交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制的方案過(guò)渡研究

丁海龍

(連云港杰瑞電子有限公司，江蘇 連云港 222000)

交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制作為提高出行效率的有效手段，對(duì)維護(hù)城市道路交通秩序安全的意義重大，越來(lái)越受交通管理者重視，近年來(lái)全國(guó)各地廣泛應(yīng)用。在協(xié)調(diào)控制中，配時(shí)變化、時(shí)鐘調(diào)整、緊急優(yōu)先等情況出現(xiàn)時(shí)，通過(guò)延長(zhǎng)或縮短周期綠信比，實(shí)現(xiàn)相位差平穩(wěn)、連續(xù)過(guò)渡調(diào)整的過(guò)程稱為方案過(guò)渡[1-8]。以傳統(tǒng)方案過(guò)渡方法及其衍生算法[9]為代表的平滑過(guò)渡算法，有較多研究成果，Lieberman等[10]提出過(guò)一種以過(guò)渡持續(xù)時(shí)間最短為目標(biāo)的RAST(Rapid Signal Transition Algorithm)過(guò)渡算法；宋現(xiàn)敏[11]提出過(guò)基于不同過(guò)渡轉(zhuǎn)換時(shí)間建立一次、二次、三次平滑過(guò)渡方法；譚偉麗[12]提出過(guò)一種面向活躍相位的干線協(xié)調(diào)信號(hào)控制配時(shí)方案過(guò)渡算法；郭海峰等[13]提出過(guò)以最佳相位差調(diào)整量為依據(jù)的快速平滑過(guò)渡方法；樹(shù)愛(ài)兵等[14]提出過(guò)基于周期時(shí)長(zhǎng)調(diào)整范圍與綠燈時(shí)間分配策略的協(xié)調(diào)控制過(guò)渡方法。上述幾種方法雖然能解決一些平滑過(guò)渡算法在過(guò)渡時(shí)長(zhǎng)波動(dòng)性較高的缺陷，但在移植信號(hào)機(jī)實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用時(shí)，仍存在兩個(gè)典型問(wèn)題，一是未考慮延長(zhǎng)與縮短策略內(nèi)在關(guān)聯(lián)，決策單一；二是未考慮協(xié)調(diào)及通行對(duì)綠信比需求，分配不均。

1 兩級(jí)決策模型

1.1 過(guò)渡調(diào)整判定

假定公共周期C，階段總數(shù)n，協(xié)調(diào)相位差O，階段i的基礎(chǔ)時(shí)長(zhǎng)ti_base，則周期切換時(shí)刻的期望相位差

(1)

式中：k為協(xié)調(diào)階段號(hào)。

周期切換時(shí)刻與統(tǒng)一時(shí)鐘基準(zhǔn)點(diǎn)的偏差Tlocal，則實(shí)際相位差

Qreal=mod(Tl0cal,C)

(2)

若Oreal=Oexpect，無(wú)需過(guò)渡調(diào)整，否則，需要過(guò)渡調(diào)整。

1.2 關(guān)聯(lián)調(diào)整量

需要過(guò)渡調(diào)整時(shí)，分以下兩類情況討論

若Oreal

Tadj_plus=Oexpect-Oreal

(3)

Tadj_minus=C-Oexpect+Oreal

(4)

若Oreal>Oexpect，縮短調(diào)整量及關(guān)聯(lián)的延長(zhǎng)調(diào)整量分別為

Tadj_minus=Oreal-Oexpect

(5)

Tadj_plus=C-Oreal+Oexpect

(6)

上述兩種情況中，延長(zhǎng)與縮短調(diào)整量在[1,C-1]內(nèi)的模值之和等于周期值，即

Tadj_plus+Tadj_minus=C

(7)

Tadj_plus∈[1,C-1]與Tadj_minus∈[1,C-1]互稱為關(guān)聯(lián)調(diào)整量。

1.3 總過(guò)渡周期數(shù)

延長(zhǎng)調(diào)整所需過(guò)渡周期數(shù)

Rtsplus=[Tadj_plus/ΔCtunit_plus]

(8)

式中：ΔCtunit_plus為周期最大可延長(zhǎng)秒數(shù)。

縮短調(diào)整所需過(guò)渡周期數(shù)

c

(9)

式中：ΔCtunit_minus為周期最大可縮短秒數(shù)。

依據(jù)互為關(guān)聯(lián)調(diào)整量的特性，縮短過(guò)渡調(diào)整總過(guò)渡周期數(shù)的延長(zhǎng)表達(dá)為

Rtsminus=[(C-Tadj_minus)/ΔCtunit_minus]

(10)

以公共周期120 s為例，分別對(duì)單周期延長(zhǎng)和縮短調(diào)整時(shí)長(zhǎng)占周期5%、15%、25%的總過(guò)渡時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)比研究，其中左側(cè)豎線區(qū)域表示，在當(dāng)前Tadj_plus下，延長(zhǎng)過(guò)渡調(diào)整所需的周期數(shù)更??；右側(cè)細(xì)點(diǎn)形成的橫線區(qū)域表示，在當(dāng)前Tadj_plus下，縮短過(guò)渡調(diào)整所需的周期數(shù)更?。恢虚g粗黑區(qū)域表示，在當(dāng)前Tadj_plus下，延長(zhǎng)與縮短過(guò)渡調(diào)整所需的周期數(shù)相等。同時(shí)，隨著Tadj_plus的增加，延長(zhǎng)所需過(guò)渡調(diào)整周期數(shù)逐漸階梯增加，縮短所需過(guò)渡調(diào)整周期數(shù)逐漸階梯下降；階梯寬度與單周期調(diào)整量正相關(guān)。

1.4 總過(guò)渡調(diào)整時(shí)長(zhǎng)

延長(zhǎng)過(guò)渡調(diào)整總過(guò)渡調(diào)整時(shí)長(zhǎng)

Ttotal_plus=Rtsplus×C+Tadj_plusRtsplus>0

(11)

縮短過(guò)渡調(diào)整總過(guò)渡調(diào)整時(shí)長(zhǎng)

Ttotal_minus=Rtsminus×C-Tadj_minusRtsminus>0

(12)

依據(jù)互為關(guān)聯(lián)調(diào)整量的特性，縮短過(guò)渡調(diào)整總過(guò)渡調(diào)整時(shí)長(zhǎng)的延長(zhǎng)表達(dá)為

Ttotal_minus=[(C-Tadj_plus)/ΔCtunit_minus]×C-(C-Tadj_plus)Rtsminus>0

(13)

如圖2所示，同樣以公共周期120s為例，分別對(duì)單周期延長(zhǎng)和縮短調(diào)整時(shí)長(zhǎng)占周期5%、15%、25%的總過(guò)渡時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行對(duì)比研究。其中左側(cè)豎線區(qū)域表示，在當(dāng)前Tadj_plus下，延長(zhǎng)過(guò)渡調(diào)整所需的總過(guò)渡時(shí)長(zhǎng)更??；右側(cè)細(xì)點(diǎn)形成的橫線區(qū)域表示，在當(dāng)前Tadj_plus下，縮短過(guò)渡調(diào)整所需的總過(guò)渡時(shí)長(zhǎng)更小；中間粗黑區(qū)域(交點(diǎn))表示，在當(dāng)前Tadj_plus下，延長(zhǎng)與縮短過(guò)渡調(diào)整所需的總過(guò)渡時(shí)長(zhǎng)相等。單周期延長(zhǎng)調(diào)整值不變時(shí)，單周期縮短調(diào)整值增加，交點(diǎn)左移，延長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)區(qū)減少，縮減優(yōu)勢(shì)區(qū)增加；單周期縮短調(diào)整值不變時(shí)，單周期延長(zhǎng)調(diào)整值增加，交點(diǎn)右移，延長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)區(qū)增加，縮減優(yōu)勢(shì)區(qū)減少。

1.5 TS與Dev兩級(jí)決策模型

上述對(duì)比分析結(jié)果表明，不同條件下，延長(zhǎng)與縮短調(diào)整策略的優(yōu)勢(shì)區(qū)間并不相同，挑選合適的調(diào)整策略，有利于降低過(guò)渡調(diào)整對(duì)交通波動(dòng)影響。因此，本文設(shè)計(jì)了基于總過(guò)渡調(diào)整時(shí)長(zhǎng)較小及與調(diào)整前后周期中值偏離度較小優(yōu)化目標(biāo)的兩級(jí)過(guò)渡決策模型。

模型第一級(jí)，側(cè)重調(diào)整速度，總過(guò)渡調(diào)整時(shí)長(zhǎng)差異過(guò)大時(shí)挑選較小的過(guò)渡調(diào)整策略；模型第二級(jí)，側(cè)重方案波動(dòng)，總過(guò)渡調(diào)整時(shí)長(zhǎng)差異在一定范圍內(nèi)時(shí)，選擇與調(diào)整前后周期中值偏離度較小的過(guò)渡調(diào)整策略。

以延長(zhǎng)與縮短兩種過(guò)渡調(diào)整策略的總過(guò)渡調(diào)整時(shí)長(zhǎng)差值的絕對(duì)值與切換后周期時(shí)長(zhǎng)之比構(gòu)建TS指標(biāo)，即

(14)

若TS>1，延長(zhǎng)與縮短過(guò)渡調(diào)整策略的總過(guò)渡調(diào)整速率差異明顯，選擇min{Ttotal_plus,Ttotal_minus}對(duì)應(yīng)的調(diào)整策略；否則，調(diào)整速率相差不大，考慮減少方案過(guò)渡波動(dòng)，用單周期過(guò)渡調(diào)整時(shí)長(zhǎng)與調(diào)整前后周期中值差值的絕對(duì)值表示偏離度，令切換前的周期Cper，則

Cmid=(Cper+C)/2

(15)

延長(zhǎng)過(guò)渡調(diào)整單周期時(shí)長(zhǎng)與中值偏差的絕對(duì)值

(16)

縮短過(guò)渡調(diào)整單周期時(shí)長(zhǎng)與中值偏差的絕對(duì)值

(17)

若Devplus≤Devminus，選擇延長(zhǎng)過(guò)渡調(diào)整策略；否則選擇縮短過(guò)渡調(diào)整策略。

2 綠信比分配

2.1 延長(zhǎng)調(diào)整

決策模型輸出延長(zhǎng)過(guò)渡調(diào)整策略時(shí)，優(yōu)先延長(zhǎng)協(xié)調(diào)階段綠燈，再對(duì)非協(xié)調(diào)階段逐秒均勻延長(zhǎng)，周期及階段的延長(zhǎng)調(diào)整時(shí)長(zhǎng)不可超過(guò)單周期及各階段最大可延長(zhǎng)秒數(shù)。

令單周期剩余所需調(diào)整時(shí)長(zhǎng)初始值為

(18)

優(yōu)先延長(zhǎng)協(xié)調(diào)階段綠燈，即協(xié)調(diào)階段時(shí)長(zhǎng)

(19)

式中：Δtk_plus為協(xié)調(diào)階段k最大可延長(zhǎng)秒數(shù)，tk_up為協(xié)調(diào)階段k的上限時(shí)長(zhǎng)。

更新單周期剩余所需調(diào)整時(shí)長(zhǎng)

(20)

繼續(xù)循環(huán)逐秒分配至各非協(xié)調(diào)階段，直至該剩余調(diào)整時(shí)長(zhǎng)為0；

2.2 縮短調(diào)整

決策模型輸出縮短過(guò)渡調(diào)整策略時(shí)，優(yōu)先對(duì)非協(xié)調(diào)階段逐秒均勻縮短，再縮短協(xié)調(diào)階段綠燈，周期及階段的縮短調(diào)整時(shí)長(zhǎng)不可超過(guò)單周期及各階段最大可縮短秒數(shù)。

令單周期剩余所需調(diào)整時(shí)長(zhǎng)初始值為

(21)

優(yōu)先對(duì)非協(xié)調(diào)階段逐秒分配縮短，非協(xié)調(diào)階段最大總縮短消耗時(shí)長(zhǎng)

(22)

式中：Δti_minus為非協(xié)調(diào)階段i最大可縮短秒數(shù)。

更新單周期剩余調(diào)整時(shí)長(zhǎng)

(23)

若ΔCtreal>0，繼續(xù)通過(guò)延長(zhǎng)協(xié)調(diào)階段綠燈時(shí)長(zhǎng)消耗該調(diào)整時(shí)長(zhǎng)

tk_base=tk_base-ΔCtreal

(24)

3 算例分析

3.1 算例背景

依托杰瑞自研信號(hào)機(jī)在環(huán)仿真算法驗(yàn)證系統(tǒng)，搭建小型協(xié)調(diào)路網(wǎng)，驗(yàn)證兩級(jí)過(guò)渡決策模型與綠信比分配方法運(yùn)行效果。從左到右，分別為路口1至路口3。

各路口配置信息，見(jiàn)表1。

3.2 模型決策

(1)TS指標(biāo)決策

路口1的TS=1，總過(guò)渡調(diào)整速率相差不大，進(jìn)一步基于Dev指標(biāo)決策；

路口2的TS=2，總過(guò)渡調(diào)整速率差異明顯，選擇更快的延長(zhǎng)調(diào)整策略；

路口3的TS=1，總過(guò)渡調(diào)整速率差異明顯，選擇更快的縮短調(diào)整策略。

(2)Dev指標(biāo)決策

僅路口1需要執(zhí)行Dev指標(biāo)決策。其延長(zhǎng)過(guò)渡調(diào)整單周期時(shí)長(zhǎng)與中值偏差的絕對(duì)值Devplus=25，縮短過(guò)渡調(diào)整單周期時(shí)長(zhǎng)與中值偏差的絕對(duì)值Devminus=11，即Devplus>Devminus，則路口1選擇縮短過(guò)渡調(diào)整策略。

(3)過(guò)渡調(diào)整策略輸出

各路口的過(guò)渡調(diào)整策略輸出，如表2。

表1 路口配置方案

表2 各路口過(guò)渡調(diào)整策略

3.3 綠信比分配

(1)以路口2為例，展示延長(zhǎng)分配過(guò)程

①初始ΔCtreal=20；

②優(yōu)先延長(zhǎng)協(xié)調(diào)階段時(shí)長(zhǎng)

協(xié)調(diào)階段時(shí)長(zhǎng)t1_base=44，更新ΔCtreal=1；

③繼續(xù)均勻延長(zhǎng)非協(xié)調(diào)階段時(shí)長(zhǎng)

第一輪，{t2_base,t3_base,t4_base}修正為{28,38,28},更新ΔCtreal=2；

第二輪，{t2_base,t3_base,t4_base}修正為{28,40,28},更新ΔCtreal=0；

④最終，{t2_base,t3_base,t4_base}修正為{44,28,40,28}，過(guò)渡周期ΔCtreal=140。

(2)以路口1為例，展示縮短分配過(guò)程

①初始ΔCtreal=16；

②優(yōu)先均勻縮短非協(xié)調(diào)階段時(shí)長(zhǎng)

第一輪，{t1_base,t2_base,t4_base}修正為{32,22,22}，更新ΔCtreal=7；

第二輪，{t1_base,t2_base,t4_base}修正為{30,20,22}，更新ΔCtreal=3；

③繼續(xù)縮短協(xié)調(diào)階段時(shí)長(zhǎng)

協(xié)調(diào)階段時(shí)長(zhǎng)t3_base=32，更新ΔCtreal=0；

④最終，{t1_base,t2_base,t3_base,t4_base}修正為{30,20,32,22}，過(guò)渡周期Ctreal=104。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文深入研究出延長(zhǎng)與縮短兩種過(guò)渡調(diào)整策略在總過(guò)渡周期數(shù)和總過(guò)渡調(diào)整時(shí)長(zhǎng)方面的規(guī)律，構(gòu)建包含表征調(diào)整速度的TS指標(biāo)和表證周期中值偏離度的Dev指標(biāo)的兩級(jí)輕量化決策模型，設(shè)計(jì)符合協(xié)調(diào)需求與通行需求的綠信比均勻分配方案。并依托杰瑞自研信號(hào)機(jī)在環(huán)仿真算法驗(yàn)證系統(tǒng)，驗(yàn)證了決策模型及綠信比分配方法的可操作性和實(shí)用性，解決了實(shí)踐中常見(jiàn)的決策單一和分配不均的兩個(gè)典型問(wèn)題。