【文章內(nèi)容簡介】 需求， g。為出現(xiàn)擁堵時的快速公路主線輸出流量， g。快速公路通行能力。眾 所周知， g。一般低于 gq59010％，同時 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。應用入口匝道控制會使 入口匝道處出現(xiàn)車輛排隊，但是由于 g。大于‰，最終使旅行時間減少。減小 浙江大學博士后出站報告 的旅行時間△ 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 一，因此匝道控制增加了輸出流量， 進而減小系統(tǒng)的旅行時間。改善的旅行時間為： 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， 也會阻止上游交叉口的車輛進入，這樣不但導 致綠燈時間的浪費，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，最終可能導致整個路網(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，事實上，交通需求只是暫時超過了某些 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)象就會擴大，從而導致整個路網(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，任何路網(wǎng)的優(yōu)化控制問題在理論上是都可以實 現(xiàn)的，但是實時優(yōu)化控制還是存在諸多的困難：①紅綠燈切換是一個離散變量， 導致優(yōu)化問題的復雜性；②整個路網(wǎng)優(yōu)化問題的維數(shù)非常巨大；③很多不可預 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具有很強的實時約束，譬如一般先進 控制系統(tǒng)都要求在 2秒中內(nèi)進行一次優(yōu)化決策。由此可見，相對于單交叉口而 言，整個路網(wǎng)的實時優(yōu)化控制問題的實現(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 劃分和相序設置是非常關鍵的，對交叉口的通行能力有重要影響。 ≧務《爭緣代表相位的綠燈持續(xù)時間，根據(jù)相關交通流的實際需求進行 計算。 ≧劈釤黟 m孤較長的周期時間能增加交叉口的通行能力，因為此時損失 時間相對較??；另一方面，對于欠飽和的交叉口而言，較長的周期時 間會增加車輛延誤時間，因為此時紅燈相位中的車輛需要相對更長的 等待時間。 ≧相岔荔代表相鄰交叉口間某一特定相位開啟時間差，可使干線上實 現(xiàn)“綠波帶”；相位差的確定必須 詳細地考慮可能存在的車輛排隊。 道路交通控制策略可以根據(jù)以下特征進行分類： 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段，采用離 線的優(yōu)化方法設計控制方案；感應控制策略根據(jù)實時的交通信息在線 實時設置信號控制參數(shù)。 華交叉口攔鋤壤夠應用于某個獨立的交叉口控制；而紡堀攔鋤壤磴考 察某個城市區(qū)域甚至整個城市路網(wǎng)。 浙江大學博士后出站報告 ≧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用于暫 笤和交通狀況 ，這種情況下生成的車輛排隊可延伸到上游交叉口。 2． 2單交叉口控制 1)定時控制策略 單交叉口定時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)化周期時間和綠信比來最小化旅行時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)化周期時間和綠信比，對于某些復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 個階段，周期時間為 c，對應的綠信比為 4，滿足∑五 =1，其中矗 =L／ c， L a=0 為周期時間中綠燈損失時間之和。為 了避免車輛排隊的形成，對任意一個車流， 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，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非線性總延誤時間函數(shù)作為優(yōu)化 目標，因此 SIGSET通過解決一個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間。而 SIGCAP采用最大化交叉口通行能力為優(yōu) 化目標。假定式 (1— 9)實際交通需求為∥ 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致“大”周期時 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。它考慮相關交通流的相互關系，綜合 計算優(yōu)化的相位劃分、綠信比、周期時間來實現(xiàn)最小化總延誤時問或最大化交 叉 口通行能力。這個優(yōu)化問題是“ binarymixed— integerlinearprogramming39?！愋停? 可采用“ branchandbound39?！椒▉礴I決。一般計算代價要大于基于階段的策略。 2)感應控制策略 單交叉 I=1感應控制策略利用實時交通流信息，執(zhí)行某種車輛感應控制邏輯， 交通流信息可由安裝在停止線后 40米左右的感應線圈檢測并由車輛檢測處理 器計算得到。最簡單的感應控制是應用于兩相位交叉口的“車輛間隔法”。在這 個方法中，每個相位都預先設置最小綠燈時聞和最大綠燈時閫，如果在某相位 的最小綠燈時間內(nèi)沒有車輛通過相關的檢測線圈，那么控制策略就把通行權交 給另一相位。否則，就產(chǎn)生一個臨界的時間間隔 (cI)，在這個 CI期問，任何被 檢測到的車輛都會導致綠燈時間的延長，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交給另一相位，否則產(chǎn)生新的 cI。 直到到達最大綠燈時間為止。改進的“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。 Miller提出了改進的感應控制方法，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 攜岔坯蓬縊绔矽當膨掀：疆療敖留長 r矽 7為了解決這個問題，控制策略計算 通行權被延長≈丁秒后各交通流性能的改進和損失情況。相應的性能改進為以， k=I? 2．．，總的性能指標為 J=max{JI； k=1,2， ? 1，如果 J0則通行權立即切 換給下一相位，否則通行權被延長，直到下一個計算間隔。 2． 3定時協(xié)調(diào)控制 一般來講，定時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 浙江大學博士后出站報告 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)支路的交通需求預先設定的，因 此，優(yōu)化問題就是合理設置干線上已知的紅燈持續(xù)時間 (如圖 15中各交叉口 S 中的水平直線 )，使駛入向和駛出向都能獲得最大的通過帶 6和 b。為了問題描 述的方便，通過引進一些二元變量把優(yōu)化問題演變?yōu)橐粋€‘ 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”方法減少計算代價。后來 Little對 MAXBAND進行了改進，綜合周 期時間約束后，改進后的 MAXBAND可應用于干線網(wǎng)絡。 ＆ ‰ 共 髓 捌 amp。 一 S 了 s一。靄‰ 駛入 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際應用。并且針對不同地方的各 種因素，作了很多有益的改進，如：車輛排隊清空時間、左轉車輛的處理、干 線上不同路段不同通過帶的實現(xiàn) (MULTIBAND)。 2)TRANSYT TRANSYT首先由 Robertson提出，但不久就進行了改進和提高。 TRANSYT 是最著名且應用最廣的信號控制策略之一，很多情況下都作為實時控制策略的 第一章緒論 對比方法。 圖 1． 6． TRANSYT結構 圖 1． 6示意了 TRANSYT的基本結構：初始的信號控制方案包括相位劃分、 各相位最小綠燈時間、綠信比、相位差、周期時間。為了能實現(xiàn)整個路網(wǎng)的協(xié) 調(diào)，路網(wǎng)中各交叉口采用同一周期時間 c，某些交通需 求較小的交叉口可以采 用半周期時間。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 旅行時間、每個路口的轉彎系數(shù)、以及統(tǒng)計交通需求。交通流模型包括節(jié)點 (交 叉口 )和路段 (交叉口間的道路 )?！?Platoon Dispersion39?！?(動態(tài)一階時滯系統(tǒng) ) 被用來對道路交通流行進建模。優(yōu)化過程如下：對于給定的輸入，動態(tài)路網(wǎng)模 型計算相應的性能指標，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行微調(diào)，然后再通過模型進行運算，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一步的 改進，但改進的有效性有待進一步證明。 3)定時控制策略缺點 定時控制策略主要缺點是這種方案基于歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)而不是實時數(shù)據(jù)。由 于以下幾個原因導致控制效果欠佳： 奪交通需求不是固定的，在同一天中的不同時段是不同的。 浙江大學博士后出站報告 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致優(yōu)化方案失效。 奪同交通需求一樣，各交叉口轉彎率也是時變的；另外，轉彎率也會隨 著優(yōu)化方案的改變而變化，例如，當優(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間。 奪不可預測的事件和干擾也會改變交通狀況。 所以，設計合理的交通感應協(xié)調(diào)控制策略比定時控制更有效，但是所需的 代價也更大，它是一個實時控制系統(tǒng)，需要更多的設備，如檢測器、通信網(wǎng)絡、 控制中心，本地網(wǎng)絡控制器。 2． 4感應協(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 進行了改進和擴展。它是 TRANSYT的感應版本，在全球各地 150多個城市中 得到應用。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同樣的原理和計算機集中控制結構。更具體地說， SCOOT有一個路 網(wǎng)型，根據(jù)實際的交通數(shù)據(jù)，實時循環(huán)計算，對各個交叉口的綠信比，周期時 間、相位差進行調(diào)整，如果參數(shù)調(diào)整被認為是有效的 (基于某種性能指標 )，那 么調(diào)整后的新參數(shù)就傳給路口交通信號控制機，控制機隨后就會按新的控制參 數(shù)運作。 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，很多嚴格基于模型的感應協(xié)調(diào)控制策略被提了出來： OPAC， PRODYN， CRO