基于大數(shù)據(jù)分析的交叉口時(shí)空協(xié)同優(yōu)化方法

李海洋，曲大義，劉浩敏，賈彥峰

(青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，青島 266525)

城市交通動態(tài)變化，具有不穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的交通管控方案對實(shí)時(shí)變化的交通具有感知能力不足、被動性、滯后性和不適應(yīng)性[1]，傳統(tǒng)手段無法對大規(guī)模數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，無法挖掘大數(shù)據(jù)對交通的重要價(jià)值，而交通大數(shù)據(jù)具有6V特征[2]，即Volume，Velocity，Variety，Veracity，Value，Visualization，因此考慮在大數(shù)據(jù)背景下對交叉口的時(shí)空協(xié)同優(yōu)化進(jìn)行研究。

交叉口是城市路網(wǎng)的重中之重，為了緩解交叉口處的交通擁堵問題，需要對信號控制方案和渠化方案進(jìn)行改善。在渠化方面，國內(nèi)外都形成了標(biāo)準(zhǔn)與手冊，如美國的 MUTCD 手冊、日本的《平面交叉路口的規(guī)劃與設(shè)計(jì)》、國內(nèi)的《城市道路平面交叉口規(guī)劃與設(shè)計(jì)規(guī)程》 《城市道路交通設(shè)計(jì)指南》等。

在信號方面，單點(diǎn)交叉口配時(shí)計(jì)算大多采用Webster計(jì)算方法，AKCELIK在此基礎(chǔ)上，引入了“停車補(bǔ)償系數(shù)”，對Webster方法進(jìn)行了相關(guān)修正[3]。YUE Tong等提出以延誤最小為目標(biāo)的隨機(jī)規(guī)劃模型，對交叉口進(jìn)行自適應(yīng)控制[4]。英國的交通與道路研究所(TRRL)研發(fā)的TRANSYT系統(tǒng)能夠脫機(jī)優(yōu)化，SCOOT系統(tǒng)能夠優(yōu)化信號周期及相位差，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制；澳大利亞的SCATS系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)控制、自適應(yīng)控制。

國內(nèi)馬萬經(jīng)等提出了以4類損失時(shí)間最少為目標(biāo)的優(yōu)化模型，得出不同情況下的最優(yōu)相位設(shè)計(jì)方案[5]；高云峰等建立了以交叉口車輛的平均延誤、平均停車率、最大相對排隊(duì)長度為目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化模型[6]；康佳黎提出了多相位模糊控制方法，并設(shè)計(jì)了四相位模糊控制器，將模糊自動控制方法和傳統(tǒng)方法進(jìn)行了仿真對比[7]；曲大義等提出了對干線周期、相位相序、綠信比進(jìn)行優(yōu)化的策略[8];韓樂濰等結(jié)合模糊控制理論，設(shè)計(jì)了緩堵信號配時(shí)優(yōu)化策略[9]。

綜上所述，已有研究成果更多的是對交叉口時(shí)間或空間單方面的理論和模型進(jìn)行挖掘和改進(jìn)，在進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，沒有充分利用現(xiàn)有交通大數(shù)據(jù)，且缺乏考慮在交叉口處進(jìn)行時(shí)空的協(xié)同優(yōu)化。因此考慮利用交通大數(shù)據(jù)，進(jìn)一步對交叉口進(jìn)行時(shí)間、空間協(xié)同優(yōu)化。

1 時(shí)空協(xié)同優(yōu)化思路

利用在各交叉口及路段的傳統(tǒng)檢測器、電警卡口、多目標(biāo)雷達(dá)以及城市監(jiān)控等前端設(shè)備，對動態(tài)和靜態(tài)交通數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。將前端設(shè)備采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、計(jì)算、分析與挖掘，之后進(jìn)行相關(guān)交通參數(shù)的提取，再進(jìn)行路段干擾分析、車輛運(yùn)行分析、交通規(guī)劃分析，在對交叉口不進(jìn)行大改大建的前提下，從時(shí)、空兩方面入手，進(jìn)行交叉口的渠化改造和配時(shí)優(yōu)化，總體優(yōu)化思路框架如圖1所示。

圖1 交叉口時(shí)空協(xié)同優(yōu)化思路框架

2 基于交通大數(shù)據(jù)的參數(shù)提取

數(shù)據(jù)是交通優(yōu)化的基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)的質(zhì)量和采集、處理方式直接影響到整體效果。因此需要對交通大數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)提取及分析。根據(jù)大數(shù)據(jù)分析的技術(shù)流程，主要涉及大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)源、預(yù)處理、管理存儲、系統(tǒng)計(jì)算、分析挖掘、表達(dá)展現(xiàn)等，如圖2所示。交通數(shù)據(jù)經(jīng)過處理分析后，再結(jié)合交通運(yùn)行的基本特點(diǎn)，對于優(yōu)化交通控制具有非常重要的意義。

圖2 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)流程

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

在交叉口和路段上，利用電警探頭、反向卡口等前端監(jiān)控設(shè)備，獲取車道類型、渠化方式以及交通設(shè)施等信息，分車道實(shí)時(shí)獲取交通現(xiàn)象；結(jié)合傳統(tǒng)檢測器，高精度、高準(zhǔn)確率地獲取車流量、時(shí)間占有率、車速、密度、車輛坐標(biāo)等數(shù)據(jù)。

但前端設(shè)備直接獲取得到的數(shù)據(jù)常常存在數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)異常、數(shù)據(jù)矛盾以及數(shù)據(jù)噪聲等問題，所以需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，使數(shù)據(jù)具有高質(zhì)量，能夠更加準(zhǔn)確、集成和直觀。預(yù)處理時(shí)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。

1) 數(shù)據(jù)集成：清除冗余數(shù)據(jù)，按照特定規(guī)則對數(shù)據(jù)分類，并將所有數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫或文件中，以形成完整的數(shù)據(jù)。

以平度市杭州路-青島路交叉口的電警卡口數(shù)據(jù)為例，在集成時(shí)，考慮車輛牌號、車輛類型、經(jīng)過時(shí)間、行駛方向、車道號，忽略車輛顏色、車輛品牌等與研究無關(guān)的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)集成如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)集成

2) 數(shù)據(jù)清洗：將數(shù)據(jù)進(jìn)行精確度分析和數(shù)據(jù)變換，提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。①去除夜間低峰期數(shù)據(jù)。電子警察每天24 h不間斷采集數(shù)據(jù)，但由于技術(shù)原因，夜間識別正確率較低，且分析夜間低峰期的意義不大。因此，清洗掉21：00至次日6：00的數(shù)據(jù)。②清洗無車牌數(shù)據(jù)。電警卡口數(shù)據(jù)表中存在部分無車牌數(shù)據(jù)，原因可能為車輛本身無牌照或牌照不完整、存在遮擋或光線問題無法識別、重復(fù)識別等，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)表示意

3) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化：通過離散化、分層化、標(biāo)準(zhǔn)化等方法使數(shù)據(jù)更加規(guī)范、統(tǒng)一，更加適合分析處理。

數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后，還需要進(jìn)行完整性、一致性、有效性、 準(zhǔn)確性、時(shí)效性的評估。本文對車牌識別準(zhǔn)確率、經(jīng)過時(shí)間準(zhǔn)確率和流量準(zhǔn)確率做了評估，其質(zhì)量和準(zhǔn)確性是可靠的。

2.2 參數(shù)提取

交通流特征參數(shù)是用來進(jìn)行交通運(yùn)行評價(jià)和交通管控的重要信息。對預(yù)處理后的交通數(shù)據(jù)進(jìn)一步研究，可提取流量比、排隊(duì)長度、平均延誤等參數(shù)，用于后續(xù)的協(xié)同優(yōu)化分析。

2.2.1 流量比提取

根據(jù)視頻錄像和電警卡口數(shù)據(jù)文件，能夠確定車輛經(jīng)過車道的方向及該方向的流量，將其折算成小時(shí)交通量，其與交叉口飽和流量之比即為流量比：

(1)

式中：yi為流量比；qi為i車道的實(shí)際交通量；si為該車道的飽和流量。

2.2.2 排隊(duì)長度提取

在交叉口處，定義速度小于5 km/h時(shí)進(jìn)入排隊(duì)，速度大于10 km/h時(shí)或兩車間距大于20 m時(shí)退出排隊(duì)，以此可以得到排隊(duì)長度。由視頻錄像及電警卡口數(shù)據(jù)提取的杭州路-青島路交叉口早高峰部分時(shí)段排隊(duì)長度數(shù)據(jù)如圖4所示。

2.2.3 平均延誤提取

由交叉口間距l(xiāng)i,i+1與設(shè)計(jì)車速v之比可確定理想狀態(tài)下的行程時(shí)間t0：

(2)

經(jīng)過兩相鄰交叉口的實(shí)際行程時(shí)間ti,i+1可由電警卡口數(shù)據(jù)得到。由理想狀態(tài)下的行程時(shí)間t0、經(jīng)過兩相鄰交叉口的實(shí)際行程時(shí)間ti,i+1以及通過車輛數(shù)n可求得平均延誤t：

(3)

3 交通現(xiàn)狀分析

杭州路-青島路交叉口是平度市城區(qū)干道交匯的交叉口，通過對其進(jìn)行現(xiàn)狀調(diào)查分析可知，杭州路北段道路寬度較窄，路段上車輛較多且運(yùn)行干擾嚴(yán)重，早高峰期間北進(jìn)口經(jīng)常出現(xiàn)交通擁堵；青島路受市民服務(wù)中心及早高峰西行上班因素影響，東進(jìn)口直行和左轉(zhuǎn)車輛經(jīng)常出現(xiàn)較長排隊(duì)，東進(jìn)口壓力較大。因此該交叉口早高峰期間，北進(jìn)口與東進(jìn)口經(jīng)常出現(xiàn)擁堵現(xiàn)象。

根據(jù)交叉口大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，能夠發(fā)現(xiàn)：7：00—8：20東向西、東向南車流較多，交通壓力大；8：00—8：30北向南交通壓力顯著增大，同時(shí)東進(jìn)口壓力仍在；8：30—9：00交叉口4個(gè)方向排隊(duì)壓力減小且比較均衡。

經(jīng)調(diào)查，該交叉口交通量如表2所示，具體信號配時(shí)方案如表3所示，渠化現(xiàn)狀如圖5所示，針對現(xiàn)有交通問題，進(jìn)行時(shí)空協(xié)同優(yōu)化。

表2 杭州路-青島路交叉口早高峰交通量 pcu/h

表3 杭州路-青島路交叉口現(xiàn)狀信號配時(shí)方案

圖5 渠化現(xiàn)狀示意

4 時(shí)空協(xié)同優(yōu)化

依照傳統(tǒng)方法對交叉口進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，大多將渠化和信號配時(shí)方案分開進(jìn)行優(yōu)化或只改進(jìn)二者之一，缺乏將時(shí)間和空間兩個(gè)維度進(jìn)行協(xié)同考慮。為了盡可能發(fā)揮時(shí)間、空間兩個(gè)維度優(yōu)化的效果，因此將渠化和信號優(yōu)化組合考慮，進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化。

4.1 渠化改進(jìn)

經(jīng)過交通特性分析，明確現(xiàn)有渠化問題，對交叉口進(jìn)口道、標(biāo)志標(biāo)線、人行道、待行區(qū)等進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，以改善現(xiàn)有交通情況。

1) 非機(jī)動車與行人過街設(shè)計(jì)。平度城區(qū)道路機(jī)非混行問題較為突出，可將非機(jī)動車與行人一體化處理。非機(jī)動車與行人以相同的方式過街，在人行橫道前設(shè)置橫向非機(jī)動車道，避免非機(jī)動車與行人混行產(chǎn)生沖突。左轉(zhuǎn)的非機(jī)動車，由一次性長距離跨越交織區(qū)改為兩次短距離直行。

2) 進(jìn)口道優(yōu)化。對于交叉口進(jìn)口道過窄，可酌情進(jìn)行拓寬處理；對于右轉(zhuǎn)車輛較多，可設(shè)置右轉(zhuǎn)專用道，并設(shè)置渠化島加以引導(dǎo)和分流；對于進(jìn)口道劃線不合理，可根據(jù)實(shí)際流量重新劃分車道功能；對于交通流分布及轉(zhuǎn)向不均情況，可計(jì)算協(xié)同性和不均衡性系數(shù)，設(shè)置可變車道和潮汐車道[10]。

將杭州路-青島路東進(jìn)口車道功能重新劃分，將原先的專左、直行、直右、非機(jī)動車道，改為專左、直左、直右、專右4車道，并將非機(jī)動車道改至原人行道處，原人行道改為非機(jī)動車與行人共用，這樣即從空間上隔離了非機(jī)動車與機(jī)動車，同時(shí)又增加了東進(jìn)口通行能力。

3) 左轉(zhuǎn)交通優(yōu)化。針對交叉口左轉(zhuǎn)車輛較多，左轉(zhuǎn)通行效率不高的現(xiàn)狀，可以增加專左或直左車道，設(shè)置左轉(zhuǎn)待行區(qū)。左轉(zhuǎn)待行區(qū)在交叉口內(nèi)部，幾乎利用到了對向左轉(zhuǎn)專用道的寬度。這樣每個(gè)周期能夠通過的左轉(zhuǎn)車輛更多，不僅提高了左轉(zhuǎn)效率，并且使得后續(xù)尾隨前車左轉(zhuǎn)的車輛更為連續(xù)。

按照上述3條渠化措施綜合改善后，杭州路-青島路交叉口如圖6所示。

圖6 改善后的渠化示意

4.2 信號控制優(yōu)化

在進(jìn)行單點(diǎn)交叉口信號控制優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，采用Webster計(jì)算方法，在渠化改善的基礎(chǔ)上進(jìn)行與之協(xié)同的信號優(yōu)化，盡可能地緩解擁堵問題，減少延誤。

1) 周期時(shí)長計(jì)算。以不阻塞為函數(shù)最優(yōu)解的Webster周期計(jì)算方法[11]如下。

目標(biāo)函數(shù)：

(4)

最優(yōu)解：

(5)

式中：q1為干線道路方向的最大交通量；q2為支線道路方向的最大交通量；d1為干線道路方向駛出率；d2為支線道路方向駛出率；C0為信號周期；ls為總損失時(shí)間；Yi為交叉口i的總流量比。

2) 綠燈時(shí)間計(jì)算。根據(jù)Webster算法，遵循最佳配時(shí)方案使車輛延誤指標(biāo)最小的原則，計(jì)算方法為

(6)

式中：g1，g2分別為第1和第2相位的有效綠燈時(shí)間；y1，y2分別為這兩個(gè)相位的流量比。

4.3 與渠化協(xié)同的信控方案設(shè)計(jì)

通過上述方法可確定信控方案的周期和綠信比，針對渠化上對于行人與非機(jī)動車和左轉(zhuǎn)優(yōu)化的方案，進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)。方案設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)過相關(guān)修正及對現(xiàn)狀考慮，同時(shí)精細(xì)化考慮流量的變化情況，在早高峰時(shí)段設(shè)置定周期多時(shí)段方案，具體方案設(shè)計(jì)如下：

1) 對于行人和非機(jī)動車的信號，原先方案只有行人信號，非機(jī)動車跟隨機(jī)動車信號放行，現(xiàn)重新進(jìn)行改善設(shè)計(jì)。由于在渠化上將行人與非機(jī)動車一體化考慮，因此在信號上，非機(jī)動車也按照行人信號通行。

2) 交叉口設(shè)置了左轉(zhuǎn)待行區(qū)，為了使信號控制與渠化提升的通行能力相匹配，現(xiàn)提升左轉(zhuǎn)相位綠信比，同時(shí)對左轉(zhuǎn)信號進(jìn)行搭接，相位搭接后的配時(shí)方案從原先的4階段變?yōu)楝F(xiàn)在的6階段。

3) 考慮到渠化方案和交通現(xiàn)狀，進(jìn)行精細(xì)化配時(shí)，在早高峰期間設(shè)置3套信控方案。方案1：在7：00—7：40，壓縮西進(jìn)口和南北方向綠信比，提高東進(jìn)口的綠信比，同時(shí)設(shè)置搭接相位，緩解東進(jìn)口左轉(zhuǎn)壓力；方案2：在7：40—8：30，由于北進(jìn)口和東進(jìn)口壓力同時(shí)增大，因此對東側(cè)青島路-濱河西路交叉口采取截流，適當(dāng)減少東進(jìn)口排隊(duì)車輛，增加北進(jìn)口綠信比，緩解高峰期北進(jìn)口突增流量造成擁堵嚴(yán)重問題；方案3：在8：30—9：00均衡路口4個(gè)方向排隊(duì)，減輕擁堵。

經(jīng)過以上3個(gè)方面的考慮，可確定出優(yōu)化后的方案，具體如表4所示。

表4 杭州路-青島路交叉口優(yōu)化后信號配時(shí)方案

5 仿真試驗(yàn)分析

5.1 仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)杭州路-青島路交叉口交通流特性，將該交叉口渠化和信號優(yōu)化后的方案運(yùn)用Vissim仿真軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

按照上文渠化改進(jìn)的非機(jī)動車和行人過街設(shè)計(jì)、進(jìn)口道優(yōu)化設(shè)計(jì)、左轉(zhuǎn)交通優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行交叉口建模，輸入優(yōu)化后的3種信號控制方案，結(jié)合實(shí)際交通量資料，對時(shí)空協(xié)同優(yōu)化后的方案進(jìn)行仿真。仿真結(jié)束后，將反映交通運(yùn)行狀況的參數(shù)指標(biāo)輸出，對比分析仿真試驗(yàn)的數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)。

5.2 參數(shù)分析

運(yùn)用Vissim仿真軟件對杭州路-青島路交叉口的優(yōu)化方案進(jìn)行仿真試驗(yàn)，輸出車流量、平均停車次數(shù)、平均排隊(duì)長度、平均延誤等參數(shù)，將仿真試驗(yàn)的數(shù)據(jù)與現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析與評價(jià)，數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表5 仿真數(shù)據(jù)匯總

從表5可以看出，經(jīng)過優(yōu)化，交叉口各進(jìn)口道的參數(shù)指標(biāo)總體上大都有不同程度的改善。西進(jìn)口雖然通過的車輛數(shù)下降了5%，但其他各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)都有一定的提升，具有一定的優(yōu)化效果。南進(jìn)口現(xiàn)狀交通狀況較良好，在此基礎(chǔ)上又進(jìn)行了小幅度優(yōu)化，進(jìn)一步提升交通效率。北進(jìn)口和東進(jìn)口各項(xiàng)指標(biāo)提升幅度較大，車流量、平均停車次數(shù)、平均排隊(duì)長度、平均延誤提升了10%～20%，優(yōu)化效果較為明顯。

綜上所述，經(jīng)過優(yōu)化后交叉口車流量雖然有較大幅度的增加，但沒有使得交叉口變得更為擁堵，各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)也有明顯提升，說明交叉口的整體通行效率得到了提升，基本達(dá)到了優(yōu)化目的。因此，將渠化改善方案和精細(xì)化控制的信控方案相結(jié)合的時(shí)空協(xié)同優(yōu)化方法能夠較為有效地提高杭州路-青島路交叉口交通運(yùn)行效率。

6 結(jié)束語

以平度市杭州路-青島路交叉口為研究對象，對獲取的交通大數(shù)據(jù)充分進(jìn)行分析和挖掘，精準(zhǔn)剖析現(xiàn)有交叉口存在的問題，找出交叉口交通流的運(yùn)行特征。針對交叉口交通現(xiàn)狀，從時(shí)間、空間兩個(gè)維度進(jìn)行優(yōu)化，改善交叉口渠化，設(shè)計(jì)與渠化相協(xié)同的配時(shí)方案，同時(shí)精細(xì)化考慮交通流的變化，進(jìn)行定周期多方案優(yōu)化。最后通過Vissim仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，對比分析優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)參數(shù)，驗(yàn)證了提出的時(shí)空協(xié)同優(yōu)化方法能夠改善交通現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)交叉口的更優(yōu)化控制。