針對過飽和交通的優(yōu)化控制方法綜述

申慧 丁北 宋治飛

摘要 交通擁堵現(xiàn)象在世界各國普遍存在，并帶來多種負面影響。因此，針對過飽和交通的優(yōu)化控制問題一直是各國專家研究的熱點。為歸納現(xiàn)有針對過飽和交通的優(yōu)化控制問題，通過對相關文獻進行深度的閱讀、分析，總結(jié)了交通過飽和狀態(tài)的識別方法、詳細介紹了過飽和狀態(tài)下信號優(yōu)化控制的方法及策略，分析了常用交通優(yōu)化組織方法的設計方案，對現(xiàn)有研究成果進行了總結(jié)和展望。

關鍵詞 過飽和;交通控制;交叉口; 路網(wǎng)

中圖分類號 U491 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）04-0075-03

0 引言

不斷加快的城市化進程和日益提高的人民物質(zhì)生活水平導致機動車數(shù)量的大幅增長，由此產(chǎn)生的大規(guī)模城市交通擁堵現(xiàn)象不僅造成居民出行困難、行程時間加長、燃油耗費加重等問題，還導致居住環(huán)境嚴重惡化、交通事故頻發(fā)，給民眾健康和國家經(jīng)濟帶來嚴重影響。目前，交通擁堵已成為整個社會廣為關注的問題。雖然針對交通流的優(yōu)化控制策略和方法較多，但大部分現(xiàn)有成果適用于低飽和度的交通流控制。對于過飽和狀態(tài)下的交通控制，需要采取有針對性的優(yōu)化方法解決擁堵問題。

過飽和交通流控制研究內(nèi)容主要包括：對交通過飽和狀態(tài)的識別方法研究、過飽和交通控制目標設置、過飽和交通流模型建立和模型求解方法研究等。

1 交通過飽和識別方法研究現(xiàn)狀

1.1 過飽和狀態(tài)識別方法綜述

對交通過飽和狀態(tài)的界定和識別是過飽和控制的基礎。1963年，D.C.Gazis中將綠燈時間內(nèi)排隊車輛不能一次消散作為交叉口過飽和的定義;1968年，Longley將交叉口有排隊溢出現(xiàn)象作為交叉口處于過飽和狀態(tài)的判別標準;2019年，Rao W等通過使用區(qū)間數(shù)據(jù)表示路段上的車流容量比、隊列長度和車輛延遲三個交通參數(shù)，根據(jù)交通參數(shù)在區(qū)間數(shù)據(jù)的K均值聚類結(jié)果，判斷城市交叉口的交通運行狀態(tài);有學者建立過飽和交叉口過飽和相位判斷模型和排隊長度預測模型[1]，還有學者以綠燈使用率、綠信比不足作為衡量交叉口飽和程度的標準。

路網(wǎng)的過飽和問題一直是交通領域的研究熱點，其研究難度在于對路網(wǎng)交通狀態(tài)的識別。許多國外的研究者使用美國HCM（Highway Capacity Manual）中定義的道路交通服務水平（Level Of Service，LOS）來評價路網(wǎng)狀態(tài)，其他國家的研究機構(gòu)和相關部門根據(jù)不同的交通參數(shù)也給出了相應路網(wǎng)交通狀態(tài)的劃分標準。我國《城市道路設計規(guī)范》（CJJ37—90）對LOS也給出了定義;在公安部發(fā)布的《城市交通管理評價指標體系》中采用城市主干道上機動車的平均行程速度來描述交通擁擠程度。上述交通過飽和識別方法沒能全面的體現(xiàn)出交叉口與干線之間的關聯(lián)性及整體性，有時不能確切的反應整個路網(wǎng)的交通狀況。因此，在判斷路網(wǎng)是否處于過飽和狀態(tài)時，需要從路網(wǎng)整體狀態(tài)出發(fā)，綜合考慮多項指標來進行判斷。

1.2 基于MFD的路網(wǎng)狀態(tài)評估

識別路網(wǎng)整體狀態(tài)，需要深入分析路網(wǎng)內(nèi)交通流量、密度、速度之間的關系和變化規(guī)律，建立能夠直觀反映路網(wǎng)交通運行狀態(tài)的體系。很多學者從宏觀層面入手，發(fā)現(xiàn)路網(wǎng)運行狀態(tài)與路網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、密度、車輛離開率等存在對應關系，這種對應關系被稱為宏觀基本圖（Macroscopic Fundamental Diagram，MFD）[2]。相關研究發(fā)現(xiàn)，MFD是路網(wǎng)的基本屬性，能夠明確地反映路網(wǎng)內(nèi)交通流的變化規(guī)律，表征路網(wǎng)的運行狀態(tài)。

在MFD被提出之后，大批國內(nèi)外學者開展了基于MFD的路網(wǎng)交通研究。通過研究區(qū)域路網(wǎng)的宏觀基本圖，可以有效分析區(qū)域路網(wǎng)的車輛存儲能力。當路網(wǎng)內(nèi)的車流量超過某一閾值，路網(wǎng)內(nèi)部的交通狀態(tài)會發(fā)生變化[3]。根據(jù)這個特性，可以設置進入路網(wǎng)的車流量閾值，即邊界流量控制閾值，當路網(wǎng)內(nèi)車流量接近最大值時，可提前采取分流、誘導等策略，避免路網(wǎng)由于內(nèi)部車輛過多而發(fā)生擁堵。

2 過飽和交通信號優(yōu)化控制方法研究綜述

2.1 過飽和狀態(tài)下信號控制目標的研究

在最初的研究中，延誤最小為信號優(yōu)化控制目標。后來有學者建立了以車輛在信號交叉口輪候時間最短為目標的控制模型，實現(xiàn)優(yōu)先放行交通擁擠路段的排隊車輛，有效減少交叉口過飽和持續(xù)時間;還有學者以減少過飽和交叉口處的平均車輛延遲為優(yōu)化目標，建立交叉口信號控制模型，利用遺傳算法得到控制方案。2020年，上海理工大學的萬文文[4]等以過飽和交叉口的通行能力為優(yōu)化目標，建立過飽和交叉口信號配時優(yōu)化模型，得到合理的信號周期和各相位放行時長。

在設計優(yōu)化控制目標時，應做到盡可能有效疏導交通，保證交叉口的車流通過量最大，避免道路交通情況的惡化，同時考慮進道口的車輛排隊長度，避免溢流現(xiàn)象或盡可能較少溢流持續(xù)時間。對于區(qū)域路網(wǎng)而言，信號控制的目標還應考慮到使路網(wǎng)內(nèi)車流分布均勻，達到用戶平衡狀態(tài)，避免出現(xiàn)部分路段過于擁擠，而其他路段相對空閑的情況發(fā)生。

2.2 過飽和狀態(tài)下信號控制模型的研究

在過飽和狀態(tài)下，交通信號的控制模型主要是采用基于定數(shù)理論的延誤模型，車輛分布模型和交通流理論模式。國外學者最早建立了基于定數(shù)理論的車輛延誤模型。我國學者徐建閔[5]、蔣賢才[6]、趙紅星[7]等都是基于定數(shù)理論進行了相關研究。

車輛到達分布模型可以用離散的車流計數(shù)模型和連續(xù)的車頭時距分布模型來描述。20世紀30年代，著名學者Carson在1974年的專著，交通流理論中，對車輛到達之前的車頭時距分布模型進行了總結(jié)。此后，研究人員對原有的車頭時距基本模型進行了一系列的改進和優(yōu)化。

交通流理論是研究車流隨時間和空間變化規(guī)律的模型和方法體系，按照刻畫交通行為的細致程度，交通流模型分為微觀、中觀和宏觀模型。

常用的微觀交通流模型是跟馳模型、元胞自動機模型和相關的改進模型。這些模型的建模思想與理論體系、特征參數(shù)等都不相同，適用條件也有所不同，不能盲目選用。中觀模型主要是建立關于車流速度分布的演化方程。最先提出的交通流中觀模型是應用氣體動力學方法建立的Prigogine-Herman模型，以及集簇模型和車頭時距分布模型。交通流宏觀模型注重道路交通流整體特性，不具體描述交通中個體特性和對象之間的相互作用。最常用的是交通流體力學模型，是運動波模型，也稱為LWR模型。該模型的優(yōu)點是，基于微分方程的建模易于求解。但LWR始終假設交通流速度穩(wěn)定，不能準確描述交通擁堵狀態(tài)。對于這個問題，后面的學者在原有模型的基礎上依次加入了密度梯度項和速度梯度項，但隨著附加項的增多，模型的求解難度也隨之加大。

在建立區(qū)域路網(wǎng)的信號控制模型時，應充分考慮各路段上的車流分布情況，通過單個交叉口的有效配時，使擁堵嚴重的路段能夠獲得相對較長的有效綠燈時間;還應考慮各交叉口之間的協(xié)調(diào)控制，使區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)的車流分布均勻。

2.3 求解算法的研究

路網(wǎng)由多個交叉口組成，在控制過程中需要優(yōu)化的參數(shù)和限制條件很多，采用傳統(tǒng)的數(shù)學方法難以得到最優(yōu)解。近年來，許多學者將啟發(fā)式算法，如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡等引入到問題的求解過程中。此外、模糊控制、強化學習、自適應動態(tài)規(guī)劃（ADP）方法等也被應用到過飽和交通的優(yōu)化控制中。還有一些學者利用復雜網(wǎng)絡的相關理論，群體動力學理論和基于仿真的研究方法，分析交通過飽和控制問題，為問題的相關求解提供了新的思路。

3 空間資源優(yōu)化方法概述

3.1 空間資源優(yōu)化方法介紹

目前，國內(nèi)外常用的交通組織方法有拓寬進、出口、設置待行區(qū)、交叉口車道變窄、提前右轉(zhuǎn)、提前調(diào)頭、停車線前移、設置可變車道、禁止左轉(zhuǎn)等。各交通優(yōu)化組織方法在施工工期、資金投入、對交通的干擾、取得的交通效益以及其他影響等方面各有優(yōu)劣。近年來，針對非傳統(tǒng)設計交叉口的研究逐步興起，對預防交通過飽和現(xiàn)象具有現(xiàn)實意義。下面，將對應用較為廣泛的綜合待行區(qū)設置、可變車道設置、左轉(zhuǎn)車流的優(yōu)化控制和非傳統(tǒng)交叉口設計等方法的研究情況進行綜述。

3.2 常用交通優(yōu)化組織方法綜述

綜合待行區(qū)是一種新型的交通管控措施，通過將進口道全部設置為可變車道，循環(huán)切換進口道不同轉(zhuǎn)向車流的通行權(quán)，從而充分挖掘交叉口的時空資源。綜合待行區(qū)的應用可以有效提高信號交叉口的通行能力，預防過飽和狀態(tài)的發(fā)生。綜合待行區(qū)在我國上海市、天津市、咸陽市、深圳市都得到了應用，取得了較好的效果[8-9]。

我國的可變車道研究起步較晚，但由于可變車道技術(shù)在緩解潮汐交通擁堵上的顯著效果，使國內(nèi)學者和交通組織部門投入了大量的時間和精力對可變車道的應用展開研究。目前，北京、重慶等城市已經(jīng)先后開通了可變車道。國內(nèi)學者[10-12]在國外研究的基礎上，結(jié)合國內(nèi)交通的實際情況和道路條件，開展了關于可變車道應用的相關研究。

左轉(zhuǎn)車流與直行車流在通過交叉口時會產(chǎn)生沖突，不僅影響交叉口的通行能力而且易引發(fā)交通事故。所以，針對左轉(zhuǎn)車流的控制一直都是研究的重點和難點。有學者[13]提出了進口道左轉(zhuǎn)車輛周期性的借用對面出口道來左轉(zhuǎn)的方法，還有學者[14]在對左轉(zhuǎn)逆向可變車道交通特性進行分析的基礎上，對左轉(zhuǎn)逆向可變車道設計方案的預信號相位和交叉口信號配時方案提出了協(xié)調(diào)控制方法。

為進一步改善交叉口的交通狀況，許多學者開始投入創(chuàng)新型的非傳統(tǒng)交叉口設計，其中，連續(xù)流交叉口（CFI：Continuous Flow Intersection）和上游信號交叉口（USC：Upstream Signalized Crossover）備受關注。這兩種交叉口的幾何設計與運行機理非常相似，都是在上游路段中或二級路口處提前將左轉(zhuǎn)車流疏導至進口道最左邊車道。這種設計可以消除主交叉口處左轉(zhuǎn)車流與對向直行車流的沖突點，減少車輛延遲，顯著提高交叉口的性能。作為對傳統(tǒng)交叉口設計方案的-種優(yōu)化，許多國外學者對連續(xù)流設計方案或者上游信號設計方案運行的有效性和安全性進行了對比和研究，較多應用實例都表明其良好的效果。

近年來，定向車道和共享轉(zhuǎn)換車道設置方法為解決交通擁堵問題提供了新的思路。根據(jù)道路預設方向到達的不同地點，指定某車道僅供駛向規(guī)定地點、規(guī)定方向的車輛使用，駛向其余地點方向的車輛不得駛?cè)氲膶Ｓ密嚨?。“定向車道”有效地增加了橋梁、隧道等有多車道匯入或分流情況路段的通行效率;“共享轉(zhuǎn)換車道”就是利用交通信號控制，讓同一條車道在不同的時間段通行不同方向的車輛，以實現(xiàn)最大限度利用道路資源的目的。在交通高峰期，共享轉(zhuǎn)換車道可以有效地分擔相鄰反向路段的上車流壓力，緩解交通擁堵。

4 結(jié)語

在過去的數(shù)十年間，不同領域的國內(nèi)外專家學者針對交通擁擠管理與控制做了大量有益的探索，取得了很多優(yōu)秀成果。由于交通問題的復雜性、隨機性和重要性，長久以來，關于交通問題的研究熱度始終不減，而且，通過認真閱讀、分析現(xiàn)有文獻發(fā)現(xiàn)，仍有一些問題值得深入研究。

（1）目前，針對過飽和交通的優(yōu)化控制研究成果較多，但是以預防過飽和為目標的主動控制方法研究相對較少。一旦交通擁堵狀況已經(jīng)發(fā)生，即使采取有效的優(yōu)化控制方法，仍需付出加倍的代價來消除擁堵。因此，在擁堵發(fā)生之前就采取優(yōu)化控制方法，預防過飽和狀態(tài)的發(fā)生，可以有效地避免擁堵帶來的損失。

（2）智能交通的發(fā)展在新技術(shù)、新需求大背景下，對人工智能、大數(shù)據(jù)、深度學習等技術(shù)的應用不斷深化。未來交通優(yōu)化控制結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動、移動互聯(lián)和跨界融合的產(chǎn)業(yè)模式，將從行政管理轉(zhuǎn)型到主動交通管理。

（3）高效求解算法與技術(shù)的應用。由于路網(wǎng)內(nèi)包含多個交叉口，在對路網(wǎng)交通進行優(yōu)化控制時，對多個過飽和交叉口的建模及優(yōu)化導致變量、優(yōu)化目標等的多樣性，使得所建立的模型往往過于復雜。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，可結(jié)合不斷發(fā)展的軟計算技術(shù)，研究具有高效性、實時性的模型求解算法與技術(shù)?？梢钥紤]改進智能算法，如遺傳算法、粒子群算法等，同時還可以考慮復雜網(wǎng)絡理論、自適應控制等方法的應用。

（4）借助交通仿真軟件開展研究。隨著各類交通仿真軟件的發(fā)展和完善，可以搭建基于仿真平臺的交叉口、干線和區(qū)域路網(wǎng)的動態(tài)仿真環(huán)境，利用交通仿真軟件的運行結(jié)果評估各個優(yōu)化控制方案的有效性，為過飽和路網(wǎng)優(yōu)化控制方法的研究提供有效的評估手段。

（5）有效結(jié)合時間、空間資源的雙重利用。當現(xiàn)有的信號控制優(yōu)化方案已經(jīng)達到了交叉口通行能力的理論極限時，就無法再通過信號配時的方法來提高交叉口通行能力，此時就需要考慮空間資源的利用，再結(jié)合交通優(yōu)化組織方式來進一步改善交通擁堵。如何有效地結(jié)合信號優(yōu)化配時和空間資源利用，最大限度地提升路網(wǎng)的運行能力，還有待進一步研究。

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