié)語

城市交通干線局部擁堵紅綠波帶協(xié)調(diào)控制方法能夠有效控制城市交通干線的交通疏導(dǎo)節(jié)奏，并有效降低瓶頸交叉口或者關(guān)鍵交叉口的上溯溢出現(xiàn)象的發(fā)生幾率。