基于遍歷剪枝算法的干線綠波協(xié)調(diào)控制參數(shù)自動計算系統(tǒng)

樹愛兵 王婷婷,2 劉成生,2 徐新東,2

1(公安部交通管理科學(xué)研究所 江蘇 無錫 214151) 2(無錫華通智能交通技術(shù)開發(fā)有限公司 江蘇 無錫 214151)

0 引 言

交通干線作為城市道路網(wǎng)的主動脈，在城市交通流運行中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。干線綠波協(xié)調(diào)控制技術(shù)是提高干道通行速度、減少車輛停車延誤的有效手段，合理的交通干線信號協(xié)調(diào)控制將直接影響到交通干線乃至整個城市路網(wǎng)是否能夠快速有效運行[1]。因此提高交通干線信號的協(xié)調(diào)控制效果對于改善城市道路網(wǎng)的交通運行狀況具有舉足輕重的意義。

目前常用的干線綠波協(xié)調(diào)控制方法主要有圖解法[2]、數(shù)解法[3-4]、Maxband[5-6]法等。其中：圖解法依靠人工經(jīng)驗配置，很難確保得到最優(yōu)解；數(shù)解法通過尋找使得系統(tǒng)中各實際信號距理想信號的最大挪移量最小來獲得最優(yōu)相位差控制方案，其計算過程較為復(fù)雜；Maxband法利用混合整數(shù)線性規(guī)劃方法實現(xiàn)信號配時參數(shù)的優(yōu)化求解，計算耗時較長。上述綠波協(xié)調(diào)控制方法主要適用于交叉口信號相位對稱放行的干線交叉口群，對于非對稱放行相位和疊加相位的干線雙向綠波協(xié)調(diào)控制適應(yīng)性較差。

為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本文提出了一種基于遍歷剪枝算法的干線雙向綠波協(xié)調(diào)參數(shù)自動計算系統(tǒng)，能夠進一步簡化干線綠波協(xié)調(diào)信號配時參數(shù)的設(shè)置流程，提高配置干線雙向綠波協(xié)調(diào)參數(shù)的實施效率。

1 遍歷剪枝算法

1.1 目標(biāo)函數(shù)

前序遍歷各交叉口I1,I2,…,In，計算各交叉口在[0,C)區(qū)間(以1 s為最小步進單位)時，交通干線上各交叉口I1～In的加權(quán)公共綠波帶寬[8]：

W=aW++bW-

(1)

最優(yōu)解Wmax為所有遍歷綠波帶寬W中的最大值，Wc-max為當(dāng)前遍歷綠波帶寬W值中的最大值。遍歷前，Wc-max賦值為0，每次遍歷求得W值后更新Wc-max：

Wc-max=max{Wc-max,W}

(2)

全部遍歷結(jié)束后確定Wmax的值為Wc-max，此時用于計算得到Wmax所對應(yīng)的協(xié)調(diào)相位差O1,O2,…,On的取值為最終確定的各交叉口協(xié)調(diào)相位差，所對應(yīng)的W+、W-分別為最終確定的正反向綠波帶寬。

1.2 帶寬計算方法

(3)

(4)

圖1為各交叉口在起始交叉口I1時間軸上的正向綠波投影區(qū)間。整條干線的正向綠波帶寬區(qū)間為所有交叉口的零軸投影綠波區(qū)間取交集Ω+，結(jié)果為：

(5)

圖1 各交叉口在I1時間軸上的正向綠波投影區(qū)間

(6)

(7)

此時W+即為Ω+區(qū)間交集跨度值，若該交集不為空，則用該交集的上限值減去下限值即得到正向綠波帶寬W+，即：

(8)

同樣可得到反向綠波的計算方法。此時W-為Ω-區(qū)間交集跨度值，若該交集不為空，則用該交集的上限值減去下限值即得到反向綠波帶寬W-，即：

(9)

交叉口I1～In的加權(quán)公共綠波帶寬W=aW++bW-，至此單次遍歷結(jié)束。

1.3 剪枝優(yōu)化

設(shè)定遍歷每步進一次，加權(quán)公共綠波帶寬變化值為△W，以1 s為最小步進單位，則需要在[0,C)區(qū)間上遍歷C次，此時每次遍歷公共綠波帶寬變化最大值△Wmax為a+b。

(10)

2 系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用

2.1 系統(tǒng)構(gòu)建

基于遍歷剪枝算法的干線綠波協(xié)調(diào)控制參數(shù)自動計算系統(tǒng)由6部分組成，包括：干線參數(shù)配置模塊、配時方案設(shè)置模塊、綠波時距圖展示模塊、均衡控制策略模塊、綠波參數(shù)自動計算模塊以及優(yōu)化方案輸出模塊。具體如圖2所示。其中：均衡控制策略模塊用于設(shè)置正向與反向綠波帶寬權(quán)重；優(yōu)化方案輸出模塊用于將綠波信號配時方案保存到Word或Excel。

圖2 系統(tǒng)功能模塊

2.1.1 干線參數(shù)配置模塊

干線參數(shù)配置模塊用于配置干線協(xié)調(diào)控制參數(shù)。干線協(xié)調(diào)控制參數(shù)包括干線綠波協(xié)調(diào)控制所包含的交叉口、交叉口拓撲結(jié)構(gòu)、交叉口間距、路段行駛速度、進口方向、交通流向。配置模塊如圖3所示。

圖3 干線參數(shù)配置模塊

2.1.2 配時方案設(shè)置模塊

配時方案設(shè)置模塊用于設(shè)置干線交叉口的配時信息。配時信息包括交叉口信號配時方案、公共周期、協(xié)調(diào)相位、非協(xié)調(diào)相位、相位時長、非對稱疊加相位。非對稱疊加相位包括在協(xié)調(diào)相位前疊加單口放行相位和在協(xié)調(diào)相位后疊加單口放行相位，如圖4所示。

圖4 配時方案設(shè)置模塊

2.1.3 綠波時距圖展示模塊

綠波時距圖模塊根據(jù)干線參數(shù)配置模塊發(fā)送的干線協(xié)調(diào)控制參數(shù)和配時方案設(shè)置模塊發(fā)送的干線交叉口的配時信息繪制時距圖。均衡控制策略模塊將正向與反向綠波帶寬權(quán)重發(fā)送給綠波參數(shù)自動計算模塊，時距圖模塊采用SVG技術(shù)(可縮放矢量圖形Scalable Vector Graphics)繪制[10]。展示模塊如圖5所示。

圖5 綠波時距圖展示模塊

2.1.4 綠波參數(shù)自動計算模塊

綠波參數(shù)自動計算模塊計算最優(yōu)的干線雙向綠波參數(shù)，并在計算過程中與綠波時距圖模塊交互，實時展示干線雙向綠波參數(shù)的自動計算過程及當(dāng)前最優(yōu)帶寬。計算所得的干線雙向綠波參數(shù)包括各交叉口協(xié)調(diào)相位差、正向綠波帶寬、反向綠波帶寬。

2.2 應(yīng)用測試

2.2.1 測試干線概述

選擇江蘇省無錫市梁清路由東向西隱秀路至公益路4個信號交叉口進行應(yīng)用測試。梁清路各路口間的間距較大，平均距離在500米以上，其中景宜路至鴻橋路路口間距達到830米，如圖6所示。目前該道路高峰時段流量較大，且公交線路眾多，非機動車和行人較多。

圖6 梁清路干線協(xié)調(diào)交叉口分布示意圖

2.2.2 綠波方案實施流程

基于上述干線綠波協(xié)調(diào)控制參數(shù)自動計算系統(tǒng)，配置梁清路干線協(xié)調(diào)交叉口綠波控制參數(shù)，具體操作步驟如下：

步驟1用戶在干線參數(shù)配置模塊配置干線參數(shù)，包括選擇干線所包含交叉口，設(shè)置交叉口距離，設(shè)置路段速度。梁清路-隱秀路至梁清路-鴻橋路之間為610 m，梁清路-鴻橋路至梁清路-景宜路為830 m，梁清路-景宜路至梁清路-公益路為410 m。早高峰路段行駛速度為40 km/h。

步驟2調(diào)用配時方案設(shè)置模塊設(shè)置干線交叉口配時方案，包括選擇交叉口基準(zhǔn)配時方案，設(shè)置周期與相位時長、疊加相位等。根據(jù)梁清路4個交叉口基準(zhǔn)配時方案和交通流量，設(shè)置公共周期為120 s。當(dāng)用戶操作完步驟1、步驟2時，綠波時距圖展示模塊將同時在系統(tǒng)界面上展示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

步驟3在均衡策略模塊設(shè)置正向與反向綠波權(quán)重，設(shè)置正反向公共綠波帶寬差值關(guān)聯(lián)度。

步驟4綠波參數(shù)自動計算模塊采用遍歷剪枝搜索方法計算最佳干線雙向綠波協(xié)調(diào)參數(shù)，同時在綠波時距圖展示模塊將計算過程實時展現(xiàn)給用戶。

步驟5自動計算模塊優(yōu)化結(jié)果輸出。優(yōu)化結(jié)果包括：各交叉口協(xié)調(diào)相位差、公共周期、相位放行燈態(tài)、相位時間、正向綠波帶寬、反向綠波帶寬。輸出結(jié)果如表1所示。

表1 梁清路干線協(xié)調(diào)交叉口優(yōu)化結(jié)果

2.2.3 應(yīng)用效果

本次應(yīng)用測試選擇無錫市梁清路4個交叉口進行實地測試。通過對干線綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)運用操作，對4個交叉口進行協(xié)調(diào)相位差、正向綠波帶寬、反向綠波帶寬等的測算。對比分析本文成果應(yīng)用前后無錫市梁清路的4個交叉口的控制效益，早高峰應(yīng)用本文成果進行配時的4個交叉口的平均延誤、二次排隊長度、平均停車次數(shù)分別比應(yīng)用前減少6.88%、8.49%、13.10%，干線綠波協(xié)調(diào)控制效果較好。

本文的干線綠波控制操作簡單，界面流程圖形化顯示，計算速度快，應(yīng)用效果較好，具有較高的應(yīng)用價值。

3 結(jié) 語

本文對交通干線綠波協(xié)調(diào)控制開展了研究，介紹了基于遍歷剪枝算法和SVG技術(shù)設(shè)計的一種干線雙向綠波協(xié)調(diào)控制參數(shù)自動計算系統(tǒng)，給出了具體的系統(tǒng)軟件實施流程及功能模塊實現(xiàn)。通過實際道路的應(yīng)用測試，進一步驗證了系統(tǒng)的可行性及有效性。實地測試結(jié)果表明：基于本文研發(fā)的干線綠波協(xié)調(diào)控制自動計算系統(tǒng)計算速度快，結(jié)果可信度高，對于非對稱放行相位和疊加相位的干線雙向綠波協(xié)調(diào)控制具有較強的實用性，能夠大幅簡化干線綠波協(xié)調(diào)信號配時參數(shù)的設(shè)置流程，提高配置干線雙向綠波協(xié)調(diào)參數(shù)的實施效率。