摘要：常規(guī)的交通信號相位配時(shí)方法未考慮高峰時(shí)段的交通狀態(tài)，導(dǎo)致控制效果較差。本文設(shè)計(jì)了一種基于云邊協(xié)同的城市軌道交通信號相位配時(shí)方法提取沖突元素，合理組合非沖突相位，避免擁堵和碰撞。通過設(shè)置時(shí)間、交通流量和性能指標(biāo)參數(shù)，利用云邊協(xié)同框架處理數(shù)據(jù)，確保其準(zhǔn)確性。協(xié)調(diào)主預(yù)信號，設(shè)置停車線距離，滿足控制需求。仿真結(jié)果表明，該方法的相位配時(shí)控制效果較好，能夠應(yīng)用于實(shí)際作業(yè)。

關(guān)鍵詞：云邊協(xié)同；城市軌道交通；交通信號；相位配時(shí)；控制方法

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.02.034

中圖分類號：U 491；TP 3" " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）02-0-04

Phase Timing Control Method for Urban Rail Transit Signals Based on Cloud Edge Collaboration

LANG Ning

（Communication Signal Branch of Beijing Subway Operation Co.， Ltd.， Beijing 100082， China）

Abstract： The conventional traffic signal phase timing method does not consider the traffic state during peak hours， resulting in poor control effectiveness. This article proposes a phase timing method for urban rail transit signals based on cloud edge collaboration， which extracts conflicting elements， combines non conflicting phases reasonably， and avoids congestion and collisions. By setting parameters for time， traffic flow， and performance indicators， and utilizing a cloud edge collaborative framework to process data， accuracy is ensured. Coordinate the main pre signal， set the distance of the parking line， and meet the control requirements. The simulation results show that the phase timing control effect of this method is good and can be applied to practical operations.

Keywords： cloud edge collaboration; urban rail transit; traffic signals; phase timing; control method

軌道交通因采用固定線路，具有較高的準(zhǔn)時(shí)性、速達(dá)性、安全性等優(yōu)點(diǎn)，對于推動城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要作用。軌道交通信號相位是軌道交通控制的關(guān)鍵，在交叉口或關(guān)鍵路段，通過信號燈對交通進(jìn)行時(shí)間分隔與控制，從而避免交通擁堵問題。在傳統(tǒng)軌道交通信號配時(shí)過程中，以固定配時(shí)方案為主，無法適應(yīng)軌道交通的動態(tài)變化。針對配時(shí)問題，筆者研發(fā)了多種相位配時(shí)控制方法。

考慮車隊(duì)離散的城市軌道交通信號相位配時(shí)控制方法，主要分析車隊(duì)在行駛過程中的離散性并結(jié)合交通數(shù)據(jù)，對信號相位進(jìn)行動態(tài)配置，從而減少交通擁堵的問題[1]。但是，該方法的適應(yīng)性存在限制，城市地區(qū)、高速公路等區(qū)域的信號配時(shí)要求不同，配時(shí)靈活性較弱，無法滿足配時(shí)控制需求?；贛OPSO-GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的城市軌道交通信號相位配時(shí)控制方法主要結(jié)合MOPSO算法的全局搜索能力和GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)上的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對城市軌道交通信號相位配時(shí)的智能優(yōu)化[2]。但是，該方法計(jì)算復(fù)雜度相對較高，影響配時(shí)控制的響應(yīng)速度，進(jìn)而延長軌道交通交叉口車輛延誤時(shí)間。本文中結(jié)合云邊協(xié)同的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了一種城市軌道交通信號相位配時(shí)控制方法。

1" "城市軌道交通信號相位配時(shí)控制方法設(shè)計(jì)

1.1 提取城市軌道交通信號相位配時(shí)沖突元素

城市軌道交通流是動態(tài)變化的，通過相位設(shè)計(jì)，再對其進(jìn)行相位配時(shí)控制，能夠應(yīng)對交通流的動態(tài)變化需求，從而根據(jù)早高峰、晚高峰、平峰的運(yùn)行狀態(tài)，控制信號相位，確保信號配時(shí)的有效性[3]。相位設(shè)計(jì)就是將交通控制系統(tǒng)內(nèi)部各個非沖突相位進(jìn)行整合。本文提取出城市軌道交通信號相位配時(shí)的沖突元素，將城市軌道交通交叉口內(nèi)部各個非沖突相位進(jìn)行合理組合，避免行車擁堵、碰撞等問題[4]。軌道交通路口的各個相位為j，各個相位的集合為J={j|j=1，2，3，…，i，…，n}。當(dāng)路口內(nèi)任意兩個相位的行車軌跡交叉或匯合時(shí)，判定兩個相位的配時(shí)存在沖突關(guān)系。由此構(gòu)建相位配時(shí)沖突矩陣，表達(dá)式為：

（1）

式中，為交通信號相位配時(shí)沖突矩陣；～為相位沖突元素。當(dāng)=1時(shí)，相位i與j存在配時(shí)沖突；當(dāng)=0時(shí)，相位i與j兼容[5]。根據(jù)的變化，調(diào)整相位配時(shí)，從而避免交通擁堵問題。

1.2 基于云邊協(xié)同設(shè)置軌道交通信號相位配時(shí)控制參數(shù)

云邊協(xié)同是利用云計(jì)算、邊緣計(jì)算兩種方式，處理交通信號數(shù)據(jù)。利用快速響應(yīng)、云處理高效率等優(yōu)勢，集中處理交通信號相位配時(shí)數(shù)據(jù)，從而提高配時(shí)控制的準(zhǔn)確性[6]。利用云邊協(xié)同框架對交通信號數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲處理，通過設(shè)置時(shí)間參數(shù)、交通流量參數(shù)、性能指標(biāo)參數(shù)，確保信號相位配時(shí)的準(zhǔn)確性。當(dāng)交通信號相位=1的條件下，將相位i與j上傳到用戶終端上，在邊緣節(jié)點(diǎn)、云節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行配時(shí)控制，控制框架如圖1所示。

如圖1所示，多個邊緣端下沉靠近用戶終端，能夠?qū)煌ㄐ盘栂辔粴v史數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、存儲，邊緣設(shè)備高效地產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，并放在本地邊緣云進(jìn)行存儲[7]。將運(yùn)算計(jì)算的數(shù)據(jù)下放到邊緣端，為邊緣端的實(shí)時(shí)性增加可靠度。在云邊協(xié)同控制的條件下，設(shè)置時(shí)間參數(shù)，公式如下：

（2）

（3）

式中，為綠信比；為綠燈配時(shí)有效時(shí)間；為信號相位配時(shí)周期；為第j個信號相位在可通行時(shí)段未被完全使用的時(shí)間；為相位配時(shí)控制中所有損失時(shí)間之和。交通流參數(shù)設(shè)置為：

（4）

式中，為進(jìn)口道交通流量比；為實(shí)際交通流量；為飽和流量。性能指標(biāo)參數(shù)設(shè)置為：

（5）

式中，為軌道交通信號通行能力。將作為基礎(chǔ)閾值，輸入到邊緣節(jié)點(diǎn)A、B、C中。當(dāng)＞時(shí)，證明交通流開始擁堵。此時(shí)，增大，延長，使該區(qū)段的交通正常通行，從而縮短車輛延誤時(shí)間。

1.3 協(xié)調(diào)控制交通相位配時(shí)主預(yù)信號

在城市軌道交通運(yùn)行的過程中，預(yù)信號的直行相位起止時(shí)刻與主信號相同，經(jīng)常出現(xiàn)預(yù)信號相位末期車輛進(jìn)入可變車道而直行相位改變情況，導(dǎo)致該車輛無法通行，直到下次直行相位出現(xiàn)，才能通行[8]。這不僅影響了可變車道的通行效率，還影響了直行通道的通行效率。為了解決通行效率的問題，筆者探索對軌道交通相位配時(shí)主預(yù)信號進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。根據(jù)軌道交通車輛行駛速度，設(shè)置預(yù)停車線與主停車線之間的距離，通過協(xié)調(diào)相位有效綠燈時(shí)間，滿足信號相位配時(shí)控制需求。在交通相位配時(shí)的過程中，設(shè)置交通信號提前結(jié)束時(shí)間，將其作為配時(shí)預(yù)信號。在預(yù)信號結(jié)束之后，主信號開始之前，軌道交通車輛進(jìn)入可變車道等到交通信號，從而實(shí)現(xiàn)主預(yù)信號協(xié)調(diào)控制。主預(yù)信號協(xié)調(diào)控制公式如下：

（6）

式中，為交通信號提前結(jié)束時(shí)間；為預(yù)信號相位配時(shí)長度；為主信號配時(shí)長度；為軌道交通車輛平均行駛速度。將作為車輛轉(zhuǎn)入可變車道的信號，當(dāng)軌道交通高峰時(shí)段來臨時(shí)，＞，直行需求較大，則縮短，確保直行車輛能夠高效通行；當(dāng)左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)需求較大時(shí)，則增加，確保左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)車輛能夠高效通行。左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)車輛需要經(jīng)歷紅燈信號相位，主信號不允許該進(jìn)道口的相位通行。此時(shí)，縮短，提前截止車道左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的預(yù)信號相位配時(shí)，延長主信號相位配時(shí)，從而在真正意義上實(shí)現(xiàn)相位配時(shí)的動態(tài)控制。

2" "仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證前述方法能否滿足城市軌道交通信號相位配時(shí)控制需求，筆者搭建了一個交通仿真平臺，對上述方法進(jìn)行了仿真分析。最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則以考慮車隊(duì)離散的配時(shí)控制方法、基于MOPSO-GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的配時(shí)控制方法，以及本文設(shè)計(jì)的基于云邊協(xié)同的配時(shí)控制方法進(jìn)行對比的形式呈現(xiàn)。具體的實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程以及最終的控制測試結(jié)果如下：

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

本文中選擇SUMO交通系統(tǒng)仿真軟件，對交通流進(jìn)行微觀控制，具體到道路上每一輛車的運(yùn)行路線規(guī)劃。利用Python進(jìn)行外部程序二次開發(fā)。TraCI接口能夠查詢車輛、交通信號燈、感應(yīng)回路等屬性，對仿真對象進(jìn)行調(diào)控，確保本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。SUMO容易提取車輛與道路信息，能夠根據(jù)多種跟馳模型與換道模型，調(diào)整交通運(yùn)行狀態(tài)。在SUMO上輸入某城市軌道交通交叉口，將其作為仿真對象，以該交叉口的實(shí)際交通數(shù)據(jù)作為仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對其16：30—18：30的晚高峰時(shí)段進(jìn)行仿真，判斷配時(shí)控制效果。交叉口仿真平面圖如圖2所示。

如圖2所示，該交叉口為十字平面信號控制交叉口，每個進(jìn)道口包含一個左轉(zhuǎn)車道、直行車道、直右車道，并在虛線位置設(shè)置了左轉(zhuǎn)專用相位，確保交通順暢。在城市軌道交通運(yùn)行的過程中，將車輛延誤與停車產(chǎn)生的時(shí)間損失進(jìn)行線性加權(quán)，得到的加權(quán)值作為相位配時(shí)控制的綜合評價(jià)指標(biāo)，公式如下：

（7）

式中，為車輛延誤與停車產(chǎn)生的時(shí)間損失的線性加權(quán)值；為軌道交通交叉口車輛延誤；為停車一次產(chǎn)生的時(shí)間損失；為軌道交通交叉口車輛停車次數(shù)。設(shè)定=4，通過、、等參數(shù)，判斷城市軌道交通信號相位配時(shí)控制的有效性。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在上述實(shí)驗(yàn)條件下，隨機(jī)選取出車均延誤、停車次數(shù)、車輛延誤與停車產(chǎn)生的時(shí)間損失、通過車輛數(shù)等參數(shù)作為配時(shí)控制的評價(jià)參數(shù)。在其他條件均已知的情況下，對比考慮車隊(duì)離散的配時(shí)控制性能、基于MOPSO-GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的配時(shí)控制性能，以及本文設(shè)計(jì)的基于云邊協(xié)同的配時(shí)控制性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

如表1所示，s為相同相位下通過的車輛數(shù)。越大，車輛延誤與停車產(chǎn)生的損失越大，信號相位配時(shí)控制效果越佳。在其他條件均一致的情況下，使用考慮車隊(duì)離散的城市軌道交通信號相位配時(shí)控制方法，相對較高，僅在相位4上的s較大，相位2上的s較小，軌道交通信號相位配時(shí)控制效果不佳，容易出現(xiàn)擁堵的問題，影響交通通行效率。

使用基于MOPSO-GRU神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的城市軌道交通信號相位配時(shí)控制方法，有所下降，s有所增加，僅在交叉口的位置上s較大，仍存在優(yōu)化的空間，亟須對其進(jìn)一步改進(jìn)。而使用本文設(shè)計(jì)的基于云邊協(xié)同的城市軌道交通信號相位配時(shí)控制方法，相對較小，在相位1、2、3、4、交叉口等方面，s均處于較高的水平，h均處于較低的水平。由此可見，使用本文設(shè)計(jì)的方法，相位配時(shí)控制效果更佳，降低了車均延誤的問題，能夠有效緩解車輛擁堵的問題，符合本文研究目的。

3" "結(jié)束語

近些年來，城市交通問題逐漸凸顯，軌道交通的出現(xiàn)大大緩解了交通擁堵狀況。但是，軌道交通持續(xù)發(fā)展，交通信號若再依賴于固定的配時(shí)方案，難以應(yīng)對復(fù)雜多變的交通環(huán)境，從而導(dǎo)致軌道交通效率低下的問題。因此，本文利用云邊協(xié)同，設(shè)計(jì)了一種城市軌道交通信號相位配時(shí)控制方法。從相位沖突元素、控制參數(shù)、主預(yù)信號協(xié)調(diào)控制等方面，解決交通效率低下、延誤的難題。其通過云端實(shí)時(shí)感知交通情況，并生成優(yōu)化后的交通信號控制策略，確?？刂频膶?shí)時(shí)性與有效性，為城市軌道交通的安全高效運(yùn)營提供保障。

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作者簡介：郎" 寧（1983-），男，漢族，北京人，中級工程師，本科，研究方向?yàn)檐壍澜煌妱?wù)、城市軌道交通信號。