張佳良

摘 要：當(dāng)前，人們出行需求日益旺盛，城市道路的壓力與日俱增，對(duì)交通系統(tǒng)的建模和控制是避免交通擁堵和減少交通事故的關(guān)鍵。在車路協(xié)同環(huán)境下，智能交通系統(tǒng)，特別交叉口的車輛通行控制方法已經(jīng)成為各國(guó)的研究重點(diǎn)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，產(chǎn)生了諸如美國(guó)的智能駕駛，歐盟的智能交通系統(tǒng)。智能交通系統(tǒng)基于先進(jìn)的傳感器和信息通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車輛與車輛、車輛與道路之間的信息交互，保證車輛在復(fù)雜的交通環(huán)境下的行駛安全，對(duì)道路交通實(shí)施主動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：城市道路;交叉口;交通改善設(shè)計(jì)

0 引言

近年來(lái)，隨著城市經(jīng)濟(jì)、社會(huì)持續(xù)快速發(fā)展，市民機(jī)動(dòng)車擁有量的增加及機(jī)動(dòng)化出行比例居高不下，交通擁堵問(wèn)題已成為城市發(fā)展進(jìn)程中不可回避的基礎(chǔ)性問(wèn)題，尤其是高峰時(shí)段中心城區(qū)的交叉口多處于飽和狀態(tài)，車輛運(yùn)行速度較低，交通擁堵造成車輛出行延誤增大、速度降低，而車輛在低速行駛環(huán)境下較常態(tài)行駛?cè)加拖牧吭龃螅廴疚锱欧帕吭龆?。交通擁堵容易誘發(fā)交通事故，而事故的發(fā)生又加劇擁堵，形成惡性循環(huán)，交通擁堵加劇，導(dǎo)致巨額經(jīng)濟(jì)損失，制約城市經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。交叉口是整個(gè)路網(wǎng)中通行能力與交通安全的瓶頸，城市道路的交通運(yùn)行狀況與交叉口的運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)，提高城市道路交叉口通行能力是解決城市交通問(wèn)題的關(guān)鍵。

1 控制模式

目前智能無(wú)信號(hào)交通控制方式主要分為中央控制站控制模式和車車協(xié)同控制模式，本文采用中央控制站控制模式，中央控制站控制模式中車輛主要和路側(cè)智能設(shè)備進(jìn)行通信，避免了不同車輛之間的大量信息交互，從而在一定程度上降低了系統(tǒng)對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的要求。無(wú)信號(hào)交叉口控制系統(tǒng)主要由3部分組成：1）自治車輛：當(dāng)具有智能車載系統(tǒng)的車輛進(jìn)入路口感應(yīng)區(qū)域時(shí)，車輛能夠?qū)⒆陨頎顟B(tài)信息實(shí)時(shí)發(fā)送給智能路側(cè)系統(tǒng)，并且能夠?qū)崟r(shí)接收智能路側(cè)系統(tǒng)的指令信息。2）智能路側(cè)單元：作為交叉口的“大腦”，與交叉口區(qū)域內(nèi)的自治車輛進(jìn)行信息交互，獲取車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息;路側(cè)單元基于所構(gòu)建模型，利用優(yōu)化算法，得到最優(yōu)車輛通行序列，實(shí)時(shí)向車輛分配交叉口各個(gè)區(qū)域的使用權(quán)，引導(dǎo)車輛通過(guò)交叉口。3）協(xié)同信息交互系統(tǒng)：自治車輛和智能路側(cè)系統(tǒng)的信息傳輸載體。

2 基于仿真技術(shù)的信號(hào)交叉口綜合待行區(qū)設(shè)置分析

綜合待行區(qū)的作用發(fā)揮具有一定設(shè)定條件，并非所有的交叉口都能設(shè)置綜合待行區(qū)，滿足設(shè)置條件的綜合待行區(qū)才能挖潛交叉口潛在的道路空間，提升進(jìn)口道通行能力，改善交叉口的交通運(yùn)作效率。根據(jù)仿真研究得出，綜合待行區(qū)設(shè)置條件主要包括4個(gè)方面：一是交叉口類型為大型十字信號(hào)交叉口，且進(jìn)口道必須有各自的專用車道及信號(hào)相位供該方向車流使用;二是交叉口高峰期交通流量較大，通行能力有限，飽和度達(dá)到0.85以上，服務(wù)水平高達(dá)為E級(jí)甚至F級(jí)，車輛出現(xiàn)二次甚至多次排隊(duì)現(xiàn)象，若流量較小，提升通行能力的空間有限;三是進(jìn)口道長(zhǎng)度能夠施劃綜合待行區(qū)，且預(yù)停車線的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度不能倒灌至上一個(gè)交叉口;四是綜合待行區(qū)車道數(shù)應(yīng)不大于出口道數(shù)，避免出口產(chǎn)生交通瓶頸，影響交叉口內(nèi)的車流正常運(yùn)行。由于綜合待行區(qū)的設(shè)置要求條件較高，且實(shí)施效果與設(shè)置長(zhǎng)度、交通流量、信號(hào)控制等因素緊密相關(guān)。

3 考慮轉(zhuǎn)向延誤的最短路徑的節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)算法

最短路徑算法是交通運(yùn)輸工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的算法之一，是智能交通分配、交通規(guī)劃和交通控制的基礎(chǔ)算法。最短路徑算法評(píng)估一條路徑是否為最短路徑的度量衡是該路徑的代價(jià)，一般為該路徑花費(fèi)的時(shí)間，或者該路徑的其他成本。一般的最短路徑算法在計(jì)算路徑代價(jià)時(shí)僅考慮路段的阻抗，這種情況對(duì)公路是適用的，因?yàn)楣仿范伍L(zhǎng)度大而節(jié)點(diǎn)較少，路徑的路段行程時(shí)間一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于節(jié)點(diǎn)消耗的時(shí)間，因而車輛的交叉口延誤可以忽略。但是城市道路路段長(zhǎng)度一般較短，交叉口數(shù)量多，交叉口作為城市道路網(wǎng)絡(luò)中通行能力的瓶頸嚴(yán)重影響交通流的運(yùn)行，擁堵情況下車輛在交叉口處花費(fèi)的時(shí)間甚至可能超過(guò)在相鄰路段的行駛時(shí)間。因此，應(yīng)用于城市路網(wǎng)的最短路徑算法應(yīng)該考慮交叉口延誤。首先間接法。間接法對(duì)原始網(wǎng)絡(luò)按照一定規(guī)則進(jìn)行變換，將轉(zhuǎn)向延誤和限制直接體現(xiàn)在變換網(wǎng)絡(luò)中，然后在變換網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算最短路徑，最后基于變化規(guī)則逆向轉(zhuǎn)換在變化網(wǎng)絡(luò)中得到的最短路徑，輸出原始網(wǎng)絡(luò)的最短路徑，包括擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)法、對(duì)偶網(wǎng)絡(luò)法等。其次是直接法。直接法從算法本身入手，將轉(zhuǎn)向延誤通過(guò)節(jié)點(diǎn)或者弧的鄰接關(guān)系直接表達(dá)和求解，主要包括弧標(biāo)號(hào)算法、節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)算法等。節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)算法與弧標(biāo)號(hào)算法基本相同，通過(guò)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)集分別儲(chǔ)存已確定最短路徑的節(jié)點(diǎn)和剩余其他的節(jié)點(diǎn)，并對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置距離標(biāo)號(hào)和緊前節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)，通過(guò)起點(diǎn)層層向外擴(kuò)展直至到達(dá)終點(diǎn)。唯一的不同之處是節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)算法在每一步的循環(huán)中掃描的是節(jié)點(diǎn)而不是弧。

4 考慮交叉口延誤的交通微循環(huán)路網(wǎng)優(yōu)化

國(guó)內(nèi)外針對(duì)城市交通微循環(huán)的研究主要分為2方面：①對(duì)交通微循環(huán)基本原理的研究：C.P.MICHAEL分析了小區(qū)域內(nèi)的交通微循環(huán)系統(tǒng)，指出提高路網(wǎng)支路密度，能有效提高路網(wǎng)可達(dá)性，交通微循環(huán)系統(tǒng)所能發(fā)揮的效益大小也與支

路網(wǎng)密度成正比;W.CHRISTOPHER等研究得出，進(jìn)行交通微循環(huán)交通組織優(yōu)化設(shè)計(jì)能有效減緩交通擁堵，并以交通微循環(huán)系統(tǒng)特征為依據(jù)，提出特殊的交通微循環(huán)空間組織模式;②基于交通微循環(huán)理論進(jìn)行路網(wǎng)優(yōu)化，通過(guò)組織交通微循環(huán)改善街區(qū)交通情況。然而，車輛在路網(wǎng)上行駛所產(chǎn)生的總延誤中，交叉口延誤所占比例高達(dá)80%，但大多數(shù)已構(gòu)建的交通微循環(huán)理論模型缺少對(duì)交叉口的分析。構(gòu)建交通微循環(huán)系統(tǒng)，必須要解決微循環(huán)道路選擇和已選擇道路改造深度2個(gè)問(wèn)題。針對(duì)這2個(gè)問(wèn)題，筆者建立了考慮交叉口延誤的交通微循環(huán)路網(wǎng)優(yōu)化雙層模型，該模型由一個(gè)上層模型和一個(gè)下層模型組合而成。上層模型以路網(wǎng)平均行程速度最大為目標(biāo)，以路段飽和度、通行能力和投資額度為約束條件，建立非線性約束模型，從備擇道路中選擇構(gòu)成交通微循環(huán)系統(tǒng)的道路，并確定選取道路的改建程度;下層模型將交叉口延誤與路段行駛時(shí)間結(jié)合，構(gòu)造阻抗函數(shù)，并以路網(wǎng)總阻抗為目標(biāo)函數(shù)，在滿足上層模型約束條件的前提下，進(jìn)行路網(wǎng)交通平衡分配。上層模型的決策變量為備擇道路集中各道路改造后通行能力，下層模型的決策變量為各出行者路徑選擇。上層模型管理者在選擇決策變量的過(guò)程中，需要考慮上層模型目標(biāo)函數(shù)和約束條件的影響，還需兼顧下層模型出行需求最優(yōu)解的制約，所選擇的決策變量還會(huì)影響下層模型出行者的行為選擇;同時(shí)，下層問(wèn)題出行者路徑選擇的決策也受上層模型約束條件的約束。通過(guò)多次管理者決策與出行者行為選擇，使上下層目標(biāo)函數(shù)均得到最優(yōu)解，此時(shí)路網(wǎng)運(yùn)行效率最佳。交通微循改造的目標(biāo)，是通過(guò)布設(shè)交通微循環(huán)系統(tǒng)，使部分交通需求通過(guò)交通微循環(huán)路網(wǎng)穿越，躲避擁堵干路，提高路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

智能交通是未來(lái)交通系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，車路協(xié)同技術(shù)是發(fā)展智能交通系統(tǒng)的重要一環(huán)，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)自治車輛和智能路側(cè)設(shè)備之間的協(xié)同關(guān)系，確保交通系統(tǒng)的安全高效。

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