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摘要：潮汐車道對(duì)于緩解交通擁堵具有重要意義，目前受到廣泛關(guān)注。而傳統(tǒng)的潮汐車道控制技術(shù)在車道清空、切換過(guò)渡、區(qū)域關(guān)聯(lián)控制等關(guān)鍵階段未能深入挖掘，控制效果有待提升。本文首先從與上述問(wèn)題相關(guān)的交通信號(hào)控制方案過(guò)渡、潮汐車道交通控制幾方面出發(fā)，對(duì)目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)潮汐車道控制特點(diǎn)，給出了協(xié)同清空、協(xié)同過(guò)渡、區(qū)域分布式協(xié)同控制等潮汐車道時(shí)空資源協(xié)同優(yōu)化控制關(guān)鍵技術(shù)未來(lái)可能的研究?jī)?nèi)容。

關(guān)鍵詞：潮汐車道交通控制；車道清空控制；多狀態(tài)過(guò)渡控制；區(qū)域協(xié)同控制

Abstract: Tidal lanes are of great significance for relieving traffic congestion, which has received wide attention recently. However, the traditional tidal lane control technology still has difficulty in vehicle clearing, signal transition and regional association control. From the perspective of traffic signal transition and tidal lane control, this paper analyzed the current situation and proposed collaborative clearing, collaborative transition and regional distributed collaborative control based on the control characteristics of tidal lane.

Key words: Tidal lane traffic control; Vehicle clearing control; Multistate transition control; Regional collaborative control

1　引言

當(dāng)前，道路交通擁堵已成為城市發(fā)展到一定階段所面臨的世界性難題。2017年由高德地圖交通大數(shù)據(jù)發(fā)布平臺(tái)聯(lián)合交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院、阿里云等單位聯(lián)合發(fā)布的《中國(guó)主要城市交通分析報(bào)告》^[1]顯示，北京的高峰擁堵延時(shí)指數(shù)為2.067（高峰擁堵延時(shí)指數(shù)等于市民高峰擁堵時(shí)期所花費(fèi)的時(shí)間與暢通時(shí)期所花費(fèi)時(shí)間的比值）。為保持城市良性發(fā)展，緩解道路交通擁堵問(wèn)題已是刻不容緩。

潮汐式交通是大城市道路交通擁堵的重要原因之一。國(guó)內(nèi)外實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明 ^[2~5]，調(diào)整時(shí)空資源、實(shí)施潮汐車道是緩解高峰時(shí)段潮汐交通擁堵最有效和可行的措施之一。潮汐車道能夠有效地利用現(xiàn)有道路資源、提高道路的通行效率，在保證交通暢通方面起著重要作用。

目前，潮汐車道研究與應(yīng)用已得到較為廣泛的關(guān)注，而如何通過(guò)有效的控制方法，進(jìn)一步提高潮汐車道及其關(guān)聯(lián)路口時(shí)空資源使用效率，是潮汐車道問(wèn)題研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。潮汐車道控制過(guò)程應(yīng)包含車道清空協(xié)同、切換配時(shí)過(guò)渡、區(qū)域關(guān)聯(lián)控制等多個(gè)互相聯(lián)系、依次遞進(jìn)的階段，但已有成果多集中于車道設(shè)置、切換方式等方面，對(duì)于上述幾個(gè)關(guān)鍵階段還缺乏深入研究，尚未形成系統(tǒng)的理論體系支撐，實(shí)施效果有待提升。

本文正是面向潮汐車道交通控制需求，對(duì)與之相關(guān)的交通信號(hào)控制方案過(guò)渡、潮汐車道交通控制等技術(shù)方法的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)分析，在此基礎(chǔ)上，給出了協(xié)同清空、協(xié)同過(guò)渡、區(qū)域分布式協(xié)同控制等潮汐車道時(shí)空資源協(xié)同優(yōu)化控制關(guān)鍵技術(shù)未來(lái)可能的研究?jī)?nèi)容。

2　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

2.1　交通信號(hào)控制方案過(guò)渡

潮汐車道切換導(dǎo)致關(guān)聯(lián)路口通行能力、空間資源分配發(fā)生變化，從而使得路口信號(hào)配時(shí)發(fā)生較大改變，為降低信號(hào)配時(shí)變化對(duì)交通流平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生的不良影響，路口新舊配時(shí)方案間一般需進(jìn)行過(guò)渡控制。配時(shí)過(guò)渡控制作為交通信號(hào)控制過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，已得到眾多研究人員和學(xué)者的關(guān)注，取得了較為豐富的研究成果，除以協(xié)調(diào)相位作為調(diào)整參數(shù)的Dwell法、Max Dwell法、Shortway法，以信號(hào)周期作為調(diào)整參數(shù)的Add法、Substract法、Smooth法、Shortest法^[6]外，較典型的有：

Pohlmann通過(guò)研究具有路網(wǎng)中不同協(xié)調(diào)關(guān)系的過(guò)渡信號(hào)干線協(xié)調(diào)需求分析，提出一種綜合考慮當(dāng)前路口交通狀態(tài)和鄰近路口交通狀態(tài)的方案過(guò)渡方法^[7]；Hamilton針對(duì)新舊信號(hào)控制方案過(guò)渡對(duì)原有干線協(xié)調(diào)造成的影響，提出了一種干線快速過(guò)渡方法^[8]；Basu綜合考慮新配時(shí)方案對(duì)干線協(xié)調(diào)的優(yōu)化程度和過(guò)渡方案對(duì)干線協(xié)調(diào)的影響程度，選取最佳影響度過(guò)渡方案^[9]等；樹愛(ài)兵等針對(duì)交叉口過(guò)渡信號(hào)周期以及周期調(diào)整步幅的取值范圍，提出了一種基于周期的交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制過(guò)渡調(diào)整策略^[10]；劉慧等在對(duì)直接切換方法、經(jīng)典Add和Subtract過(guò)渡方法進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮過(guò)渡時(shí)間和平滑特性，提出一種基于最佳相位差調(diào)整量控制方案的快速平滑過(guò)渡方法^[11]；郭海鋒等在綜合考慮過(guò)渡時(shí)間和平滑特性的基礎(chǔ)上，提出一種基于最佳相位差調(diào)整量控制方案的快速平滑過(guò)渡方法^[12]；譚偉麗等針對(duì)傳統(tǒng)過(guò)渡方法存在的問(wèn)題，提出了一種面向活躍相位的干道協(xié)調(diào)信號(hào)控制方案的過(guò)渡方法^[13]；盧凱等針對(duì)各交叉口過(guò)渡信號(hào)周期的允許取值范圍，利用交叉口相位差調(diào)整比例的極小極大原理，提出了單周期對(duì)稱調(diào)節(jié)過(guò)渡算法與Ｎ周期加權(quán)調(diào)節(jié)過(guò)渡算法^[14]。

總體而言，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在交通信號(hào)配時(shí)過(guò)渡控制方法研究方面已做出了許多扎實(shí)的工作，有助于解決信號(hào)配時(shí)變化對(duì)交通流平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生的不良影響問(wèn)題，但從目前的研究現(xiàn)狀來(lái)看，在以下方面仍可進(jìn)一步改進(jìn)：

（1）傳統(tǒng)的過(guò)渡控制方法較少同時(shí)兼顧各路口本身（如相鄰周期變化、相鄰周期內(nèi)綠信比變化）及相鄰路口間（如相鄰路口過(guò)渡周期調(diào)整幅度對(duì)比、相鄰路口過(guò)渡周期相位差變化）兩方面的交通流波動(dòng)性問(wèn)題，綜合波動(dòng)性能指標(biāo)仍需進(jìn)一步研究；

（2）潮汐車道過(guò)渡控制有其特殊性，由于各可變車道切換時(shí)刻不同，容易出現(xiàn)各相鄰路口不能在相同限定時(shí)間內(nèi)完成過(guò)渡的情況，需從相同時(shí)間內(nèi)過(guò)渡、不同時(shí)間內(nèi)過(guò)渡、過(guò)渡時(shí)間有交叉三種狀態(tài)出發(fā)，設(shè)計(jì)潮汐車道多路口協(xié)同過(guò)渡控制方法；

（3）由于潮汐車道切換前后空間資源分配發(fā)生變化，可能使得關(guān)聯(lián)路口相位組成、相序、信號(hào)配時(shí)等均發(fā)生變化，傳統(tǒng)的以相位作為承載對(duì)象、以相位綠燈時(shí)間為優(yōu)化變量的過(guò)渡方法已不適合潮汐車道信號(hào)控制過(guò)渡需求，需重新構(gòu)建以車流為承載對(duì)象、包含車流綠燈時(shí)間、相序等多類型優(yōu)化變量的新的信號(hào)過(guò)渡方法；

（4）在離線過(guò)渡方案的基礎(chǔ)上，針對(duì)過(guò)渡過(guò)程中潮汐車道交通信號(hào)控制在線優(yōu)化需求，有必要對(duì)考慮過(guò)渡效應(yīng)的潮汐車道多路口在線協(xié)同控制方法展開研究。

2.2　潮汐車道交通控制

潮汐車道能夠有效地利用現(xiàn)有道路資源、提高道路的通行效率，在保證交通暢通方面起著重要作用。目前，潮汐車道交通控制已得到了眾多國(guó)內(nèi)外研究人員及學(xué)者的關(guān)注，并取得了較為豐富的研究成果，主要包括：

Wang等通過(guò)車輛到基礎(chǔ)設(shè)施的通信將交通控制器與車載控制器連接起來(lái)進(jìn)而構(gòu)建潮汐車道信號(hào)控制系統(tǒng)[15]；Habibollah等重點(diǎn)研究了可變車道的動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制，運(yùn)用邏輯選擇模型對(duì)線下方案進(jìn)行模擬調(diào)整，再推廣至實(shí)時(shí)調(diào)整 [16]；孫鋒等通過(guò)預(yù)測(cè)交叉口的交通需求，明確了逆向可變車道的開關(guān)判別指標(biāo)及開關(guān)控制條件，將逆向可變車道信號(hào)燈與交叉口內(nèi)信號(hào)燈實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制，使得逆向可變車道控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和智能化^[17]。曲大義等定量分析干線交通流分布不均衡系數(shù)及轉(zhuǎn)向不均衡系數(shù)，協(xié)同設(shè)置潮汐車道與變向車道，并依據(jù)干線交通流特性提出半周期綠波協(xié)同優(yōu)化策略^[18]；文獻(xiàn)^[19]通過(guò)對(duì)潮汐車道控制技術(shù)的研究，給出潮汐車道的具體運(yùn)行過(guò)程和管理措施，以及潮汐車道的最佳切換時(shí)機(jī)和調(diào)整模型；王艷麗等通過(guò)計(jì)算交通飽和度，選擇道路雙向飽和度的加權(quán)切換動(dòng)態(tài)控制方式對(duì)潮汐車道進(jìn)行自適應(yīng)控制^[20]；周鵬等利用視頻檢測(cè)獲得的車流量等相關(guān)參數(shù)信息，提出了基于非參數(shù)回歸短時(shí)間交通流預(yù)測(cè)的智能可變車道的導(dǎo)向判決算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)可變車道隨著實(shí)時(shí)車流量而自動(dòng)變化的智能控制^[21]；馬瑩瑩等提出一種根據(jù)雙向交通運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)控制可變車道行駛方向的交通控制方法，利用可變車道路段雙向飽和度分析道路交通運(yùn)行狀態(tài)，建立各種交通狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的車道行駛方向優(yōu)化模型^[22]；李萌等對(duì)潮汐性擁堵和潮汐車道的性質(zhì)進(jìn)行了定性分析之后，在動(dòng)態(tài)交通分配的程序中通過(guò)仿真的方法，研究了交通需求的分布特性變化時(shí)潮汐車道的表現(xiàn)^[23]；孟志廣等建立了基于BPR路阻函數(shù)的車道切換時(shí)機(jī)及調(diào)整模型，為潮汐車道的運(yùn)行及管理提出合理的策略，驗(yàn)證了潮汐車道對(duì)緩解城市交通擁堵的積極作用^[24]。

綜上，可變車道能夠提高道路資源利用率，對(duì)緩解城市潮汐交通導(dǎo)致的道路交通擁堵無(wú)疑具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。與此同時(shí)，在對(duì)潮汐車道交通流特性分析的基礎(chǔ)上，如何實(shí)現(xiàn)潮汐車道高效的交通控制也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。但從目前研究現(xiàn)狀來(lái)看，仍存在以下問(wèn)題：

（1）潮汐車道控制過(guò)程包含多個(gè)互相聯(lián)系、依次遞進(jìn)的階段，而傳統(tǒng)的潮汐車道控制方法在車道清空協(xié)同、切換配時(shí)過(guò)渡、區(qū)域關(guān)聯(lián)控制等關(guān)鍵階段鮮有涉及，缺乏整體理論體系支撐，實(shí)施效果仍有待提升；

（2）現(xiàn)有車道切換多為人工切換或定時(shí)控制，需通過(guò)對(duì)潮汐車道交通狀態(tài)及持續(xù)時(shí)間預(yù)測(cè)方法研究，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)根據(jù)雙向交通需求動(dòng)態(tài)、高效地配置道路車道資源；

（3）車道清空所需時(shí)間受車道清空控制開始時(shí)刻及關(guān)聯(lián)路口信號(hào)配時(shí)雙重影響，但目前研究較少考慮車道清空與信號(hào)配時(shí)協(xié)同控制，時(shí)空資源未能充分利用；

（4）潮汐車道切換前后在時(shí)空資源變化方面有其特殊性，需專門設(shè)計(jì)潮汐車道多路口離線及在線協(xié)同過(guò)渡控制方法，降低潮汐車道切換對(duì)交通流平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生的不良影響；

（5）現(xiàn)有研究多針對(duì)單一潮汐車道路段，對(duì)于上下游連接的多個(gè)潮汐車道路段及其關(guān)聯(lián)路口協(xié)同控制中相關(guān)問(wèn)題需進(jìn)一步研究；

（6）現(xiàn)有方法多關(guān)注于潮汐車道自身控制，較少考慮潮汐車道交通子區(qū)與外圍關(guān)聯(lián)子區(qū)間的協(xié)同控制問(wèn)題，常導(dǎo)致?lián)矶缕频痊F(xiàn)象發(fā)生。

3　潮汐車道時(shí)空資源協(xié)同優(yōu)化控制關(guān)鍵技術(shù)研究展望

3.1　潮汐車道清空與關(guān)聯(lián)路口信號(hào)配時(shí)協(xié)同控制方法研究

潮汐車道交通狀態(tài)預(yù)測(cè)有助于確定潮汐車道最佳切換時(shí)刻，而潮汐車道切換前需先完成車道清空，即車道清空所需時(shí)間直接影響著潮汐車道實(shí)際切換時(shí)刻。因此，如何設(shè)計(jì)潮汐車道清空與關(guān)聯(lián)路口信號(hào)配時(shí)協(xié)同控制方法，使得潮汐車道及關(guān)聯(lián)路口時(shí)空資源充分利用，是潮汐車道控制中需解決的重要問(wèn)題之一。

基于上述分析，可在對(duì)潮汐車道交通狀態(tài)及其持續(xù)時(shí)間預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，采用集散波理論、模型參數(shù)反饋調(diào)節(jié)、模型匹配、模型庫(kù)動(dòng)態(tài)優(yōu)化等技術(shù)方法，首先對(duì)待清空車道車輛行駛時(shí)間計(jì)算方法展開研究，計(jì)算流程如圖1所示，并將計(jì)算結(jié)果與同樣流量區(qū)間下實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，獲取行駛時(shí)間計(jì)算誤差概率分布，誤差分析如圖2所示；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合潮汐車道上游路口駛出流量圖式，分析下游路口信號(hào)配時(shí)及潮汐車道清空開始時(shí)刻對(duì)清空時(shí)間和實(shí)際切換時(shí)刻的影響，進(jìn)一步分別以路口平均延誤、考慮計(jì)算誤差概率分布的車道清空時(shí)間、考慮計(jì)算誤差概率分布的實(shí)際切換時(shí)刻與最佳切換時(shí)刻時(shí)間差為性能指標(biāo)，以交叉口飽和度、最大綠燈時(shí)間、最小綠燈時(shí)間等為約束條件，構(gòu)建潮汐車道清空與關(guān)聯(lián)信號(hào)配時(shí)協(xié)同優(yōu)化模型并優(yōu)化求解。

圖1 待清空車道車輛行駛時(shí)間計(jì)算流程

圖2 行駛時(shí)間計(jì)算誤差分析

3.2　潮汐車道多路口協(xié)同過(guò)渡控制方法研究

潮汐車道切換導(dǎo)致關(guān)聯(lián)路口通行能力、空間資源分配發(fā)生變化，從而使得路口信號(hào)配時(shí)發(fā)生較大改變，為降低信號(hào)配時(shí)變化對(duì)交通流平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生的不良影響，路口新舊配時(shí)方案間一般需進(jìn)行過(guò)渡控制。傳統(tǒng)的過(guò)渡控制方法多為離線計(jì)算，且較少同時(shí)兼顧各路口本身及相鄰路口間兩方面的交通流波動(dòng)性問(wèn)題，過(guò)渡方案不盡完善；另一方面潮汐車道過(guò)渡控制有其特殊性，由于各可變車道切換時(shí)刻不同，容易出現(xiàn)各相鄰路口不能在相同限定時(shí)間內(nèi)完成過(guò)渡的情況，且由于關(guān)聯(lián)路口相位組成、相序、信號(hào)配時(shí)等均可能發(fā)生變化，傳統(tǒng)以相位作為承載對(duì)象的過(guò)渡方法已不適合潮汐車道信號(hào)控制過(guò)渡需求。

基于上述問(wèn)題，可首先分別針對(duì)各路口相同時(shí)間內(nèi)過(guò)渡、不同時(shí)間內(nèi)過(guò)渡、過(guò)渡時(shí)間有交叉三種狀態(tài)，考慮各路口本身及路口間的過(guò)渡波動(dòng)性，設(shè)計(jì)離線型綜合波動(dòng)性能指標(biāo)，進(jìn)而以過(guò)渡周期數(shù)、車流放行時(shí)差單步最大變化量、車流放行時(shí)長(zhǎng)單步最大變化量、周期時(shí)長(zhǎng)單步最大變化量等為約束條件，構(gòu)建潮汐車道多路口協(xié)同過(guò)渡控制模型，并采用粒子群算法等組合優(yōu)化方法進(jìn)行求解；在上述工作基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步針對(duì)在線優(yōu)化過(guò)渡控制問(wèn)題展開研究，在各路口過(guò)渡周期數(shù)限定的前提下，面向多種路口過(guò)渡時(shí)間組合狀態(tài)，基于交通流滾動(dòng)預(yù)測(cè)結(jié)果，設(shè)計(jì)能夠體現(xiàn)交通流運(yùn)行波動(dòng)性和通行效率的多目標(biāo)函數(shù)，以各路口過(guò)渡周期及綠信比等為決策變量，以路口排隊(duì)長(zhǎng)度變化率、路段平均速度等為狀態(tài)變量，構(gòu)建考慮過(guò)渡效應(yīng)的潮汐車道多路口在線分布式協(xié)同控制模型，并研究其優(yōu)化求解算法。

3.3　面向潮汐車道的區(qū)域交通分布式協(xié)同控制方法研究（如圖3所示）

圖3 面向可變車道的區(qū)域交通分布式協(xié)同控制方法示意圖

潮汐車道時(shí)空資源的變化，使得所處路段及路口構(gòu)成的交通子區(qū)屬性發(fā)生變化，其控制需求也發(fā)生變化。而現(xiàn)有方法多關(guān)注于可變車道自身控制，較少考慮潮汐車道交通子區(qū)與外圍關(guān)聯(lián)子區(qū)間的協(xié)同控制問(wèn)題，常導(dǎo)致?lián)矶缕频痊F(xiàn)象發(fā)生。

基于上述問(wèn)題，以充分利用潮汐車道時(shí)空資源為出發(fā)點(diǎn)，將潮汐車道交通子區(qū)外部需求管理與內(nèi)部資源調(diào)配相結(jié)合，可對(duì)以下內(nèi)容展開研究：在基于同質(zhì)性路網(wǎng)宏觀基本圖劃分控制子區(qū)的基礎(chǔ)上，以潮汐車道交通子區(qū)累積車輛數(shù)為狀態(tài)變量，構(gòu)建潮汐車道交通子區(qū)邊界路口宏觀交通流狀態(tài)方程，并討論狀態(tài)方程的求解方法；以潮汐車道外圍子區(qū)交叉口總排隊(duì)車輛數(shù)與子區(qū)間銜接交叉口車輛進(jìn)出數(shù)量為性能指標(biāo)，以子區(qū)范圍內(nèi)交叉口各相位飽和度等作為約束條件，構(gòu)建潮汐車道外圍關(guān)聯(lián)子區(qū)信號(hào)協(xié)調(diào)控制模型，并討論其求解方法；在此基礎(chǔ)上，考慮潮汐車道交通子區(qū)及其外圍子區(qū)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，研究區(qū)域交通分布式協(xié)同控制方法。

4　總結(jié)

本文在對(duì)交通信號(hào)控制方案過(guò)渡、潮汐車道交通控制等技術(shù)方法研究現(xiàn)狀總結(jié)分析基礎(chǔ)上，給出了潮汐車道協(xié)同清空、協(xié)同過(guò)渡、區(qū)域分布式協(xié)同控制等時(shí)空資源協(xié)同優(yōu)化控制關(guān)鍵技術(shù)未來(lái)可能的研究?jī)?nèi)容，其中，通過(guò)設(shè)計(jì)車道清空與關(guān)聯(lián)路口信號(hào)配時(shí)協(xié)同控制方法，可促進(jìn)潮汐車道及路口時(shí)空資源充分利用；通過(guò)構(gòu)建潮汐車道多路口協(xié)同過(guò)渡控制模型，能夠降低信號(hào)配時(shí)變化對(duì)交通流平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生的不良影響，提升交叉口交通流通行能力；在考慮潮汐車道交通子區(qū)及其外圍子區(qū)之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)區(qū)域交通分布式協(xié)同控制方法，有望進(jìn)一步提高路網(wǎng)整體通行能力及道路資源利用率。上述研究可為解決可變車道交通控制問(wèn)題提供新的方法和途徑，在城市交通控制實(shí)踐中具有重要的應(yīng)用前景，同時(shí)對(duì)城市交通控制理論與方法的進(jìn)一步發(fā)展能夠產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。

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作者簡(jiǎn)介：

劉小明（1974-），男，河北唐山人，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)就職于北方工業(yè)大學(xué)城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究方向是智能交通控制理論與技術(shù)、城市交通系統(tǒng)工程。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年12月刊