城市道路交通信號(hào)動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略研究

洪旭龍 李大成 劉 娜

（清遠(yuǎn)市公安局，廣東 清遠(yuǎn)511515）

引言

隨著城市機(jī)動(dòng)車數(shù)量的不斷增加，道路資源與交通需求之間的矛盾越發(fā)明顯，交叉口處于過(guò)飽和狀態(tài)成為很多城市較常見(jiàn)的現(xiàn)象。改善單點(diǎn)交叉口的信號(hào)控制是緩解城市擁堵的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］，而交通信號(hào)控制的根本是在合適的時(shí)間選擇合適的交通流，并賦予通行權(quán)。本文綜合考慮了交叉口交通流在低飽和狀態(tài)和過(guò)飽和狀態(tài)下的控制策略，以充分適應(yīng)中國(guó)城市道路交通流特點(diǎn)。在欠飽和的狀況下，減小交叉口車輛延誤時(shí)間；在過(guò)飽和的狀況下，優(yōu)先減少排隊(duì)長(zhǎng)度，保證交又口最大限度讓車流通過(guò)［2］。

1 交叉口的交通特性分析

根據(jù)交叉口實(shí)際交通需求與其通行能力的關(guān)系劃分為欠飽和狀態(tài)、飽和狀態(tài)和過(guò)飽和狀態(tài)［3］。當(dāng)飽和狀態(tài)下的交通流得不到及時(shí)的疏散時(shí)，交叉口隨時(shí)間推移進(jìn)入到過(guò)飽和狀態(tài)，在過(guò)飽和狀態(tài)下，車輛排隊(duì)經(jīng)常處于溢流狀態(tài)，以致排隊(duì)車輛不能順利行駛，從而造成對(duì)上游交叉口的嚴(yán)重影響，造成擁堵的“多米諾”現(xiàn)象。此時(shí)，交通流處于欠飽和狀況下的交叉口信號(hào)控制優(yōu)化目標(biāo)不再適用，應(yīng)選取排隊(duì)長(zhǎng)度和延誤時(shí)間作為過(guò)飽和狀態(tài)交通信號(hào)控制的優(yōu)化目標(biāo)［4］。

2 交通信號(hào)動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略

2.1 自適應(yīng)控制

2.1.1 優(yōu)化模式

對(duì)處于欠飽和狀態(tài)的交叉口，優(yōu)化目標(biāo)是平衡交叉口所有進(jìn)口道的飽和度，從而降低交叉口的整體延誤時(shí)間。系統(tǒng)根據(jù)雷視一體機(jī)采集的斷面流量數(shù)據(jù)，計(jì)算出匹配路口通行需求的信號(hào)控制參數(shù)。系統(tǒng)分為綠信比優(yōu)化、周期優(yōu)化和綠信比加周期優(yōu)化3 種優(yōu)化模式。此外，為避免由于檢測(cè)數(shù)據(jù)異常而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果變化過(guò)大，對(duì)綠信比的變化幅度、周期的變化幅度、相位的最大綠和最小綠均設(shè)置約束，提高系統(tǒng)計(jì)算的容錯(cuò)率。

2.1.2 優(yōu)化邏輯

自適應(yīng)控制的優(yōu)化邏輯流程包括以下步驟（見(jiàn)圖1）：

1）計(jì)算交叉口車道組各車道直行當(dāng)量交通量。

2）計(jì)算車道組各車道的當(dāng)量直行飽和流量。

3）計(jì)算車道組各車道流量比。

4）判斷關(guān)鍵車流及其流量比之和是否超過(guò)飽和度實(shí)用限值。若關(guān)鍵車流流量比之和≤0.9，則進(jìn)入第5）步計(jì)算信號(hào)周期；若關(guān)鍵車流流量比之和>0.9，將信號(hào)周期設(shè)置為最大值，進(jìn)入第6）步分配綠燈時(shí)間。

5）計(jì)算信號(hào)周期。計(jì)算公式如下，其中L為周期總損失時(shí)間，Y 為關(guān)鍵車流流量比之和。C=（1.5L+5）/（1-Y）。

6）分配綠燈時(shí)間。優(yōu)化模式為綠信比優(yōu)化或周期+綠信比優(yōu)化時(shí)，根據(jù)關(guān)鍵車流的流量比分配綠燈時(shí)間；優(yōu)化模式為周期優(yōu)化時(shí)，根據(jù)原方案綠信比分配綠燈時(shí)間。

圖1 自適應(yīng)控制邏輯流程

2.2 防溢流控制

2.2.1 優(yōu)化模式

當(dāng)交叉口處于過(guò)飽和狀態(tài)時(shí)，如果得不到及時(shí)的控制，常常會(huì)導(dǎo)致車輛排隊(duì)蔓延到上游交叉口，發(fā)生交通溢流［5］。當(dāng)交叉口的排隊(duì)長(zhǎng)度達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)防溢流控制，發(fā)生溢流的交叉口（以下簡(jiǎn)稱為“關(guān)鍵交叉口”）增加綠燈時(shí)間，同時(shí)下游交叉口對(duì)應(yīng)進(jìn)口道也增加綠燈時(shí)間，盡快疏散交叉口處的排隊(duì)車輛，為控制車輛的到達(dá)量，減少上游交叉口對(duì)應(yīng)進(jìn)口道的綠燈時(shí)間。

2.2.2 優(yōu)化邏輯

對(duì)各進(jìn)口道路段設(shè)置的排隊(duì)長(zhǎng)度安全值q1和危險(xiǎn)值q2，并根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的排隊(duì)長(zhǎng)度q 實(shí)施不同的控制策略：

情況一：q≤q1，保持或恢復(fù)到原控制方式運(yùn)行；

情況二：q1

情況三：q≥q2，開(kāi)啟防溢流控制，關(guān)鍵路口對(duì)應(yīng)相位綠燈時(shí)間增加，關(guān)聯(lián)路口的關(guān)聯(lián)相位的綠燈時(shí)間變化（上游減少綠燈時(shí)間，下游增加綠燈時(shí)間）。以該方案運(yùn)行一個(gè)臨界時(shí)間周期T0，若排隊(duì)長(zhǎng)度檢測(cè)值一直處于q≥q2，則繼續(xù)增加綠燈時(shí)間，變化的幅度等于通用優(yōu)化參數(shù)中的單次綠信比變化幅度（見(jiàn)圖2）。

圖2 防溢流控制邏輯流程

3 實(shí)例驗(yàn)證

3.1 交通特征

本文選取清遠(yuǎn)市清城區(qū)355國(guó)道與240國(guó)道的交叉口（即源潭交叉口）測(cè)試交通信號(hào)動(dòng)態(tài)優(yōu)化效果。源潭交叉口是X 型交叉口，如圖3所示，該路口是清遠(yuǎn)源潭鎮(zhèn)的重要路口，過(guò)往車流量大，且行經(jīng)路口的車輛主要為大貨車。交叉口車道組有8個(gè)，如圖4所示，因右轉(zhuǎn)有專用進(jìn)口車道且紅燈期間可以右轉(zhuǎn)，故不對(duì)右轉(zhuǎn)進(jìn)行信號(hào)控制。在平峰期，路口存在空放的情況；在高峰期，路口存在嚴(yán)重?fù)矶虑闆r，路口當(dāng)前的定時(shí)信號(hào)配時(shí)方案不能滿足路口的交通狀況。

圖3 源潭交叉口

圖4 交叉口車道組

3.2 結(jié)果分析

本項(xiàng)目在源潭路口4 個(gè)方向安裝視頻雷達(dá)車輛檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)各進(jìn)口車道的斷面車流量、平均速度、排隊(duì)長(zhǎng)度等交通指標(biāo)，基于路段檢測(cè)到的實(shí)時(shí)的斷面流量和排隊(duì)長(zhǎng)度，對(duì)交叉口信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的優(yōu)化。優(yōu)化時(shí)間為2020年5月15日至2020年6月15日。本文選取路口2020 年6 月2 日（周二）經(jīng)過(guò)信號(hào)動(dòng)態(tài)優(yōu)化的交通數(shù)據(jù)和2020年6月16日（周二）未進(jìn)行信號(hào)動(dòng)態(tài)優(yōu)化（多時(shí)段定時(shí)控制）的交通數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以進(jìn)行優(yōu)化效果對(duì)比分析。

實(shí)測(cè)了源潭交叉口各進(jìn)口道的車流量、平均速度、排隊(duì)長(zhǎng)度等相關(guān)交通數(shù)據(jù)，以5min為統(tǒng)計(jì)間隔，6月2日和6月16日源潭路口各進(jìn)口道晚高峰（16:00～18:00）的排隊(duì)長(zhǎng)度變化情況如圖5（a）和圖5（b）所示，可以看出，6月2 日經(jīng)過(guò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化后，路口排隊(duì)長(zhǎng)度整體降低，特別是西向東方向路段排隊(duì)長(zhǎng)度明顯降低。

圖5 （a） 源潭交叉口6月2號(hào)晚高峰排隊(duì)長(zhǎng)度變化圖

圖5 （b） 源潭交叉口6月16號(hào)晚高峰排隊(duì)長(zhǎng)度變化圖

其中6 月2 日西向東平均排隊(duì)長(zhǎng)度為86m，北向南平均排隊(duì)長(zhǎng)度為64m，東向西平均排隊(duì)長(zhǎng)度為42m，南向北平均排隊(duì)長(zhǎng)度為84m；6月16日西向東平均排隊(duì)長(zhǎng)度為166m，北向南平均排隊(duì)長(zhǎng)度為68m，東向西平均排隊(duì)長(zhǎng)度為55m，南向北平均排隊(duì)長(zhǎng)度為85m。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信號(hào)優(yōu)化與采用多時(shí)段定時(shí)控制相比，源潭交叉口晚高峰排隊(duì)長(zhǎng)度整體降低25.8%，其中，西向東降低48.2%，北向南降低5.9%，東向西降低23.6%，南向北降低1.2%，如表1所示。

表1 源潭交叉口動(dòng)態(tài)優(yōu)化前后排隊(duì)長(zhǎng)度對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

交通信號(hào)控制參數(shù)需要適應(yīng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的交通流變化狀態(tài)，本文充分考慮中國(guó)當(dāng)前交通流狀態(tài)涵蓋非飽和狀態(tài)、飽和狀態(tài)和過(guò)飽和狀態(tài)的特點(diǎn)，提出了應(yīng)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論進(jìn)行信號(hào)控制優(yōu)化的模型。信號(hào)控制動(dòng)態(tài)規(guī)劃優(yōu)化模型基于初始確定的信號(hào)方案，實(shí)時(shí)采集排隊(duì)長(zhǎng)度、車流量等數(shù)據(jù)，作為系統(tǒng)的輸入狀態(tài)變量，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋調(diào)節(jié)。最后，通過(guò)實(shí)際案例驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型在降低交叉口飽和度和平均延誤方面的有效性。