劉南

摘 要：本文提出了一種基于智能時(shí)段劃分的綠波協(xié)調(diào)控制技術(shù)，通過采集分析主干道所有交叉口的電子警察過車數(shù)據(jù)，通過優(yōu)化算法計(jì)算所有時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)口道飽和度，利用聚類分析算法生成適合所有交叉口的精細(xì)化時(shí)段劃分，智能劃分所有交叉口的公共交通時(shí)段，充分考慮了沖突相位的交通飽和度以及下游交叉口排隊(duì)車輛對(duì)上游到達(dá)車輛的影響，采用不固定速度綠波控制理念，并通過優(yōu)化主干道上各交叉口的相序及相位順序，最大限度求解雙向綠波帶的帶寬，減少車輛的延誤和停車等待時(shí)間。該設(shè)計(jì)在寧波市奉化區(qū)大成路8個(gè)路口開展了實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：聚類分析;智能時(shí)段劃分;不固定速度綠波

中圖分類號(hào)：U491.54 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）12-0043-03

1 背景

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，小汽車保有量日益增多，城市道路交通擁堵和通勤時(shí)間增長(zhǎng)成為每個(gè)城市面臨的重要問題。很多城市為了保障交通安全，在城市主干道上密集增加了信號(hào)燈，信號(hào)燈的不協(xié)調(diào)造成通行效率嚴(yán)重降低。近年來，城市交通管理者為了提高城市主干路網(wǎng)的通行效率，積極探索推廣綠波協(xié)調(diào)控制技術(shù)的研究與應(yīng)用，起到了良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，然而主干道綠波協(xié)調(diào)雖然保障了主干道的通行效率，但由于交通時(shí)段劃分不準(zhǔn)確、公共周期過大、相位配置不合理等原因，導(dǎo)致非協(xié)調(diào)方向擁堵、排隊(duì)溢出、待轉(zhuǎn)區(qū)沖突、行人過街時(shí)間不足等問題。本文利用智能時(shí)段劃分與公共周期優(yōu)化算法，通過對(duì)干線各交叉口控制相序參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使干線協(xié)調(diào)方向車輛能夠連續(xù)不停車或者少停車通過下游交叉口，保證主干道上車輛能夠暢通行駛，從而達(dá)到減少車輛停車延誤、提高道路通行能力以及改善交通擁堵現(xiàn)狀的目的。

2 協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)算法研究

協(xié)調(diào)控制包括單向協(xié)調(diào)控制和雙向協(xié)調(diào)控制，單向協(xié)調(diào)控制主要應(yīng)用于存在潮汐現(xiàn)象的交通主干道，雙向協(xié)調(diào)控制是目前應(yīng)用最廣泛的協(xié)調(diào)控制技術(shù)。傳統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制技術(shù)應(yīng)用時(shí)段劃分單一、綠波控制速度相同，但由于道路主干道的全天流量變化明顯及路段干擾因素影響，導(dǎo)致全路段速度無法保持相同，致使綠波協(xié)調(diào)控制應(yīng)用效果不佳。

2.1 智能時(shí)段劃分

一般而言，交通主干道高峰時(shí)段車流量大，交叉口進(jìn)口道排隊(duì)較長(zhǎng)，停車起步延誤較大，進(jìn)口道飽和度較高，不適合設(shè)置綠波協(xié)調(diào)控制。平峰時(shí)段進(jìn)口道飽和度較低，適合設(shè)置綠波協(xié)調(diào)控制。因此，合理地劃分交通時(shí)段是提升綠波控制效果的關(guān)鍵之一。傳統(tǒng)的交通時(shí)段劃分主要根據(jù)采集交叉口的流量信息，由交通工程師繪制全天流量變化趨勢(shì)圖，再通過人工觀察確定交通時(shí)段，該方法的數(shù)據(jù)信息太少且具有較強(qiáng)的主觀性，容易出現(xiàn)時(shí)段劃分不合理，無法滿足城市交通狀況規(guī)律性變化的信號(hào)交叉口智能化控制的要求。因此，實(shí)現(xiàn)智能劃分交叉口交通時(shí)段是非常必要和重要。

本文研究以聚類分析法為基礎(chǔ)，通過調(diào)取所有路口的電子警察過車數(shù)據(jù)，自動(dòng)導(dǎo)入流量分析軟件，從微觀層面上劃分交通時(shí)段，與路口流量變化相匹配，實(shí)現(xiàn)智能化的時(shí)段劃分。其具體劃分過程可簡(jiǎn)述如下：

（1）以15分鐘為統(tǒng)計(jì)時(shí)間間隔，將一天24小時(shí)劃分為96個(gè)統(tǒng)計(jì)間隔。分別統(tǒng)計(jì)每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)交叉口的到達(dá)車輛數(shù)，得到一個(gè)包含96個(gè)元素的有序數(shù)列。（2）根據(jù)常見規(guī)律，將其劃分為8段，即將有序樣本分為8類。（3）定義第i類（包含ni個(gè)元素）的直徑為，。（4）不斷調(diào)整有序數(shù)列中分段點(diǎn)的位置，使得的值最小，從而得到的宏觀時(shí)段劃分。

可用一個(gè)1×7的一維數(shù)組Z表示宏觀時(shí)段劃分點(diǎn)根據(jù)早、晚高峰的常見規(guī)律，可將Z的初始值設(shè)置[20，28，36，48，64，76，88]，即將一天24小時(shí)劃分為0：00-5：00、5：00-7：00、7：00-9：00、9：00-12：00、12：00-16：00、16：00-19：00、19：00-22：00、22：00-24：00共8個(gè)宏觀時(shí)段。

由于基本時(shí)間間隔數(shù)較多，采用枚舉的方式獲取最優(yōu)的計(jì)算量過大。這里采用隨機(jī)迭代的方式，獲取一定迭代次數(shù)的最優(yōu)時(shí)段劃分方式。定義宏觀調(diào)整迭代次數(shù)為M0=1000，每次迭代過程中隨機(jī)選擇一個(gè)分段點(diǎn)，將其位置前移或后退15分鐘（即3個(gè)時(shí)間間隔）。調(diào)整過程中保證任意一個(gè)宏觀時(shí)段的跨度不小于1小時(shí)（即12個(gè)時(shí)間間隔）。

2.2 公共周期計(jì)算

綠波協(xié)調(diào)的應(yīng)用需要每個(gè)交叉口之間的控制周期相同，或者是雙周期關(guān)系，每個(gè)交叉口的單點(diǎn)控制最佳周期采用F.韋伯斯特-B.柯布理論（簡(jiǎn)稱F.B方法）。F.B方法的控制周期計(jì)算公式如下：C=（1.5L+5）/（1-Y）;

式中：C-周期時(shí)長(zhǎng)（s）;

L-一個(gè)周期內(nèi)的總損失時(shí)間（s），L=Σmax{l+I-A};

Y-交叉口信號(hào)各個(gè)相位的流率比之和，Y=∑ni=1yi= ;

l-啟動(dòng)損失時(shí)間（s）;

I-綠燈間隔時(shí)間（s）;

A-黃燈時(shí)間（s）;

yi為相位i臨界車道組的流率比，由相位流率qi與飽和流率s之比計(jì)算得到。臨界車道組指每一相位交通流量比最大的車道組。

確定好每個(gè)交叉口的最佳控制周期后，選擇周期最大的值為公共控制周期。但在實(shí)際應(yīng)用中，一些交通流量較小的交叉口控制周期與公共周期差距較大，可以采用雙周期控制，或者大小周期控制，達(dá)到增加周期長(zhǎng)度的目的，將一個(gè)周期分解為多個(gè)不同的子周期，這樣調(diào)整更加靈活。

3 應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)例分析

大成路是橫貫奉化城區(qū)的一條東西方向主干道，路段日交通流量在30000pcu以上，沿線一共8個(gè)信號(hào)燈控制路口，交叉口之間的信號(hào)控制彼此不協(xié)調(diào)，經(jīng)常連續(xù)遇紅燈停車等待，通行效率不高。為發(fā)揮城市主干道的快速通行功能，運(yùn)用綠波控制技術(shù)設(shè)計(jì)該路段的雙向綠波帶控制方案，減少主干道停車，為駕駛者提供更加暢通、舒適的駕駛體驗(yàn)。

3.1 交通調(diào)研

對(duì)路段各交叉口進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)研，如表1所示。

該路段上各交叉口之間間距相對(duì)合理，路段中央均有綠化帶隔離，保證車輛不受對(duì)向車輛的干擾，路段兩側(cè)設(shè)置了單獨(dú)的非機(jī)動(dòng)車道，均進(jìn)行了綠化或護(hù)欄隔離，確保了機(jī)非分離，公交站臺(tái)均是港灣式，不會(huì)對(duì)主干道上行駛車輛造成干擾。綠波設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于：（1）該路段一部分經(jīng)過主城區(qū)，一部分經(jīng)過人流量較少的郊區(qū)，路段行駛速度不同;（2）有三個(gè)交叉口設(shè)置了左轉(zhuǎn)待轉(zhuǎn)區(qū)，綠波設(shè)計(jì)時(shí)需考慮待轉(zhuǎn)區(qū)的影響，盡量采取對(duì)稱的放行方式，采用搭接相位時(shí)需設(shè)置清空相位，會(huì)導(dǎo)致綠波帶寬的降低。

3.2 時(shí)段劃分

傳統(tǒng)的交通時(shí)段劃分主要根據(jù)采集交叉口的流量信息，由交通工程師繪制全天流量變化趨勢(shì)圖，再通過人工觀察確定交通時(shí)段。因此，采用反向思維的方式來驗(yàn)證算法自動(dòng)計(jì)算得到的時(shí)段劃分結(jié)果。

統(tǒng)計(jì)路段所有交叉口一段時(shí)間內(nèi)全天流量數(shù)據(jù)，導(dǎo)入流量分析軟件中，繪制流量變化曲線（15分鐘為間隔），同時(shí)展現(xiàn)時(shí)段劃分情況。通過聚類分析法合成路段流量變化曲線圖，圖1為算法對(duì)其中某一交叉口形成的流量分析曲線，可以看到，在準(zhǔn)確區(qū)分早、晚高峰時(shí)段的同時(shí)，算法對(duì)平峰及高峰前后變化時(shí)段進(jìn)行了較為詳細(xì)的劃分，時(shí)段劃分結(jié)果基本符合該路口的流量變化情況，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

算法采用隨機(jī)迭代的方式，獲取一定迭代次數(shù)的最優(yōu)時(shí)段劃分方式對(duì)該路段的時(shí)段劃分如表2所示。

3.3 關(guān)鍵交叉口及公共周期確定

綠波能夠?qū)崿F(xiàn)的重要因素之一就是每個(gè)交叉口控制周期要統(tǒng)一，選擇合適的綠波控制周期和綠波帶寬能夠決定綠波控制的效果。首先需要對(duì)每個(gè)交叉口交通流量、現(xiàn)狀控制方案及主干道綠信比進(jìn)行調(diào)研，調(diào)研情況如表3所示。

通過對(duì)各交叉口日交通流量進(jìn)行調(diào)研分析和比較，大成路-南山路日交通流量在44000pcu以上，是交通流量最大的交叉口。因此，可以將該路口設(shè)定為綠波線路關(guān)鍵交叉口。設(shè)計(jì)雙向綠波時(shí)，盡量不改變關(guān)鍵交叉口的相序。

通過F.B公式計(jì)算每個(gè)交叉口的最優(yōu)控制周期時(shí)長(zhǎng)Ci，然后確定協(xié)調(diào)控制的公共周期，C=max（C1，……，Ci）=120。

3.4 綠波設(shè)計(jì)時(shí)速

該路段限速60KM/H，但由于各相鄰交叉口之間路況不同，有的實(shí)際速度無法達(dá)到60KM/H，若采用傳統(tǒng)的固定帶速的綠波控制很難保證綠波控制效果，故此次綠波帶根據(jù)實(shí)際通行狀況采用不固定速度綠波控制。通過對(duì)相鄰交叉口電子警察之間過車數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算相鄰交叉口之間平均速度。各相鄰交叉口之間速度如圖2所示。

3.5 綠波協(xié)調(diào)方案設(shè)計(jì)

以圖解法設(shè)計(jì)軟件模型為依托，輸入各項(xiàng)控制參數(shù)，輸出綠波帶初始圖形。根據(jù)路段實(shí)際情況對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正調(diào)整，得出最佳綠波方案。

通過參數(shù)修正確保有待轉(zhuǎn)區(qū)的交叉口放行方式是對(duì)稱放行或者對(duì)向放行。得出綠波控制方案，如圖3所示。

3.6 系統(tǒng)效果評(píng)價(jià)

交通信號(hào)控制評(píng)價(jià)指標(biāo)是判斷道路交通信號(hào)控制效果的標(biāo)準(zhǔn)，交通信號(hào)控制經(jīng)過數(shù)年的研究與發(fā)展，如今的評(píng)價(jià)指標(biāo)有很多，如服務(wù)水平、飽和度、通行能力、停車延誤、停車率、通行時(shí)間、平均行程速度、燃油消耗率等。

本文主要采用延誤時(shí)間、通行時(shí)間和平均行程速度等三個(gè)指標(biāo)對(duì)綠波控制效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

信號(hào)控制交叉口延誤是評(píng)價(jià)交通服務(wù)水平和通行效率的重要指標(biāo)，能夠反應(yīng)信號(hào)交叉口在城市道路中的通行狀態(tài)，信號(hào)交叉口通行狀態(tài)良好，則延誤較低，反之，則延誤較高。交叉口的延誤種類包括排隊(duì)延誤、停車延誤和起步延誤。本次通過韋伯斯特公式計(jì)算單車平均延誤時(shí)間，主要由飽和度、進(jìn)口道車流量、綠信比和控制周期等參數(shù)計(jì)算得到，可通過電子警察系統(tǒng)導(dǎo)出進(jìn)口道車流量和排隊(duì)長(zhǎng)度，計(jì)算出飽和度。平均延誤時(shí)間公式如下：

式中：-綠信比;t-飽和度;p-進(jìn)口道車流量。

通過單車延誤計(jì)算公式計(jì)算各路口線控前后平均延誤，其中三個(gè)重要交叉口數(shù)據(jù)如表4。

通過對(duì)協(xié)調(diào)前后旅行時(shí)間和平均速度測(cè)試評(píng)價(jià)綠波帶運(yùn)行效果的好壞，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表5。

通過數(shù)據(jù)驗(yàn)證表明綠波實(shí)施后道路通行效率明顯提升，方案驗(yàn)證有效。

4 結(jié)語

本文通過智能時(shí)段劃分的綠波協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究，采用對(duì)交通時(shí)段的智能劃分算法與結(jié)合不固定速度綠波協(xié)調(diào)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，合理地解決了非協(xié)調(diào)方向擁堵、排隊(duì)溢出和交叉口之間通行能力不一致的問題，能夠有效減少車輛的道路通行時(shí)間以及主干道的通行效率。

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