（北方工業(yè)大學城市道路交通智能控制技術北京市重點實驗室，北京 100043）

城市交通擁堵日益嚴重，交通控制成為解決交通擁堵的快速有效的途徑之一，城市路網(wǎng)中交叉口之間息息相關，各個交叉口之間的交通狀況相互影響。人們采用“綠波帶”的形式對道路交通進行協(xié)調，取得了良好的效果。何永明[1]提出了采用模糊控制的方法設計城市交通綠波協(xié)調控制，將多路口的綠波帶劃分為若干個協(xié)調控制相位差優(yōu)化的雙路口子系統(tǒng)。通過子系統(tǒng)的逐級串聯(lián)，完成整個綠波干線上的相位差計算。該方法避免建立綠波帶內各路口的綜合模型，減少了模糊規(guī)則和計算量，避免了多路口綜合協(xié)調控制下的模糊規(guī)則爆炸問題，同時減少了多個路口控制機之間的數(shù)據(jù)交換。曲大義、萬孟飛[2]等提出了基于交通波理論的干線綠波協(xié)調控制方法，考慮到了城市干線各交叉口間的關聯(lián)性，運用交通波理論闡釋了干線車流排隊現(xiàn)象，揭示了大流量線控系統(tǒng)綠波交通產(chǎn)生的內在機理。從周期、相位相序、綠信比、相位差等4種控制參數(shù)入手，對干線綠波交通進行了優(yōu)化研究。吳中、張靜偉[3]提出基于路中變速的城市雙向綠波研究，通過在路段中設置最佳變速點，消除變速產(chǎn)生的交通波對交叉口的影響，并使綠波車流能夠以恒定的速度通過交叉口，提高了交叉口的安全性和通過能力。利用變速提示牌指示駕駛員變速的方法成本低可操作性強實施方便。但是“綠波帶”的協(xié)調是以犧牲支路的通行能力為基礎的，只能實現(xiàn)干線通行能力的提高，對整個路網(wǎng)的提升效果不高。為此，2016年，潘科[4]在綜合綠波控制的基礎上進一步拓展，提出子干線的概念，建立了基于子干線模型的干線雙向綠波帶優(yōu)化模型。并以此為基礎，將子干線模型綠波帶控制方法應用到路網(wǎng)中，設計了一種基于子干線模型的南北、東西向均有綠波效果的網(wǎng)絡綠波帶。王昊、姚東成[5]提出了約束可松弛的網(wǎng)絡綠波模型，可以通過松弛網(wǎng)絡外圈閉環(huán)約束條件，獲得網(wǎng)絡綠波控制模型的最優(yōu)解。但大多數(shù)學者的研究都未能解決區(qū)域綠波外圈約束問題。為此，本文采用“以線帶面”的控制策略，將區(qū)域路網(wǎng)劃分為若干條相交的干線，將干線綠波協(xié)調控制的方法拓展到區(qū)域路網(wǎng)中同時避開外圈閉環(huán)，以減少整體路網(wǎng)平均延誤為目標，對路網(wǎng)進行協(xié)調控制優(yōu)化，以緩解日益嚴重的交通擁堵問題。

1 研究對象

本文的研究對象為三條橫向干線和三條縱向干線組成的理想交通路網(wǎng)，共形成9個交叉口，如圖1所示。該路網(wǎng)也可拓展為實際復雜路網(wǎng)，具有普遍適用性。相位轉換如圖2所示。

圖1 理想交通路網(wǎng)圖

圖2 相位轉換圖

圖中每個交叉口相位為4相位分別為東西直行、東西左轉、南北直行、南北左轉。

2 控制策略

“以線帶面”控制策略是采用分解協(xié)調的控制思想，將復雜的網(wǎng)絡交通控制系統(tǒng)分解為多個干線交通控制，將干線交通控制的方法應用到網(wǎng)絡交通，降低了控制的難度。

“以線帶面”協(xié)調控制總體過程：

（1）根據(jù)交通流量和道路飽和度確定關鍵交叉口，此步驟依靠交通管理經(jīng)驗人為指定。

（2）根據(jù)道路交通流量和飽和度，將道路分級。

（3）按照道路等級依次設計協(xié)調路徑。

一般來說關鍵交叉口的協(xié)調等級為最高，注意在設計過程中不能出現(xiàn)“閉環(huán)”。

（4）合理優(yōu)化協(xié)調路徑的相位相序。

控制策略流程如圖3所示。

圖3 控制策略流程圖

以圖1交通路網(wǎng)為例：

（1）人為指定4號路口為關鍵交叉口。

（2）假設道路劃分等級。

第一等級：路段1→4→7和路段4→5→6；

第二等級：路段2→5→8；

第三等級：路段1→2→3、路段7→8→9、路段3→6→9。

（3）根據(jù)道路等級協(xié)調控制路徑。在協(xié)調過程中，對每一次協(xié)調都要檢查協(xié)調路徑是否形成閉環(huán)，以防止出現(xiàn)“鎖死”現(xiàn)象。首先對第一等級道路進行協(xié)調，把路段1→4→7和路段4→5→6設定為雙協(xié)調路徑進行協(xié)調。然后對第二等級道路進行協(xié)調，把路段2→5→8設定為雙協(xié)調路徑。最后對第三等級道路進行協(xié)調，為防止出現(xiàn)閉環(huán)，采用分段協(xié)調的方法，把路段2→3和路段8→9設定為單協(xié)調路徑進行協(xié)調。最終協(xié)調結果如圖4所示。1號、3號、6號、7號、9號為單協(xié)調交叉口，2號、4號、5號、8號為雙協(xié)調交叉口。以上關鍵交叉口、單協(xié)調交叉口、雙協(xié)調交叉口均為人為設定。

圖4 協(xié)調后理想交通路網(wǎng)圖

3 相位相序優(yōu)化

目前我國常用的相序方案多數(shù)都是基于單環(huán)結構，至少會有兩個方向的車流公用一個相位，但是由于城市道路交通流時空分布的不均衡性，公用相位中某一方向的車流必定不能有效使用該相位的全部綠燈時間。降低了該相位的綠燈時間使用效率[6]。故本文為提高綠燈時間的使用效率，采用NEMA雙環(huán)、雙段結構相位。

以上圖路網(wǎng)單環(huán)相位轉換圖為例，轉換為雙環(huán)結構示意如圖5所示。

圖5 雙環(huán)結構示意圖

NEMA相位中，任意調整位于同環(huán)、同段的兩個相位的時長和順序，完全不會對交叉口中其他相位的正常運行產(chǎn)生任何不良影響。故相對于傳統(tǒng)單環(huán)結構的配時方案，NEMA相位在處理相序和相位時長方面有著更高的靈活性[6]。雙環(huán)結構綠波如圖6所示。

圖6 雙環(huán)結構綠波示意圖

gi(i=1,2,3,4)為每個相位的綠燈時長，Δt為相位重疊時長，Δg為隔斷時間。可以根據(jù)交通流量的大小自由變換g1、g2或g3、g4的長度和，以節(jié)省交叉口車輛通行時間，提高通行效率。

4 相位差計算

相位差是指相鄰路口同一相位綠燈（或紅燈）起始時間之差，是由兩個相鄰路口之間的路段長度L和路段上行駛的實際車速v來決定的，相位差分為上行相位差ti,i+1和下行相位差ti+1,i，有：

式中：i——控制子區(qū)內的某個交叉口；i+1——與i路口相鄰的另一個路口；Li,i+1——從路口i到路口i+1之間的距離（m）；v——路段上實際車速（m/s）；n——整數(shù)；C——共同周期長（s）。

5 綠燈啟動時間協(xié)調［7］

（1）將含有關鍵路口的第一等級道路進行協(xié)調。以關鍵路口的綠燈啟動時間作為該協(xié)調路徑上相位啟動的基準時間，依次確定協(xié)調路徑上其他路口的綠燈啟動時刻。

（2）協(xié)調與（1）形成的協(xié)調路徑相交的交叉口。且除（1）的道路外等級最高。并將該交叉口對應的相位啟動時刻作為協(xié)調該路徑上其他交叉口相位啟動時間的基準時刻，同時將其生成的協(xié)調道路看作一個整體。

（3）協(xié)調與（2）生成的協(xié)調道路相交且協(xié)調等級最高的道路，并以該相交路口對應的相位啟動時刻作為基準時刻，依次確定協(xié)調帶上其他路口的啟動時刻，同時將其生成的協(xié)調道路看作一個整體。

（4）以此類推，直到協(xié)調完畢。

以圖1研究路網(wǎng)為例：

（1）4號交叉口為關鍵交叉口，包含4號交叉口的協(xié)調路徑有2個，分別為路徑1→4→7和路徑4→5→6，選取路徑1→4→7為主協(xié)調路徑，以4號交叉口相位啟動時刻作為基準時刻，分別確定1號交叉口和7號交叉口的相位啟動時刻。

（2）與協(xié)調路徑1→4→7形成4號關鍵交叉口的最高等級協(xié)調路徑為4→5→6，故以4號交叉口相位啟動時刻作為基準時刻對路徑4→5→6中5號、6號交叉口進行協(xié)調。

（3）與協(xié)調路徑4→5→6相交的最高等級協(xié)調路徑為2→5→8，交叉口為5號交叉口，故以5號交叉口的相位啟動時刻作為基準時刻對路徑2→5→8中2號、8號交叉口進行協(xié)調。

（4）與路徑2→5→8相交的路徑包括2→3和8→9，以2號交叉口和8號交叉口的相位啟動時刻為基準時刻，對3號交叉口和9號交叉口進行協(xié)調。至此，整個路網(wǎng)協(xié)調完畢。

6 驗證與仿真

本文采用vissim對試驗進行仿真驗證，仿真路網(wǎng)如圖7所示。

圖7 仿真路網(wǎng)

各交叉路口進口道流量均為800 pcu/h。各交叉口之間的距離相等，均為386 m。設計車速為50 km/h。采用交互式協(xié)調控制方式，公用周期為60 s。仿真結果如表1所示。

表1 不同策略方案車輛平均延誤表 單位：s

7 結語

本文采用“以線帶面”的控制策略，將干線綠波協(xié)調控制方法應用到交通路網(wǎng)上，以形成網(wǎng)絡綠波帶的控制策略。通過這種控制策略的協(xié)調控制方法與普通固定信號配時策略進行對比，對比結果顯示，采用“以線帶面”控制策略的平均延誤比普通固定配時策略的平均延誤低29%。由此可見，“以線帶面”的控制策略比普通固定配時更具有優(yōu)越性。