交通信號協(xié)調(diào)控制算法研究

高 雙

（晉中學院 機械學院，山西 晉中 030619）

交通信號協(xié)調(diào)控制算法研究

高 雙

（晉中學院 機械學院，山西 晉中 030619）

隨著城市建設的不斷加快，交通運輸設施尤其是道路交通面臨的壓力日益增大。在城市路網(wǎng)中，對交通擁堵等狀態(tài)進行信號調(diào)整，對于城市路網(wǎng)提高系統(tǒng)控制和運行效率具有非常重要的意義。

交通信號；協(xié)調(diào)控制；算法研究

1 交通信號協(xié)調(diào)控制概述

交通信號包括指揮燈、車道燈、行人燈、手勢信號燈，作為疏導交通的重要交通工具，在交叉路口等位置對道路交通秩序進行控制，保證車輛和行人的安全出行。

交通信號協(xié)調(diào)控制的優(yōu)劣決定了城市交通的通行能力，是緩解城市擁堵，解決城市交通壓力的重要措施。因此，對交叉路口等通行能力的設計、組織和管理，是交通信號協(xié)調(diào)控制的重要目的。

2 交通性能評價指標

針對我國具體的交通運輸國情，應進一步加強城市交通信號控制系統(tǒng)的研究工作，在交通信號協(xié)調(diào)控制算法上加以改進，通過合理地給交通流分配通行權(quán)，有效分離交通流，提高通行率，保障出行安全。

信號控制指數(shù)主要包括周期、相位、相位差、飽和度、流量、速度等，對這些任務進行合理配置是為了保證交叉路口車流通行能力的提升。如信號周期為紅綠黃3種信號燈在一定時間內(nèi)依次閃亮的循環(huán)時間周期C，適當?shù)闹芷趯κ婢徑煌骱蜏p少車輛等待時間起著決定性作用。

信號相位是交叉路口某個方向或者幾個方向的交通流。當這些通行權(quán)被分配得當時，不論何時都能獲得完整的信號燈色顯示，不同等色的連續(xù)時序就是一個相位。一般的相位為每個交叉路口二、三、四相。相位增多表明交通安全系數(shù)高。相位差包括絕對相位差和相對相位差。指的是信號綠燈、紅燈從起點到終點的時間差。

排隊長度分為非飽和條件下車輛在交叉口停車線后的排隊長度、飽和條件下車輛排隊長度、過飽和條件下，車輛排隊長度。

在實際道路、交通、信號控制條件下，通過進口道停車線的最大車輛數(shù)，被稱為通行量。通行量的整體性、相關性等要素表示了交叉路口的系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)情況。掌握交通量、車輛延誤時間、運行速度等參數(shù)變量，就能對系統(tǒng)的動態(tài)特性進行掌控，減少交通事故的發(fā)生。

3 固定周期配時算法

通過交叉路口信號燈的燈色順序和持續(xù)時間，可以有效控制交通信號系統(tǒng)協(xié)調(diào)行使功能。

3.1 按照響應方式進行分類

根據(jù)交叉路口歷史交通量數(shù)據(jù)確定控制參數(shù)，一天一種的配時方案為單時段定時控制，這種方式簡單、投資較少、維護方便，但是不能適應變化的交通條件；不同時段的交通量執(zhí)行不同配時方案為多時段定時控制。一天可分為幾個時段，根據(jù)不通的周期時長選擇不同的控制方式變換參數(shù)。

根據(jù)交叉路口設置的車輛到達檢測器，對交通量變動實行實時控制，分為半感應式控制和全感應控制，優(yōu)勢在于檢測到的車輛信息可以隨時改變信號燈配時方案，但是難以用數(shù)學模式描述交通流變化大的情況。

優(yōu)化控制是對城市路網(wǎng)調(diào)度和管理。工作原理為交通信號機上傳到上位機交通數(shù)據(jù)，由上位機對交通量信息進行控制參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，形成最優(yōu)控制的配時方案。

3.2 按照控制范圍來分類

單點控制是根據(jù)路口的實際情況進行獨立運行的控制，適用于相鄰信號機間距遠、線控沒有效果、交通需求變動大的情況，目前在我國大多數(shù)交叉路口使用。

對干道交通信號進行協(xié)調(diào)控制的方式，將主干道上的若干連續(xù)交通信號進行聯(lián)系，設計協(xié)調(diào)調(diào)配的方案，實現(xiàn)信號燈的聯(lián)合運行，達到減少車輛停車次數(shù)的目的。此為干線控制，具有設定公用的周期時長，提高道路通行能力的特點，可以使相鄰的交叉路口具有相同的信號控制周期，使各相位的綠燈開啟時間錯開一定的時間。根據(jù)道路交叉路口的信號燈控制方式的不同，可以劃分為定時式協(xié)調(diào)控制和干道信號感應式控制。

網(wǎng)絡控制是將整個區(qū)域內(nèi)的信號交叉路口作為協(xié)調(diào)控制對象，控制區(qū)域內(nèi)信號交叉路口的集中控制，由中央控制室統(tǒng)一協(xié)調(diào)交叉路口信號機，將區(qū)域內(nèi)的交叉路口聯(lián)合起來進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。

3.3 按照控制策略分類

適應交通量變化的自適應控制系統(tǒng)，在區(qū)域交通網(wǎng)中設置檢測器，采集交通數(shù)據(jù)進行聯(lián)機控制，適應控制系統(tǒng)投資高、結(jié)構(gòu)復雜[1]。

3.3.1 按照控制方式不同

（1）對應交通流狀況，按照事先做好的交通控制方案和控制參數(shù)對交通實行動態(tài)管制。（2）根據(jù)實時交通流數(shù)據(jù)，計算最佳交通控制參數(shù)，設施動態(tài)交通控制。

3.3.2 按照控制結(jié)構(gòu)分類

（1）分散控制是將大系統(tǒng)進行分散控制，每個分散控制的機構(gòu)對局部進行控制，設備費用低，維護方便。（2）集中控制是由中央控制結(jié)構(gòu)對整個過程和對象進行集中檢測與控制，將信號集中傳遞到中央控制機構(gòu)，對所控區(qū)域內(nèi)的交叉路口進行統(tǒng)一的交通流數(shù)據(jù)采集和優(yōu)化。（3）協(xié)調(diào)控制多個分散協(xié)調(diào)機構(gòu)，將被控對象進行局部控制，作出下級決策，完成相應的局部控制任務和全局性的控制任務。

4 改進的交通信號協(xié)調(diào)控制算法

關于交通信號協(xié)調(diào)控制算法，國內(nèi)外學者提出了很多方案。涉及的關鍵問題都是對交通系能評價指標的選取。通過改進的交通系能評價指標，具有實用性和有效性。

改進的交通信號協(xié)調(diào)控制涉及的關鍵問題有：（1）交通信號系協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設計總體方案；（2）交通系能評價的指標確定；（3）交通信號協(xié)調(diào)控制算法的研究。

相位相序設計是對一個或者幾個車流在一個信號周期內(nèi)獲得完全相同的信號燈色顯示，包括相位相序設計和配時設計。相序方案涉及輪流給車輛和行人分配通行權(quán)的問題，在改進方案中根據(jù)較常見的三相位和四相位交叉路口進行了相位和相序的方案設計。

（1）四相位交叉路口在4個方向設立直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)車道，第一個相位運行東西方向直行和右轉(zhuǎn)車輛行駛，第二相位運行東西方向左轉(zhuǎn)，第三相位允許南北直行和右轉(zhuǎn)，第四相位允許南北向車輛左轉(zhuǎn)。（2）三相位交叉路口設立了3個方向的兩個車道，第一個相位允許南向右轉(zhuǎn)，東向左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，第二相位允許東向右轉(zhuǎn)，南向右轉(zhuǎn)，第三相位允許東向右轉(zhuǎn)，北向直行，南向直行和右轉(zhuǎn)。（3）信號配時算法，協(xié)調(diào)了交通信號的控制問題，首先通過修建立交橋、專用車道、行人天橋等分流車輛、行人，其次設置交通信號燈和控制機，按照交通通行權(quán)需求在時間上將車流分開。信號配時設計從相位相序的基礎上，根據(jù)車道、車輛、車速等情況進行方案的最優(yōu)配置，以提高交叉路口通行能力和減少交叉路口延誤的時間為目標。實現(xiàn)交通信號配時協(xié)調(diào)控制的方式，包括：一是優(yōu)化參數(shù)，針對實際要求進行校核，優(yōu)化調(diào)整配時參數(shù)；二是先列出實際約束條件，結(jié)合條件進行參數(shù)優(yōu)化；第三是進行科學運算，使用計算機軟件對信號配時參數(shù)進行計算，包括交通信號相位、相序、周期、綠信比[2]。

使用固定周期配時算法，用于夜間等時段交通量穩(wěn)定的情況，計算交通車流量和飽和流量，尋找最佳信號配時方案。

5 結(jié)語

本文談及的交通信號協(xié)調(diào)控制算法融入了計算機技術，能夠合理解決統(tǒng)計以及計算復雜等問題，解決了點與面的配合關系：用固定周期配時算法解決交通量穩(wěn)定的情況，用改進的交通信號協(xié)調(diào)控制算法和采取人工干預的方法，解決突發(fā)事件。

[1]別一鳴，李軼舜，王琳虹，等.考慮城市干道車隊運行特點的交通信號協(xié)調(diào)控制算法[J].西南交通大學學報，2013（2）：357-367.

[2]王雪茹，高婷婷，李萌，等.一種改進的基于合作調(diào)停的交通協(xié)調(diào)控制算法[J].哈爾濱理工大學學報，2014（1）：59-63.

Research on traffic signal coordinated control algorithm

Gao Shuang
（Mechanical Engineering School of Jinzhong University, Jinzhong 030619, China）

With the rapid development of the construction of city, transportation facilities, especially the road traffic, traffic pressure it faced with is increasing. In the city road network, signal adjustment to traffic congestion state has very important significance for the city road network system control and improving operating efficiency.

traffic signal; coordinated control; algorithm research

高雙（1991— ），女，山西呂梁，碩士研究生，助教；研究方向：控制科學與工程。