【文章內(nèi)容簡介】 需求， g。為出現(xiàn)擁堵時(shí)的快速公路主線輸出流量， g?？焖俟吠ㄐ心芰Α１? 所周知， g。一般低于 gq59010％，同時(shí) gm+dg，否則不會出現(xiàn)交通擁堵。 假定入口匝道控制使快速公路主線流量等于通行能力。應(yīng)用入口匝道控制會使 入口匝道處出現(xiàn)車輛排隊(duì)，但是由于 g。大于‰，最終使旅行時(shí)間減少。減小 浙江大學(xué)博士后出站報(bào)告 的旅行時(shí)間△ Z(百分比 )為： △ Z：』違 loo。 (1S)‘ q。 +d— q。 另外，考慮如圖 14所示的同時(shí)包括入口匝道和出口匝道的兩種情況： (a) 不采 取入口匝道控制； (b)采取入口匝道控制。為了與前述情況區(qū)別，假定即 使發(fā)生交通擁堵，輸出流量也不減小，即 g。 =‰。出口匝道流率為 y(0≤ r≤ 1)，不采取匝道控制的出口流量為： ^毛 (‰一 d)， ‘“’ 1 ， 而采取匝道控制的出口流量為： J。 =均。 (1— 7) ga于 Or)q。 +d譬。，也就是嚴(yán) 一，因此匝道控制增加了輸出流量， 進(jìn)而減小系統(tǒng)的旅行時(shí)間。改善的旅行時(shí)間為： AT,=卯 00。 (1． 8) 城市道路交通路網(wǎng)也可以得到類似的結(jié)果。若某條道路已經(jīng)飽和，即使上 游交叉口該方向車流有通行權(quán)， 也會阻止上游交叉口的車輛進(jìn)入，這樣不但導(dǎo) 致綠燈時(shí)間的浪費(fèi)，而且會形成交通擁堵并向上游傳播，使上游交叉口和道路 產(chǎn)生擁堵。如果不采取任何措施，最終可能導(dǎo)致整個(gè)路網(wǎng)交通擁堵。 以上現(xiàn)象說明現(xiàn)代城市快速公路和道路交通網(wǎng)絡(luò)中交通擁堵的形成不僅僅 是由于交通需求超過了道路通行能力，事實(shí)上，交通需求只是暫時(shí)超過了某些 路段的通行能力，如果沒有合適的交通控制策略來解決這些路段交通擁堵，那 么交通擁堵現(xiàn)象就會擴(kuò)大，從而導(dǎo)致整個(gè)路網(wǎng)的通行能力下降。 第二節(jié)道路交通控制 2． 1基本概念 交叉口信號燈控制是城市道 路交通的主要控制模式。信號燈控制最初是用 來保證交叉口前相互沖突的車流和行人的安全，隨著交通需求的增加，人們很 第一章緒論 快發(fā)現(xiàn)，信號燈的存在或多或少地影響了交叉口的通行能力，因此必須采用一 種優(yōu)化的控制策略來減小這種影響。 根據(jù)現(xiàn)有的自動控制技術(shù)，任何路網(wǎng)的優(yōu)化控制問題在理論上是都可以實(shí) 現(xiàn)的，但是實(shí)時(shí)優(yōu)化控制還是存在諸多的困難：①紅綠燈切換是一個(gè)離散變量， 導(dǎo)致優(yōu)化問題的復(fù)雜性；②整個(gè)路網(wǎng)優(yōu)化問題的維數(shù)非常巨大；③很多不可預(yù) 測和不可測量的干擾 (如事件、違法停車、行人橫穿馬路、 車輛任意調(diào)頭、交 叉口堵塞等 )嚴(yán)重影響車流通行；④大多數(shù)交通狀況的測量值反映的是局部特 征，其精度很容易收到各種因素干擾；⑤具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)約束，譬如一般先進(jìn) 控制系統(tǒng)都要求在 2秒中內(nèi)進(jìn)行一次優(yōu)化決策。由此可見，相對于單交叉口而 言，整個(gè)路網(wǎng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化控制問題的實(shí)現(xiàn)比較困難，因此目前很多研究人員提 出的控制策略都對優(yōu)化問題提出了各種簡化或只解決一部分的優(yōu)化問題。不幸 的是絕大多數(shù)簡化后的優(yōu)化控制策略都很難解決交通流飽和現(xiàn)象。 下面 4種參數(shù)可通過信號燈影響交通流狀態(tài)： 衍岔 (耽舅 )：對于復(fù)雜的交叉口，存在著多 種流向的交通流，一致的 交通流可以放在同一相位中，沖突的交通流放在不同的相位中。相位 劃分和相序設(shè)置是非常關(guān)鍵的，對交叉口的通行能力有重要影響。 ≧務(wù)《爭緣代表相位的綠燈持續(xù)時(shí)間，根據(jù)相關(guān)交通流的實(shí)際需求進(jìn)行 計(jì)算。 ≧劈釤黟 m孤較長的周期時(shí)間能增加交叉口的通行能力，因?yàn)榇藭r(shí)損失 時(shí)間相對較??；另一方面，對于欠飽和的交叉口而言，較長的周期時(shí) 間會增加車輛延誤時(shí)間，因?yàn)榇藭r(shí)紅燈相位中的車輛需要相對更長的 等待時(shí)間。 ≧相岔荔代表相鄰交叉口間某一特定相位開啟時(shí)間差，可使干線上實(shí) 現(xiàn)“綠波帶”；相位差的確定必須 詳細(xì)地考慮可能存在的車輛排隊(duì)。 道路交通控制策略可以根據(jù)以下特征進(jìn)行分類： 定刀控制自專璐根據(jù)歷史的交通信息，針對一天中不同的時(shí)段，采用離 線的優(yōu)化方法設(shè)計(jì)控制方案；感應(yīng)控制策略根據(jù)實(shí)時(shí)的交通信息在線 實(shí)時(shí)設(shè)置信號控制參數(shù)。 華交叉口攔鋤壤夠應(yīng)用于某個(gè)獨(dú)立的交叉口控制；而紡堀攔鋤壤磴考 察某個(gè)城市區(qū)域甚至整個(gè)城市路網(wǎng)。 浙江大學(xué)博士后出站報(bào)告 ≧絕大多數(shù)控制策略只適用于欠絢和交通狀況，這種情況下車輛排隊(duì)只 在紅燈期間形成并在綠燈期間全部清空；而某些控制策略可應(yīng)用于暫 笤和交通狀況 ，這種情況下生成的車輛排隊(duì)可延伸到上游交叉口。 2． 2單交叉口控制 1)定時(shí)控制策略 單交叉口定時(shí)控制策略適用于欠飽和交通狀況。騫≠矛≧發(fā)的控釤蕺釃瑤過 優(yōu)化周期時(shí)間和綠信比來最小化旅行時(shí)間或最大化交叉口通行能力；而基于艚 岔崩痊鏑繯璐不僅優(yōu)化周期時(shí)間和綠信比，對于某些復(fù)雜的交叉口也可以用來 優(yōu)化相序。 比較著名的基于階段單交叉口控制策略有 SIGSET和 slGCAP。假定存在冊 個(gè)階段，周期時(shí)間為 c，對應(yīng)的綠信比為 4，滿足∑五 =1，其中矗 =L／ c， L a=0 為周期時(shí)間中綠燈損失時(shí)間之和。為 了避免車輛排隊(duì)的形成，對任意一個(gè)車流， 存在以下通行約束： ， 芝嘞?！萼剽?， 09) 其中， J，和 d，分別為某交通流，飽和流量和交通需求；如果交通流，在階段 f 中有通行權(quán)，則％等于 1，否則為 0。式 (1— 9)說明交通流 _，的交通需求不能高于 交通流，飽和流量。 SIGSET采用欠飽和交通狀況下的 Webster非線性總延誤時(shí)間函數(shù)作為優(yōu)化 目標(biāo)，因此 SIGSET通過解決一個(gè)具有線性約束的非線性規(guī)劃問題來最小化給 定交通需求的交叉口總延誤時(shí)間。而 SIGCAP采用最大化交叉口通行能力為優(yōu) 化目標(biāo)。假定式 (1— 9)實(shí)際交通需求為∥ d， (∥ 1)，在同樣的約束條件下 SIGCAP通過線性規(guī)劃來最大化／ 2。通常，最大化通行能力可導(dǎo)致“大”周期時(shí) 間。顯然， SIGCAP適合用于交通需求較大的交叉口，從而阻止交通狀況向過 飽和發(fā)展；而 SIGSET適用于有足夠通行能力的交叉口，把式 (1． 9)交通需求該 為 p， d， (p，≤ 1)， pf為通行能力參數(shù)。 第一章緒論 9 基于相位控制策略解決類似的問題。它考慮相關(guān)交通流的相互關(guān)系，綜合 計(jì)算優(yōu)化的相位劃分、綠信比、周期時(shí)間來實(shí)現(xiàn)最小化總延誤時(shí)問或最大化交 叉 口通行能力。這個(gè)優(yōu)化問題是“ binarymixed— integerlinearprogramming39?！愋停? 可采用“ branchandbound39?！椒▉礴I決。一般計(jì)算代價(jià)要大于基于階段的策略。 2)感應(yīng)控制策略 單交叉 I=1感應(yīng)控制策略利用實(shí)時(shí)交通流信息，執(zhí)行某種車輛感應(yīng)控制邏輯， 交通流信息可由安裝在停止線后 40米左右的感應(yīng)線圈檢測并由車輛檢測處理 器計(jì)算得到。最簡單的感應(yīng)控制是應(yīng)用于兩相位交叉口的“車輛間隔法”。在這 個(gè)方法中，每個(gè)相位都預(yù)先設(shè)置最小綠燈時(shí)聞和最大綠燈時(shí)閫，如果在某相位 的最小綠燈時(shí)間內(nèi)沒有車輛通過相關(guān)的檢測線圈，那么控制策略就把通行權(quán)交 給另一相位。否則，就產(chǎn)生一個(gè)臨界的時(shí)間間隔 (cI)，在這個(gè) CI期問，任何被 檢測到的車輛都會導(dǎo)致綠燈時(shí)間的延長，從而使車輛通過交叉口。如果在 cI 期間沒有車輛被檢測到，則控制策略把通行權(quán)交給另一相位，否則產(chǎn)生新的 cI。 直到到達(dá)最大綠燈時(shí)間為止。改進(jìn)的“車輛間隔法”也可以綜合考慮另一相位的 交通需求，來決定是否切換通行權(quán)。 Miller提出了改進(jìn)的感應(yīng)控制方法，該方法已包含在 MOVA控制工具包中。 Miller控制策略每隔 r秒 (如 7毫 2)提出如下問題：√室該老嬗療灰勿揆籌 F一 攜岔坯蓬縊绔矽當(dāng)膨掀：疆療敖留長 r矽 7為了解決這個(gè)問題，控制策略計(jì)算 通行權(quán)被延長≈丁秒后各交通流性能的改進(jìn)和損失情況。相應(yīng)的性能改進(jìn)為以， k=I? 2．．，總的性能指標(biāo)為 J=max{JI； k=1,2， ? 1，如果 J0則通行權(quán)立即切 換給下一相位，否則通行權(quán)被延長，直到下一個(gè)計(jì)算間隔。 2． 3定時(shí)協(xié)調(diào)控制 一般來講，定時(shí)策略僅適用于欠飽和交通狀態(tài)。 1)MAXBAND MAxBAND的首先是由 Little提出的。 MAXBAND針對包括珂?zhèn)€交叉口 浙江大學(xué)博士后出站報(bào)告 S， ? ，鼠的交通干線，給出一組優(yōu)化的相位差，使盡可能多的車輛在設(shè)定的車 速范圍內(nèi)一次不停地通過交通干線，也就是通常所說的“綠波帶” (如圖 15)。 在 MAXBAND中，各交叉口的綠信比是根據(jù)支路的交通需求預(yù)先設(shè)定的，因 此，優(yōu)化問題就是合理設(shè)置干線上已知的紅燈持續(xù)時(shí)間 (如圖 15中各交叉口 S 中的水平直線 )，使駛?cè)胂蚝婉偝鱿蚨寄塬@得最大的通過帶 6和 b。為了問題描 述的方便，通過引進(jìn)一些二元變量把優(yōu)化問題演變?yōu)橐粋€(gè)‘ 39。binary—mixed． integerlinearprogramming”問題，根據(jù)這種優(yōu)化問題的某些特性，可以便“ branch． and． bound”方法減少計(jì)算代價(jià)。后來 Little對 MAXBAND進(jìn)行了改進(jìn)，綜合周 期時(shí)間約束后，改進(jìn)后的 MAXBAND可應(yīng)用于干線網(wǎng)絡(luò)。 ＆ ‰ 共 髓 捌 amp。 一 S 了 s一。靄‰ 駛?cè)? 圖 l— s．交通干線最大通過帶 MAxBAND已經(jīng)在北美許多地方得到了實(shí)際應(yīng)用。并且針對不同地方的各 種因素，作了很多有益的改進(jìn)，如：車輛排隊(duì)清空時(shí)間、左轉(zhuǎn)車輛的處理、干 線上不同路段不同通過帶的實(shí)現(xiàn) (MULTIBAND)。 2)TRANSYT TRANSYT首先由 Robertson提出，但不久就進(jìn)行了改進(jìn)和提高。 TRANSYT 是最著名且應(yīng)用最廣的信號控制策略之一，很多情況下都作為實(shí)時(shí)控制策略的 第一章緒論 對比方法。 圖 1． 6． TRANSYT結(jié)構(gòu) 圖 1． 6示意了 TRANSYT的基本結(jié)構(gòu)：初始的信號控制方案包括相位劃分、 各相位最小綠燈時(shí)間、綠信比、相位差、周期時(shí)間。為了能實(shí)現(xiàn)整個(gè)路網(wǎng)的協(xié) 調(diào)，路網(wǎng)中各交叉口采用同一周期時(shí)間 c，某些交通需 求較小的交叉口可以采 用半周期時(shí)間。路網(wǎng)參數(shù)和流量數(shù)據(jù)包括路網(wǎng)幾何特征、飽和流量、路段平均 旅行時(shí)間、每個(gè)路口的轉(zhuǎn)彎系數(shù)、以及統(tǒng)計(jì)交通需求。交通流模型包括節(jié)點(diǎn) (交 叉口 )和路段 (交叉口間的道路 )?！?Platoon Dispersion39?！?(動態(tài)一階時(shí)滯系統(tǒng) ) 被用來對道路交通流行進(jìn)建模。優(yōu)化過程如下：對于給定的輸入，動態(tài)路網(wǎng)模 型計(jì)算相應(yīng)的性能指標(biāo)，譬如路網(wǎng)中總的停車率，然后用一種啟發(fā)式的爬山優(yōu) 化算法對控制變量進(jìn)行微調(diào)，然后再通過模型進(jìn)行運(yùn)算，如此循環(huán)，直到獲得 最優(yōu)參數(shù)。 TRANSYT不能用于過飽和交通 狀況，雖然在這方面有了進(jìn)一步的 改進(jìn)，但改進(jìn)的有效性有待進(jìn)一步證明。 3)定時(shí)控制策略缺點(diǎn) 定時(shí)控制策略主要缺點(diǎn)是這種方案基于歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)而不是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。由 于以下幾個(gè)原因?qū)е驴刂菩Ч芳眩? 奪交通需求不是固定的，在同一天中的不同時(shí)段是不同的。 浙江大學(xué)博士后出站報(bào)告 奪交通需求在不同的日期中是不同的，例如特殊的事件。 奪由于交通需求不固定導(dǎo)致優(yōu)化方案失效。 奪同交通需求一樣，各交叉口轉(zhuǎn)彎率也是時(shí)變的；另外，轉(zhuǎn)彎率也會隨 著優(yōu)化方案的改變而變化，例如，當(dāng)優(yōu)化方案改變后，駕駛員可能會 改變行駛路線來最小化旅行時(shí)間。 奪不可預(yù)測的事件和干擾也會改變交通狀況。 所以，設(shè)計(jì)合理的交通感應(yīng)協(xié)調(diào)控制策略比定時(shí)控制更有效，但是所需的 代價(jià)也更大，它是一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，需要更多的設(shè)備，如檢測器、通信網(wǎng)絡(luò)、 控制中心，本地網(wǎng)絡(luò)控制器。 2． 4感應(yīng)協(xié)調(diào)控制 I)SCOOT SCOOT首先由以 Robertson為首的一些研究人員提出的，后來在某些方面 進(jìn)行了改進(jìn)和擴(kuò)展。它是 TRANSYT的感應(yīng)版本，在全球各地 150多個(gè)城市中 得到應(yīng)用。交通流量和占有率由安裝在路段上游的車輛檢測器提供，采用與 TRANSYT同樣的原理和計(jì)算機(jī)集中控制結(jié)構(gòu)。更具體地說， SCOOT有一個(gè)路 網(wǎng)型，根據(jù)實(shí)際的交通數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)循環(huán)計(jì)算，對各個(gè)交叉口的綠信比，周期時(shí) 間、相位差進(jìn)行調(diào)整，如果參數(shù)調(diào)整被認(rèn)為是有效的 (基于某種性能指標(biāo) )，那 么調(diào)整后的新參數(shù)就傳給路口交通信號控制機(jī)，控制機(jī)隨后就會按新的控制參 數(shù)運(yùn)作。 SCOOT不適用于過飽和交通狀況。 2)基于模型的優(yōu)化方法 最近，很多嚴(yán)格基于模型的感應(yīng)協(xié)調(diào)控制策略被提了出來： OPAC， PRODYN， CRO