復雜路網交通信號協同控制的優化研究

何瑋梁坤

(1.新疆農業大學機械交通學院,新疆烏魯木齊 830000;2.天津科技大學機械工程學院,天津 300457)

復雜路網交通信號協同控制的優化研究

何瑋1梁坤2

(1.新疆農業大學機械交通學院,新疆烏魯木齊 830000;2.天津科技大學機械工程學院,天津 300457)

目前,城市交通擁堵問題已嚴重影響了城鎮居民生活,制約了城市的經濟發展。對城市道路交叉口信號配時提出了更高要求.結合烏魯木齊市交通擁堵的現狀,根據烏市道路平面交叉口與信號配時的特點,提出了以延誤、排隊和通行能力三個指標進行信號協同控制優化的問題,并建立了基于流量大小、排隊和綠信比大小的信號優化模型。結合實際路口分析對模型進行了驗證,證明了該模型和算法的有效性。

復雜路網 協同控制 信號優化模型

目前，城市交通擁堵問題已嚴重影響了烏魯木齊市城鎮居民生活，制約了城市的經濟發展，研究一種經濟合理、環保節能、協調有效的解決城市交通擁堵問題的的方法，成為人們關注的焦點。在綜合比較分析并參考國內外經驗[1][2]的基礎上，城市道路交叉口信號配時優化，將是解決交通擁堵問題的一個很好的方法。但是，不同的城市有它特殊性，需要考慮城市本身的路網交通特征。

本文結合烏魯木齊市交通現狀，借鑒國內外現有交通信號控制配時設計的研究和應用成果[3][4][5]，依托目前使用的信號機，對烏市交叉口信號配時設計方法進行研究，提出一套適合烏魯木齊交通現狀的信號配時設計方法。

圖1 車隊頭部受阻的情形

圖2 車隊頭部受阻延誤示意圖

圖3 系統架構圖

1 優化模型的建立

交叉口間協調控制分為兩種情況：單向協調和雙向協調，單向協調即為雙向協調僅考慮一個方向流量的特殊情況，比較簡單，這里重點研究雙向協調。

1.1 雙向協調模型

在實際道路中，進入系統的車輛是不斷增加的，對于系統內部而言，協調方向的車流也有支向車流的左轉和右轉匯入，所以在各個單獨的交叉口，協調方向的車流到達是源源不斷的，區別只是車

頭時距的大小。因此，假設車流到達積累數和時間呈線性關系，流量的大小僅僅影響該線性關系的斜率。

車流以車隊的形式經過各個交叉口，而車隊車頭在交叉口處受阻和車身在交叉口處受阻的情形是不同的，區別在于：車頭受阻時，可能是頭車前還有排隊車輛，也可能是頭車前無排隊車輛，受阻等待的時間小于或等于一個紅燈的時間；車身受阻時，前面沒有排隊長度，受阻等待時間為一個紅燈時間，以下討論兩種情況下的協調模型。

1.1.1 下行車隊在下一交叉口受阻

其車隊頭部受阻情況如圖1所示。單相協調中交叉口設為i，下一交口為i+1，則交叉口i+1相對于i的相位差如公式(1)所示。

式中，1+→iiφ ——交叉口i+1相對于i的相位差(s)；1+→iil ——交叉口i到交叉口i+1的距離(m)；1+iS ——交叉口i+1處的由i向i+1流向的排隊長度(m)；1+→iiv ——交叉口i到交叉口i+1間路段的平均速度(m/s)；1+iτ ——車隊頭部到達交叉口i+1處至開始消散的時間。

此時，車隊頭部受阻產生的延誤如圖2中陰影部分所示。

tr為整列車隊到達交叉口后后續沒有車輛跟來的時間，綠燈開啟后，1+iτ 時間內累積的車輛全部疏散，t時間后進入交叉口的車輛不受阻的通過交叉口，因此有：

圖4 算法結構流程圖

圖5 周期的選擇示意圖

圖6 綠信比的優化

式中， qi→i+1——交叉口i+1到交叉口i+1的流量(pcu/s)；t——綠燈開啟后排隊長度消散時間(s)； ui→i+1——交叉口i到交叉口i+1的最大通行能力(pcu/s)； ni+1——排隊車輛數。

可得到延誤 di→i+1如公式(4)所示。

其中，tr在公式中是一個非負整數，并不影響最終結果，因此設tr為0。則 di→i+1的最終計算結果如公式(5)所示。

1.1.2 上行車隊在下一交叉口受阻

雙向協調的相位差在單向協調的基礎上進行計算，首先按照下游車隊延誤的計算方法計算上游車隊的延誤。設上游相鄰兩個交叉口為i+1和i，顯然，交叉口i對交叉口i+1來說相位差為：

式中，ii→+1φ ——交叉口i+1對交叉口i的相位差(s)；T——周期時長(s)。

與下行車隊頭部受阻的情形類似，計算得到上行車隊的總延誤如公式(7)所示。

1.2 雙向總延誤

由公式(5)和(7)可得系統中雙向的總延誤如公式(8)所示。

可見，雙向協調問題最終歸結為一個非線性規劃求最優解問題，當總延誤D最小時求出相位差的最優解。

1.3 約束條件

該模型的約束條件為路口實際流量小于道路最大流量，周期時間的長度大于設計相位差和路段計算相位差之和，即公式(9)所示。

2 參數選擇

由上面介紹的雙向協調相位差的計算模型，只需要得到路段流量，飽和流量，交叉口的排隊長度，路段均速，相鄰交叉口之間的距離，就能夠通過模型得出相鄰交叉口的雙向相位差。

2.1 路段流量

路段流量由路口檢測器獲得，線圈檢測到的流量為一周期統計一次，系統根據上三個周期的平均流量得出本周期預測流量。

2.2 路段均速

經過大量的數據分析，得出路段均速與流量之間的關系如下。(1)單車道情況：

(2)雙車道情況：

表1 子區劃分表

表2 優化前喀什路-文光路當前配時表

表3 優化后喀什路-文光路當前配時表

表4 子區一相位差表

表5 各個路口優化前的停車次數及總延誤時間

表6 各個路口優化后的停車次數及總延誤時間

(3)三車道及三車道以上情況：

式中，q——停車線處線圈檢測出的流量，本周期數據用于擬合下周期路段均速；v——路段均速。

各種情況系數可以累積，軟件界面中增加車道數，有無分隔帶的設置。

2.3 排隊長度

(1)路段流量不飽和情況(綠燈利用率＜1)。

路口線圈能夠檢測到車輛的車頭時距，當車頭時距小于3s(此值可以手動設置)的時候，即認為此時統計到的車輛數是紅燈相位排隊的車輛，或是綠燈開啟后匯入排隊長度車輛的車輛數，該值為排隊車輛數的最大值，用 N測表示。

排隊車輛數計算公式如下：

式中，sN——排隊車輛數；預測q ——停車線檢測線圈三個周期的平均檢測流量(pcu/s)。

排隊長度根據交通工程飽和流量的定義，按照每輛車占地6米計算，即：

(2)路段流量過飽和情況(綠燈利用率≥1)。

此時中心軟件應提出報警，排隊車輛數選用 N測的數據。

3 信號控制系統

3.1 系統架構組成

系統采用三層分布式結構：中心層、通信層和路口層。信號機能夠通過RS232/RJ45或者無線通訊實現與中心連接，本方案采用無線通訊形式組網。

針對烏魯木齊市的實際情況和需求，設計系統架構如圖3所示。其交通信號控制系統架構具體描述如下。

(1)信號控制中心。信號控制中心設備主要包括中心控制服務器、區域控制服務器、通信服務器、數據庫服務器、客戶端等，服務器安裝在指揮中心，客戶端既可以安裝在指揮中心，主要用于監視和修改路口控制參數等。

(2)通信部分。通信部分主要包括無線通訊模塊(DTU)和通信網絡，本方案中采用無線通訊模塊(DTU)通過GPRS/3G無線網絡與中心設備相連。

(3)外場部分。外場部分設備主要包括信號機、檢測器等，信號機根據車輛檢測器檢測的交通信息(包括車流量等)實時調整路口控制方案(信號周期和綠信比)，實現路口的有序控制。

3.2 原理分析

信號控制原理是通過兩級優化體系實現區域協調自適應控制。

一級優化是中心完成周期、綠信比、相位差等參數的計算或選擇，直接下發給信號機執行；二級優化是信號機根據具體的車輛個體到達需求和相位差限制，對綠燈長度作微調。

圖7 喀什路子區一晚高峰時距圖

優化的目標是綠燈利用率達到最高，子系統交叉口延誤達到最小。周期長、綠信比、相位差選擇與計算的主要依據是“綠燈利用率”。其算法結構流程圖如圖4所示。

3.2.1 周期選擇模型

周期長方案優選包括5套方案：最小周期、可變周期1、可變周期2、可變周期3、最大周期，其選擇示意圖如圖5所示。

3.2.2 綠信比計算模型

協調控制下，計算綠信比時，關鍵交叉口綠信比的計算方法與單點優化綠信比的計算方法相同，要根據關鍵交叉口進行調整，兩者所應用的流量都為預測流量，非實測流量。

首先，確定相位的最小綠燈時間：各交叉口協調相位所必須保持的最小綠燈時間就是關鍵交叉口協調相位的綠燈顯示時間，ming為取整后所得：

式中，ming ——關鍵交叉口協調相位的有效綠燈時間；L——交叉口進口道處路寬，包括非機動車道寬度，無調查值情況下，雙向四車道取16m，雙向六車道取25m；行人v ——行人過街速度，該值應由老年人的平均行走速度決定，取0．9m/s。

最小綠燈時間計算得出以后，可以得出在周期中每個相位的綠信比。系統根據檢測到的綠燈利用率對綠信比進行小步距優化，進行綠信比一級優化。然后按照圖6完成綠信比二級優化。

4 實際路況分析

所建立的優化模型和優化算法采用對實際路況的分析進行驗證。以喀什路沿線從喀什路五建橋頭到喀什路天津路的各個路口為實驗對象，共有10個路口，將其劃分為兩個區域，如表1所示。

4.1 喀什路沿線路況分析

運用本文設計的交通配時優化模型，即公式(8)，將各個子區調查的交通參數代入，經過計算機迭代計算，進行優化。

以喀什路-文光路這個路口為例，其距離上一個路口為300mm，其優化前當前配時表如表2所示。

優化依據：延長協調相位的綠燈時間，同時增加東進口左轉時間，由之前的15s增加到25s，第二個單口放行相位保持不變，增加部分南北進口的放行時間，得到優化后的配時表如表3所示。

依次計算得到喀什路子區一晚高峰時距圖，如圖7所示。

根據時距圖可以清晰看出車流由東向西行進時各個路口的相位差，如表4所示。

4.2 優化前后效果的對比

在沒有利用本文介紹的交通模型優化前，各個路口的延誤以及停車次數如表5所示，優化以后，經過實際的交通調查，得出表6的結果。

可見，經過本文設計的模型優化以后，總延誤以及停車次數都得到了降低，因此，該交通模型是適用于烏魯木齊城市道路的。

5 結語

本文根據目前烏市道路平面交叉口與信號配時的特點，對城市道路交叉口的基礎理論進行了研究，研究了影響信號控制交叉口的因素和參數；建立了流量大小、排隊和綠信比信號優化模型；通過對喀什路上兩個交通子區進行模型的實際驗證，結果表明通行效果良好，驗證了模型和算法的有效性。

[1]陳小紅,錢大琳.基于互補問題的混合交通信號配時優化模型[J].系統工程理論與實踐,2010,30(1):184-191.

[2]張存保,冉斌.車路協同下道路交叉口信號控制優化方法[J].交通運輸系統工程與信息,2013,13(03):40-45.

[3]陳傳明,張鈴.智能交通信號燈配時及優化設計 微機發展 2005 15(03):4-6.

[4]柴琳果.基于車路協同系統的交通仿真方法研究[D].北京交通大學,2012.

[5]賀明.城域交通沖突點控制策略研究[D].浙江大學,2008.

At present, urban traffic congestion problem seriously affected the living quality of urban residents in China, and restricted urban economic development. This raised higher requirements for signal timing at urban road intersections. Combined with current condition of traffic congestion in Urumchi, according to its characters of plane intersection signal timing, this paper presented a cooperative control optimization problem with three indexes: delay time, queue length, and traffic capacity. Then the signal optimal model is constructed. Finally, the presented plane intersection signal timing optimization model is verified by experimental analysis of real plane road intersection traffic conditions.

Complex Traffic Network;Cooperative Control;Signal Optimization Model

何瑋(1979—),女,新疆烏魯木齊人,回族,2008級工程碩士,研究方向:智能交通。

梁坤。