交通信號協調控制的方案過渡研究

丁海龍

(連云港杰瑞電子有限公司，江蘇 連云港 222000)

交通信號協調控制作為提高出行效率的有效手段，對維護城市道路交通秩序安全的意義重大，越來越受交通管理者重視，近年來全國各地廣泛應用。在協調控制中，配時變化、時鐘調整、緊急優先等情況出現時，通過延長或縮短周期綠信比，實現相位差平穩、連續過渡調整的過程稱為方案過渡[1-8]。以傳統方案過渡方法及其衍生算法[9]為代表的平滑過渡算法，有較多研究成果，Lieberman等[10]提出過一種以過渡持續時間最短為目標的RAST(Rapid Signal Transition Algorithm)過渡算法；宋現敏[11]提出過基于不同過渡轉換時間建立一次、二次、三次平滑過渡方法；譚偉麗[12]提出過一種面向活躍相位的干線協調信號控制配時方案過渡算法；郭海峰等[13]提出過以最佳相位差調整量為依據的快速平滑過渡方法；樹愛兵等[14]提出過基于周期時長調整范圍與綠燈時間分配策略的協調控制過渡方法。上述幾種方法雖然能解決一些平滑過渡算法在過渡時長波動性較高的缺陷，但在移植信號機實戰應用時，仍存在兩個典型問題，一是未考慮延長與縮短策略內在關聯，決策單一；二是未考慮協調及通行對綠信比需求，分配不均。

1 兩級決策模型

1.1 過渡調整判定

假定公共周期C，階段總數n，協調相位差O，階段i的基礎時長ti_base，則周期切換時刻的期望相位差

(1)

式中：k為協調階段號。

周期切換時刻與統一時鐘基準點的偏差Tlocal，則實際相位差

Qreal=mod(Tl0cal,C)

(2)

若Oreal=Oexpect，無需過渡調整，否則，需要過渡調整。

1.2 關聯調整量

需要過渡調整時，分以下兩類情況討論

若Oreal

Tadj_plus=Oexpect-Oreal

(3)

Tadj_minus=C-Oexpect+Oreal

(4)

若Oreal>Oexpect，縮短調整量及關聯的延長調整量分別為

Tadj_minus=Oreal-Oexpect

(5)

Tadj_plus=C-Oreal+Oexpect

(6)

上述兩種情況中，延長與縮短調整量在[1,C-1]內的模值之和等于周期值，即

Tadj_plus+Tadj_minus=C

(7)

Tadj_plus∈[1,C-1]與Tadj_minus∈[1,C-1]互稱為關聯調整量。

1.3 總過渡周期數

延長調整所需過渡周期數

Rtsplus=[Tadj_plus/ΔCtunit_plus]

(8)

式中：ΔCtunit_plus為周期最大可延長秒數。

縮短調整所需過渡周期數

c

(9)

式中：ΔCtunit_minus為周期最大可縮短秒數。

依據互為關聯調整量的特性，縮短過渡調整總過渡周期數的延長表達為

Rtsminus=[(C-Tadj_minus)/ΔCtunit_minus]

(10)

以公共周期120 s為例，分別對單周期延長和縮短調整時長占周期5%、15%、25%的總過渡時長進行對比研究，其中左側豎線區域表示，在當前Tadj_plus下，延長過渡調整所需的周期數更小；右側細點形成的橫線區域表示，在當前Tadj_plus下，縮短過渡調整所需的周期數更小；中間粗黑區域表示，在當前Tadj_plus下，延長與縮短過渡調整所需的周期數相等。同時，隨著Tadj_plus的增加，延長所需過渡調整周期數逐漸階梯增加，縮短所需過渡調整周期數逐漸階梯下降；階梯寬度與單周期調整量正相關。

1.4 總過渡調整時長

延長過渡調整總過渡調整時長

Ttotal_plus=Rtsplus×C+Tadj_plusRtsplus>0

(11)

縮短過渡調整總過渡調整時長

Ttotal_minus=Rtsminus×C-Tadj_minusRtsminus>0

(12)

依據互為關聯調整量的特性，縮短過渡調整總過渡調整時長的延長表達為

Ttotal_minus=[(C-Tadj_plus)/ΔCtunit_minus]×C-(C-Tadj_plus)Rtsminus>0

(13)

如圖2所示，同樣以公共周期120s為例，分別對單周期延長和縮短調整時長占周期5%、15%、25%的總過渡時長進行對比研究。其中左側豎線區域表示，在當前Tadj_plus下，延長過渡調整所需的總過渡時長更小；右側細點形成的橫線區域表示，在當前Tadj_plus下，縮短過渡調整所需的總過渡時長更小；中間粗黑區域(交點)表示，在當前Tadj_plus下，延長與縮短過渡調整所需的總過渡時長相等。單周期延長調整值不變時，單周期縮短調整值增加，交點左移，延長優勢區減少，縮減優勢區增加；單周期縮短調整值不變時，單周期延長調整值增加，交點右移，延長優勢區增加，縮減優勢區減少。

1.5 TS與Dev兩級決策模型

上述對比分析結果表明，不同條件下，延長與縮短調整策略的優勢區間并不相同，挑選合適的調整策略，有利于降低過渡調整對交通波動影響。因此，本文設計了基于總過渡調整時長較小及與調整前后周期中值偏離度較小優化目標的兩級過渡決策模型。

模型第一級，側重調整速度，總過渡調整時長差異過大時挑選較小的過渡調整策略；模型第二級，側重方案波動，總過渡調整時長差異在一定范圍內時，選擇與調整前后周期中值偏離度較小的過渡調整策略。

以延長與縮短兩種過渡調整策略的總過渡調整時長差值的絕對值與切換后周期時長之比構建TS指標，即

(14)

若TS>1，延長與縮短過渡調整策略的總過渡調整速率差異明顯，選擇min{Ttotal_plus,Ttotal_minus}對應的調整策略；否則，調整速率相差不大，考慮減少方案過渡波動，用單周期過渡調整時長與調整前后周期中值差值的絕對值表示偏離度，令切換前的周期Cper，則

Cmid=(Cper+C)/2

(15)

延長過渡調整單周期時長與中值偏差的絕對值

(16)

縮短過渡調整單周期時長與中值偏差的絕對值

(17)

若Devplus≤Devminus，選擇延長過渡調整策略；否則選擇縮短過渡調整策略。

2 綠信比分配

2.1 延長調整

決策模型輸出延長過渡調整策略時，優先延長協調階段綠燈，再對非協調階段逐秒均勻延長，周期及階段的延長調整時長不可超過單周期及各階段最大可延長秒數。

令單周期剩余所需調整時長初始值為

(18)

優先延長協調階段綠燈，即協調階段時長

(19)

式中：Δtk_plus為協調階段k最大可延長秒數，tk_up為協調階段k的上限時長。

更新單周期剩余所需調整時長

(20)

繼續循環逐秒分配至各非協調階段，直至該剩余調整時長為0；

2.2 縮短調整

決策模型輸出縮短過渡調整策略時，優先對非協調階段逐秒均勻縮短，再縮短協調階段綠燈，周期及階段的縮短調整時長不可超過單周期及各階段最大可縮短秒數。

令單周期剩余所需調整時長初始值為

(21)

優先對非協調階段逐秒分配縮短，非協調階段最大總縮短消耗時長

(22)

式中：Δti_minus為非協調階段i最大可縮短秒數。

更新單周期剩余調整時長

(23)

若ΔCtreal>0，繼續通過延長協調階段綠燈時長消耗該調整時長

tk_base=tk_base-ΔCtreal

(24)

3 算例分析

3.1 算例背景

依托杰瑞自研信號機在環仿真算法驗證系統，搭建小型協調路網，驗證兩級過渡決策模型與綠信比分配方法運行效果。從左到右，分別為路口1至路口3。

各路口配置信息，見表1。

3.2 模型決策

(1)TS指標決策

路口1的TS=1，總過渡調整速率相差不大，進一步基于Dev指標決策；

路口2的TS=2，總過渡調整速率差異明顯，選擇更快的延長調整策略；

路口3的TS=1，總過渡調整速率差異明顯，選擇更快的縮短調整策略。

(2)Dev指標決策

僅路口1需要執行Dev指標決策。其延長過渡調整單周期時長與中值偏差的絕對值Devplus=25，縮短過渡調整單周期時長與中值偏差的絕對值Devminus=11，即Devplus>Devminus，則路口1選擇縮短過渡調整策略。

(3)過渡調整策略輸出

各路口的過渡調整策略輸出，如表2。

表1 路口配置方案

表2 各路口過渡調整策略

3.3 綠信比分配

(1)以路口2為例，展示延長分配過程

①初始ΔCtreal=20；

②優先延長協調階段時長

協調階段時長t1_base=44，更新ΔCtreal=1；

③繼續均勻延長非協調階段時長

第一輪，{t2_base,t3_base,t4_base}修正為{28,38,28},更新ΔCtreal=2；

第二輪，{t2_base,t3_base,t4_base}修正為{28,40,28},更新ΔCtreal=0；

④最終，{t2_base,t3_base,t4_base}修正為{44,28,40,28}，過渡周期ΔCtreal=140。

(2)以路口1為例，展示縮短分配過程

①初始ΔCtreal=16；

②優先均勻縮短非協調階段時長

第一輪，{t1_base,t2_base,t4_base}修正為{32,22,22}，更新ΔCtreal=7；

第二輪，{t1_base,t2_base,t4_base}修正為{30,20,22}，更新ΔCtreal=3；

③繼續縮短協調階段時長

協調階段時長t3_base=32，更新ΔCtreal=0；

④最終，{t1_base,t2_base,t3_base,t4_base}修正為{30,20,32,22}，過渡周期Ctreal=104。

4 結 語

本文深入研究出延長與縮短兩種過渡調整策略在總過渡周期數和總過渡調整時長方面的規律，構建包含表征調整速度的TS指標和表證周期中值偏離度的Dev指標的兩級輕量化決策模型，設計符合協調需求與通行需求的綠信比均勻分配方案。并依托杰瑞自研信號機在環仿真算法驗證系統，驗證了決策模型及綠信比分配方法的可操作性和實用性，解決了實踐中常見的決策單一和分配不均的兩個典型問題。