城市交通控制與交通流誘導系統協同的模式與路徑探討

聶冰花

（國家知識產權局專利局專利審查協作河南中心，河南鄭州 450000）

0.引言

隨著目前交通事業的不斷發展，加上越來越多的人開始選擇自主開車出行方式，城市的交通路網開始難以滿足交通需求，出現了許多擁擠情況，交通管理工作也變得更加重要。

1.城市交通控制系統和交通流誘導系統的含義

城市交通控制系統主要是借助于交通控制信號，給予不同方向上的交通流特定的通行權，避免不同方向上的交通流在交叉口位置上出現延誤，或是盡量縮短其實際延誤的時間，重點是做好信號配時[1]。而交通流誘導系統則是指在一定空間范圍內對交通流進行整體的誘導分配，重點是將一些擁擠路段的交通流誘導到不擁擠的路段位置上，疏通路網，而實際分配交通流時還需考慮不同車輛的目的地需求。

2.城市交通控制與交通流誘導系統協同的實際范圍

作為城市交通系統的2個子系統，城市交通控制與交通流誘導之間的協同工程是較為復雜的，在分析其實際協同內容前需要針對協同的范圍進行研究[2]。具體的范圍應當包含著城市基本道路和快速路之間的交通協同、城市基本道路中的信號控制系統與進行交通誘導之間的協同、城市的高速公路和快速路上對動態速度引導方面與調節道路匝道方面的協同等。實際進行協同是對技術的要求較高，交通系統的協同技術體系一般是包括時機判斷技術、協同信息的采集與處理技術、子區域劃分周期技術以及多智能體技術等。交通流的誘導子系統與交通控制子系統協同覆蓋實施技術的協同、策略的協同、信息協同以及模型算法協同，這些協同內容構建出一個基本協同范圍框架。

3.城市交通控制與交通流誘導系統協同的主要內容

深入分析城市交通流誘導系統和交通控制系統之間的協同內容，基于對2個子系統的研究，實現整體協同需要抓住協同重點內容，其主要是包括以下幾點。

3.1 空間協同內容

空間協同主要是指城市交通網絡方面協同處理，從交通網絡的基本結構來看，其具有著網狀連接的復雜路段，連接點為各個路口。因此，也由于這種交通網絡結構過于復雜，在分析交通流與交通控制協同時，通常是將整體結構劃分為幾個子區域，然后再進行協同模型計算，尋求更優的協同路徑[3]。從交通流誘導的方向出發，實際交通的上下路段流量事實上是互為因果的，其關聯性較強，因此可以探究不同路段的關聯性大小以及實際流量，將交通誘導系統作用的誘導區域劃分為幾個子區域，然后對各個區域內的交通流采用動態均衡誘導的方式，在優化其與交通控制系統的協同時，就是對交通流子區域的誘導進行優化。而從交通控制的方向出發，交通控制的核心一般是在路口，以路口為起點進行控制子區域的劃分，然后對各區域路口的信號進行協同控制，但實際交通控制的對象是路口位置的交通流量，所以與交通流誘導系統相比，其不同子區域之間的流量關聯性對交通控制信號產生的影響不太大，主要是與子區域內的交通流量有關。由此可見交通流誘導子區域和交通控制子區域之間在空間覆蓋方面不一致，一般是誘導子區域空間覆蓋較大，因而在進行2個系統的協同時需要考慮的協同內容是，在空間上誘導子區域包含幾個交通控制子區域的問題。

3.2 時間協同內容

不管是交通控制還是交通流的誘導都需要考慮作用時間段的長短問題，該項問題是較為復雜的。在交通控制的時間方面，其控制的周期單位一般是秒，最長的控制周期不會超過2min。而交通控制的時間周期對于交通流誘導來說卻是太短了，甚至來不及對路線進行選擇，或是剛剛執行出行路線，不適宜發送新的交通誘導信息，否則可能會導致道路網的車流出現失穩情況，或是一些車流的停車時間被延長，交通流在線路誘導方面的周期時間是比較長的，一般一個誘導周期跨越了幾個交通控制的周期[4]。除此之外，交通流誘導時還會進行交通信息的預測，周期太短會導致預測難以執行，而過長又會導致準確性下降。在進行交通流誘導系統與城市交通控制系統協同的過程中，需要既滿足周期內誘導策略的穩定實施，又滿足交通控制方面的動態性與實時性要求，確保兩項系統的互相配合，在這一點上進行全面調整。

3.3 信息協同內容

不管是城市交通控制系統還是交通流誘導系統，其在估算道路網絡狀態指標參數值以及實際執行的預測值時都是基于道路網絡的實時交通流量，其所估算的預測值也會作為交通控制與誘導策略的確定基礎[5]。由于兩項系統的目標不一致，實際上其所需的信息方面也存在明顯差異，其信息的側重點和層次都是不同的，但同樣兩者也有著重疊的信息部分，也具有一定關聯性，一些信息是2個系統共享的，在某類信息上其中一個系統的獲取還需獲得另一個系統的支持，二者之間存在互推關系。

3.4 策略協同內容

策略也是一種規劃、一種手段，其實施的目的是為了實現目標，在城市交通控制系統與交通流誘導系統協同的過程中，根據策略的特點來看，其協同的內容包括兩者的目標，協同后的目標將會引導出具體任務、何時執行、怎樣執行以及執行的部門等。在兩項系統策略協同內容當中，綜合了兩者的各項因素，考慮到兩項系統動態實時的互相影響與作用，在某環境下制定一個協同目標，最后選擇一個適應的協同模式。

3.5 模型算法協同內容

城市交通控制系統與交通流誘導系統各自采用不同的模型算法，其實際計算的參數以及模型應用目標也各不相同。城市交通規劃系統的目標是為了保證在道路交叉口位置上車輛的延誤時間達到最小，會建立起延誤模型，在時間導數上設置為零，從而得到相關綠信比和周期的參數數據，而交通流誘導系統的目標是保證道路上的車流能夠處于均衡狀態，結合實時交通情況發布誘導信息，為車輛指明最佳的行駛路線，其模型算法的應用要計算出路網各個路段的實際交通量。在2個系統進行協同時，其實際模型算法中的自變量可能是2種模型都需要的，需要2個系統模型需要進行協同，考慮到另一個系統所帶來的影響，從而使兩者都達到最優運行狀態。

4.城市交通控制與交通流誘導系統之間協同的主要模式與路徑

4.1 城市交通控制與交通流誘導系統之間協同的模式類型

4.1.1 獨立式協同模式

城市交通控制與交通流誘導系統之間采用獨立式的協同模式，其主要是指2個系統在方案和實施策略上相對獨立，但其基礎數據和信息上有存在共享聯系，也就是說2個系統的協同只是在較低層次上，而其實際協同的目的就在于提升系統信息采集與處理效率，以及提升信息數據的可靠性。這種協同方式也被看作是隱性協同，其實際協同作用的體現效果也是有限的，但要趨向于更高層次的協同也需要基于低層次協同。根據實際情況來看，由于交通控制系統與交通流誘導系統之間的協同需要對道路網交通的信息進行采集，但當前的許多交通的檢測設備都是為城市交通控制系統提供的，在采用該協同模式時，要重點考慮怎樣將交通控制、基礎設施、交通規劃等信息共享。

4.1.2 偏重控制式協同模式

該模式下城市交通控制系統與交通流誘導系統之間并不是均勻對稱的，在實施協同時存在主從關系。在偏重控制式的協同模式當中以城市交通控制系統為主導，在進行協同策略生成的過程中，交通誘導系統本身的實時策略將會作為整體協同模型的一種外加變量被運用，在誘導系統的每一個周期中，新生成的策略都需要發送給交通控制系統，從而完善控制系統的決策，這種模式實際上就是對城市交通控制方法的一種改進，其改進是基于交通流誘導系統需求。

4.1.3 偏重誘導式協同模式

偏重誘導式協同模式正是與偏重控制模式相反，其是以城市交通流誘導系統為主導，也就是在實際生成協同策略的過程中，交通控制系統產生的實時策略會被當做整體協同模型的外部變量。同時，在交通控制系統當每一個控制周期內都會將生成的新策略發送給交通流誘導系統，形成了以誘導為主的系統協同形式。

4.1.4 協作式協同模式

采用協作式協同模式的過程中，先是制定2個系統協作的總體目標，這種模式下的城市交通控制系統與交通流的誘導系統是處于平等地位的，且分別依賴于自身模型來運行，解決相應的控制與誘導問題。在這種協同模式的作用下，2個系統所生產的誘導策略與控制策略都是需要雙方進行多次信息共享和交互才能夠保證系統運行時的協調。從本質上看，協作式協同模式事實上是對偏重某一方系統的協同模式進行了改進，同時，為了保證協同時2個系統不發生沖突，通常會制定一些交互規則以及有關目標實現的準則。

4.1.5 遞進式協同模式

這種模式是基于整體交通系統遞進協同的控制思想，先是在低層次上處理實際交通控制和交通流誘導方面的優化問題進行求解，然后對2個系統的優化結果在較高層次上進一步協同。實際協同后還會將結果返回到低層次上，然后將其作為低層次上的初始條件，再充分進行上述操作，最終會獲得一個較為完善的協同方案，能夠切實滿足實際協同的目標，但這種協同模式下只能夠獲得滿意解，卻不是最優的解。

4.1.6 一體化協同模式

一體化協同模式就是指交通控制系統與交通流誘導系統之間建立起統一的系統協同模型，其是將控制系統與誘導系統的所有約束當作是協同系統的總約束，以道路網絡運行總體指標作為導向目標，然后采用多種靜態優化或動態優化的方法進行問題求解，一次性獲得協同后的策略。

4.2 城市交通控制與交通流誘導系統之間協同的路徑和策略

4.2.1 交通狀態暢通時的協同路徑

道路交通系統在非高峰或是夜間時，通常處于暢通狀態，一般認為道路交通車速大于每小時30km時為交通暢通狀態。這種狀態下的道路管理目標是基本實現了，但這不表示不需要進行交通控制和交通流誘導，需要根據道路檢測器獲取到的交通流數據，進一步及時判斷道路交通存在的問題并予以解決，防止出現交通狀態惡化的情況。由于這種狀態下進行控制與誘導的成本都是比較低的，外加其管理難度較小，因此可采用獨立式協同模式，控制與誘導之間的策略不必達成統一，只需要進行信息數據的交互即可。例如，先是通過信息的檢測系統設備對道路各項交通信息進行獲取，其信息包含了交通控制的信息及交通誘導的信息，2個系統獲取到信息后都會將其傳輸到數據信息中心，該中心會對信息進行處理而得到實際交通狀態，若判斷其為暢通交通狀態，則根據相關計算公式與模式來計算并分析2個系統的參數，實現在該狀態下的交通管理。其中，城市交通控制系統所采用的模型算法主要是信號配時法、沖突點法、akcelic法以及韋伯斯特法等，交通流誘導系統所采用的模型算法包括VI模型、數學規劃法以及最優控制法。

4.2.2 交通狀態輕微擁擠時的協同路徑

當道路交通暢通自由流出現混亂時，車輛的車速下降，延長了通行時間，交通狀態開始進入到輕微擁擠階段，這時的主干道通行車速一般是每小時20km～30km。當處于交通輕微擁擠時，交通控制系統與交通流誘導系統之間的協同就會變得更加重要，若是其協同的效果較好，則可以讓道路交通恢復到暢通的狀態。在交通狀態輕微擁擠時，重點的管理是疏散車流，也就是讓交通流量在路網中能夠分布的更加均衡，因此要保證交通控制與交通流誘導都能夠平衡實現，并不適合采用偏向于某一個系統的協同模式。可采用遞進式協同模式，或是協作式協同模式、一體化協同模式。以遞進式協同模式為例，先是交通控制系統檢測到道路處于輕微擁擠的交通狀態，然后其進行交通流的科學分配控制，確保路口位置交通流的延時控制到最短時間，最后控制系統將所控制路段的交通流分配數據信息發送給協同管理系統。與此同時，交通流誘導系統也會根據對道路路段檢測到的交通信息進行預測，判斷出每一種類型車輛最適合的行駛路線，從而進行交通流的路網分配，最后交通流誘導系統會將相關交通流分配數據信息發送給協同管理系統。在協同管理系統當中，會將2個系統所發送的信息進行整合，建立起誘導和控制統一的協同模型，對實際進行誘導和控制的策略做出調整，獲得具有綜合性的新策略進行應用。

5.結語

城市交通流誘導系統和交通控制系統之間的協同，是為了保證2個系統的有效運行，達到避免交叉路口出現行程延誤及整體路網出現擁擠路段的情況。由本文分析可知，其進行協同的模式包括獨立式協同、偏重控制式協同、偏重誘導式協同等多種類型，針對不同的交通狀態應當采用不同的模式。