BRT交叉口優(yōu)先通行控制系統(tǒng)的研究

廖方萬，牛小東，謝曉玲

（1．重慶市軌道交通（集團）有限公司，重慶401120；2．甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅天水741018；3．甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測技術(shù)重點實驗室，甘肅天水741018）

BRT交叉口優(yōu)先通行控制系統(tǒng)的研究

廖方萬1，牛小東2，3，謝曉玲2，3

（1．重慶市軌道交通（集團）有限公司，重慶401120；2．甘肅電器科學(xué)研究院，甘肅天水741018；3．甘肅省高低壓電氣研發(fā)檢測技術(shù)重點實驗室，甘肅天水741018）

以射頻識別、4G通信技術(shù)為依托，基于智能控制理論，針對信號控制交叉口BRT（大運量快速公交）優(yōu)先通行控制問題，提出了一種BRT交叉口實時優(yōu)先控制模型。以BRT車輛抵達交叉口時的延誤時間和載客量作為智能控制器的輸入，輸出此BRT車輛通過該交叉口的迫切程度并確定優(yōu)先服務(wù)方案，有條件地給予BRT車輛在該交叉口處的通行權(quán)。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的定時控制相比，BRT實時優(yōu)先控制方法在交叉口非飽和交通流下能夠有效減少BRT車輛通過交叉口的延誤時間，且不影響交叉口正常的交通秩序。

實時優(yōu)先；智能控制；BRT；VISSIM

1 引言

在模糊控制方法引入到交叉口信號燈控制之后，許多學(xué)者就開始將智能控制的理論、方法應(yīng)用到交叉口交通信號的控制［1－3］，并已逐漸應(yīng)用到相序優(yōu)化、公交優(yōu)先等控制之中［4］。BRT（大運量快速公交）交叉口優(yōu)先通行控制技術(shù)是近年來信號控制研究中的重要內(nèi)容。傳統(tǒng)的固定配時、感應(yīng)控制的模型精度低、實時性差，無法對運行狀況不同的BRT車輛區(qū)別對待，實施有條件優(yōu)先通行。目前的一些智能控制模型存在針對性不強、路權(quán)利用率低等缺點，影響了交叉口BRT優(yōu)先控制效果。

基于以上原因，本文在總結(jié)現(xiàn)有BRT交叉口優(yōu)先通行控制方法的基礎(chǔ)上提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制的實時優(yōu)先智能控制模型。當(dāng)交叉口各相位的交通流非飽和時，使用該模型讓接近交叉口的BRT車輛有條件的優(yōu)先通過交叉口，以降低交叉口的人均延誤和BRT車輛的車均延誤［5］。根據(jù)車輛的實時運行狀態(tài)有條件地給予車輛優(yōu)先的通行權(quán)，提高BRT交叉口的通行效率［6］。

2 實時優(yōu)先控制模型及原理

2．1 交叉口模型描述

本模型研究討論單交叉路口BRT優(yōu)先通行控制問題。對于多交叉口以及干道的協(xié)調(diào)控制可沿用本文的設(shè)計思路。先從物理維度對交叉口進行描述，選取具有代表性的交叉口。交叉口的渠化圖如圖1所示，其中東西方向為城市主干道，南北方向為城市次干道或者支路。在東西向主干道道路中間設(shè)置BRT專用車道，并用物理隔離方式使其與社會車輛隔開。這樣設(shè)置BRT專用車道的優(yōu)點是降低了BRT車輛與社會車輛、非機動車、行人之間的干擾，保證了BRT車道的專用權(quán)及行車速度。用于檢測BRT車輛的RFID天線設(shè)立在距交叉口約120米處，對BRT車輛信息進行獲取，并保證有足夠的時間對信號機進行信號設(shè)置［7］。在時間維度的信號配置方面，為使車輛與過街行人能夠安全通過，交叉口采用典型的四相位信號控制，信號相位控制圖如圖2所示。以該交叉口模型為研究背景，提出BRT實時優(yōu)先控制模型［8］。

圖1 交叉口渠化模型圖

圖2 信號相位控制圖

2．2 BRT實時優(yōu)先控制系統(tǒng)原理

以RFID技術(shù)作為車輛檢測手段，不僅可以檢測到即將到達交叉口的BRT車輛，而且可以得到該車輛的牌號、線路號等身份信息。通過與BRT調(diào)度中心的通信，BRT調(diào)度中心可以準確獲取車輛的運行與延誤等情況。利用車載智能設(shè)備結(jié)合4G通信技術(shù)，交通控制平臺可以得到諸如車內(nèi)乘客數(shù)量等信息。在充分掌握BRT車輛信息后，交通控制中心的BRT優(yōu)先控制模塊可以計算出該車輛通過交叉口的迫切程度，并與優(yōu)先服務(wù)方案相對應(yīng)，根據(jù)其優(yōu)先服務(wù)方案有條件地改變交叉口的信號配時，給BRT車輛優(yōu)先放行。該系統(tǒng)由車載設(shè)備、RFID天線等構(gòu)成BRT車輛識別與信息采集層，由交通控制中心與BRT調(diào)度中心構(gòu)成信息處理層，由信號機等構(gòu)成信號執(zhí)行層［9］。BRT實時優(yōu)先控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 BRT實時優(yōu)先控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)對交通控制中心的BRT優(yōu)先控制模塊進行算法研究［10］。在交通控制中心的BRT優(yōu)先控制模塊中，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制算法確定BRT在交叉口處優(yōu)先通過的服務(wù)方案。將BRT車輛的運行時刻表與車輛實際到達交叉口的時間差和車內(nèi)載客量作為控制器的模糊量輸入，經(jīng)過模糊推理與精確化，輸出BRT車輛在該交叉口處優(yōu)先通過的迫切程度［11］，再根據(jù)其迫切程度確定其優(yōu)先服務(wù)方案。

3 BRT優(yōu)先通行控制模塊算法研究

3．1 變量的模糊化

利用RFID標簽與車載智能設(shè)備將檢測到的接近交叉口的BRT車輛的信息發(fā)送至交通控制和BRT調(diào)度中心，對比分析后得出延誤時間△T（s）和載客量Q（人）。將延誤時間△T和載客量Q作為控制器的輸入量，經(jīng)推理計算之后得到輸出即BRT通過交叉口的迫切程度U［12］。定義BRT車輛的延誤時間△T的論域為［－120，120］秒，模糊子集為：負大（NB）、負中（NM）、零（ZO）、正中（PM）、正大（PB）。定義載客量Q的論域為［40，160］人，模糊子集為：很少（VF）、少（F）、中等（ZO）、多（M）、很多（VM）。定義BRT車輛通過交叉口的迫切程度U的論域為［－2，2］，模糊子集為：很低（VL）、低（L）、中等（M）、高（H）、很高（VH）。則BRT車輛的延誤時間、載客量及迫切程度的隸屬度函數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 隸屬度函數(shù)

3．2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊推理

各變量經(jīng)模糊化之后，建立模糊關(guān)系進行模糊推理，其模糊控制規(guī)則表如表1所示。本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成模糊推理，以增加控制的實時性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的每個輸入單元都對應(yīng)一個輸入變量的模糊子集［13］。由于單隱層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)合理選擇隱層神經(jīng)元個數(shù)可以較好地實現(xiàn)多輸入到多輸出的非線性映射，同時又具有良好的自學(xué)習(xí)能力和魯棒性，故使用單隱層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來完成模糊推理，其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

圖5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

圖 5中，△t1、△t2、△t3、△t4、△t5、q1、q2、q3、q4、q5代表網(wǎng)絡(luò)的輸入，u1、u2、u3、u4、u5代表網(wǎng)絡(luò)的輸出。利用表1中所列出的25條模糊控制規(guī)則訓(xùn)練該網(wǎng)絡(luò)。如當(dāng)延誤時間為“負大”、載客量為“很多”時，網(wǎng)絡(luò)的輸出迫切程度就應(yīng)該是“很高”，此樣本可以表示為輸入＝［1．0，0．3，0，0，0，1．0，0．3，0，0，0］T，輸出＝［1．0，0．3，0，0，0］T。同理，可列出其他24個樣本對，將它們依次送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行離線訓(xùn)練，當(dāng)訓(xùn)練結(jié)束后，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)記憶了模糊控制規(guī)則并具有一定的聯(lián)想能力［14］。

3．3 輸出量精確化

利用之前所描述的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進行反模糊化，得到迫切程度的精確化的值，該值對應(yīng)著BRT優(yōu)先服務(wù)方案1、方案2和方案3。方案1的取值范圍為［1，2］，當(dāng)迫切程度的值落在［1，2］之間時，表示BRT車輛通過交叉口的需求非常迫切，此時使用跳轉(zhuǎn)相位的優(yōu)先控制方法，使BRT車輛基本不停車或者經(jīng)過一次不完全的停車而通過交叉口。方案2的取值范圍為［0，1），當(dāng)迫切程度的取值落在［0，1）之間時，表示BRT車輛通過交叉口的需求較為迫切，此時使用綠燈延長或綠燈提前的優(yōu)先控制方法。方案3的取值范圍為［－1，0），當(dāng)迫切程度的取值落在［－1，0）之間時，表示可以讓BRT車輛優(yōu)先通過交叉口，此時BRT相位為相位綠燈時，延長相位綠燈時間，使BRT優(yōu)先通過。若此時BRT相位為相位紅燈時，則不對信號燈做處理［15］。當(dāng)迫切程度的取值小于－1時，說明BRT沒有優(yōu)先通過交叉口的需求，此時將BRT與社會車輛同等對待，不給予其優(yōu)先權(quán)［16］。上述各種控制方案中各相位的綠燈時間不得大于最大綠燈時間，也不得小于最小綠燈時間的限制，以保證交叉口通行的安全性［17］。實時優(yōu)先控制流程圖如圖6所示。

圖6 實時優(yōu)先控制流程圖

4 仿真研究

4．1 仿真環(huán)境與條件

本文通過仿真計算來研究上述BRT交叉口優(yōu)先通行控制技術(shù)的控制效果并與固定配時控制方法進行比較［18］。仿真的交叉口類型同圖1所示。仿真的數(shù)據(jù)采集于實時交叉口，BRT的發(fā)車頻率設(shè)為8輛／h。仿真在Matlab7．1和Vissim3．70環(huán)境中進行，利用Matlab工具箱搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制的模型并對模型進行訓(xùn)練。根據(jù)隨機生成的BRT的延誤時間和載客量計算得出其通過交叉口的迫切程度，并與優(yōu)先服務(wù)方案相對應(yīng)［19］，以驗證本文提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制算法的可行性。在Vissim3．70的VISVAP模塊中編寫與三種優(yōu)先服務(wù)方案相對應(yīng)的信號控制邏輯程序，利用VAP語言在記事本中編寫三種優(yōu)先服務(wù)方案的相位切換程序，分別對三種優(yōu)先服務(wù)方案下的交叉口運行狀況進行仿真，并與固定配時進行比較。

固定配時控制方案優(yōu)化：采用遍歷搜索法設(shè)置不同的信號配時方案，設(shè)BRT和社會車輛的單車載客量分別為100人和1人，1輛BRT換算為3個PCU。計算各種固定配時控制方案，并把所產(chǎn)生人均延誤最小的方案作為固定配時的控制方案。

4．2 仿真結(jié)果

在Vissim軟件中對每種優(yōu)先方案獨立仿真10次，每次仿真運行11600s，其中前800s為系統(tǒng)初始化時間，后10800s（3h）作為系統(tǒng)評價時間，每隔1個小時采集一次數(shù)據(jù)。統(tǒng)計每種優(yōu)先方案獨立仿真所得延誤數(shù)據(jù)的平均值，然后求各種方案之和的平均值，把它作為實時優(yōu)先控制的控制結(jié)果。將本文提出的BRT交叉口優(yōu)先通行控制模型與固定配時模型在交叉口中等交通流量下進行仿真，主次干道進口流量由采集獲得，將各流量配置下仿真得到的BRT車輛通過交叉口的平均延誤時間與社會車輛通過交叉口的平均延誤時間數(shù)據(jù)進行對比，對比結(jié)果如圖7所示。將本文所提出的實時優(yōu)先控制模型和固定配時模型下的BRT車輛與其他社會車輛通過交叉口時的停車率進行對比，對比結(jié)果如圖8所示。

圖7 實時優(yōu)先和固定配時的平均延誤對比

圖8 實時優(yōu)先和固定配時的停車率對比

由圖7、圖8可以看出，在道路交通流非飽和時，本文所提出的實時優(yōu)先控制模型相對于固定配時控制而言，在提高BRT通行效率方面有明顯的優(yōu)勢，BRT車輛的車均延誤時間和停車率分別降低了19．4%和37．9%。實時優(yōu)先控制模型對交叉口其他社會車輛的正常交通沒有造成過分影響。其原因在于當(dāng)交通流強度不大時，使用跳躍相位或者綠燈延長或提前的BRT優(yōu)先控制手段不會過分影響非BRT相位的車輛正常通過交叉口，因此社會車輛通過交叉口的延誤時間不會增大，而且當(dāng)BRT作為信號控制器的觸發(fā)信號時，因?qū)RT優(yōu)先的針對性較強，所以BRT通過交叉口的延誤降低明顯，充分保證了BRT優(yōu)先通行，路權(quán)得到了合理的分配，其仿真結(jié)果與理論分析相對應(yīng)。

5 結(jié)束語

本文將射頻識別、4G技術(shù)作為檢測及通信手段，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制理論應(yīng)用到BRT交叉口優(yōu)先通行控制中，提出了實時優(yōu)先的BRT交叉口優(yōu)先通行控制模型，并利用Matlab建立仿真模型，驗證了算法的可行性，并使用Vissim建立了路網(wǎng)，進行了模擬仿真并對仿真結(jié)果進行了分析［20］。研究結(jié)果表明，在交叉口交通流非飽和時，本文所提出的控制算法相對于傳統(tǒng)的固定配時控制模型而言，在降低交叉口BRT車輛車均延誤時間方面有明顯效果，且其對社會車輛的正常通行沒有影響，具有很好的實際應(yīng)用價值。

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ResearchonBRTintersectionprioritycontrolsystem

LIAO Fang－wan1，NIU Xiao－dong2，3，XIE Xiao－ling2，3

（1．Chongqing Rail Transit（Group）Co．，Ltd．，Chongqing 401120，China；2．Gansu Electrical Apparatus Research Institute，Tianshui 741018，China；3．Key Laboratory of High－low Voltage Electrical Apparatus Inspection Technology，Tianshui 741018，China）

Aiming at the control problem of the signal control intersection BRT（Bus Rapid Transit）priority and based on the technology of the radio frequency identification and 4G communication as well as the intelligent control theory，a BRT intersection priority real－time control model is proposed．It takes the time delay and the passenger capacity of BRT vehicle at the intersection as the input and takes the urgency degree of the BRT vehicle through the intersection as the output of the intelligent controller，thus the conditional priority service scheme of the BRT vehicle is determined．The simulation results show that compared with the fixed－time traffic signal control，the above proposed method can effectively reduce the delay time of the BRT vehicle through the intersection，and the normal traffic order is uninfluenced．

real－time priority；intelligent control；BRT；VISSIM

1005—7277（2016）06—0015—05

TP273

A

廖方萬（1973－），男，本科，助理工程師，主要研究方向為軌

2016－10－10

道交通電器安全控制。