基于有效綠燈時(shí)間利用率的自適應(yīng)控制策略研究

屈新明，姚紅云，王玉剛，胡　偉（.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074；.中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 40006）

基于有效綠燈時(shí)間利用率的自適應(yīng)控制策略研究

屈新明1，姚紅云1，王玉剛1，胡偉2
（1.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，重慶 400074；2.中煤科工集團(tuán)重慶設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400016）

為了優(yōu)化單點(diǎn)交叉口信號控制方案，使其適應(yīng)各個(gè)進(jìn)口道方向交通流動態(tài)變化，提高交叉口通行效率，根據(jù)交叉口進(jìn)口道排隊(duì)車輛數(shù)建立有效綠燈利用率模型，提出了一種交叉口自適應(yīng)控制策略。有效綠燈時(shí)間利用率模型以交叉口通行能力最大為控制參數(shù)，實(shí)時(shí)優(yōu)化確定出最佳相位放行方案以及最優(yōu)相位切換方案，根據(jù)進(jìn)口道排隊(duì)車輛最大流向的排隊(duì)車輛數(shù)和車輛到達(dá)預(yù)測確定相位放行綠燈時(shí)間。利用VISSIM交通仿真軟件對該自適應(yīng)控制策略仿真運(yùn)行，與定時(shí)控制以及感應(yīng)控制對比，評價(jià)分析不同車輛到達(dá)情況下交叉口通行情況。結(jié)果表明：該自適應(yīng)控制策略能有效降低車均延誤，提高交叉口服務(wù)水平。

自適應(yīng)控制；有效綠燈時(shí)間利用率；交叉口；相位切換；交通仿真

第1卷 第1期|2015年2月

0　引言

隨著城市交通擁堵越發(fā)嚴(yán)重，提高交通信號控制能力和管理水平對于緩解交通擁堵作用明顯[1-2]。定時(shí)信號控制方案中，其信號配時(shí)根據(jù)歷史交通量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)確定，由于車輛到達(dá)的隨機(jī)性和實(shí)時(shí)性，定時(shí)控制無法適應(yīng)交通的動態(tài)變化[3]。感應(yīng)控制根據(jù)交叉口車輛的到達(dá)需求，適當(dāng)改變綠燈放行時(shí)間以適應(yīng)車輛到達(dá)的動態(tài)變化，能夠改善通行效率，但無法實(shí)時(shí)確定最優(yōu)相位控制方案，也難以適應(yīng)進(jìn)口道飽和度高條件下的交通流[4]。自適應(yīng)控制能根據(jù)實(shí)時(shí)交叉口車輛到達(dá)情況優(yōu)化確定最佳相位方案以及放行時(shí)間，提高交叉口的通行效率[5]。

自適應(yīng)控制策略核心是確定出最佳的相位方案以及相位切換決策[6]。Alexander[7]以交叉口各個(gè)相位運(yùn)行的車輛總延誤或者總停車次數(shù)最小作為優(yōu)化控制目標(biāo)，延長或者切斷當(dāng)前相位綠燈時(shí)間；根據(jù)不同的交通事件來建立邏輯判斷規(guī)則，根據(jù)實(shí)時(shí)的車輛到達(dá)信息與建立的邏輯規(guī)則進(jìn)行對比判斷，用于決定相位綠燈時(shí)間的切換。Vincent等人[8]利用進(jìn)口道檢測器測定的時(shí)間占用率以及車頭時(shí)距等作為控制參數(shù)，對不同車輛到達(dá)情況下優(yōu)化確定出最優(yōu)相位及相位決策方案。蔣賢才[9]等人在文獻(xiàn)中分析了交叉口不同的信號控制方式，提出了交叉口自組織算法。徐洪峰[10]等人提出了具備公交優(yōu)先控制功能的自適應(yīng)邏輯控制功能。

自適應(yīng)控制策略中，需要確定優(yōu)化控制參數(shù)來確定最佳相位及決策方案，其中延誤為最主要的控制參數(shù)。但是延誤模型計(jì)算相對復(fù)雜，同時(shí)主要針對定時(shí)控制，延誤計(jì)算準(zhǔn)確度也難以滿足自適應(yīng)控制策略的要求[11]。采用檢測器的時(shí)間占有率、車頭時(shí)距等參數(shù)也受到具體環(huán)境的影響。

基于上述分析，以延誤作為控制參數(shù)存在著缺陷。本文提出一種基于綠燈利用率的自適應(yīng)控制策略，其中綠燈利用率以交叉口通行能力最大為控制參數(shù)，根據(jù)排隊(duì)車輛數(shù)作為控制依據(jù)，快速確定出最佳相位及相位放行綠燈時(shí)間。

1　有效綠燈時(shí)間利用率模型

考慮到啟動延誤[12]的影響，有效綠燈利用率為某一相位綠燈時(shí)間內(nèi)，車輛通過停車線的有效綠燈時(shí)間占用該相位總的綠燈時(shí)間的比值。其中有效綠燈時(shí)間等于通過的車輛數(shù)與進(jìn)口道飽和車頭時(shí)距的乘積。在自適應(yīng)控制策略中，有效綠燈利用率越高，表明放行相位中各個(gè)流量車流的綠燈損失時(shí)間少，綠燈期間通過進(jìn)口道停車線的車輛數(shù)更多，交叉口整體通行效率就越高。

在理想情況下，某一相位最后一輛車通過停車線時(shí)綠燈時(shí)間結(jié)束，此時(shí)的綠燈顯示時(shí)間即為最佳的相位綠燈時(shí)間。假設(shè)該相位由兩股車流組成，其中流量較大一股車流定義為關(guān)鍵車流AK，綠燈時(shí)間內(nèi)總共通過NK輛車，流量較小一股車流定義為次要車流AS，綠燈時(shí)間內(nèi)總共通過NS輛車。根據(jù)上述最佳綠燈時(shí)間為關(guān)鍵車流AK全部通過停車線的綠燈時(shí)間。相位綠燈時(shí)間GP計(jì)算如下：

式中：SULT為啟動延誤； h為飽和車頭時(shí)距。

相位有效綠燈時(shí)間Ge計(jì)算如下：

有效綠燈利用率VL可近似按下式計(jì)算確定：

由式（3）可知，在相位方案設(shè)計(jì)中，需考慮到相位切換時(shí)啟動延誤對有效綠燈利用率的影響。同時(shí)，該相位中關(guān)鍵車流AK和次要車流AS在每個(gè)相位綠燈時(shí)間中， NA和NK差值越小，該相位有效綠燈利用率也就越高，車輛能更好地通過交叉口。

2　檢測器布設(shè)方案

在交通流量數(shù)據(jù)采集中，各進(jìn)口方向使用兩組檢測器實(shí)時(shí)獲得車輛到達(dá)情況。上游檢測器布設(shè)在進(jìn)口道展寬處，檢測車輛到達(dá)信息，下游檢測器布設(shè)在交叉口停車線附近，檢測車輛離開信息。通過上下游檢測器來采集數(shù)據(jù)得到各進(jìn)口方向排隊(duì)車輛數(shù)。檢測器布設(shè)方案以及交叉口平面如圖1所示。

圖1　檢測器布設(shè)方案及交叉口平面圖

上述檢測器布設(shè)方案中，最大排隊(duì)長度根據(jù)實(shí)際方案確定，根據(jù)車輛排隊(duì)長度確定，本文中設(shè)定最大排隊(duì)長度為100m。

3　相位切換流程

3.1相位方案

在相位設(shè)計(jì)階段，在不考慮右轉(zhuǎn)影響的情況下，為消除沖突點(diǎn)，直行（左轉(zhuǎn)）可與同方向左轉(zhuǎn)（直行）或者對向直行（左轉(zhuǎn)）進(jìn)行組合同時(shí)放行。為提高通行效率，不考慮相位方案中允許某一進(jìn)口方向直行（左轉(zhuǎn)）單獨(dú)放行情況下，典型的十字交叉口可能的八種相位方案如表1所示。

表1　相位方案

3.2相位切換

相位切換過程發(fā)生在當(dāng)前相位綠燈時(shí)間結(jié)束時(shí)刻，為提高有效綠燈利用率，分為不同關(guān)鍵車流相位之間的切換和同一關(guān)鍵車流關(guān)鍵相位向次要相位切換這兩種切換決策。

3.2.1不同關(guān)鍵車流相位切換

不同關(guān)鍵車流相位切換決策是指，當(dāng)前相位綠燈時(shí)間結(jié)束后，需要切換到的相位與當(dāng)前相位不存在相同的車流。其切換流程如下。

步驟1：獲取當(dāng)前各進(jìn)口方向排隊(duì)車輛數(shù)。

步驟2：當(dāng)前排隊(duì)車輛數(shù)最大車流作為關(guān)鍵車流AK。

步驟3：確定關(guān)鍵相位PK和次要相位PS。確定關(guān)鍵車流AK后，根據(jù)相位方案可知，直行（左轉(zhuǎn)）可與同方向左轉(zhuǎn)（直行）或者對向直行（左轉(zhuǎn)）進(jìn)行組合同時(shí)放行。在可以分別與關(guān)鍵車流AK同時(shí)放行的兩股車流中，排隊(duì)車輛數(shù)較大車流定義為次要車流AS，排隊(duì)車輛數(shù)較少車流定義為備選車流AL。其中關(guān)鍵車流AK和次要車流AS組合成關(guān)鍵相位PK，關(guān)鍵車流AK和備選車流AL組合成次要相位PS。

步驟4：計(jì)算關(guān)鍵相位PK綠燈時(shí)間以及關(guān)鍵相位有效綠燈利用率，從當(dāng)前相位切換到關(guān)鍵相位PK。

3.2.2同一關(guān)鍵車流相位切換

同一關(guān)鍵車流相位切換是指由關(guān)鍵相位PK切換到次要相位PS的決策過程。其相位切換決策發(fā)生在關(guān)鍵相位PK中次要車流最后一輛車通過停車線時(shí)刻，此時(shí)關(guān)鍵相位中只剩下關(guān)鍵車流AK單獨(dú)放行，其相位切換決策流程如下。

步驟1：根據(jù)關(guān)鍵相位PK當(dāng)前放行綠燈時(shí)間計(jì)算關(guān)鍵車流AK剩余綠燈放行時(shí)間GT。

步驟2：比較剩余綠燈放行時(shí)間GT與綠燈間隔時(shí)間Gi大小，若GT大于綠燈間隔時(shí)間Gi，則轉(zhuǎn)到步驟3，若GT小于綠燈間隔時(shí)間，關(guān)鍵相位PK繼續(xù)放行至相位綠燈時(shí)間結(jié)束，放棄切換到次要相位PS。

步驟3：切換到次要相位PS。

3.3相位切換決策流程

根據(jù)上述兩種不同情況下的相位切換決策，整體相位切換決策流程如圖2所示。

圖2　相位切換決策流程圖

3.4相位切換依據(jù)

在不同關(guān)鍵車流相位切換過程中，根據(jù)當(dāng)前最大排隊(duì)車輛數(shù)確定關(guān)鍵相位PK綠燈放行時(shí)，如不切換至次要相位PS，則關(guān)鍵相位PK有效綠燈利用率VL1計(jì)算如下：

采用關(guān)鍵相位PK切換到次要相位PS后，能夠有效利用關(guān)鍵相位綠燈時(shí)間后期只剩下關(guān)鍵單獨(dú)放行造成有效綠燈利用不高的問題。若剩余放行時(shí)間GT大于綠燈間隔時(shí)間Gi，此時(shí)相位有效綠燈利用率VL2計(jì)算如下：

由GT>G1，即

表明該決策方案能提高有效綠燈時(shí)間利用率，能夠優(yōu)化出最佳相位方案，尤其是在車輛到達(dá)隨機(jī)性大的時(shí)候，控制效果更加明顯。

4　相位綠燈時(shí)間計(jì)算

在自適應(yīng)控制策略中，最小綠燈時(shí)間Gmin，最大綠燈時(shí)間Gmax，綠燈間隔時(shí)間Gi等時(shí)間參數(shù)計(jì)算參看文獻(xiàn)[13]。根據(jù)某一相位中最后一輛車通過停車線此時(shí)該相位綠燈時(shí)間結(jié)束，此時(shí)該相位顯示的綠燈時(shí)間為最佳相位綠燈時(shí)間這一原則，每相位綠燈時(shí)間由關(guān)鍵車流AK確定。相位綠燈放行時(shí)間GP需保證關(guān)鍵車流已經(jīng)排隊(duì)車輛和綠燈放行時(shí)間內(nèi)到達(dá)的車輛能全部排空。關(guān)鍵車流AK在相位綠燈時(shí)間內(nèi)通過的車輛數(shù)NK由下式計(jì)算確定：

式中：NAK為綠燈放行時(shí)間開始時(shí)停車線前排隊(duì)車輛數(shù)；NSK為綠燈放行時(shí)間內(nèi)到達(dá)的車輛數(shù)；NAK由當(dāng)前檢測器測定獲得排隊(duì)車輛數(shù)，對于相位綠燈時(shí)間內(nèi)到達(dá)的車輛數(shù)NSK的預(yù)測，在較短的時(shí)間范圍內(nèi)，假設(shè)相位綠燈時(shí)間內(nèi)，關(guān)鍵車流車輛到達(dá)率和上一紅燈時(shí)間內(nèi)車輛到達(dá)率近似相等，則NSK可由如下計(jì)算：

式中：R0為關(guān)鍵車流上次紅燈時(shí)間。

綜上最終確定相位綠燈時(shí)間如下：

5　仿真對比分析

在不同車流量到達(dá)情況下，對某交叉口進(jìn)行仿真評價(jià)分析。利用VISSIM仿真軟件中VISVAP可編程模塊實(shí)現(xiàn)上述自適應(yīng)控制策略，對比不同車輛到達(dá)情況下，上述自適應(yīng)控制策略和定時(shí)控制以及感應(yīng)控制最終控制效果。某交叉口車流量到達(dá)情況如表2所示。

表2　某交叉口車流量統(tǒng)計(jì)表

5.1信號控制參數(shù)設(shè)置

定時(shí)控制分為兩種相位控制方案，方案一的相序?yàn)橄辔环桨副?中的相位1、相位3、相位5、相位7；方案二的相序?yàn)橄辔?、相位6、相位4、相位8；感應(yīng)控制采用全感應(yīng)控制方式，最小綠燈時(shí)間為7s。定時(shí)信號控制方案一和方案二根據(jù)Web?ster配時(shí)方案確定，其中總周期都為90s，相位間隔時(shí)間為3s黃燈。方案一中，東西直行放行綠燈時(shí)間為19s，東西左轉(zhuǎn)放行綠燈時(shí)間為18s，南北直行放行綠燈時(shí)間為19s，南北左轉(zhuǎn)放行綠燈時(shí)間為22s。方案二中，東進(jìn)口直左放行綠燈時(shí)間為18s，南進(jìn)口直左放行綠燈時(shí)間為20s，西進(jìn)口直左放行綠燈時(shí)間為20s，北進(jìn)口直左放行綠燈時(shí)間為20s。

5.2仿真結(jié)果分析

對上述三種信號控制方案仿真評價(jià)分析，評價(jià)分析結(jié)果如表3所示。

表3分析結(jié)果表明，自適應(yīng)控制策略在不同的車輛到達(dá)情況下，其控制結(jié)果都優(yōu)于定時(shí)控制和感應(yīng)式控制，其中自適應(yīng)控制策略平均延誤相比定時(shí)控制方案一、方案二以及感應(yīng)控制分別下降35.84%、43.34%、15.70%。這表明本文提出的自適應(yīng)控制策略能夠適應(yīng)動態(tài)交通流的變化，尤其是在車輛到達(dá)隨機(jī)性大的情況下，其效果更加明顯。

表3　仿真對比分析結(jié)果

6　結(jié)論

（1）本文考慮到啟動延誤對交叉口通行效率的影響，根據(jù)車輛到達(dá)情況，建立了有效綠燈時(shí)間利用率模型。

（2）相位綠燈時(shí)間根據(jù)關(guān)鍵車流排隊(duì)車輛數(shù)以及車輛到達(dá)預(yù)測確定計(jì)算，保證車流盡可能順暢地通過交叉口。

（3）根據(jù)有效綠燈時(shí)間利用率模型，建立了自適應(yīng)控制策略中相位及其相位切換策略。不同車輛到達(dá)情況下，不同控制方式表明：自適應(yīng)控制策略能有效降低車輛延誤，提高服務(wù)水平。

[1]Hunter,Michael P,Wu,Seung Kook,Kim,Hoe Kyoung,et al.A Probe-Vehicle-Based Evaluation of Adaptive Traffic Signal Control[J].IEEE Transactions on Intelligent Transpor?tation Systems,2012,6(2):704-713.

[2]王正武，夏利民，羅大庸.單交叉口自適應(yīng)公交優(yōu)先控制[J].中國公路學(xué)報(bào)，2010，23（4）：84-90.

[3] 吳兵，李曄.交通管理與控制[M].北京：人民交通出版社，2009：150-187.

[4]Seung Kook Wu,Michael P.Hunter,Chungwon Lee,et al.

Evaluation of Traffic Signal Control System Using a System-Wide Performance Measure under Two-Fluid Model Theory [J].KSCE Journal of Civil Engineering,2011,15(2):395-403.

[5]Zong Tian,Fred Ohene,Peifeng Hu.Arterial Performance Evaluation on an Adaptive Traffic Signal Control System[J]. Procedia Social and Behavioral Sciences,2011(16):230-239.

[6]徐洪峰，李克平.單點(diǎn)自適應(yīng)控制策略回顧與展望[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2009，4（33）：615-617.

[7]Alexander Paz,Yi-Chang Chiu.Adaptive Traffic Control for Large-Scale Dynamic Traffic Assignment Applications[J]. Transportation Research Record:Journal of the Transporta?tion Research Board,2011,2263(12):103-112.

[8]Crabtree M R,Henderson I R.Application Guide 44:Mova?traffic Control Manual[R].Reading:Transportation Research Laboratory,2005.

[9] 蔣賢才，程國柱，裴玉龍.交叉口信號控制自組織算法[J].中國公路學(xué)報(bào)，2008，21（6）：96-101.

[10]徐洪峰，李克平，鄭明明.基于邏輯規(guī)則的單點(diǎn)公交優(yōu)先控制策略[J].中國公路學(xué)報(bào)，2008，21（5）：96-102.

[11]蔣賢才，裴玉龍.基于定數(shù)理論的自適應(yīng)信號控制延誤模型[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息，2008，3（8）：67-69.

[12]楊曉光，莊斌，李克平.信號交叉口飽和流率和啟動延誤的影響分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，6（34）：738-740.

[13]李克平.交通信號控制指南——德國現(xiàn)行規(guī)范(RiLSA) [M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006：14-20.

Adaptive Control Strategy Based on Effective Utilization Ratio of Green Light Time

QU Xin-ming1,YAO Hong-yun1,WANG Yu-gang1,HU Wei2
(1.School of Traffic&Transportation,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074，China; 2.CCTEG Chongqing Engineering Co.,Ltd.,Chongqing 400016，China)

In order to optimize signal control strategy of single point intersection,adapting the dynamic traffic flow and improving the efficiency of intersection signal control,based on the number of queuing ve?hicles to establish effective green light time utilization model,the intersection adaptive control strategy was proposed.Intersection capacity utilization was the control parameter for the effective green light time utilization model,optimization phase release scheme and phase switching scheme were determined by this model.The phase release green light time was calculated by the largest number of queuing vehicles and ve?hicle arrival prediction.Using traffic simulation software VISSIM,the adaptive control strategy was emu?lated.And compared with fixed timing control and inductive control,intersection traffic situation was eval?uated and analyzed under the situation of different vehicle arrival.The result shows that the adaptive con?trol strategy can effectively reduce the average traffic delay and improve the intersection service level.

adaptive control;effective utilization ratio of green light time;intersection;phase switch?ing;traffic simulation

U491.1

A

2095-9931（2015）01-0054-05

10.16503/j.cnki.2095-9931.2015.01.010

2014-09-17