單點(diǎn)交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化方法及原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

文│ 同濟(jì)大學(xué) 楊曉光上海濟(jì)祥智能交通科技有限公司 李曉丹 謝 峰 毛禮麒 詹求麗

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和社會(huì)的不斷進(jìn)步，城市規(guī)模不斷擴(kuò)展，汽車(chē)保有量急劇增加，由此帶來(lái)的交通擁堵、交通事故等交通問(wèn)題，以及由此引起的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失和空氣污染等日益危害著城市居民的日常生活，緩解交通擁堵已迫在眉睫。交叉口是城市交通的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)交叉口合理的交通組織渠化和科學(xué)的信號(hào)配時(shí)，可以有效地提高其通行能力，從而緩解信號(hào)交叉口的交通擁堵。

2 研究綜述

交通信號(hào)控制是道路交通管理的一個(gè)重要措施，它直接通過(guò)交替停止與放行共享沖突區(qū)域的交通流來(lái)監(jiān)視和控制交通流變化，所以保證信號(hào)控制交叉口最優(yōu)信號(hào)配時(shí)是提高城市交通系統(tǒng)便捷性的關(guān)鍵[1][2]。

交通信號(hào)控制優(yōu)化早在1958年就開(kāi)始了。Webster方法可能是基于最小延誤來(lái)達(dá)到最優(yōu)信號(hào)配時(shí)的最早的方法。它在非飽和條件下是有效的，但是它仍然有許多缺點(diǎn)[3]：其一，當(dāng)關(guān)鍵車(chē)流的流量比（Y）之和等于1的時(shí)候，基于Webster公式的最優(yōu)周期無(wú)窮大，當(dāng)Y>1時(shí)，公式失去意義；其二，它使用的垂直排隊(duì)模型不夠準(zhǔn)確；其三，優(yōu)化模型是基于信號(hào)階段不考慮行人和自行車(chē)綠燈間隔時(shí)間約束；其四，它把車(chē)均延誤作為信號(hào)優(yōu)化的唯一目標(biāo)函數(shù)。基于HCM2000延誤模型的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化方法，不僅適用于非飽和條件也適用過(guò)飽和條件，但是它也存在Webster類(lèi)似的缺點(diǎn)[4]。

交叉口信號(hào)配時(shí)方案主要研究核心的相位相序確定與周期長(zhǎng)度確定，確定相位相序是信號(hào)配時(shí)中的一項(xiàng)創(chuàng)造性工作，是配時(shí)過(guò)程的基礎(chǔ)；而周期對(duì)單點(diǎn)信號(hào)配時(shí)而言是一個(gè)關(guān)鍵控制參數(shù)，對(duì)于交通控制方案的效果有極大影響。

本文針對(duì)現(xiàn)有模型算法的不足，提出了一種通過(guò)離線(xiàn)方案與計(jì)算機(jī)在線(xiàn)調(diào)整相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)周期、綠信比、相位差的優(yōu)化，可以處理非飽和以及過(guò)飽和條件下的單點(diǎn)交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化控制方法。

3 交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型

3.1 交叉口信號(hào)配時(shí)方案的描述

本文的信號(hào)配時(shí)采用美國(guó)NEMA組織（National Electrical Manufacturer Assosiacion）提出的一種改進(jìn)的信號(hào)配時(shí)模型，這種模型被稱(chēng)為Dual-Ring模型。

如圖1所示，每個(gè)箭頭代表對(duì)應(yīng)的車(chē)流，字母代表隔離不能互相搭接的相位屏障（Barrier），分為上下兩條Ring。一條Ring中的相位在Barrier內(nèi)部能夠自由變換（如當(dāng)相位1切換至相位2時(shí)，無(wú)須考慮相位5是否切換至相位6）；而當(dāng)相位的切換需要跨越Barrier時(shí)，則需等待其他相位換得相位都到達(dá)跨越Barrier的相位切換點(diǎn)（如相位2切換至相位3時(shí)需要等待相位6到達(dá)切換相位7的時(shí)間點(diǎn)）。這種結(jié)構(gòu)將相位相序這樣一種邏輯關(guān)系完全可以通過(guò)相位有效綠燈時(shí)間的定量數(shù)值關(guān)系表達(dá)出來(lái)。因此能把相位的有效綠燈時(shí)間作為待優(yōu)化的決策變量，比傳統(tǒng)的相位相序結(jié)構(gòu)更具有靈活性，更適合實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制策略的實(shí)施。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)雙相位環(huán)8相位（phase）相位相序結(jié)構(gòu)圖

為了更清楚的描述模型中各優(yōu)化變量的含義，首先對(duì)信號(hào)配時(shí)模型中各部分進(jìn)行定義。圖2所示車(chē)流1、車(chē)流2、車(chē)流5和車(chē)流6的組合被定義為PhaseGroup，以此類(lèi)推，車(chē)流3、車(chē)流4、車(chē)流7和車(chē)流8的組合也是PhaseGroup；每個(gè)車(chē)流所對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)被定義為Slot；車(chē)流1、車(chē)流2、車(chē)流3和車(chē)流4的組合被定義為Ring。通過(guò)PhaseGroup、Slot和Ring三種對(duì)象就能描述交叉口的配時(shí)方案。

圖2 優(yōu)化變量的含義定義

3.2 交叉口優(yōu)化模型

常用的交叉口優(yōu)化目標(biāo)包括：通行能力最大、延誤最小、廢氣排放最少、燃油消耗最少。通行能力與延誤的關(guān)系很復(fù)雜，通行能力最大，要求信號(hào)周期越長(zhǎng)，這往往伴隨著延誤的增長(zhǎng)，而且，當(dāng)周期長(zhǎng)度增大到一定的數(shù)值后，通行能力隨延誤增長(zhǎng)十分緩慢，這時(shí)延誤卻增長(zhǎng)很快，這樣，增大周期長(zhǎng)度反而得不償失。廢氣排放和燃油消耗與停車(chē)次數(shù)有關(guān)，但在動(dòng)態(tài)控制策略中，停車(chē)次數(shù)沒(méi)有準(zhǔn)確的獲取方法。選擇延誤最小為信號(hào)配時(shí)的優(yōu)化目標(biāo)已經(jīng)廣泛地被各國(guó)的交通工程師所接受。因此，本文提出的單點(diǎn)優(yōu)化模型也以車(chē)輛延誤為主要優(yōu)化目標(biāo)。

交叉口優(yōu)化模型的輸入為交叉口各車(chē)流在一定時(shí)間（時(shí)間窗）內(nèi)的到達(dá)方式，以及各車(chē)流在優(yōu)化時(shí)刻的排隊(duì)長(zhǎng)度。優(yōu)化模型采用了離散時(shí)間（Discrete Time）和滾動(dòng)優(yōu)化（Rolling Horizon）的思想，近年來(lái)，離散時(shí)間、滾動(dòng)優(yōu)化也包括交通信號(hào)優(yōu)化在內(nèi)的眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并取得了較好的效果。離散時(shí)間、滾動(dòng)優(yōu)化把時(shí)間細(xì)分成小的時(shí)間段，每個(gè)時(shí)間段稱(chēng)為一個(gè)滾動(dòng)區(qū)域。離散時(shí)間、滾動(dòng)優(yōu)化把每個(gè)滾動(dòng)時(shí)間窗分成前部和后部?jī)蓚€(gè)部分，在時(shí)間窗前部執(zhí)行的是上一次滾動(dòng)計(jì)算的優(yōu)化方案，時(shí)間窗后部的方案雖然與前部同時(shí)完成優(yōu)化，但由于預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)不如前部準(zhǔn)確，因此并不會(huì)實(shí)際執(zhí)行，僅作為下次滾動(dòng)優(yōu)化的參考。

模型采用了一個(gè)動(dòng)態(tài)規(guī)劃（DP，dynamic programing）模型的思想，通過(guò)模型的求解能獲取在滾動(dòng)時(shí)間窗內(nèi)的全局最優(yōu)解[4]。

優(yōu)化過(guò)程被分為若干個(gè)間隔，每個(gè)間隔時(shí)間可根據(jù)實(shí)際情況定義（2～5s），所有間隔時(shí)間的和也就是滾動(dòng)時(shí)間窗的長(zhǎng)度。由于預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法保證在較長(zhǎng)時(shí)間窗內(nèi)的有效性，而且優(yōu)化模型并不需要很長(zhǎng)的時(shí)間窗，滾動(dòng)時(shí)間窗的長(zhǎng)度一般只需大于單點(diǎn)的最大周期長(zhǎng)度即可。每個(gè)優(yōu)化間隔都需要對(duì)整個(gè)時(shí)間窗內(nèi)的方案進(jìn)行計(jì)算和決策，優(yōu)化模型中所使用的參數(shù)含義如下：

L：信號(hào)總損失時(shí)間；

i：交叉口的車(chē)道組數(shù)；

j：一個(gè)周期內(nèi)的相位數(shù)；

yj：第 j相的流量比，；

qd：時(shí)段內(nèi)檢測(cè)到的交通量（pcu/h）；

Sd：設(shè)計(jì)飽和流量(pcu/h)；

周期的計(jì)算以車(chē)輛延誤最小為目標(biāo)，一個(gè)特定方向的車(chē)均延誤函數(shù)[5][6]如下：

因此，優(yōu)化目標(biāo)為：

約束條件為：

Cmax可根據(jù)需求取定，一般周期不超過(guò)150s[5]。

優(yōu)化過(guò)程如下：

（1）置C=Cmin，按等飽和度原則分配各車(chē)道組綠燈時(shí)間，同時(shí)注意Dual-Ring模型的要求。

（2）計(jì)算各車(chē)道組，車(chē)均延誤和總車(chē)道組延誤，得出交叉口所有車(chē)輛的延誤。

（3）C=C+1，回到（1），直到 C=Cmax時(shí)，停止迭代計(jì)算。

（4）比較每一個(gè)周期計(jì)算得到的（2）中交叉口所有車(chē)輛延誤，?。?）中所有車(chē)輛延誤的最小值所對(duì)應(yīng)的周期為交叉口周期。

（5）適當(dāng)調(diào)整周期，計(jì)算出Dual-Ring模型中其他的5個(gè)參數(shù)，得出交叉口信號(hào)配時(shí)參數(shù)。

4 原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過(guò)建立交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)離線(xiàn)方案與計(jì)算機(jī)在線(xiàn)調(diào)整相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)周期、綠信比、相位差的優(yōu)化，可以處理非飽和以及過(guò)飽和條件下的交通優(yōu)化控制，其基本體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件基本體系結(jié)構(gòu)

4.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的核心功能包括四塊內(nèi)容：城市道路網(wǎng)絡(luò)模型建立功能、交叉口參數(shù)配置與設(shè)計(jì)功能、單點(diǎn)交叉口信號(hào)控制方案優(yōu)化功能、方案評(píng)價(jià)功能。

（1）城市道路網(wǎng)絡(luò)模型建立功能

單點(diǎn)控制功能的實(shí)現(xiàn)，須建立交叉口/路網(wǎng)模型，并配置必要的交通流參數(shù)，通過(guò)采用多種信號(hào)控制周期及綠信分配優(yōu)化算法的整合來(lái)進(jìn)行。模型的建立包括兩部分內(nèi)容，一部分是空間幾何位置情況的確立；另一部分是交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)關(guān)系的確立。本軟件以GIS地圖為空間幾何位置依據(jù)，自主添加交通控制相關(guān)組件模型來(lái)完成城市路網(wǎng)模型的建立。主要功能包括工程管理、路網(wǎng)配置、路網(wǎng)狀態(tài)統(tǒng)計(jì)與顯示、路網(wǎng)輔助功能。

（2）交叉口參數(shù)配置與設(shè)計(jì)功能

交通流參數(shù)與交叉口現(xiàn)狀等對(duì)單點(diǎn)交叉口信號(hào)控制方案影響巨大，基于城市路網(wǎng)模型建立的空間位置以及路網(wǎng)結(jié)構(gòu)關(guān)系，對(duì)交叉口交通流具體參數(shù)進(jìn)行配置。配合輔助設(shè)計(jì)視圖，更加準(zhǔn)確地反映交叉口的現(xiàn)狀及信號(hào)控制環(huán)境。

（3）單點(diǎn)交叉口信號(hào)控制方案優(yōu)化功能

根據(jù)城市道路網(wǎng)絡(luò)模型及交叉口交通狀況對(duì)信號(hào)控制方案參數(shù)進(jìn)行分析，對(duì)適用的相位相序方案、最佳周期、最佳綠信比分配進(jìn)行評(píng)估及優(yōu)化。目前，本軟件對(duì)交叉口的單點(diǎn)控制，采用定時(shí)控制，隨著檢測(cè)技術(shù)、硬件設(shè)備的不斷發(fā)展，也可通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)以及優(yōu)化控制模型實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制目標(biāo)的自適應(yīng)控制策略。

（4）方案評(píng)價(jià)功能

通過(guò)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)信號(hào)配時(shí)控制方案進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，并形成詳細(xì)評(píng)價(jià)報(bào)告，對(duì)于改善交叉口運(yùn)行環(huán)境具有指導(dǎo)意義。

4.3 系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)

（1）城市道路網(wǎng)絡(luò)模型建立模塊

圖4 路網(wǎng)配置工具欄

將抽象交通流模型化，建立城市道路網(wǎng)絡(luò)模型，模型采用GIS地圖作為空間依據(jù)，以自主添加交通控制組件來(lái)完成模型建立，主要分為空間幾何位置的確立與交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)邏輯關(guān)系的構(gòu)建。該模塊實(shí)現(xiàn)界面如圖4所示。

（2）交叉口參數(shù)配置與設(shè)計(jì)模塊

交叉口的相關(guān)參數(shù)對(duì)于最終方案的形成和結(jié)果會(huì)產(chǎn)生極大的影響。對(duì)于特殊交叉口，借由交叉口參數(shù)配置功能還可以實(shí)現(xiàn)交叉口的特征及限制條件等因素的確定，如圖5所示。配合輔助設(shè)計(jì)功能，可以更加準(zhǔn)確地反映交叉口現(xiàn)狀與配時(shí)方案的適用性。

（3）單點(diǎn)交叉口信號(hào)控制方案優(yōu)化模塊

通過(guò)雙環(huán)結(jié)構(gòu)建立交叉口相位關(guān)系，可以靈活自主的變化交叉口的配時(shí)方案。首先對(duì)交叉口信號(hào)配時(shí)需求進(jìn)行評(píng)價(jià)，然后分別進(jìn)行相位相序優(yōu)化、周期優(yōu)化、綠信比分配優(yōu)化。其周期優(yōu)化如圖6所示。

（4）方案評(píng)價(jià)模塊

交叉口評(píng)價(jià)報(bào)告包括有四個(gè)部分：

◆ 控制方案評(píng)價(jià)：包括方案周期、交叉口相位差、自然周期；

◆ 詳細(xì)評(píng)價(jià)：包括各個(gè)流向的車(chē)道功能、流量、通行能力、飽和度、延誤、排隊(duì)長(zhǎng)度等；

◆ 總體評(píng)價(jià)：包括交叉口總流量、總延誤、最大飽和度、飽和度方差、排隊(duì)比和服務(wù)水平；

◆ 方案示意圖：對(duì)應(yīng)的配時(shí)方案示意圖。

交叉口評(píng)價(jià)報(bào)告如圖7所示。

圖7 單點(diǎn)交叉口控制方案評(píng)價(jià)報(bào)告

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先研究分析了交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化的算法，在此基礎(chǔ)上最終形成了基于先進(jìn)的控制理論和模型的信號(hào)控制算法與核心軟件，并具有與國(guó)外同類(lèi)系統(tǒng)相比在核心技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)上的優(yōu)勢(shì)，其成果已在太倉(cāng)等中小城市得到初步試用并取得客戶(hù)的好評(píng)。其優(yōu)越的信號(hào)配時(shí)性能可推進(jìn)民族交通信號(hào)控制系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，節(jié)約國(guó)內(nèi)交警部門(mén)的管理成本，具有推廣價(jià)值。

1 F B Lin，D Cooke，S Vijayakumar.Use of Predicted Vehicle Arrival Information for Adaptive Signal Control-An Assessment.[C]Transportation Research Record 1112.Washington，D.C，TRB，National Research Council，1987 ：89-98

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3 馬萬(wàn)經(jīng)，聶磊，楊曉光.單點(diǎn)定時(shí)信號(hào)最優(yōu)控制模型及仿真分析.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)[J].2007-10-19（19）：4543-4547

4 吳洋.干道過(guò)飽和交叉口群的實(shí)時(shí)交通控制策略研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2008

5 全永杰.城市交通控制[M].北京：人民交通出版社，1989

6 吳兵，李曄.交通管理與控制（第四版）[M].北京：人民教育出版社，2010