考慮公交優(yōu)先的過飽和交叉口交通信號控制

馬旭輝，劉小明，張金金

(1.北京交通大學 交通運輸學院，北京100044;2.北方工業(yè)大學 城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點實驗室，北京100144)

0 引 言

城市機動車數(shù)量的不斷增加導致道路資源與交通需求間的矛盾更加明顯。與非飽和交通狀態(tài)下信號控制的目標不同，過飽和交通控制往往以避免交叉口溢流作為首要目標，在此基礎(chǔ)上盡量使交叉口或路網(wǎng)的通行能力達到最大。圍繞過飽和交叉口信號控制問題，國內(nèi)外眾多學者已展開廣泛的研究，主要方法包括排隊長度控制［1-2］、相鄰交叉口控制［3-6］、區(qū)域自適應(yīng)控制［7-8］等。

傳統(tǒng)的過飽和交通信號控制方法大多是在固定的相位組合及相序基礎(chǔ)上，對周期、綠信比和相位差3 類參數(shù)進行優(yōu)化，而考慮到交叉口過飽和交通狀態(tài)上、下游放行空間的約束，僅僅通過對上述3 類參數(shù)的優(yōu)化難以實現(xiàn)控制目標，因此增加相位組合、相序變化等交叉口交通信號可控變量，加強信號控制的靈活性，對于過飽和交通下交叉口車流的有序運行十分必要。另一方面，上游交叉口排隊車輛的放行需求與下游路段可容納上游放行車輛的剩余排隊空間之間的矛盾，決定了過飽和交通狀態(tài)下需要對上、下游交叉口進行關(guān)聯(lián)控制，以最大程度地避免交叉口交通溢流的發(fā)生。

上述過飽和交通控制方法及思路主要是針對社會車輛，考慮到公交優(yōu)先能夠提高公交系統(tǒng)服務(wù)水平，有利于緩解城市交通擁堵的優(yōu)點［9］，在進行過飽和交通控制時，有必要與公交優(yōu)先技術(shù)相結(jié)合，使得在交通擁堵的情況下，更能體現(xiàn)出公共交通的服務(wù)優(yōu)勢，從而進一步影響人們的出行方式。

基于上述分析，本文首先從過飽和交叉口相位放行需求及防止溢流兩方面出發(fā)，設(shè)計了動態(tài)相位組合流程;在此基礎(chǔ)上，將公交優(yōu)先技術(shù)與過飽和交通控制相融合，提出了考慮公交優(yōu)先的過飽和交叉口分布式關(guān)聯(lián)控制方法。

1 過飽和交叉口的交通控制模型及方法

1.1 排隊長度閾值的確定

在進行交叉口過飽和交通關(guān)聯(lián)控制前，首先需要確定交叉口各相位進口路段車輛排隊長度閾值，計算方法可參考文獻［10］。

在排隊長度閾值計算方式確定的前提下，交叉口上游(進口道)車輛排隊長度進入設(shè)定區(qū)域事件的檢測由上游交叉口安裝的視頻檢測器提供。需要指出的是，正是由于視頻檢測器具有可靈活設(shè)置檢測區(qū)域的優(yōu)點，因此可以根據(jù)交叉口不同相位組合時進入該路段的車流組成，從排隊長度最大閾值處向路段上游提前設(shè)置多個檢測區(qū)域，以便適應(yīng)文獻［10］中提到的動態(tài)閾值。假如交叉口所用的視頻檢測設(shè)備有效檢測距離有限，則可通過埋設(shè)飽和交通控制專用線圈的方式，在確定的路段排隊長度閾值處埋設(shè)線圈，利用線圈檢測到的車流量、占有率來判斷排隊長度是否已超過閾值，判斷方法可參見文獻［11-12］。

1.2 動態(tài)相位組合方法

在過飽和交通狀態(tài)下，根據(jù)交叉口各流向車流到達率及所在路段長度等因素，進行合理的動態(tài)相位組合，一方面能夠降低交叉口發(fā)生溢流的概率，另一方面也能夠增加交叉口信號控制裕度，加強信號控制的靈活性。本文在設(shè)計動態(tài)相位組合時，首先考慮同一相位內(nèi)的各股車流之間不能存在沖突;其次考慮到過飽和交通狀態(tài)下避免溢流的重要性，在車流沖突判別的基礎(chǔ)上，對各股車流下游路段的車輛排隊剩余空間的屬性進行分析(是否可容納擬進入車流在最小綠燈時間內(nèi)的車輛排隊)。圖1 為一典型交叉口示意圖，包含車流σ1～σ8，其對應(yīng)地考慮車流沖突后的相容性如圖2(a)所示，對應(yīng)相容性矩陣為B，見式(1);假設(shè)檢測判斷可知車流σ4下游路段剩余空間不足以容納σ4在最小綠燈時間駛出車輛的排隊，則車流間相容性示意圖變?yōu)閳D2(b)，對應(yīng)相容性矩陣變?yōu)锽'，見式(2)。

圖1 交叉口示意圖Fig.1 Schematic diagram of intersection

圖2 車流相容性示意圖Fig.2 Traffic flow compatibility

在上述車流組合相容性說明的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計的動態(tài)相位方法如下:

Step1 從交叉口i 的車流集合CLi中依次選擇各股車流，對于每股被選擇的車流，從矩陣B'中選擇與該車流非沖突的其他方向車流，構(gòu)成車流子集Pj，j ∈M(M 為車流總數(shù))。

Step2 計算Pj中非沖突車流間的歐式距離:

Step3 對各股車流與其他車流間歐式距離按照由小到大排列為d1，d2，d3，…，dM，將d1對應(yīng)的車流組合作為一個相位p1，判斷d2對應(yīng)的車流組合中是否有車流與p1中的車流相同，如相同，則繼續(xù)判斷d3對應(yīng)的車流組合中是否有車流與p1中的車流相同;如不相同，則將d2對應(yīng)的車流組合作為相位p2，繼續(xù)判斷d3對應(yīng)的車流組合中是否有車流與p1或p2中的車流相同，依次進行，直至所有的di，i ∈M 均被判斷過，且所有車流均被劃歸到相應(yīng)相位中。

1.3 關(guān)鍵參數(shù)的確定及求取

根據(jù)上文所述，過飽和交叉口i 的模糊控制規(guī)則集(R)可表示為其中:為輸入量，為第m 股車流排隊長度;為第m 股車流對應(yīng)下游路段剩余空間排隊溢出時間;為第m 股車流上游路段剩余空間排隊溢出時間;Di，m為輸出量，表示某相位綠燈可執(zhí)行程度，最大值為1，表示延長當前相位的綠燈時間或當前相位從紅燈變?yōu)榫G燈，延長時間為1 s;最小值為0，表示結(jié)束當前相位綠燈。上述規(guī)則雖然以單個交叉口作為研究對象，但既考慮了本交叉口各相位綠燈放行的需求，同時也顧及了避免下游交叉口車輛排隊溢流的需求，體現(xiàn)了過飽和交叉口群的關(guān)聯(lián)控制。

為簡化起見，此處僅考慮有公交專用車道的交叉口公交優(yōu)先，在此情形下，當采用斷面公交檢測方式時，根據(jù)公交站點位置的不同，公交車輛到達交叉口公交排隊隊尾的時間可分為兩種:

當公交站點位于公交檢測器與停車線之間時:

當公交檢測器與停車線間無公交站點時:

當交叉口i 第m 股車流所在相位為紅燈時，進行如下判斷:若，則1，否則不變。當i 交叉口第m 股車流所在相位為綠燈時，進行如下判斷:若則，否則不變。其中，Td為相位切換判斷時刻;為假設(shè)從Td開始對應(yīng)相位執(zhí)行綠燈時，交叉口i 第m 股車流中第j 輛公交車通過交叉口的時刻;為交叉口i 第m 股車流中公交檢測器與停車線間剩余公交車輛數(shù);gi，m為交叉口i 第m 股車流所在相位綠燈已執(zhí)行時間。

對應(yīng)公交車輛，Td與之間的關(guān)系如圖3所示。

式中:vs為消散波速;w 為本交叉口在判斷時刻綠燈放行時在下游形成的集結(jié)波速;qa為一個信號周期對應(yīng)相位綠燈時間內(nèi)的平均流量;ka為路段車流平均密度，在飽和交通狀態(tài)下可認為qa=qm;kj為路段阻塞密度;km為飽和流量下路段平均密度。

由文獻［10］可知:

圖3 Td 與之間的關(guān)系Fig.3 Relationship of Td and

圖4 求取示意圖Fig.4 computing

式中:Th為交叉口i 第m 股車流綠燈放行時刻;Lr為判斷時刻(當前)下游最大排隊長度;L 為下游路段總長度;Lu為上游路段總長度;為判斷時刻(當前)上游最大排隊長度;wu為本交叉口在判斷時刻上游排隊車輛形成的集結(jié)波速。

1.4 模糊控制系統(tǒng)的建立

圖5 隸屬度曲線Fig.5 Membership curve

某相位綠燈可執(zhí)行程度Di，m的論域同樣設(shè)為:{－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，1，2，3，4，5，6}，比例因子kD=1/12，模糊語言值設(shè)為:{小，中，大}={S，M，L}。Di，m的隸屬度曲線如圖5 所示。根據(jù)專家經(jīng)驗設(shè)計的模糊控制規(guī)則如表1 所示。采用重心法得到模糊控制器的輸出D1，實際輸出D=kDD1+0.5。

建議成立倫理委員考核制度，要想成為倫理委員必須有標準、有門檻。所有備選委員必須經(jīng)過醫(yī)院統(tǒng)一進行的嚴格培訓和各方考核之后才能持證上崗，不經(jīng)過考核或者考核不通過者均不得成為倫理委員會成員。除此之外，實踐是提高倫理委員審查能力的另外一個重要因素，委員應(yīng)該積極參加倫理審查工作，積累經(jīng)驗，拓寬知識，不斷提高臨床試驗的倫理審查能力和審查覺悟[25]。

表1 模糊控制規(guī)則表Table 1 Fuzzy control rule table

1.5 控制流程

在上述工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計過飽和交叉口控制方法如下:

Step1 設(shè)受控交叉口i 初始狀態(tài)為全紅狀態(tài);

Step2 計算交叉口i 車流集合CLi中的各方向車流的出口路段溢流閾值;

Step3 根據(jù)檢測值判斷交叉口各進口車流對應(yīng)出口路段剩余空間是否滿足最小綠燈時間流入的車輛排隊，根據(jù)檢測結(jié)果，形成相容性矩陣B';

Step4 應(yīng)用動態(tài)相位組合方法，形成路口各相位，并計算各相位對應(yīng)的值;

Step6 判斷綠燈相位執(zhí)行時間是否已大于最小綠燈時間gmin，如大于gmin，則返回Step3。

2 仿 真

以北京市望京地區(qū)相鄰的5 個交叉口為道路網(wǎng)絡(luò)背景建立路網(wǎng)仿真環(huán)境(見圖6)，對本文控制方法進行仿真驗證。

圖6 仿真路網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of simulation road network

仿真時設(shè)定邊界交叉口各進口單車道飽和流量為1500 pcu/h，公交車輛權(quán)重α=30，各交叉口左轉(zhuǎn)概率在10%～40%隨機取值，右轉(zhuǎn)概率在10%～20%之間隨機取值，公交車輛以10%～30%的比例隨機出現(xiàn)，為簡單起見，仿真中在交叉口1 ～2 和4 ～5 間設(shè)置公交?？空荆溆嘟徊婵谖丛O(shè)置?？空军c。仿真步長設(shè)為0.02 s，每次仿真時間步為3600 步，共仿真20 次。主路邊界進口輸入流量為飽和流量，支路進口輸入流量在800 ～1500 pcu/h 之間隨機取值。將定時控制方案運行結(jié)果與本文方法相比較，結(jié)果如圖7 ～圖9所示。

圖7 兩種控制方法下溢流發(fā)生時間對比Fig.7 Overflow appearing time with the two control methods

圖8 交叉口平均流量對比Fig.8 Comparing for intersections average flow

通過對仿真結(jié)果分析可得到如下結(jié)論:

(1)本文方法控制下發(fā)生溢流次數(shù)較定時控制大幅降低，說明本文方法對交叉口溢流的產(chǎn)生起到了一定的抑制作用。

(2)與定時控制相比，本文方法控制下交叉口平均交通流量總體上有所上升，過飽和交通狀態(tài)下交叉口通行能力得到提高。

(3)由于在本文方法中計算車流排隊長度時考慮到了公交權(quán)重的影響，公交車輛在單個交叉口的平均延誤時間較定時控制下有所降低。

圖9 公交車輛在單個交叉口平均延誤時間對比Fig.9 Comparing for bus average delay time in every intersection

3 結(jié)束語

以避免過飽和交叉口溢流、提高過飽和交叉口通行能力為目標，同時考慮過飽和交通狀態(tài)下的公交優(yōu)先需求，首先在車流組合相容性分析的基礎(chǔ)上，給出了動態(tài)相位組合設(shè)計方法，之后考慮到與其相鄰上下游路段交通狀態(tài)，確定了過飽和交叉口信號控制的關(guān)鍵參數(shù)，并在路段車輛排隊長度參數(shù)計算時融入公交車輛權(quán)重，同時給出了專用道公交車輛數(shù)計算方法，使過飽和交通控制下的公交優(yōu)先得以體現(xiàn)，最后利用模糊控制方法，對考慮公交優(yōu)先的過飽和交叉口信號控制問題進行了研究，從而實現(xiàn)過飽和交叉口群的交通信號協(xié)調(diào)控制。從仿真結(jié)果來看，本文提出的控制方法能夠較為有效的抑制過飽和交叉口溢流現(xiàn)象發(fā)生，而且能夠提高交叉口的通行能力，同時使公交車輛在單個交叉口平均延誤時間有所降低。需要說明的是，一方面本文在進行公交優(yōu)先控制時未考慮公交專用相位的設(shè)置，在過飽和交通狀態(tài)下，公交專用相位設(shè)置的條件及結(jié)合公交專用相位的控制方法等內(nèi)容需要進一步考慮;另一方面，本文僅考慮了專用道公交優(yōu)先信號控制，如何將過飽和交通控制與無專用道公交優(yōu)先控制相結(jié)合也值得進一步研究。

［1］Gordon R L.A technique for control of traffic at critical intersections［J］.Transportation Science，1969，3(4):279-287.

［2］Rathi A K.A control scheme for high traffic density sectors［J］.Transportation Research Part B，1988，22(2):81-101.

［3］盧凱，徐建閩.干道協(xié)調(diào)控制相位差模型及其優(yōu)化方法［J］.中國公路學報，2008，21(1):83-88.Lu Kai，Xu Jian-min.Offset model for arterial road coordinate control and its optimization method［J］.China Journal of Highway and Transport，2008，21(1):83-88.

［4］王殿海，李鳳，宋現(xiàn)敏.干線協(xié)調(diào)控制中公共周期優(yōu)化方法研究［J］.交通信息與安全，2009，27(5):10-13.Wang Dian-hai，Li Feng，Song Xian-min.Public cycle optimal method at arterial signal progression［J］.Journal of Transport Information and Safety，2009，27(5):10-13.

［5］Rouphail N M，Akcelik R.A preliminary model of queue interaction at signalized paired intersections［J］.Proceeding of Australian Road Research Board，1992，16(5):325-345.

［6］王浩，彭國雄，楊曉光.基于車流到達波動分析的協(xié)調(diào)控制評價方法［J］.同濟大學學報:自然科學版，2005，33(10):1313-1316.Wang Hao，Peng Guo-xiong，Yang Xiao-guang.Evaluation method for coordination control based on analysis of fluctuation of arrival flow［J］.Journal of Tongji University，2005，33(10):1313-1316.

［7］李巖.過飽和狀態(tài)交叉口群關(guān)鍵路徑識別及交通信號控制研究［D］.南京:東南大學交通學院，2011.Li Y.Study of key road identification and traffic signal control of oversaturated intersection group［D］.Nanjing:School of Transportation，Southeast University，2011.

［8］袁長亮.城市路網(wǎng)過飽和交通信號控制策略研究［D］.上海:同濟大學交通運輸工程學院，2011.Yuan C L.Study on strategy of urban road oversaturated traffic signal control［D］.Shanghai:School of Transportation Engineering，Tongji University，2011.

［9］馬萬經(jīng)，楊曉光.公交信號優(yōu)先控制策略研究綜述［J］.城市交通，2010，8(6):70-78.Ma Wan-jing，Yang Xiao-guang.A review of prioritizing signal strategies for bus services［J］.Urban Transport of China，2010，8(6):70-78.

［10］陳智，劉小明，劉文婷，等.過飽和交叉口交通信號模糊關(guān)聯(lián)控制方法［J］.信息與控制，2014，43(3):374-380.Chen Zhi，Liu Xiao-ming，Liu Wen-ting，et al.Interconnected control of traffic signals at oversaturated intersections using fuzzy control method［J］.Information and Control，2014，43(3):374-380.

［11］Liu H X，Wu X，Ma W，et al.Real-time queue length estimation for congested signalized intersections［J］.Transportation Research Part C:Emerging Technologies，2009，17(4):412-427.

［12］代磊磊，姜桂艷，裴玉龍.飽和信號交叉口排隊長度預測［J］.吉林大學學報:工學版，2008，38(6):1287-1290.Dai Lei-lei，Jiang Gui-yan，Pei Yu-long.Prediction of queue length at saturate signalized intersection［J］.Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition)，2008，38(6):1287-1290.

［13］郭四玲，韋艷芳，時偉，等.公交車?？繒r間的統(tǒng)計分析［J］.廣西師范大學學報:自然科學版，2005，24(2):5-9.Guo Si-ling，Wei Yan-fang，Shi Wei，et al.Statistical analysis of buses stopping time［J］.Journal of Guangxi Normal University(Natural Science Edition)，2005，24(2):5-9.