智能網(wǎng)聯(lián)試驗(yàn)場環(huán)島智慧管控策略應(yīng)用研究

潘新福　歐陽濤

摘 要：文章通過分析智能網(wǎng)聯(lián)試驗(yàn)場環(huán)島測試場景車輛到達(dá)模型，研究了環(huán)島信號(hào)控制的三種模式，建立了智慧管控策略信號(hào)配時(shí)模型，運(yùn)用目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解的方法，得出單一信號(hào)控制、左轉(zhuǎn)兩部信號(hào)控制及左拐獨(dú)立信號(hào)控制環(huán)島的通行能力。研究結(jié)果表明，在車流量較大時(shí)，左轉(zhuǎn)兩部信號(hào)控制及左拐獨(dú)立信號(hào)控制的配時(shí)方案能夠顯著解決環(huán)島擁堵問題，證明了環(huán)形交叉口信號(hào)控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：智慧管控 環(huán)島 控制模式 信號(hào)配時(shí)

1 前言

在智能網(wǎng)聯(lián)試驗(yàn)場中，我們需要對交叉口進(jìn)行信號(hào)控制，以提高交叉口的通行能力。在信號(hào)控制環(huán)形交叉口中，實(shí)現(xiàn)了通過實(shí)時(shí)的交通流量數(shù)據(jù)，結(jié)合信號(hào)配時(shí)方案來分配入環(huán)和環(huán)內(nèi)車輛的通行權(quán)，使得不同流向的車流按照時(shí)間次序有序通過交叉口，提高通行能力。交通工程的實(shí)踐結(jié)果表明，相較于普通環(huán)形交叉口，對環(huán)形交叉口實(shí)施信號(hào)控制可以提高交叉口的通行能力。

因此，通過合理的信號(hào)配時(shí)方案，優(yōu)化信號(hào)控制環(huán)形交叉口，以實(shí)現(xiàn)更好的通行能力。這種改進(jìn)是為了確保交叉口的通行能力能夠更好地適應(yīng)交通需求的持續(xù)增長。

2 試驗(yàn)場交通運(yùn)行組織環(huán)島車輛到達(dá)模型

根據(jù)車輛在環(huán)形交叉口運(yùn)行的特點(diǎn)，可以分析交通流的三個(gè)主要方面：車輛到達(dá)特性、車輛離去特性及交叉口轉(zhuǎn)向的車輛排隊(duì)特性。

2.1 車輛到達(dá)特性

到達(dá)特性是車輛到達(dá)交叉口的離散性分布規(guī)律，常用來描述車輛到達(dá)的是泊松分布、二項(xiàng)分布以及負(fù)二項(xiàng)分布[1]。

2.2 車輛離去特性

車輛離去特性是車輛獲得通行權(quán)后離開交叉口入口的特性。車輛在一個(gè)綠燈周期內(nèi)進(jìn)入路口的等待時(shí)間如圖1所示。

從綠燈相位開始，車輛駛?cè)氕h(huán)形交叉口的速度會(huì)逐漸增長，導(dǎo)致一段時(shí)間內(nèi)的損失，稱為綠初損失時(shí)間。

2.3 交叉口轉(zhuǎn)向的車輛排隊(duì)特性

環(huán)島交通流駛向各方向的特性如圖2所示。

不同轉(zhuǎn)向的車流在環(huán)形交叉口進(jìn)行合流，通常情況下，右轉(zhuǎn)的車在外車道，直行以及左轉(zhuǎn)的車在中間車道或內(nèi)車道繞行。當(dāng)環(huán)形交叉口擁擠時(shí)，右轉(zhuǎn)車輛有最高的通行權(quán)，直行和左轉(zhuǎn)車輛排隊(duì)等待。

3 環(huán)島信號(hào)控制模式

環(huán)形交叉口的信號(hào)控制有多種類型，例如單一信號(hào)控制、左轉(zhuǎn)兩步信號(hào)控制以及左拐獨(dú)立控制。在不同的車流量下，選擇不同的控制類型。

3.1 單一信號(hào)控制

它通過一個(gè)信號(hào)燈來指示車輛何時(shí)進(jìn)入環(huán)形交叉口。單一信號(hào)控制環(huán)形交叉口可以提供交通流量的有序控制，減少交通擁堵和事故的發(fā)生。它需要駕駛員遵守信號(hào)燈指示，合理安排行駛順序，確保交通的安全和順暢[2]。

其重要的優(yōu)點(diǎn)就是可以基本適配任何數(shù)量的交叉口。標(biāo)準(zhǔn)環(huán)島信號(hào)燈布置如圖3所示。通過各入口輪流通行以及協(xié)調(diào)控制的方式進(jìn)行控制。

（1）各入口輪流放行

各入口輪流通行是各入口按照特定的順序獲得通行權(quán)。

（2）各入口協(xié)調(diào)控制

在各入口協(xié)調(diào)控制模式下，可對相互影響較小的入口同時(shí)放行，控制方式的相位圖如圖4所示。

單一信號(hào)控制方式并非適合應(yīng)用于所有環(huán)形交叉口，需要考慮場地面積以及交叉口交通量的要求。

3.2 左轉(zhuǎn)兩步信號(hào)控制

左轉(zhuǎn)兩步信號(hào)控制方法在環(huán)形交叉口的布置形式如圖5所示[3]。在左轉(zhuǎn)兩步信號(hào)控制中，左轉(zhuǎn)車流被分配獨(dú)立的相位通行時(shí)間，這使得左轉(zhuǎn)車輛可以單獨(dú)進(jìn)行左轉(zhuǎn)而不與其他車輛發(fā)生沖突。因此，左轉(zhuǎn)兩步信號(hào)控制通常只適用于四入口的環(huán)形交叉口。

3.3 左拐獨(dú)立信號(hào)控制

左拐獨(dú)立信號(hào)控制方式下，布置環(huán)形交叉口的形式如圖6所示。左轉(zhuǎn)車輛不需要繞行環(huán)島，而是直接從中心島路緣石處左轉(zhuǎn)，所以其僅僅在四個(gè)入口的交叉口可以使用[4]。

車輛需要擁有較大的轉(zhuǎn)彎半徑才能沿著環(huán)形交叉口中心島左轉(zhuǎn)，從而駛出環(huán)形交叉口。因此，為了有效放行左轉(zhuǎn)車輛，中心島的半徑應(yīng)適度控制，不能過大。這種控制方式適合應(yīng)用在交叉口通行車輛較多時(shí)，在設(shè)置信號(hào)燈綠燈時(shí)長時(shí)，應(yīng)充分考慮左轉(zhuǎn)交通量，以保障左轉(zhuǎn)車輛能夠迅速通過交叉口[5]。

4 環(huán)形交叉口信號(hào)配時(shí)模型建立

4.1 單一信號(hào)控制環(huán)形交叉口信號(hào)配時(shí)模型

根據(jù)信號(hào)時(shí)長特征設(shè)置約束如下：

（1）周期時(shí)長約束

在環(huán)形交叉口中，當(dāng)采用各方向依次放行時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)的綠燈時(shí)長和黃燈時(shí)長之和，如式1所示。

（2）黃燈時(shí)間作為約束條件

一般情況下，駕駛員在通過交叉口的黃燈時(shí)長計(jì)算包括駕駛員的反應(yīng)時(shí)間和制動(dòng)時(shí)間[6]。黃燈信號(hào)周期計(jì)算如式2所示。

（3）綠燈時(shí)間作為約束條件

每一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)需保證每一入口都具有放行時(shí)間，所以每個(gè)周期內(nèi)的綠燈時(shí)長應(yīng)大于零小于信號(hào)周期，如式3所示。

（4）紅燈時(shí)間作為約束條件

交叉口信號(hào)燈相位配時(shí)中，紅燈時(shí)長應(yīng)小于信號(hào)周期。特殊情況下，某一路口需要時(shí)刻放行，可將紅燈信號(hào)時(shí)長設(shè)為零，所以紅燈時(shí)間約束如式4所示。

4.2 環(huán)島車輛左轉(zhuǎn)兩步控制信號(hào)配時(shí)模型

環(huán)島車輛左轉(zhuǎn)兩步控制信號(hào)配時(shí)模型目標(biāo)函數(shù)如式5所示。

在標(biāo)準(zhǔn)的四路口環(huán)形交叉口中，通常采用左轉(zhuǎn)兩步信號(hào)控制模式，意味著車輛在通過環(huán)形交叉口時(shí)，需要經(jīng)歷兩次信號(hào)燈控制。這樣規(guī)劃的目的是為了區(qū)分直行車輛和左轉(zhuǎn)車輛之間的沖突。由于車輛需要受到多次信號(hào)控制，需要在環(huán)形交叉口內(nèi)設(shè)置更加明顯的道路渠化和標(biāo)志標(biāo)牌。為了達(dá)到這種控制效果，每個(gè)信號(hào)控制點(diǎn)都需要設(shè)置信號(hào)燈來指示各個(gè)車道的行駛狀態(tài)。這些信號(hào)燈之間需要協(xié)同控制以實(shí)現(xiàn)各個(gè)車道車輛的分離[7]。信號(hào)燈布置位置及信號(hào)燈編號(hào)如圖7所示。

為了保證環(huán)形交叉口交通流有序通行，各入口信號(hào)燈需要協(xié)同控制。在標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)形交叉口中，通常采用左轉(zhuǎn)兩步信號(hào)控制配時(shí)方案。在實(shí)際環(huán)形交叉口設(shè)置信號(hào)燈配時(shí)方案時(shí)，需要根據(jù)實(shí)際情況對信號(hào)燈進(jìn)行精確配時(shí)。

4.3 左拐獨(dú)立信號(hào)控制環(huán)島信號(hào)配時(shí)模型

左拐獨(dú)立信號(hào)控制環(huán)形交叉口的信號(hào)燈配時(shí)方案目標(biāo)函數(shù)和左轉(zhuǎn)兩步信號(hào)控制目標(biāo)函數(shù)相同。左拐獨(dú)立控制要求車輛沿中心島直接左轉(zhuǎn)，而不是沿中心島繞行。由于左拐車輛的特殊性，存在其它路口全紅時(shí)間段，使得后來的車輛和其它入口的車輛在沒有沖突的情況下進(jìn)入環(huán)島。左拐獨(dú)立控制交叉口信號(hào)燈編號(hào)如圖8所示。

（1）周期時(shí)長約束

左拐獨(dú)立信號(hào)控制相鄰兩個(gè)相位車輛行駛方向不同，存在交織情況。所以在其它路口全紅時(shí)間段內(nèi)，清除環(huán)島車輛。左拐單獨(dú)控制信號(hào)周期計(jì)算公式與其它方式不同，其周期約束條件如式6所示。

（2）綠燈信號(hào)時(shí)長約束

在進(jìn)行信號(hào)燈相位配時(shí)中，需保證每個(gè)相位綠燈時(shí)長大于零，如式7所示。

（3）紅燈信號(hào)時(shí)長約束

因?yàn)樽蠊摘?dú)立信號(hào)控制配時(shí)方案存在其它路口全紅時(shí)間段，全紅時(shí)間段一共有四個(gè)部分。第一部分是相位一和相位二之間的全紅時(shí)間段，這段時(shí)間內(nèi)，環(huán)形交叉口的所有車輛都停止通行。在最后綠燈周期內(nèi)進(jìn)入環(huán)形交叉口的車輛需要繞環(huán)島半周，需要一定的時(shí)間。第一部分全紅時(shí)間的計(jì)算如式8所示。

第二部分為相位二與相位三之間的全紅時(shí)間段，是最后駛?cè)氕h(huán)形交叉口的車輛沿中心島左轉(zhuǎn)一直到駛離環(huán)形交叉口的時(shí)間，該段全紅時(shí)間計(jì)算如式9所示。

同樣，第三部分全紅時(shí)間段與第一部分全紅時(shí)間段相同，第四部分全紅時(shí)間段與第二部分全紅時(shí)間段相同。

每個(gè)信號(hào)配時(shí)相位中紅燈時(shí)間應(yīng)小于信號(hào)周期，所以紅燈時(shí)長約束如式10所示。

5 模型求解方法

MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于數(shù)據(jù)分析、無線通信、深度學(xué)習(xí)、圖像處理與計(jì)算機(jī)視覺、信號(hào)處理，控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。

在研究中，可以將環(huán)島通行能力計(jì)算轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型中求目標(biāo)函數(shù)最小值問題，通過調(diào)用MATLAB中的fmincon函數(shù)進(jìn)行求解。這種方法通常能夠更有效地解決復(fù)雜的優(yōu)化問題[8]。

求解約束條件下的目標(biāo)函數(shù)最值，fmincon函數(shù)的基本語法如下：

x=fmincon（fun，x0，A，b，Aeq，beq，lb，ub，nonlcon，options）

其中，x， b， beq， lb，和ub為線性不等式約束的上、下界向量，x0為初始解的猜想，A和Aeq為線性不等式約束和等式約束的系數(shù)矩陣，fun為目標(biāo)函數(shù)，nonlcon為非線性約束函數(shù)。

6 結(jié)論

在SUMO中運(yùn)行仿真程序，如圖9所示。

仿真結(jié)果顯示，在未安裝信號(hào)控制設(shè)備之前，其通行能力為3030pcu/h。在采用左拐獨(dú)立信號(hào)控制和左拐兩步信號(hào)控制的信號(hào)燈配時(shí)技術(shù)方案后，相比沒有安裝信號(hào)燈時(shí)通行能力提高了21%和25%。簡單來講，在環(huán)島交叉路口采用左拐兩步信號(hào)燈配時(shí)方案在解決該交叉口擁堵問題上表現(xiàn)出較好的效果，提高了通行能力。

結(jié)果表明采用信號(hào)控制策略，特別是左轉(zhuǎn)兩步信號(hào)控制和左拐獨(dú)立信號(hào)控制的有效性。這種信號(hào)控制策略有望改善交叉口的交通流，減輕擁堵狀況，提高通行效率，證明了環(huán)形交叉口信號(hào)控制策略的有效性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王東磊，劉鍇，安藤良輔.低排放導(dǎo)向的交叉口速度引導(dǎo)策略研究[J].交通運(yùn)輸研究，2016，2（01）：31-37.

[2]鹿應(yīng)榮，許曉彤，丁川，等.車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下信號(hào)交叉口車速控制策略[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2018，18（01）：50-58+95.

[3]靳秋思，宋國華，葉蒙蒙，等.車輛通過交叉口的生態(tài)駕駛軌跡優(yōu)化研究[J].安全與環(huán)境工程，2015，22（03）：75-82.

[4]安實(shí)，姚焓東，姜慧夫，等.信號(hào)交叉口綠色駕駛車速控制方法[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2015，15（05）：53-59.

[5]李泊霖.不同控制模式下環(huán)形交叉口信號(hào)配時(shí)模型研究[D].長春：吉林大學(xué)，2018.

[6]鹿應(yīng)榮，許曉彤，丁川，等.連續(xù)信號(hào)交叉口網(wǎng)聯(lián)自動(dòng)駕駛車速控制[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，44（11）：2257-2266.

[7]劉歡，楊雷，邵社剛，等.車路協(xié)同環(huán)境下信號(hào)交叉口速度引導(dǎo)策略[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2019，38（12）：8-17.

[8]黃仝宇，胡剛，傅惠.基于增量搜索的車輛動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃算法研究[J].西部交通科技，2010（09）：84-89.