Vistro在城市道路干線協(xié)調(diào)中的應(yīng)用研究

劉曉偉，梅冬晨

(中國人民公安大學交通管理工程系，北京　102623)

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Vistro在城市道路干線協(xié)調(diào)中的應(yīng)用研究

劉曉偉，梅冬晨

(中國人民公安大學交通管理工程系，北京102623)

在城市道路網(wǎng)中，路網(wǎng)優(yōu)化的主要內(nèi)容是信號協(xié)調(diào)，而信號協(xié)調(diào)又以干線協(xié)調(diào)為主。文章闡述了Vistro的路網(wǎng)優(yōu)化原理及相關(guān)參數(shù)配置方法，介紹了Vistro應(yīng)用于城市道路干線協(xié)調(diào)的相關(guān)方法理論，并以唐山市北新道為例，使用遺傳算法對交叉口信號控制方案進行干線協(xié)調(diào)優(yōu)化分析，得到了優(yōu)化后的效果圖。結(jié)果證明，Vistro在城市道路干線協(xié)調(diào)中具有較好的實用性和高效性。

城市道路；路網(wǎng)優(yōu)化；Vistro；信號協(xié)調(diào)；干線協(xié)調(diào)

0　引言

隨著城市道路里程的不斷增長和機動車擁有量的快速增加，城市道路擁堵和排隊延誤現(xiàn)象已經(jīng)司空見慣。然而，隨著智能交通技術(shù)的不斷發(fā)展，各種有效解決問題的措施和方法如雨后春筍般涌現(xiàn)。解決城市道路擁堵和排隊延誤問題的關(guān)鍵是對干線交通信號進行優(yōu)化協(xié)調(diào)，通過對城市道路交叉口實施協(xié)調(diào)控制，使道路交通流的時間延誤改善200%～400%[1]。干線協(xié)調(diào)的方法分為兩類：(1)使協(xié)調(diào)方向上綠波帶寬度最大化[2-5]；(2)最佳效能指標法(行程時間、延誤和停車率等)[6-8]。以綠波帶寬最大化為目標時并不能保證效能是最佳的，但由于延誤、停車率等值不便于直接測量得到，所以第二個方法實際應(yīng)用較少[9]。

本文提供一種能夠便于城市道路干線協(xié)調(diào)實施的方法。主要介紹Vistro的路網(wǎng)優(yōu)化功能原理以及在干線協(xié)調(diào)中如何發(fā)揮作用的，通過唐山市北新道的實例，直觀地展示Vistro以綠波帶寬最大化為目標的運行效果。由于本文主要研究的是干線協(xié)調(diào)的結(jié)果，所以無法使用Vistro得出協(xié)調(diào)優(yōu)化前后的效果圖，僅通過最終形成的綠波帶來展示。

1　Vistro路網(wǎng)優(yōu)化的原理

Vistro提供了健壯的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化功能，它考慮了信號控制交叉口之間的相互作用。這種相互作用不能使用《道路通行能力手冊》中的方法來分析，而是根據(jù)車隊在路網(wǎng)中旅行的模式，來建立車隊分散模型的。Vistro中自帶的車隊分散模型提供了車輛延遲和停車次數(shù)，考慮到所包含的交叉口信號方案以及它們在時間和空間上的相對位置(信號偏移量和交叉口的距離)。優(yōu)化的目標是協(xié)調(diào)信號配時，這樣車輛可以連續(xù)通過幾個綠燈控制的交叉口。在Vistro中，路網(wǎng)優(yōu)化將優(yōu)化那些屬于同一個信號協(xié)調(diào)組的所有信號，無論它們是否是線性的或與路網(wǎng)的環(huán)境保持一致。良好的協(xié)調(diào)方案要求信號控制器具有相同的周期時間或者周期時間比率是2∶1(如果勾選了“允許半周期”的選項)。如果在一個信號協(xié)調(diào)組中所有的控制器不具有相同周期，或者“周期優(yōu)化”選項沒有被勾選，那么路網(wǎng)優(yōu)化時就不會對這個信號協(xié)調(diào)組進行優(yōu)化。在這種情況下，Vistro就會把詳細的信息生成到一個“error.txt”文件，這個文件可以在進度監(jiān)控器中被打開。

此外，最有效的協(xié)調(diào)是彼此距離較近的信號交叉口。如果信號交叉口相互間隔距離較遠，那么車隊就會在從一個信號到下一個信號之間完全消散。這種到達結(jié)果事實上是均勻分布的，等待時間不能通過偏移量的選擇和其他配時參數(shù)而改變。因此，優(yōu)化路網(wǎng)中的所有信號控制器是不可能一次就有效的。相反，它可能更有利于使用較遠的交叉口來作為定義信號協(xié)調(diào)組的“自然”邊界，也即允許哪些交叉口放在一起被優(yōu)化。

2　路網(wǎng)優(yōu)化配置

2.1路網(wǎng)交叉口優(yōu)化步驟

使用路網(wǎng)優(yōu)化時，交叉口的優(yōu)化按照以下步驟：

(1)信號數(shù)據(jù)的輸入，包括信號燈組的名稱和順序；

(2)“協(xié)調(diào)類型”=“被協(xié)調(diào)的”；

(3)定義協(xié)調(diào)組；

(4)定義路線并分配權(quán)重。

信號協(xié)調(diào)組定義信號控制器組共同地被優(yōu)化。在大多數(shù)情況下，控制器與交叉口之間的比例是1：1。屬于同一個信號協(xié)調(diào)組的信號控制器之間進行協(xié)調(diào)。那就意味著交通模型中用于計算目標函數(shù)的參數(shù)(延誤和停車次數(shù))，是任何兩個屬于同一個信號協(xié)調(diào)組的交叉口之間的車隊產(chǎn)生的。

信號協(xié)調(diào)組是一個接一個地被優(yōu)化的，即屬于其他協(xié)調(diào)組的或者不是信號協(xié)調(diào)組的信控交叉口不進行優(yōu)化協(xié)調(diào)。因此，在絕大多數(shù)情況下，相鄰的信號交叉口屬于相同信號協(xié)調(diào)組。

2.2路網(wǎng)優(yōu)化路徑

(1)Vistro具有定義優(yōu)化路徑的能力，這些路徑允許：

①通過觀察時間-空間圖可以看到優(yōu)化的結(jié)果；

②路徑“權(quán)重”是根據(jù)指定路徑在路網(wǎng)優(yōu)化時彼此的輕重緩急設(shè)置的。

(2)路徑可以在路網(wǎng)編輯器中被定義：

①在工具欄中選定路徑按鈕；

②在路徑開始的第一個交叉口單擊鼠標左鍵；

③繼續(xù)點擊相鄰路口定義路徑。在創(chuàng)建路徑時，路網(wǎng)中的路徑將會被綠色強調(diào)顯示，同時箭頭指示的方向就是旅行的路徑；

④如果要刪除上一個被選定的交叉口，可以使用鍵盤上的“退格鍵”；

⑤雙擊左鍵即可完成路徑設(shè)置；

⑥在路網(wǎng)優(yōu)化工作流中，定義路徑的名稱和權(quán)重。

(3)一旦路徑被定義，就可以在路網(wǎng)優(yōu)化工作流選項卡中選中路徑，進行如下操作：

①刪除路徑：將會從路網(wǎng)中完全刪除路徑；

②創(chuàng)建反向路徑：使用相同的節(jié)點和鏈路創(chuàng)建路徑，但與被選擇路徑的旅行方向相反。

3　城市道路干線協(xié)調(diào)的方法

圖1　路網(wǎng)優(yōu)化過程示意圖

Vistro提供兩個干線協(xié)調(diào)的算法選項：遺傳法、爬山法。另外，車隊分散模型也被應(yīng)用。這兩個算法是完全不同的，產(chǎn)生的結(jié)果也不相同。以下將通過車隊分散模型來具體內(nèi)容來描述每一種目標函數(shù)和設(shè)置。

3.1遺傳算法

遺傳算法是Vistro中路網(wǎng)優(yōu)化的默認算法，遺傳算法(GA)廣泛應(yīng)用于多個需要進行優(yōu)化的領(lǐng)域。在大量的書籍中都有遺傳算法的詳細敘述，如霍蘭德1975年[10]和戈爾德貝爾格1975年[11]出版的書中都有相關(guān)闡釋。遺傳算法是受進化過程的啟發(fā)，原理流程圖如圖2所示。

圖2　遺傳算法的基本工作流程圖

由個體(這里指的是信號設(shè)計)組成的種群和個體本身都有一定的適當性(這里指的是目標函數(shù)、延誤總和的權(quán)重和停車次數(shù)都被設(shè)定為最小限度)。每個個體都有一個可能被選擇繁殖下一代的可能性，適應(yīng)性越高這個可能性就越大(類比進化)。幾個所謂的基因操作就可以在繁殖過程中被執(zhí)行。即交叉、變異。與下一次迭代不會變得更糟，每一代的最佳個體直接接管下一代。

遺傳算法目標函數(shù)允許調(diào)整因素、定義優(yōu)化設(shè)置、提供控制的魯棒性和優(yōu)化路網(wǎng)的速度。

(1)目標函數(shù)

優(yōu)化算法的目標是最小化目標函數(shù)，目標函數(shù)是加權(quán)的車輛延誤總和(a)和所有車輛在交叉口處的停車次數(shù)(b)。用戶可以自定義這兩個因素的權(quán)重。

(2)最大迭代次數(shù)

最大迭代次數(shù)是指定如果在沒有遇見其他的終止準則前允許迭代多少次。一般來說，最大迭代次數(shù)越大，優(yōu)化所需要的時間可能就越長。然而，這個值不應(yīng)過低，作為迭代的最大值不應(yīng)成為終止的判斷依據(jù)(因為仍有改進的空間)。

(3)群體大小

群體規(guī)模指每一代個體(路網(wǎng)內(nèi)的信號設(shè)計)的數(shù)量。一般來說，這個數(shù)字越大，找到最優(yōu)的機會就越大。計算時間可能達到與群體規(guī)模呈正比(如果最大迭代數(shù)是與終止準則相關(guān)的)。

(4)沒有改善的種群數(shù)量

指定有多少代后，后代沒有改善的數(shù)量，從而終止優(yōu)化。

(5)最小改進量

最小改進量指定解決方案如何能被認定更好，例如，如果這是1%，那么0.5%的改進就不會被認為是一種改進。

3.2爬山法

Vistro的另一個可選方法是爬山法，爬山法使用與遺傳算法相同的目標函數(shù)。由于其不同的方法，所以只需要定義起始解決方案的編號。用戶可以定義有多少個起始解決方案，起始解決方案是隨機生成的。當前的解決方案總是包含在一組開始的解決方案中的，最后的解決方案就是最優(yōu)的解決方案。

3.3車隊消散模型

協(xié)調(diào)的重點是車隊在從一個路口到另一個路口(或者一個信號組到另一個信號組)期間的行為。Vistro通過基于總分析流量的運動分析來確定車隊，它是計算有多少車輛通過信號協(xié)調(diào)組中第一個信號控制器和第二個信號控制器。所以稱這樣兩個連續(xù)信號燈組和一個流量的組合為“協(xié)調(diào)路徑的路段”。

對所有相互依賴的協(xié)調(diào)路徑路段上的交通流進行優(yōu)化。在每種情況下，假設(shè)一個周期內(nèi)所有車輛在綠燈時間開始的時候作為一個車隊啟動。這意味著從綠燈時間開始，即將離開的車輛以飽和流率駛出，直到每一個周期的流量放空。

車隊的消散或分解僅僅是由不同的車速導(dǎo)致的，描述車隊發(fā)展的公式是由羅伯遜1969年[2]提出的。這個離散模型以1 s為增量來劃分時間并且把數(shù)字顯示為時間t′，車輛到達一段協(xié)調(diào)路徑的末端時，根據(jù)t

車輛到達協(xié)調(diào)路徑的路段末端的數(shù)量計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：

qt——在時間步長t內(nèi)，車輛在協(xié)調(diào)路徑的起始點離去的數(shù)量；

F——F=1/(1+αβT)，α=0.35，β=0.8；

T——在協(xié)調(diào)路徑的路段上的旅行時間(基于定義路段的速度和長度)。

計算排隊長度時，假設(shè)在一個進口道不同車道組有足夠長度的獨立信號組。Vistro通常假定隊列“垂直”，不考慮上游幾個鏈路的排隊溢出或者其他信號組轉(zhuǎn)向能力的影響。

4　干線協(xié)調(diào)優(yōu)化的過程

本文以唐山市北新道為例，闡述干線協(xié)調(diào)優(yōu)化的過程。實例中的交叉口信號周期數(shù)據(jù)，是由唐山市交警支隊所提供的當前信號配時方案得到的；交叉口各進口車流量是由現(xiàn)有的電子警察利用車牌識別技術(shù)得到的；另外，配合視頻監(jiān)控和現(xiàn)場調(diào)查來獲取交叉口的非機動車和行人流量。旨在對北新道現(xiàn)有交通信號進行干線協(xié)調(diào)優(yōu)化，提高通行效率，減少不必要的延誤。

4.1路網(wǎng)參數(shù)配置

按照路網(wǎng)優(yōu)化中交叉口參數(shù)配置要求，設(shè)置交叉口屬性，輸入流量數(shù)據(jù)和信號數(shù)據(jù)。

4.2優(yōu)化方法選擇

Vistro提供的優(yōu)化方法，根據(jù)具體情況可能具有不同的適用性，其優(yōu)化結(jié)果也不相同。本文選擇遺傳算法來對路網(wǎng)進行優(yōu)化，并設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)置如圖3所示。

圖3　路網(wǎng)優(yōu)化設(shè)置圖

4.3運行優(yōu)化

當運行路網(wǎng)優(yōu)化時，Vistro提供了一個進度監(jiān)視器對話框。一旦啟動網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，就會出現(xiàn)進度監(jiān)視器。它顯示優(yōu)化的進度并且允許手動終斷優(yōu)化(在用戶定義的終止條件使優(yōu)化過程自動停止前)。進度作為一個圖表被顯示出來：橫軸表示迭代的數(shù)量(時間)，縱軸表示目標函數(shù)的值(目前最好的解決方案)。目標函數(shù)值是單調(diào)遞減的。優(yōu)化可以被終止，例如，因為當前的解決方案是可以被接受的，或者因為性能解決方案幾乎沒有得到改善。在這個對話框中，訪問一個“error.txt”和一個“messages.txt”文件。“error.txt”可以提供在優(yōu)化不能幫助識別問題時的信息，這些問題可能導(dǎo)致不能正常運行的優(yōu)化；“messages.txt”提供了有關(guān)優(yōu)化本身的詳細信息，包括參數(shù)測試和每一個迭代測試的性能指數(shù)結(jié)果。周期優(yōu)化的界面如圖4所示。

圖4　周期優(yōu)化界面圖

由圖4可知，信號協(xié)調(diào)組按照圖3中的參數(shù)設(shè)置，周期最低邊界120 s，步長5 s，進行多次優(yōu)化，在最下方會顯示“最佳得分”，根據(jù)最佳得分的數(shù)值找右側(cè)對應(yīng)的周期時間，即可確定干線協(xié)調(diào)的公共周期，本實例中最佳周期時間是175 s。

4.4優(yōu)化結(jié)果

Vistro還提供在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化選項卡中以圖形方式顯示優(yōu)化結(jié)果。

(1)優(yōu)化路徑的建立，如圖5所示。

圖5　北新道自西向東優(yōu)化路徑圖

(2)干線協(xié)調(diào)的時空效果圖，如圖6所示。

圖6　北新道干線協(xié)調(diào)優(yōu)化時空間圖

由圖6可知，干線協(xié)調(diào)優(yōu)化后的周期在這條道路上形成了很好的綠波帶。可以直觀表明，Vistro在干線協(xié)調(diào)中具有良好的可操作性、實用性和有效性，應(yīng)用的數(shù)據(jù)來源廣泛易得，使復(fù)雜的干線協(xié)調(diào)過程變得容易操作。在解決延誤問題上，具有很強的適用性。

5　結(jié)語

鑒于路網(wǎng)優(yōu)化的主要內(nèi)容是信號協(xié)調(diào)，所以本文以唐山市北新道的干線協(xié)調(diào)控制項目為例，詳細介紹了Vistro如何在路網(wǎng)干線協(xié)調(diào)中的應(yīng)用，并對Vistro優(yōu)化的原理、相關(guān)參數(shù)的配置以及優(yōu)化算法進行了介紹，并且從Vistro優(yōu)化后的時空簡圖中看出了干線協(xié)調(diào)的效果。Vistro克服了傳統(tǒng)干線協(xié)調(diào)方法的缺點，吸收了遺傳算法的優(yōu)點，在路網(wǎng)優(yōu)化中的應(yīng)用效果準確高效。然而，本文只對使用

Vistro進行干線協(xié)調(diào)的結(jié)果作定性直觀展示，并未對其進行定量分析，這是下一步應(yīng)該努力的方向。Vistro的路網(wǎng)優(yōu)化功能強大，在應(yīng)用實踐中可以繼續(xù)探索。

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Vistro Application Research in Urban Trunk Road Coordination

LIU Xiao-wei，MEI Dong-chen

(Traffic Management Engineering Department，People’s Public Security University of China，Beijing，102623)

In the urban road network，the main content of road network optimization is the signal coordination，while the signal coordination is mainly focused on the trunk road coordination.This article de-scribed the Vistro road network optimization theory and related parameter configuration methods，and introduced the related method and theory of applying the Vistro in urban trunk road coordination，then with Beixin Road in Tangshan City as an example，it used the genetic algorithms to conduct the trunk road coordination optimization analysis for intersection signal control programs，and obtained the opti-mized renderings.The results proved that Vistro has better practicability and efficiency in urban trunk road coordination.

Urban road；Road network optimization；Vistro；Signal coordination；Trunk road coordination

U412.37

A

10.13282/j.cnki.wccst.2016.03.022

1673-4874(2016)03-0080-06

2016-03-06

劉曉偉(1991—)，在讀碩士研究生，研究方向：交通安全執(zhí)法技術(shù)；

梅冬晨(1991—)，在讀碩士研究生，研究方向：交通安全執(zhí)法技術(shù)。

國家科技支撐計劃項目“‘十二五’重大突發(fā)事件快速響應(yīng)與決策支持及系統(tǒng)開發(fā)”(項目編號：2014BAG01B0 501)