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(duì)，浙江  紹興  312000,現(xiàn)任紹興市公安局交通警察支隊(duì)科技科科長(zhǎng)，研究方向?yàn)橹悄芙煌ǚ矫妗?BR>
基金項(xiàng)目：國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)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(duì)城市交通干線進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制。控制的目標(biāo)是使進(jìn)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(shí)間。實(shí)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(fù)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(duì)改善整個(gè)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(yán)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(méi)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(zhǎng)度相等的情形，而現(xiàn)實(shí)中干線上各交叉口間的路段長(zhǎng)度不是統(tǒng)一的，因此無(wú)法進(jìn)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(dòng)態(tài)雙向綠波帶控制算法，整個(gè)控制結(jié)構(gòu)分為協(xié)調(diào)層和控制層兩層。控制的目標(biāo)是使進(jìn)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(shí)間。杭州市濱江區(qū)江南大道的實(shí)際應(yīng)用表明該雙向綠波帶控制策略是十分有效的。

2 問(wèn)題描述

    某城市交通干線如圖1所示。東西向道路為承擔(dān)較重交通負(fù)擔(dān)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(biāo)是保證干線交通暢通，使進(jìn)入干線行駛的車輛一路綠燈，且雙向都擁有較寬的通過(guò)帶。大量的應(yīng)用實(shí)踐表明：當(dāng)相鄰兩交叉口之間的距離超過(guò)1000米時(shí)，協(xié)調(diào)控制反而不如干線上各交叉口獨(dú)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(jì)的參數(shù)是：信號(hào)周期時(shí)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(shí)考慮信號(hào)周期、綠信比和相位差的優(yōu)化，將使問(wèn)題的求解過(guò)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(duì)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(jì)算綠信比。綠信比每個(gè)周期實(shí)時(shí)調(diào)整，系統(tǒng)中各交叉口信號(hào)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(dú)立地實(shí)時(shí)調(diào)整，以跟蹤交通流的瞬時(shí)變化。

    協(xié)調(diào)層主要功能是確定公共周期時(shí)間和上下行相位差。為使干線上各交叉口的交通信號(hào)能取得協(xié)調(diào)，各交叉口的交通信號(hào)周期長(zhǎng)度必須統(tǒng)一。為此，必須先按單交叉口信號(hào)控制的配時(shí)方法，計(jì)算各交叉口周期時(shí)間長(zhǎng)度，然后從中選出最大的周期長(zhǎng)度作為這個(gè)系統(tǒng)的公共周期，對(duì)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(duì)相位差的概念，顯然相位差時(shí)間與相鄰交叉口間路段長(zhǎng)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(jìn)一步的交通阻塞。因此，在一個(gè)階段（通常為6-8個(gè)周期）內(nèi)，信號(hào)周期時(shí)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(jì)城市交通干線方案時(shí)，考慮到干線交通負(fù)荷較大，都假定不存在左轉(zhuǎn)綠燈信號(hào)，這與實(shí)際的交通控制不符。實(shí)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(huì)對(duì)直行車流產(chǎn)生較大干擾，并對(duì)行人通過(guò)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(cè)器對(duì)左轉(zhuǎn)車流進(jìn)行控制。

    為提高干線車輛的通過(guò)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?yàn)橐粋€(gè)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(jìn)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(jìn)行協(xié)調(diào)。

    由于在實(shí)際過(guò)程中，各個(gè)交叉口之間的路段長(zhǎng)度不可能都相同，所以各個(gè)交叉口的相位也不可能都是連續(xù)的。在執(zhí)行過(guò)程中，會(huì)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(kāi)。第一種情況控制的效果最好，但由于交叉口間的路段長(zhǎng)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(huì)使相位3的綠燈時(shí)間變長(zhǎng)，第3種情況有可能會(huì)使相位3的綠燈時(shí)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(biāo)要盡量避免第三種情況發(fā)生，同時(shí)使第二種情況的重合時(shí)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(hào)能取得協(xié)調(diào)，各路口的交通信號(hào)周期長(zhǎng)度必須統(tǒng)一。為此，必須先按單路口信號(hào)控制的配時(shí)方法，計(jì)算各交叉口周期長(zhǎng)度，然后從中選出最大的周期長(zhǎng)度作為這個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵交叉口的周期時(shí)間。根據(jù)以往的交通量統(tǒng)計(jì)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(guò)短或過(guò)長(zhǎng)，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(shí)間，10秒為相位3的最小綠燈時(shí)間，3秒為黃燈時(shí)間)，以免某一相位的綠燈時(shí)間過(guò)小，使車輛來(lái)不及通過(guò)路口而影響交通安全，同時(shí)也給行人和非機(jī)動(dòng)車一些過(guò)街時(shí)間。周期一般最長(zhǎng)不能超過(guò)220秒，否則會(huì)導(dǎo)致由于某一相位的紅燈時(shí)間太長(zhǎng)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(duì)方案調(diào)整時(shí)，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(duì)公共周期進(jìn)行調(diào)整。

    (3)調(diào)整方法

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

    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(jìn)行確定。因?yàn)楦鱾€(gè)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(shí)間；否則應(yīng)縮短該相位的綠燈時(shí)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(shí)間t_i,min和最大綠燈時(shí)間t_i,max。各交叉口的綠信比根據(jù)各自的實(shí)時(shí)飽和度單獨(dú)計(jì)算，每個(gè)周期結(jié)束后調(diào)整一次，下一個(gè)周期按新的綠信比執(zhí)行。計(jì)算過(guò)程如下：

    (1)求第k個(gè)周期相位i的飽和度：

    
          
    其中，為第k個(gè)周期相位i流量和綠信比。

    

    (2)計(jì)算綠信比

                

    (3)計(jì)算有效綠燈時(shí)間

                     

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

    如果ti < ti,min，則ti = ti,min，缺少的綠燈時(shí)間由其它相位按比例補(bǔ)充tj,ded，其它每個(gè)相位的補(bǔ)充綠燈時(shí)間tj,ded為：
　　    
   

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

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

    3.4 相位差

    對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)度和下行速度；顯然有dj,j+1=dj+1,j。

    設(shè)上行方向1號(hào)交叉口相位1的啟動(dòng)時(shí)間為0秒，為了達(dá)到協(xié)調(diào)效果，其它交叉口相位1的啟動(dòng)時(shí)間應(yīng)按相位差錯(cuò)開(kāi)，錯(cuò)開(kāi)時(shí)間為：
 
       

    其中，m的取值應(yīng)使。

    設(shè)下行方向n號(hào)交叉口相位2的啟動(dòng)時(shí)間為t秒，為了達(dá)到協(xié)調(diào)效果，其它交叉口相位2的啟動(dòng)時(shí)間也應(yīng)按相位差錯(cuò)開(kāi)，錯(cuò)開(kāi)時(shí)間為：

   

    同理，m的取值應(yīng)使。

    3.5 優(yōu)化性能指標(biāo)

    設(shè)和分別為交叉口j相位1和相位2的綠燈時(shí)間，根據(jù)3.1節(jié)的控制思想，控制的目標(biāo)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(kāi)的情況，尋求一個(gè)優(yōu)化的控制參數(shù)t，滿足優(yōu)化性能指標(biāo)J1：
　　
   

    為了減少相位1和相位2的重合，尋求一個(gè)優(yōu)化的參數(shù)t，滿足優(yōu)化性能指標(biāo)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(shí)期內(nèi)的交通流統(tǒng)計(jì)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在每個(gè)周期末計(jì)算綠信比，同時(shí)將交通流信息上傳給協(xié)調(diào)層。其控制過(guò)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(jì)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(jìn)一步計(jì)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(dòng)時(shí)間和、左轉(zhuǎn)相位的“早斷”或“遲起”時(shí)間、。

    (2)設(shè)l=0。

    (3)控制層依照協(xié)調(diào)層給定的參數(shù)開(kāi)啟綠燈信號(hào)；根據(jù)歷史和實(shí)時(shí)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(shí)將周期內(nèi)的交通流檢測(cè)值和綠信比傳給協(xié)調(diào)層處理。

    (4)令l=l+C，檢驗(yàn)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(cè)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(shí)，預(yù)估下一階段各路段上下行速度、，計(jì)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(dòng)時(shí)間和，進(jìn)一步計(jì)算左轉(zhuǎn)相位的“早斷”或“遲起”時(shí)間、，實(shí)現(xiàn)干線一路綠燈并使干線車輛延誤盡可能小。回到第二步。

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(shí)際應(yīng)用。江南大道連接機(jī)場(chǎng)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(kāi)發(fā)區(qū)、濱江區(qū)政府以及很多新開(kāi)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(gè)交叉口。協(xié)調(diào)層功能由設(shè)在濱江區(qū)交警大隊(duì)PC機(jī)實(shí)現(xiàn)，控制層功能由集中協(xié)調(diào)式信號(hào)控制機(jī)實(shí)現(xiàn)。按照交警大隊(duì)要求，白天設(shè)計(jì)干線速度為80km/h，晚上設(shè)計(jì)速度為60km/h。剛啟動(dòng)時(shí)，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(shí)間（包括過(guò)渡時(shí)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(shí)段多方案單交叉口定時(shí)控制策略，車輛通過(guò)整條大道平均需用時(shí)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(shí)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(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

    國(guó)內(nèi)外城市交通控制專家和學(xué)者一致認(rèn)為智能控制系統(tǒng)將是城市交通信號(hào)燈控制的必由之路。對(duì)此展開(kāi)研究，將是本世紀(jì)系統(tǒng)工程學(xué)科研究中的一個(gè)新的生長(zhǎng)點(diǎn)。本文利用模糊理論來(lái)設(shè)計(jì)城市交通干線控制方法，考慮我國(guó)交通的具體情況，并在實(shí)際中加以應(yīng)用和驗(yàn)證，在理論和實(shí)際上均有一定意義。
　
其它作者：

    潘國(guó)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(duì)副支隊(duì)長(zhǎng)，研究方向?yàn)橹悄芙煌ā?BR>　
參考文獻(xiàn)

    [1] 劉智勇，吳今培，李秀平，萬(wàn)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(shí)踐，2004，24(4)：99-105.

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

    [3] 朱文興，賈磊，楊立才. “大路口”交通信號(hào)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.