張立立 姚迪 王芳 李晶 趙琦 于沛

0 引言

作為理論與技術(shù)創(chuàng)新應用的重要領(lǐng)域,城市道路交通長期得到國內(nèi)外學者的關(guān)注,其中城市道路交通控制作為保障居民出行安全、出行效率和出行舒適度的主要措施更是成為該領(lǐng)域研究的重點[1]．智能交通控制系統(tǒng)是實現(xiàn)先進交通控制算法、緩解交通擁堵的重要支撐[2]．以SCATS[3]、SCOOT[4]為代表的國外交通控制系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展幾十年,并已廣泛應用．國內(nèi)智能交通控制系統(tǒng)的研究主要集中在控制方法層面,形成了三類典型交通控制研究方向:以現(xiàn)代控制理論為基礎,以交叉口為被控對象構(gòu)建數(shù)學模型,利用控制理論中的經(jīng)典方法進行控制被稱為基于模型的交通控制[5-7];交通系統(tǒng)的復雜性導致以交叉口為核心的被控對象的數(shù)學模型難以有效構(gòu)建,所以數(shù)據(jù)驅(qū)動的思想被引入交通控制領(lǐng)域,即利用系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)實現(xiàn)控制與決策[8-9];城市交通控制的建模復雜性、數(shù)據(jù)種類和規(guī)模豐富性和交通擁堵的迫切性為人工智能技術(shù)的應用提供了場景支撐,基于人工智能的交通控制理論與方法被提出并逐漸成為主流[10-11]．考慮到道路交通的“時間線上‘車占用物理空間’這一‘實體資源問題’”[12]從未改變的本質(zhì)情況,城市道路交通控制歸根到底是一個對道路時空資源分配的控制問題．上述三類典型交通控制大多建立在傳統(tǒng)被動交通控制理論基礎上,以相位、周期、綠信比為變量進行交通流的被動適應性控制,難以實現(xiàn)對道路時空資源的有效分配．為此,以提前性、預防性和主動性為特點,以預測交通流作為未來控制方案的研究對象,根據(jù)交通流形態(tài)實現(xiàn)控制策略的理念,研究人員提出了主動交通控制的概念[13-14]．

主動交通控制大多處在理論研究層面,實際系統(tǒng)開發(fā)和應用層面較少[15-16]．基于傳統(tǒng)被動交通控制的系統(tǒng)如HT-UTCS系統(tǒng)[17]采用三級分布式控制(點線面),為方案生成+專家系統(tǒng)式的自適應控制系統(tǒng);Intelliffic系統(tǒng)[18]提供實時方案選擇的控制策略形式．隨著車路協(xié)同等技術(shù)的發(fā)展,基于傳統(tǒng)交通控制理論設計和研發(fā)的被動交通控制系統(tǒng)已難以適應交通管控需求,采用控制變量更為豐富的主動交通控制系統(tǒng)被廣泛關(guān)注．基于此,本文研究和開發(fā)主動交通控制系統(tǒng),以平行仿真、云計算、邊緣計算等技術(shù)為基礎設計系統(tǒng)各部分功能,并研究了采用時空資源分配的主動交通控制模型．

1 主動控制系統(tǒng)

1.1 主動控制系統(tǒng)架構(gòu)

城市道路主動交通控制系統(tǒng)(Urban Traffic Active Control,UTAC)對控制、仿真和計算具有較高要求,為此在設計系統(tǒng)時構(gòu)建了4個子系統(tǒng),包括實時控制子系統(tǒng)、實時仿真子系統(tǒng)、可視化軟硬件在環(huán)子系統(tǒng)和云-邊-端支撐子系統(tǒng),如圖1所示．

圖1 UTAC主動控制系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of urban traffic active control system

1)在設計控制與仿真子系統(tǒng)時借鑒了平行系統(tǒng)理論的理念和國內(nèi)部分城市交通管理者的需求,實時仿真子系統(tǒng)提供了對新型控制策略和交通管理理念的快速實現(xiàn)、驗證和優(yōu)化,實時控制系統(tǒng)提供了對于被驗證控制策略的現(xiàn)場執(zhí)行,并通過可視化軟硬件在環(huán)系統(tǒng)有效地連接了實時控制子系統(tǒng)與實時仿真子系統(tǒng)．

2)可視化軟硬件在環(huán)系統(tǒng)作為橋梁和展示的途徑為管理者和研究人員提供了解城市道路交通的宏觀視角．其中實時控制子系統(tǒng)和實時仿真子系統(tǒng)是UTAC的基礎,可視化軟硬件在環(huán)系統(tǒng)可以模擬控制策略和交通狀態(tài),所采用的數(shù)據(jù)可以是現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù),使它成為現(xiàn)實交通的一種映射;同時也可以采用實時仿真子系統(tǒng)的數(shù)據(jù),使可視化軟硬件在環(huán)系統(tǒng)成為仿真交通的一種呈現(xiàn)．城市交通的管理者,可以在宏觀的視角發(fā)現(xiàn)和甄別交通控制效果,也可以構(gòu)建不同的交通場景測試新型的控制策略．

3)云-邊-端支撐子系統(tǒng),利用虛擬化技術(shù)提供具有彈性的存儲、計算和信息安全能力,尤其系統(tǒng)還設計了GPU資源,可以為人工智能技術(shù)的應用提供算力支持．邊緣計算是作為支撐未來城市道路交通關(guān)鍵節(jié)點被設計的,主要是提供信息安全和現(xiàn)場計算的能力.需要說明的是未來城市交叉口將是自動駕駛、車聯(lián)網(wǎng)、公共交通、移動出行等各類交通場景數(shù)據(jù)匯聚的關(guān)鍵節(jié)點,因此提供邊緣側(cè)的信息安全與計算能力是非常重要的．

1.2 實時控制子系統(tǒng)

不同于歐美等發(fā)達國家,中國交通出行需求具有地域特點,機動車為主和非機動車與機動車混合的交通出行方式同時存在．為此UTAC中的實時控制子系統(tǒng)也充分考慮到這一特點,提供多種被控對象和控制目標的選擇,并且根據(jù)這一特點可能出現(xiàn)的交通需求情況,設計了兩類控制算法庫:一類為傳統(tǒng)交通控制算法,如干線綠波控制、單點自適應控制、防溢流控制、多時段定時控制和特殊燈色控制等控制算法;另一類是主動控制算法．控制策略是支持多種檢測數(shù)據(jù)類型的,包括地磁檢測器、廣域雷達檢測器、視頻檢測器和浮動車檢測器,考慮到評估的重要性還設計了失衡指數(shù)、飽和指數(shù)等評價指標集合以提供更直觀和合理的控制策略評價反饋．并且系統(tǒng)提供VPN在線升級與備份和信號控制配時方案數(shù)據(jù)的校驗保護機制,其中在線升級的設計靈感來源于智能手機的在線升級設計和中國部分城市交通管理部分在以往的系統(tǒng)升級中出現(xiàn)的各類問題和經(jīng)驗,信號控制配時方案數(shù)據(jù)的校驗保護機制的設計能有效阻止因為工作人員疏忽和不專業(yè)出現(xiàn)配時方案異常導致的交通安全問題,如圖2所示．

1.3 實時仿真子系統(tǒng)

實時仿真子系統(tǒng)[19]以快速分析和驗證新型的信號控制策略為目標,因此不同于微觀仿真軟件VISSIM、PARAMICS和宏觀規(guī)劃仿真軟件TransModeler[20],它以中觀視角的交通流為仿真主體,主要仿真交通流在控制策略影響下的結(jié)果,以此來促進控制策略的迭代優(yōu)化．為了實現(xiàn)在仿真時交通流的可視化、交通流的動力學參數(shù)標定和路網(wǎng)基礎參數(shù)標定等任務,仿真驅(qū)動引擎的設計參考了SUMO仿真軟件[21]．

圖3 實時交通仿真系統(tǒng)Fig.3 Real-time traffic simulation system

仿真參數(shù)自動標定:在設計該實時仿真子系統(tǒng)時主動忽略了單個車輛的動力學特性和基于人工的仿真參數(shù)標定,并且該系統(tǒng)采用檢測器數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)自動標定包括靜態(tài)數(shù)據(jù)(道路屬性:道路長度、車道寬度、交叉口形狀等)和動態(tài)數(shù)據(jù)(車型比例、車速分布、轉(zhuǎn)向比例、車頭時距等),同時交通流特性和跟馳特性基于歷史檢測數(shù)據(jù)累積,實時檢測數(shù)據(jù)修正得到．

先進控制策略的實現(xiàn):實時仿真子系統(tǒng)提供了針對新的控制策略開發(fā)的良好支持．將檢測數(shù)據(jù)封裝為標準的輸入輸出變量,將信號控制、車輛、可變標志等定為控制變量保存在數(shù)據(jù)庫中．針對不同的場景設計控制策略,利用平行仿真架構(gòu)實現(xiàn)實時仿真子系統(tǒng)與實時控制子系統(tǒng)的交互,當新的控制策略被證明為可靠時,可以直接推送到實時控制子系統(tǒng)中,并在恰當?shù)臅r機開始在現(xiàn)實的環(huán)境中執(zhí)行．

2 基于時空資源分配的主動控制模型

從道路交通時間線上“車占用物理空間”這一實體資源問題出發(fā),城市道路交通控制歸根結(jié)底是一個對道路時空資源分配的控制問題．以廣義交通控制理念為核心,建立主動控制模型,將傳統(tǒng)以周期、綠信比調(diào)節(jié)為核心的交叉口信號被動控制轉(zhuǎn)變?yōu)檐嚨揽勺?、相位相序可調(diào)且具有鏈狀連接特性的交叉口主動控制．城市交叉口交通控制中涉及的時空變量包括車道、相位、相序、相位綠燈時間共4類,在主動控制模型構(gòu)建時充分考慮4類變量．

如圖4交叉口由內(nèi)部沖突區(qū)域和上下游連接路段組成．設交叉口的連接路段集合中的路段j,a的狀態(tài)方程為

圖4 交叉口交通控制模型Fig.4 Model of traffic control at intersections

nj,a(k+1)=nj,a(k)+qj,a,in(k)-qj,a,out(k),

(1)

式(1)表示采樣周期k+1內(nèi)路段j,a的車輛數(shù),等于采樣周期k內(nèi)路段j,a上的車輛數(shù)與上游路段流向j,a的車輛數(shù)和流出j,a的車輛數(shù)的差的和．其中:nj,a(k)表示路段j,a在采樣周期k的車輛數(shù);qj,a,in(k)表示采樣周期k內(nèi)上游路段發(fā)送給路段j,a的車輛數(shù);qj,a,out(k)表示采樣周期k內(nèi)路段j,a發(fā)送給下游路段的車輛數(shù)．

為了能夠準確表征車道屬性的動態(tài)特性,提出車道基因概念,即通過將車道的轉(zhuǎn)向?qū)傩悦枋鰹榭刂谱兞坑枰暂敵觯鐖D5所示,車道的轉(zhuǎn)向?qū)傩园ㄗ筠D(zhuǎn)、直行和右轉(zhuǎn),分別用L,T和R表示,即車道的基因的基本組成單元為L,T和R．

圖5 交叉口車道基因組Fig.5 Lane genomes at intersections

圖6 路段j,a的車道基因及下游路段連接Fig.6 Lane genes and downstream link of section j,a

通過上述描述,可以建立車道基因的調(diào)控變量:

(2)

s.t.

(3)

nj,a(k+1)=nj,a(k)+qj,a,in(k)-

(4)

3 仿真分析

為了驗證UTAC主動控制系統(tǒng)的主動控制模型的有效性,利用系統(tǒng)的實時仿真子系統(tǒng)進行仿真對比驗證．采用山東省濰坊市勝利東街與四平路交叉口實際流量數(shù)據(jù)進行仿真驗證．該交叉口為該地區(qū)較為核心路口,東西向為雙向8車道、南北向為雙向6車道,如圖7a所示,交叉口采用的原始配時如圖7b所示,其中周期為160 s．流量數(shù)據(jù)由安裝在車道上的地磁檢測器獲取,交叉口的固定配時由濰坊市交通支隊提供．

圖7 山東省濰坊市勝利東街與四平路交叉口Fig.7 Intersection of Shengli East Street and Siping Road of Weifang,Shandong province,intersection channelization (a)and original timing to pass the intersection (b)

單次仿真時間為36 000 s,進行10次仿真并取平均值．評價參數(shù)選擇交叉口總行程時間和總排隊長度,數(shù)據(jù)采樣間隔為600 s．

如圖8所示,對交叉口通過車輛的總行程時間和平均排隊長度進行對比．采用主動控制時交叉口通過車輛的總行程時間低于定時控制時交叉口通過車輛的總行程時間;采用主動控制時交叉口的平均排隊長度低于定時控制時交叉口的平均排隊長度,可知主動控制較定時控制具有更好的控制效果．但在圖8b中仿真時間為8 000 s時定時控制下交叉口平均排隊長度低于主動控制,原因是由于交叉口輸入流量變化較大導致采用主動控制調(diào)整時交通流需要一定的適應時間．

圖8 定時控制與本文控制效果對比Fig.8 Comparisons between timing control and the proposed active control,(a) total delay time and (b) average queue value

4 結(jié)論

區(qū)別于傳統(tǒng)交通信號控制系統(tǒng),UTAC采用主動控制、平行仿真等技術(shù)實現(xiàn)控制與仿真的深度交互和控制策略的修正與部署應用．針對傳統(tǒng)的被動交通控制策略控制變量不夠豐富的問題,UTAC采用了時空資源分配主動控制模型,該算法能夠擴展控制變量的維度．但在本文中只采用了單交叉口進行仿真對比驗證,雖然與傳統(tǒng)固定控制方式相比具有明顯優(yōu)勢,但仍需將該系統(tǒng)及仿真應用到更大規(guī)模的路網(wǎng)控制中進行有效性檢驗．

致謝:本文向提供仿真驗證實際數(shù)據(jù)的山東省濰坊市交通警察支隊表示感謝．