局部擁擠條件下單點(diǎn)自組織信號控制方法

姜桂艷，郭海鋒，2

(1.吉林大學(xué) 交通學(xué)院，長春 130022，jianggy@jlu.edu.cn;2.浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，杭州 310023)

局部擁擠條件下單點(diǎn)自組織信號控制方法

姜桂艷1，郭海鋒1，2

(1.吉林大學(xué) 交通學(xué)院，長春 130022，jianggy@jlu.edu.cn;2.浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，杭州 310023)

針對已有交通信號控制方法難以有效疏導(dǎo)擁擠交通流的現(xiàn)狀，以感應(yīng)線圈檢測器采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)為擁擠識別的基礎(chǔ)，以擁擠流向放行車輛數(shù)最大為目標(biāo)，提出了一種無信號周期、無固定相位相序限制的單個交叉口自組織信號控制的基本原理，研究了候選信號相位集、各流向權(quán)重、等待時間上限的確定方法，設(shè)計(jì)了局部擁擠條件下單個交叉口的自組織信號配時方法，并以VISSIM為工具進(jìn)行了模擬驗(yàn)證和對比分析.結(jié)果表明，所提出的方法能夠改善局部交通擁擠的疏導(dǎo)效果.

局部擁擠;單個交叉口;自組織;信號控制

城市道路交通擁擠通常源于某一局部，并向四周擴(kuò)散，嚴(yán)重時可導(dǎo)致大面積道路堵塞甚至區(qū)域路網(wǎng)的交通崩潰.如果能夠及時發(fā)現(xiàn)路網(wǎng)中存在的局部交通擁擠，并采用合適的信號控制方法對其進(jìn)行有效的組織與協(xié)調(diào)，則有助于減少擁擠的持續(xù)時間，有效防止擁擠的進(jìn)一步擴(kuò)散.

Gazis［1］首次在交通信號控制領(lǐng)域?qū)⒊鞘械缆方煌顟B(tài)分為非飽和狀態(tài)(Under－saturated)與過飽和狀態(tài)(Over－saturated)，并沿用至今.其中的過飽和狀態(tài)在我國通常稱為飽和狀態(tài)，可理解為擁擠狀態(tài).Gazis將綠燈結(jié)束時有剩余排隊(duì)車輛的交叉口定義為過飽和交叉口(Over－saturated Intersection)，并參考固定式信號控制方法的基本原理，率先提出了一種按照最大綠燈時間輪流放行的固定式擁擠交通信號配時方法.在此基礎(chǔ)上，陸續(xù)有學(xué)者從不同角度對單點(diǎn)擁擠交叉口的信號控制方法進(jìn)行了探討［2－8］.

現(xiàn)有成果在交通擁擠的量測指標(biāo)和控制方法方面進(jìn)行了有益探討，特別是提出了排隊(duì)長度約束、通行權(quán)優(yōu)先等新的控制理念，在一定程度上改善了信號控制手段疏導(dǎo)擁擠交通流的能力.但由于這些成果都是在經(jīng)典信號控制基本原理下進(jìn)行的某種改良，仍然以周期、相位、綠信比、最大綠燈時間等概念為基礎(chǔ)，有些成果甚至沿用了延誤最小的控制目標(biāo).而經(jīng)典信號控制的機(jī)制是針對波動性較強(qiáng)的非擁擠交通流設(shè)計(jì)的，因此這些改良方法疏導(dǎo)擁擠的效果還不能滿足實(shí)際需要，在局部擁擠情況下需要依靠交警疏導(dǎo)交通的現(xiàn)象非常普遍.

目前，局部擁擠條件下交通信號控制方法研究中存在的問題主要包括:

1)劃分交通狀態(tài)的飽和度指標(biāo)是基于固定配時控制方法提出的，交叉口各相位的通行能力是定值，飽和度僅與實(shí)際到達(dá)流量有關(guān).但在信號配時可實(shí)時變化的控制方式下，各相位的通行能力是可變的，此時飽和度不僅與實(shí)際到達(dá)的流量有關(guān)，還與交叉口的信號配時有關(guān)，而且各交叉口的信號周期不同，以飽和度評價的交通狀態(tài)結(jié)果難以保證時間可比性和客觀性.

2)絕大多數(shù)已有成果是以延誤最小化為目標(biāo)的靜態(tài)信號配時方法，且假定擁擠期間交通狀況從始至終不發(fā)生變化，信號配時一經(jīng)確定便不再改變.這種控制方法顯然較為簡單，難以適應(yīng)擁擠程度不斷變化的交通狀況.

3)少數(shù)成果雖然實(shí)現(xiàn)了動態(tài)控制，但優(yōu)化目標(biāo)仍然以延誤為主.實(shí)際上，在擁擠情況下應(yīng)該以交叉口的通行能力最大化為控制目標(biāo)，采取有效策略使交叉口每次綠燈放行的車輛數(shù)最大.

4)現(xiàn)有成果均以經(jīng)典的信號配時理念為基礎(chǔ)，在固有的信號周期、相位以及綠燈延時的概念下進(jìn)行擁擠交通流的疏導(dǎo)，影響了控制效果的進(jìn)一步提高.

為解決已有研究成果中存在的第一個問題，文獻(xiàn)［9］以地點(diǎn)交通參數(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將交通狀態(tài)分為順暢、阻滯和擁擠3種狀態(tài)，其中阻滯與擁擠相當(dāng)于飽和與過飽和狀態(tài).本文在后續(xù)論述中所提到的交通狀態(tài)判別方法即以文獻(xiàn)［9］為依據(jù)，而非已有交通控制方法中運(yùn)用飽和度值界定的飽和或過飽和狀態(tài).

在實(shí)現(xiàn)交通擁擠狀態(tài)在線識別的前提下，在已有成果的基礎(chǔ)上，本文以局部交通擁擠的快速疏導(dǎo)為目標(biāo)，重點(diǎn)研究了一種自組織信號控制的基本原理及單點(diǎn)自組織信號控制方法(Traffic Self－Organizing Signal Control for Congested Isolated Intersection，簡記TSS－CII)，并以VISSIM為工具進(jìn)行了模擬驗(yàn)證和對比分析.

1 自組織信號控制的基本原理

所謂自組織信號控制，是指根據(jù)實(shí)時檢測到的交通數(shù)據(jù)，判別當(dāng)前的交通狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)交通擁擠時，交通信號控制系統(tǒng)以優(yōu)先放行擁擠方向車流為目標(biāo)，通過調(diào)整相位、相序以及相應(yīng)信號配時參數(shù)，改變當(dāng)前交通流的運(yùn)行模式，對交叉口各方向的交通流進(jìn)行自組織，以達(dá)到快速疏導(dǎo)交通擁擠的目的［10］.自組織信號控制方法的基本工作原理:

1)根據(jù)交叉口的幾何形狀，在不引起交通流沖突的情況下設(shè)計(jì)更多的候選相位，構(gòu)成候選相位集;

2)在路段上布設(shè)檢測器，以采集需要的動態(tài)交通數(shù)據(jù);

3)以時間間隔T采集的動態(tài)交通數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)交通狀態(tài)判別算法對交通狀態(tài)進(jìn)行判別，如果判別結(jié)果為擁擠，則轉(zhuǎn)4)，否則不改變當(dāng)前信號控制方式，轉(zhuǎn)10);

4)信號控制機(jī)即將發(fā)放綠燈通行權(quán)時，根據(jù)檢測器數(shù)據(jù)計(jì)算各車道排隊(duì)車輛數(shù);

5)計(jì)算各股交通流請求綠燈通行權(quán)的急迫程度;

6)計(jì)算使急迫程度最大的交通流全部放行所需的綠燈時間;

7)查看候選相位集，確定請求綠燈通行權(quán)迫切程度最大的那股交通流所屬的相位;

8)以交叉口通行能力最大為目標(biāo)，對7)中滿足條件的相位進(jìn)行擇優(yōu)篩選;

9)根據(jù)6)中計(jì)算的綠燈時間對選中的相位給予綠燈顯示，其他方向顯示為紅燈，轉(zhuǎn)4);

10)T=T+1，轉(zhuǎn) 3).

上述自組織信號控制方法適用于局部擁擠條件，突破了已有信號控制方法中信號周期、相位、相序和流向權(quán)重的限制，實(shí)現(xiàn)了由被動適應(yīng)到主動組織的躍變.

2 TSS－CII的計(jì)算基礎(chǔ)

2.1 候選信號相位集設(shè)計(jì)

相位相序設(shè)計(jì)是交叉口信號控制的基礎(chǔ)，合理的相位相序加以合理的配時才能使交叉口的空間資源得到充分的利用;相反，如果僅僅優(yōu)化配時，而忽略相位的優(yōu)化，則會限制控制效果的提高.因此，在新型信號機(jī)足以支持可變相位相序的前提下，應(yīng)該考慮對信號的相位相序及配時同時進(jìn)行實(shí)時優(yōu)化，盡可能地提高交叉口的利用率.

按照相位設(shè)計(jì)原則，可將交叉口各進(jìn)口方向的多股車流，設(shè)計(jì)成多個相位構(gòu)成候選相位集.在對交叉口進(jìn)行自組織信號控制時，可根據(jù)不同流向的交通狀態(tài)在候選相位中進(jìn)行選擇，對交通擁擠程度高、最迫切需要放行的相位給予綠燈通行權(quán)，確保每次綠燈放行期間所選相位及其配時能夠使交叉口的使用效率最大化，以此實(shí)現(xiàn)快速疏散排隊(duì)車輛，緩解交通擁擠的目的.

2.2 各流向權(quán)重的確定

信號交叉口是由各路段相交而成，在通常情況下，各路段具有不同的等級.在非擁擠條件下，各路段交通流請求綠燈通行權(quán)的急迫程度差異不大，交叉口的空間資源和時間資源較充裕，在實(shí)施信號控制時可以忽略各路段等級的差異性，僅依據(jù)交通需求量進(jìn)行配時計(jì)算即可.但在局部擁擠條件下，各路段交通流請求綠燈通行權(quán)的急迫程度差異較大，通常主干路承載的交通流量較大，擁擠期間主干路路段的空間資源和時間資源較為緊張，此時信號控制方案的制定需要考慮各路段等級的差異性，應(yīng)對高等級路段的擁擠車流優(yōu)先放行，以確保主路暢通.即，通過“掠奪”低等級路段交通流的時間資源，“補(bǔ)給”高等級路段交通流的通行機(jī)會.

為實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)，需要事先對信號交叉口所轄路段進(jìn)行分析，確定各路段的等級，并按照一定的原則對各路段所轄交通流流向賦予權(quán)重.在制定自組織信號控制方案時，可根據(jù)各流向的權(quán)重值及其交通擁擠等級確定其請求綠燈通行權(quán)的急迫程度.

2.3 等待時間上限及其確定方法

擁擠情況下，雖然應(yīng)該優(yōu)先考慮擁擠流向的交通流，并盡可能給予其特權(quán)，使其優(yōu)先放行，但是也應(yīng)該考慮其他流向等待的車流.從交通參與者的心理感受考慮，不能讓其無限期地等待.有研究認(rèn)為，人們可忍受的等待綠燈通行的時間為2～3 min.實(shí)際上，這一值會因不同城市、不同道路而有所差別，如大城市車輛駕駛者在交叉口等待綠燈通行的心理承受能力要比小城市駕駛者在同樣情況下的心理承受能力強(qiáng).因此，等待時間上限Wmax很難用一絕對數(shù)值對其進(jìn)行確定.可根據(jù)城市大小規(guī)模不同，交叉口的等級不同而相對地為其賦值.

3 TSS－CII信號配時方法

當(dāng)交叉口所轄某一路段或幾個路段發(fā)生擁擠時，則實(shí)施TSS－CII信號控制.TSS－CII在每一次綠燈結(jié)束時根據(jù)實(shí)時交通狀態(tài)信息制定控制決策.其工作流程包括6個主要步驟.

1)根據(jù)動態(tài)交通數(shù)據(jù)和交通狀態(tài)判別算法，判別交叉口及所轄各路段的交通狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生擁擠時起動TSS－CII;

2)在當(dāng)前相位綠燈結(jié)束時，根據(jù)固定型檢測器的數(shù)據(jù)，計(jì)算各路段每一車道的排隊(duì)車輛數(shù)Ni，具體方法詳見3.1;

3)確定請求綠燈通行權(quán)迫切性最強(qiáng)的關(guān)鍵流向，將包括該流向的所有候選相位作為擬放行相位，具體方法詳見3.2;

4)計(jì)算關(guān)鍵流向所需的綠燈時間Gp，具體方法詳見3.3;

5)計(jì)算每一擬放行相位P獲得通行權(quán)后交叉口的有效利用率Ep，并選擇Ep最大的擬放行相位作為當(dāng)前的放行相位，具體方法詳見3.4;

6)為選定的放行相位顯示綠燈，放行相應(yīng)流向的車隊(duì).

上述控制過程的流程如圖1所示.

圖1 TSS－CII工作流程

3.1 各車道排隊(duì)車輛數(shù)的計(jì)算方法

在局部擁擠條件下，各相位綠燈結(jié)束時，紅燈期間等待放行的車輛通常不能全部通過交叉口，滯留車輛將與新到達(dá)的車輛一起等待下一次綠燈放行.因此，在下一次綠燈放行初始準(zhǔn)確地計(jì)算出各車道等待放行的車輛數(shù)，并根據(jù)排隊(duì)車輛數(shù)給予其相應(yīng)的綠燈時間是非常必要的.

以圖2為例，說明各車道排隊(duì)長度的計(jì)算方法.在圖2中，車道3為左轉(zhuǎn)專用車道，車道2為直行車道，車道1為直行右轉(zhuǎn)車道，各車道上下游分別安裝有固定型檢測器.車道3兩個檢測器之間的距離為LLT，車道2和車道1兩個檢測器之間的距離為LRT.

圖2 車道示意圖

3.1.1 左轉(zhuǎn)車道的排隊(duì)車輛數(shù)

當(dāng)該車道再次獲得綠燈通行權(quán)時，檢測器1開始對離開的車輛計(jì)數(shù)，檢測器2繼續(xù)統(tǒng)計(jì)新到達(dá)的車輛.當(dāng)?shù)趖+1次綠燈結(jié)束時，檢測器2統(tǒng)計(jì)綠燈期間到達(dá)的車輛數(shù)為SN，檢測器1統(tǒng)計(jì)綠燈期間離開的車輛數(shù)為sd，此時兩個檢測器之間的剩余車輛數(shù)為

由上述迭代公式，便可計(jì)算出該車道再次獲得綠燈時需要放行的車輛數(shù).

3.1.2 直右流向各車道的平均排隊(duì)車輛數(shù)

交叉口渠化的左轉(zhuǎn)專用車道進(jìn)口道通常較短，即LLT＜LRT，計(jì)算車道2上的排隊(duì)車輛較為復(fù)雜，因?yàn)檐嚨?上游的檢測器2不僅僅統(tǒng)計(jì)直行的車輛，同時還有左轉(zhuǎn)的車輛.因此，在計(jì)算車道2的排隊(duì)車輛數(shù)時應(yīng)去除左轉(zhuǎn)的車輛，而左轉(zhuǎn)車輛的比例可以通過車道3上檢測器實(shí)時檢測的數(shù)據(jù)計(jì)算得到.車道1的排隊(duì)車輛數(shù)的計(jì)算形式與車道3相同，見式(6).假設(shè)當(dāng)前車道2第t綠燈結(jié)束，則車道2上滯留的車輛數(shù)為

當(dāng)?shù)趖+1綠燈結(jié)束時，車道2上兩個檢測器之間的排隊(duì)車輛為

3.2 關(guān)鍵流向的確定方法

關(guān)鍵流向是指同一交叉口各路段上請求綠燈通行權(quán)最迫切的流向排隊(duì).

在本文的研究中，根據(jù)各流向的等待時間是否超過等待時間上限，采用不同的方法確定關(guān)鍵流向.當(dāng)某些流向的等待時間超過等待時間上限時，選擇其中等待時間最大的流向作為關(guān)鍵流向.否則，按照下面的方法確定關(guān)鍵流向.

在局部擁擠條件下，需要優(yōu)先放行高等級路段的擁擠車流，因此不能僅僅根據(jù)各車流方向的平均排隊(duì)車輛數(shù)確定放行順序，而應(yīng)該附加考慮交叉口所轄路段各流向的權(quán)重值，式(7)為請求綠燈通行權(quán)迫切程度最高的關(guān)鍵流向篩選方法.

式中:N'p為請求綠燈通行權(quán)最迫切的關(guān)鍵車流方向，即關(guān)鍵流向，(Ni×)M為第M股車流第i車道的排隊(duì)車輛數(shù)和第i車道的權(quán)重值乘積，M為特定候選相位P中的流向.

確定關(guān)鍵流向后，可計(jì)算出關(guān)鍵流向各車道的平均排隊(duì)車輛數(shù)Np，用于后續(xù)的配時計(jì)算.

運(yùn)用式(7)可以篩選出關(guān)鍵流向，關(guān)鍵流向的車流即是需要優(yōu)先放行的車流，在當(dāng)前時刻應(yīng)給予關(guān)鍵流向所在的相位綠燈通行權(quán).

需要注意的是，關(guān)鍵流向的車流可能同屬于幾個候選相位，究竟應(yīng)該選擇哪個候選相位并給予綠燈放行，需要進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算.本文提出了一種以候選相位通行能力最大為目標(biāo)的關(guān)鍵流向候選相位優(yōu)選方法，具體計(jì)算方法詳見3.4.

3.3 擬放行相位綠燈時長的確定方法

TSS－CII確定綠燈時間的原則是能夠最大限度地放行關(guān)鍵流向的排隊(duì)車輛以及綠燈啟動后加入到關(guān)鍵流向的車輛.因此，對于關(guān)鍵流向所在的擬放行相位P，所需的綠燈時間為

式中:Gp為相位P的綠燈時間，Lp為起動損失時間，h為飽和車頭時距，SNp為排隊(duì)車輛放行期間到達(dá)并加入關(guān)鍵流向的車輛數(shù)，R為關(guān)鍵流向的紅燈時間長度.這里假設(shè)綠燈放行期間車輛的到達(dá)率與紅燈期間車輛的到達(dá)率相同，即

3.4 放行相位的確定方法

對于關(guān)鍵流向所在的擬放行相位P，在確定了綠燈時間Gp后，綠燈期間可放行的最大車輛數(shù)為

式中:(Ni)M表示M流向i車道排隊(duì)車輛數(shù)，如果(Ni)M為擬放行相位的關(guān)鍵流向，則(SNi)M=SNp;如果(Ni)M不是擬放行相位的關(guān)鍵流向，則(SNi)M可由式(11)計(jì)算得到.

式中(ri)M為第M流向第i車道的紅燈時間.

對于擁擠交叉口，其時空效率是極其寶貴的資源，分秒必爭、寸土必爭是擁擠期間實(shí)施有效控制的必要手段.

因此，本文在確定放行相位時，所遵循的原則是使交叉口的利用率最大化，擬放行相位P獲得通行權(quán)期間交叉口的有效利用率Up為

對關(guān)鍵流向所在的所有擬放行相位計(jì)算Up，并選擇Up值最大的相位作為當(dāng)前的放行相位，給予其綠燈通行權(quán).

4 模擬分析

4.1 模擬方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)以圖3所示的信號交叉口為例，采用模擬手段，通過VB調(diào)用VISSIM的COM端口實(shí)現(xiàn)對模擬期間交通流運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時判別，并通過VAP編程模塊對TSS－CII中的控制算法進(jìn)行實(shí)現(xiàn).圖中的數(shù)字為車道編號，車道1、車道2、車道4和車道5所在的路段直行車流量較大，車道6和車道7所在的路段左轉(zhuǎn)車流量較大，車道3所在的路段是支路.該信號交叉口體現(xiàn)了不同轉(zhuǎn)向交通流量大小有所差異的情況，而非如同一般的信號交叉口那樣直行方向流量較大，其他轉(zhuǎn)向流量較小.因此，選定該信號交叉口可以驗(yàn)證本文提出算法的通用性.根據(jù)車流的不同流向，可構(gòu)成12個候選相位，構(gòu)成的候選相位集如表1所示.在TSS－CII執(zhí)行期間，每次發(fā)放綠燈通行權(quán)時將從這12個候選相位中優(yōu)選出一個，并給予其綠燈顯示.

本文在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時擬采用4種信號控制方案，即固定配時與分時段自適應(yīng)配時、Gazis的過飽和信號配時方法［1］和本文提出的自組織信號配時方法，并在相同的交通背景下進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，模擬時間為3 600 s.在使用Gazis提出的過飽和控制方法時，本文對其進(jìn)行了簡單改進(jìn)，使其能夠動態(tài)控制雙向交通流，而非只能靜態(tài)控制單向交通流.體現(xiàn)交通擁擠生成過程的背景交通流量見表2所示，交通流構(gòu)成包括大車和小車兩類，其中小車比例92%，大車比例8%.

表3為VISSIM中固定配時信號燈組示意圖，圖4為固定配時方案.

圖3 單點(diǎn)交叉口模擬示意圖

表1 候選相位集

表2 模擬交叉口交通流量輸入方案 veh·h－1

表3 交叉口固定配時信號燈組

受VISSIM模擬軟件的功能所限，無法實(shí)現(xiàn)真正意義的自適應(yīng)信號配時模擬，因此本文在進(jìn)行自適應(yīng)模擬試驗(yàn)時，采取分時段“準(zhǔn)自適應(yīng)控制”，各時段配時方案見表4所示.

圖4 固定信號配時方案

Gazis的配時方案與圖4中固定配時方案相似，但是當(dāng)檢測到擁擠時SG1和SG3的配時輪流切換，即當(dāng)前周期SG1的綠燈時長為下一周期SG3的綠燈時長，下一周期SG1的綠燈時長為當(dāng)前周期SG3的綠燈時長，SG2的綠燈時長不變.以此實(shí)現(xiàn)擁擠條件下，各擁擠方向按最大綠燈時間輪流放行的目的.

表4 分時段自適應(yīng)控制各模擬時段信號配時方案 s

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

表5為4種不同信號控制方法的模擬實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果，采用的性能指標(biāo)分別為平均速度、平均延誤和停車次數(shù).在局部擁擠條件下，本文所提出的自組織信號控制方法明顯優(yōu)于其他3種信號控制方法.

表5 各種信號控制方式綜合指標(biāo)對比結(jié)果

5 結(jié)語

以擁擠流向放行車輛數(shù)最大為目標(biāo)，以地點(diǎn)交通參數(shù)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，提出了一種無信號周期、無固定相位相序限制的自組織信號控制方法，并以VISSIM為工具對上述方法進(jìn)行了模擬驗(yàn)證.結(jié)果表明，本文提出的TSS－CII方法可以提高局部交通擁擠的疏導(dǎo)效果.

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Traffic self-organizing signal control method for congested isolated intersection

JIANG Gui-yan1，GUO Hai-feng1，2

(1.College of Transportation，Jilin University，Changchun 130022，China，jianggy@jlu.edu.cn;2.College of Information Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310023，China)

Aimed at the congestion evacuating，an available self-organizing signal control principle whithout signal cycle and fixed phase as well as phase order is proposed.The designed signal control method is based on inductive loop data to identify the congestion flow and will overcome the deficiency of the present signal control mode for controlling congested traffic flow.For maximizing the number of passing vehicles，the proposed signal control method includes some key components such as setting stand-by phases，weighting each stream，deciding the maximum waiting time and allocating signal timing.The method is tested and compared through simulation with VISSIM.The comparative analysis shows that the proposed method can evacuate the congested traffic flow of a congested intersection more effectively.

congested conditions;isolate intersection;self-organizing;signal control

U491

A

0367－6234(2010)10－1671－06

2009－01－18.

姜桂艷(1964—)，女，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 趙麗瑩)