高 雙

（晉中學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，山西 晉中 030619）

交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制算法研究

高 雙

（晉中學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，山西 晉中 030619）

隨著城市建設(shè)的不斷加快，交通運(yùn)輸設(shè)施尤其是道路交通面臨的壓力日益增大。在城市路網(wǎng)中，對(duì)交通擁堵等狀態(tài)進(jìn)行信號(hào)調(diào)整，對(duì)于城市路網(wǎng)提高系統(tǒng)控制和運(yùn)行效率具有非常重要的意義。

交通信號(hào)；協(xié)調(diào)控制；算法研究

1 交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制概述

交通信號(hào)包括指揮燈、車(chē)道燈、行人燈、手勢(shì)信號(hào)燈，作為疏導(dǎo)交通的重要交通工具，在交叉路口等位置對(duì)道路交通秩序進(jìn)行控制，保證車(chē)輛和行人的安全出行。

交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制的優(yōu)劣決定了城市交通的通行能力，是緩解城市擁堵，解決城市交通壓力的重要措施。因此，對(duì)交叉路口等通行能力的設(shè)計(jì)、組織和管理，是交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制的重要目的。

2 交通性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

針對(duì)我國(guó)具體的交通運(yùn)輸國(guó)情，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)的研究工作，在交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制算法上加以改進(jìn)，通過(guò)合理地給交通流分配通行權(quán)，有效分離交通流，提高通行率，保障出行安全。

信號(hào)控制指數(shù)主要包括周期、相位、相位差、飽和度、流量、速度等，對(duì)這些任務(wù)進(jìn)行合理配置是為了保證交叉路口車(chē)流通行能力的提升。如信號(hào)周期為紅綠黃3種信號(hào)燈在一定時(shí)間內(nèi)依次閃亮的循環(huán)時(shí)間周期C，適當(dāng)?shù)闹芷趯?duì)舒緩交通流和減少車(chē)輛等待時(shí)間起著決定性作用。

信號(hào)相位是交叉路口某個(gè)方向或者幾個(gè)方向的交通流。當(dāng)這些通行權(quán)被分配得當(dāng)時(shí)，不論何時(shí)都能獲得完整的信號(hào)燈色顯示，不同等色的連續(xù)時(shí)序就是一個(gè)相位。一般的相位為每個(gè)交叉路口二、三、四相。相位增多表明交通安全系數(shù)高。相位差包括絕對(duì)相位差和相對(duì)相位差。指的是信號(hào)綠燈、紅燈從起點(diǎn)到終點(diǎn)的時(shí)間差。

排隊(duì)長(zhǎng)度分為非飽和條件下車(chē)輛在交叉口停車(chē)線后的排隊(duì)長(zhǎng)度、飽和條件下車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度、過(guò)飽和條件下，車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度。

在實(shí)際道路、交通、信號(hào)控制條件下，通過(guò)進(jìn)口道停車(chē)線的最大車(chē)輛數(shù)，被稱為通行量。通行量的整體性、相關(guān)性等要素表示了交叉路口的系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。掌握交通量、車(chē)輛延誤時(shí)間、運(yùn)行速度等參數(shù)變量，就能對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行掌控，減少交通事故的發(fā)生。

3 固定周期配時(shí)算法

通過(guò)交叉路口信號(hào)燈的燈色順序和持續(xù)時(shí)間，可以有效控制交通信號(hào)系統(tǒng)協(xié)調(diào)行使功能。

3.1 按照響應(yīng)方式進(jìn)行分類

根據(jù)交叉路口歷史交通量數(shù)據(jù)確定控制參數(shù)，一天一種的配時(shí)方案為單時(shí)段定時(shí)控制，這種方式簡(jiǎn)單、投資較少、維護(hù)方便，但是不能適應(yīng)變化的交通條件；不同時(shí)段的交通量執(zhí)行不同配時(shí)方案為多時(shí)段定時(shí)控制。一天可分為幾個(gè)時(shí)段，根據(jù)不通的周期時(shí)長(zhǎng)選擇不同的控制方式變換參數(shù)。

根據(jù)交叉路口設(shè)置的車(chē)輛到達(dá)檢測(cè)器，對(duì)交通量變動(dòng)實(shí)行實(shí)時(shí)控制，分為半感應(yīng)式控制和全感應(yīng)控制，優(yōu)勢(shì)在于檢測(cè)到的車(chē)輛信息可以隨時(shí)改變信號(hào)燈配時(shí)方案，但是難以用數(shù)學(xué)模式描述交通流變化大的情況。

優(yōu)化控制是對(duì)城市路網(wǎng)調(diào)度和管理。工作原理為交通信號(hào)機(jī)上傳到上位機(jī)交通數(shù)據(jù)，由上位機(jī)對(duì)交通量信息進(jìn)行控制參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，形成最優(yōu)控制的配時(shí)方案。

3.2 按照控制范圍來(lái)分類

單點(diǎn)控制是根據(jù)路口的實(shí)際情況進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)行的控制，適用于相鄰信號(hào)機(jī)間距遠(yuǎn)、線控沒(méi)有效果、交通需求變動(dòng)大的情況，目前在我國(guó)大多數(shù)交叉路口使用。

對(duì)干道交通信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的方式，將主干道上的若干連續(xù)交通信號(hào)進(jìn)行聯(lián)系，設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)調(diào)配的方案，實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈的聯(lián)合運(yùn)行，達(dá)到減少車(chē)輛停車(chē)次數(shù)的目的。此為干線控制，具有設(shè)定公用的周期時(shí)長(zhǎng)，提高道路通行能力的特點(diǎn)，可以使相鄰的交叉路口具有相同的信號(hào)控制周期，使各相位的綠燈開(kāi)啟時(shí)間錯(cuò)開(kāi)一定的時(shí)間。根據(jù)道路交叉路口的信號(hào)燈控制方式的不同，可以劃分為定時(shí)式協(xié)調(diào)控制和干道信號(hào)感應(yīng)式控制。

網(wǎng)絡(luò)控制是將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的信號(hào)交叉路口作為協(xié)調(diào)控制對(duì)象，控制區(qū)域內(nèi)信號(hào)交叉路口的集中控制，由中央控制室統(tǒng)一協(xié)調(diào)交叉路口信號(hào)機(jī)，將區(qū)域內(nèi)的交叉路口聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制。

3.3 按照控制策略分類

適應(yīng)交通量變化的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，在區(qū)域交通網(wǎng)中設(shè)置檢測(cè)器，采集交通數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)機(jī)控制，適應(yīng)控制系統(tǒng)投資高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1]。

3.3.1 按照控制方式不同

（1）對(duì)應(yīng)交通流狀況，按照事先做好的交通控制方案和控制參數(shù)對(duì)交通實(shí)行動(dòng)態(tài)管制。（2）根據(jù)實(shí)時(shí)交通流數(shù)據(jù)，計(jì)算最佳交通控制參數(shù)，設(shè)施動(dòng)態(tài)交通控制。

3.3.2 按照控制結(jié)構(gòu)分類

（1）分散控制是將大系統(tǒng)進(jìn)行分散控制，每個(gè)分散控制的機(jī)構(gòu)對(duì)局部進(jìn)行控制，設(shè)備費(fèi)用低，維護(hù)方便。（2）集中控制是由中央控制結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)過(guò)程和對(duì)象進(jìn)行集中檢測(cè)與控制，將信號(hào)集中傳遞到中央控制機(jī)構(gòu)，對(duì)所控區(qū)域內(nèi)的交叉路口進(jìn)行統(tǒng)一的交通流數(shù)據(jù)采集和優(yōu)化。（3）協(xié)調(diào)控制多個(gè)分散協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，將被控對(duì)象進(jìn)行局部控制，作出下級(jí)決策，完成相應(yīng)的局部控制任務(wù)和全局性的控制任務(wù)。

4 改進(jìn)的交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制算法

關(guān)于交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制算法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了很多方案。涉及的關(guān)鍵問(wèn)題都是對(duì)交通系能評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取。通過(guò)改進(jìn)的交通系能評(píng)價(jià)指標(biāo)，具有實(shí)用性和有效性。

改進(jìn)的交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制涉及的關(guān)鍵問(wèn)題有：（1）交通信號(hào)系協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體方案；（2）交通系能評(píng)價(jià)的指標(biāo)確定；（3）交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制算法的研究。

相位相序設(shè)計(jì)是對(duì)一個(gè)或者幾個(gè)車(chē)流在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)獲得完全相同的信號(hào)燈色顯示，包括相位相序設(shè)計(jì)和配時(shí)設(shè)計(jì)。相序方案涉及輪流給車(chē)輛和行人分配通行權(quán)的問(wèn)題，在改進(jìn)方案中根據(jù)較常見(jiàn)的三相位和四相位交叉路口進(jìn)行了相位和相序的方案設(shè)計(jì)。

（1）四相位交叉路口在4個(gè)方向設(shè)立直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)車(chē)道，第一個(gè)相位運(yùn)行東西方向直行和右轉(zhuǎn)車(chē)輛行駛，第二相位運(yùn)行東西方向左轉(zhuǎn)，第三相位允許南北直行和右轉(zhuǎn)，第四相位允許南北向車(chē)輛左轉(zhuǎn)。（2）三相位交叉路口設(shè)立了3個(gè)方向的兩個(gè)車(chē)道，第一個(gè)相位允許南向右轉(zhuǎn)，東向左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，第二相位允許東向右轉(zhuǎn)，南向右轉(zhuǎn)，第三相位允許東向右轉(zhuǎn)，北向直行，南向直行和右轉(zhuǎn)。（3）信號(hào)配時(shí)算法，協(xié)調(diào)了交通信號(hào)的控制問(wèn)題，首先通過(guò)修建立交橋、專用車(chē)道、行人天橋等分流車(chē)輛、行人，其次設(shè)置交通信號(hào)燈和控制機(jī)，按照交通通行權(quán)需求在時(shí)間上將車(chē)流分開(kāi)。信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)從相位相序的基礎(chǔ)上，根據(jù)車(chē)道、車(chē)輛、車(chē)速等情況進(jìn)行方案的最優(yōu)配置，以提高交叉路口通行能力和減少交叉路口延誤的時(shí)間為目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)交通信號(hào)配時(shí)協(xié)調(diào)控制的方式，包括：一是優(yōu)化參數(shù)，針對(duì)實(shí)際要求進(jìn)行校核，優(yōu)化調(diào)整配時(shí)參數(shù)；二是先列出實(shí)際約束條件，結(jié)合條件進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化；第三是進(jìn)行科學(xué)運(yùn)算，使用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)信號(hào)配時(shí)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，包括交通信號(hào)相位、相序、周期、綠信比[2]。

使用固定周期配時(shí)算法，用于夜間等時(shí)段交通量穩(wěn)定的情況，計(jì)算交通車(chē)流量和飽和流量，尋找最佳信號(hào)配時(shí)方案。

5 結(jié)語(yǔ)

本文談及的交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制算法融入了計(jì)算機(jī)技術(shù)，能夠合理解決統(tǒng)計(jì)以及計(jì)算復(fù)雜等問(wèn)題，解決了點(diǎn)與面的配合關(guān)系：用固定周期配時(shí)算法解決交通量穩(wěn)定的情況，用改進(jìn)的交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制算法和采取人工干預(yù)的方法，解決突發(fā)事件。

[1]別一鳴，李軼舜，王琳虹，等.考慮城市干道車(chē)隊(duì)運(yùn)行特點(diǎn)的交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制算法[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（2）：357-367.

[2]王雪茹，高婷婷，李萌，等.一種改進(jìn)的基于合作調(diào)停的交通協(xié)調(diào)控制算法[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014（1）：59-63.

Research on traffic signal coordinated control algorithm

Gao Shuang
（Mechanical Engineering School of Jinzhong University, Jinzhong 030619, China）

With the rapid development of the construction of city, transportation facilities, especially the road traffic, traffic pressure it faced with is increasing. In the city road network, signal adjustment to traffic congestion state has very important significance for the city road network system control and improving operating efficiency.

traffic signal; coordinated control; algorithm research

高雙（1991— ），女，山西呂梁，碩士研究生，助教；研究方向：控制科學(xué)與工程。