交通信號(hào)區(qū)域協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

王 萍，陳 麗，馮澤欣

（嘉興學(xué)院數(shù)理與信息工程學(xué)院，嘉興314033）

1 引言

隨著社會(huì)生活水平的提高，城市化進(jìn)程在不斷提速，機(jī)動(dòng)車輛的急劇增加引起了一系列交通問題，城市中心的交通擁堵情況日益嚴(yán)重，機(jī)動(dòng)車通行效率逐漸降低，嚴(yán)重制約了城市化進(jìn)程的發(fā)展。為了保證車流順暢通行，交通信號(hào)控制即綠波協(xié)調(diào)控制應(yīng)運(yùn)而生。在現(xiàn)有道路條件下，合理控制信號(hào)燈的配時(shí)，對(duì)提高機(jī)動(dòng)車通效率，緩解交通擁堵，具有重要意義[1]。

2 城市交通信號(hào)控制研究現(xiàn)狀

2001年，Park等人提出了一種隨機(jī)信號(hào)優(yōu)化定時(shí)控制的方法，與仿真模型CORSIM結(jié)合，優(yōu)化實(shí)現(xiàn)控制參數(shù)[2]。Ceylan和Bell在2004年對(duì)一種基于遺傳算法的交通信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，提出了方案[3]。而我國(guó)在智能交通領(lǐng)域起步相比國(guó)外要晚，上世紀(jì)九十年代末，基于當(dāng)時(shí)我國(guó)的交通狀況提出了信號(hào)系統(tǒng)基本協(xié)調(diào)方式和調(diào)控的原理，雖然此原理比較模糊，但為信號(hào)協(xié)調(diào)的研究指明了方向[4]?；诓煌范蔚能囕v行駛狀況、以及行駛路段的流量狀況等因素，綜合研究?jī)?yōu)化了交通協(xié)調(diào)模型[5]，并利用仿真學(xué)知識(shí)和VB語言，建立了更為合理的交通控制協(xié)調(diào)仿真模型，使研究結(jié)果更加符合我國(guó)交通現(xiàn)狀[6]。目前國(guó)內(nèi)的交通信號(hào)協(xié)控還存在著不少問題要解決，在實(shí)現(xiàn)上還存在著很大的改進(jìn)空間，如何提高交通道路的通行效率是當(dāng)前研究的要方向之一；另外，還需要進(jìn)一步不斷研究分析不同交通條件下的信號(hào)協(xié)調(diào)控制技術(shù)。

3 交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制模型與設(shè)計(jì)

為了能夠使更多的車輛不停頓或盡可能少停頓地通過交叉口，可將各個(gè)交叉口聯(lián)結(jié)考慮，并且設(shè)置它們信號(hào)燈配時(shí)參數(shù)，最后通過對(duì)轉(zhuǎn)彎車輛數(shù)目的增減、車道上排隊(duì)等候的車輛數(shù)目等因素進(jìn)行對(duì)比，以此作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，來研究信號(hào)燈配時(shí)方案的協(xié)調(diào)控制效果[7]。以相鄰交叉口為原型來建立交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制模型，對(duì)通過交叉口的干道轉(zhuǎn)彎車輛數(shù)目的增減、車道上排隊(duì)等候的車輛數(shù)目分別進(jìn)行分析，如圖1所示。

圖1 基于相鄰交叉口的交通信號(hào)協(xié)控模型

交叉口上主路和支路信號(hào)燈的控制是相反的，只研究主干道信號(hào)燈的配時(shí)情況即可。圖中主干道上有兩個(gè)不同行駛方向的單向車道，通過對(duì)該相鄰交叉口的交通調(diào)查及資料的搜集，先確定交叉路口的系統(tǒng)周期時(shí)長(zhǎng)，再對(duì)改善前的路口1的干道上轉(zhuǎn)彎車輛數(shù)目的增減、車道上排隊(duì)等候的車輛數(shù)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定優(yōu)化后的系統(tǒng)配時(shí)方案；由于協(xié)調(diào)作用，當(dāng)路口2對(duì)車流量進(jìn)行檢測(cè)并需要優(yōu)化其配時(shí)方案時(shí)，可依據(jù)路口1的實(shí)際優(yōu)化情況改善信號(hào)燈的配時(shí)參數(shù)。例如路口1配時(shí)方案完善后綠燈時(shí)長(zhǎng)增加了某數(shù)值，在路口1優(yōu)化基礎(chǔ)之上，按一定的算法更改路口2原配時(shí)，如將路口1綠燈增加的時(shí)長(zhǎng)乘以系數(shù)k，以一定的比例來做調(diào)整。信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的模型是根據(jù)不同的交通擁堵情況，對(duì)紅、綠兩種顏色信號(hào)燈的配時(shí)做相對(duì)靈活的調(diào)整，系統(tǒng)自動(dòng)加長(zhǎng)或縮減綠燈亮起的時(shí)間，來調(diào)控干道交通的車流量速度。根據(jù)路段平均速度，該系統(tǒng)的交通擁堵等級(jí)分為4個(gè)級(jí)別，詳見表1。

表1 擁堵等級(jí)表

交通流有一定的不確定性和隨機(jī)性，但它同時(shí)又在有規(guī)律性地波動(dòng)著，因此，對(duì)每個(gè)級(jí)別設(shè)置了車流密度區(qū)間，在該區(qū)間范圍內(nèi)，交通信號(hào)燈有一個(gè)通用的優(yōu)化控制時(shí)長(zhǎng)，這樣就能夠在較大程度上避免對(duì)交通資源的浪費(fèi)。該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能就是智能地對(duì)來往車流密度進(jìn)行分析，其設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 信號(hào)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)流程

根據(jù)交叉路口的優(yōu)化配時(shí)系統(tǒng)，通過判定的交通擁堵等級(jí)來自動(dòng)調(diào)配信號(hào)燈的控制時(shí)長(zhǎng)，使干道車輛能夠暢通行駛，這對(duì)城市交通環(huán)境的改善有重要意義。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3 某時(shí)段各干線交通數(shù)據(jù)實(shí)例

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)模擬采用基本遺傳算法[8]來實(shí)現(xiàn)。假設(shè)交叉路口車輛的到達(dá)率服從泊松分布，以最小化車輛的平均延誤時(shí)間為優(yōu)化目標(biāo)，基于路段實(shí)時(shí)交通流量，采用分離相位法進(jìn)行交通信號(hào)配時(shí)的計(jì)算。某個(gè)時(shí)段各干線的所有交叉口的交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)情況，如圖3所示。點(diǎn)擊“編輯干線”和“編輯路口”按鈕分別設(shè)置未改善前每個(gè)交叉口上的車輛轉(zhuǎn)彎數(shù)目和等待進(jìn)入路口的車輛數(shù)目，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)判別該種情況的交通擁堵等級(jí)。

優(yōu)化后所有交叉口的交通數(shù)據(jù)模擬結(jié)果，如圖4 所示。“優(yōu)化前(后)轉(zhuǎn)彎”即優(yōu)化前(后)交叉口的車輛轉(zhuǎn)彎數(shù)目；“優(yōu)化前(后)等待”即優(yōu)化前(后)準(zhǔn)備進(jìn)入交叉口的車輛等待數(shù)目。

圖4 某干線優(yōu)化后所有交叉口的交通數(shù)據(jù)實(shí)例

模擬實(shí)驗(yàn)的信號(hào)燈配時(shí)參數(shù)對(duì)比結(jié)果，如表2所示，其中RYG分別為紅黃綠燈的配時(shí)。從對(duì)比結(jié)果可以看出，該干道優(yōu)化后交通擁堵等級(jí)顯著降低，證明了對(duì)城市交通信號(hào)區(qū)域協(xié)調(diào)控制方案進(jìn)行優(yōu)化的可行性，該方案能滿足城市交通信號(hào)協(xié)調(diào)的實(shí)時(shí)性要求，是緩解交通擁堵、改善交通狀況的有效方法。

表2 典型干線信號(hào)燈配時(shí)參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)束語

交通信號(hào)的協(xié)調(diào)控制有助于提高城市路網(wǎng)中車輛的通行效率，緩解交通擁堵狀況。針對(duì)交通信號(hào)區(qū)域協(xié)調(diào)控制構(gòu)建模型，并進(jìn)行配時(shí)參數(shù)進(jìn)的優(yōu)化研究，模擬結(jié)果驗(yàn)證了所建模型以及優(yōu)化后配時(shí)參數(shù)的有效性。為降低道路交通問題的復(fù)雜性，在構(gòu)建模型時(shí)沒有考慮不同道路模型如主次干道等方面的問題，與實(shí)際道路存在一定差異，因此，在后續(xù)的研究中會(huì)進(jìn)一步深入研究不夠完善的地方，建立更加合理、有效的交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制模型。

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