李海洋，曲大義，劉浩敏，賈彥峰

(青島理工大學 機械與汽車工程學院，青島 266525)

城市交通動態(tài)變化，具有不穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的交通管控方案對實時變化的交通具有感知能力不足、被動性、滯后性和不適應(yīng)性[1]，傳統(tǒng)手段無法對大規(guī)模數(shù)據(jù)進行實時處理，無法挖掘大數(shù)據(jù)對交通的重要價值，而交通大數(shù)據(jù)具有6V特征[2]，即Volume，Velocity，Variety，Veracity，Value，Visualization，因此考慮在大數(shù)據(jù)背景下對交叉口的時空協(xié)同優(yōu)化進行研究。

交叉口是城市路網(wǎng)的重中之重，為了緩解交叉口處的交通擁堵問題，需要對信號控制方案和渠化方案進行改善。在渠化方面，國內(nèi)外都形成了標準與手冊，如美國的 MUTCD 手冊、日本的《平面交叉路口的規(guī)劃與設(shè)計》、國內(nèi)的《城市道路平面交叉口規(guī)劃與設(shè)計規(guī)程》 《城市道路交通設(shè)計指南》等。

在信號方面，單點交叉口配時計算大多采用Webster計算方法，AKCELIK在此基礎(chǔ)上，引入了“停車補償系數(shù)”，對Webster方法進行了相關(guān)修正[3]。YUE Tong等提出以延誤最小為目標的隨機規(guī)劃模型，對交叉口進行自適應(yīng)控制[4]。英國的交通與道路研究所(TRRL)研發(fā)的TRANSYT系統(tǒng)能夠脫機優(yōu)化，SCOOT系統(tǒng)能夠優(yōu)化信號周期及相位差，實現(xiàn)自適應(yīng)控制；澳大利亞的SCATS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實時控制、自適應(yīng)控制。

國內(nèi)馬萬經(jīng)等提出了以4類損失時間最少為目標的優(yōu)化模型，得出不同情況下的最優(yōu)相位設(shè)計方案[5]；高云峰等建立了以交叉口車輛的平均延誤、平均停車率、最大相對排隊長度為目標的多目標優(yōu)化模型[6]；康佳黎提出了多相位模糊控制方法，并設(shè)計了四相位模糊控制器，將模糊自動控制方法和傳統(tǒng)方法進行了仿真對比[7]；曲大義等提出了對干線周期、相位相序、綠信比進行優(yōu)化的策略[8];韓樂濰等結(jié)合模糊控制理論，設(shè)計了緩堵信號配時優(yōu)化策略[9]。

綜上所述，已有研究成果更多的是對交叉口時間或空間單方面的理論和模型進行挖掘和改進，在進行優(yōu)化時，沒有充分利用現(xiàn)有交通大數(shù)據(jù)，且缺乏考慮在交叉口處進行時空的協(xié)同優(yōu)化。因此考慮利用交通大數(shù)據(jù)，進一步對交叉口進行時間、空間協(xié)同優(yōu)化。

1 時空協(xié)同優(yōu)化思路

利用在各交叉口及路段的傳統(tǒng)檢測器、電警卡口、多目標雷達以及城市監(jiān)控等前端設(shè)備，對動態(tài)和靜態(tài)交通數(shù)據(jù)進行采集。將前端設(shè)備采集來的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、計算、分析與挖掘，之后進行相關(guān)交通參數(shù)的提取，再進行路段干擾分析、車輛運行分析、交通規(guī)劃分析，在對交叉口不進行大改大建的前提下，從時、空兩方面入手，進行交叉口的渠化改造和配時優(yōu)化，總體優(yōu)化思路框架如圖1所示。

圖1 交叉口時空協(xié)同優(yōu)化思路框架

2 基于交通大數(shù)據(jù)的參數(shù)提取

數(shù)據(jù)是交通優(yōu)化的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)的質(zhì)量和采集、處理方式直接影響到整體效果。因此需要對交通大數(shù)據(jù)進行參數(shù)提取及分析。根據(jù)大數(shù)據(jù)分析的技術(shù)流程，主要涉及大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)源、預(yù)處理、管理存儲、系統(tǒng)計算、分析挖掘、表達展現(xiàn)等，如圖2所示。交通數(shù)據(jù)經(jīng)過處理分析后，再結(jié)合交通運行的基本特點，對于優(yōu)化交通控制具有非常重要的意義。

圖2 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)流程

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在交叉口和路段上，利用電警探頭、反向卡口等前端監(jiān)控設(shè)備，獲取車道類型、渠化方式以及交通設(shè)施等信息，分車道實時獲取交通現(xiàn)象；結(jié)合傳統(tǒng)檢測器，高精度、高準確率地獲取車流量、時間占有率、車速、密度、車輛坐標等數(shù)據(jù)。

但前端設(shè)備直接獲取得到的數(shù)據(jù)常常存在數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)異常、數(shù)據(jù)矛盾以及數(shù)據(jù)噪聲等問題，所以需要進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，使數(shù)據(jù)具有高質(zhì)量，能夠更加準確、集成和直觀。預(yù)處理時主要進行數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。

1) 數(shù)據(jù)集成：清除冗余數(shù)據(jù)，按照特定規(guī)則對數(shù)據(jù)分類，并將所有數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫或文件中，以形成完整的數(shù)據(jù)。

以平度市杭州路-青島路交叉口的電警卡口數(shù)據(jù)為例，在集成時，考慮車輛牌號、車輛類型、經(jīng)過時間、行駛方向、車道號，忽略車輛顏色、車輛品牌等與研究無關(guān)的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)集成如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)集成

2) 數(shù)據(jù)清洗：將數(shù)據(jù)進行精確度分析和數(shù)據(jù)變換，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。①去除夜間低峰期數(shù)據(jù)。電子警察每天24 h不間斷采集數(shù)據(jù)，但由于技術(shù)原因，夜間識別正確率較低，且分析夜間低峰期的意義不大。因此，清洗掉21：00至次日6：00的數(shù)據(jù)。②清洗無車牌數(shù)據(jù)。電警卡口數(shù)據(jù)表中存在部分無車牌數(shù)據(jù)，原因可能為車輛本身無牌照或牌照不完整、存在遮擋或光線問題無法識別、重復(fù)識別等，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)表示意

3) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化：通過離散化、分層化、標準化等方法使數(shù)據(jù)更加規(guī)范、統(tǒng)一，更加適合分析處理。

數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后，還需要進行完整性、一致性、有效性、 準確性、時效性的評估。本文對車牌識別準確率、經(jīng)過時間準確率和流量準確率做了評估，其質(zhì)量和準確性是可靠的。

2.2 參數(shù)提取

交通流特征參數(shù)是用來進行交通運行評價和交通管控的重要信息。對預(yù)處理后的交通數(shù)據(jù)進一步研究，可提取流量比、排隊長度、平均延誤等參數(shù)，用于后續(xù)的協(xié)同優(yōu)化分析。

2.2.1 流量比提取

根據(jù)視頻錄像和電警卡口數(shù)據(jù)文件，能夠確定車輛經(jīng)過車道的方向及該方向的流量，將其折算成小時交通量，其與交叉口飽和流量之比即為流量比：

(1)

式中：yi為流量比；qi為i車道的實際交通量；si為該車道的飽和流量。

2.2.2 排隊長度提取

在交叉口處，定義速度小于5 km/h時進入排隊，速度大于10 km/h時或兩車間距大于20 m時退出排隊，以此可以得到排隊長度。由視頻錄像及電警卡口數(shù)據(jù)提取的杭州路-青島路交叉口早高峰部分時段排隊長度數(shù)據(jù)如圖4所示。

2.2.3 平均延誤提取

由交叉口間距l(xiāng)i,i+1與設(shè)計車速v之比可確定理想狀態(tài)下的行程時間t0：

(2)

經(jīng)過兩相鄰交叉口的實際行程時間ti,i+1可由電警卡口數(shù)據(jù)得到。由理想狀態(tài)下的行程時間t0、經(jīng)過兩相鄰交叉口的實際行程時間ti,i+1以及通過車輛數(shù)n可求得平均延誤t：

(3)

3 交通現(xiàn)狀分析

杭州路-青島路交叉口是平度市城區(qū)干道交匯的交叉口，通過對其進行現(xiàn)狀調(diào)查分析可知，杭州路北段道路寬度較窄，路段上車輛較多且運行干擾嚴重，早高峰期間北進口經(jīng)常出現(xiàn)交通擁堵；青島路受市民服務(wù)中心及早高峰西行上班因素影響，東進口直行和左轉(zhuǎn)車輛經(jīng)常出現(xiàn)較長排隊，東進口壓力較大。因此該交叉口早高峰期間，北進口與東進口經(jīng)常出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象。

根據(jù)交叉口大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，能夠發(fā)現(xiàn)：7：00—8：20東向西、東向南車流較多，交通壓力大；8：00—8：30北向南交通壓力顯著增大，同時東進口壓力仍在；8：30—9：00交叉口4個方向排隊壓力減小且比較均衡。

經(jīng)調(diào)查，該交叉口交通量如表2所示，具體信號配時方案如表3所示，渠化現(xiàn)狀如圖5所示，針對現(xiàn)有交通問題，進行時空協(xié)同優(yōu)化。

表2 杭州路-青島路交叉口早高峰交通量 pcu/h

表3 杭州路-青島路交叉口現(xiàn)狀信號配時方案

圖5 渠化現(xiàn)狀示意

4 時空協(xié)同優(yōu)化

依照傳統(tǒng)方法對交叉口進行優(yōu)化時，大多將渠化和信號配時方案分開進行優(yōu)化或只改進二者之一，缺乏將時間和空間兩個維度進行協(xié)同考慮。為了盡可能發(fā)揮時間、空間兩個維度優(yōu)化的效果，因此將渠化和信號優(yōu)化組合考慮，進行協(xié)同優(yōu)化。

4.1 渠化改進

經(jīng)過交通特性分析，明確現(xiàn)有渠化問題，對交叉口進口道、標志標線、人行道、待行區(qū)等進行相應(yīng)改進，以改善現(xiàn)有交通情況。

1) 非機動車與行人過街設(shè)計。平度城區(qū)道路機非混行問題較為突出，可將非機動車與行人一體化處理。非機動車與行人以相同的方式過街，在人行橫道前設(shè)置橫向非機動車道，避免非機動車與行人混行產(chǎn)生沖突。左轉(zhuǎn)的非機動車，由一次性長距離跨越交織區(qū)改為兩次短距離直行。

2) 進口道優(yōu)化。對于交叉口進口道過窄，可酌情進行拓寬處理；對于右轉(zhuǎn)車輛較多，可設(shè)置右轉(zhuǎn)專用道，并設(shè)置渠化島加以引導(dǎo)和分流；對于進口道劃線不合理，可根據(jù)實際流量重新劃分車道功能；對于交通流分布及轉(zhuǎn)向不均情況，可計算協(xié)同性和不均衡性系數(shù)，設(shè)置可變車道和潮汐車道[10]。

將杭州路-青島路東進口車道功能重新劃分，將原先的專左、直行、直右、非機動車道，改為專左、直左、直右、專右4車道，并將非機動車道改至原人行道處，原人行道改為非機動車與行人共用，這樣即從空間上隔離了非機動車與機動車，同時又增加了東進口通行能力。

3) 左轉(zhuǎn)交通優(yōu)化。針對交叉口左轉(zhuǎn)車輛較多，左轉(zhuǎn)通行效率不高的現(xiàn)狀，可以增加專左或直左車道，設(shè)置左轉(zhuǎn)待行區(qū)。左轉(zhuǎn)待行區(qū)在交叉口內(nèi)部，幾乎利用到了對向左轉(zhuǎn)專用道的寬度。這樣每個周期能夠通過的左轉(zhuǎn)車輛更多，不僅提高了左轉(zhuǎn)效率，并且使得后續(xù)尾隨前車左轉(zhuǎn)的車輛更為連續(xù)。

按照上述3條渠化措施綜合改善后，杭州路-青島路交叉口如圖6所示。

圖6 改善后的渠化示意

4.2 信號控制優(yōu)化

在進行單點交叉口信號控制優(yōu)化設(shè)計時，采用Webster計算方法，在渠化改善的基礎(chǔ)上進行與之協(xié)同的信號優(yōu)化，盡可能地緩解擁堵問題，減少延誤。

1) 周期時長計算。以不阻塞為函數(shù)最優(yōu)解的Webster周期計算方法[11]如下。

目標函數(shù)：

(4)

最優(yōu)解：

(5)

式中：q1為干線道路方向的最大交通量；q2為支線道路方向的最大交通量；d1為干線道路方向駛出率；d2為支線道路方向駛出率；C0為信號周期；ls為總損失時間；Yi為交叉口i的總流量比。

2) 綠燈時間計算。根據(jù)Webster算法，遵循最佳配時方案使車輛延誤指標最小的原則，計算方法為

(6)

式中：g1，g2分別為第1和第2相位的有效綠燈時間；y1，y2分別為這兩個相位的流量比。

4.3 與渠化協(xié)同的信控方案設(shè)計

通過上述方法可確定信控方案的周期和綠信比，針對渠化上對于行人與非機動車和左轉(zhuǎn)優(yōu)化的方案，進行協(xié)同設(shè)計。方案設(shè)計時，經(jīng)過相關(guān)修正及對現(xiàn)狀考慮，同時精細化考慮流量的變化情況，在早高峰時段設(shè)置定周期多時段方案，具體方案設(shè)計如下：

1) 對于行人和非機動車的信號，原先方案只有行人信號，非機動車跟隨機動車信號放行，現(xiàn)重新進行改善設(shè)計。由于在渠化上將行人與非機動車一體化考慮，因此在信號上，非機動車也按照行人信號通行。

2) 交叉口設(shè)置了左轉(zhuǎn)待行區(qū)，為了使信號控制與渠化提升的通行能力相匹配，現(xiàn)提升左轉(zhuǎn)相位綠信比，同時對左轉(zhuǎn)信號進行搭接，相位搭接后的配時方案從原先的4階段變?yōu)楝F(xiàn)在的6階段。

3) 考慮到渠化方案和交通現(xiàn)狀，進行精細化配時，在早高峰期間設(shè)置3套信控方案。方案1：在7：00—7：40，壓縮西進口和南北方向綠信比，提高東進口的綠信比，同時設(shè)置搭接相位，緩解東進口左轉(zhuǎn)壓力；方案2：在7：40—8：30，由于北進口和東進口壓力同時增大，因此對東側(cè)青島路-濱河西路交叉口采取截流，適當減少東進口排隊車輛，增加北進口綠信比，緩解高峰期北進口突增流量造成擁堵嚴重問題；方案3：在8：30—9：00均衡路口4個方向排隊，減輕擁堵。

經(jīng)過以上3個方面的考慮，可確定出優(yōu)化后的方案，具體如表4所示。

表4 杭州路-青島路交叉口優(yōu)化后信號配時方案

5 仿真試驗分析

5.1 仿真設(shè)計

根據(jù)杭州路-青島路交叉口交通流特性，將該交叉口渠化和信號優(yōu)化后的方案運用Vissim仿真軟件進行仿真試驗。

按照上文渠化改進的非機動車和行人過街設(shè)計、進口道優(yōu)化設(shè)計、左轉(zhuǎn)交通優(yōu)化設(shè)計進行交叉口建模，輸入優(yōu)化后的3種信號控制方案，結(jié)合實際交通量資料，對時空協(xié)同優(yōu)化后的方案進行仿真。仿真結(jié)束后，將反映交通運行狀況的參數(shù)指標輸出，對比分析仿真試驗的數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。

5.2 參數(shù)分析

運用Vissim仿真軟件對杭州路-青島路交叉口的優(yōu)化方案進行仿真試驗，輸出車流量、平均停車次數(shù)、平均排隊長度、平均延誤等參數(shù)，將仿真試驗的數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進行對比分析與評價，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表5 仿真數(shù)據(jù)匯總

從表5可以看出，經(jīng)過優(yōu)化，交叉口各進口道的參數(shù)指標總體上大都有不同程度的改善。西進口雖然通過的車輛數(shù)下降了5%，但其他各項參數(shù)指標都有一定的提升，具有一定的優(yōu)化效果。南進口現(xiàn)狀交通狀況較良好，在此基礎(chǔ)上又進行了小幅度優(yōu)化，進一步提升交通效率。北進口和東進口各項指標提升幅度較大，車流量、平均停車次數(shù)、平均排隊長度、平均延誤提升了10%～20%，優(yōu)化效果較為明顯。

綜上所述，經(jīng)過優(yōu)化后交叉口車流量雖然有較大幅度的增加，但沒有使得交叉口變得更為擁堵，各項參數(shù)指標也有明顯提升，說明交叉口的整體通行效率得到了提升，基本達到了優(yōu)化目的。因此，將渠化改善方案和精細化控制的信控方案相結(jié)合的時空協(xié)同優(yōu)化方法能夠較為有效地提高杭州路-青島路交叉口交通運行效率。

6 結(jié)束語

以平度市杭州路-青島路交叉口為研究對象，對獲取的交通大數(shù)據(jù)充分進行分析和挖掘，精準剖析現(xiàn)有交叉口存在的問題，找出交叉口交通流的運行特征。針對交叉口交通現(xiàn)狀，從時間、空間兩個維度進行優(yōu)化，改善交叉口渠化，設(shè)計與渠化相協(xié)同的配時方案，同時精細化考慮交通流的變化，進行定周期多方案優(yōu)化。最后通過Vissim仿真試驗驗證，對比分析優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)參數(shù)，驗證了提出的時空協(xié)同優(yōu)化方法能夠改善交通現(xiàn)狀，實現(xiàn)交叉口的更優(yōu)化控制。