交通干線協(xié)調(diào)控制方法及仿真

1、道路交通干線信號協(xié)調(diào)控制方法及仿真【摘要】交通擁堵與過飽和已成為制約城市交通發(fā)展的重要原因之一，而在城市交通中，相鄰的交叉口聯(lián)系最為密切，以相鄰路口作為系統(tǒng)管理是必要的。交通干線信號協(xié)調(diào)控制是充分利用交通規(guī)律來實現(xiàn)優(yōu)化控制，以便達(dá)到交通系統(tǒng)運行效率最大。本文介紹了交通干線信號協(xié)調(diào)控制的產(chǎn)生和發(fā)展，總結(jié)和評述了干線定時協(xié)調(diào)控制、干線感應(yīng)自動協(xié)調(diào)控制、干線自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制等主要的交通干道信號協(xié)調(diào)控制方法，并對常用的幾種干線協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行了仿真對比，最后對交通信號協(xié)調(diào)控制的發(fā)展提出了展望?！娟P(guān)鍵詞】交通干線信號;協(xié)調(diào)控制方法；智能算法；仿真自1868年在英國倫敦出現(xiàn)了世界上第一個煤氣照明交通信號燈1

2、00多年以來，為了科學(xué)組織和控制交通流，人們進(jìn)行了深入的研究。本文根據(jù)當(dāng)前交通干線協(xié)調(diào)控制的發(fā)展現(xiàn)狀，分別綜述了干線協(xié)調(diào)控制常用的方法，并對其中主要的控制方法進(jìn)行了仿真比較。一、交通信號控制的基本理論（一）交通信號控制發(fā)展歷程城市交通信號控制技術(shù)至今己經(jīng)發(fā)生多次重大變革，大體經(jīng)歷了四個主要的發(fā)展階段:第一階段為機(jī)械式交通信號控制技術(shù)。主要依靠目視采集信息，并加以判斷，手動控制紅綠燈點亮?xí)r間長短。第二階段是固定配時交通信號控制技術(shù)。主要靠經(jīng)驗和歷史交通數(shù)據(jù)確定單臺交通控制器的信號周期和綠信比，由計算機(jī)技術(shù)實現(xiàn)自動控制，主要分為定周期控制和多時段控制。第三階段是感應(yīng)式交通信號控制技術(shù)。主要根據(jù)車輛

3、檢測器測得的交通流數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)單臺交通控制器信號顯示時間的控制方式。第四代是線控技術(shù)和區(qū)域交通信號協(xié)調(diào)控制技術(shù)。線控技術(shù)是把一條道路上多個相鄰交叉路口的交通信號協(xié)調(diào)起來加以控制的控制方式。區(qū)域交通信號協(xié)調(diào)控制技術(shù)是把一個區(qū)域內(nèi)所有交通信號聯(lián)結(jié)起來進(jìn)行區(qū)域協(xié)調(diào)控制的交通信號控制系統(tǒng)。（二）交通信號控制策略介紹 交通信號控制策略有兩種分類方式。一種按控制范圍來分類，主要包括單點控制、干線控制和面控制;另一種按控制原理進(jìn)行分類，即按信號控制器對局部交通信息的響應(yīng)方式進(jìn)行分類，主要包括定時控制、感應(yīng)控制以及自適應(yīng)控制。在交通信號控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，以上兩類控制方法內(nèi)的各種控制方法可相互組合，從而達(dá)到優(yōu)

4、化信號配時，改善交通狀況的目的。、單點控制:該種控制方式為各交叉口各自互不相關(guān)地獨立進(jìn)行控制。單個交叉口可以是定時控制，也可以是車輛感應(yīng)控制或自適應(yīng)控制。目前，我國大多數(shù)交叉口采用的控制屬于這種類型。、干線協(xié)調(diào)控制:所謂干線協(xié)調(diào)控制，是指通過調(diào)節(jié)主干道上各信號交叉口之間的相位差，使干道上按規(guī)定車速行使的車輛，獲得盡可能不停頓的通行權(quán)，也就是通常所說的“線控”。、區(qū)域協(xié)調(diào)控制:所謂區(qū)域協(xié)調(diào)控制，是指從整個區(qū)域系統(tǒng)的戰(zhàn)略目標(biāo)出發(fā)，根據(jù)交通量的檢測數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)各交叉口的交通信號配時，取得整體最優(yōu)的效果。、定時控制:所謂定時控制，是指信號控制機(jī)根據(jù)自身存儲的配時方案進(jìn)行信號控制。在實際使用中，通常

5、根據(jù)每口交通量的分布情況，進(jìn)行多時段定時控制:即把每天分成幾個時段，每個時段內(nèi)的交通量基本不變，針對該交通量得到配時方案，信號機(jī)根據(jù)實時時鐘自動進(jìn)行方案的切換。、感應(yīng)控制:所謂感應(yīng)控制，是指信號控制機(jī)根據(jù)車輛檢測器檢測是否有車輛到達(dá)，然后決定是否開啟綠燈或延長綠燈等操作。從實施來看又可以分為兩種:一種是半感應(yīng)控制，即在交叉口部分進(jìn)口道安裝檢測器，根據(jù)安裝檢測器的干道的交通需求進(jìn)行信號控制;另一種是全感應(yīng)控制，即在交叉口的所有入口道上均安裝檢測器，根據(jù)所有入口道的交通需求進(jìn)行信號控制。、自適應(yīng)控制:所謂自適應(yīng)控制，是指根據(jù)交通量檢測數(shù)據(jù)，通過先進(jìn)的優(yōu)化控制算法進(jìn)行優(yōu)化控制，按照某種評價指標(biāo)達(dá)到一

6、個最優(yōu)的控制效果。這種控制方式是目前學(xué)者們研究的重點。干線自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制能夠連續(xù)測量交通系統(tǒng)狀態(tài)，逐漸了解和掌握對象，確?？刂菩Ч_(dá)到最優(yōu)。具有代表性的自適應(yīng)控制系統(tǒng)有SCATS，SCOOT，RHODE等交通控制系統(tǒng)。（三）交通信號控制基本參數(shù)城市交通信號控制就是通過交叉路口的信號燈配時方案進(jìn)行有效控制，使得車輛高效地駛離交叉路口，合理指揮交通流的通行或停止，達(dá)到疏導(dǎo)交通流的目的。對于干線信號控制而言，信號配時的主要參數(shù)包括:周期時長、相位、綠信比和相位差。(1)周期時長：信號燈各種燈色輪流顯示一個循環(huán)所需的時間，即綠、黃、紅三種燈色一個循環(huán)顯示時間之和，或是從某相位的綠燈啟亮開始到下次該綠燈

7、再次啟亮之間的一段時間，簡稱周期。(2)相位：信號相位是指在一個交叉口某個方向上的交通流(或幾個方向上的交通流的組合)同時得到的通行權(quán)或被分配得到這些通行權(quán)的時間帶。(3)綠信比：綠信比是指在一個周期內(nèi)(對于一個指定相位)，有效綠燈時間與信號周期長度之比。即 =ge/C 其中，ge為有效綠燈時間(指定相位中獲得通行權(quán)的車輛能夠利用的綠燈時間)，C為周期時長。(4)相位差:又叫綠時差或綠燈起步時距，相位差是針對兩個信號交叉口而言，是指兩個相鄰交叉口它們同一相位綠燈(或紅燈)開始時間之差(兩相位周期時長相同)。如圖1.31所示計算相位差。圖1.31相位差計算圖（四）交通信號控制評價指標(biāo)(1)延誤時

8、間：延誤是由于交通干擾、交通管理和控制設(shè)施等因素引起的車輛運行時間損失。 (2)通行能力：通行能力是指在實際的道路條件、良好的氣候條件和路面條件下，在一定時間內(nèi)通過進(jìn)道口的最大流率。 (3)停車次數(shù)：停車次數(shù)就是一個信號周期內(nèi)完全停車次數(shù)的總和，停車率是指一個信號周期內(nèi)停車數(shù)占通過停車線(交叉口)車輛總數(shù)的比率。 (4)平均排隊長度：平均排隊長度是指在信號一個周期內(nèi)各條車道排隊最長的長度平均值。各條車道最長排隊長度一般是指該車道的綠燈相位起始時的長度。二、干線協(xié)調(diào)控制方法交通干線的信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，又稱“線控”系統(tǒng)，主要用于城市的主干道上。干線中的各交叉口采用相同的信號周期，但綠燈的開始時間錯

9、開一定的相位差，只要駛?cè)敫删€的車輛按照規(guī)定的速度行駛，基本上可以處處遇到綠燈。我國把這種由有節(jié)奏地變化綠燈所組成的交通控制稱為“綠波控制”。（一）干線信號協(xié)調(diào)控制的適用條件()車輛到達(dá)特性的要求：在一個信號交叉口，如果車輛脈沖式到達(dá)，采用線控系統(tǒng)就可以得到良好的效果。如果車輛的到達(dá)是均勻到達(dá)的，線控效果不會理想。(2)相鄰信號交叉口之間的距離要求：在干線上，信號交叉口的間距可在100-1000m以上的范圍內(nèi)變化。相鄰信號交叉口之間的距離越遠(yuǎn)，線控效果越差，一般相鄰交叉口的距離不宜超過600m。()信號的相位分配要求：由于信號配時方案和信號相位有關(guān)，信號相位越多，對線控系統(tǒng)的通過帶寬的影響越大，

10、因而受控制交叉口的類型也影響線控系統(tǒng)的效果。()交通流的要求：干線協(xié)調(diào)控制適用于低飽和交通流的交通情況，當(dāng)交通流大于飽和流量時，其控制效果不如單路口定時控制的效果。其次，支路上的交通流必須小，否則，車輛從支路轉(zhuǎn)入干道而使得原先的車隊離散。（二）干線信號協(xié)調(diào)控制的協(xié)調(diào)方式 干線控制不同于單點控制的關(guān)鍵之處在于交叉口間的聯(lián)動協(xié)調(diào)，通常可分為單向交通干線協(xié)調(diào)和雙向交通干線協(xié)調(diào)。(1)單向交通協(xié)調(diào)方式單向交通組織的道路，或者雙向道路兩個方向的交通量懸殊比較大的情況下，只要對交通量較大的方向進(jìn)行信號協(xié)調(diào)控制，這兩類道路最容易實現(xiàn)干線交通信號協(xié)調(diào)控制。相鄰交叉口信號間的相位差按如下:(2)雙向交通協(xié)調(diào)方式

11、雙向交通組織道路的信號協(xié)調(diào)控制，在各交叉口間距相等時比較容易實現(xiàn)，且當(dāng)信號間車輛行駛時間正好是線控系統(tǒng)周期時長的一半的整倍數(shù)時，可獲得理想的效果。各交叉口間距不等時，信號協(xié)調(diào)控制就較難實現(xiàn)，可以采取試探與折中方法求得信號協(xié)調(diào)。一般來說，要在上、下行都能達(dá)到高帶寬是困難的，協(xié)調(diào)的方式通常有以下幾種:優(yōu)先相位差協(xié)調(diào)控制方式該方式讓某一方向優(yōu)先并且設(shè)置比較寬的通過帶。在早晚交通高峰期間，上、下行交通量差別顯著的情況下，按照交通量大的方向設(shè)置相位差，使其通過帶盡可能的寬，就可以得到較高的系統(tǒng)效率。其相鄰交叉口的相位差計算如下:同步式協(xié)調(diào)控制方式干線上所有的交叉口，在同一時刻，顯示相同的信號燈色，即相鄰

12、路口間的相位差恰好等于信號周期的長度。有兩種情況適合于采用這種協(xié)調(diào)方式:一是車輛在相鄰交叉口間的行駛時間等于信號周期長度的整數(shù)倍數(shù)；二是干線上交叉口間距較短，且干線上的交通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于次干線方向上的交通量，此時可以把該相鄰交叉口看成是一個交叉口，采用相同的配時方案。交互式協(xié)調(diào)控制方式連接在系統(tǒng)中的相鄰交叉口的信號在同一時刻協(xié)調(diào)相位的車流顯示相反的燈色。車輛在相鄰交叉口間的行駛時間等于信號周期時長的一半的奇數(shù)倍數(shù)時可以采用交互式協(xié)調(diào)控制，即滿足關(guān)系:（三）干線協(xié)調(diào)控制方法分類常用的線控系統(tǒng)的控制方式可以是定時控制(離線控制)，也可以是實時控制(在線控制)。如果所用的控制配時方案是根據(jù)歷史時間內(nèi)的交

13、通流的變化規(guī)律預(yù)先確定好的，這種系統(tǒng)控制方式就稱為定時線控系統(tǒng)。如果控制變量值是基于實時測量到的實時交通參量，那么，這種控制就稱為實時控制系統(tǒng)。一般而言，定時線控系統(tǒng)的設(shè)備較為簡單，但缺乏適應(yīng)性;而實時式控制系統(tǒng)設(shè)備較為復(fù)雜，但可以提高控制效果。、定時式線控系統(tǒng)定時控制根據(jù)交叉路口歷史交通量數(shù)據(jù)預(yù)先確定配時方案，是實際交通中可以實現(xiàn)的一種最基本控制方式。在定時干線信號控制中，配時方案包括周期長度、綠信比和相位差都是根據(jù)歷史的交通數(shù)據(jù)事先確定的。信號控制系統(tǒng)只執(zhí)行一種配時方案的被稱為單時段定時控制;一天按不同時間段的交通量可以執(zhí)行不同配時方案的則稱為多時段定時控制。定時干線協(xié)調(diào)控制是在定時單點控

14、制的基礎(chǔ)上，通過計算相鄰交叉口間的相位差，來調(diào)整干線上各交叉口信號燈間的相位變換起始時刻，形成有效的綠波帶，進(jìn)而實現(xiàn)干線上連續(xù)交叉口的協(xié)調(diào)控制。設(shè)計定時干線協(xié)調(diào)控制配時方案的方法有計算法、計算機(jī)配時法、基于Webster理論的協(xié)調(diào)控制法等。如圖2.31所示。在知識庫中，將一天按照歷史流量信息劃分為幾個時段，并為每個時段T設(shè)計一套配時方案P。當(dāng)運行到時段T時，控制軟件將對應(yīng)的配時方案P下發(fā)給路口信號機(jī)執(zhí)行。圖2.31定時式線控系統(tǒng)示意圖2、實時式線控系統(tǒng)感應(yīng)控制根據(jù)交通路口的交通量的變動進(jìn)行實時控制，沒有固定的周期和綠信比,其基本原理是某相位在最小綠燈結(jié)束時，若檢測到車輛到達(dá)則給出一個單位延長時

15、間，否則轉(zhuǎn)到下一個相位，直到達(dá)到最大綠燈時間。感應(yīng)控制從檢測器埋布方式上可以分為兩種:一種是半感應(yīng)控制，另一種是全感應(yīng)控制。如圖2.32所示。埋設(shè)在交叉口的檢測器，可以感知各種來自路面的信息，包括車流量和排隊長度等，為計算機(jī)選擇配時方案提供了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。圖2.32實時線控系統(tǒng)示意圖（四）智能算法在干線信號控制中的應(yīng)用人工智能近年發(fā)展的成果，為智能交通系統(tǒng)的研究提供了堅實的理論基礎(chǔ)，可以利用這些成果解決傳統(tǒng)方法無法解決的問題。下面列舉幾個智能算法在干線協(xié)調(diào)控制中廣泛應(yīng)用的例子。、模糊邏輯在干線交通信號控制中的應(yīng)用模糊邏輯是一種處理不確定性、非線性等問題的有力工具，能夠表示模糊及定性知識，從而

16、可以模仿人類的推理過程。模糊協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的核心部件模糊控制器主要是通過模糊邏輯的近似推理方法，把人的經(jīng)驗形式化、模型化，變成計算機(jī)可以接收的控制模型，讓計算機(jī)代替人來進(jìn)行有效的實時控制。交通信號模糊協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)如圖2.41表示。實踐證明，模糊協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)在交通信號控制中達(dá)到較好的效果。圖2.41交通信號模糊協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(2)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在交通信號控制中的應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的非線性映射能力，并具有自適應(yīng)、自組織和學(xué)習(xí)功能，因而被廣泛地應(yīng)用。如圖2.42所示基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的干線協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，本地層控制器接收從檢測器采集到的信息，并使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器來計算初始的周期時長和綠信比，并計算該交叉口與其

17、上下游交叉口間的相位差，然后將這些參數(shù)傳入到上層協(xié)調(diào)層控制器，在接收到協(xié)調(diào)層控制器單元處理后的信號配時約束方案后，并利用綠信比重新計算綠燈時間，生成最終的配時方案，來進(jìn)行交叉口的信號控制。圖2.42控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(3)遺傳算法在交通信號控制中的應(yīng)用遺傳算法是一種借鑒生物界自然選擇和自然遺傳機(jī)制的隨機(jī)化搜索算法。通過人工方式所構(gòu)造的一類搜索算法，通過模擬生物的遺傳和長期進(jìn)化過程發(fā)展起來的一種搜索和優(yōu)化算法。它模擬生物界“生存競爭，優(yōu)勝劣汰，適者生存”的機(jī)理，用逐次迭代法搜索尋優(yōu)。特別是對于傳統(tǒng)的優(yōu)化算法不能有效求解的非凸的非線性規(guī)劃問題，采用遺傳算法有明顯的優(yōu)勢。如圖2.43為一個遺傳算法的基本

18、流程。1992年，F(xiàn)oy提出了一種基于遺傳算法的交通信號配時優(yōu)化方法，它綜合了基于延誤模型和基于帶寬模型方法的優(yōu)點，能夠同時對周期長度、綠信比、相位差和相序進(jìn)行優(yōu)化。圖2.43遺傳算法基本流程三、干線交通信號協(xié)調(diào)控制方法仿真 仿真軟件可以展示出不同設(shè)計方案下的交通流運行狀況，并通過獲得各項交通參數(shù)數(shù)據(jù)，如流量、速度、行程時間、延誤時間等，來對不同設(shè)計方案進(jìn)行效果評價。本文中使用德國PTV公司開發(fā)的VISSIM5.20版微觀交通仿真系統(tǒng)為模擬工具。VISSIM是一個離散的、隨機(jī)的、以0.1秒為時間步長的微觀模型，可以方便地模擬無信號控制交叉口、信號燈控制交叉口和立交設(shè)施設(shè)計，可以比較真實地反映道

19、路交通運行狀況，是目前比較理想的微觀模擬軟件之一。、仿真參數(shù)設(shè)定對干線上三個交叉口進(jìn)行模擬仿真，每個交叉口間的距離為500-600m左右，模擬車輛速度在48-58km/h之間，道路車流量從歷史數(shù)據(jù)得到，從不飽和情況到近飽和情況下，干線車流量依次取1200veh/h, 1500veh/h, 1800veh/h, 2100veh/h,2400veh/h, 2700veh/h, 3000veh/h，支線車流量取600veh/h。分別針對上述不同交通流情況，對幾種不同的控制方案仿真36000個仿真時間秒，來得到車輛延誤、停車次數(shù)等評價指標(biāo)。 2、干線定時信號控制方法仿真 本文使用基于Webster理論

20、的定時協(xié)調(diào)控制方法、孤立交叉口控制方法以及使用其他數(shù)據(jù)作為配時方案的協(xié)調(diào)控制方法來得到定時控制的信號配時方案，并對這幾種方法進(jìn)行仿真比較。仿真比較結(jié)果如圖3.1。圖3.1定時協(xié)調(diào)控制仿真結(jié)果圖、干線感應(yīng)信號控制方法仿真圖3.3感應(yīng)式協(xié)調(diào)控制仿真結(jié)果圖在感應(yīng)控制方法的檢測器埋布上，本文根據(jù)美國交通信號手冊所推薦的初始綠時和車輛檢測器到停車線間距離的關(guān)系，將檢測器埋布在入口路段距離交叉口30m處，參照表3.2，各相位初始綠時為145。假設(shè)車輛到達(dá)路口是的平均車速為10m/s，則各相位的綠延時應(yīng)取3s，最大綠時取30s,仿真參數(shù)按本文給定的設(shè)定，現(xiàn)對本文提到的幾種感應(yīng)干線信號協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行仿真實驗，仿真比較結(jié)果如圖3.3。圖3.3感應(yīng)式協(xié)調(diào)控制仿真結(jié)果圖表3.2初始綠時與車輛檢測器到停車線間距離表、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的干線協(xié)調(diào)控制方法仿真 在仿真實驗中，分別對干線定時協(xié)調(diào)控制方法、全感應(yīng)式干線控制方法、模糊控