引言

最近十年，隨著汽車數(shù)量的劇增，無論是發(fā)達(dá)國家還是發(fā)展中國家，都不同程度地受交通問題的困擾。在現(xiàn)代城市交通信號(hào)控制中，為了保證主要路線的暢通，經(jīng)常會(huì)使用干線協(xié)調(diào)控制，即綠波帶控制模式。有了綠波帶，那么其優(yōu)先保持暢通的車流，就可以一路綠燈地通過道路控制區(qū)域，盡量減少路口的停留時(shí)間。

對干道綠波協(xié)調(diào)控制算法研究常見的有圖解法和數(shù)解法。圖解法對于路口較多的干道，作圖復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難。數(shù)解算法是通過計(jì)算理想交叉路口間距的集合，從而尋找與實(shí)際交叉路口間距最為匹配的理想交叉路口間距，來確定綠波協(xié)調(diào)控制的最佳公共信號(hào)周期與各交叉路口交通信號(hào)的相位差，使干道綠波協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)能獲得盡可能大的綠波帶寬度和較為理想的綠波協(xié)調(diào)控制效果。此模型是MAXBAND核心模型形式，求解此問題時(shí)，軟件編程復(fù)雜，編程效率低，實(shí)時(shí)性差等，所以傳統(tǒng)的數(shù)解法實(shí)用性不強(qiáng)，且宜受道路流量情況影響而無法進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化。

1數(shù)解法優(yōu)化思路

在以往的綠波帶協(xié)調(diào)控制算法中，通常是對整條道路進(jìn)行統(tǒng)一計(jì)算，一條主干道往往有十幾個(gè)至幾十個(gè)路口，當(dāng)路口較多時(shí)，分析與計(jì)算比較復(fù)雜。其次，即使同一條主干道，往往各段的交通情況也是不同的，限速也是不同的。在雙向綠波帶協(xié)調(diào)控制數(shù)解法優(yōu)化中，首先對道路流量、車道、路口情況進(jìn)行分析，把道路特性相近的多個(gè)路口作為一個(gè)對象分析,對這個(gè)對象進(jìn)行雙向綠波帶協(xié)調(diào)控制，這樣數(shù)解法的計(jì)算量就相對減小了；然后在這多個(gè)對象間通過微調(diào)綠波帶車速、車輛分流等方法，實(shí)現(xiàn)雙向綠波帶協(xié)調(diào)控制；最后把這多個(gè)對象通過一定的方法銜接起來，從而實(shí)現(xiàn)整條主干道的雙向綠波帶協(xié)調(diào)控制。同時(shí)，在控制的過程中，采用地磁、RFID等傳感器，感知路面車流情況，來調(diào)整綠波帶控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)綠波帶的實(shí)時(shí)智能控制。

2優(yōu)化步驟

2.1確定公共信號(hào)周期的允許變化范圍

根據(jù)現(xiàn)有的交通燈控制方案，觀察主干道上各個(gè)交叉路口的車流情況，在各個(gè)路口獨(dú)立的情況下，車流能否基本滿足路口車流的通行。如果基本能滿足，假定主干道上有m個(gè)分段,共有n個(gè)交叉路口，則第i個(gè)交叉路口的信號(hào)周期變化范圍取[Cmini,Cmaxi]，可得此主干道雙向綠波協(xié)調(diào)控制的公共信號(hào)周期允許變化范圍[Cmin,Cmax]，應(yīng)根據(jù)集合[max{Cmin1,Cmin2,…,Cminn},min{Cmax1,Cmax2,…,Cmaxn}]來確定。

2.2確定各交叉路口的綠信比和相序

根據(jù)各個(gè)交叉路口的特點(diǎn)和不同的車流情況，分配各相位綠燈相位的時(shí)間。

計(jì)算不同公共信號(hào)周期取值與不同交通信號(hào)相序下的理想交叉路口間距。其方法是根據(jù)已確定的公共信號(hào)周期變化范圍，在此范圍內(nèi)，取不同長度的步長，來逐個(gè)計(jì)算在不同交通信號(hào)相序情況下的理想交叉路口的間距。一般步長可取1s、2s或3s，步長不能取太大，否則計(jì)算誤差較大。

確定不同的入口方式和交通信號(hào)相序。假定交叉路口A和交叉路口B為東西干道的相鄰交叉路口，交叉路口A位于交叉路口B以東；A、B二個(gè)路口公共信號(hào)周期為C，A、B二個(gè)路口的交通燈順序?yàn)橹毙芯G燈，左轉(zhuǎn)綠燈，直行左轉(zhuǎn)均為紅燈（簡稱為紅燈）。在此計(jì)算中，由于對主干道進(jìn)行了有選擇的分段，所以近似認(rèn)為非主干道左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)匯入的車流等于下一路口左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)流出的車流，而主干道的車流近似不變。在綠波控制方向，路口A的信號(hào)燈相位如下：直行綠色箭頭燈亮，持續(xù)時(shí)間為tAgd；左轉(zhuǎn)綠色箭頭燈亮，持續(xù)時(shí)間為tAgl；直行左轉(zhuǎn)均為紅色箭頭燈，持續(xù)時(shí)間為tAr。路口B的信號(hào)燈相位如下：直行綠色箭頭燈亮，持續(xù)時(shí)間為tBgd；左轉(zhuǎn)綠色箭頭燈亮，持續(xù)時(shí)間為tBgl；直行左轉(zhuǎn)均為紅色箭頭燈，持續(xù)時(shí)間為tBr。A、B各交通信號(hào)相位之間的間隔時(shí)間均為ti；綠波帶速度取vgw。針對交叉路口A和B，利用時(shí)距圖可以計(jì)算出相應(yīng)的理想交叉路口間距。當(dāng)交叉路口A與交叉路口B之間的距離為理想交叉路口間距時(shí)，將能獲得較好的綠波協(xié)調(diào)控制效果。某些交叉路口如果在計(jì)劃相位情況下無法實(shí)現(xiàn)雙向綠波協(xié)調(diào)控制，則在保證公共信號(hào)周期不變的情況下，微調(diào)交叉路口的放行方式和放行相位。圖1所示是交叉路口計(jì)劃相位圖。

圖2給出了理想交叉路口間距的計(jì)算過程。在圖2中，PA是交叉路口A的實(shí)際位置，L1、L2、L3、L4分別為上行和下行的雙向車流，雙向車流速度為雙向綠波協(xié)調(diào)控制的綠波速度vgw，PB1為路口B經(jīng)公共周期C后正好是直行綠燈的理想位置，PB3為路口B經(jīng)3倍公共周期C后正好是直行綠燈的理想位置，而PB2為經(jīng)2倍公共周期C后的路口B的位置，此時(shí)為直行紅燈，所以此位置的相位要調(diào)整，即初相偏移一定時(shí)間后也能使雙向車流經(jīng)過此理想路口時(shí)也為雙向綠燈。所以，在同一相序設(shè)置下，相鄰可選相向交叉路口的間距為

當(dāng)交叉路口A、B取相同相時(shí)序，即第一相位、第二相位、第三相位、第四相位時(shí)，可得理想交叉路?口間距Si(A,B)應(yīng)滿足關(guān)系式：

經(jīng)過整理，得到理想交叉路口間距Si(A,B)應(yīng)等于：

如果相鄰路口A、B直行綠燈時(shí)間相等，同時(shí)，交叉路口B可以取正向(即第一相相位、第二相位、第三相位、第四相位)，也可取反向(第三相位、第四相位、第一相位、第二相位)，則可得到理想路口間距公式為：

對于式（3），m取相鄰值時(shí)，可得到理想交叉路口B的相鄰間距為?Cvgw.

2.3計(jì)算不同步長時(shí)的理想路口間距

根據(jù)公共信號(hào)周期范圍，可計(jì)算不同步長時(shí)的理想路口間距，尋求干道交叉路口的最佳公共信號(hào)周期。偏移綠信比是由于實(shí)際交叉路口綠燈中心時(shí)刻點(diǎn)與理想交叉路口綠燈中心時(shí)刻線不重合，產(chǎn)生了時(shí)間的偏移。根據(jù)綠波速度，這個(gè)時(shí)間偏移量與公共信號(hào)周期的比值也就是偏移綠信比。

計(jì)算偏移綠信比，首先選取基準(zhǔn)交叉路口，如以路口A進(jìn)行討論，按照路口A的相序設(shè)置，分別計(jì)算在不同信號(hào)周期取值情況下的最佳相序組合與最大偏移綠信比，尋找對應(yīng)最大偏移綠信比最小的信號(hào)周期取值。

2.4計(jì)算各個(gè)交叉路口與基準(zhǔn)路口的相位差時(shí)間

根據(jù)已經(jīng)計(jì)算得到的各個(gè)交叉路口的實(shí)際位置與理想位置的偏移量及綠波速度，就可以確定各個(gè)實(shí)際路口的綠燈點(diǎn)亮的起始時(shí)間。

具體計(jì)算時(shí)，首選要確定參考對象，也就是基準(zhǔn)方向和基準(zhǔn)時(shí)間。以基準(zhǔn)路口向另一方向行駛為基準(zhǔn)方向，即上行方向，相關(guān)的行駛方向即為下行方向；時(shí)間基準(zhǔn)以基準(zhǔn)路口的基準(zhǔn)方向放行相位綠燈中心時(shí)刻為時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)。再根據(jù)各交叉路口的信號(hào)相序設(shè)置、最接近的理想交叉路口位置和基準(zhǔn)方向放行相位的綠信比大小，計(jì)算各個(gè)交叉路口的相位差大小。

第i個(gè)交叉路口的相位差Ot可由下式進(jìn)行計(jì)算：

Oi=孚—2CAui+KC（0WOi<C）（4）式中，匕i為與交叉路口i的信號(hào)相序相同，并且與實(shí)際距離最近的理想交叉路口與基準(zhǔn)交叉路口間的距離；Vi為交叉路口i的基準(zhǔn)方向放行相位綠信比。

2.5求取雙向綠波協(xié)調(diào)控制的綠波時(shí)間寬度

根據(jù)已經(jīng)計(jì)算得到的上、下行方向和各交叉路口的偏移綠信比，對每個(gè)路口分別計(jì)算綠燈中心時(shí)刻線上方綠信比與下方綠信比。綠波帶的寬度就是綠燈中心時(shí)刻線上方最小綠信比與下方最小綠信比之和。

偏移綠信比可能為正，也可能為負(fù)。當(dāng)偏移綠信比為正時(shí),即交叉路口的實(shí)際位置處于相應(yīng)最近理想交叉路口位置的下游，所以綠燈中心時(shí)刻線的上方綠信比應(yīng)減去一個(gè)單位的偏移綠信比，而下方綠信比應(yīng)加上一個(gè)單位的偏移綠信比；當(dāng)偏移綠信比為負(fù)時(shí)，即交叉路口的實(shí)際位置是位于最近理想交叉路口的上游，那么綠燈中心時(shí)刻線的上方綠信比應(yīng)加上一個(gè)單位的偏移綠信比，而下方綠信比應(yīng)減去一個(gè)單位的偏移綠信比。

2.6驗(yàn)證和調(diào)整

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可畫時(shí)距圖驗(yàn)證，并對個(gè)別路口情況進(jìn)行調(diào)整。由于上述計(jì)算得到的距離均為理想距離，實(shí)際情況有可能與理想距離差別太大，正好處于相鄰信號(hào)周期的中間；如果采用與其他路口相同的信號(hào)相位，則偏移綠信比較大，會(huì)大大影響整條道路的綠波帶寬度，導(dǎo)致綠波控制失敗。

在進(jìn)行調(diào)整中，要注意整個(gè)調(diào)整必須保證信號(hào)周期與綠波帶控制的公共信號(hào)周期相同，這樣才能保證始終能進(jìn)行綠波控制。

2.7實(shí)時(shí)調(diào)整擁堵路口的綠燈放行時(shí)間

根據(jù)上述計(jì)算得到的雙向協(xié)調(diào)綠波帶控制算法，在交通高峰時(shí)間，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對道路實(shí)際流量進(jìn)行實(shí)時(shí)測量,找出關(guān)鍵的擁堵路口，在不破壞綠波控制的前提下，在此路口適當(dāng)實(shí)時(shí)調(diào)整綠波帶方向放行綠燈時(shí)間，提高道路交通流量。

由于此算法中，進(jìn)口是對稱放行方式，所以雙向綠波帶也是對稱的。

3分段間的綠波銜接

在上述提出的分段式數(shù)解法綠波帶優(yōu)化算法中，分段間的綠波銜接也是關(guān)鍵之一，涉及到整個(gè)綠波帶的正常工作。在分段過程中，并不是對主干道進(jìn)行隨便分段的，而是要在銜接路口的上行或下行方向有一個(gè)流量較小的路口。同時(shí)，二段的公共信號(hào)周期不會(huì)相差太多，這樣，二段綠波協(xié)調(diào)控制才能較好地銜接。另外，分段計(jì)算得到的信號(hào)公共周期不能相差太多。

在實(shí)施過程中，選取了無錫市的學(xué)前路（解放東路至中南路段）進(jìn)行計(jì)算，此路段共5.5km，穿過無錫的商業(yè)中心，道路較長，同時(shí)道路情況復(fù)雜，比較有代表性，對算法具有較強(qiáng)的驗(yàn)證性。根據(jù)上面介紹的方法計(jì)算得到分段一（解放東路至解放西路）的信號(hào)周期為98s，初相為82s；分段二（解放西路至中南路）的信號(hào)周期為102s，初相為87s。二段是作為一條道路進(jìn)行綠波協(xié)調(diào)控制的，必須有一個(gè)統(tǒng)一的參考時(shí)間，如果以分段一的時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，則分段二各個(gè)交叉路口的初相均需要減小5s。二段的公共信號(hào)周期相差4s，而二段中的各個(gè)路口公共信號(hào)時(shí)間參數(shù)不宜獨(dú)立調(diào)整，改變一個(gè)路口公共信號(hào)周期均會(huì)影響整個(gè)分段的雙向綠波協(xié)調(diào)。在此例中，綠波銜接路口信號(hào)周期選擇與分段一相同，即選擇98s，而上行方向的下一個(gè)路口的綠信比為0.65，計(jì)算得到有36s的紅燈時(shí)間，所以有9個(gè)公共信號(hào)周期在理論上是無法實(shí)現(xiàn)上行方向的綠波控制，而其余的16個(gè)公共信號(hào)周期中，即使二段有周期差，也能實(shí)現(xiàn)雙向的綠波協(xié)調(diào)控制，持續(xù)時(shí)間為30min左右?？梢园堰@30min時(shí)間放在交通流量最大的時(shí)候。通過試驗(yàn)，在此路段實(shí)現(xiàn)了整條道路的雙向綠波協(xié)調(diào)控制。

4結(jié)語

現(xiàn)代化的交通流是人、車、路和外部因素等構(gòu)成的巨大系統(tǒng)，它具有復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，所以分析復(fù)雜,計(jì)算量大。本文主要把一些復(fù)雜的道路根據(jù)一定的條件進(jìn)行分段，采用一種簡化方式對分段道路進(jìn)行雙向協(xié)調(diào)綠波帶控制，通過簡單的EXCEL表格計(jì)算就可以得到雙向非平衡綠波協(xié)調(diào)控制的解，計(jì)算量小，控制效果好，適應(yīng)合于手持終端等嵌入式系統(tǒng)。

20211024_617519306de89__分段式優(yōu)化數(shù)解法智能交通綠波帶算法