城市交通干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制方案過渡調(diào)整策略

城市交通干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制方案過渡調(diào)整策略*

樹愛兵▲張雷元徐棱盧誠

(公安部交通管理科學(xué)研究所江蘇 無錫 214151)

摘要介紹了國內(nèi)外當(dāng)前交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制方案過渡方法的研究現(xiàn)狀，分析比較了現(xiàn)有的干線協(xié)調(diào)過渡方法。針對當(dāng)前過渡調(diào)整方法對于交通信號(hào)控制機(jī)如何實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)方案的快速調(diào)整涉及較少，未考慮交通信號(hào)機(jī)實(shí)現(xiàn)過渡調(diào)整過程中的實(shí)際需求等不足，以當(dāng)日零點(diǎn)為協(xié)調(diào)控制方案的起始點(diǎn)，針對交叉口過渡信號(hào)周期以及周期調(diào)整步幅的取值范圍，提出了1種基于周期的交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制過渡調(diào)整策略，并進(jìn)行了算例分析。結(jié)果表明：該策略能夠在1～2個(gè)周期內(nèi)快速調(diào)整完畢，減少了信號(hào)配時(shí)的突變所引發(fā)路面交通的劇烈波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了交通流運(yùn)行的平穩(wěn)和連續(xù)。文中所介紹的算法可以實(shí)現(xiàn)不同控制方式之間的切換，也可以用于城市區(qū)域協(xié)調(diào)控制中，具有較廣的適用范圍和實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞交通信號(hào)；協(xié)調(diào)控制；周期；相位差；過渡策略

中圖分類號(hào)：U491.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-09-25修回日期：2014-12-05

通訊作者第一作者()簡介：樹愛兵 (1980-)，碩士，助理研究員.研究方向：交通信號(hào)控制、交通信息集成.E-mail:spily365@163.com

Transition Adjustment Tactic of Signal Coordinated

Control Scheme for Urban Traffic Arterial

SHU AibingZHANG LeiyuanXU LingLU Cheng

(TrafficManagementResearchInstituteofPublicSecurityMinistry,Wuxi214151,Jiangsu,China)

Abstract:This paper firstly introduces the current research on the transition method of coordinated control scheme, then reviews various arterial coordinated transition method. The current transitional adjustment methods involve rarely in the fast adjustment coordination scheme in traffic signal controller, without considering the requirements of traffic signal controller for transition in the process of adjustment of the actual demand. In this paper, take zero clock as a starting point of coordinated control scheme, aimed at the value range of the transition signal cycle and cycle adjusting step, this paper proposed a coordinated control strategy of traffic signal transition adjustment based on cycle. The results show that this method can quickly adjust in the 1～2 cycles, reduce the fluctuation of road traffic caused by mutation signal timing, and ensure the smooth and continuous operation of traffic flow. This algorithm can realize the switch between different control modes, also can be used for coordination control in urban area, and has a wide scope of application and practical value.

Key words:traffic signal; coordinated control; cycle; offset; transition tactic

*中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)2014SJA04)資助

0引言

城市交通信號(hào)干線協(xié)調(diào)控制是城市交通控制中簡單而廣泛使用的1種控制方式，是城市交通區(qū)域協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)[1-2]。在城市交通信號(hào)干線協(xié)調(diào)控制中，相位差是最重要的交通控制參數(shù)。相位差的優(yōu)化往往由中心計(jì)算機(jī)來完成，中心計(jì)算機(jī)專注于最優(yōu)相位差的獲取，精心選擇和優(yōu)化相位差生成算法。而把與各交叉口狀態(tài)相關(guān)的相位差調(diào)整放置在路口本地交通信號(hào)控制機(jī)內(nèi)完成，所有的路口信號(hào)機(jī)可以并行地對相位差進(jìn)行調(diào)整[3]。

當(dāng)路口信號(hào)機(jī)從當(dāng)前協(xié)調(diào)控制方案相位差調(diào)整到目標(biāo)協(xié)調(diào)方案相位差時(shí)，既希望控制方案能隨著交通狀況的變化快速地做出調(diào)整，但又不能變化太劇烈，防止配時(shí)參數(shù)突變引發(fā)路面交通的劇烈波動(dòng)造成對車流的阻滯和影響，降低了新方案執(zhí)行的預(yù)期效益。事實(shí)上，1次短暫的方案過渡調(diào)整過程也可能會(huì)在之后的一段時(shí)間內(nèi)對交通流持續(xù)產(chǎn)生影響[4]，過渡方案設(shè)置得當(dāng)可以有效地減少過渡期間車輛的延誤，反之，則直接影響后續(xù)多個(gè)信號(hào)控制周期的運(yùn)行效果，因此亟需研究并實(shí)現(xiàn)1種快速、平穩(wěn)、實(shí)用的交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制方案過渡算法，從而保證交通流運(yùn)行的平穩(wěn)和連續(xù)。

1協(xié)調(diào)方案過渡方法研究現(xiàn)狀

1.1國外協(xié)調(diào)方案過渡方法

國外關(guān)于信號(hào)配時(shí)方案過渡方法的研究起源于上世紀(jì)70年代[5]，經(jīng)過40余年的研究，已發(fā)展有8種常用的信號(hào)控制方案過渡方法。

如以協(xié)調(diào)相位作為調(diào)整參數(shù)的Dwell法、Max Dewll法、Shortway法，以信號(hào)周期作為調(diào)整參數(shù)的Add法、Substract法、Smooth法、Shortest法[6]。這些過渡調(diào)整方法中，Dwell法通過單周期實(shí)現(xiàn)方案調(diào)整，其他過渡方法則通過多個(gè)周期逐步調(diào)整到目標(biāo)方案；在調(diào)整方向上，Smooth法、Shortest法、Shortway法可進(jìn)行雙向調(diào)節(jié)，其余方法只可進(jìn)行單向調(diào)節(jié)。見表1。

表1　國外常用過渡方法統(tǒng)計(jì)表

1.2國內(nèi)協(xié)調(diào)方案過渡方法

國內(nèi)關(guān)于協(xié)調(diào)方案過渡方法的研究尚處于起步階段，但也形成了一些研究成果。盧凱等[7-8]利用交叉口相位差調(diào)整比例的極小極大原理，提出了單周期對稱調(diào)節(jié)過渡算法與N周期加權(quán)調(diào)節(jié)過渡算法，實(shí)現(xiàn)了對控制區(qū)域內(nèi)交叉口相位差調(diào)整量的整體優(yōu)化。宋現(xiàn)敏[9]針對傳統(tǒng)協(xié)調(diào)方案過渡方法單一化、過渡時(shí)間較長等缺點(diǎn)，建立了不同情況下的信號(hào)協(xié)調(diào)方案過渡算法。栗紅強(qiáng)等[10]以延誤作為優(yōu)化控制目標(biāo)，采用TSIS仿真軟件過渡算法對交叉口高峰前后2種過渡場景進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明：快速過渡的整體控制效果要優(yōu)于平穩(wěn)過渡。郭海峰等[11]在綜合考慮過渡時(shí)間和平滑特性的基礎(chǔ)上，提出1種基于最佳相位差調(diào)整量控制方案的快速平滑過渡方法。該方法能夠使干線協(xié)調(diào)控制方案最多通過3個(gè)信號(hào)周期快速地過渡到新方案，且過渡期間的控制效果優(yōu)于Add和Subtract方法。

1.3小結(jié)

綜上，目前國內(nèi)外關(guān)于協(xié)調(diào)控制方案過渡方法的研究較多，各過渡方法所涉及的調(diào)整參數(shù)、調(diào)整方向及調(diào)節(jié)周期不盡相同。然而上述過渡調(diào)整方法對于交通信號(hào)控制設(shè)備如何實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)方案的快速調(diào)整涉及較少，未考慮交通信號(hào)機(jī)實(shí)現(xiàn)過渡調(diào)整過程中的實(shí)際需求，因此，在實(shí)際應(yīng)用中將受到較大的限制。筆者以當(dāng)日零點(diǎn)為協(xié)調(diào)控制方案的起始點(diǎn)，針對交叉口過渡信號(hào)周期以及周期調(diào)整步幅的取值范圍，提出了1種基于周期的交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制過渡調(diào)整策略，并進(jìn)行了算例分析。

2協(xié)調(diào)過渡調(diào)整策略

2.1相位差的選擇

在交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制的實(shí)踐中，通過執(zhí)行若干平滑過渡周期來實(shí)現(xiàn)信號(hào)控制的平穩(wěn)過渡，通過提前或延遲路口協(xié)調(diào)相位的起始時(shí)刻來實(shí)現(xiàn)相位差的調(diào)整[12]。路口相對相位差在調(diào)整時(shí)需要考慮該路口本身與其基準(zhǔn)路口間綠燈起始時(shí)間差，從而決定是否需要改變及如何改變其協(xié)調(diào)相位的起始時(shí)刻；而絕對相位差不需要考慮其他路口的相位差改變情況，只需考慮協(xié)調(diào)相位的起始時(shí)刻，從而改變絕對相位差。因此為快速調(diào)整相位差，選擇絕對相位差來調(diào)整相位差。

2.2算法設(shè)計(jì)

設(shè)某一協(xié)調(diào)控制子區(qū)內(nèi)共包含有編號(hào)為Ι1，Ι2，…，Ιn的n個(gè)交叉口，為簡化算法設(shè)計(jì)，假設(shè)各交叉口原先以單點(diǎn)固定控制方案運(yùn)行，交叉口Ι1～Ιn的運(yùn)行周期分別為C1～Cn，各交叉口在時(shí)刻Ti從過渡前的單點(diǎn)固定方案Poi切換到新的協(xié)調(diào)控制方案Pni，協(xié)調(diào)控制方案各交叉口的公共信號(hào)周期為CA，見圖1。在協(xié)調(diào)控制方案中，以交叉口Ι1首相位綠燈起始時(shí)間作為其他交叉口協(xié)調(diào)相位差的參考點(diǎn)，交叉口Ι1～Ιn的目標(biāo)絕對相位差分別為O1～On。交叉口信號(hào)周期時(shí)長允許區(qū)間為[Cmin～Cmax]，每次周期調(diào)整的步幅范圍為[-ΔCmax～ΔCmax]。

在圖1中，N為協(xié)調(diào)控制方案已執(zhí)行的次數(shù)，選取零點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)對各交叉口進(jìn)行相位差偏移;Si為各交叉口在方案切換時(shí)刻Ti距離零點(diǎn)的絕對秒數(shù)，則在方案切換時(shí)刻Ti，即上一控制方案周期運(yùn)行結(jié)束時(shí)刻，交叉口Ιi協(xié)調(diào)方案信號(hào)周期已執(zhí)行時(shí)間Cfi為

(1)

交叉口距離下1次協(xié)調(diào)相位起始時(shí)間，即剩余周期時(shí)間Cli為

(2)

圖1　協(xié)調(diào)方案周期運(yùn)行關(guān)系

2.2.1周期時(shí)長調(diào)整

周期時(shí)長的調(diào)整首先需計(jì)算該交叉口在方案切換時(shí)刻剩余周期時(shí)長Cli，從而決定下1個(gè)過渡協(xié)調(diào)方案需要執(zhí)行的周期時(shí)長，具體步驟如下：

步驟1。計(jì)算交叉口Ιi在方案切換時(shí)刻Ti距離下1次協(xié)調(diào)相位綠燈起始時(shí)間Cli。

步驟2。當(dāng)Cli在[Cmin～CA]區(qū)間時(shí)，信號(hào)機(jī)只需執(zhí)行1次過渡周期時(shí)長Cti=Cli，此時(shí)需要將協(xié)調(diào)信號(hào)周期進(jìn)行縮短，縮短的周期時(shí)長Cri=CA-Cli。當(dāng)信號(hào)機(jī)執(zhí)行完該過渡協(xié)調(diào)方案后，信號(hào)機(jī)協(xié)調(diào)周期和相位差均調(diào)整到位，下1個(gè)運(yùn)行周期將按照新的協(xié)調(diào)方案進(jìn)行控制。

步驟3。當(dāng)Cli在(0～Cmin)區(qū)間時(shí)，采用延長周期時(shí)長的方法來逐步調(diào)整到位，實(shí)現(xiàn)信號(hào)協(xié)調(diào)控制方案的平滑過渡，信號(hào)機(jī)過渡周期時(shí)長為

(3)

式中：ΔCmax為最大允許調(diào)節(jié)的周期時(shí)長，過渡方案協(xié)調(diào)時(shí)最后1次周期的延長時(shí)長為Cei=ClimodΔCmax。信號(hào)機(jī)需要調(diào)整的過渡周

期次數(shù)為

(4)

通過延長周期時(shí)長，將剩余周期長度逐步分配到各后續(xù)周期時(shí)長中，從而逐步逼近到目標(biāo)協(xié)調(diào)相位差。

2.2.2綠燈時(shí)間分配

假設(shè)各交叉口信號(hào)相位綠燈時(shí)間在[Pmin,Pmax]之間，當(dāng)協(xié)調(diào)方案采用周期縮短及延長時(shí)，各相位綠燈時(shí)間分配策略如下：

1)當(dāng)協(xié)調(diào)方案周期時(shí)長縮短時(shí)，各相位綠燈時(shí)間的分配原則是先從非協(xié)調(diào)相位開始縮短，每個(gè)相位減少的時(shí)間為:

(5)

(6)

當(dāng)采用延長周期時(shí)長的方法調(diào)整周期時(shí)，需要對各相位的綠燈時(shí)間進(jìn)行延長，將延長的周期時(shí)長分配給各相位綠燈時(shí)間。分配的原則如下：從協(xié)調(diào)相位開始分配，每次相位延長的綠燈時(shí)間為

(7)

(8)

3算例分析

3.1干線交通狀況

假設(shè)1條干線共包含4個(gè)信號(hào)交叉口，如圖2所示，各交叉口原有固定方案周期分別為100，80，90，95 s，選取交叉口1作為相位差設(shè)置的基準(zhǔn)交叉口，協(xié)調(diào)控制方案公共周期時(shí)長為100 s，各交叉口的第1個(gè)相位為協(xié)調(diào)控制相位，周期調(diào)整步幅為[0～30 s]，協(xié)調(diào)周期時(shí)長允許區(qū)間為[60～140 s]。各路口新的協(xié)調(diào)配時(shí)方案及相位差見表2。求各交叉口協(xié)調(diào)方案過渡周期時(shí)長及各相位綠燈時(shí)間。

圖2　交通干線示意圖

s

3.2交叉口調(diào)整過程

以交叉口1為例進(jìn)行詳細(xì)說明。在06:15時(shí)

刻交叉口1開始方案切換，此時(shí)協(xié)調(diào)控制方案周期已執(zhí)行時(shí)間為Cf1=15s，則剩余周期時(shí)間Cl1=100-15=85s，在協(xié)調(diào)周期時(shí)長區(qū)間[60～140 s]內(nèi)，因此下1個(gè)過渡周期直接運(yùn)行85 s，交叉口1在06:01:40調(diào)整到位。見表3。

根據(jù)縮短周期時(shí)長相位綠燈時(shí)長的分配規(guī)則，首先縮短非協(xié)調(diào)相位的綠燈時(shí)間，最后再縮短協(xié)調(diào)相位的綠燈時(shí)間，交叉口1相位1～4的縮短時(shí)間分別為3，4，4，4 s。縮短后的相位時(shí)間分別為32，16，21，16 s。表4為各交叉口信號(hào)周期及相位的具體調(diào)整時(shí)間。

表3　交叉口1協(xié)調(diào)相位調(diào)整時(shí)間

表4　各交叉口信號(hào)周期及相位調(diào)整時(shí)間

表4中交叉口1，2，4均只需通過1個(gè)過渡信號(hào)周期就可以調(diào)整到新的協(xié)調(diào)控制方案，而交叉口3則需要2個(gè)過渡信號(hào)周期的調(diào)整；在調(diào)節(jié)方向上，交叉口1采用縮短周期的方法進(jìn)行過渡，其他交叉口則采用延長周期時(shí)長的方法進(jìn)行過渡；在周期調(diào)整總量方面，交叉口4調(diào)整量最小，為1 s。交叉口3的調(diào)整量最大，為33 s。

4結(jié)束語

筆者所介紹的基于周期的交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制過渡調(diào)整策略，能夠在1～2個(gè)過渡周期內(nèi)快速調(diào)整到目標(biāo)協(xié)調(diào)控制方案。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)交叉口的交通需求，設(shè)置適當(dāng)?shù)闹芷谡{(diào)節(jié)步幅和范圍區(qū)間，實(shí)現(xiàn)信號(hào)協(xié)調(diào)控制方案的快速平滑過渡。筆者所介紹的既可以實(shí)現(xiàn)不同控制方式之間的切換，也可以用于城市區(qū)域協(xié)調(diào)控制中，具有較廣的適用范圍和實(shí)用價(jià)值。

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