綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)運行狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)控方法＊

郭海鋒

（浙江工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院 杭州 310023）

所謂“綠波”，是指車流沿某條主要路線行進過程中，連續(xù)得到一個接一個的綠燈放行信號，暢通無阻地通過沿途所有交叉口.已有的綠波協(xié)調(diào)控制方法，從不同角度選擇優(yōu)化目標，尋求單向或雙向綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的最優(yōu)帶寬［1－3］.雖然已相對成熟的城市道路交通狀態(tài)判別方法可以判別道路交通狀態(tài)，但是方法中需要的交通數(shù)據(jù)在現(xiàn)實狀況下還很難獲得［4－5］.此外，對于干線協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)而言，某一路段或某一交叉口發(fā)生擁擠，未必會立即導(dǎo)致干線協(xié)調(diào)控制失效，若以此為依據(jù)切換信號控制方案可能會使控制效果不理想.本文以道路上交通檢測器采集到的實時交通數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)計一種有效協(xié)調(diào)時間的計算方法，監(jiān)控綠波協(xié)調(diào)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并以VISSIM為工具通過編程對上述方法進行模擬驗證.

1 有效協(xié)調(diào)時間

由圖1、圖2可以看出，設(shè)計帶寬是一個理論值，適合低流量情況.在高流量及飽和情況下，實際運行中各交叉口綠燈前段時間通常先放行停車線前的排隊車輛，綠燈后段時間才參與綠波協(xié)調(diào)放行上游駛來的車流.如果交叉口綠波方向排隊車輛數(shù)較多，將導(dǎo)致該交叉口參與綠波協(xié)調(diào)的時間較少，即占用了設(shè)計帶寬的一部分時間用于放行綠燈起始時刻停車線前的排隊車輛.由此可見，各交叉口有效協(xié)調(diào)時間越小，意味著從上游駛出的車流能連續(xù)通過下游交叉口的概率越小，當有效協(xié)調(diào)時間低于某一閾值時，綠波協(xié)調(diào)將難以實現(xiàn)，因此，有必要實時計算有效協(xié)調(diào)時間的數(shù)值.

在本文研究中，有效協(xié)調(diào)時間（available coordinated time，ACT）是指綠波協(xié)調(diào)控制過程中能夠真正起到綠波通行作用的那部分時間.

圖1 理想情況下綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)時－空圖

圖2 擁堵情況下綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)時－空圖

由圖1、圖2及前述分析可知，某一個相位的綠燈時間可分為兩部分，一部分用于釋放停車線前的排隊車輛，另一部分釋放上游交叉口當前綠燈放行過來的車輛，使其無阻滯地通過交叉口.本文將前者記為本地時間Gloc（i），將后者記為彈性時間Grem（i）.

在某一信號周期內(nèi)，各交叉口綠波方向的彈性時間Grem（i）越多，系統(tǒng)獲得的有效協(xié)調(diào)時間越多.整個系統(tǒng)的有效協(xié)調(diào)時間受各交叉口中最小的彈性時間制約，即某個交叉口的彈性時間Grem（i）較小，則會影響當前信號周期整個系統(tǒng)運行的有效協(xié)調(diào)時間，成為系統(tǒng)的瓶頸點.

2 計算方法

本文以SCATS系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)每組最多支持6個交叉口進行綠波協(xié)調(diào)控制，因此設(shè)計有效協(xié)調(diào)時間計算方法時假定參與綠波協(xié)調(diào)的交叉口數(shù)量為N，2≤N≤6；同時假定綠波方向參與協(xié)調(diào)的末端交叉口與其下游相鄰交叉口間的路段較長，足以容納末端交叉口釋放的車輛而不會排隊溢出.

2.1 Gloc和Grem的計算

SCATS系統(tǒng)停車線前各車道布設(shè)有檢測器，能夠?qū)崟r計算出相鄰兩輛車通過檢測器的時間間隔.飽和情況下，綠燈開始的前期階段，排隊車輛以車隊的形式通過檢測器，飽和車頭時距通常為1.5～3.5s［6］.

本文對某一實際路口進行了實際調(diào)查，綠燈期間通過的車輛均是小車，車頭時距見圖3所示.經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，排在隊前的車輛車頭時距較大，排在隊尾的車輛車頭時距較小，最小的車頭時距為1s，15輛車放行完畢后，逝去的綠燈時間為29s，該方向綠燈時間為35s，因此綠燈剩余時間為6s.

由此可知，若檢測器檢測到的車輛間隔時間大于飽和車頭時距，則可認為排隊車輛已放行完畢，綠燈剩余時間為彈性時間，可用于放行上游正駛來的車輛.

圖3 飽和車頭時距分布圖

設(shè)相鄰車輛通過檢測器的間隔時間為Tgap，某交叉口綠波方向所在相位綠燈時間為G（i），則

式中：Tgap（j）為檢測到的第j個間隔時間，當Tgap（j）小于4s時，認為釋放的是排隊車輛；一旦Tgap（j）大于4s，則后續(xù)再檢測到的車輛認為是上游交叉口剛放行駛來的車輛，間隔時間不再參與公式（1）的計算，Gwaste為綠燈初始損失時間.

顯然，0≤Grem（i）≤G（i），即若綠燈起始時刻，停車線前排隊車輛數(shù)為0，則當前交叉口的綠燈時間可全部用于綠波協(xié)調(diào)；若當前交叉口綠燈起始時刻停車線前排隊車輛數(shù)較多，則Grem（i）將趨于0，即交叉口用于綠波協(xié)調(diào)的時間為0.

2.2 有效協(xié)調(diào)時間的計算

由前述分析可知，綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)當前信號周期的有效協(xié)調(diào)時間計算見式（3），即當前系統(tǒng)最小的Grem（i）值.

有效協(xié)調(diào)時間的計算過程如下：（1）監(jiān)測交叉口i綠波方向紅燈時間是否結(jié)束，如果是則轉(zhuǎn)向（2），否則繼續(xù)監(jiān)測，i＝1，2，…，N；（2）獲得當前信號周期交叉口i綠波方向的綠燈時間 ，i＝1，2，…，N；（3）計算交叉口i的本地時間Gloc（i），i＝1，2，……，N；（4）計算交叉口i的剩余時間Grem（i），i＝1，2，……，N；（5）計算 N 個交叉口的最小剩余時間 min｛Grem（i）｝，即有效協(xié)調(diào)時間ACT；（6）輸出當前信號周期綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的有效協(xié)調(diào)時間，并對 min｛Grem（i）｝所屬的交叉口i給予1分懲罰，即punish（i）＝punish（i）＋1；（7）如果ACT小于閾值d，則當前綠波協(xié)調(diào)控制失效，輸出 max｛punish（i），i＝1，...，N｝所屬的交叉口Int（i）；否則轉(zhuǎn)步驟（1），對下一信號周期進行監(jiān)測.

2.3 瓶頸交叉口的確定方法

本文以當前綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的信號周期為時間間隔，在每個信號周期結(jié)束時，選取Grem（i）最小的交叉口，并給予其數(shù)值為1分的懲罰.當綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的有效協(xié)調(diào)時間低于某一閾值時，則表明當前的綠波協(xié)調(diào)控制失效，此時獲得懲罰分數(shù)最大的交叉口即為該系統(tǒng)的瓶頸交叉口.確定瓶頸交叉口的流程圖見圖4所示.

圖4 確定綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)瓶頸交叉口流程圖

由木桶理論可知，實際運行中綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的有效協(xié)調(diào)時間受系統(tǒng)中瓶頸交叉口的影響較大，系統(tǒng)實際執(zhí)行的有效協(xié)調(diào)時間取決于該瓶頸交叉口所能獲得的綠燈剩余時間.

3 模擬實驗

3.1 方案設(shè)計

圖5所示，以連續(xù)的五個交叉口為研究對象，5個交叉口所在的道路為城市主干路，各交叉口間距離約為600m.在實驗中以VISSIM模擬軟件為工具，利用VB調(diào)用VISSIM的COM接口，讀取檢測器數(shù)據(jù)及信號控制機參數(shù)，模擬時間為3 600s，設(shè)置的交通流量隨仿真時間的增加而逐漸增大.

各交叉口東西方向進行綠波協(xié)調(diào)控制，共用信號周期時長為100s，系統(tǒng)設(shè)計的帶寬為25s，即理論上在帶寬所轄25s時間范圍內(nèi)，自交叉口E駛出的車輛能夠無阻滯地順利通過交叉口A.

圖5 交叉口的渠化結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)

圖6中，橫軸為綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的共用信號周期，縱軸為每一信號周期干線系統(tǒng)的有效協(xié)調(diào)時間.從圖6中可見，模擬期間綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的有效協(xié)調(diào)時間隨著交通流量的增大而逐漸減小.因此，可以通過監(jiān)測有效協(xié)調(diào)時間的動態(tài)變化對綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行動態(tài)監(jiān)控.

圖6 綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)有效協(xié)調(diào)時間

模擬結(jié)果表明，擁堵狀況下綠波協(xié)調(diào)控制既不能實現(xiàn)理論上的“綠波”通行，又不能對擁擠的車流給予及時疏導(dǎo).因此，出現(xiàn)擁堵時應(yīng)及時切換信號控制方案.

3.3 有效協(xié)調(diào)時間閾值分析

有效協(xié)調(diào)時間閾值d的確定直接影響干線不同信號控制方案的切換時機.為了確定最優(yōu)d值，本文采用試探的方法對d分別取值為3，4，5，6，7，當有效協(xié)調(diào)時間小于d時，則將信號控制方案切換為已有文獻所采用的TSS－CAI控制方案［7］，并對不同取值的實驗結(jié)果進行了對比分析，見表1所列.

實驗表明，當d＝5時，模擬期間系統(tǒng)的性能指標最優(yōu)，即當有效協(xié)調(diào)時間小于等于5s時已有的綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)應(yīng)該切斷綠波，而改用其他有利于疏導(dǎo)擁擠交通流的信號控制方案，以便及時地對擁擠的車流進行疏導(dǎo).

4 結(jié) 論

1）綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)實際運行的效果取決于系統(tǒng)各信號周期能夠獲得的有效協(xié)調(diào)時間，高峰及擁堵情況下有效協(xié)調(diào)時間較小，因此個別信號周期會出現(xiàn)路段排隊車輛溢出至上游交叉口的現(xiàn)象.

2）確定的瓶頸交叉口，有利于對擁堵的成因進行深入分析，進一步提高干線系統(tǒng)的通行能力.

3）仿真實驗結(jié)果表明，利用有效協(xié)調(diào)時間計算方法，能夠?qū)G波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，為確定不同干線交通信號控制方式的切換時點提供技術(shù)支持.

表1 不同有效協(xié)調(diào)時間閾值d的對比分析結(jié)果

［1］馬 楠，邵春福，趙 熠.基于雙向綠波帶寬最大化的交叉口信號協(xié)調(diào)控制優(yōu)化［J］.吉林大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2009，39（S2）：19－24.

［2］吳 震.基于仿真的干線協(xié)調(diào)控制分析指標［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2010，33（2）：349－352.

［3］Gartner N H，Stamatiadis C.Arterial－based control of traffic flow in urban grid networds［J］.Mathemat－ical and Computer Modelling，2002，35（5－6）：657－671.

［4］鄒 亮，徐建閩，朱玲湘.基于融合技術(shù)的道路交通狀態(tài)判別模型［J］.清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2007，47（2）：1 822－1 825.

［5］姜桂艷，郭海鋒，吳超騰.基于感應(yīng)線圈數(shù)據(jù)的城市道路交通狀態(tài)判別方法研究［J］.吉林大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2008，38（S1）：37－42.

［6］趙 星，任 剛.信號交叉口車頭時距特性分析［J］.交通運輸工程與信息學(xué)報，2010，8（1）：103－109.

［7］郭海鋒.局部擁擠條件下城市道路交通信號控制方法研究［D］.長春：吉林大學(xué)交通學(xué)院，2008.