基于智能時段劃分的綠波協調設計及應用

劉南

摘 要：本文提出了一種基于智能時段劃分的綠波協調控制技術，通過采集分析主干道所有交叉口的電子警察過車數據，通過優化算法計算所有時間間隔內進口道飽和度，利用聚類分析算法生成適合所有交叉口的精細化時段劃分，智能劃分所有交叉口的公共交通時段，充分考慮了沖突相位的交通飽和度以及下游交叉口排隊車輛對上游到達車輛的影響，采用不固定速度綠波控制理念，并通過優化主干道上各交叉口的相序及相位順序，最大限度求解雙向綠波帶的帶寬，減少車輛的延誤和停車等待時間。該設計在寧波市奉化區大成路8個路口開展了實際應用驗證。

關鍵詞：聚類分析;智能時段劃分;不固定速度綠波

中圖分類號：U491.54 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）12-0043-03

1 背景

隨著我國社會經濟的快速發展，小汽車保有量日益增多，城市道路交通擁堵和通勤時間增長成為每個城市面臨的重要問題。很多城市為了保障交通安全，在城市主干道上密集增加了信號燈，信號燈的不協調造成通行效率嚴重降低。近年來，城市交通管理者為了提高城市主干路網的通行效率，積極探索推廣綠波協調控制技術的研究與應用，起到了良好的社會經濟效益，然而主干道綠波協調雖然保障了主干道的通行效率，但由于交通時段劃分不準確、公共周期過大、相位配置不合理等原因，導致非協調方向擁堵、排隊溢出、待轉區沖突、行人過街時間不足等問題。本文利用智能時段劃分與公共周期優化算法，通過對干線各交叉口控制相序參數進行調整，使干線協調方向車輛能夠連續不停車或者少停車通過下游交叉口，保證主干道上車輛能夠暢通行駛，從而達到減少車輛停車延誤、提高道路通行能力以及改善交通擁堵現狀的目的。

2 協調控制設計算法研究

協調控制包括單向協調控制和雙向協調控制，單向協調控制主要應用于存在潮汐現象的交通主干道，雙向協調控制是目前應用最廣泛的協調控制技術。傳統的協調控制技術應用時段劃分單一、綠波控制速度相同，但由于道路主干道的全天流量變化明顯及路段干擾因素影響，導致全路段速度無法保持相同，致使綠波協調控制應用效果不佳。

2.1 智能時段劃分

一般而言，交通主干道高峰時段車流量大，交叉口進口道排隊較長，停車起步延誤較大，進口道飽和度較高，不適合設置綠波協調控制。平峰時段進口道飽和度較低，適合設置綠波協調控制。因此，合理地劃分交通時段是提升綠波控制效果的關鍵之一。傳統的交通時段劃分主要根據采集交叉口的流量信息，由交通工程師繪制全天流量變化趨勢圖，再通過人工觀察確定交通時段，該方法的數據信息太少且具有較強的主觀性，容易出現時段劃分不合理，無法滿足城市交通狀況規律性變化的信號交叉口智能化控制的要求。因此，實現智能劃分交叉口交通時段是非常必要和重要。

本文研究以聚類分析法為基礎，通過調取所有路口的電子警察過車數據，自動導入流量分析軟件，從微觀層面上劃分交通時段，與路口流量變化相匹配，實現智能化的時段劃分。其具體劃分過程可簡述如下：

（1）以15分鐘為統計時間間隔，將一天24小時劃分為96個統計間隔。分別統計每個時間間隔內交叉口的到達車輛數，得到一個包含96個元素的有序數列。（2）根據常見規律，將其劃分為8段，即將有序樣本分為8類。（3）定義第i類（包含ni個元素）的直徑為，。（4）不斷調整有序數列中分段點的位置，使得的值最小，從而得到的宏觀時段劃分。

可用一個1×7的一維數組Z表示宏觀時段劃分點根據早、晚高峰的常見規律，可將Z的初始值設置[20，28，36，48，64，76，88]，即將一天24小時劃分為0：00-5：00、5：00-7：00、7：00-9：00、9：00-12：00、12：00-16：00、16：00-19：00、19：00-22：00、22：00-24：00共8個宏觀時段。

由于基本時間間隔數較多，采用枚舉的方式獲取最優的計算量過大。這里采用隨機迭代的方式，獲取一定迭代次數的最優時段劃分方式。定義宏觀調整迭代次數為M0=1000，每次迭代過程中隨機選擇一個分段點，將其位置前移或后退15分鐘（即3個時間間隔）。調整過程中保證任意一個宏觀時段的跨度不小于1小時（即12個時間間隔）。

2.2 公共周期計算

綠波協調的應用需要每個交叉口之間的控制周期相同，或者是雙周期關系，每個交叉口的單點控制最佳周期采用F.韋伯斯特-B.柯布理論（簡稱F.B方法）。F.B方法的控制周期計算公式如下：C=（1.5L+5）/（1-Y）;

式中：C-周期時長（s）;

L-一個周期內的總損失時間（s），L=Σmax{l+I-A};

Y-交叉口信號各個相位的流率比之和，Y=∑ni=1yi= ;

l-啟動損失時間（s）;

I-綠燈間隔時間（s）;

A-黃燈時間（s）;

yi為相位i臨界車道組的流率比，由相位流率qi與飽和流率s之比計算得到。臨界車道組指每一相位交通流量比最大的車道組。

確定好每個交叉口的最佳控制周期后，選擇周期最大的值為公共控制周期。但在實際應用中，一些交通流量較小的交叉口控制周期與公共周期差距較大，可以采用雙周期控制，或者大小周期控制，達到增加周期長度的目的，將一個周期分解為多個不同的子周期，這樣調整更加靈活。

3 應用設計與實例分析

大成路是橫貫奉化城區的一條東西方向主干道，路段日交通流量在30000pcu以上，沿線一共8個信號燈控制路口，交叉口之間的信號控制彼此不協調，經常連續遇紅燈停車等待，通行效率不高。為發揮城市主干道的快速通行功能，運用綠波控制技術設計該路段的雙向綠波帶控制方案，減少主干道停車，為駕駛者提供更加暢通、舒適的駕駛體驗。

3.1 交通調研

對路段各交叉口進行現狀調研，如表1所示。

該路段上各交叉口之間間距相對合理，路段中央均有綠化帶隔離，保證車輛不受對向車輛的干擾，路段兩側設置了單獨的非機動車道，均進行了綠化或護欄隔離，確保了機非分離，公交站臺均是港灣式，不會對主干道上行駛車輛造成干擾。綠波設計的難點在于：（1）該路段一部分經過主城區，一部分經過人流量較少的郊區，路段行駛速度不同;（2）有三個交叉口設置了左轉待轉區，綠波設計時需考慮待轉區的影響，盡量采取對稱的放行方式，采用搭接相位時需設置清空相位，會導致綠波帶寬的降低。

3.2 時段劃分

傳統的交通時段劃分主要根據采集交叉口的流量信息，由交通工程師繪制全天流量變化趨勢圖，再通過人工觀察確定交通時段。因此，采用反向思維的方式來驗證算法自動計算得到的時段劃分結果。

統計路段所有交叉口一段時間內全天流量數據，導入流量分析軟件中，繪制流量變化曲線（15分鐘為間隔），同時展現時段劃分情況。通過聚類分析法合成路段流量變化曲線圖，圖1為算法對其中某一交叉口形成的流量分析曲線，可以看到，在準確區分早、晚高峰時段的同時，算法對平峰及高峰前后變化時段進行了較為詳細的劃分，時段劃分結果基本符合該路口的流量變化情況，滿足實際應用需求。

算法采用隨機迭代的方式，獲取一定迭代次數的最優時段劃分方式對該路段的時段劃分如表2所示。

3.3 關鍵交叉口及公共周期確定

綠波能夠實現的重要因素之一就是每個交叉口控制周期要統一，選擇合適的綠波控制周期和綠波帶寬能夠決定綠波控制的效果。首先需要對每個交叉口交通流量、現狀控制方案及主干道綠信比進行調研，調研情況如表3所示。

通過對各交叉口日交通流量進行調研分析和比較，大成路-南山路日交通流量在44000pcu以上，是交通流量最大的交叉口。因此，可以將該路口設定為綠波線路關鍵交叉口。設計雙向綠波時，盡量不改變關鍵交叉口的相序。

通過F.B公式計算每個交叉口的最優控制周期時長Ci，然后確定協調控制的公共周期，C=max（C1，……，Ci）=120。

3.4 綠波設計時速

該路段限速60KM/H，但由于各相鄰交叉口之間路況不同，有的實際速度無法達到60KM/H，若采用傳統的固定帶速的綠波控制很難保證綠波控制效果，故此次綠波帶根據實際通行狀況采用不固定速度綠波控制。通過對相鄰交叉口電子警察之間過車數據進行統計分析，計算相鄰交叉口之間平均速度。各相鄰交叉口之間速度如圖2所示。

3.5 綠波協調方案設計

以圖解法設計軟件模型為依托，輸入各項控制參數，輸出綠波帶初始圖形。根據路段實際情況對參數進行修正調整，得出最佳綠波方案。

通過參數修正確保有待轉區的交叉口放行方式是對稱放行或者對向放行。得出綠波控制方案，如圖3所示。

3.6 系統效果評價

交通信號控制評價指標是判斷道路交通信號控制效果的標準，交通信號控制經過數年的研究與發展，如今的評價指標有很多，如服務水平、飽和度、通行能力、停車延誤、停車率、通行時間、平均行程速度、燃油消耗率等。

本文主要采用延誤時間、通行時間和平均行程速度等三個指標對綠波控制效果進行評價。

信號控制交叉口延誤是評價交通服務水平和通行效率的重要指標，能夠反應信號交叉口在城市道路中的通行狀態，信號交叉口通行狀態良好，則延誤較低，反之，則延誤較高。交叉口的延誤種類包括排隊延誤、停車延誤和起步延誤。本次通過韋伯斯特公式計算單車平均延誤時間，主要由飽和度、進口道車流量、綠信比和控制周期等參數計算得到，可通過電子警察系統導出進口道車流量和排隊長度，計算出飽和度。平均延誤時間公式如下：

式中：-綠信比;t-飽和度;p-進口道車流量。

通過單車延誤計算公式計算各路口線控前后平均延誤，其中三個重要交叉口數據如表4。

通過對協調前后旅行時間和平均速度測試評價綠波帶運行效果的好壞，實測數據如表5。

通過數據驗證表明綠波實施后道路通行效率明顯提升，方案驗證有效。

4 結語

本文通過智能時段劃分的綠波協調控制技術研究，采用對交通時段的智能劃分算法與結合不固定速度綠波協調的設計與應用，合理地解決了非協調方向擁堵、排隊溢出和交叉口之間通行能力不一致的問題，能夠有效減少車輛的道路通行時間以及主干道的通行效率。

參考文獻

[1] 徐建閩.交通管理與控制[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2] 陸化普.城市交通現代化管理[M].北京：人民交通出版社，1999.

[3] 陳紹寬，郭謹一，王璇，毛寶華.信號交叉口延誤計算方法的比較[J].北京交通大學學報，2005.

[4] 趙文濤.交通干線協調控制方法及仿真研究[D].華東交通大學，2012.