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城市道路交叉口交通信號控制系統(tǒng)的發(fā)展及現狀


    現代城市交通的智能控制與管理(urban traffic control system,UTCS)是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分。而交叉口的通行能力又是決定道路通行的關鍵所在,若對城市交通網絡的交叉口信號控制系統(tǒng)進行協(xié)調優(yōu)化控制,可緩解擁堵區(qū)域的交通壓力,使交通流量在整個城市范圍內的分配趨于合理,降低或消除對道路的瓶頸影響,提高道路的通行能力和服務水平。所以城市交通控制的核心落實到如何根據交通需求來合理分配交通資源,提高通行效率。
   交通信號控制的發(fā)展經歷了點控、線控和面控3個階段。把控制對象區(qū)域內全部交通信號的監(jiān)控作為一個交通監(jiān)控中心管理下的整體控制系統(tǒng),是單點信號、干線信號和網絡信號系統(tǒng)的綜合控制系統(tǒng)。
1 國外研究現狀
    國外當前比較成 熟的系統(tǒng)主要有TRANSYT系統(tǒng)、SCATS系統(tǒng)和SCO0T 系統(tǒng)。但各個系統(tǒng)在信號優(yōu)化方面存在著不同的特點,下面將分別比較它們在信號周期、綠信比和相位差優(yōu)化調整方法的不同之處。
1.1 TRANSYT系統(tǒng)
    交通網絡研究工具(traffic network studytool,TRANSYT)是英國交通與道路研究所(TRRL)于l996年提出的脫機優(yōu)化網絡信號配時的一套程序n >,它是一種脫機操作的定時控制系統(tǒng),系統(tǒng)主要是由仿真模型及優(yōu)化2部分組成。交通模型用來模擬在信號燈控制下交通網上的車輛行駛狀況,以便計算在一組給定的信號配時方案下網絡的運行指標;優(yōu)化過程通過改變信號配時方案并確定指標是否減小,這樣經過反復計算求得******配時方案。
    TRANSYT早期的版本是采用“瞎子爬山”,對相位差和綠信比進行優(yōu)化,但不能對周期進行優(yōu)化,只能在一組周期中計算最小的性能指標,得到相對優(yōu)化的周期時長。其性能指標PJ(performance index)與停車次數和排隊長度有關
N
PI一Σ( +kin )
i= I
式中:叫;為第i條連線延遲時間的加權系數;k 為第i條連線停車次數的加權系數; 為第i條連線的總延遲時間;n 為第i條連線的停車次數的總和。對于給定的一組配時信號,使用上式就可以求得其性能指標。然后按照事先確定的調整步距(一個信號周期長度的1/50)調整路網上某一個交叉口的綠燈起始時間(相當于調整與該路口相關的相位差),使用上式重新計算網絡的性能指標。兩者進行比較,如果該調整的性能指標有所改善,則繼續(xù)沿同一方向調整該路口的綠燈起始時間,直至得到性能指標的最小值;如果該調整使性能指標增加,就沿相反的方向調整,直至獲得最小值為止。網絡中其他的交叉口的綠燈起始時間都以同樣的方式進行調整。這種優(yōu)化過程要重復次,才能得到滿意的結果。
TRANSYT采用同樣的方式對各交叉口的綠信比進行優(yōu)化。優(yōu)化過程中必須滿足最小綠時的約束條件。對周期長度不能進行優(yōu)化,可以事先給出一組周期長度值,然后計算每一個周期下的性能指標,從這組周期中選取******周期長度。美國Florida大學的TRANsYT一7F8.1C 后的版本采用遺傳算法進行優(yōu)化,其過程分別對相位差、綠信比和相序(針對跳相的情況)進行優(yōu)化。而對周期的優(yōu)化仍然采用從一組周期長度值中挑選******值。
    TRANSYT系統(tǒng)是一種離線的交通控制系統(tǒng),不能及時地對實時的交通狀況及突發(fā)事件進行響應和調整。
1.2 SCATS系統(tǒng)
    悉尼協(xié)調自適應交通系統(tǒng)(Sydney coordi—nated adaptive traffic system,SCATS)是由澳大利亞新南威爾士道路和交通局(RTA)于2O世紀7O年代末研制成功的,1980年起陸續(xù)在悉尼等城市安裝使用[1 >,目前RTA 正推出升級版SCATSII,約有5O個城市正運行SCATS系統(tǒng)。SCATS在實行對若干子系統(tǒng)的整協(xié)調控制的同時,也允許每個交叉口“各自為政”地實行車輛感應控制,前者稱為“戰(zhàn)略控制”,后者稱為“戰(zhàn)術控制”。二者的有機結合,大大提高了系統(tǒng)本身的控制效率。SCATS正是利用了設置在停車線附近的車輛檢測裝置,才能這樣有效、靈活。所以,實際上SCATS是一種用感應控制對配時方案作局部調整的選擇系統(tǒng)。SCATS為節(jié)省控制計算機的CPu 時間,把信號周期、綠信比及相位差作為各自獨立的參數分別進行優(yōu)化,而且不用延誤時間和停車次數作為直接的優(yōu)選目標函數。優(yōu)化過程所使用的算法以綜合流量及類飽和度為主要依據。SCATS使用的類飽和度是指車流有效利用的綠燈時間與綠燈顯示時間之比,不同于一般的概念。為避免采用與車輛種類(車身長度)直接相關的參量來表示車流流量,sCATs引入了一個虛擬的參量即綜合流量q 來反映通過停車線的混合車流的數量。綜合流量是指一次綠燈期間通過停車線的車輛折算當量,它由直接測定的類飽和度及綠燈期間實際出現過的飽和流量S來確定。
    一個完整的SCATS系統(tǒng)需要進行如下的分析:信號周期長度的選擇,以子系統(tǒng)為單位;綠信比方案的選擇,以子系統(tǒng)為單位;綠燈起步時距的方案選擇,包括子系統(tǒng)內部的信號協(xié)調,相鄰子系統(tǒng)之間的車流協(xié)調,同時作必要的修正;合并子系統(tǒng),由“合并指數”表示;局部性車輛感應控制。
1.2.1 信號周期優(yōu)化 周期的長度以子區(qū)為基礎,根據其中類飽和度******的交叉口來確定整個子區(qū)的信號周期。SCATS事先有4個限制值,即最小值C ******值c眥 、中間值Cs和介于******和中間值的C 。信號周期的調整采用連續(xù)小步距方式,******可達6 S。
1.2.2 綠信比的選擇 事先為每一個交叉口準備了4個綠信比方案供實時選擇使用,在每一個綠信比方案中,不僅規(guī)定各相位的綠燈時間,還規(guī)定相位次序。在不同的綠信比方案中,相序可能是不相同的。其選擇方法為:根據當前實測的燈類飽和度及相應的綠燈時間,推算出其他3種未被執(zhí)行的綠信比方案下的類飽和度,各找出一個******的類飽和度(即關鍵車流的類飽和度)進行比較,從類飽和度最低的綠信比方案中選擇。若在連續(xù)3個周期內某一方案2次被中選,則下一周期也選此方案執(zhí)行。
1.2.3 相位差的選擇 
    相位差分為2類:一類為子區(qū)內各交叉口之間的信號協(xié)調,另一類為兩個相鄰子區(qū)合并時協(xié)調兩個子區(qū)的車流。2類相位差各有5種事先確定。第一個相位差用于周期長度為Cmi 的情況,第二個用于信號周期為[Cs,Cs+103,余下的3種方案則根據實測流量及推算結果選擇。
    SCATS系統(tǒng)則是一種方案選擇式的交通控制系統(tǒng),其系統(tǒng)預先根據歷史交通數據設計多套信號控制方案,由路網的感應檢測器所采集的交通數據來從預案中挑選。
1.3 SCooT系統(tǒng)
    綠信比一周期長一綠燈起步時距優(yōu)化技術(spli~cycle-ofse t optimizatio n technique,SCOOT)是一種對交通信號網實行實時協(xié)調控制的自適應控制系統(tǒng)【3>。由英國運輸與道路研究所(TRRL)于1973年開始研究開發(fā),1979年正式投入使用。SCOOT是在TRANSYT的基礎上發(fā)展起來的,其模型及優(yōu)化原理均與TRANSYT相似。不同的是,SCooT是一種方案自動產生式控制系統(tǒng),即通過安裝于各交叉口每條進口道上游的車輛檢測器所采集的車輛到達信息聯機處理,形成控制方案,連續(xù)地實時調整綠信比、周期長及綠燈起步時距3個控制參數,以適應同變化的交通狀況。SCooT優(yōu)化采用小步長漸近尋優(yōu)方法,無需太大的計算量。此外,對交通網上可能出現的交通擁擠和阻塞情況,SCooT有專門的監(jiān)視和應付措施。它不僅可隨時監(jiān)視系統(tǒng)各部分的工作狀態(tài),對故障發(fā)出自動報警,而且可以隨時向操作人員提供每一個交叉口正在執(zhí)行的信號配時方案的細節(jié)情況,每一周期的車輛排隊情況(包括排隊隊尾的實際位置)以及車流到達圖式等信息,也可以在輸出終端設備上自動顯示這些信息。
1.3.1 綠信比的優(yōu)化
    采用試算的方法,分別計算3種情況的車輛延誤時間和停車率,即維持綠燈不變、綠燈時間縮短4 S和延長4 S時。其最小的值作為優(yōu)化結果。無論是延長或縮短4 S,只限于下一個周期之內,是一個“臨時性調整”。在該周期結束后,中心計算機把該相的綠燈時間作一次“永久性調整”,即“臨時性調整”的起始變化點退回3 S,即實際變化量為± 1 s,形成永久性調整,存入計算機內。綠信比的優(yōu)化是逐個交叉口單獨進行的,不考慮交叉口之間的并聯性。
1.3.2 相位差的優(yōu)化
    相位差的優(yōu)化是以優(yōu)化單元為單位進行的,一個交叉口和跟它相鄰的所有交叉口之間的連線所構成的區(qū)域為一個單元。每一個交叉口都有一個預先指定的時間點作為優(yōu)化和調整相位差的時間。每到這一時間,SCOOT 的優(yōu)化程序根據實時周期交通流分布圖所提供的數據信息來估算相位差調整的必要性。估算的依據是PJ值, 值最小的方案被認為是應當采用的******方案。
1.3.3 信號周期的優(yōu)化
    SCOOT將控制區(qū)劃分為不同的子區(qū),子區(qū)內的信號周期時長是一樣的,或是雙周期的,各個子區(qū)的調整是獨立的,不考慮與其他子區(qū)的并聯性。
2次調整的間隔不超過2.5 min,每次調整量為幾秒。為了防止過長或過短的信號周期優(yōu)化值,通常事先設定上下限值。周期優(yōu)化的原則是保證一個子區(qū)負荷最高的關鍵交叉口其飽和度達到最高上限值(0.9)。在系統(tǒng)運行中利用它的交通模型不斷對每個交叉口飽和度進行計算,若所有交叉口的飽和度低于0.9,則系統(tǒng)逐漸縮短該子區(qū)的信號周期。一旦關鍵路1:3的飽和度增高至0.9或信號周期長度低至規(guī)定的下限,則不再繼續(xù)縮減。子區(qū)內交通流量小的交叉路口采用雙周期。
    SCOOT系統(tǒng)是一種方案產生式的在線交通控制系統(tǒng),能根據實時的交通流數據來產生新的交通控制方案。對信號周期、綠信比和相位差優(yōu)化調整采用多次小步幅、單獨地調整。
2 國內研究現狀
    國內部分學者僅在交叉路口線控制方面做了一些探索工作,而成熟的系統(tǒng)還處于開發(fā)研制階段。北方工業(yè)大學馬建明等研究建立專家系統(tǒng)與仿真技術結合,對交叉口的幾何設計、交通組織和信號設計進行了優(yōu)化[z>。武漢理工大學的羅美清等也用VISSIM 軟件對單個路口的通行能力、排隊長度和延誤時間進行了仿真計算并與韋伯斯特公式、美國道路通行能力手冊、阿爾塞立科公式計算結果進行比較,證明了微觀仿真的準確性 >。也有學者提出用多智能體(multi—agent)的方法對城市交通進行智能控制[5>。西安電子科技大學的張宗華等利用遺傳算法對3個路口的信號燈的綠時長和周期進行了優(yōu)化控制,并結合TSIS進行了仿真研究L6>。國內部分學者在交叉路口線控制方面的研究大部分只是對交通狀況進行簡化處理,如兩相位、單行線的信號控制或采用固定信號周期和信號次序的方法,因而不能真實有效地反映不斷變化的交通狀況。
3 城市交通管理仿真研究的不足及發(fā)展方向
    目前國內外的城市交通控制仿真研究均有各自的特點和優(yōu)勢,但因其研究定位和重點不同,均存在著不同的缺陷,主要有以下幾方面。
3.1 仿真模型的描述
    目前的交通控制研究多集中于宏觀仿真的基礎上,這是由于當時的條件受計算機計算能力的限制。但宏觀模型對車輛對象的描述是采用集聚性的參數,如密度、流量等,不能準確地反映各類車輛的不同行駛特性。
3.2 信號燈系統(tǒng)的控制參數
    TRANSYT、SCOOT或SCATS系統(tǒng)對綠信比、相位差、相位和相序的優(yōu)化只能是獨立地進行,沒有考慮交叉口之間的關聯性。這樣很難保證獲得的優(yōu)化參數是否是最優(yōu)解。故有必要探求一種可行的方法,在一定的區(qū)域范圍內協(xié)調控制各個相關交叉路口的信號,使交通擁擠最小化。
3.3 控制策略的選擇
    交通系統(tǒng)是一個隨機性較大的非線性系統(tǒng),傳統(tǒng)的交通控制方法已經不能滿足現代城市交通管理的需要,因此把各種先進的控制技術相互集成,達到對路口控制參數進行調整的目的,從而實現在整個城市范圍內對交通進行動態(tài)協(xié)調控制,滿足交通需求的需要,使交通道路與交通需要達到新的動態(tài)平衡。

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