城市多路口高峰时段车辆快速消散感应控制策略研究

城市多路口高峰时段车辆快速消散感应控制策略研究

城市多路口高峰时段车辆快速消散感应控制策略研究

舒毅,陈扶崑,吴中

河海大学交通学院,南京(210098)

摘要:本文从感应控制思想着手,采用面控的策略,寻找缓解城市一个区域道路交叉口高峰时期拥堵的有效方法,提出基于交通流相容性原理的协调式感应控制方案,针对城市高峰时期,在单条路径实现绿波控制的基础上,根据检测器检测信息进行区域多向绿波带,以提高区域交通信号的控制效率,使各交叉口具有更大的通行能力和更小的延误。

关键词:感应信号控制;区域协调;相容性;优先级

1.前言

随着社会经济的迅猛发展,城市交通日益更加突出,如何解决大城市的交通拥堵问题,已成为交通工程界的难点。以往解决交通问题的办法是修建扩建道路,提高路网的通行能力和限制车辆。然而土地资源和资金有限,单靠加强道路建设,很难从根本上解决问题,这就要求改进交通控制方法,最大化地利用现有设施提高城市交叉口的通行能力,以保证城市交通干线乃至整个城市路网能够通畅、高效、安全地运行。

在城市交通管理和控制中,交叉口管理是一个不可或缺的重要组成部分,同时随着道路交通量的增长,交叉口之间的相关性日益明显,一个交叉口的拥堵,随着时间的推移将会波及到周边数个交叉口乃至所在区域内的所有交叉口。一般城市交叉口发生拥堵时都是在上下班交通流量较大的高峰时段,因此缓解城市道路交通拥堵的关键就在于,如何解决城市高峰时期交叉口大量拥挤排队的问题。本文从交叉口感应控制方面入手,致力于城市区域交通协调控制研究,寻找一种有效、便捷、可行的控制方法,使高峰期积压在交叉口的排队车辆能够尽快疏散,降低车辆排队长度和出行者的延误时间,最终使区域整体的交通通行能力得到较大提高。

2.车辆快速消散的感应控制策略

在城市道路网中,交叉口相距很近,各交叉口分别设置单点信号控制时,车辆经常遇到红灯,时停时开,造成行车不畅,环境污染加重。为使车辆减少在各个交叉口上的停车时间,特别是使主干道上的车辆能够畅通,首先研究把一条干道上的一批相邻的交通信号连接起来,加以协调控制,就出现了干线交叉口交通信号的联动控制系统(简称线控制,也称绿波系统) [1]。随着计算机、自动控制、车辆检测技术等的发展,进一步研究把整个区域内所有交通信号联连起来加以协调控制,就形成了区域交通信号控制系统(简称面控制)。

城市交通高峰时期,各交叉口的进口道的流量都较大,积压在停车线后的车辆排队长度都较长。若单实施某条干线协调控制,则对高峰期主次道区别不明显的一般情况,这种控制必将引起线控系统以外其它流向的绿灯时间的缩短,排队长度不断增加,交通拥堵在所难免。因此,如何尽快疏散积压在交叉口排队的车辆,是城市高峰期拥堵首要解决的问题。

本文认为,尽快疏散积压在交叉口的车辆的最有效的方法是实施绿波控制。这里所说的绿波控制是指在交通需求最大的行车路线施行绿波带,由于道路交通流量的变化,交通需求最大的行车线路可能是不断变化的,因此这就不同于常规的固定某一干线上的绿波带,而是随着交通流量、流向变化的可变多向绿波带。

过去也曾有不少学者用模糊控制、人工神经网络、博弈论中的纳什均衡[2] [5]等控制方式对这种想法进行模拟试验,但由于其算法繁琐,计算机内存要求高等问题,对于交叉口较少

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的简单路网还有实现的可能,但随着交叉口数量的增加,其算法耗费的时间往往达不到实时控制的要求。针对这一问题,本文提出自己的设计思路,采用计算机操作系统中的相容操作和优先级判断[6],提出交叉口车流相容性的概念,实现路网中的可变绿波带。这种方法的优点是,算法简单,计算机内存要求不高,容易实现。

2.1车流相容性的概念

要解释车流相容性,首先解释交通冲突的概念。所谓交通冲突是指由于两个或两个以上的交通行为者同一时刻共用同一交通载体,使得道路交通系统存在安全隐患甚至有可能导致交通事故的交通事件。交通冲突多出现于城市道路交叉口和高速公路上下匝道口等地方。

为避免交通冲突事件的发生,将道路交叉口若干股交通流进行分类,分为完全相容交通流、部分相容交通流和不相容交通流。完全相容交通流是指车辆在行驶时,完全与其他股交通流没有共用同一交通载体,甚至不存在任何交通流的分流和汇合,这是安全性最高的交通流,如图1;部分相容交通流是指车辆在行驶时,部分与其他股交通流共用同一交通载体,存在交通流的分流和汇合,是安全性次之的交通流,如图2;不相容的交通流是指那些同一时刻共用同一交通载体,存在安全隐患甚至有可能导致交通事故的交通流,这类交通流应在控制策略中坚决避免,不然后果不堪设想,如图3。

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图1 完全相容的交通流

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图2 部分相容的交通流

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图3 不相容的交通流

2.2 协调感应控制方式

交通感应控制(或车辆响应控制)是根据交叉口各个入口交通流的实际分布情况,合理分配绿灯时间到各个相位,从而满足交通需求。常用的有两种控制方式[3]:

2.2.1 基于到达车辆车头距的控制

在一个给定的最小绿灯时间内,某相位绿灯时间无条件地开通。该时间过后,若位于该相位停车线前方一定距离外的检测器检测到继续有车辆到达,则追加一个单位绿灯时间。若一直检测到有车辆到达,则绿灯时间一直被延长,直到绿灯时间达到最大绿灯时间为止。若在追加的一个单位绿灯时间那没有车辆到达,则信号灯被切换到下一相位,放行下一相位的车辆。

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2.2.2 基于排队长度的控制

在放行一个相位的交通流之前,由车辆检测器预先检测到该方向到达的车辆排队长,根据车辆的排队长度,确定该相位的放行时间。在绿灯时间,通过交叉口的车流量总在饱和值左右。

考虑到城市交叉口高峰时期的拥堵情况,解决拥堵问题的关键主要在于降低排队长度,尽快疏散积压车辆,因此本文采用基于解决排队长度的控制方式。

3. 排队长度性能指标的计算

对于一般4相位信号控制的单交叉口,各车道车辆在不同的相位不同的车道的放行状态也用一个系数矩阵e P 表示,即

}{ijk e p P = (1) 式中,i 为相位序号,取值为1,2,3,4,分别表示交叉口一个周期内的第1、第2、第3、第4相位;j 为方向序号,取值1,2,3,4,分别表示交叉口入口东、南、西、北方向;k 为车道序号,取值为1,2,3,分别表示交叉口每个入口的左行、直行、右行车道。

1,表示第i 相位、第j 入口方向、第k 车道车辆放行

0, 表示第i 相位、第j 入口方向、第k 车道车辆禁止放行

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第一相位 第二相位 第三相位 第四相位

图4 四相位信号控制交通流图

对采用图4.2所示4相位信号控制的交叉路口,其放行状态系数矩阵可表示为 P e = {(0,1,1)

,(0,0,0),(0,1,1),(0,0,0)}; {(1,0,0),(0,0,0),(1,0,0),(0,0,0)};

{(0,0,0),(0,1,1),(0,0,0),(0,1,1)}; {(0,0,0),(1,0,0),(0,0,0),(1,0,0)};

以交叉口通行能力作为进行优化的目标函数,目的是要使交叉口被延误的车辆数达到最小,从而实现车辆流通能力最大,则被延误车辆数的计算如下:

设:i t (i =1,2,3,4)为交叉口各个相位的配时;ijk q 表示第i 个相位、第j 方向、第k 车道车辆到达率。

一个周期内第i 相位、第j 入口方向、第k 车道到达的车辆数为

i ijk t q s =1 (2) 假设在绿灯时间内,放行车辆在第i 个相位、第j 方向、第k 车道驶离交叉口出口的离开率为ijk u ,则一个周期内第i 个相位、第j 方向、第k 车道可能驶离路口的车辆数为

i ijk ijk t u p s =2 (3) 设l

ijk s 表示第l 个周期、第i 个相位、第j 方向、第k 车道滞留的车辆数,则有

=ijk p

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i ijk ijk i ijk l jk i l ijk t u p t q s s ?+=?1 i ijk ijk i ijk l jk i t u p t q s ≥+?1 (4) 0=l ijk s i ijk ijk i ijk l jk i t u p t q s <+?1 (5)

式中,i =1,2,3,4;j =1,2,3,4;k =1,2,3。

当i =1时,l

jk i s 1?表示为第l -1个周期、第i 个相位、第j 方向、第k 车道滞留的车辆数。故第l 个周期末路口总的滞留车辆数可表示为

∑∑===

4

13

1

4j k l

jk

s

s (6)

系统的性能指标描述:

从以上分析可知,为了使交叉口的通行能力最大,即要求交叉路口滞留的车辆数最小。对于整个路网而言,其总的滞留车辆数就可表示为

∑∑∑∑∑∑∑∑∑=====?====?+===5

14

13

1

4

1

4

1

145

14

13

1

45

1

)(p j k i i i ijk ijk i ijk l jk

p j k l

jk

p t u p t q s

s

s S (7)

式中p 为路网中的交叉口编号,t i 为各相位放行的绿灯时间。

4. 协调感应控制策略

4.1感应器的铺设

感应器[4]以车辆为检测目标,检测车辆的通过或存在状况,也检测道路上车流的各种参数:交通量、车速、占有率、车头时距、车辆存在、长车比、车重和排队长度等,其作用是为控制系统提供足够的信息以便进行最优的控制。感应器的种类很多,其工作原理可分为两类:○

1检测能使某种开关触点闭合的机械力;○2检测因汽车的存在或运动引起能量变化。 本文根据感应信号控制的设计思想,运用了大量的感应器检测车辆信息,将感应器的作用分为三类:(1)检测车辆的到来情况,其距离停车线33m 左右;(2)检测车辆的排队情况,检测车辆排队可能需要一个或多个检测器,这类检测器距离停车线48~140m 之间;(3)检测车辆在停车线后的停车等待时间,这类检测器距离停车线约为6m 。

4.2基于车流相容性的控制策略

首先,本文在理想的3×3的道路网中阐述控制策略,再将其推广到一般城市道路网中去,表明该方法的可行性,如图5所示。从图中可以看出,该区域有12个外点,分别编号为数字1~12,它们是该区域的交通发生源和吸引源;有9个内点,分别编号为字母A ~I ,它们位于区域内部,没有交通量的吸引与发生,只是该区域内车辆所途径的道路交叉口。

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1

2310

9

876

5

4

C

D

I

B E H

A F G

图5 3×3的路网图

上述研究区域包括12条进入通道和12条离开通道,这里需要指出车辆行驶的有效路径,假定驶入该区域的车辆总是选择有效路径离开区域。有效路径是指车辆行驶时所选择的总是最短路径或与最短路径相差不大的路径。举例说明,如图5,外点4到1的有效路径为4-C -B -A -1,而不是其它行程更长的路径。

根据前面介绍的相容性原理,可以将每条路径上的交通流进行归类、筛选,排列出每股交通流与之完全相容、部分相容和不相容的交通流。

为了实现本文的研究目的,必须在每个内点,即每个交叉口进口道上铺设检测器,分别检测车辆排队长度与停车线后的等待时间。根据每个交叉口测得的各向排队长度,和假定车辆都行驶在有效路径上,计算两个外点之间的排队长度L ij (i ,j =A ~L ,i ≠j )

。这里得到的是绝对排队长度,由于各个外点间的距离可能不同,还需要将绝对排队长度L ij 除以外点间的距离得到相对排队长度LL ij 。

区域控制系统比较选出相对排队长度LL ij 中最大的那条路径,

即在这条路径上的交通需求最大,交通最拥挤。此时,系统认为该路径的通行权重最大,优先级别最高,优先给予其绿灯放行。为使该区域其它道路车辆同时也得到最大程度疏散,放行该条路径同时,也放行其他与它相容的交通流。但是,与它相容的交通流中也并一定都是两两相容的交通流,对于不相容的交通流,还要进一步选择排队长度更大的交通流放行。

这里确定放行绿灯时间是关键,绿灯时间的大小与该路径上的排队长度,路径长度,最大排队长度和次最大排队长度的方差,路段上的流量等有关。当确定某条路径上放行绿灯时间后,还需要满足最短绿灯时间条件。若该路径上的绿灯时间达到最短绿灯时间后排队长度仍时最大时,继续放行绿灯,否则将转至其它排队长度更大的路径上放行绿灯。

同时,为避免某条车道上因车流量不大,排队长度较短,而很长时间得不到绿灯放行的情况,控制系统还需要设置另一个参数-停车线后车辆的最大等待时间。不论任何进口道排队长度多大,当有其他进口道等待车辆达到最大等待时间后,都必须先放行其他进口道车辆,待其达到最短绿灯时间后,再放行区域内排队长度最大的车流。经过一段时间以后,其他股交通流的排队长度可能达到LL ij 中新的最大值,这时区域控制系统又将重新选择通行权重最大的路径放行绿灯,重复上面的操作。

以下通过具体例子来说明该控制思想。假设某时刻路径1-A -B -E -H -I -6(下面简称路径1-6)上的排队拥堵情况最严重(如图7),区域控制系统将给予其绿灯放行。区域内每个交叉口都遵循下面四个相位(如图6):

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第一相位第二相位第三相位第四相位

图6 协调感应控制相位图

3 2 1

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9

8

7图7 拥堵最严重的路径

由于路径1-6上绿灯的放行,并考虑到各交叉口的相位,路径1-6将整个交通区域分为两部分:上半区域和下半区域。在路径1-6绿灯期间,上、下半区域的交通流是只允许在自己的区域内通行的,它们与1-6交通流是完全或部分相容的;而跨区域的交通是禁止的,因为其交通流都是与1-6不相容的。下面将与交通流1-6相容的交通流一一列出:

表1 与交通流1-6相容的交通流表

上半区域下半区域

相容的交

通流1-A-B-C-3

1-A-B-C-4

1-A-B-C-D-5

3-C-B-2

3-C-4

3-C-D-5

4-C-3

4-C-B-2

4-C-D-5

5-D-C-4

5-D-C-3

5-D-C-B-2

6-I-D-5

6-I-D-C-4

6-I-D-C-3

11-F-A-12

11-F-G-10

11-F-G-9

10-G-9

10-G-F-11

10-G-F-A-12

9-G-10

9-G-F-11

9-G-F-12

8-H-G-9

8-H-G-10

8-H-G-F-11

8-H-G-F-A-12

在这些交通流中再找出相容的交通流组合。根据前面的原理再选择排队长度更大的那组

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交通流,使其与1-A-B-E-H-I-6同时放行。下面分别是上、下半区域相容的交通流组合。

表2 相容的交通流组合

上半区域下半区域

相容的交

通流组合(1)1-A-B-C-3

4-C-D-5

(2)1-A-B-C-4

1-A-B-C-D-5

4-C-3

4-C-B-2

(3)3-C-B-2

3-C-D-5

(4)3-C-4

4-C-D-5

(5)5-D-C-4

3-C-B-2

5-D-C-3

(6)5-D-C-B-2

3-C-4

(7)6-I-D-5

1-A-B-C-3

(8)6-I-D-C-4

3-C-B-2

6-I-D-5

6-I-D-C-3

(1)11-F-A-12

10-G-9

8-H-G-10

(2)11-F-G-9

11-F-G-10

(3)10-G-F-11

8-H-G-9

(4)10-G-F-A-12

8-H-G-9

(5)9-G-10

11-F-A-12

(6)9-G-F-11

(7)9-G-F-12

(8)8-H-G-9

11-F-A-12

(9)8-H-G-F-11

10-G-9

8-H-G-10

(10)8-H-G-F-A-12

10-G-9

8-H-G-10

很明显,由于线路1-6的分隔,上、下半区域内的交通流是互不影响的,即上半区域内的相容交通流与下半区域内的相容交通流是相容的。因此,就可以将上面3×3的简单路网推广到更大、更复杂的城市路网中去。当区域控制系统检测到最大交通需求的路径后,考虑给它实行绿波控制的同时,还将整个区域划分两个子区域,再在子区域中寻求交通需求最大的车流,则又将子区域划分更小的子区域,如此递推下去,直至最后小区域内的所有交通流都是两两相容的。如此通过路段动态检测的数据,按优先级放行交通需求最大的相容交通流,使城市高峰时段积压在交叉口的排队车辆能够快速消散。

5.结语

城市高峰时段,车辆快速消散是解决区域内所有交叉口拥挤的关键,本文设计一种新的区域感应控制协调策略,并采用计算机操作系统中的相容操作和优先级判断,提出交叉口车流相容性的概念,实现路网中的可变绿波带。最后利用3×3的路网说明实现该控制策略的可能,并对该方法推广到一般路网中的应用进行了讨论,希望为解决城市高峰期交通拥堵问题提供一个新的思路和方法,以便更有效地缓解城市交通拥堵、增加交通安全、方便出行者出行、减轻交通污染等,同时也为推进我国智能交通事业的发展做出一定贡献。

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参考文献

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[6] 任爱华,王雷,操作系统实用教程。清华大学出版社,2004,111-134

Research on the Tragedy for Actuated Signal Control at

Intersections in rush hour

Shu Yi, Chen Fukun, Wu Zhong

School of Traffic and Transport, Hohai University, Nanjing (210098)

Abstract

Effective methods are found to solve the traffic jam of junctions in rush hour in the paper. Which are based on the theory of actuated control,the former theories of actuated control were based on single junction. The shortcomings were existed such as lackness of the information. Further researches of area coordination control about the compatible principle of traffic flow. With the completion of the multi-direction green wave band,the traffic signal efficiency is to be improved. The larger capacity and less delay of junctions are to be got.

Keywords:Actuated signal control; Area coordination control; compatible; priority

作者简介:舒毅(1982-),男,江苏南京人,交通运输规划与管理专业硕士研究生。研究方向:交通控制与仿真;

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