分段式優(yōu)化數(shù)解法智能交通綠波帶算法

引言

最近十年，隨著汽車數(shù)量的劇增，無論是發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，都不同程度地受交通問題的困擾。在現(xiàn)代城市交通信號控制中，為了保證主要路線的暢通，經(jīng)常會使用干線協(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，實現(xiàn)困難。數(shù)解算法是通過計算理想交叉路口間距的集合，從而尋找與實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周期與各交叉路口交通信號的相位差，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，軟件編程復(fù)雜，編程效率低，實時性差等，所以傳統(tǒng)的數(shù)解法實用性不強，且宜受道路流量情況影響而無法進行實時優(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行統(tǒng)一計算，一條主干道往往有十幾個至幾十個路口，當(dāng)路口較多時，分析與計算比較復(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、路口情況進行分析，把道路特性相近的多個路口作為一個對象分析,對這個對象進行雙向綠波帶協(xié)調(diào)控制，這樣數(shù)解法的計算量就相對減小了；然后在這多個對象間通過微調(diào)綠波帶車速、車輛分流等方法，實現(xiàn)雙向綠波帶協(xié)調(diào)控制；最后把這多個對象通過一定的方法銜接起來，從而實現(xiàn)整條主干道的雙向綠波帶協(xié)調(diào)控制。同時，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)，實現(xiàn)綠波帶的實時智能控制。

2優(yōu)化步驟

2.1確定公共信號周期的允許變化范圍

根據(jù)現(xiàn)有的交通燈控制方案，觀察主干道上各個交叉路口的車流情況，在各個路口獨立的情況下，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個分段,共有n個交叉路口，則第i個交叉路口的信號周期變化范圍取[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)各個交叉路口的特點和不同的車流情況，分配各相位綠燈相位的時間。

計算不同公共信號周期取值與不同交通信號相序下的理想交叉路口間距。其方法是根據(jù)已確定的公共信號周期變化范圍，在此范圍內(nèi)，取不同長度的步長，來逐個計算在不同交通信號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，否則計算誤差較大。

確定不同的入口方式和交通信號相序。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二個路口公共信號周期為C，A、B二個路口的交通燈順序為直行綠燈，左轉(zhuǎn)綠燈，直行左轉(zhuǎn)均為紅燈（簡稱為紅燈）。在此計算中，由于對主干道進行了有選擇的分段，所以近似認為非主干道左轉(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的信號燈相位如下：直行綠色箭頭燈亮，持續(xù)時間為tAgd；左轉(zhuǎn)綠色箭頭燈亮，持續(xù)時間為tAgl；直行左轉(zhuǎn)均為紅色箭頭燈，持續(xù)時間為tAr。路口B的信號燈相位如下：直行綠色箭頭燈亮，持續(xù)時間為tBgd；左轉(zhuǎn)綠色箭頭燈亮，持續(xù)時間為tBgl；直行左轉(zhuǎn)均為紅色箭頭燈，持續(xù)時間為tBr。A、B各交通信號相位之間的間隔時間均為ti；綠波帶速度取vgw。針對交叉路口A和B，利用時距圖可以計算出相應(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，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劃相位情況下無法實現(xiàn)雙向綠波協(xié)調(diào)控制，則在保證公共信號周期不變的情況下，微調(diào)交叉路口的放行方式和放行相位。圖1所示是交叉路口計劃相位圖。

圖2給出了理想交叉路口間距的計算過程。在圖2中，PA是交叉路口A的實際位置，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，即初相偏移一定時間后也能使雙向車流經(jīng)過此理想路口時也為雙向綠燈。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取相同相時序，即第一相位、第二相位、第三相位、第四相位時，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直行綠燈時間相等，同時，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，可得到理想交叉路口B的相鄰間距為?Cvgw.

2.3計算不同步長時的理想路口間距

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

計算偏移綠信比，首先選取基準(zhǔn)交叉路口，如以路口A進行討論，按照路口A的相序設(shè)置，分別計算在不同信號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周期取值。

2.4計算各個交叉路口與基準(zhǔn)路口的相位差時間

根據(jù)已經(jīng)計算得到的各個交叉路口的實際位置與理想位置的偏移量及綠波速度，就可以確定各個實際路口的綠燈點亮的起始時間。

具體計算時，首選要確定參考對象，也就是基準(zhǔn)方向和基準(zhǔn)時間。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刻為時間基準(zhǔn)點。再根據(jù)各交叉路口的信號相序設(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，計算各個交叉路口的相位差大小。

第i個交叉路口的相位差Ot可由下式進行計算：

Oi=孚—2CAui+KC（0WOi<C）（4）式中，匕i為與交叉路口i的信號相序相同，并且與實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)控制的綠波時間寬度

根據(jù)已經(jīng)計算得到的上、下行方向和各交叉路口的偏移綠信比，對每個路口分別計算綠燈中心時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。當(dāng)偏移綠信比為正時,即交叉路口的實際位置處于相應(yīng)最近理想交叉路口位置的下游，所以綠燈中心時刻線的上方綠信比應(yīng)減去一個單位的偏移綠信比，而下方綠信比應(yīng)加上一個單位的偏移綠信比；當(dāng)偏移綠信比為負時，即交叉路口的實際位置是位于最近理想交叉路口的上游，那么綠燈中心時刻線的上方綠信比應(yīng)加上一個單位的偏移綠信比，而下方綠信比應(yīng)減去一個單位的偏移綠信比。

2.6驗證和調(diào)整

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

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

2.7實時調(diào)整擁堵路口的綠燈放行時間

根據(jù)上述計算得到的雙向協(xié)調(diào)綠波帶控制算法，在交通高峰時間，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對道路實際流量進行實時測量,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)實時調(diào)整綠波帶方向放行綠燈時間，提高道路交通流量。

由于此算法中，進口是對稱放行方式，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，涉及到整個綠波帶的正常工作。在分段過程中，并不是對主干道進行隨便分段的，而是要在銜接路口的上行或下行方向有一個流量較小的路口。同時，二段的公共信號周期不會相差太多，這樣，二段綠波協(xié)調(diào)控制才能較好地銜接。另外，分段計算得到的信號公共周期不能相差太多。

在實施過程中，選取了無錫市的學(xué)前路（解放東路至中南路段）進行計算，此路段共5.5km，穿過無錫的商業(yè)中心，道路較長，同時道路情況復(fù)雜，比較有代表性，對算法具有較強的驗證性。根據(jù)上面介紹的方法計算得到分段一（解放東路至解放西路）的信號周期為98s，初相為82s；分段二（解放西路至中南路）的信號周期為102s，初相為87s。二段是作為一條道路進行綠波協(xié)調(diào)控制的，必須有一個統(tǒng)一的參考時間，如果以分段一的時間為標(biāo)準(zhǔn)，則分段二各個交叉路口的初相均需要減小5s。二段的公共信號周期相差4s，而二段中的各個路口公共信號時間參數(shù)不宜獨立調(diào)整，改變一個路口公共信號周期均會影響整個分段的雙向綠波協(xié)調(diào)。在此例中，綠波銜接路口信號周期選擇與分段一相同，即選擇98s，而上行方向的下一個路口的綠信比為0.65，計算得到有36s的紅燈時間，所以有9個公共信號周期在理論上是無法實現(xiàn)上行方向的綠波控制，而其余的16個公共信號周期中，即使二段有周期差，也能實現(xiàn)雙向的綠波協(xié)調(diào)控制，持續(xù)時間為30min左右?？梢园堰@30min時間放在交通流量最大的時候。通過試驗，在此路段實現(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、動態(tài)性和隨機性等特點，所以分析復(fù)雜,計算量大。本文主要把一些復(fù)雜的道路根據(jù)一定的條件進行分段，采用一種簡化方式對分段道路進行雙向協(xié)調(diào)綠波帶控制，通過簡單的EXCEL表格計算就可以得到雙向非平衡綠波協(xié)調(diào)控制的解，計算量小，控制效果好，適應(yīng)合于手持終端等嵌入式系統(tǒng)。

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