久久久91-久久久91精品国产一区二区-久久久91精品国产一区二区三区-久久久999国产精品-久久久999久久久精品

    許衛(wèi)明（1972－）
男，浙江紹興人，本科，交通科技工程師。（紹興市交通警察支隊，浙江  紹興  312000,現(xiàn)任紹興市公安局交通警察支隊科技科科長，研究方向為智能交通方面。

基金項目：國家863計劃項目(2007AA11Z216)

摘要：提出一種雙向綠波帶智能控制算法。利用兩層遞階結(jié)構(gòu)和模糊邏輯對城市交通干線進行實時協(xié)調(diào)控制。控制的目標是使進入干線上行和下行的車輛一路綠燈，明顯降低車輛停車率和平均延誤時間。實際應(yīng)用表明該雙向綠波帶控制算法十分有效。

關(guān)鍵詞：交通干線；雙向綠波帶；智能控制；協(xié)調(diào)控制

Abstract: A two-direction green wave intelligent control strategy is presented. The strategy uses two-layer hierarchical structure and fuzzy logic to solve the real time coordination control problem of urban traffic trunk. The goal of this control strategy is to achieve the zero stop of the up-run or down-run vehicles in the trunk and make the vehicle average delay time shortest. The practical applications show that the strategy performs well.

Key words: traffic trunk road; two-direction green wave; intelligent control; coordinated control

1 引言

    城市交通中的干線承受著城市交通中巨大的交通負荷，城市交通干線協(xié)調(diào)控制是城市區(qū)域協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)，因此提高城市交通干線的協(xié)調(diào)控制效果，減少干線上的交通延誤和停車率，對改善整個城市交通狀況具有重大意義。

    城市交通干線綠波帶控制是城市交通協(xié)調(diào)控制中應(yīng)用廣泛的一種控制方式。目前大多數(shù)干線綠波帶控制都是單向的，這種單向控制策略往往導(dǎo)致干線上非協(xié)調(diào)方向嚴重的車輛延誤。雙向的控制策略除了經(jīng)典同步式協(xié)調(diào)控制和交互式協(xié)調(diào)控制外，幾乎沒有新的控制策略出現(xiàn)，且這兩種雙向綠波帶控制只局限于路段長度相等的情形，而現(xiàn)實中干線上各交叉口間的路段長度不是統(tǒng)一的，因此無法進行推廣應(yīng)用。

    本文提出了一種基于模糊邏輯的全新干線動態(tài)雙向綠波帶控制算法，整個控制結(jié)構(gòu)分為協(xié)調(diào)層和控制層兩層?？刂频哪繕耸鞘惯M入干線上行和下行的車輛一路綠燈形成雙向綠波帶，從而明顯降低車輛停車率和平均延誤時間。杭州市濱江區(qū)江南大道的實際應(yīng)用表明該雙向綠波帶控制策略是十分有效的。

2 問題描述

    某城市交通干線如圖1所示。東西向道路為承擔較重交通負擔的主干線，南北向道路為支路，由西往東為上行方向，由東往西為下行方向。雙向綠波帶協(xié)調(diào)控制的目標是保證干線交通暢通，使進入干線行駛的車輛一路綠燈，且雙向都擁有較寬的通過帶。大量的應(yīng)用實踐表明：當相鄰兩交叉口之間的距離超過1000米時，協(xié)調(diào)控制反而不如干線上各交叉口獨立控制，因此假設(shè)圖1中相鄰兩交叉口間的距離均小于1000米。

    雙向綠波帶需要優(yōu)化設(shè)計的參數(shù)是：信號周期時間C、綠信比λ和上行相位差tp,up和下行相位差tp,down。研究表明：同時考慮信號周期、綠信比和相位差的優(yōu)化，將使問題的求解過程十分復(fù)雜。根據(jù)系統(tǒng)工程中大系統(tǒng)分解-協(xié)調(diào)思想，本文對交通干線控制系統(tǒng)提出兩層遞階結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制結(jié)果。

    控制層的主要任務(wù)是計算綠信比。綠信比每個周期實時調(diào)整，系統(tǒng)中各交叉口信號的綠信比不一定相同，通常各自根據(jù)各方向交通量的流量比相互獨立地實時調(diào)整，以跟蹤交通流的瞬時變化。

    協(xié)調(diào)層主要功能是確定公共周期時間和上下行相位差。為使干線上各交叉口的交通信號能取得協(xié)調(diào)，各交叉口的交通信號周期長度必須統(tǒng)一。為此，必須先按單交叉口信號控制的配時方法，計算各交叉口周期時間長度，然后從中選出最大的周期長度作為這個系統(tǒng)的公共周期，對應(yīng)最大周期的交叉口也叫關(guān)鍵交叉口。在綠波帶控制系統(tǒng)中，一般使用相對相位差的概念，顯然相位差時間與相鄰交叉口間路段長度和車輛在該路段間的行駛速度有關(guān)。

    控制方案的變換間隔不能太小，否則方案變換產(chǎn)生的集結(jié)或消散波有可能造成交通絮流，引起進一步的交通阻塞。因此，在一個階段（通常為6-8個周期）內(nèi)，信號周期時間保持不變。

3 控制策略

    3.1 相位設(shè)置

    此前許多研究者在設(shè)計城市交通干線方案時，考慮到干線交通負荷較大，都假定不存在左轉(zhuǎn)綠燈信號，這與實際的交通控制不符。實際表明，干線中左轉(zhuǎn)的車流量雖然不大，但如不加以控制，會對直行車流產(chǎn)生較大干擾，并對行人通過路口有安全隱患。本文控制策略允許干線上車輛左轉(zhuǎn)，但在干線的左轉(zhuǎn)車道上安置車輛檢測器對左轉(zhuǎn)車流進行控制。

    為提高干線車輛的通過率，采用三相位控制，如圖2所示。其中相位1為主干線上的東向左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)，相位2為主干線上的西向左轉(zhuǎn)、直行、右轉(zhuǎn)，相位3為支路南北向為一個相位。雙向綠波帶控制的基本思想是：上行方向以相位1為協(xié)調(diào)相位，按照一定的相位差進行協(xié)調(diào)，下行方向以相位2為協(xié)調(diào)相位，也按照一定的相位差進行協(xié)調(diào)。

    由于在實際過程中，各個交叉口之間的路段長度不可能都相同，所以各個交叉口的相位也不可能都是連續(xù)的。在執(zhí)行過程中，會出現(xiàn)3種情況：1、相位1和相位2連續(xù)；2、相位1和相位2重合；3、相位1和相位2斷開。第一種情況控制的效果最好，但由于交叉口間的路段長度和車流量不均勻，第一種情況出現(xiàn)較少，第二、三種情況出現(xiàn)較多。第二種情況會使相位3的綠燈時間變長，第3種情況有可能會使相位3的綠燈時間分割為兩部分。為了保證相位的連續(xù)性，控制方案優(yōu)化目標要盡量避免第三種情況發(fā)生，同時使第二種情況的重合時間較小。

圖2   相位示意圖

    3.2 周期

    (1) 周期調(diào)整的基本思想

    為使交通干線各交叉口的交通信號能取得協(xié)調(diào)，各路口的交通信號周期長度必須統(tǒng)一。為此，必須先按單路口信號控制的配時方法，計算各交叉口周期長度，然后從中選出最大的周期長度作為這個系統(tǒng)的關(guān)鍵交叉口的周期時間。根據(jù)以往的交通量統(tǒng)計數(shù)據(jù)給出關(guān)鍵交叉口的最佳周期C、最小周期Cmin和最大周期Cmax。但周期不能過短或過長，周期一般不能短于76(30+3+30+3+10)秒(30秒為相位1和2的最小綠燈時間，10秒為相位3的最小綠燈時間，3秒為黃燈時間)，以免某一相位的綠燈時間過小，使車輛來不及通過路口而影響交通安全，同時也給行人和非機動車一些過街時間。周期一般最長不能超過220秒，否則會導(dǎo)致由于某一相位的紅燈時間太長而使駕駛員心理上難以忍受。

    (2)關(guān)鍵交叉口的確定

    關(guān)鍵交叉口是不固定的，每次對方案調(diào)整時，重新確定一次。確定方法是飽和度最大的交叉口為關(guān)鍵交叉口，并按關(guān)鍵交叉口的交通信息對公共周期進行調(diào)整。

    (3)調(diào)整方法

的周期增量值可以通過矩陣運算得到，也可以事先計算好查詢表，然后通過查表得到。周期的調(diào)整可以由控制中心的系統(tǒng)軟件進行計算并發(fā)送給各路口信號控制機。

    3.3 綠信比

    綠波帶控制系統(tǒng)中各相位的綠信比不一定相同，通常要根據(jù)各相位的飽和度大小進行確定。因為各個相位的飽和度反映了各相位的交通擁擠程度，相位飽和度大，則表明該相位的交通流量大，應(yīng)給予該相位更多的綠燈時間；否則應(yīng)縮短該相位的綠燈時間。首先根據(jù)歷史交通數(shù)據(jù)確定各相位的最小綠燈時間t_i,min和最大綠燈時間t_i,max。各交叉口的綠信比根據(jù)各自的實時飽和度單獨計算，每個周期結(jié)束后調(diào)整一次，下一個周期按新的綠信比執(zhí)行。計算過程如下：

    (1)求第k個周期相位i的飽和度：

    
          
    其中，為第k個周期相位i流量和綠信比。

    

    (2)計算綠信比

                

    (3)計算有效綠燈時間

                     

    其中：Yall為一個周期內(nèi)的所有黃燈時間，Rall為一個周期內(nèi)所有紅燈時間。

    如果ti < ti,min，則ti = ti,min，缺少的綠燈時間由其它相位按比例補充tj,ded，其它每個相位的補充綠燈時間tj,ded為：
　　    
   

    如果ti < ti,max，則ti = ti,max，多余的綠燈時間按比例分配給其它相位。其它每個相位的獲得的額外綠燈時間tj,add為：
　　    
   

    為保證雙向綠波帶協(xié)調(diào)控制的通過帶寬度，t1,min、t2,min適當大一些，t3,min適當小一些。

    3.4 相位差

    對于干線雙向綠波帶控制，相位差分為上行相位差和下行相位差，即：

   

    其中：j=1,2,... n-1，n為干線上交叉口數(shù)目；dj,j+1、vj,j+1為交叉口j和j+1之間的上行路段長度和上行速度；dj+1,j、vj+1,j為交叉口j+1和j之間的下行路段長度和下行速度；顯然有dj,j+1=dj+1,j。

    設(shè)上行方向1號交叉口相位1的啟動時間為0秒，為了達到協(xié)調(diào)效果，其它交叉口相位1的啟動時間應(yīng)按相位差錯開，錯開時間為：
 
       

    其中，m的取值應(yīng)使。

    設(shè)下行方向n號交叉口相位2的啟動時間為t秒，為了達到協(xié)調(diào)效果，其它交叉口相位2的啟動時間也應(yīng)按相位差錯開，錯開時間為：

   

    同理，m的取值應(yīng)使。

    3.5 優(yōu)化性能指標

    設(shè)和分別為交叉口j相位1和相位2的綠燈時間，根據(jù)3.1節(jié)的控制思想，控制的目標是相位1和相位2盡可能多的連續(xù)而且不重合。為了減少相位1和相位2分開的情況，尋求一個優(yōu)化的控制參數(shù)t，滿足優(yōu)化性能指標J1：
　　
   

    為了減少相位1和相位2的重合，尋求一個優(yōu)化的參數(shù)t，滿足優(yōu)化性能指標J2：

   

4 控制流程

    雙向綠波帶控制采用兩層遞階結(jié)構(gòu)，如圖3所示。協(xié)調(diào)層根據(jù)一段時期內(nèi)的交通流統(tǒng)計數(shù)據(jù)調(diào)整周期和相位差，然后傳給控制層，控制層根據(jù)歷史和實時數(shù)據(jù)在每個周期末計算綠信比，同時將交通流信息上傳給協(xié)調(diào)層。其控制過程如下：

圖3   兩層遞階控制結(jié)構(gòu)

    (1)協(xié)調(diào)層首先根據(jù)以往的交通統(tǒng)計數(shù)據(jù)給出干線上統(tǒng)一使用的周期C及干線上各交叉口口的上行相位差和下行相位差，進一步計算各交叉口上行協(xié)調(diào)相位和下行協(xié)調(diào)相位的啟動時間和、左轉(zhuǎn)相位的“早斷”或“遲起”時間、。

    (2)設(shè)l=0。

    (3)控制層依照協(xié)調(diào)層給定的參數(shù)開啟綠燈信號；根據(jù)歷史和實時交通數(shù)據(jù)，調(diào)整綠信比，使交叉口的車輛延誤盡可能小，同時將周期內(nèi)的交通流檢測值和綠信比傳給協(xié)調(diào)層處理。

    (4)令l=l+C，檢驗l>8C是否成立，若成立，則到下一步，否則，回到第三步。

    (5)協(xié)調(diào)層由本階段測得的交通數(shù)據(jù)和各交 叉口的綠信比，預(yù)估下一階關(guān)鍵交叉口的飽和度，用模糊控制算法確定下一階段的周期C，使關(guān)鍵交叉口的飽和度接近0.9。同時，預(yù)估下一階段各路段上下行速度、，計算各交叉口上行協(xié)調(diào)相位和下行協(xié)調(diào)相位的啟動時間和，進一步計算左轉(zhuǎn)相位的“早斷”或“遲起”時間、，實現(xiàn)干線一路綠燈并使干線車輛延誤盡可能小?；氐降诙?。

5 結(jié)論

    本文的雙向綠波帶控制策略已經(jīng)在杭州市濱江區(qū)江南大道得到了實際應(yīng)用。江南大道連接機場路、錢塘江大橋、復(fù)興大橋、西興大橋、蕭山市區(qū)，沿途有杭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)、濱江區(qū)政府以及很多新開發(fā)的小區(qū)，是一條自東向西貫穿濱江區(qū)的主要交通干線，道路條件良好，共有14個交叉口。協(xié)調(diào)層功能由設(shè)在濱江區(qū)交警大隊PC機實現(xiàn)，控制層功能由集中協(xié)調(diào)式信號控制機實現(xiàn)。按照交警大隊要求，白天設(shè)計干線速度為80km/h，晚上設(shè)計速度為60km/h。剛啟動時，預(yù)設(shè)公共周期為100秒。各交叉口相位1、相位2的綠燈時間（包括過渡時間）40秒和40秒。則初始的參數(shù)如表3所示。

    表1   江南大道雙向綠波帶控制部分初始參數(shù)

    江南大道在采用雙向綠波帶控制策略之前各交叉口采用的是多時段多方案單交叉口定時控制策略，車輛通過整條大道平均需用時21.3分鐘，東西向行駛的車輛平均停車次數(shù)為4.7次/輛。采用雙向綠波帶控制策略后，平均花時7.9分鐘，縮短了近63％，平均停車次數(shù)為1.36次/輛。減少71.1%，取得了可喜的社會效益和經(jīng)濟效益。

    國內(nèi)外城市交通控制專家和學(xué)者一致認為智能控制系統(tǒng)將是城市交通信號燈控制的必由之路。對此展開研究，將是本世紀系統(tǒng)工程學(xué)科研究中的一個新的生長點。本文利用模糊理論來設(shè)計城市交通干線控制方法，考慮我國交通的具體情況，并在實際中加以應(yīng)用和驗證，在理論和實際上均有一定意義。
　
其它作者：

    潘國安（1962-）男，浙江紹興人，大學(xué)本科畢業(yè)，交通科技工程師，2001年至今任紹興市公安局交通警察支隊副支隊長，研究方向為智能交通。
　
參考文獻

    [1] 劉智勇，吳今培，李秀平，萬百五. 城市交通大系統(tǒng)遞階模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[J]. 系統(tǒng)工程理論與實踐，2004，24(4)：99-105.

    [2] 沈國江，孫優(yōu)賢. 面向控制的城市交通網(wǎng)絡(luò)宏觀動態(tài)模型[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報, 2005, 10(39): 1485-1489.

    [3] 朱文興，賈磊，楊立才. “大路口”交通信號的優(yōu)化控制[J]. 控制理論與應(yīng)用，2006, 23(3): 491-494.

    [4] N H Gartner, S F Assmann, F Lasaga, D L Hom. A multi-band approach to arterial traffic signal optimization [J]. Transportation Research B, 1991, 25: 55-74.