城市交通控制與交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)協(xié)同的模式與路徑探討

聶冰花

（國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州 450000）

0.引言

隨著目前交通事業(yè)的不斷發(fā)展，加上越來越多的人開始選擇自主開車出行方式，城市的交通路網(wǎng)開始難以滿足交通需求，出現(xiàn)了許多擁擠情況，交通管理工作也變得更加重要。

1.城市交通控制系統(tǒng)和交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)的含義

城市交通控制系統(tǒng)主要是借助于交通控制信號(hào)，給予不同方向上的交通流特定的通行權(quán)，避免不同方向上的交通流在交叉口位置上出現(xiàn)延誤，或是盡量縮短其實(shí)際延誤的時(shí)間，重點(diǎn)是做好信號(hào)配時(shí)[1]。而交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)則是指在一定空間范圍內(nèi)對(duì)交通流進(jìn)行整體的誘導(dǎo)分配，重點(diǎn)是將一些擁擠路段的交通流誘導(dǎo)到不擁擠的路段位置上，疏通路網(wǎng)，而實(shí)際分配交通流時(shí)還需考慮不同車輛的目的地需求。

2.城市交通控制與交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)協(xié)同的實(shí)際范圍

作為城市交通系統(tǒng)的2個(gè)子系統(tǒng)，城市交通控制與交通流誘導(dǎo)之間的協(xié)同工程是較為復(fù)雜的，在分析其實(shí)際協(xié)同內(nèi)容前需要針對(duì)協(xié)同的范圍進(jìn)行研究[2]。具體的范圍應(yīng)當(dāng)包含著城市基本道路和快速路之間的交通協(xié)同、城市基本道路中的信號(hào)控制系統(tǒng)與進(jìn)行交通誘導(dǎo)之間的協(xié)同、城市的高速公路和快速路上對(duì)動(dòng)態(tài)速度引導(dǎo)方面與調(diào)節(jié)道路匝道方面的協(xié)同等。實(shí)際進(jìn)行協(xié)同是對(duì)技術(shù)的要求較高，交通系統(tǒng)的協(xié)同技術(shù)體系一般是包括時(shí)機(jī)判斷技術(shù)、協(xié)同信息的采集與處理技術(shù)、子區(qū)域劃分周期技術(shù)以及多智能體技術(shù)等。交通流的誘導(dǎo)子系統(tǒng)與交通控制子系統(tǒng)協(xié)同覆蓋實(shí)施技術(shù)的協(xié)同、策略的協(xié)同、信息協(xié)同以及模型算法協(xié)同，這些協(xié)同內(nèi)容構(gòu)建出一個(gè)基本協(xié)同范圍框架。

3.城市交通控制與交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)協(xié)同的主要內(nèi)容

深入分析城市交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)和交通控制系統(tǒng)之間的協(xié)同內(nèi)容，基于對(duì)2個(gè)子系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)整體協(xié)同需要抓住協(xié)同重點(diǎn)內(nèi)容，其主要是包括以下幾點(diǎn)。

3.1 空間協(xié)同內(nèi)容

空間協(xié)同主要是指城市交通網(wǎng)絡(luò)方面協(xié)同處理，從交通網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)來看，其具有著網(wǎng)狀連接的復(fù)雜路段，連接點(diǎn)為各個(gè)路口。因此，也由于這種交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，在分析交通流與交通控制協(xié)同時(shí)，通常是將整體結(jié)構(gòu)劃分為幾個(gè)子區(qū)域，然后再進(jìn)行協(xié)同模型計(jì)算，尋求更優(yōu)的協(xié)同路徑[3]。從交通流誘導(dǎo)的方向出發(fā)，實(shí)際交通的上下路段流量事實(shí)上是互為因果的，其關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，因此可以探究不同路段的關(guān)聯(lián)性大小以及實(shí)際流量，將交通誘導(dǎo)系統(tǒng)作用的誘導(dǎo)區(qū)域劃分為幾個(gè)子區(qū)域，然后對(duì)各個(gè)區(qū)域內(nèi)的交通流采用動(dòng)態(tài)均衡誘導(dǎo)的方式，在優(yōu)化其與交通控制系統(tǒng)的協(xié)同時(shí)，就是對(duì)交通流子區(qū)域的誘導(dǎo)進(jìn)行優(yōu)化。而從交通控制的方向出發(fā)，交通控制的核心一般是在路口，以路口為起點(diǎn)進(jìn)行控制子區(qū)域的劃分，然后對(duì)各區(qū)域路口的信號(hào)進(jìn)行協(xié)同控制，但實(shí)際交通控制的對(duì)象是路口位置的交通流量，所以與交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)相比，其不同子區(qū)域之間的流量關(guān)聯(lián)性對(duì)交通控制信號(hào)產(chǎn)生的影響不太大，主要是與子區(qū)域內(nèi)的交通流量有關(guān)。由此可見交通流誘導(dǎo)子區(qū)域和交通控制子區(qū)域之間在空間覆蓋方面不一致，一般是誘導(dǎo)子區(qū)域空間覆蓋較大，因而在進(jìn)行2個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同時(shí)需要考慮的協(xié)同內(nèi)容是，在空間上誘導(dǎo)子區(qū)域包含幾個(gè)交通控制子區(qū)域的問題。

3.2 時(shí)間協(xié)同內(nèi)容

不管是交通控制還是交通流的誘導(dǎo)都需要考慮作用時(shí)間段的長短問題，該項(xiàng)問題是較為復(fù)雜的。在交通控制的時(shí)間方面，其控制的周期單位一般是秒，最長的控制周期不會(huì)超過2min。而交通控制的時(shí)間周期對(duì)于交通流誘導(dǎo)來說卻是太短了，甚至來不及對(duì)路線進(jìn)行選擇，或是剛剛執(zhí)行出行路線，不適宜發(fā)送新的交通誘導(dǎo)信息，否則可能會(huì)導(dǎo)致道路網(wǎng)的車流出現(xiàn)失穩(wěn)情況，或是一些車流的停車時(shí)間被延長，交通流在線路誘導(dǎo)方面的周期時(shí)間是比較長的，一般一個(gè)誘導(dǎo)周期跨越了幾個(gè)交通控制的周期[4]。除此之外，交通流誘導(dǎo)時(shí)還會(huì)進(jìn)行交通信息的預(yù)測(cè)，周期太短會(huì)導(dǎo)致預(yù)測(cè)難以執(zhí)行，而過長又會(huì)導(dǎo)致準(zhǔn)確性下降。在進(jìn)行交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)與城市交通控制系統(tǒng)協(xié)同的過程中，需要既滿足周期內(nèi)誘導(dǎo)策略的穩(wěn)定實(shí)施，又滿足交通控制方面的動(dòng)態(tài)性與實(shí)時(shí)性要求，確保兩項(xiàng)系統(tǒng)的互相配合，在這一點(diǎn)上進(jìn)行全面調(diào)整。

3.3 信息協(xié)同內(nèi)容

不管是城市交通控制系統(tǒng)還是交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)，其在估算道路網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指標(biāo)參數(shù)值以及實(shí)際執(zhí)行的預(yù)測(cè)值時(shí)都是基于道路網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)交通流量，其所估算的預(yù)測(cè)值也會(huì)作為交通控制與誘導(dǎo)策略的確定基礎(chǔ)[5]。由于兩項(xiàng)系統(tǒng)的目標(biāo)不一致，實(shí)際上其所需的信息方面也存在明顯差異，其信息的側(cè)重點(diǎn)和層次都是不同的，但同樣兩者也有著重疊的信息部分，也具有一定關(guān)聯(lián)性，一些信息是2個(gè)系統(tǒng)共享的，在某類信息上其中一個(gè)系統(tǒng)的獲取還需獲得另一個(gè)系統(tǒng)的支持，二者之間存在互推關(guān)系。

3.4 策略協(xié)同內(nèi)容

策略也是一種規(guī)劃、一種手段，其實(shí)施的目的是為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，在城市交通控制系統(tǒng)與交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)協(xié)同的過程中，根據(jù)策略的特點(diǎn)來看，其協(xié)同的內(nèi)容包括兩者的目標(biāo)，協(xié)同后的目標(biāo)將會(huì)引導(dǎo)出具體任務(wù)、何時(shí)執(zhí)行、怎樣執(zhí)行以及執(zhí)行的部門等。在兩項(xiàng)系統(tǒng)策略協(xié)同內(nèi)容當(dāng)中，綜合了兩者的各項(xiàng)因素，考慮到兩項(xiàng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的互相影響與作用，在某環(huán)境下制定一個(gè)協(xié)同目標(biāo)，最后選擇一個(gè)適應(yīng)的協(xié)同模式。

3.5 模型算法協(xié)同內(nèi)容

城市交通控制系統(tǒng)與交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)各自采用不同的模型算法，其實(shí)際計(jì)算的參數(shù)以及模型應(yīng)用目標(biāo)也各不相同。城市交通規(guī)劃系統(tǒng)的目標(biāo)是為了保證在道路交叉口位置上車輛的延誤時(shí)間達(dá)到最小，會(huì)建立起延誤模型，在時(shí)間導(dǎo)數(shù)上設(shè)置為零，從而得到相關(guān)綠信比和周期的參數(shù)數(shù)據(jù)，而交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)的目標(biāo)是保證道路上的車流能夠處于均衡狀態(tài)，結(jié)合實(shí)時(shí)交通情況發(fā)布誘導(dǎo)信息，為車輛指明最佳的行駛路線，其模型算法的應(yīng)用要計(jì)算出路網(wǎng)各個(gè)路段的實(shí)際交通量。在2個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同時(shí)，其實(shí)際模型算法中的自變量可能是2種模型都需要的，需要2個(gè)系統(tǒng)模型需要進(jìn)行協(xié)同，考慮到另一個(gè)系統(tǒng)所帶來的影響，從而使兩者都達(dá)到最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。

4.城市交通控制與交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)之間協(xié)同的主要模式與路徑

4.1 城市交通控制與交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)之間協(xié)同的模式類型

4.1.1 獨(dú)立式協(xié)同模式

城市交通控制與交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)之間采用獨(dú)立式的協(xié)同模式，其主要是指2個(gè)系統(tǒng)在方案和實(shí)施策略上相對(duì)獨(dú)立，但其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和信息上有存在共享聯(lián)系，也就是說2個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同只是在較低層次上，而其實(shí)際協(xié)同的目的就在于提升系統(tǒng)信息采集與處理效率，以及提升信息數(shù)據(jù)的可靠性。這種協(xié)同方式也被看作是隱性協(xié)同，其實(shí)際協(xié)同作用的體現(xiàn)效果也是有限的，但要趨向于更高層次的協(xié)同也需要基于低層次協(xié)同。根據(jù)實(shí)際情況來看，由于交通控制系統(tǒng)與交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)之間的協(xié)同需要對(duì)道路網(wǎng)交通的信息進(jìn)行采集，但當(dāng)前的許多交通的檢測(cè)設(shè)備都是為城市交通控制系統(tǒng)提供的，在采用該協(xié)同模式時(shí)，要重點(diǎn)考慮怎樣將交通控制、基礎(chǔ)設(shè)施、交通規(guī)劃等信息共享。

4.1.2 偏重控制式協(xié)同模式

該模式下城市交通控制系統(tǒng)與交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)之間并不是均勻?qū)ΨQ的，在實(shí)施協(xié)同時(shí)存在主從關(guān)系。在偏重控制式的協(xié)同模式當(dāng)中以城市交通控制系統(tǒng)為主導(dǎo)，在進(jìn)行協(xié)同策略生成的過程中，交通誘導(dǎo)系統(tǒng)本身的實(shí)時(shí)策略將會(huì)作為整體協(xié)同模型的一種外加變量被運(yùn)用，在誘導(dǎo)系統(tǒng)的每一個(gè)周期中，新生成的策略都需要發(fā)送給交通控制系統(tǒng)，從而完善控制系統(tǒng)的決策，這種模式實(shí)際上就是對(duì)城市交通控制方法的一種改進(jìn)，其改進(jìn)是基于交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)需求。

4.1.3 偏重誘導(dǎo)式協(xié)同模式

偏重誘導(dǎo)式協(xié)同模式正是與偏重控制模式相反，其是以城市交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)為主導(dǎo)，也就是在實(shí)際生成協(xié)同策略的過程中，交通控制系統(tǒng)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)策略會(huì)被當(dāng)做整體協(xié)同模型的外部變量。同時(shí)，在交通控制系統(tǒng)當(dāng)每一個(gè)控制周期內(nèi)都會(huì)將生成的新策略發(fā)送給交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)，形成了以誘導(dǎo)為主的系統(tǒng)協(xié)同形式。

4.1.4 協(xié)作式協(xié)同模式

采用協(xié)作式協(xié)同模式的過程中，先是制定2個(gè)系統(tǒng)協(xié)作的總體目標(biāo)，這種模式下的城市交通控制系統(tǒng)與交通流的誘導(dǎo)系統(tǒng)是處于平等地位的，且分別依賴于自身模型來運(yùn)行，解決相應(yīng)的控制與誘導(dǎo)問題。在這種協(xié)同模式的作用下，2個(gè)系統(tǒng)所生產(chǎn)的誘導(dǎo)策略與控制策略都是需要雙方進(jìn)行多次信息共享和交互才能夠保證系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的協(xié)調(diào)。從本質(zhì)上看，協(xié)作式協(xié)同模式事實(shí)上是對(duì)偏重某一方系統(tǒng)的協(xié)同模式進(jìn)行了改進(jìn)，同時(shí)，為了保證協(xié)同時(shí)2個(gè)系統(tǒng)不發(fā)生沖突，通常會(huì)制定一些交互規(guī)則以及有關(guān)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)則。

4.1.5 遞進(jìn)式協(xié)同模式

這種模式是基于整體交通系統(tǒng)遞進(jìn)協(xié)同的控制思想，先是在低層次上處理實(shí)際交通控制和交通流誘導(dǎo)方面的優(yōu)化問題進(jìn)行求解，然后對(duì)2個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)果在較高層次上進(jìn)一步協(xié)同。實(shí)際協(xié)同后還會(huì)將結(jié)果返回到低層次上，然后將其作為低層次上的初始條件，再充分進(jìn)行上述操作，最終會(huì)獲得一個(gè)較為完善的協(xié)同方案，能夠切實(shí)滿足實(shí)際協(xié)同的目標(biāo)，但這種協(xié)同模式下只能夠獲得滿意解，卻不是最優(yōu)的解。

4.1.6 一體化協(xié)同模式

一體化協(xié)同模式就是指交通控制系統(tǒng)與交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)之間建立起統(tǒng)一的系統(tǒng)協(xié)同模型，其是將控制系統(tǒng)與誘導(dǎo)系統(tǒng)的所有約束當(dāng)作是協(xié)同系統(tǒng)的總約束，以道路網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行總體指標(biāo)作為導(dǎo)向目標(biāo)，然后采用多種靜態(tài)優(yōu)化或動(dòng)態(tài)優(yōu)化的方法進(jìn)行問題求解，一次性獲得協(xié)同后的策略。

4.2 城市交通控制與交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)之間協(xié)同的路徑和策略

4.2.1 交通狀態(tài)暢通時(shí)的協(xié)同路徑

道路交通系統(tǒng)在非高峰或是夜間時(shí)，通常處于暢通狀態(tài)，一般認(rèn)為道路交通車速大于每小時(shí)30km時(shí)為交通暢通狀態(tài)。這種狀態(tài)下的道路管理目標(biāo)是基本實(shí)現(xiàn)了，但這不表示不需要進(jìn)行交通控制和交通流誘導(dǎo)，需要根據(jù)道路檢測(cè)器獲取到的交通流數(shù)據(jù)，進(jìn)一步及時(shí)判斷道路交通存在的問題并予以解決，防止出現(xiàn)交通狀態(tài)惡化的情況。由于這種狀態(tài)下進(jìn)行控制與誘導(dǎo)的成本都是比較低的，外加其管理難度較小，因此可采用獨(dú)立式協(xié)同模式，控制與誘導(dǎo)之間的策略不必達(dá)成統(tǒng)一，只需要進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的交互即可。例如，先是通過信息的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備對(duì)道路各項(xiàng)交通信息進(jìn)行獲取，其信息包含了交通控制的信息及交通誘導(dǎo)的信息，2個(gè)系統(tǒng)獲取到信息后都會(huì)將其傳輸?shù)綌?shù)據(jù)信息中心，該中心會(huì)對(duì)信息進(jìn)行處理而得到實(shí)際交通狀態(tài)，若判斷其為暢通交通狀態(tài)，則根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式與模式來計(jì)算并分析2個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)在該狀態(tài)下的交通管理。其中，城市交通控制系統(tǒng)所采用的模型算法主要是信號(hào)配時(shí)法、沖突點(diǎn)法、akcelic法以及韋伯斯特法等，交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)所采用的模型算法包括VI模型、數(shù)學(xué)規(guī)劃法以及最優(yōu)控制法。

4.2.2 交通狀態(tài)輕微擁擠時(shí)的協(xié)同路徑

當(dāng)?shù)缆方煌〞惩ㄗ杂闪鞒霈F(xiàn)混亂時(shí)，車輛的車速下降，延長了通行時(shí)間，交通狀態(tài)開始進(jìn)入到輕微擁擠階段，這時(shí)的主干道通行車速一般是每小時(shí)20km～30km。當(dāng)處于交通輕微擁擠時(shí)，交通控制系統(tǒng)與交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)之間的協(xié)同就會(huì)變得更加重要，若是其協(xié)同的效果較好，則可以讓道路交通恢復(fù)到暢通的狀態(tài)。在交通狀態(tài)輕微擁擠時(shí)，重點(diǎn)的管理是疏散車流，也就是讓交通流量在路網(wǎng)中能夠分布的更加均衡，因此要保證交通控制與交通流誘導(dǎo)都能夠平衡實(shí)現(xiàn)，并不適合采用偏向于某一個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同模式?？刹捎眠f進(jìn)式協(xié)同模式，或是協(xié)作式協(xié)同模式、一體化協(xié)同模式。以遞進(jìn)式協(xié)同模式為例，先是交通控制系統(tǒng)檢測(cè)到道路處于輕微擁擠的交通狀態(tài)，然后其進(jìn)行交通流的科學(xué)分配控制，確保路口位置交通流的延時(shí)控制到最短時(shí)間，最后控制系統(tǒng)將所控制路段的交通流分配數(shù)據(jù)信息發(fā)送給協(xié)同管理系統(tǒng)。與此同時(shí)，交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)對(duì)道路路段檢測(cè)到的交通信息進(jìn)行預(yù)測(cè)，判斷出每一種類型車輛最適合的行駛路線，從而進(jìn)行交通流的路網(wǎng)分配，最后交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)會(huì)將相關(guān)交通流分配數(shù)據(jù)信息發(fā)送給協(xié)同管理系統(tǒng)。在協(xié)同管理系統(tǒng)當(dāng)中，會(huì)將2個(gè)系統(tǒng)所發(fā)送的信息進(jìn)行整合，建立起誘導(dǎo)和控制統(tǒng)一的協(xié)同模型，對(duì)實(shí)際進(jìn)行誘導(dǎo)和控制的策略做出調(diào)整，獲得具有綜合性的新策略進(jìn)行應(yīng)用。

5.結(jié)語

城市交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)和交通控制系統(tǒng)之間的協(xié)同，是為了保證2個(gè)系統(tǒng)的有效運(yùn)行，達(dá)到避免交叉路口出現(xiàn)行程延誤及整體路網(wǎng)出現(xiàn)擁擠路段的情況。由本文分析可知，其進(jìn)行協(xié)同的模式包括獨(dú)立式協(xié)同、偏重控制式協(xié)同、偏重誘導(dǎo)式協(xié)同等多種類型，針對(duì)不同的交通狀態(tài)應(yīng)當(dāng)采用不同的模式。