馬旭輝,劉小明,張金金
(1.北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院,北京100044;2.北方工業(yè)大學(xué) 城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100144)
城市機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量的不斷增加導(dǎo)致道路資源與交通需求間的矛盾更加明顯。與非飽和交通狀態(tài)下信號(hào)控制的目標(biāo)不同,過(guò)飽和交通控制往往以避免交叉口溢流作為首要目標(biāo),在此基礎(chǔ)上盡量使交叉口或路網(wǎng)的通行能力達(dá)到最大。圍繞過(guò)飽和交叉口信號(hào)控制問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者已展開(kāi)廣泛的研究,主要方法包括排隊(duì)長(zhǎng)度控制[1-2]、相鄰交叉口控制[3-6]、區(qū)域自適應(yīng)控制[7-8]等。
傳統(tǒng)的過(guò)飽和交通信號(hào)控制方法大多是在固定的相位組合及相序基礎(chǔ)上,對(duì)周期、綠信比和相位差3 類(lèi)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,而考慮到交叉口過(guò)飽和交通狀態(tài)上、下游放行空間的約束,僅僅通過(guò)對(duì)上述3 類(lèi)參數(shù)的優(yōu)化難以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo),因此增加相位組合、相序變化等交叉口交通信號(hào)可控變量,加強(qiáng)信號(hào)控制的靈活性,對(duì)于過(guò)飽和交通下交叉口車(chē)流的有序運(yùn)行十分必要。另一方面,上游交叉口排隊(duì)車(chē)輛的放行需求與下游路段可容納上游放行車(chē)輛的剩余排隊(duì)空間之間的矛盾,決定了過(guò)飽和交通狀態(tài)下需要對(duì)上、下游交叉口進(jìn)行關(guān)聯(lián)控制,以最大程度地避免交叉口交通溢流的發(fā)生。
上述過(guò)飽和交通控制方法及思路主要是針對(duì)社會(huì)車(chē)輛,考慮到公交優(yōu)先能夠提高公交系統(tǒng)服務(wù)水平,有利于緩解城市交通擁堵的優(yōu)點(diǎn)[9],在進(jìn)行過(guò)飽和交通控制時(shí),有必要與公交優(yōu)先技術(shù)相結(jié)合,使得在交通擁堵的情況下,更能體現(xiàn)出公共交通的服務(wù)優(yōu)勢(shì),從而進(jìn)一步影響人們的出行方式。
基于上述分析,本文首先從過(guò)飽和交叉口相位放行需求及防止溢流兩方面出發(fā),設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)相位組合流程;在此基礎(chǔ)上,將公交優(yōu)先技術(shù)與過(guò)飽和交通控制相融合,提出了考慮公交優(yōu)先的過(guò)飽和交叉口分布式關(guān)聯(lián)控制方法。
在進(jìn)行交叉口過(guò)飽和交通關(guān)聯(lián)控制前,首先需要確定交叉口各相位進(jìn)口路段車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度閾值,計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)[10]。
在排隊(duì)長(zhǎng)度閾值計(jì)算方式確定的前提下,交叉口上游(進(jìn)口道)車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度進(jìn)入設(shè)定區(qū)域事件的檢測(cè)由上游交叉口安裝的視頻檢測(cè)器提供。需要指出的是,正是由于視頻檢測(cè)器具有可靈活設(shè)置檢測(cè)區(qū)域的優(yōu)點(diǎn),因此可以根據(jù)交叉口不同相位組合時(shí)進(jìn)入該路段的車(chē)流組成,從排隊(duì)長(zhǎng)度最大閾值處向路段上游提前設(shè)置多個(gè)檢測(cè)區(qū)域,以便適應(yīng)文獻(xiàn)[10]中提到的動(dòng)態(tài)閾值。假如交叉口所用的視頻檢測(cè)設(shè)備有效檢測(cè)距離有限,則可通過(guò)埋設(shè)飽和交通控制專(zhuān)用線(xiàn)圈的方式,在確定的路段排隊(duì)長(zhǎng)度閾值處埋設(shè)線(xiàn)圈,利用線(xiàn)圈檢測(cè)到的車(chē)流量、占有率來(lái)判斷排隊(duì)長(zhǎng)度是否已超過(guò)閾值,判斷方法可參見(jiàn)文獻(xiàn)[11-12]。
在過(guò)飽和交通狀態(tài)下,根據(jù)交叉口各流向車(chē)流到達(dá)率及所在路段長(zhǎng)度等因素,進(jìn)行合理的動(dòng)態(tài)相位組合,一方面能夠降低交叉口發(fā)生溢流的概率,另一方面也能夠增加交叉口信號(hào)控制裕度,加強(qiáng)信號(hào)控制的靈活性。本文在設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)相位組合時(shí),首先考慮同一相位內(nèi)的各股車(chē)流之間不能存在沖突;其次考慮到過(guò)飽和交通狀態(tài)下避免溢流的重要性,在車(chē)流沖突判別的基礎(chǔ)上,對(duì)各股車(chē)流下游路段的車(chē)輛排隊(duì)剩余空間的屬性進(jìn)行分析(是否可容納擬進(jìn)入車(chē)流在最小綠燈時(shí)間內(nèi)的車(chē)輛排隊(duì))。圖1 為一典型交叉口示意圖,包含車(chē)流σ1~σ8,其對(duì)應(yīng)地考慮車(chē)流沖突后的相容性如圖2(a)所示,對(duì)應(yīng)相容性矩陣為B,見(jiàn)式(1);假設(shè)檢測(cè)判斷可知車(chē)流σ4下游路段剩余空間不足以容納σ4在最小綠燈時(shí)間駛出車(chē)輛的排隊(duì),則車(chē)流間相容性示意圖變?yōu)閳D2(b),對(duì)應(yīng)相容性矩陣變?yōu)锽',見(jiàn)式(2)。
圖1 交叉口示意圖Fig.1 Schematic diagram of intersection
圖2 車(chē)流相容性示意圖Fig.2 Traffic flow compatibility
在上述車(chē)流組合相容性說(shuō)明的基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)相位方法如下:
Step1 從交叉口i 的車(chē)流集合CLi中依次選擇各股車(chē)流,對(duì)于每股被選擇的車(chē)流,從矩陣B'中選擇與該車(chē)流非沖突的其他方向車(chē)流,構(gòu)成車(chē)流子集Pj,j ∈M(M 為車(chē)流總數(shù))。
Step2 計(jì)算Pj中非沖突車(chē)流間的歐式距離:
Step3 對(duì)各股車(chē)流與其他車(chē)流間歐式距離按照由小到大排列為d1,d2,d3,…,dM,將d1對(duì)應(yīng)的車(chē)流組合作為一個(gè)相位p1,判斷d2對(duì)應(yīng)的車(chē)流組合中是否有車(chē)流與p1中的車(chē)流相同,如相同,則繼續(xù)判斷d3對(duì)應(yīng)的車(chē)流組合中是否有車(chē)流與p1中的車(chē)流相同;如不相同,則將d2對(duì)應(yīng)的車(chē)流組合作為相位p2,繼續(xù)判斷d3對(duì)應(yīng)的車(chē)流組合中是否有車(chē)流與p1或p2中的車(chē)流相同,依次進(jìn)行,直至所有的di,i ∈M 均被判斷過(guò),且所有車(chē)流均被劃歸到相應(yīng)相位中。
根據(jù)上文所述,過(guò)飽和交叉口i 的模糊控制規(guī)則集(R)可表示為其中:為輸入量,為第m 股車(chē)流排隊(duì)長(zhǎng)度;為第m 股車(chē)流對(duì)應(yīng)下游路段剩余空間排隊(duì)溢出時(shí)間;為第m 股車(chē)流上游路段剩余空間排隊(duì)溢出時(shí)間;Di,m為輸出量,表示某相位綠燈可執(zhí)行程度,最大值為1,表示延長(zhǎng)當(dāng)前相位的綠燈時(shí)間或當(dāng)前相位從紅燈變?yōu)榫G燈,延長(zhǎng)時(shí)間為1 s;最小值為0,表示結(jié)束當(dāng)前相位綠燈。上述規(guī)則雖然以單個(gè)交叉口作為研究對(duì)象,但既考慮了本交叉口各相位綠燈放行的需求,同時(shí)也顧及了避免下游交叉口車(chē)輛排隊(duì)溢流的需求,體現(xiàn)了過(guò)飽和交叉口群的關(guān)聯(lián)控制。
為簡(jiǎn)化起見(jiàn),此處僅考慮有公交專(zhuān)用車(chē)道的交叉口公交優(yōu)先,在此情形下,當(dāng)采用斷面公交檢測(cè)方式時(shí),根據(jù)公交站點(diǎn)位置的不同,公交車(chē)輛到達(dá)交叉口公交排隊(duì)隊(duì)尾的時(shí)間可分為兩種:
當(dāng)公交站點(diǎn)位于公交檢測(cè)器與停車(chē)線(xiàn)之間時(shí):
當(dāng)公交檢測(cè)器與停車(chē)線(xiàn)間無(wú)公交站點(diǎn)時(shí):
當(dāng)交叉口i 第m 股車(chē)流所在相位為紅燈時(shí),進(jìn)行如下判斷:若,則1,否則不變。當(dāng)i 交叉口第m 股車(chē)流所在相位為綠燈時(shí),進(jìn)行如下判斷:若則,否則不變。其中,Td為相位切換判斷時(shí)刻;為假設(shè)從Td開(kāi)始對(duì)應(yīng)相位執(zhí)行綠燈時(shí),交叉口i 第m 股車(chē)流中第j 輛公交車(chē)通過(guò)交叉口的時(shí)刻;為交叉口i 第m 股車(chē)流中公交檢測(cè)器與停車(chē)線(xiàn)間剩余公交車(chē)輛數(shù);gi,m為交叉口i 第m 股車(chē)流所在相位綠燈已執(zhí)行時(shí)間。
對(duì)應(yīng)公交車(chē)輛,Td與之間的關(guān)系如圖3所示。
式中:vs為消散波速;w 為本交叉口在判斷時(shí)刻綠燈放行時(shí)在下游形成的集結(jié)波速;qa為一個(gè)信號(hào)周期對(duì)應(yīng)相位綠燈時(shí)間內(nèi)的平均流量;ka為路段車(chē)流平均密度,在飽和交通狀態(tài)下可認(rèn)為qa=qm;kj為路段阻塞密度;km為飽和流量下路段平均密度。
由文獻(xiàn)[10]可知:
圖3 Td 與之間的關(guān)系Fig.3 Relationship of Td and
圖4 求取示意圖Fig.4 computing
式中:Th為交叉口i 第m 股車(chē)流綠燈放行時(shí)刻;Lr為判斷時(shí)刻(當(dāng)前)下游最大排隊(duì)長(zhǎng)度;L 為下游路段總長(zhǎng)度;Lu為上游路段總長(zhǎng)度;為判斷時(shí)刻(當(dāng)前)上游最大排隊(duì)長(zhǎng)度;wu為本交叉口在判斷時(shí)刻上游排隊(duì)車(chē)輛形成的集結(jié)波速。
圖5 隸屬度曲線(xiàn)Fig.5 Membership curve
某相位綠燈可執(zhí)行程度Di,m的論域同樣設(shè)為:{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6},比例因子kD=1/12,模糊語(yǔ)言值設(shè)為:{小,中,大}={S,M,L}。Di,m的隸屬度曲線(xiàn)如圖5 所示。根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模糊控制規(guī)則如表1 所示。采用重心法得到模糊控制器的輸出D1,實(shí)際輸出D=kDD1+0.5。
建議成立倫理委員考核制度,要想成為倫理委員必須有標(biāo)準(zhǔn)、有門(mén)檻。所有備選委員必須經(jīng)過(guò)醫(yī)院統(tǒng)一進(jìn)行的嚴(yán)格培訓(xùn)和各方考核之后才能持證上崗,不經(jīng)過(guò)考核或者考核不通過(guò)者均不得成為倫理委員會(huì)成員。除此之外,實(shí)踐是提高倫理委員審查能力的另外一個(gè)重要因素,委員應(yīng)該積極參加倫理審查工作,積累經(jīng)驗(yàn),拓寬知識(shí),不斷提高臨床試驗(yàn)的倫理審查能力和審查覺(jué)悟[25]。
表1 模糊控制規(guī)則表Table 1 Fuzzy control rule table
在上述工作的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)過(guò)飽和交叉口控制方法如下:
Step1 設(shè)受控交叉口i 初始狀態(tài)為全紅狀態(tài);
Step2 計(jì)算交叉口i 車(chē)流集合CLi中的各方向車(chē)流的出口路段溢流閾值;
Step3 根據(jù)檢測(cè)值判斷交叉口各進(jìn)口車(chē)流對(duì)應(yīng)出口路段剩余空間是否滿(mǎn)足最小綠燈時(shí)間流入的車(chē)輛排隊(duì),根據(jù)檢測(cè)結(jié)果,形成相容性矩陣B';
Step4 應(yīng)用動(dòng)態(tài)相位組合方法,形成路口各相位,并計(jì)算各相位對(duì)應(yīng)的值;
Step6 判斷綠燈相位執(zhí)行時(shí)間是否已大于最小綠燈時(shí)間gmin,如大于gmin,則返回Step3。
以北京市望京地區(qū)相鄰的5 個(gè)交叉口為道路網(wǎng)絡(luò)背景建立路網(wǎng)仿真環(huán)境(見(jiàn)圖6),對(duì)本文控制方法進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
圖6 仿真路網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of simulation road network
仿真時(shí)設(shè)定邊界交叉口各進(jìn)口單車(chē)道飽和流量為1500 pcu/h,公交車(chē)輛權(quán)重α=30,各交叉口左轉(zhuǎn)概率在10%~40%隨機(jī)取值,右轉(zhuǎn)概率在10%~20%之間隨機(jī)取值,公交車(chē)輛以10%~30%的比例隨機(jī)出現(xiàn),為簡(jiǎn)單起見(jiàn),仿真中在交叉口1 ~2 和4 ~5 間設(shè)置公交??空?,其余交叉口未設(shè)置??空军c(diǎn)。仿真步長(zhǎng)設(shè)為0.02 s,每次仿真時(shí)間步為3600 步,共仿真20 次。主路邊界進(jìn)口輸入流量為飽和流量,支路進(jìn)口輸入流量在800 ~1500 pcu/h 之間隨機(jī)取值。將定時(shí)控制方案運(yùn)行結(jié)果與本文方法相比較,結(jié)果如圖7 ~圖9所示。
圖7 兩種控制方法下溢流發(fā)生時(shí)間對(duì)比Fig.7 Overflow appearing time with the two control methods
圖8 交叉口平均流量對(duì)比Fig.8 Comparing for intersections average flow
通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果分析可得到如下結(jié)論:
(1)本文方法控制下發(fā)生溢流次數(shù)較定時(shí)控制大幅降低,說(shuō)明本文方法對(duì)交叉口溢流的產(chǎn)生起到了一定的抑制作用。
(2)與定時(shí)控制相比,本文方法控制下交叉口平均交通流量總體上有所上升,過(guò)飽和交通狀態(tài)下交叉口通行能力得到提高。
(3)由于在本文方法中計(jì)算車(chē)流排隊(duì)長(zhǎng)度時(shí)考慮到了公交權(quán)重的影響,公交車(chē)輛在單個(gè)交叉口的平均延誤時(shí)間較定時(shí)控制下有所降低。
圖9 公交車(chē)輛在單個(gè)交叉口平均延誤時(shí)間對(duì)比Fig.9 Comparing for bus average delay time in every intersection
以避免過(guò)飽和交叉口溢流、提高過(guò)飽和交叉口通行能力為目標(biāo),同時(shí)考慮過(guò)飽和交通狀態(tài)下的公交優(yōu)先需求,首先在車(chē)流組合相容性分析的基礎(chǔ)上,給出了動(dòng)態(tài)相位組合設(shè)計(jì)方法,之后考慮到與其相鄰上下游路段交通狀態(tài),確定了過(guò)飽和交叉口信號(hào)控制的關(guān)鍵參數(shù),并在路段車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度參數(shù)計(jì)算時(shí)融入公交車(chē)輛權(quán)重,同時(shí)給出了專(zhuān)用道公交車(chē)輛數(shù)計(jì)算方法,使過(guò)飽和交通控制下的公交優(yōu)先得以體現(xiàn),最后利用模糊控制方法,對(duì)考慮公交優(yōu)先的過(guò)飽和交叉口信號(hào)控制問(wèn)題進(jìn)行了研究,從而實(shí)現(xiàn)過(guò)飽和交叉口群的交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制。從仿真結(jié)果來(lái)看,本文提出的控制方法能夠較為有效的抑制過(guò)飽和交叉口溢流現(xiàn)象發(fā)生,而且能夠提高交叉口的通行能力,同時(shí)使公交車(chē)輛在單個(gè)交叉口平均延誤時(shí)間有所降低。需要說(shuō)明的是,一方面本文在進(jìn)行公交優(yōu)先控制時(shí)未考慮公交專(zhuān)用相位的設(shè)置,在過(guò)飽和交通狀態(tài)下,公交專(zhuān)用相位設(shè)置的條件及結(jié)合公交專(zhuān)用相位的控制方法等內(nèi)容需要進(jìn)一步考慮;另一方面,本文僅考慮了專(zhuān)用道公交優(yōu)先信號(hào)控制,如何將過(guò)飽和交通控制與無(wú)專(zhuān)用道公交優(yōu)先控制相結(jié)合也值得進(jìn)一步研究。
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吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)2015年3期