城市道路交叉口交通信號控制系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀
現(xiàn)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(guān)鍵所在,若對城市交通網(wǎng)絡(luò)的交叉口信號控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)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(gè)城市范圍內(nèi)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(wù)水平。所以城市交通控制的核心落實(shí)到如何根據(jù)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(jīng)歷了點(diǎn)控、線控和面控3個(gè)階段。把控制對象區(qū)域內(nèi)全部交通信號的監(jiān)控作為一個(gè)交通監(jiān)控中心管理下的整體控制系統(tǒng),是單點(diǎn)信號、干線信號和網(wǎng)絡(luò)信號系統(tǒng)的綜合控制系統(tǒng)。 1 國外研究現(xiàn)狀 國外當(dāng)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(gè)系統(tǒng)在信號優(yōu)化方面存在著不同的特點(diǎn),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(diào)整方法的不同之處。 1.1 TRANSYT系統(tǒng) 交通網(wǎng)絡(luò)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(jī)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)信號配時(shí)的一套程序n >,它是一種脫機(jī)操作的定時(shí)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(wǎng)上的車輛行駛狀況,以便計(jì)算在一組給定的信號配時(shí)方案下網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行指標(biāo);優(yōu)化過程通過改變信號配時(shí)方案并確定指標(biāo)是否減小,這樣經(jīng)過反復(fù)計(jì)算求得******配時(shí)方案。 TRANSYT早期的版本是采用“瞎子爬山”,對相位差和綠信比進(jìn)行優(yōu)化,但不能對周期進(jìn)行優(yōu)化,只能在一組周期中計(jì)算最小的性能指標(biāo),得到相對優(yōu)化的周期時(shí)長。其性能指標(biāo)PJ(performance index)與停車次數(shù)和排隊(duì)長度有關(guān) N PI一Σ( +kin ) i= I 式中:叫;為第i條連線延遲時(shí)間的加權(quán)系數(shù);k 為第i條連線停車次數(shù)的加權(quán)系數(shù); 為第i條連線的總延遲時(shí)間;n 為第i條連線的停車次數(shù)的總和。對于給定的一組配時(shí)信號,使用上式就可以求得其性能指標(biāo)。然后按照事先確定的調(diào)整步距(一個(gè)信號周期長度的1/50)調(diào)整路網(wǎng)上某一個(gè)交叉口的綠燈起始時(shí)間(相當(dāng)于調(diào)整與該路口相關(guān)的相位差),使用上式重新計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)。兩者進(jìn)行比較,如果該調(diào)整的性能指標(biāo)有所改善,則繼續(xù)沿同一方向調(diào)整該路口的綠燈起始時(shí)間,直至得到性能指標(biāo)的最小值;如果該調(diào)整使性能指標(biāo)增加,就沿相反的方向調(diào)整,直至獲得最小值為止。網(wǎng)絡(luò)中其他的交叉口的綠燈起始時(shí)間都以同樣的方式進(jìn)行調(diào)整。這種優(yōu)化過程要重復(fù)次,才能得到滿意的結(jié)果。 TRANSYT采用同樣的方式對各交叉口的綠信比進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化過程中必須滿足最小綠時(shí)的約束條件。對周期長度不能進(jìn)行優(yōu)化,可以事先給出一組周期長度值,然后計(jì)算每一個(gè)周期下的性能指標(biāo),從這組周期中選取******周期長度。美國Florida大學(xué)的TRANsYT一7F8.1C 后的版本采用遺傳算法進(jìn)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(jìn)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(shí)地對實(shí)時(shí)的交通狀況及突發(fā)事件進(jìn)行響應(yīng)和調(diào)整。 1.2 SCATS系統(tǒng) 悉尼協(xié)調(diào)自適應(yīng)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(jì)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(gè)城市正運(yùn)行SCATS系統(tǒng)。SCATS在實(shí)行對若干子系統(tǒng)的整協(xié)調(diào)控制的同時(shí),也允許每個(gè)交叉口“各自為政”地實(shí)行車輛感應(yīng)控制,前者稱為“戰(zhàn)略控制”,后者稱為“戰(zhàn)術(shù)控制”。二者的有機(jī)結(jié)合,大大提高了系統(tǒng)本身的控制效率。SCATS正是利用了設(shè)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(shí)際上SCATS是一種用感應(yīng)控制對配時(shí)方案作局部調(diào)整的選擇系統(tǒng)。SCATS為節(jié)省控制計(jì)算機(jī)的CPu 時(shí)間,把信號周期、綠信比及相位差作為各自獨(dú)立的參數(shù)分別進(jìn)行優(yōu)化,而且不用延誤時(shí)間和停車次數(shù)作為直接的優(yōu)選目標(biāo)函數(shù)。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(jù)。SCATS使用的類飽和度是指車流有效利用的綠燈時(shí)間與綠燈顯示時(shí)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(guān)的參量來表示車流流量,sCATs引入了一個(gè)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(shù)量。綜合流量是指一次綠燈期間通過停車線的車輛折算當(dāng)量,它由直接測定的類飽和度及綠燈期間實(shí)際出現(xiàn)過的飽和流量S來確定。 一個(gè)完整的SCATS系統(tǒng)需要進(jìn)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(shí)距的方案選擇,包括子系統(tǒng)內(nèi)部的信號協(xié)調(diào),相鄰子系統(tǒng)之間的車流協(xié)調(diào),同時(shí)作必要的修正;合并子系統(tǒng),由“合并指數(shù)”表示;局部性車輛感應(yīng)控制。 1.2.1 信號周期優(yōu)化 周期的長度以子區(qū)為基礎(chǔ),根據(jù)其中類飽和度******的交叉口來確定整個(gè)子區(qū)的信號周期。SCATS事先有4個(gè)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(diào)整采用連續(xù)小步距方式,******可達(dá)6 S。 1.2.2 綠信比的選擇 事先為每一個(gè)交叉口準(zhǔn)備了4個(gè)綠信比方案供實(shí)時(shí)選擇使用,在每一個(gè)綠信比方案中,不僅規(guī)定各相位的綠燈時(shí)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(jù)當(dāng)前實(shí)測的燈類飽和度及相應(yīng)的綠燈時(shí)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(gè)******的類飽和度(即關(guān)鍵車流的類飽和度)進(jìn)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(gè)周期內(nèi)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(nèi)各交叉口之間的信號協(xié)調(diào),另一類為兩個(gè)相鄰子區(qū)合并時(shí)協(xié)調(diào)兩個(gè)子區(qū)的車流。2類相位差各有5種事先確定。第一個(gè)相位差用于周期長度為Cmi 的情況,第二個(gè)用于信號周期為[Cs,Cs+103,余下的3種方案則根據(jù)實(shí)測流量及推算結(jié)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(yù)先根據(jù)歷史交通數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)多套信號控制方案,由路網(wǎng)的感應(yīng)檢測器所采集的交通數(shù)據(jù)來從預(yù)案中挑選。 1.3 SCooT系統(tǒng) 綠信比一周期長一綠燈起步時(shí)距優(yōu)化技術(shù)(spli~cycle-ofse t optimizatio n technique,SCOOT)是一種對交通信號網(wǎng)實(shí)行實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制的自適應(yīng)控制系統(tǒng)【3>。由英國運(yùn)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(chǔ)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(dòng)產(chǎn)生式控制系統(tǒng),即通過安裝于各交叉口每條進(jìn)口道上游的車輛檢測器所采集的車輛到達(dá)信息聯(lián)機(jī)處理,形成控制方案,連續(xù)地實(shí)時(shí)調(diào)整綠信比、周期長及綠燈起步時(shí)距3個(gè)控制參數(shù),以適應(yīng)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(jì)算量。此外,對交通網(wǎng)上可能出現(xiàn)的交通擁擠和阻塞情況,SCooT有專門的監(jiān)視和應(yīng)付措施。它不僅可隨時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)各部分的工作狀態(tài),對故障發(fā)出自動(dòng)報(bào)警,而且可以隨時(shí)向操作人員提供每一個(gè)交叉口正在執(zhí)行的信號配時(shí)方案的細(xì)節(jié)情況,每一周期的車輛排隊(duì)情況(包括排隊(duì)隊(duì)尾的實(shí)際位置)以及車流到達(dá)圖式等信息,也可以在輸出終端設(shè)備上自動(dòng)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(jì)算3種情況的車輛延誤時(shí)間和停車率,即維持綠燈不變、綠燈時(shí)間縮短4 S和延長4 S時(shí)。其最小的值作為優(yōu)化結(jié)果。無論是延長或縮短4 S,只限于下一個(gè)周期之內(nèi),是一個(gè)“臨時(shí)性調(diào)整”。在該周期結(jié)束后,中心計(jì)算機(jī)把該相的綠燈時(shí)間作一次“永久性調(diào)整”,即“臨時(shí)性調(diào)整”的起始變化點(diǎn)退回3 S,即實(shí)際變化量為± 1 s,形成永久性調(diào)整,存入計(jì)算機(jī)內(nèi)。綠信比的優(yōu)化是逐個(gè)交叉口單獨(dú)進(jìn)行的,不考慮交叉口之間的并聯(lián)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(jìn)行的,一個(gè)交叉口和跟它相鄰的所有交叉口之間的連線所構(gòu)成的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)單元。每一個(gè)交叉口都有一個(gè)預(yù)先指定的時(shí)間點(diǎn)作為優(yōu)化和調(diào)整相位差的時(shí)間。每到這一時(shí)間,SCOOT 的優(yōu)化程序根據(jù)實(shí)時(shí)周期交通流分布圖所提供的數(shù)據(jù)信息來估算相位差調(diào)整的必要性。估算的依據(jù)是PJ值, 值最小的方案被認(rèn)為是應(yīng)當(dāng)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(nèi)的信號周期時(shí)長是一樣的,或是雙周期的,各個(gè)子區(qū)的調(diào)整是獨(dú)立的,不考慮與其他子區(qū)的并聯(lián)性。 2次調(diào)整的間隔不超過2.5 min,每次調(diào)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(shè)定上下限值。周期優(yōu)化的原則是保證一個(gè)子區(qū)負(fù)荷最高的關(guān)鍵交叉口其飽和度達(dá)到最高上限值(0.9)。在系統(tǒng)運(yùn)行中利用它的交通模型不斷對每個(gè)交叉口飽和度進(jìn)行計(jì)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(guān)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(nèi)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(chǎn)生式的在線交通控制系統(tǒng),能根據(jù)實(shí)時(shí)的交通流數(shù)據(jù)來產(chǎn)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(diào)整采用多次小步幅、單獨(dú)地調(diào)整。 2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 國內(nèi)部分學(xué)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(xué)馬建明等研究建立專家系統(tǒng)與仿真技術(shù)結(jié)合,對交叉口的幾何設(shè)計(jì)、交通組織和信號設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化[z>。武漢理工大學(xué)的羅美清等也用VISSIM 軟件對單個(gè)路口的通行能力、排隊(duì)長度和延誤時(shí)間進(jìn)行了仿真計(jì)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(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較,證明了微觀仿真的準(zhǔn)確性 >。也有學(xué)者提出用多智能體(multi—agent)的方法對城市交通進(jìn)行智能控制[5>。西安電子科技大學(xué)的張宗華等利用遺傳算法對3個(gè)路口的信號燈的綠時(shí)長和周期進(jìn)行了優(yōu)化控制,并結(jié)合TSIS進(jìn)行了仿真研究L6>。國內(nèi)部分學(xué)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(jìn)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(shí)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(nèi)外的城市交通控制仿真研究均有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢,但因其研究定位和重點(diǎn)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(chǔ)上,這是由于當(dāng)時(shí)的條件受計(jì)算機(jī)計(jì)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(shù),如密度、流量等,不能準(zhǔn)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(shù) 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(dú)立地進(jìn)行,沒有考慮交叉口之間的關(guān)聯(lián)性。這樣很難保證獲得的優(yōu)化參數(shù)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(nèi)協(xié)調(diào)控制各個(gè)相關(guān)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(gè)隨機(jī)性較大的非線性系統(tǒng),傳統(tǒng)的交通控制方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代城市交通管理的需要,因此把各種先進(jìn)的控制技術(shù)相互集成,達(dá)到對路口控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整的目的,從而實(shí)現(xiàn)在整個(gè)城市范圍內(nèi)對交通進(jìn)行動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制,滿足交通需求的需要,使交通道路與交通需要達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡。 |