[科普中國]-區(qū)域交通信號(hào)控制

意義

交叉口是城市道路網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵位置，雖然單個(gè)交叉口的交通信號(hào)控制是被運(yùn)用最為廣泛的控制方式，但其更適合于孤立的交叉路口。對(duì)于整個(gè)城市從宏觀的角度來看，實(shí)行區(qū)域交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制對(duì)于提高交通運(yùn)輸效率和減少車輛的平均延誤有著不可替代的作用。區(qū)域交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制的目的是在充分利用現(xiàn)有交通設(shè)旌的基礎(chǔ)上，以先進(jìn)的控制技術(shù)為手段為依托，對(duì)區(qū)域內(nèi)多交叉口交通信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，減少目標(biāo)區(qū)域內(nèi)交通擁堵和交通事故的數(shù)量，盡量提高區(qū)域內(nèi)交通運(yùn)輸效率，緩解區(qū)域內(nèi)交叉口的交通流壓力。本文將采用一些現(xiàn)代智能控制技術(shù)來優(yōu)化城市交通控制問題，提高交通控制系統(tǒng)的控制效果，使其能夠適應(yīng)不同的交通環(huán)境。制定科學(xué)的交通管理辦法和高效可行的信號(hào)控制方案能夠降低交通事故的發(fā)生、改善交通環(huán)境、提高道路的交通運(yùn)輸效率及降低能源消耗，同時(shí)對(duì)提高人民的生活質(zhì)量和城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)水平也有著重大的推動(dòng)作用1。

結(jié)構(gòu)大量的研究和實(shí)踐表明，整個(gè)城市道路交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行可以通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行控制，這已經(jīng)在世界各地的很多城市得到了廣泛的應(yīng)用，區(qū)域交通信號(hào)控制系統(tǒng)也是建立在這種體系下的。如圖1就是一個(gè)基本的基于計(jì)算機(jī)控制的交通系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

基于經(jīng)典控制技術(shù)理論，交通控制系統(tǒng)可描述為一個(gè)反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸入對(duì)應(yīng)于來自人機(jī)界面交互的人工需求的輸入，輸出對(duì)應(yīng)于實(shí)際交通網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行的交通流，反饋信息則是來自實(shí)際交通網(wǎng)絡(luò)中檢測器所獲取的交通信息。對(duì)于區(qū)域交通信號(hào)控制，實(shí)際交通網(wǎng)絡(luò)與控制設(shè)備包括面向整個(gè)區(qū)域的和面向單個(gè)交通節(jié)點(diǎn)(交叉路口或者路段)的多個(gè)層次的處理設(shè)施。整個(gè)區(qū)域交通信號(hào)控制系統(tǒng)就是在這種體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上運(yùn)行的。

顯然，在這樣的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，最核心的就是對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)獲得的檢測信息進(jìn)行實(shí)時(shí)響應(yīng)，并通過控制輸入反饋到控制設(shè)備上的部分，也就是將輸入信息轉(zhuǎn)化為輸出信息的控制方法環(huán)節(jié)(具體表現(xiàn)為計(jì)算機(jī)控制算法)2。

區(qū)域交通控制方式分類城市區(qū)域多交叉口交通控制的方式有多種，一般可按控制策略分類、按控制結(jié)構(gòu)分類。

以控制策略分類（1）區(qū)域交通定時(shí)式離線控制方法：這種方法以區(qū)域內(nèi)交通流量的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀調(diào)查數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行離線計(jì)算優(yōu)化處理，從而獲得最佳的信號(hào)配時(shí)方案，配時(shí)方案會(huì)存入控制計(jì)算機(jī)中以供信號(hào)控制機(jī)在不同的交通情況下選擇，這種方法適用于交通流量相對(duì)穩(wěn)定的區(qū)域路網(wǎng)。

（2）區(qū)域交通適應(yīng)式在線控制方法：這種方法以設(shè)置在區(qū)域路網(wǎng)中的車輛檢測器收集到的實(shí)時(shí)交通流量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行聯(lián)機(jī)在線計(jì)算優(yōu)化處理，這種方法能夠很好的適應(yīng)交通流的隨機(jī)變化。

以控制結(jié)構(gòu)分類（2）區(qū)域交通集中式計(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu)方法：這種方法將區(qū)域內(nèi)所有的信號(hào)機(jī)都連接成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，用一臺(tái)中小型計(jì)算機(jī)或是多臺(tái)計(jì)算機(jī)在線聯(lián)網(wǎng)的方式對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，屬于主從分布式控制方法，其原理與結(jié)構(gòu)都很簡單。

（2）區(qū)域交通分層式計(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu)方法：這種方法將整個(gè)交通信號(hào)控制系統(tǒng)分成上下層兩個(gè)子系統(tǒng)，上層子系統(tǒng)接收來自下層子系統(tǒng)的交叉口配時(shí)方案，對(duì)這些配時(shí)方案從整體的角度進(jìn)行協(xié)調(diào)分析處理，從而使下層子系統(tǒng)的配時(shí)方案得到修正；下層子系統(tǒng)則根據(jù)修正后的方案再做必要的調(diào)整。上層子系統(tǒng)主要完成整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化任務(wù)，下層子系統(tǒng)主要完成區(qū)域內(nèi)交叉口配時(shí)調(diào)節(jié)的執(zhí)行任務(wù)1。

區(qū)域交通信號(hào)控制方法根據(jù)控制方式的不同，交通信號(hào)控制可以分為定時(shí)控制方法與自適應(yīng)控制方法兩類。

定時(shí)控制方法定時(shí)控制方法指的是根據(jù)給定的過去一段時(shí)間區(qū)間內(nèi)的歷史需求選取合適的優(yōu)化算法，并以離線驅(qū)動(dòng)的方式對(duì)交通信號(hào)進(jìn)行控制的方法。該方法是最早實(shí)現(xiàn)的交通信號(hào)控制方式。由于技術(shù)條件的限制，早期采用人工調(diào)整信號(hào)燈變化的單路口交通信號(hào)控制就是一種簡單的定時(shí)控制方式。隨著道路交通檢測技術(shù)的進(jìn)步，根據(jù)歷史交通信息來對(duì)交叉路口實(shí)行控制的單路口定時(shí)控制方法獲得了越來越多的關(guān)注，其中最著名的是SIGSET和SIGCAP方法。出于區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)控制的需求，20世紀(jì)六、七十年代以來，在單路口定時(shí)控制方法的基礎(chǔ)上，發(fā)達(dá)國家的研究機(jī)構(gòu)研制出了多種區(qū)域交通信號(hào)定時(shí)控制方法，其中應(yīng)用最廣泛的就是J．D．C．Little提出的MAXBAND和由D．I．Robertson提出的TRANSYT兩種方法。下面分別介紹這兩種方法。

（1）MAXBAND是一種干線信號(hào)控制方法，它的主要研究對(duì)象是一條帶有n組交通信號(hào)燈(有n個(gè)交叉路口)的雙向主干道，通過設(shè)定合適的相位差，使得以給定的速度運(yùn)行的車輛的數(shù)量達(dá)到最優(yōu)，同時(shí)減少這些車輛在交叉路口的等待時(shí)間，形成所謂的“綠波帶”。在包括J．D．C．Little在內(nèi)的各國學(xué)者的努力下，基于基本的MAXBAND思想已經(jīng)衍生出了很多擴(kuò)展方法，例如考慮車輛的左轉(zhuǎn)運(yùn)行、不同支路的帶寬等等，這些方法統(tǒng)稱為MULTIBAND。

（2）TRANSYT是英國道路與交通研究所(TRRL)在1966年推出的一套離線交通信號(hào)優(yōu)化配時(shí)程序，由于其良好的優(yōu)化效果，還經(jīng)常被用作研究交通信號(hào)控制的對(duì)照方法。TRANSYT主要是通過一種迭代的方式來對(duì)交通參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化：對(duì)于給定的信號(hào)燈控制參數(shù)(也就是系統(tǒng)的控制輸入，包括周期、綠信比和相位差等等)，動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算出相應(yīng)的響應(yīng)指數(shù)，然后采用一種啟發(fā)式“hill-climb”優(yōu)化算法對(duì)這幾個(gè)控制參數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化，并導(dǎo)出新的運(yùn)行模型，不斷進(jìn)行迭代計(jì)算，直到系統(tǒng)性能達(dá)到最優(yōu)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展和完善，RANSYT目前的最新版本是ll版，而美國、法國等國家的研究機(jī)構(gòu)也在TRANSYT的基礎(chǔ)上改進(jìn)研究出了相應(yīng)的控制系統(tǒng)。

自適應(yīng)控制方法與定時(shí)控制方法相似，自適應(yīng)控制方法最早也是從單路口自適應(yīng)控制方法開始的。但是，由于多個(gè)交叉路口之間關(guān)聯(lián)度的復(fù)雜性，區(qū)域自適應(yīng)控制方法遠(yuǎn)比單路口自適應(yīng)控制方法復(fù)雜。因此，目前國際上研制出的具有實(shí)用性的區(qū)域自適應(yīng)控制方法不多，其中最具代表性的就是SCOOT和SCATS兩套系統(tǒng)。

（1）SCOOT(Split，Cycleand Offset OptimizmionTechnique，綠信比、周期和相位差優(yōu)化技術(shù))是由英國TRRI，的D．I．Robertson團(tuán)隊(duì)在TRANSYT系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)的交通控制系統(tǒng)【261。SCOOT的核心算法與TRANSYT基本相同，二者的差別主要在于對(duì)交通狀態(tài)的交化是否實(shí)時(shí)響應(yīng)。SCOOT是一種基于模型的優(yōu)化控制方法，系統(tǒng)對(duì)所控制的交通網(wǎng)絡(luò)建立模型，并根據(jù)車輛檢測器獲取的實(shí)時(shí)交通信息來優(yōu)化求解出最合適的交通信號(hào)控制參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制的目標(biāo)。類似的基于模型的交通控制優(yōu)化方法還有OPAC，RHODES，CRONOS等。由于這些方法是以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，然而隨著交通網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)大，模型的復(fù)雜度會(huì)呈指數(shù)級(jí)數(shù)增長，系統(tǒng)的計(jì)算復(fù)雜度也會(huì)相應(yīng)的增大，這是此類系統(tǒng)的缺點(diǎn)。

（2）SCATS(Sydney Coordinated AdaptiveTrafficSystem，悉尼協(xié)調(diào)自適應(yīng)交通系統(tǒng))是澳大利亞新南威爾士州道路交通局(RTA)歷時(shí)十年時(shí)間研究開發(fā)的實(shí)時(shí)自適應(yīng)交通信號(hào)控制系統(tǒng)。與SCOOT不同，SCATS是一種沒有交通模型的方案生成式自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)。SCATS系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置了多種交通信號(hào)控制方案，在實(shí)際運(yùn)行過程中，系統(tǒng)根據(jù)檢測到的實(shí)時(shí)交通信息來選擇一種合適的控制方案。SCATS將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為三層，分別是中央控制中心、子區(qū)控制中心和路口信號(hào)控制機(jī)。這種分層控制的方式加上靈活的控制方案選擇方式，大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率，使得SCATS系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)取得非常好的協(xié)調(diào)控制效果，也因此成為了應(yīng)用最廣泛的區(qū)域交通信號(hào)控制系統(tǒng)。目前我國上海、廣州、香港等城市的交通信號(hào)管理就是采用SCATS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的2。