干線局部擁堵的綠波帶與紅波帶協調控制策略

馬亞鋒，劉 瀾

(西南交通大學交通運輸與物流學院，四川成都610030)

干線局部擁堵的綠波帶與紅波帶協調控制策略

馬亞鋒，劉 瀾

(西南交通大學交通運輸與物流學院，四川成都610030)

中國城市機動車保有量快速上升，導致交通需求與供給之間的矛盾日益突出，城市交通擁堵日益嚴重。針對干線局部擁堵提出綠波帶與紅波帶協調控制策略。其原理是：通過綠波帶控制，利用下游交叉口和路段，對瓶頸交叉口的擁堵車流進行快速疏散和卸載；通過紅波帶控制，運用上游交叉口和路段的空間優勢，有效地將到達瓶頸交叉口的車流分別截流在上游的交叉口和路段，延長其到達瓶頸交叉口的行程時間，以防止瓶頸交叉口的擁堵蔓延和上溯。選擇交叉口進口道協調相位飽和度和路段排隊長度比作為評估指標，討論協調控制策略的啟動與結束條件。通過交叉口關聯度模型分析協調控制的范圍，并對協調控制的綠波帶和紅波帶進行控制方案設計。算例分析表明，綠波帶與紅波帶協調控制策略可以明顯降低車輛在干線交叉口上的平均停車次數(-15%)和平均延誤(-27%)，提高干線交通運行效率。

城市交通干線；局部擁堵；綠波帶；紅波帶；協調控制策略

0 引言

交通擁堵已成為困擾和限制大城市發展的重要因素之一，因擁堵而產生的經濟和環境損失也在逐年上升。干線道路作為城市交通通行的大動脈，具有等級高、運行速度快、通行能力大等優點，對交通的集散和疏導具有非常重要的意義。確保干線通暢運行，避免和減緩干線交通擁堵是城市交通正常運行的重要保障。在交通量大的情況下，尤其是早晚高峰時段，大量車輛不斷進入干線道路，容易在關鍵交叉口或者瓶頸交叉口排隊累積形成擁堵，嚴重時甚至會上溯溢出，阻斷和延緩本向和相交方向的車輛通行，極大地降低交通網絡的通行效率。此時原有的信號配時不僅無法適應和緩解擁堵，反而會加劇擁堵向更大范圍蔓延，需要針對干線道路交通狀況，開發更加有效的控制策略和方法，防止擁堵蔓延，降低交叉口排隊溢出的可能性。

瓶頸交叉口之所以容易發生擁堵，是因為車輛的到達流率大于離開流率，無法在一個正常的綠燈時間內放空交叉口累積的全部車輛。滯留車輛隨著每個周期進行累積，形成排隊甚至溢出到上游交叉口的現象，影響本向和相交方向車輛通行，加劇交通擁堵。而解決問題的關鍵在于積極增加下游車流卸載能力并降低上游車輛的到達流率。本文研究以綠波帶和紅波帶協調控制方法緩解瓶頸交叉口的擁堵，避免和減少其上溯可能引起的局部擁堵。

1 研究與應用現狀

國內外專家學者對干線交通擁堵的管理和控制進行了大膽的嘗試和細致的研究。文獻[1]研究綠燈相位下飽和流和非飽和流的特征，通過對車輛排隊長度和相位差的研究生成擁堵控制策略。文獻[2]考慮到干線道路高峰小時的潮汐現象，設計用于擁堵條件下分方向的公交優先控制策略，可以有效提高公共汽車運行效率。文獻[3]通過進行連續的時間和空間維度上的駕駛人行為仿真，采用多目標、多智能體的信號控制結構，產生擁堵控制策略，可以有效降低車輛的延誤和排隊上溯。文獻[4]引入元胞自動機模型，考察SynChro綠波控制下車輛排隊的演變，得出綠波控制的核心在于車輛(車隊)的速度控制，減少車輛之間的速度差；文獻[5]通過對車輛速度的研究得出綠波系統的車速控制可以使車輛運行軌跡更順暢，同時有利于減少尾氣排放。文獻[6]提出以擁堵地點為終點，向上游設置紅波帶控制模型，對駛向擁堵點的車流進行截留處理，以緩解擁堵。文獻[7]提出干線道路局部擁堵的紅波帶控制策略并進行了流程和控制參數設計。文獻[8]研究了干線交叉口的截留卸載設計對中心區交叉口交通壓力的緩解作用，以保山市正陽路為例進行實例分析，取得較好效果。

學者和科研機構也開發了交通控制系統和優化軟件應用于干線交通擁堵控制中。典型的軟件包括：SynChro根據交通狀態劃分，在擁堵條件下采用事先設定的相位差，為排隊方向提供負向相位差或縮小周期以緩解擁堵[9]；TRANSYT-7F系統提出針對干線交通擁堵的聯動控制方法，采用逐步模擬的方式對交通擁堵狀況進行模擬分析并產生控制方案[10]；SCOOT系統通過檢測器的合理設定來檢測交通擁堵的發生，在處理干線交通擁堵問題時，采用小增量尋優方法形成控制策略[11]；SCATS系統根據干線交通狀態，按照各相位飽和度相等或接近的原則，通過調整各個相位的綠信比，增加擁堵相位的綠燈通行時間來緩解擁堵[12]。

已有的大部分研究成果主要是在交叉口滿足排隊長度約束下，通過改變交叉口的配時方案和設置不同交叉口之間的綠燈相位差，使車流盡快通過交叉口(群)，將上游的車輛盡快疏散到下游，從而達到疏散擁堵的目的。也有部分學者提出采用紅波控制方法來緩解擁堵，但是只針對單個交叉口擁堵的情況，沒有充分考慮多個交叉口擁堵及支線競爭相位的擁堵控制問題。根據干線控制的原理和實踐可知，干線控制主要適用于中等及中等以下的交通量，在擁堵條件下控制效果欠佳，因為其本質是犧牲支線競爭相位的綠燈時間以滿足干線的快速通行，實際上干線除關鍵交叉口以外其他交叉口的綠燈時間均較為充裕。在交通量較大的情況下，干線控制不僅會導致支線由于通行時間不足而產生擁堵，也會導致干線上的局部擁堵(一般發生在關鍵交叉口，本文統稱為“瓶頸交叉口”)，而干線局部擁堵必然會壓縮通行帶的寬度，降低通行帶的通過能力，導致滯留車輛的累積，加劇交通擁堵上溯溢出。因此，在干線局部擁堵情況下，應綜合考慮下游卸載能力和上游截流能力，通過設置綠波帶和紅波帶的方法疏解擁堵交叉口。

2 綠波帶與紅波帶協調控制原理與實施流程

2.1 基本原理

綠波帶與紅波帶協調控制策略是以發生擁堵的瓶頸交叉口為中心，建立向下游的綠波帶和向上游的紅波帶控制系統，使向下游行駛的車輛盡量順暢地通過下游路段和交叉口，增大瓶頸的通過能力；同時使上游車輛在到達瓶頸交叉口之前在上游交叉口多次停車，增加上游車輛到達瓶頸交叉口的行程時間，間接地降低瓶頸交叉口的交通到達流率(見圖1)。在減少上游流入率的同時增加下游的流出率，以達到減輕瓶頸交叉口交通壓力、緩解干線交通擁堵的目的。其核心思想是將下游卸載和上游截流相結合，預防瓶頸交叉口交通擁堵的擴散和上溯，利用干線上多個交叉口和多條路段組成的系統疏解擁堵，避免只對擁堵交叉口進行疏導的傳統方法的局限性。雖然綠波帶與紅波帶協調控制策略會增加上游車輛的停車次數，但是并不一定會增加上游車輛和協調范圍內車輛的交通延誤。紅波帶控制策略只是將瓶頸交叉口的多個周期停車排隊轉化為多個上游交叉口的單周期停車排隊，同時還可以避免擁堵的惡化。

2.2 實施流程

實施綠波帶與紅波帶協調控制策略之前，首先應判斷干線上各個交叉口的交通狀態以決定是否啟用綠波帶與紅波帶控制策略，接著確定控制范圍和啟動時機，計算控制參數，得出協調控制方案。在控制方案運行過程中，實時監測交通狀態的變化，檢驗控制方案的效果并進行優化；當瓶頸擁堵解決后恢復原有交通控制方案，以提高交通運行效率(見圖2)。

2.3 啟動與結束條件

評估干線上的瓶頸交叉口，一方面需要考慮其在綠燈時間的通過能力，主要反映當前交叉口的疏解能力；另一方面需要考慮其上游連接路段的容納能力，可以反映瓶頸交叉口對上游來車的緩沖能力。本文選用交叉口進口道協調相位飽和度SCP(Saturation of Coordinated Phase)[7,13]和路段排隊長度比QR(Ratio of Queue Length on Segments)[14]分別對瓶頸交叉口的疏解能力和緩沖能力進行評估。考慮到對交通擁堵的預測作用、交通的不均衡性和上游交叉口的右轉交通(中國不控制右轉交通)，對選取的兩個指標分別預留一定的富余空間。

圖1 綠波帶與紅波帶協調控制原理Fig.1 Principle of coordinated control of green wave and red wave band

通常飽和度為80%～90%時，交叉口可以獲得較好的運行條件；當達到100%時，擁堵已形成并且會在短時間內迅速蔓延導致交通環境惡化。因此，本文認為交叉口進口道協調相位飽和度臨界值取90%較為合適。對于路段排隊長度比的臨界值，考慮路段對上游車輛的緩沖作用和瓶頸交叉口進口道排隊車輛在綠燈放行時的疏散時間，取0.85。

綠波帶與紅波帶協調控制策略啟動與結束的條件應該綜合上述兩個指標。當檢測到SCP≥0.9且QR≥0.85時，達到啟動時機，計算協調控制方案，實施協調控制并實時優化。啟動之后，當 SCP＜0.9且QR＜0.85時，達到綠波帶與紅波帶協調控制策略的結束閾值，認為交通擁堵已得到有效緩解，結束協調控制策略，恢復原有控制方案。

2.4 協調控制范圍

綠波帶與紅波帶協調控制需要確定合理的控制范圍。一方面可以避免范圍過小無法有效地對交通流進行截流和卸載，導致在擁堵疏散和控制中的局限性。同時，也可以避免控制范圍過大，將與瓶頸交叉口擁堵方向不太相關的路段和交叉口一并劃入，增加控制難度，無法及時有效地實現交通擁堵控制和疏散效果。因此，選擇合適的控制范圍對協調控制策略的實施和交通擁堵的控制至關重要。

采用美國《統一交通控制設施手冊》(Manual on Uniform Traffic Control Devices,MUTCD)[15]中的模型計算交叉口關聯度。

式中：I為交叉口關聯度；t為從上游交叉口到達下游交叉口的行程時間/s；n為上游交叉口的車輛駛入分支數(交叉口路段數-1)/輛；qmax為上游交叉口主線方向的最大流率/(輛·h-1)；qi為上游交叉口i到達下游交叉口的流率/(輛·h-1)。該手冊認為當I≥0.4時，兩個交叉口之間具有較強關聯性。參考該手冊，本文選取關聯交叉口作為控制范圍的原則為：

1）干線上與瓶頸交叉口相鄰的交叉口直接劃入控制范圍；

2） 上游交叉口 I≥0.4且 QR＜0.85時，選擇其作為紅波控制交叉口，下游交叉口I≥0.4時，選擇其作為綠波控制交叉口；

3）考慮到實際的計算量和控制成效，當上、下游控制交叉口數量均達到5個時，達到控制范圍上限，不再選取新的控制交叉口。

3 協調控制策略及方案設計

在干線協調控制系統中，所有交叉口采用一個信號周期，稱為公共周期，其來源是干線協調控制系統中全部交叉口的最大周期；各交叉口規定某一方向為協調方向，產生協調相位；沿著協調方向相鄰的兩個交叉口的綠燈或紅燈起點時間差為相對相位差，各交叉口的綠燈或紅燈起點相對于標準交叉口的時間差為絕對相位差。設計協調控制系統時要調查收集各交叉口的交通數據，對公共周期、各交叉口的綠信比和相位差進行優化計算。

在方案設計時，假設已知干線上控制范圍內所有交叉口和路段的幾何參數和交通流數據，瓶頸交叉口的位置、各路段上車輛的行程速度及原有的信號控制方案。

3.1 下游綠波帶設計

如圖3所示，0號交叉口是干線上的瓶頸交叉口，自西向東方向發生擁堵，需協調下游的1，2，3，4號交叉口。

3.1.1 公共周期

式中：Li為第i個交叉口的周期損失時間/s，等于其各相位的損失時間之和；Yi為第i個交叉口各相位的總交通量。

依據各交叉口的交通流參數，采用單點信號控制計算方法，求出各交叉口的最佳信號周期和綠信比，選取與原有公共周期接近或者比原有公共周期略大的信號周期作為最終的公共周期C。其中，采用韋伯斯特法計算最佳周期

3.1.2 綠波帶相位差

在圖3中設置從0到4號交叉口的綠波帶協調控制，計算其相鄰交叉口的相位差

3.1.3 相位差修正

考慮到交叉口排隊車輛和上游競爭相位的左轉和右轉車流的駛入，如果按照理想的相位差進行設置，協調相位的交通流到達時已有部分車輛排隊通行，影響綠波帶通行效率。因此，可以對下游交叉口協調相位設置一個提前量，提前將排隊車輛清出進口道，從而當協調相位車流到達時，可以直接通行。應用提前量修正后的相位差

圖2 實施流程Fig.2 Practice framework

圖3 下游綠波帶交通控制示意Fig.3 Downstream green wave control strategy

式中：Oi→j為修正后相鄰交叉口i與交叉口j之間的相位差/s；ter為相位差提前量/s；為下游交叉口 j每周期排隊車輛數平均值/pcu，可由統計得出；S為下游交叉口 j協調相位的飽和流率/(pcu·h-1)。

3.2 上游紅波帶設計

如圖4所示，0號交叉口是干線上的瓶頸交叉口，自西向東方向發生擁堵，需協調上游的1，2，3，4號交叉口。采用紅波信號控制系統，通過交通控制設施對交通流進行分解和截流。紅波帶控制策略中每組相鄰的交叉口形成一個截流系統，是一個離散控制系統，與綠波帶控制策略的連續性具有很大差異。

紅波帶的公共周期采用公式(2)中所得的公共周期C。其上游交叉口i的綠燈啟亮時刻與相鄰的下游交叉口 j的紅燈啟亮時刻之間的時間差(Time Gap,TG)恰好為車流從上游交叉口i到下游交叉口 j的行程時間

圖4 上游紅波帶交通控制示意Fig 4 Upstream red wave control strategy

相應的紅燈啟亮相位差分以下3種情況進行討論：

1） TGi→j＜Gi＜C ，即車流從上游交叉口i到下游交叉口 j的行程時間小于上游交叉口i的綠燈時間Gi，此時紅燈啟亮相位差

2） Gi＜TGi→j＜C ，即車流從上游交叉口i到下游交叉口 j的行程時間大于上游交叉口i的綠燈時間，同時小于公共周期，此時紅燈啟亮相位差

3） TGi→j＞C，即車流從上游交叉口i到下游交叉口 j的行程時間大于公共周期，此時紅燈啟亮相位差

綜合上述分析可得，紅波帶控制策略中相鄰兩個交叉口之間的紅燈啟亮相位差

關于紅波帶控制中的綠燈時間，在保證競爭相位的車輛順暢通行的條件下，采用反饋策略進行設置。在下游路段上距離下游交叉口85%處設置檢測器，當檢測到此處有排隊停車時，即認為此路段及其下游交叉口已趨于飽和。向上反饋至上游交叉口切換相位，中止上游交叉口的綠燈放行，以預防下游擁堵蔓延和上溯。

4 算例分析

如圖1所示的交通干線，初始采用綠波帶交通控制，綠波帶速度為40km·h-1。在某一時刻，交叉口A產生擁堵，達到協調控制策略啟動條件，同時設上游來車流率不變，計算綠波帶與紅波帶協調控制前后車輛在路徑C→B→A→D→E上各交叉口的平均停車次數及平均延誤，結果見表1。

由表1可得，采用協調控制策略后，上游交叉口車輛的停車次數和延誤均有所增加，但是干線上的平均停車次數由5.3次降至4.5次，下降15%；平均延誤從196.8 s降至143.6 s，下降27%。可見，此協調控制策略可以明顯降低車輛在局部擁堵干線上的停車次數和交通延誤。

表1 各交叉口協調控制前后平均停車次數及平均延誤對比Tab.1 Comparison of stop times and average delay at each intersection before and after implementing coordinated control

5 結語

本文針對城市交通干線局部擁堵條件下的交通預防、控制與疏導問題，提出綠波帶與紅波帶協調控制策略。旨在通過綠波帶控制，利用下游交叉口和路段，對瓶頸交叉口的擁堵車流進行快速疏散和卸載；同時通過紅波帶控制，運用上游交叉口和路段的空間優勢，有效地將到達交叉口的車流分別截流在上游交叉口和路段上，延長其到達瓶頸交叉口的行程時間，以防止瓶頸交叉口的擁堵蔓延和上溯。

算例分析表明，綠波帶與紅波帶協調控制策略可以明顯降低車輛在干線交叉口的停車次數(-15%)和交通延誤(-27%)，提高干線交通運行效率，具有一定的實用性和可行性。該方法操作性強、簡單快捷，可應用于城市路網中干線交通局部擁堵的管理與控制。

本研究的不足之處在于對上游交叉口的交通狀態考慮較少，只簡單通過在交叉口上游路段85%處設置檢測器來判斷，可能會使上游交叉口產生擁堵。其次，缺乏對紅波帶設置后交通流向其他路段和方向轉移的分析，后續將著重開展相關研究。

[1]Qi Qunli,Wu Aoxiang,Yang Xiaoguang.A Strategy on Coordination Control Under Saturated Condition[J].Procedia:Social and Behavioral Sciences,2013,96:1880-1889.

[2]Gao Liuyi,Xiao Jianhu,Wang Wei,Yu Shanshan.Development and Evaluation of a Green Wave Control Algorithm Based on Two-Way Bandwidth Maximization for Transit Signal Priority[J].Applied Mechanics and Materials,2014,505-506:1046-1054.

[3]Khamis M A,Gomaa W.Adaptive Multi-Objective Reinforcement Learning with Hybrid Exploration for Traffic Signal Control Based on Cooperative Multi-Agent Framework[J].Engineering Applications of Artificial Intelligence,2014,29(3):134-151.

[4]Castillo F,Toledo B A,Mu?oz V,et al.City Traffic Jam Relief by Stochastic Resonance[J].Physical A:Statistical Mechanics and Its Applications,2014,403:65-70.

[5]Niu Dening,Sun Jian.Eco-Driving Versus Green Wave Speed Guidance for Signalized Highway Traffic:A Multi-Vehicle Driving Simulator Study[J].Procedia:Social and Behavioral Sciences,2013,96:1079-1090.

[6]秦敏.道路交通瓶頸路口的紅波協調控制策略[J].貴州師范學院學報，2010，26(6)：33-36.Qin Min.Strategy of Red Wave Coordinating Control in Traffic Bottleneck Junctions[J].JournalofGuizhou EducationalInstitute,2010,26(6):33-36.

[7]孫洪運，陳東靜，肖琳，吳兵.干線局部擁擠條件下紅波帶信控策略設計與實施研究[C]//中國智能交通協會.第七屆中國智能交通年會優秀論文集：智能交通技術.北京：電子工業出版社，2012：177-184.

[8]許世春，肖海承，劉峰，金成英.中心城區干道交叉口截流卸載設計與實例應用[J].交通科學與工程，2012，28(4)：85-89.Xu Shichun,Xiao Haicheng,Liu Feng,Jin Chengying.Closure and Uninstall Design and Application of Arterial Intersections of Central Urban[J].Journal of Transport Science and Engineering,2012,28(4):85-89.

[9]Drillon G,Carbone A,Fischer G.SynChro:A Fast and Easy Tool to Reconstruct and Visualize Synteny BlocksAlong Eukaryotic Chromosomes[J].PLoS ONE,2014,9(3):e92621.

[10]Dell'Orco M, ?zgür Ba?kan,Marinelli M.Artificial Bee Colony-Based Algorithm for Optimising Traffic Signal Timings[C]//Sná?el V,Kr?mer P,K?ppen M,Schaefer G.Advances in Intelligent Systems and Computing.New York:Springer International Publishing,2014:327-337.

[11]Siemens Traffic Controls Ltd.Scoot User Guide:Version 4.2[DB/CD].Poole:Siemens Traffic Controls Ltd,2003.

[12]Roads and Traffic Authority of NSW.Scats 6 Operating Instructions[R]. New South Wales:Roads and Traffic Authority of NSW,2000.

[13]柳祚滿.過飽和干道交通信號控制策略研究[D].成都：西南交通大學，2013.Liu Zuoman.Research on Traffic Signal Control Methods of Trunk Road Under Oversaturated State[D].Chengdu:Southwest Jiaotong University,2013.

[14]劉瀾，馬亞鋒.基于出入流率的交通擁擠量化研究[J].公路交通科技，2013，30(3)：111-118.Liu Lan,Ma Yafeng.Traffic Congestion Measurement Based on Inflow and Outflow Rates[J].Highway and Transportation Research and Development,2013,30(3):111-118.

[15]Federal Highway Administration.Manual on Uniform Traffic Control Devices[R].Washington DC:Federal Highway Administration,2009.

Coordinated Control of Green Wave and Red Wave Band for Arterials

Ma Yafeng,Liu Lan
(School of Transportation&Logistics,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610030,China)

With the significant increasing of motor vehicles ownership across Chinese cities,the contradiction between the travel demand and supply becomes more and more prominent,which makes urban traffic congestion deterioration.A coordinated control strategy of green wave and red wave band is thus proposed for mitigating traffic congestion on arterials in this paper.It is designed to use green wave band for utilizing the capacity of downstream intersections and segments to discharge the congested traffic at the bottleneck intersections,in the meantime,to use red wave band for utilizing the space on upstream intersections and segments to hold the traffic approaching bottleneck intersections.The paper further selects saturation of coordinated phase and ratio of queue length as indicators for controlling activation and termination of proposed strategy.Then,a relation model is adopted to explore the workable range of proposed methodology.The results show that coordinated control strategy is able to reduce the average number of stops by 15%and delays by 27%.

urban arterials;local congestion;green wave band;red wave band;coordinated control strategies

1672-5328（2017）01-0066-06

U491.5+4

A

10.13813/j.cn11-5141/u.2017.0110

2015-01-01

馬亞鋒(1988—)，男，陜西咸陽人，在讀博士研究生，主要研究方向：交通擁堵。E-mail:mayafeng1988@126.com