基于交通大數(shù)據(jù)的城市交叉口車流優(yōu)化調(diào)度模型

羅典

(佛山市規(guī)劃測信總院有限公司，廣東 佛山 528000)

1 引言

近年來，私家車數(shù)量呈幾何狀增長，成為城市交通中不可忽視的一部分。交通工具數(shù)量的增加像是一把雙刃劍，在為人們提供便利的同時(shí)，也造成了一些問題。而且由于道路與地域的限制，城市道路的規(guī)模受到局限，車輛與道路之間的矛盾日益激化[1-2]。在此背景下，傳統(tǒng)的交通指揮方式已經(jīng)無法滿足當(dāng)前城市交通的發(fā)展，車流優(yōu)化調(diào)度成為解決城市交通問題的主要方案，也成為城市道路發(fā)展的迫切需求。因此必須要根據(jù)車流優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，對交叉路口的車輛進(jìn)行控制，減少交叉路口交通事故發(fā)生概率，提高車輛司機(jī)人身安全性。

構(gòu)建一個合理的城市交叉口車流優(yōu)化調(diào)度模型是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工作，在以往的研究中，西方的學(xué)者對其展開了多次研究并構(gòu)建了相應(yīng)的模型，均具有一定的應(yīng)用問題。我國城市交叉口車流優(yōu)化調(diào)度模型的研究相對較晚，但也得到相應(yīng)的研究結(jié)果。例如文獻(xiàn)[3]中提出了一種應(yīng)用整數(shù)規(guī)劃的調(diào)度模型，此模式在一定程度上緩解了交通擁堵的問題，但此模型的數(shù)據(jù)運(yùn)算部分較為落后，使用效果較差[3]。文獻(xiàn)[4]中提出了一種考慮不同流向、不同道路功能的車輛調(diào)度模型，此模式的設(shè)計(jì)重心在道路功能的實(shí)現(xiàn)部分，對于車輛的調(diào)度能力較差，使用效果一般[4]。針對上述情況，在本次研究中對大量的車輛調(diào)度技術(shù)進(jìn)行研究，最終確定使用交通大數(shù)據(jù)，常規(guī)模型展開優(yōu)化，設(shè)計(jì)基于交通大數(shù)據(jù)的城市交叉口車流優(yōu)化調(diào)度模型。以期通過使用本次研究成果緩解城市擁堵問題，構(gòu)建能源節(jié)約型城市，為城市居民提供更加良好的人居環(huán)境。

2 基于交通大數(shù)據(jù)的城市交叉口車流優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)建

在本次研究過程中，將交通大數(shù)據(jù)作為車流優(yōu)化調(diào)度模型的主要依據(jù)。因此，將交通大數(shù)據(jù)采集與處理模塊引入到調(diào)度模型中，優(yōu)化后的模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)圖1相關(guān)內(nèi)容，對常規(guī)模型中使用的部分計(jì)算與算法展開完善與優(yōu)化，并構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)對其應(yīng)用效果加以分析，以確定本次提出模型是否具有應(yīng)用價(jià)值。

圖1 城市交叉口車流優(yōu)化調(diào)度模型結(jié)構(gòu)

2.1 城市交通時(shí)段特征提取

根據(jù)采集到的交通大數(shù)據(jù)，提取城市交通的車輛頻率與時(shí)段特征，為后續(xù)的交叉路口車流優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。提出的城市交通車輛頻率計(jì)算過程如下：

其中，Aj表示j時(shí)段內(nèi)交叉路口車輛通行間隔；cmj表示j時(shí)段內(nèi)城市道路可通行車流量最大值；eoj表示j時(shí)段內(nèi)城市道路擁擠程度。eoj通過公式可表示為：

其中，gi表示城市交通車輛可調(diào)節(jié)因子[5]；v表示城市單條道路可容納的最大車流量。根據(jù)上述公式，獲取車流量時(shí)段特征。設(shè)定車流增加的初始時(shí)刻點(diǎn)為，車輛增長到峰值的時(shí)間點(diǎn)為，則有：

其中，D(1，2)表示到時(shí)段內(nèi)行駛的里程；V(1，2)表示車輛的平均行駛速度。由此可得到整合后的公式：

上式(4)中，Tj(2)表示車輛經(jīng)歷下一個交通燈的停留時(shí)間，Tj(2)計(jì)算公式可表示如下：

在時(shí)段j內(nèi)，車輛離開交叉口的時(shí)間點(diǎn)可表示為：

根據(jù)以上計(jì)算部分，可有效獲取到車流的時(shí)段特征以及道路的行駛特征。將此部分?jǐn)?shù)據(jù)作為優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)，完成交叉口車流管理工作。

2.2 構(gòu)建交叉口車流多目標(biāo)調(diào)度函數(shù)

在過往的設(shè)計(jì)中，多針對單一目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，對于其他部分的關(guān)注度較低，導(dǎo)致使用優(yōu)化調(diào)度模式后并不能達(dá)到預(yù)期效果。因此，在本次研究中構(gòu)建交叉口車流調(diào)度多目標(biāo)函數(shù)，以期實(shí)現(xiàn)多種控制目標(biāo)。首先使用韋伯斯特配時(shí)公式[6-7]對交叉口交通信號燈的最優(yōu)變化時(shí)間h0設(shè)定進(jìn)行計(jì)算：

其中，G表示交通燈信號延時(shí)；U表示交通燈變化周期內(nèi)最高流量比值之和；w表示汽車啟動延時(shí)；Q表示綠燈間隔周期內(nèi)，黃燈時(shí)間與紅燈時(shí)間之和；K表示黃燈響應(yīng)時(shí)間；ui表示周期內(nèi)車流量比值。根據(jù)此公式，可得到交通燈變換時(shí)間目標(biāo)函數(shù)hz：

根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化原理[8]可得到綠燈時(shí)長周期hv，具體公式如下所示：

上式中，smin表示最短綠燈時(shí)間。同理，可得紅燈的最長周期hd：

其中，smax表示紅燈的最長周期。由此可得到車流調(diào)度中的目標(biāo)函數(shù)，具體公式如下所示：

根據(jù)上述設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建對應(yīng)的車流調(diào)度方案，再根據(jù)設(shè)定的約束條件對其進(jìn)行求解，獲取最優(yōu)車流調(diào)度方案。

2.3 獲取交叉口車流調(diào)度最優(yōu)方案

在上文中提到的車流調(diào)度方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)車路協(xié)同原理(如圖2所示)，獲取最優(yōu)調(diào)度方案。

圖2 車路協(xié)同原理示意圖

根據(jù)以上原理，使用獎勵函數(shù)[9-10]完成車輛數(shù)量、車輛延誤、車輛吞吐量的計(jì)算過程，將道路區(qū)間內(nèi)的通行量以及車輛平均行駛速度作為獎勵函數(shù)內(nèi)容，對最優(yōu)方案的選擇過程進(jìn)行約束，具體公式如下：

其中，α表示計(jì)算過程中的控制系數(shù)。使用上述公式，完成方案選擇過程。至此，基于交通大數(shù)據(jù)的城市交叉口車流優(yōu)化調(diào)度模型構(gòu)建完成。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺組建

針對當(dāng)前車輛流量問題，在本次研究中構(gòu)建了基于交通大數(shù)據(jù)的城市交叉口車流優(yōu)化調(diào)度模型。此模型在常規(guī)模型的基礎(chǔ)上，增加了大量的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，能夠?yàn)榻徊婵诮煌舻臅r(shí)間控制提供基礎(chǔ)。為驗(yàn)證此模型具有相應(yīng)的使用價(jià)值，在本次研究中將完成交通大數(shù)據(jù)模型與常規(guī)模型進(jìn)行對比。由于此次實(shí)驗(yàn)具有一定的實(shí)際影響能力，因此采用仿真實(shí)驗(yàn)的形式，僅通過數(shù)據(jù)運(yùn)算的方式對不同種類模型的使用效果加以分析。在實(shí)驗(yàn)平臺的軟件部分中安裝了算法庫以及路況仿真軟件，為實(shí)驗(yàn)的計(jì)算過程與仿真過程提供支持。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)定

在本次實(shí)驗(yàn)中，首先需要獲取目標(biāo)道路的相關(guān)路況信息，包含客流量、高峰時(shí)期等，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)路段詳情

上述路段為本次實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，使用交通大數(shù)據(jù)模型與常規(guī)模型對實(shí)驗(yàn)路段車流量進(jìn)行調(diào)度。在本次實(shí)驗(yàn)中，將實(shí)驗(yàn)指標(biāo)設(shè)定為指定周期內(nèi)可通行車輛數(shù)目、臨近路段擁擠度以及區(qū)域道路協(xié)同性。為對交通大數(shù)據(jù)模型與常規(guī)模型進(jìn)行全面分析，將實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)定為日常狀態(tài)與節(jié)假日狀態(tài)，并根據(jù)上述內(nèi)容完成實(shí)驗(yàn)過程對比分析。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在日常狀態(tài)下交通大數(shù)據(jù)模型與常規(guī)模型的使用效果差別較小，兩者均可以實(shí)現(xiàn)對城市交叉口車輛的控制過程。當(dāng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境調(diào)整為節(jié)假日模式時(shí)，常規(guī)模型的調(diào)度能力被限制，在固定周期內(nèi)的車輛通行數(shù)據(jù)明顯下降。與常規(guī)模型相比，交通大數(shù)據(jù)模型由于考慮的數(shù)據(jù)項(xiàng)較多，對于車輛的調(diào)度方案通過多組目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，外界環(huán)境對其影響力較小。由此可知，交通大數(shù)據(jù)模型對于車輛調(diào)控能力較好。

表2 指定周期內(nèi)可通行車輛數(shù)目

由表3可知，使用不同種類的調(diào)度模型對于城市交叉口的相鄰路段的影響不同。當(dāng)使用交通大數(shù)據(jù)模型后，實(shí)驗(yàn)路段周圍的臨近路段受到的影響較小，不易造成交通擁擠的問題。與此模型相比，常規(guī)模型的使用效果較差，對城市交叉口進(jìn)行調(diào)節(jié)后，周圍路段受到了影響，呈現(xiàn)出車輛擁擠度加劇的問題。由此可以斷定交通大數(shù)據(jù)模型具有較好的車輛疏導(dǎo)能力，使用效果較好。

表3 臨近路段擁擠度

圖3 實(shí)驗(yàn)區(qū)域道路協(xié)同率

由圖3可知，不同調(diào)度模型對城市交通道路的協(xié)調(diào)性具有不同的影響。使用交通大數(shù)據(jù)模型后，實(shí)驗(yàn)區(qū)域道路協(xié)同性較為穩(wěn)定，協(xié)同性較高。由此可知，在實(shí)際應(yīng)用中此模型可有效緩解車輛擁擠問題。與此模型相比，使用常規(guī)模型后城市區(qū)域道路協(xié)同性較低，呈現(xiàn)出區(qū)域狀發(fā)展趨勢，對于城市交通發(fā)展具有阻礙作用。

由上述3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，交通大數(shù)據(jù)模型的效果明顯優(yōu)于常規(guī)模型，可有效緩解城市交通擁擠的問題。

4 結(jié)束語

現(xiàn)如今城市中車輛呈現(xiàn)大幅增長，導(dǎo)致交通問題層出不窮，嚴(yán)重影響了城市居民的出行安全。為此，本次研究依托交通大數(shù)據(jù)，為城市交叉口車流的優(yōu)化調(diào)度提供新的技術(shù)。在未來的城市交通管理發(fā)展過程中，可將本次研究結(jié)果作為依托，在此研究結(jié)果基礎(chǔ)上開發(fā)出更加先進(jìn)的調(diào)度方法，提高城市交通安全性。