申慧 丁北 宋治飛

摘要 交通擁堵現(xiàn)象在世界各國(guó)普遍存在，并帶來(lái)多種負(fù)面影響。因此，針對(duì)過(guò)飽和交通的優(yōu)化控制問(wèn)題一直是各國(guó)專(zhuān)家研究的熱點(diǎn)。為歸納現(xiàn)有針對(duì)過(guò)飽和交通的優(yōu)化控制問(wèn)題，通過(guò)對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行深度的閱讀、分析，總結(jié)了交通過(guò)飽和狀態(tài)的識(shí)別方法、詳細(xì)介紹了過(guò)飽和狀態(tài)下信號(hào)優(yōu)化控制的方法及策略，分析了常用交通優(yōu)化組織方法的設(shè)計(jì)方案，對(duì)現(xiàn)有研究成果進(jìn)行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞 過(guò)飽和;交通控制;交叉口; 路網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào) U491 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）04-0075-03

0 引言

不斷加快的城市化進(jìn)程和日益提高的人民物質(zhì)生活水平導(dǎo)致機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量的大幅增長(zhǎng)，由此產(chǎn)生的大規(guī)模城市交通擁堵現(xiàn)象不僅造成居民出行困難、行程時(shí)間加長(zhǎng)、燃油耗費(fèi)加重等問(wèn)題，還導(dǎo)致居住環(huán)境嚴(yán)重惡化、交通事故頻發(fā)，給民眾健康和國(guó)家經(jīng)濟(jì)帶來(lái)嚴(yán)重影響。目前，交通擁堵已成為整個(gè)社會(huì)廣為關(guān)注的問(wèn)題。雖然針對(duì)交通流的優(yōu)化控制策略和方法較多，但大部分現(xiàn)有成果適用于低飽和度的交通流控制。對(duì)于過(guò)飽和狀態(tài)下的交通控制，需要采取有針對(duì)性的優(yōu)化方法解決擁堵問(wèn)題。

過(guò)飽和交通流控制研究?jī)?nèi)容主要包括：對(duì)交通過(guò)飽和狀態(tài)的識(shí)別方法研究、過(guò)飽和交通控制目標(biāo)設(shè)置、過(guò)飽和交通流模型建立和模型求解方法研究等。

1 交通過(guò)飽和識(shí)別方法研究現(xiàn)狀

1.1 過(guò)飽和狀態(tài)識(shí)別方法綜述

對(duì)交通過(guò)飽和狀態(tài)的界定和識(shí)別是過(guò)飽和控制的基礎(chǔ)。1963年，D.C.Gazis中將綠燈時(shí)間內(nèi)排隊(duì)車(chē)輛不能一次消散作為交叉口過(guò)飽和的定義;1968年，Longley將交叉口有排隊(duì)溢出現(xiàn)象作為交叉口處于過(guò)飽和狀態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn);2019年，Rao W等通過(guò)使用區(qū)間數(shù)據(jù)表示路段上的車(chē)流容量比、隊(duì)列長(zhǎng)度和車(chē)輛延遲三個(gè)交通參數(shù)，根據(jù)交通參數(shù)在區(qū)間數(shù)據(jù)的K均值聚類(lèi)結(jié)果，判斷城市交叉口的交通運(yùn)行狀態(tài);有學(xué)者建立過(guò)飽和交叉口過(guò)飽和相位判斷模型和排隊(duì)長(zhǎng)度預(yù)測(cè)模型[1]，還有學(xué)者以綠燈使用率、綠信比不足作為衡量交叉口飽和程度的標(biāo)準(zhǔn)。

路網(wǎng)的過(guò)飽和問(wèn)題一直是交通領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其研究難度在于對(duì)路網(wǎng)交通狀態(tài)的識(shí)別。許多國(guó)外的研究者使用美國(guó)HCM（Highway Capacity Manual）中定義的道路交通服務(wù)水平（Level Of Service，LOS）來(lái)評(píng)價(jià)路網(wǎng)狀態(tài)，其他國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)和相關(guān)部門(mén)根據(jù)不同的交通參數(shù)也給出了相應(yīng)路網(wǎng)交通狀態(tài)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ37—90）對(duì)LOS也給出了定義;在公安部發(fā)布的《城市交通管理評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》中采用城市主干道上機(jī)動(dòng)車(chē)的平均行程速度來(lái)描述交通擁擠程度。上述交通過(guò)飽和識(shí)別方法沒(méi)能全面的體現(xiàn)出交叉口與干線(xiàn)之間的關(guān)聯(lián)性及整體性，有時(shí)不能確切的反應(yīng)整個(gè)路網(wǎng)的交通狀況。因此，在判斷路網(wǎng)是否處于過(guò)飽和狀態(tài)時(shí)，需要從路網(wǎng)整體狀態(tài)出發(fā)，綜合考慮多項(xiàng)指標(biāo)來(lái)進(jìn)行判斷。

1.2 基于MFD的路網(wǎng)狀態(tài)評(píng)估

識(shí)別路網(wǎng)整體狀態(tài)，需要深入分析路網(wǎng)內(nèi)交通流量、密度、速度之間的關(guān)系和變化規(guī)律，建立能夠直觀反映路網(wǎng)交通運(yùn)行狀態(tài)的體系。很多學(xué)者從宏觀層面入手，發(fā)現(xiàn)路網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)與路網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、密度、車(chē)輛離開(kāi)率等存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，這種對(duì)應(yīng)關(guān)系被稱(chēng)為宏觀基本圖（Macroscopic Fundamental Diagram，MFD）[2]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，MFD是路網(wǎng)的基本屬性，能夠明確地反映路網(wǎng)內(nèi)交通流的變化規(guī)律，表征路網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。

在MFD被提出之后，大批國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了基于MFD的路網(wǎng)交通研究。通過(guò)研究區(qū)域路網(wǎng)的宏觀基本圖，可以有效分析區(qū)域路網(wǎng)的車(chē)輛存儲(chǔ)能力。當(dāng)路網(wǎng)內(nèi)的車(chē)流量超過(guò)某一閾值，路網(wǎng)內(nèi)部的交通狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化[3]。根據(jù)這個(gè)特性，可以設(shè)置進(jìn)入路網(wǎng)的車(chē)流量閾值，即邊界流量控制閾值，當(dāng)路網(wǎng)內(nèi)車(chē)流量接近最大值時(shí)，可提前采取分流、誘導(dǎo)等策略，避免路網(wǎng)由于內(nèi)部車(chē)輛過(guò)多而發(fā)生擁堵。

2 過(guò)飽和交通信號(hào)優(yōu)化控制方法研究綜述

2.1 過(guò)飽和狀態(tài)下信號(hào)控制目標(biāo)的研究

在最初的研究中，延誤最小為信號(hào)優(yōu)化控制目標(biāo)。后來(lái)有學(xué)者建立了以車(chē)輛在信號(hào)交叉口輪候時(shí)間最短為目標(biāo)的控制模型，實(shí)現(xiàn)優(yōu)先放行交通擁擠路段的排隊(duì)車(chē)輛，有效減少交叉口過(guò)飽和持續(xù)時(shí)間;還有學(xué)者以減少過(guò)飽和交叉口處的平均車(chē)輛延遲為優(yōu)化目標(biāo)，建立交叉口信號(hào)控制模型，利用遺傳算法得到控制方案。2020年，上海理工大學(xué)的萬(wàn)文文[4]等以過(guò)飽和交叉口的通行能力為優(yōu)化目標(biāo)，建立過(guò)飽和交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型，得到合理的信號(hào)周期和各相位放行時(shí)長(zhǎng)。

在設(shè)計(jì)優(yōu)化控制目標(biāo)時(shí)，應(yīng)做到盡可能有效疏導(dǎo)交通，保證交叉口的車(chē)流通過(guò)量最大，避免道路交通情況的惡化，同時(shí)考慮進(jìn)道口的車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度，避免溢流現(xiàn)象或盡可能較少溢流持續(xù)時(shí)間。對(duì)于區(qū)域路網(wǎng)而言，信號(hào)控制的目標(biāo)還應(yīng)考慮到使路網(wǎng)內(nèi)車(chē)流分布均勻，達(dá)到用戶(hù)平衡狀態(tài)，避免出現(xiàn)部分路段過(guò)于擁擠，而其他路段相對(duì)空閑的情況發(fā)生。

2.2 過(guò)飽和狀態(tài)下信號(hào)控制模型的研究

在過(guò)飽和狀態(tài)下，交通信號(hào)的控制模型主要是采用基于定數(shù)理論的延誤模型，車(chē)輛分布模型和交通流理論模式。國(guó)外學(xué)者最早建立了基于定數(shù)理論的車(chē)輛延誤模型。我國(guó)學(xué)者徐建閔[5]、蔣賢才[6]、趙紅星[7]等都是基于定數(shù)理論進(jìn)行了相關(guān)研究。

車(chē)輛到達(dá)分布模型可以用離散的車(chē)流計(jì)數(shù)模型和連續(xù)的車(chē)頭時(shí)距分布模型來(lái)描述。20世紀(jì)30年代，著名學(xué)者Carson在1974年的專(zhuān)著，交通流理論中，對(duì)車(chē)輛到達(dá)之前的車(chē)頭時(shí)距分布模型進(jìn)行了總結(jié)。此后，研究人員對(duì)原有的車(chē)頭時(shí)距基本模型進(jìn)行了一系列的改進(jìn)和優(yōu)化。

交通流理論是研究車(chē)流隨時(shí)間和空間變化規(guī)律的模型和方法體系，按照刻畫(huà)交通行為的細(xì)致程度，交通流模型分為微觀、中觀和宏觀模型。

常用的微觀交通流模型是跟馳模型、元胞自動(dòng)機(jī)模型和相關(guān)的改進(jìn)模型。這些模型的建模思想與理論體系、特征參數(shù)等都不相同，適用條件也有所不同，不能盲目選用。中觀模型主要是建立關(guān)于車(chē)流速度分布的演化方程。最先提出的交通流中觀模型是應(yīng)用氣體動(dòng)力學(xué)方法建立的Prigogine-Herman模型，以及集簇模型和車(chē)頭時(shí)距分布模型。交通流宏觀模型注重道路交通流整體特性，不具體描述交通中個(gè)體特性和對(duì)象之間的相互作用。最常用的是交通流體力學(xué)模型，是運(yùn)動(dòng)波模型，也稱(chēng)為L(zhǎng)WR模型。該模型的優(yōu)點(diǎn)是，基于微分方程的建模易于求解。但LWR始終假設(shè)交通流速度穩(wěn)定，不能準(zhǔn)確描述交通擁堵?tīng)顟B(tài)。對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，后面的學(xué)者在原有模型的基礎(chǔ)上依次加入了密度梯度項(xiàng)和速度梯度項(xiàng)，但隨著附加項(xiàng)的增多，模型的求解難度也隨之加大。

在建立區(qū)域路網(wǎng)的信號(hào)控制模型時(shí)，應(yīng)充分考慮各路段上的車(chē)流分布情況，通過(guò)單個(gè)交叉口的有效配時(shí)，使擁堵嚴(yán)重的路段能夠獲得相對(duì)較長(zhǎng)的有效綠燈時(shí)間;還應(yīng)考慮各交叉口之間的協(xié)調(diào)控制，使區(qū)域路網(wǎng)內(nèi)的車(chē)流分布均勻。

2.3 求解算法的研究

路網(wǎng)由多個(gè)交叉口組成，在控制過(guò)程中需要優(yōu)化的參數(shù)和限制條件很多，采用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法難以得到最優(yōu)解。近年來(lái)，許多學(xué)者將啟發(fā)式算法，如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等引入到問(wèn)題的求解過(guò)程中。此外、模糊控制、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、自適應(yīng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃（ADP）方法等也被應(yīng)用到過(guò)飽和交通的優(yōu)化控制中。還有一些學(xué)者利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論，群體動(dòng)力學(xué)理論和基于仿真的研究方法，分析交通過(guò)飽和控制問(wèn)題，為問(wèn)題的相關(guān)求解提供了新的思路。

3 空間資源優(yōu)化方法概述

3.1 空間資源優(yōu)化方法介紹

目前，國(guó)內(nèi)外常用的交通組織方法有拓寬進(jìn)、出口、設(shè)置待行區(qū)、交叉口車(chē)道變窄、提前右轉(zhuǎn)、提前調(diào)頭、停車(chē)線(xiàn)前移、設(shè)置可變車(chē)道、禁止左轉(zhuǎn)等。各交通優(yōu)化組織方法在施工工期、資金投入、對(duì)交通的干擾、取得的交通效益以及其他影響等方面各有優(yōu)劣。近年來(lái)，針對(duì)非傳統(tǒng)設(shè)計(jì)交叉口的研究逐步興起，對(duì)預(yù)防交通過(guò)飽和現(xiàn)象具有現(xiàn)實(shí)意義。下面，將對(duì)應(yīng)用較為廣泛的綜合待行區(qū)設(shè)置、可變車(chē)道設(shè)置、左轉(zhuǎn)車(chē)流的優(yōu)化控制和非傳統(tǒng)交叉口設(shè)計(jì)等方法的研究情況進(jìn)行綜述。

3.2 常用交通優(yōu)化組織方法綜述

綜合待行區(qū)是一種新型的交通管控措施，通過(guò)將進(jìn)口道全部設(shè)置為可變車(chē)道，循環(huán)切換進(jìn)口道不同轉(zhuǎn)向車(chē)流的通行權(quán)，從而充分挖掘交叉口的時(shí)空資源。綜合待行區(qū)的應(yīng)用可以有效提高信號(hào)交叉口的通行能力，預(yù)防過(guò)飽和狀態(tài)的發(fā)生。綜合待行區(qū)在我國(guó)上海市、天津市、咸陽(yáng)市、深圳市都得到了應(yīng)用，取得了較好的效果[8-9]。

我國(guó)的可變車(chē)道研究起步較晚，但由于可變車(chē)道技術(shù)在緩解潮汐交通擁堵上的顯著效果，使國(guó)內(nèi)學(xué)者和交通組織部門(mén)投入了大量的時(shí)間和精力對(duì)可變車(chē)道的應(yīng)用展開(kāi)研究。目前，北京、重慶等城市已經(jīng)先后開(kāi)通了可變車(chē)道。國(guó)內(nèi)學(xué)者[10-12]在國(guó)外研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)交通的實(shí)際情況和道路條件，開(kāi)展了關(guān)于可變車(chē)道應(yīng)用的相關(guān)研究。

左轉(zhuǎn)車(chē)流與直行車(chē)流在通過(guò)交叉口時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖突，不僅影響交叉口的通行能力而且易引發(fā)交通事故。所以，針對(duì)左轉(zhuǎn)車(chē)流的控制一直都是研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。有學(xué)者[13]提出了進(jìn)口道左轉(zhuǎn)車(chē)輛周期性的借用對(duì)面出口道來(lái)左轉(zhuǎn)的方法，還有學(xué)者[14]在對(duì)左轉(zhuǎn)逆向可變車(chē)道交通特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對(duì)左轉(zhuǎn)逆向可變車(chē)道設(shè)計(jì)方案的預(yù)信號(hào)相位和交叉口信號(hào)配時(shí)方案提出了協(xié)調(diào)控制方法。

為進(jìn)一步改善交叉口的交通狀況，許多學(xué)者開(kāi)始投入創(chuàng)新型的非傳統(tǒng)交叉口設(shè)計(jì)，其中，連續(xù)流交叉口（CFI：Continuous Flow Intersection）和上游信號(hào)交叉口（USC：Upstream Signalized Crossover）備受關(guān)注。這兩種交叉口的幾何設(shè)計(jì)與運(yùn)行機(jī)理非常相似，都是在上游路段中或二級(jí)路口處提前將左轉(zhuǎn)車(chē)流疏導(dǎo)至進(jìn)口道最左邊車(chē)道。這種設(shè)計(jì)可以消除主交叉口處左轉(zhuǎn)車(chē)流與對(duì)向直行車(chē)流的沖突點(diǎn)，減少車(chē)輛延遲，顯著提高交叉口的性能。作為對(duì)傳統(tǒng)交叉口設(shè)計(jì)方案的-種優(yōu)化，許多國(guó)外學(xué)者對(duì)連續(xù)流設(shè)計(jì)方案或者上游信號(hào)設(shè)計(jì)方案運(yùn)行的有效性和安全性進(jìn)行了對(duì)比和研究，較多應(yīng)用實(shí)例都表明其良好的效果。

近年來(lái)，定向車(chē)道和共享轉(zhuǎn)換車(chē)道設(shè)置方法為解決交通擁堵問(wèn)題提供了新的思路。根據(jù)道路預(yù)設(shè)方向到達(dá)的不同地點(diǎn)，指定某車(chē)道僅供駛向規(guī)定地點(diǎn)、規(guī)定方向的車(chē)輛使用，駛向其余地點(diǎn)方向的車(chē)輛不得駛?cè)氲膶?zhuān)用車(chē)道?！岸ㄏ蜍?chē)道”有效地增加了橋梁、隧道等有多車(chē)道匯入或分流情況路段的通行效率;“共享轉(zhuǎn)換車(chē)道”就是利用交通信號(hào)控制，讓同一條車(chē)道在不同的時(shí)間段通行不同方向的車(chē)輛，以實(shí)現(xiàn)最大限度利用道路資源的目的。在交通高峰期，共享轉(zhuǎn)換車(chē)道可以有效地分擔(dān)相鄰反向路段的上車(chē)流壓力，緩解交通擁堵。

4 結(jié)語(yǔ)

在過(guò)去的數(shù)十年間，不同領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)交通擁擠管理與控制做了大量有益的探索，取得了很多優(yōu)秀成果。由于交通問(wèn)題的復(fù)雜性、隨機(jī)性和重要性，長(zhǎng)久以來(lái)，關(guān)于交通問(wèn)題的研究熱度始終不減，而且，通過(guò)認(rèn)真閱讀、分析現(xiàn)有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，仍有一些問(wèn)題值得深入研究。

（1）目前，針對(duì)過(guò)飽和交通的優(yōu)化控制研究成果較多，但是以預(yù)防過(guò)飽和為目標(biāo)的主動(dòng)控制方法研究相對(duì)較少。一旦交通擁堵?tīng)顩r已經(jīng)發(fā)生，即使采取有效的優(yōu)化控制方法，仍需付出加倍的代價(jià)來(lái)消除擁堵。因此，在擁堵發(fā)生之前就采取優(yōu)化控制方法，預(yù)防過(guò)飽和狀態(tài)的發(fā)生，可以有效地避免擁堵帶來(lái)的損失。

（2）智能交通的發(fā)展在新技術(shù)、新需求大背景下，對(duì)人工智能、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的應(yīng)用不斷深化。未來(lái)交通優(yōu)化控制結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、移動(dòng)互聯(lián)和跨界融合的產(chǎn)業(yè)模式，將從行政管理轉(zhuǎn)型到主動(dòng)交通管理。

（3）高效求解算法與技術(shù)的應(yīng)用。由于路網(wǎng)內(nèi)包含多個(gè)交叉口，在對(duì)路網(wǎng)交通進(jìn)行優(yōu)化控制時(shí)，對(duì)多個(gè)過(guò)飽和交叉口的建模及優(yōu)化導(dǎo)致變量、優(yōu)化目標(biāo)等的多樣性，使得所建立的模型往往過(guò)于復(fù)雜。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可結(jié)合不斷發(fā)展的軟計(jì)算技術(shù)，研究具有高效性、實(shí)時(shí)性的模型求解算法與技術(shù)?？梢钥紤]改進(jìn)智能算法，如遺傳算法、粒子群算法等，同時(shí)還可以考慮復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論、自適應(yīng)控制等方法的應(yīng)用。

（4）借助交通仿真軟件開(kāi)展研究。隨著各類(lèi)交通仿真軟件的發(fā)展和完善，可以搭建基于仿真平臺(tái)的交叉口、干線(xiàn)和區(qū)域路網(wǎng)的動(dòng)態(tài)仿真環(huán)境，利用交通仿真軟件的運(yùn)行結(jié)果評(píng)估各個(gè)優(yōu)化控制方案的有效性，為過(guò)飽和路網(wǎng)優(yōu)化控制方法的研究提供有效的評(píng)估手段。

（5）有效結(jié)合時(shí)間、空間資源的雙重利用。當(dāng)現(xiàn)有的信號(hào)控制優(yōu)化方案已經(jīng)達(dá)到了交叉口通行能力的理論極限時(shí)，就無(wú)法再通過(guò)信號(hào)配時(shí)的方法來(lái)提高交叉口通行能力，此時(shí)就需要考慮空間資源的利用，再結(jié)合交通優(yōu)化組織方式來(lái)進(jìn)一步改善交通擁堵。如何有效地結(jié)合信號(hào)優(yōu)化配時(shí)和空間資源利用，最大限度地提升路網(wǎng)的運(yùn)行能力，還有待進(jìn)一步研究。

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