基于動態(tài)交通分配的交通誘導(dǎo)與控制協(xié)同研究

李 旭, 周彤梅

(中國人民公安大學(xué)交通管理學(xué)院, 北京 102623)

基于動態(tài)交通分配的交通誘導(dǎo)與控制協(xié)同研究

李 旭, 周彤梅

(中國人民公安大學(xué)交通管理學(xué)院, 北京 102623)

在交通誘導(dǎo)與控制協(xié)同運作中，動態(tài)交通分配理論的有效應(yīng)用可以全面提升系統(tǒng)的實時性與高效性，從而有效緩解城市道路交通擁堵。對動態(tài)交通分配、交通誘導(dǎo)與交通控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀進行了概述；將動態(tài)交通分配理論與模型應(yīng)用到誘導(dǎo)與控制協(xié)同機理中，建立了基于動態(tài)交通分配的交通誘導(dǎo)與控制綜合協(xié)同模型；在現(xiàn)有的誘導(dǎo)與控制協(xié)同過程中加入動態(tài)策略選擇與動態(tài)交通分配環(huán)節(jié)，提出了適用于城市大型路網(wǎng)的交通誘導(dǎo)與控制協(xié)同系統(tǒng)實施框架。

動態(tài)交通分配； 交通誘導(dǎo)； 交通控制； 智能協(xié)同

0 引言

在機動車數(shù)量持續(xù)增長和城市路網(wǎng)容量接近飽和的雙重壓力下，解決城市道路交通供需不平衡問題的方法，已經(jīng)從發(fā)展道路交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)向交通管理系統(tǒng)優(yōu)化與協(xié)同方向轉(zhuǎn)變。通過智能交通各子系統(tǒng)的協(xié)同運行，對交通數(shù)據(jù)信息進行整合與共享，能夠?qū)崿F(xiàn)城市道路交通流的合理、均衡分配，有效地緩解城市道路交通擁堵的情況。

交通控制系統(tǒng)與交通誘導(dǎo)系統(tǒng)，是城市道路交通協(xié)調(diào)和管理的兩個重要功能系統(tǒng)，從時間和空間兩個方面，共同影響著城市道路交通流的運行和分布狀態(tài)，二者存在著相互影響、相輔相成的關(guān)系。因此，對交通誘導(dǎo)與控制系統(tǒng)進行協(xié)同研究，不但可以消除二者單獨作用時所存在的局限性，還能夠提高道路交通管控策略的實時性。通過對本文相關(guān)內(nèi)容的深入研究，能夠為改善我國城市道路交通擁堵現(xiàn)狀提供借鑒。

1 國內(nèi)外主要研究現(xiàn)狀

在交通誘導(dǎo)、交通控制以及動態(tài)交通分配的結(jié)合方面，國內(nèi)外學(xué)者均已經(jīng)進行了廣泛的研究。在國外，Lian提出了上層為交通控制、下層為動態(tài)交通分配模型的雙層優(yōu)化模型。Paz等[1]在動態(tài)交通分配模型中融入自適應(yīng)信號控制算法，實現(xiàn)交通誘導(dǎo)與控制的協(xié)同。此外，全局優(yōu)化模型和多智能體的應(yīng)用也為三者的結(jié)合提供了可能[2]。在國內(nèi)，孫智源和陸化普等[3]建立了上層以交叉口延誤最小為目標，下層為用戶均衡模型的雙層規(guī)劃模型。天津大學(xué)的馬壽峰與王亮等[4]分析了交通誘導(dǎo)與交通控制間的相互關(guān)系，提出了模型一體化的思路。

通過查閱相關(guān)文獻可知，目前的交通誘導(dǎo)與控制協(xié)同模型與方法很難有效應(yīng)用到大型路網(wǎng)中，導(dǎo)致交通控制系統(tǒng)無法完全適應(yīng)誘導(dǎo)方案實施后的交通流變化；并且在制定交通誘導(dǎo)與控制策略時，往往缺乏針對不同路網(wǎng)運行狀況的實時分析，導(dǎo)致策略缺少實時性與適配性，無法有效解決我國道路交通情況復(fù)雜、擁堵疏散周期長、易反復(fù)等問題。

本文將動態(tài)交通分配理論引入到交通誘導(dǎo)與控制協(xié)同模型中，建立交通控制與誘導(dǎo)綜合模型，針對交通擁堵周期長、路段交織復(fù)雜的城市大路網(wǎng)，在協(xié)同過程中增加了動態(tài)策略選擇階段，通過建立全局優(yōu)化的多層協(xié)作模式，對交通流進行有效管控，緩解道路擁堵狀況。

2 基于動態(tài)交通分配的交通誘導(dǎo)與控制綜合協(xié)同模型

2.1 動態(tài)交通分配理論

動態(tài)交通分配理論是交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的重要理論基礎(chǔ)，它根據(jù)實時檢測的路網(wǎng)交通信息參數(shù)，計算出最合適的交通量分布方式，再將各路網(wǎng)上時變的交通需求均勻分配到不同路徑上，達到路網(wǎng)交通流時空分布均勻、供需平衡的目標。考慮到分配策略所需達到的最優(yōu)目標不一，動態(tài)交通分配模型一般分為兩類，即系統(tǒng)最優(yōu)動態(tài)交通分配模型和用戶最優(yōu)動態(tài)交通分配模型[5]。

系統(tǒng)最優(yōu)動態(tài)交通分配模型以系統(tǒng)最優(yōu)為分配優(yōu)化目標，希望達到系統(tǒng)總行程最短，延誤最小等目的，是一種理想化的模型。該模型的優(yōu)點是可以使系統(tǒng)達到整體最優(yōu)狀態(tài)；但是，它忽略了出行者自身對誘導(dǎo)路徑的選擇意愿，影響了交通誘導(dǎo)系統(tǒng)的有效性[6]。

用戶最優(yōu)動態(tài)交通分配模型以出行者利益最大為優(yōu)化目標，希望達到出行費用最小、時間最短等目的。該模型所制定的誘導(dǎo)策略全面考慮了出行者的自身利益；但是，它降低了系統(tǒng)整體的協(xié)調(diào)能力，可能會導(dǎo)致交通的局部擁堵。

由于交通管理與控制是以系統(tǒng)最優(yōu)為目標，對本文所研究的協(xié)同系統(tǒng)而言，其解決交通擁堵問題的目標和本質(zhì)也是實現(xiàn)路網(wǎng)整體最優(yōu)。因此，在協(xié)同系統(tǒng)構(gòu)建時選擇使用系統(tǒng)最優(yōu)動態(tài)交通分配模型。

2.2 交通誘導(dǎo)與控制綜合協(xié)同模型

本文研究的協(xié)同模型以均衡路網(wǎng)流量為目標，定義用飽和程度R表示路網(wǎng)的交通流量分布狀況。由于交叉口和路段的通行能力不同，因此在建立模型時分別考慮了交叉口和路段的飽和程度的影響權(quán)重，以平均飽和程度最小為目標，建立誘導(dǎo)與控制綜合模型：

(1)

定義：

(2)

公式(2)表示t時刻路段a的飽和程度[7]，式中da為路段a長度，kaj為路段a的阻塞密度。

定義：

(3)

公式(3)表示t時刻交叉口c的飽和程度，式中g(shù)為交叉口的綠燈時間，g′為車輛有效利用的綠燈時間。

此外，公式(1)中α，β為路段與交叉口的飽和程度對于路網(wǎng)綜合飽和程度的影響權(quán)重，其數(shù)值大小根據(jù)各路段與交叉口的具體交通狀況確定。

3 基于動態(tài)交通分配的交通誘導(dǎo)與控制多層協(xié)同研究

3.1 不同交通狀態(tài)下的協(xié)同策略選擇

由于不同交通狀態(tài)下的交通流可控水平、誘導(dǎo)方案接受率等均存在較大差異，大大影響了協(xié)同策略實施的有效性[8]。因此，對于交通狀態(tài)更新快、路網(wǎng)復(fù)雜的城市大型路網(wǎng)，根據(jù)路網(wǎng)的不同交通狀態(tài)，動態(tài)選擇相適應(yīng)的誘導(dǎo)和控制協(xié)同策略，不僅可以提高協(xié)同效率，避免資源浪費，還可以達到最優(yōu)的管控效果。

交通擁堵等級的判定標準，包括交叉口延誤、行程車速、交通量、出行時間等[7]，其中車速參數(shù)易測量且具有時效性強和動態(tài)性高的特點，更適用于動態(tài)交通分配及誘導(dǎo)與控制協(xié)同系統(tǒng)。因此，本文將道路上行駛車輛的平均行程車速作為所研究的協(xié)同系統(tǒng)中道路交通擁擠等級的判定標準，用V來表示路段上行駛車輛的平均車速。

(1)暢通狀態(tài)。暢通狀態(tài)下，即V≥30 km/h，車輛在道路上行駛的自由度較大，交通誘導(dǎo)方案的實用性和接受率較低，單獨依靠信號控制即可保證道路交通平穩(wěn)運行。此時不需要采用控制與誘導(dǎo)協(xié)同的策略，應(yīng)注重信號控制系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)聯(lián)動，保證車輛運行的連續(xù)性。

(2)輕度擁堵狀態(tài)。輕度擁堵狀態(tài)下，即20 km/h

(3)擁堵狀態(tài)。擁堵狀態(tài)下，即10 km/h

(4)嚴重堵塞狀態(tài)下，即V≤10 km/h，由于交叉口和路段都處于停滯狀態(tài)，信號控制系統(tǒng)很難有效發(fā)揮疏導(dǎo)作用，只有先對交通流進行外部誘導(dǎo)，才能進一步對擁堵狀態(tài)下的交通流進行管控和疏導(dǎo)。此時，應(yīng)選擇以交通誘導(dǎo)為主，交通控制為輔的協(xié)同策略，先通過交通誘導(dǎo)系統(tǒng)將動態(tài)交通分配后的交通流誘導(dǎo)至其他路段，在交通狀況得到緩解后，再利用二者協(xié)同方法，使交通擁堵盡快消散。

3.2 多層協(xié)同系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)有的交通誘導(dǎo)與控制協(xié)同過程，初步構(gòu)建了基于動態(tài)交通分配的交通誘導(dǎo)與控制多層協(xié)作系統(tǒng)的實施框架，多層協(xié)同系統(tǒng)通過使用誘導(dǎo)與控制綜合協(xié)同模型均衡路網(wǎng)交通流量，將誘導(dǎo)與交通控制系統(tǒng)共同作用于城市路網(wǎng)，使協(xié)同效果具有針對性和動態(tài)性，更加適用于交通擁堵周期長、路段交織復(fù)雜的城市大型路網(wǎng)。該系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 交通誘導(dǎo)與控制多層協(xié)同系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

針對所構(gòu)建的多層協(xié)同系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)，提出了一種多次互反饋交通誘導(dǎo)與控制協(xié)同的運作模式，具體如下：

(1)交通誘導(dǎo)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)信息采集與共享

將交通控制系統(tǒng)中交通采集設(shè)備采集到的車流量、車速、占有率等參數(shù)進行存儲和處理，并與交通誘導(dǎo)系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；同時，將實施交通誘導(dǎo)后的交通流狀態(tài)反饋給控制系統(tǒng)，達到路網(wǎng)交通信息實時、全面共享，這是協(xié)同系統(tǒng)運作的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2)判斷交通狀態(tài)，選擇協(xié)同策略

根據(jù)實時檢測的車輛平均速度對當(dāng)前路網(wǎng)交通狀態(tài)進行判別，針對暢通、緩行、擁堵和嚴重堵塞等交通狀態(tài)，分別采取不同的協(xié)同策略。

(3)交通誘導(dǎo)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)協(xié)作

通過基于動態(tài)交通分配的誘導(dǎo)與控制綜合協(xié)同模型均衡各路段交通流量，配合交通誘導(dǎo)系統(tǒng)將各路網(wǎng)上時變的交通需求均勻分配到不同路段上，從空間上均分交通壓力；同時，對誘導(dǎo)實施后的交通流狀態(tài)進行預(yù)測和分析，協(xié)助交通控制系統(tǒng)調(diào)整與誘導(dǎo)方案相適應(yīng)的信號配時參數(shù)，從時間上緩解當(dāng)前道路的擁堵狀態(tài)。

(4)交通狀態(tài)再判別

將前一次協(xié)同策略實施后的路網(wǎng)交通狀態(tài)進行重新判別，根據(jù)實時交通狀態(tài)變化趨勢動態(tài)選擇協(xié)同方案，重新計算各路段交通量的分配，進行再誘導(dǎo)、再控制，可以對城市道路中擁堵較嚴重的路段產(chǎn)生多周期、具有針對性的疏導(dǎo)作用。

4 結(jié)論

本文對動態(tài)交通分配、交通誘導(dǎo)與控制模型進行了整合與研究，在現(xiàn)有的交通誘導(dǎo)與控制雙層協(xié)同中增加了動態(tài)交通分配環(huán)節(jié)，通過建立綜合協(xié)同模型以及多層協(xié)同系統(tǒng)框架，為動態(tài)交通分配、交通誘導(dǎo)與交通控制實現(xiàn)相互結(jié)合、共同運作提供了可能；同時根據(jù)我國城市大路網(wǎng)交通的特點，為不同運行狀態(tài)下的路網(wǎng)提供了動態(tài)選擇的協(xié)同運作策略，使交通誘導(dǎo)與控制系統(tǒng)能夠更有針對性地調(diào)節(jié)變化后的交通流。本文所提出的交通誘導(dǎo)與控制協(xié)同系統(tǒng)實施框架僅為初步結(jié)構(gòu)，仍需進一步研究，所建立的基于動態(tài)交通分配的交通誘導(dǎo)與控制協(xié)同系統(tǒng)模型的協(xié)同效果也需在仿真實驗中加以驗證與完善。

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D035.37

李 旭(1993—)， 女， 山東濟南人， 2016級在讀碩士研究生。研究方向為交通管理工程。

(責(zé)任編輯于瑞華)