基于時間優(yōu)化與相位協(xié)調(diào)的路網(wǎng)交通控制研究?

劉中原，閆學(xué)勤

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊830047)

0 引言

隨著路網(wǎng)交通規(guī)模的不斷擴(kuò)大和道路條件的不斷限制增大，基于固定綠燈時長并以固定周期循環(huán)執(zhí)行的交通信號配時方案已經(jīng)慢慢難以滿足城市交通的需求[1?2].因而城市路網(wǎng)中應(yīng)采用更為先進(jìn)的智能交通控制系統(tǒng)[3]，一方面可以均衡各路段的空間占有率，減輕路段擁堵；另一方面可以降低交通事故，減少車輛延誤時間[4].

目前對交通控制系統(tǒng)的研究表現(xiàn)在綜合利用先進(jìn)的信息、檢測和控制技術(shù)來發(fā)展更先進(jìn)的交通信號控制系統(tǒng)和優(yōu)化方法.文獻(xiàn)[5]以相鄰交叉口之間的車流量信息和預(yù)測剩余時間周期為模擬控制器輸入，構(gòu)成二級模糊控制器實(shí)現(xiàn)對控制子區(qū)的外層區(qū)域協(xié)調(diào)控制，但只完成了時間分配而沒有對相位進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)計(jì).文獻(xiàn)[6-7]設(shè)計(jì)了路網(wǎng)分解算法，并采用基于固定帶寬的干道協(xié)調(diào)控制方法，但路網(wǎng)分解可操作性較差，也未討論相序性.文獻(xiàn)[8]介紹了一種模糊控制算法，引入了資源分配的公平性原則，使得在任何場合都能達(dá)到合理科學(xué)的控制，但其控制對象比較適用于控制單交叉路口，并未對多干道的相位協(xié)調(diào)優(yōu)化策略進(jìn)行考慮，而城市交通路口的控制不僅僅是單一路口的控制，而是一個區(qū)域控制問題.

針對以上問題，提出了一種交通信號協(xié)調(diào)控制優(yōu)化算法.首先，在掌握中心路口與各相鄰交叉路口距離、交通流運(yùn)行規(guī)律的基礎(chǔ)上，完成對路網(wǎng)子區(qū)的建立.然后，結(jié)合模糊算法設(shè)計(jì)了一種新的包含內(nèi)層單交叉口內(nèi)部時間以及外層多交叉口之間的相位優(yōu)化調(diào)整和多干道協(xié)調(diào)控制的路網(wǎng)交通燈信號策略.最后結(jié)合仿真實(shí)例，給出了綜合考慮路網(wǎng)內(nèi)部單交叉口時間和外層路網(wǎng)上相位協(xié)控信息以及最終控制效果.

1 路網(wǎng)分解

1.1 控制子區(qū)的劃分依據(jù)

城市路網(wǎng)是一個比較繁雜的系統(tǒng)，若令其直接進(jìn)行交通信號的協(xié)調(diào)優(yōu)化，則會造成控制策略和實(shí)際應(yīng)用時出現(xiàn)復(fù)雜度高，甚至控制效果不理想的情況.因此，對路網(wǎng)進(jìn)行區(qū)域劃分是很有必要的[9].目前城市路網(wǎng)的劃分方法主要包括靜態(tài)劃分和動態(tài)劃分兩種方式.其中靜態(tài)劃分考慮的是道路類型、相鄰交叉口間距、車流運(yùn)行方式等靜態(tài)數(shù)據(jù)，而動態(tài)劃分則依據(jù)實(shí)時交通流量、各路口相位順序、各路口周期時長等動態(tài)數(shù)據(jù)來劃分控制子區(qū)[10].

單獨(dú)考慮靜態(tài)因素會導(dǎo)致子區(qū)劃分靈活性差；而單獨(dú)考慮動態(tài)因素又會造成路網(wǎng)特征的丟失.為更好的適應(yīng)道路類型及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的變化，采用動靜因素結(jié)合考慮的子區(qū)劃分方法，引入相鄰交叉口關(guān)聯(lián)度的概念.為簡化子區(qū)劃分復(fù)雜度，各交叉路口采取相同的周期時長，可以發(fā)現(xiàn)相鄰交叉口之間的間距越遠(yuǎn)，其相鄰交叉口關(guān)聯(lián)度越小；而相鄰交叉口之間交通流量越大，相鄰交叉口關(guān)聯(lián)度則越大.

對關(guān)聯(lián)度進(jìn)行區(qū)域閾值設(shè)置，當(dāng)關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果或者所處區(qū)域位于關(guān)聯(lián)區(qū)時認(rèn)為兩交叉口關(guān)聯(lián)，將兩相連交叉路口作為關(guān)聯(lián)交叉路口，若處于關(guān)聯(lián)區(qū)外時認(rèn)為兩交叉口獨(dú)立.

式中Ci為兩交叉口之間的關(guān)聯(lián)區(qū)；Li為兩交叉口間距耦合區(qū)；Qi為兩交叉口流量耦合區(qū).

1.2 控制子區(qū)的劃分結(jié)果

鑒于子區(qū)應(yīng)具有和路網(wǎng)相似的特征，從而可將整個路網(wǎng)控制轉(zhuǎn)變?yōu)閷ψ訁^(qū)的控制.考慮到子區(qū)面控方式下的主要矛盾是具有重要位置的中心交叉口與其關(guān)聯(lián)交叉口之間的不協(xié)調(diào)控制導(dǎo)致的車輛擁堵問題.因此根據(jù)道路類型將路網(wǎng)子區(qū)初步劃分為如圖1所示的十字型，然后將不具有關(guān)聯(lián)度的交叉口剔出子區(qū)單獨(dú)控制.

圖1 影響關(guān)聯(lián)度的因素以及子區(qū)類型Fig 1 The influencing factors of correlation and type of sub-zone

2 單交叉口模糊控制

2.1 單交叉口控制方案的實(shí)現(xiàn)

單交叉口模糊控制是指以模糊控制器為核心，通過提取到的交通流數(shù)據(jù)作為輸入信號傳送到模糊控制器中，根據(jù)控制方案，完成對單交叉口內(nèi)部交通信號的控制，得到其控制流程圖，如圖2所示.

圖2 單交叉口內(nèi)部時間優(yōu)化框圖Fig 2 Flow chart of time optimization in the intersection

圖3 單交叉口內(nèi)部配置圖Fig 3 Internal configuration diagram of intersection

為實(shí)現(xiàn)對各個方向上的交通流信息的提取以及單交叉口的控制，需要完成相位劃分和交通信息采集裝置的位置設(shè)置，其交叉口內(nèi)部相位配置示意圖及車輛檢測設(shè)置[11]如圖3所示.將交叉口內(nèi)部相位設(shè)置為圖3所示的四相位模式，通過在道路各方向車道上放置檢測裝置來提取一個周期中各方向的車流量，并以此作為綠燈延時（縮時）的根據(jù).

2.2 單交叉口內(nèi)層控制

系統(tǒng)雙層控制的內(nèi)層控制為單交叉口內(nèi)部時間相位的控制，單交叉口模糊控制器原理如圖4所示.

圖4 單交叉口模糊控制器原理圖Fig 4 Fuzzy control schematic of intersection

由圖4可知該系統(tǒng)控制器為二級模糊控制，通過對輸入變量的提取和模糊控制規(guī)則的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單交叉口內(nèi)部綠燈時長的兩層分配[12].以各車道和各方向上的車流量為依據(jù)，通過一級控制器實(shí)現(xiàn)對交叉路口中車道綠燈時長的輔助分配以及車道內(nèi)部各方向綠燈時長的初步分配，然后令一級控制器的輸出作為輸入變量，通過二級控制實(shí)現(xiàn)將一級控制中車道上的配時結(jié)果分配到各方向上，通過與一級初步分配變量的疊加得到最終各方向綠燈時間延長（縮短）的分配.

其中，模糊控制器的輸入變量滿足公式（2）

式中a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,a8分別為一個周期南向北直行、北向南直行、南向西左轉(zhuǎn)、北向東左轉(zhuǎn)、東向西直行、西向東直行、東向南左轉(zhuǎn)、西向北左轉(zhuǎn)車道車流量；x1,x2,x3,x4,x5,x6分別為南北直行、南北左轉(zhuǎn)、東西直行、東西左轉(zhuǎn)、東西、南北方向上車流量.

模糊控制器的輸出變量為

為滿足交叉口總周期不變，即t1+t2+t3+t4=0，引入變量滿足約束（4）

2.3 仿真分析

2.3.1 隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)

單交叉口模糊控制系統(tǒng)的部分輸入變量以及輸出變量的隸屬度函數(shù)如圖5所示.在圖5中，輸入變量x2、x4、x5、x6的隸屬度函數(shù)與x1、x3的結(jié)構(gòu)相同，其論域分別為[0,24]，[0,16]，[0,64]，[0,48]；二級輸入變量的隸屬度函數(shù)與的圖形相同，其論域分別為[?6,6]，[?12,12]；二級輸出變量與隸屬度函數(shù)相同.

圖5 隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)Fig 5 The design of membership functions

2.3.2 模糊控制規(guī)則

表1 的模糊控制規(guī)則Tab 1 Fuzzy control rules of

表1 的模糊控制規(guī)則Tab 1 Fuzzy control rules of

x1x2 VFFMRVR VFMSVS VS VS FLMSVS VS MVLLMSVS RVL VLLMS VR VL VL VLLM

表2 的模糊控制規(guī)則Tab 2 Fuzzy control rules of

表2 的模糊控制規(guī)則Tab 2 Fuzzy control rules of

t 1 t 5 VSSMLVL VS mf1 mf4 mf7mf8mf11 Smf1 mf4 mf7mf8mf11 Mmf2 mf5 mf7mf9mf12 Lmf3 mf6 mf7 mf10 mf13 VL mf3 mf6 mf7 mf10 mf13

2.3.3 算例仿真分析

對該控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，選取了不同交通流下的7組案例，其仿真輸出結(jié)果如表3所示.并依次采用定時控制策略和協(xié)調(diào)控制策略，對這7種案例狀態(tài)下的車輛排隊(duì)長度和周期內(nèi)未利用通行時間兩項(xiàng)指標(biāo)分別進(jìn)行仿真對比，其對比結(jié)果如圖6所示.

表3 各方向不同車流量下單交叉口模糊控制輸出表Tab 3 Fuzzy control output table for the intersection with different vehicle flows in different directions

圖6 不同控制策略下排隊(duì)長度以及未利用通行時間對比Fig 6 Comparison of queue length and waste of time

其中case1為適中情況下各方向的車流量大小，以case1為基準(zhǔn)，case2為各方向?qū)捤桑ㄜ嚵髁枯^?。琧ase3、4、5、6代表單車道或單方向擁擠（車流量大），case7為各方向擁擠，車流量大.

由圖6可知，當(dāng)?shù)缆飞铣霈F(xiàn)單車道或單方向擁擠時（case3～6），該系統(tǒng)通過協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行交叉口時間分配，與定時控制案例相比其排隊(duì)長度和車輛在周期內(nèi)未利用道路通行的時間都有了降低.其中排隊(duì)長度分別減少了32%、41.75%、59.13%、49.9%，而存在滯留情況下周期內(nèi)未用于車輛通行的時間分別減少了90%、68.1%、70.9%、59.55%，說明該策略能很好地減少車輛排隊(duì)長度和增強(qiáng)交叉口通行效率；而在各車道均不擁擠（case2）以及各車道均過度擁擠（case7）時，該系統(tǒng)配時方案可以更好地協(xié)調(diào)控制各交叉口的擁堵程度.

綜上可知，單交叉口控制策略能很好地解決交叉口內(nèi)部單方向擁堵所導(dǎo)致的時間分配不合理，并能協(xié)調(diào)各交叉口不同的擁堵情況，根據(jù)各方向車輛擁擠情況對各方向綠燈時長進(jìn)行有效的調(diào)整，對相對車流量大的車道或方向進(jìn)行合理延時，同時對相對車流量小的車道或方向進(jìn)行適度縮時.其目的是優(yōu)化交通口內(nèi)部時間分配，有利于節(jié)約時間成本，減輕擁堵狀況.

3 區(qū)域外層控制

系統(tǒng)雙層控制的外層控制為干道相位、相序控制，其干道相位控制框圖如圖7（a）所示.為了完成對子區(qū)中心交叉口與關(guān)聯(lián)交叉口的協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)了直行干道的雙向綠波帶和非直行干道的單向綠波帶，通過對以中心交叉口為樞紐的多干道交叉口上相位相序協(xié)調(diào)控制，從而使中心交叉口上的滯留車輛及時向外輸出，旨在通過相序的配合減輕滯留問題.

圖7 干道相位協(xié)調(diào)控制及干道結(jié)構(gòu)圖Fig 7 The structure and flow chart of trunk’s phase coordination

3.1 控制方案的實(shí)現(xiàn)

由于路網(wǎng)劃分后的子區(qū)控制依然是復(fù)雜的面控問題，因此基于關(guān)聯(lián)度將控制子區(qū)再次分解成若干個干道.通過協(xié)調(diào)和優(yōu)化干道上各路口交通燈的綠燈時長及相位相序從而完成對交通子區(qū)的控制，最終實(shí)現(xiàn)由線控取代面控的路網(wǎng)控制方式.為不失一般性，假設(shè)各相連交叉口均關(guān)聯(lián)，對全干道下的相位協(xié)調(diào)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其子區(qū)全部干道模型如圖7（b）所示.其中O為中心路口，A～D分別為不同方向上的干道路口.

3.2 干道協(xié)調(diào)控制

3.2.1 干道協(xié)控條件

為實(shí)現(xiàn)子區(qū)的外層協(xié)調(diào)控制需從以下幾個方面完成對系統(tǒng)的調(diào)整.首先，在干道協(xié)調(diào)過程中，為增大關(guān)聯(lián)交叉口間的相位協(xié)調(diào)能力，一般對各交叉口采取相同的周期時間；其次，在內(nèi)層控制策略的選擇上，為防止相位差不合理，本系統(tǒng)對中心路口進(jìn)行單交叉口模糊控制設(shè)計(jì)時，需對綠燈時間做合理的延長或縮短，而對其他交叉口采取常規(guī)控制；最后，在相序設(shè)計(jì)以及行車速度方面，調(diào)整其他路口相位啟動順序，并且對兩交叉口間需要協(xié)調(diào)相位的車輛速度進(jìn)行優(yōu)化，能更好的實(shí)現(xiàn)多相位協(xié)調(diào).

3.2.2 外層相位控制與速度協(xié)調(diào)

其干道間的協(xié)調(diào)相位時空如圖8（a）、8（b）所示.其中P1、P2、P3、P4分別為南北直行、南北左轉(zhuǎn)、東西直行、東西左轉(zhuǎn)方向.v1為進(jìn)入中心交叉口的最大速度，v2為離開中心交叉口的最小速度.

（1）相位協(xié)調(diào)

由于內(nèi)層單交叉口系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中已實(shí)現(xiàn)部分前述條件，因此外層設(shè)計(jì)過程中僅需對速度和相位做進(jìn)一步的優(yōu)化和協(xié)調(diào).為實(shí)現(xiàn)多干道多相位的協(xié)調(diào)控制，以O(shè)為中心交叉口，維持中心交叉口的相序不變，將關(guān)聯(lián)交叉口相序調(diào)整為P2、P1、P4、P3，調(diào)整相序后中心交叉口的P1可與AC交叉口的P1形成協(xié)調(diào)綠通；P3可與BD交叉口的P3形成干道協(xié)調(diào)綠通；P2可與AB、CD交叉口的P4構(gòu)成干道協(xié)調(diào)綠通；P4可與BC、DA交叉口的P2構(gòu)成協(xié)調(diào)綠通.

圖8 干道相位協(xié)調(diào)示意圖Fig 8 The phase coordinated diagram of truck road

（2）速度（相位差）控制

為了給協(xié)調(diào)干道提供更多的協(xié)調(diào)相位與更大的綠波帶，通過調(diào)整相位差從而對車輛速度做進(jìn)一步的調(diào)整，在滿足約束速度的條件下，調(diào)整通行速度后中心路口的P1可以與AC交叉口的P2、P4形成部分綠通；P3可以與BD交叉口的P2、P4形成部分綠通；同時中心交叉口的P2、P4可分別與ABCD交叉口的P1、P3形成部分綠通.而當(dāng)中心交叉口中存在延時或縮時時，系統(tǒng)將在速度約束范圍內(nèi)重新定義速度，并優(yōu)先保護(hù)流量大的方向的協(xié)調(diào)效果，以最大限度的實(shí)現(xiàn)綠通.其速度約束公式為

4 路網(wǎng)區(qū)域協(xié)調(diào)完整控制

通過對道路各方向車流量的檢測，基于子區(qū)形成、單交叉口模糊算法以及干道相位協(xié)調(diào)，得到基于時間優(yōu)化與相位協(xié)調(diào)的路網(wǎng)交通控制完整流程圖，如圖9所示.選取了不同車流量下的幾個案例，對子區(qū)相位控制前后進(jìn)行仿真，觀察交叉口周期內(nèi)每輛車平均停車次數(shù)，如圖10所示.由圖10可知，在子區(qū)內(nèi)采用內(nèi)外協(xié)調(diào)相位控制以實(shí)現(xiàn)干道協(xié)調(diào)，可有效地減少控制區(qū)域內(nèi)車輛的滯留時間：該策略在寬松車流（case1）、部分擁擠車流（case3、case6）以及過飽和車流（case7）情況下，周期內(nèi)車輛的平均停車次數(shù)均有一定程度的改善，尤其是在單方向擁擠以及過飽和時停車次數(shù)有較大下降.由此可知采用區(qū)域干道相位協(xié)調(diào)后，有利于減少子區(qū)內(nèi)車輛的滯留時間，同時增強(qiáng)對子區(qū)綠通的控制，最重要的是提高了車輛通行效率.

圖9 子區(qū)交通燈時間優(yōu)化與相位協(xié)調(diào)流程圖Fig 9 Flow chart of time optimization and phase coordinate

5 結(jié)束語

本文針對路網(wǎng)子區(qū)劃分對子區(qū)內(nèi)部的時間分配以及相位協(xié)調(diào)問題進(jìn)行了研究，提出了一種將路網(wǎng)分解與模糊算法相結(jié)合的子區(qū)內(nèi)外層相位時間、相位類型和相序協(xié)調(diào)優(yōu)化的控制策略.該策略將路網(wǎng)交通燈的復(fù)雜控制轉(zhuǎn)換為對內(nèi)層單交叉口和外層關(guān)聯(lián)交叉口間的時間與相位的協(xié)調(diào)優(yōu)化控制，改善了交叉口內(nèi)層時間分配不合理以及區(qū)域外層效率不高的問題，并在一定程度上簡化了路網(wǎng)系統(tǒng)的繁雜程度，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和時效性.

圖10 相位協(xié)調(diào)前后平均停車次數(shù)的比較Fig 10 The comparison of the mean number of parking