城市復雜軌道交通信號智能配時方法仿真

摘? 要： 傳統(tǒng)的智能配時方法在解決城市復雜軌道交通信號配時問題時，存在時間延誤、實際應用能力差的問題。為了解決上述問題，以仿真方法研究了一種新的城市復雜軌道交通信號智能配時方法。在Hopfield模型的基礎(chǔ)上建立雙層反饋網(wǎng)絡(luò)，通過雙層反饋網(wǎng)絡(luò)計算出車輛延誤值、飽和流量值，進而開發(fā)出能量函數(shù)，根據(jù)開發(fā)的能量函數(shù)對雙層反饋網(wǎng)絡(luò)進行智能優(yōu)化，優(yōu)化過程包括交通數(shù)據(jù)采集、飽和度計算、優(yōu)化計算、結(jié)果處理、結(jié)果發(fā)送五步。通過仿真實驗驗證了設(shè)計的智能配時方法的性能，結(jié)果表明，給出的配時方法可以很好地解決時間延誤的問題，并且可以針對具體情況進行調(diào)試。

關(guān)鍵詞： 人工智能; 城市復雜軌道; 交通信號; 智能配時; Hopfield模型; 雙層反饋網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號： TN911.7?34; TP18? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）21?0080?05

Simulation of intelligent time distribution method for urban complex rail transit signals

PANG Yanzhi

（Nanning University， Nanning 530200， China）

Abstract： Time delay occurs when the traditional intelligent time distribution method is used for the time distribution of urban complex rail transit signals. Therefore， the performance of practical application is poor. In view of the above， a new intelligent time distribution method for urban complex rail transit signals is studied by simulation method. A double?layer feedback network is established on the basis of Hopfield model. The vehicle delay value and saturated flow value are calculated by the double?layer feedback network， so as to develop the energy function. According to the developed energy function， the double?layer feedback network is intelligently optimized. The optimization process includes five steps， named traffic data collection， saturation calculation， optimization calculation， result processing and result sending. The performance of the designed intelligent time distribution method is verified by simulation experiments. The results show that the proposed time distribution method can avoid the time delay and can be used for debugging as specific conditions.

Keywords： artificial intelligence; urban complex track; traffic signal; intelligent time distribution; Hopfield model; double?layer feedback network

0? 引? 言

道路交通擁堵導致的各種交通事故層出不窮，汽車尾氣排放引起的環(huán)境污染問題也日益引起人們的關(guān)注[1]。如今大多數(shù)地區(qū)與國家正在逐漸尋找治理方案，引起交通不暢問題的原因主要是交通指揮問題，而非單純的道路狀況。如今交通信號燈缺乏智能化的特性，無法有效地發(fā)揮交通通信控制裝備的性能，由此，城市交通的智能化系統(tǒng)控制便成了一個重要的發(fā)展趨勢，同時也構(gòu)成了智能運輸系統(tǒng)[2]。

近年以來，對城市交通控制方面的研究成果日益增多，傳統(tǒng)的研究方法一般為建立城市交通控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，并進一步進行最優(yōu)控制，如今應用較為廣泛的系統(tǒng)分別為SCOOT和TRANSYT，基本建模原理為統(tǒng)計式與算法相結(jié)合[3]。由于城市交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復雜，因此，無法有效建立交通系統(tǒng)控制數(shù)理模型，并且現(xiàn)今的智能控制算法僅僅處于理論研究階段，無法有效應用于實踐控制領(lǐng)域[4]。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方面的研究成果也不斷增加，并被廣泛應用于眾多領(lǐng)域之中，Hopfield作為一種系統(tǒng)較為完善的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，被應用于優(yōu)化實踐中，但由于其是單層反饋的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，依舊無法較好地應用于交通控制系統(tǒng)中[5]。Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可從其能量函數(shù)的反饋理論中獲取所需要的信息，本文依據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對Hopfield進行有效的方法改進，將其單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓展為雙層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并將其有效應用于道路口交通控制信號智能配時優(yōu)化系統(tǒng)中。

4） 總結(jié)所得計算結(jié)果，并加工處理;

5） 將所得最終數(shù)據(jù)移入交通控制信號裝置中。

4? 仿真實驗

4.1? 仿真對象設(shè)置研究

將廣東省江門市某條交通道路口作為仿真實驗的研究對象，由于該路段為過境公路，在其區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展及城市擴建的過程中成為一條除過境公路功能外較為重要的交通路線。

仿真對象為較為典型的十字型平面路口，交通信號控制運用四相位控制，并在每個相位中穿插兩條交通流道路，進行右轉(zhuǎn)方向控制。四車道交叉路口平面圖如圖5所示。

連續(xù)6天對該路口的交通量進行調(diào)查，調(diào)查的時間區(qū)間為7： 00 am—9： 00 pm，每5 min記錄一次機動車數(shù)據(jù)。對調(diào)查數(shù)據(jù)進行匯總記錄如表1所示。

將所有的不同車輛折算，記錄成“標準小客車單位”，并對數(shù)據(jù)進行折算，得到的信號相位圖如圖6所示。

4.2? 仿真計算及分析

為了驗證本文方法的有效性，對比本文研究的交通信號智能配時方法與傳統(tǒng)的單個交叉路口的交通優(yōu)化控制方法。其運用的主要方法如下：

1） 車輛感應控制：此方法首先進行系統(tǒng)在線檢測，測量出各個道路交叉路口的交通狀況信息，并根據(jù)所得的數(shù)據(jù)進行延長綠燈相位或切換相位的判斷。該方法應用較為流行廣泛，并且是一種較為成熟的交通控制方法。

2） 自尋優(yōu)控制：在本文方法中，將不同的控制器參數(shù)與時刻變化的交通狀況進行自動匹配。每個匹配周期內(nèi)都將進行相位順序的調(diào)整及相位綠燈信號比率的調(diào)配。該方法的關(guān)鍵點在于延長相位綠燈并獲取預期收益，其在相關(guān)相位上產(chǎn)生的損失可以經(jīng)過合理的計算被有效延長，反之則需要切換至相應相位的綠燈中。其主要步驟如圖7所示。

1） 檢測交通路口的交通流信息;

2） 估計同類別的車輛數(shù)量;

3） 根據(jù)所得數(shù)據(jù)計算性能指標值;

4） 對以上步驟進行判斷并執(zhí)行。

對當前相位值進行設(shè)定，則性能指標函數(shù)用[Q]表示，根據(jù)相位綠燈延時[Δt]計算相位方向帶來的益處[G]和對應的損失值[L]，計算公式為：

[Q=G-L] （5）

在計算相位綠燈延時[Δt]對相位方向帶來的益處和損失值時，要參考大型車、中型車、小型車、摩托車和行人通過量。

在分析相位時需要判斷延長時間是否準確。如果[Q>0]，設(shè)置延長數(shù)據(jù)中的相位，參考相對原則，設(shè)置的相位為綠時，反之，調(diào)節(jié)至其他相位。

采用Matlab再次進行開發(fā)，并得到仿真結(jié)果，為了使結(jié)果更加準確，對最小周期值和最大周期值進行設(shè)定，設(shè)置最小的周期值為50 s，最大的周期值為80 s，紅綠燈顯示的最小綠燈時間為20 s，最大紅燈時間設(shè)置為60 s，其中，黃燈的出現(xiàn)時間設(shè)置為1 s。最終獲取的實驗仿真結(jié)果如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可知，本文設(shè)計的基于雙層反饋網(wǎng)絡(luò)智能優(yōu)化配時方法能夠在較大程度上降低車輛通行路口時的平均延誤時長，可進一步依據(jù)實際發(fā)展狀況對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行修改，確保配時的合理性。

5? 結(jié)? 論

本文通過上述討論，可得如下結(jié)論：

1） 與傳統(tǒng)的優(yōu)化配時方法相比，本文采用了具有雙層反饋網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的智能優(yōu)化配置方法，可以較好地減少交通交叉路口車輛通行過程中所產(chǎn)生的平均延誤時間，交叉路口車輛延誤減少的平均數(shù)值為16%。在一定程度上影響了車輛的通行效率并提升了路口信號設(shè)備與交通道路匹配程度。

2） 在本文優(yōu)化匹配計算中，如何確定約束的條件較為重要，并對計算結(jié)果具有深刻的影響。

3） 本文研究的雙層反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可對其他不同類別的情況進行系統(tǒng)優(yōu)化。

4） 在當代社會中，城市交通控制的研究日益增加，本課題組也在不斷加深對此方面的研究分析，由于雙層反饋網(wǎng)絡(luò)能夠合理運用于道路交通口，因此，其在交通控制領(lǐng)域的作用也不容小覷。

道路交通控制信號的智能化研究對于道路交通的發(fā)展狀況具有重大影響，可以進一步優(yōu)化人們的出行，并進一步對城市的發(fā)展起著較為深刻的作用。但在研究過程中需要進一步克服研究對象本身存在的復雜性特點，提供更好的研究結(jié)果，促進社會的發(fā)展。

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作者簡介：龐彥知（1982—），女，河北衡水人，研究生，工程師，主要從事城市軌道交通、高速鐵路、交通運輸方向的研究工作。