城市交通過飽和狀態下干線信號控制優化的研究

（山東科威達信息科技股份有限公司，山東濟寧 272000）

當前，我國城市化水平不斷提升，交通體系的完善度越來越高，城市交通的首要問題集中在擁堵的解決上。城市交通擁堵的問題主要體現在干線道路上，在高峰時間，實際流量通常會超過容量并變得過飽和。若不能及時平衡交通流量與道路容量之間的關系，擁堵問題將由點到面蔓延，影響周邊整體交通環境，造成區域交通癱瘓。解決以上問題，需要對交通主線干線的信號進行控制參數優化，針對信號控制參數的優化問題，目前學界已有三種研究方案：基于數學編程模型的優化；基于宏模型的優化；基于微仿真的優化。

信號控制參數的優化方案中，基于數學編程模型的優化方式在有效性方面較好，但其作用的發揮對實時參數的準確性要求較高，實際應用中難以核準。現有數學方法的多數目標模型用于非飽和交通量，可以在過飽和條件下應用。基于宏模型的優化方式則可以避免上述問題，有效解釋控制變量與交通狀況變化之間的關系。基于微觀仿真的優化方式可以模擬共享車道溢出隊列對車輛耗散和阻塞的影響，在實際應用中表現良好，可進一步對車輛的行駛狀況進行更直觀表現，得出最優的信號調控方案。

1 交通干線信號控制原理

針對交通干線信號控制的研究首先需要進行建模，通過對交通流進行模擬，可以制定更加合理的標準，得出相應的信號參數，以有序控制汽車、非電動汽車和道路上的行人。可以指導交通擁堵和事故的發生頻率，并最終降低出現問題的可能性。針對交通干線信號燈控制的研究對真實數據具有較高的依賴性，需要及時調整干線信號燈控制計劃。為交通參與者提供更好的宏控制，提高整個道路網絡的實時交通效率。交通干線信號燈的控制系統必須是閉環反饋控制。試驗需要在所選擇的交通路段安裝相應的數據收集器，對車輛信息進行實時匯報，以便分析調整干線信號，得出進一步的數據與結論。

交通干線信號控制結構原理圖如圖1所示。

圖1 交通干線信號控制結構原理圖

根據結構圖的展示，將交通干線信號燈控制器作為此干線信號控制系統的核心，其與閉環控制器具有對應關系，因此，干線信號控制系統可視為閉環系統。控制器的設計與整個干線信號控制的有效性和準確性有關。對應十字路口干線信號閉環控制的執行器，可視為相應的連接器與轉換器，是十字路口信號燈發光狀態的指示前端。通過道路交通流量與閉環控制，可對不同方向的車流進行整體調控，使局部擁堵問題得到科學疏通。

車輛檢測設備支持可提供實際道路交通參數的實時反饋的受控閉環反饋設備。調節了輸出控制干線信號，被控制對象向預定目標改變，減小了控制誤差。

2 交叉路口干線信號控制性能評價指標

交通干線信號控制性能評估，以提高交通控制效果的科學性為目標，通過客觀分析，優化、改進當前的交通控制系統和策略。交通控制指標通常是一個綜合的目標函數，由交通參數、干線信號控制系統的物理量及參數（主要包括容量、延遲時間、飽和度、平均隊列長度、停車率、服務水平等）組成。

2.1 通行能力

對于道路通行能力的界定，主要觀點認為每小時規定路段的最高通行車輛數。交叉口的容量分為相容量和交叉口的容量，其大小與飽和流量、綠色干線信號比直接相關。

相位差時距圖如圖2所示。

圖2 相位差時距圖

相位通行能力單位時間內關鍵相位通道的通過總數。在某些路況下，主要取決于關鍵車道的飽和流量和干線信號定時計劃。計算如下：

式中：i——對應相位；ti——綠燈時間；Ci——對應相位的通行能力；qs，i——關鍵車道飽和流率；λi——綠信比；T——干線信號周期。

根據對道路通行能力的表述，將某一路段內交叉路口通行能力的總和，通過以下公式進行表達：

式中：i——相位；n——相位數；其他物理量不變。

由式（2）可知，在一定條件下，交叉路口的通行能力與交叉路口綠燈數量成正比，可見通過對交叉路口綠燈數量的調控能夠有效影響該地的通行能力。綠色字母的比例λ∈（0，1）。因此，通過增加綠色字母的比例，提高交叉路口的通行能力。

2.2 延誤時間

車輛延遲主要與交通量、飽和流量、入口車道交叉口干線信號定時參數有關。車輛延遲時間通常用于評估干線信號控制策略的有效性，通常分為總延遲時間（TDT）和平均延遲時間（ADT）。

在區域交通協調控制中，總延遲時間指該區域所有路口的車輛總延遲時間。平均延遲時間指該區域所有路口的平均車輛延遲時間。相交延遲通常由每個階段的關鍵車道延遲之和表示：

式中：D——相位i的車輛總延時間；d——平均延時間；n——相位數。

2.3 停車率

停車率在實際場景中是一項較為中重要的交通影響指標。停車次數的增加將導致延遲時間的增加，對交叉路口而言，車輛需要停車等待紅綠燈，因此，對交叉路口的停車條件有所要求。站點數量定義為干線信號周期內完全站點的總數，交叉口的站點數量等于每個車道的站點總數：

式中：n——總車道數；S——停車次數；Si——車道i的停車次數。

2.4 排隊長度

排隊長度是交叉點處停車線與隊列中車輛的終點之間的長度，表示為隊列中的車輛數。車輛排隊主要由交叉路口或道路擁擠的某些階段的紅燈引起的。線長對于干線信號的調控是必須考慮的數據，但安裝車輛檢測器可以提供更加精確的線長。將線長與平均隊列長度統一考慮，可得：

3 過飽和狀態下干線信號FTF仿真優化模型

為了干線信號的優化可順利實現，可以有效改善當前道路使用效率不足造成的擁堵問題。應提高綠燈的實際利用效率，在交通量和周期一定的情況下，提高通行能力是主要的解決方式，通行能力的提升，對于道路容量有較高的要求。針對式（1）、式（2）所示的調諧和優化過飽和干線信號的問題，提出了一種FTF交通干線信號仿真優化模型：

FTF模型的建立要求對影響干線信號的不同參數進行控制與調整。（1）對四個干線信號優化變量的控制。其中G、h、0//SW、C四個符號分別指代綠色干線信號比率、確定相位實際執行順序的相序、相位差和共享周期。（2）干線信號的三項優化標準。其中，平均車輛延誤和系統的平均排隊車道長度比率需要進一步降低，系統的容量需最大限度地提升。（3）對于四個干線信號控制參數的約束。周期持續時間約束，每個相位的綠色干線信號持續時間約束等于周期約束，即相交i的相集，相對相位差約束，Off是交點i與i之間的相對相位差。用AD表示車輛平均時延，代入下式：

式中：Ntem——仿真結束時未駛出研究區域的車輛集合；Nout——已駛出研究區域的車輛集合；N——仿真期間進入路網的所有車輛集合；toutk——車輛k進入和離開研究區域的時刻；ttem——仿真結束的時刻；dk——車輛k的行駛路程；vfree——車輛期望速度。

4 結語

通過分布式解決方案與MPC控制思想，得出相對復雜的交通干線信號控制模型，將交通情況限制在飽和條件下，通過分析干線交叉路口的信號時序，依次排查各個變量，以形成相應的FTF仿真模型。通過干線信號優化，降低過飽和條件下的平均車輛延遲。