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摘要:交通信號(hào)控制系統(tǒng)是城市交通的基本組成。本文針對(duì)交通路口信號(hào)控制中的時(shí)間分配算法進(jìn)行研究。根據(jù)交通路口抽象模型,綜合多種路口流量因素,引入了綜合流量指標(biāo)來(lái)對(duì)交通流量進(jìn)行量化描述。并且以該綜合指標(biāo)為中心設(shè)計(jì)了具備自適應(yīng)能力的信號(hào)控制算法,實(shí)現(xiàn)了能夠依據(jù)交通流量狀況進(jìn)行路口時(shí)間調(diào)整的交通信號(hào)控制系統(tǒng)模型。通過(guò)NetLogo平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),證明該系統(tǒng)模型可以很好地適應(yīng)路通流量變化和差異,一定程度上可以作到對(duì)交通壓力的緩解。

關(guān)鍵詞:交通信號(hào)控制;仿真平臺(tái);自適應(yīng)控制算法;交通動(dòng)態(tài)流量變化

傳統(tǒng)的交通信號(hào)控制算法有人工分配和固定時(shí)

間分配兩種。人工法設(shè)置專人值守進(jìn)行交通信號(hào)變換。而固定時(shí)間分配方法事先經(jīng)過(guò)觀察預(yù)測(cè),得到適宜時(shí)間長(zhǎng)度后進(jìn)行設(shè)置。但是,上述兩種方法都存在各種問(wèn)題。首先,交通流量周期變化大。城市同一路段在不同時(shí)段的流量差異比較大。其次,路口實(shí)驗(yàn)難度大。所以,研究開(kāi)發(fā)一種以體現(xiàn)交通流量的綜合指標(biāo)為中心,具備動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力的信號(hào)控制算法是有必要的。

一、智能控制算法的設(shè)計(jì)

1.路口模型和問(wèn)題假設(shè)模型路口的環(huán)境設(shè)置為類似十字交叉路口環(huán)

境,車輛四個(gè)方向駛向路口。來(lái)自每個(gè)方向經(jīng)過(guò)路口有三個(gè)走向:直行、右行和左行,為方便表示分為三個(gè)車道表示三個(gè)目的方向。對(duì)于交通信號(hào)控制模

型,還需要如下假設(shè)前提:

(1)系統(tǒng)車輛同質(zhì)。模型系統(tǒng)中只考慮機(jī)動(dòng)車行駛因素,忽略自行車和行人參與因素。車輛速度、加速度等指標(biāo)相同車輛行駛規(guī)則一致。

(2)交通信號(hào)每種信號(hào)時(shí)間設(shè)定最小開(kāi)放時(shí)間

tmin。任何一種交通信號(hào)所分配的時(shí)間t由最小時(shí)間tmin和動(dòng)態(tài)延長(zhǎng)時(shí)間Δt組成,即t=tmin+Δt。這樣可以保證任何方向的車流都能夠分配一定時(shí)間份額使車輛通過(guò),維護(hù)分配公平原則。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)

整的時(shí)間只是Δt部分的時(shí)間。

(3)交通信號(hào)變換周期固定。交通信號(hào)變換的周期設(shè)置為一個(gè)固定值T,要求交通信號(hào)在一個(gè)固

定時(shí)間內(nèi)必須完成一個(gè)周期變換。系統(tǒng)控制算法只

在固定的周期時(shí)間中進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

2.四維時(shí)間比例向量交通信號(hào)問(wèn)題為固定時(shí)間的分配問(wèn)題,就是將

規(guī)定的變換周期時(shí)間分配到交通信號(hào)的每種變化中

去,為分配適當(dāng)?shù)臅r(shí)間段。交通信號(hào)系統(tǒng)存在對(duì)稱特性,真正有意義的只有四種信號(hào)。例如:東西向直行的綠燈信號(hào)長(zhǎng)度必然等于南北向直行紅燈信號(hào)長(zhǎng)度。由此,表示交通信號(hào)系統(tǒng)時(shí)間分配情況可以使用四維時(shí)間比例向量表示。T=(t1t2t3t4)為時(shí)間比例向量的表示,含義如下:t1表示東西方向上綠燈信號(hào)時(shí)間比例。所謂時(shí)間比例為占固定周期中可分配時(shí)間的比例,狀態(tài)表示G;t2表示南北方向上黃燈信號(hào)時(shí)間比例,狀態(tài)表示YN;t3表示東西方向上紅燈信號(hào)時(shí)間比例,狀態(tài)表示R;t4表示東西方向上黃燈信號(hào)時(shí)間比例,狀態(tài)表示YE。由固定時(shí)間和信號(hào)最小時(shí)間固定假設(shè),通過(guò)計(jì)算可以得到每種信號(hào)要維持的時(shí)間長(zhǎng)度。

3.流量指標(biāo)的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)流量指標(biāo)為通過(guò)路口的車輛數(shù),不能全面反映流量信息。根據(jù)控制原則和實(shí)現(xiàn)的難易度,將速度和等待車輛兩因素引入指標(biāo)體系。指標(biāo)的測(cè)取都是在等候區(qū)中獲取。所謂等候區(qū)為從路口停車線反向的一段區(qū)域。速度為等候區(qū)車輛的平均速度,平均速度越快表示車流通過(guò)路通系統(tǒng)的時(shí)間相對(duì)短,控制效果好。等待車輛數(shù)為在等待區(qū)停車等待的數(shù)量,等待隊(duì)列中車輛的數(shù)量越多,交通控制效果越差。

4.自適應(yīng)控制算法

四路口流量指標(biāo)R可以用向量St=(st1st2st3st4)表示。進(jìn)行交通時(shí)間的調(diào)整實(shí)際上也就是通過(guò)向量St來(lái)調(diào)節(jié)時(shí)間分配表T。在獲得新流量指標(biāo)向

量后,需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷是否需要進(jìn)行時(shí)間分配調(diào)整。選擇計(jì)算四指標(biāo)的方差,若超過(guò)一定閾值m就進(jìn)行時(shí)間比例向量T的修正調(diào)整。最簡(jiǎn)單的調(diào)整方法就是確定流量指標(biāo)最大和最小項(xiàng)數(shù),根據(jù)預(yù)設(shè)步長(zhǎng)從指標(biāo)值小對(duì)應(yīng)的路口時(shí)間比例中轉(zhuǎn)移步長(zhǎng)

數(shù)量進(jìn)入到指標(biāo)值大對(duì)應(yīng)的路口時(shí)間項(xiàng)中。

二、交通系統(tǒng)控制模型設(shè)計(jì)

交通智能控制系統(tǒng)是隨時(shí)間推進(jìn)不斷檢測(cè)評(píng)估

當(dāng)前路口流量狀況,發(fā)現(xiàn)新流量變動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)時(shí)間比例調(diào)節(jié)的系統(tǒng)。在交通系統(tǒng)模型中,核心的算法

流程為更新AIList表流程。更新AIList向量流程表示根據(jù)流量指標(biāo)向量Adjust-List所反映的流量狀況,對(duì)AIList中的時(shí)間比例進(jìn)行調(diào)整,增加流量大路口的時(shí)間分配比例,同時(shí)減少流量小的路口時(shí)間分配比例。參數(shù)Uptime表示完成的信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)間周

期,當(dāng)交通信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行Tupdate次循環(huán)后,進(jìn)行一次AIList調(diào)整嘗試。

三、仿真實(shí)驗(yàn)和結(jié)果

仿真模型使用NetLogo實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。車輛采用根據(jù)不同方向來(lái)源分為四個(gè)種類E、W、N、S。對(duì)車輛設(shè)置屬性包含車輛當(dāng)前速度Speed、速度上下限Speed-limit和Speed-min。基于流量的自適應(yīng)控制算法優(yōu)勢(shì)在于在十字路口兩向車流量存在明顯差異,算法可以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)行一定周期后調(diào)整出適當(dāng)?shù)臅r(shí)間分配比例向量,從而緩解流量壓力。為驗(yàn)證這種情況,通過(guò)一實(shí)驗(yàn),南北向車流量遠(yuǎn)小于東西向車流量,相差幅度在兩倍左右,而AIList中時(shí)間分配近似一致。這樣就使系統(tǒng)存在相當(dāng)?shù)恼{(diào)整空間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在仿真實(shí)驗(yàn)中,由于流量大,東西向車輛等待隊(duì)列排滿路口等待區(qū)的情況是很難避免的。算法對(duì)路口時(shí)間資源的調(diào)整效果是使得東西向滿等待隊(duì)列的時(shí)間縮短,減少車輛在隊(duì)列中的等待時(shí)間。圖1是兩向路口等待車輛數(shù)目散點(diǎn)圖。其中,細(xì)線表示東西方向等待車輛個(gè)數(shù)。經(jīng)過(guò)觀察可知,粗線取最大值是水平時(shí)間段,說(shuō)明在該段時(shí)間等待區(qū)是滿狀態(tài)。在仿真后期,水平時(shí)間段長(zhǎng)度明顯減少,說(shuō)明經(jīng)過(guò)一個(gè)調(diào)整階段,東西向路口分配的時(shí)間增加,等待隊(duì)列的車輛等待時(shí)間有所減少,路口效率提高。新晨

圖1系統(tǒng)路口等待車輛隨時(shí)間變化圖

在仿真的20個(gè)變換周期中,東西方向車流一共出現(xiàn)了19次等待區(qū)排滿的情況,而隨著系統(tǒng)適應(yīng)能

力的提高,等待隊(duì)列持續(xù)的時(shí)間呈減少的趨勢(shì)。具

體如表1所示:

從表中,東西向車流隊(duì)列等待的時(shí)間從原先的

153逐漸減少到66,說(shuō)明等待的時(shí)間明顯減少。綜合上述數(shù)據(jù)和圖表所述,模型系統(tǒng)有效地減少了流

量大路口等待隊(duì)列的等待持續(xù)時(shí)間,提高了車輛路

口通過(guò)效率。

四、總結(jié)

本文提供方法以提高路口資源利用率,增強(qiáng)路口控制能力為目標(biāo),以時(shí)間資源智能分配為主要手段。控制算法具有根據(jù)路口狀況自主調(diào)節(jié)時(shí)間分配控制策略,動(dòng)態(tài)改變分配規(guī)則,較之傳統(tǒng)交通信號(hào)控制方式更加適應(yīng)復(fù)雜度高的現(xiàn)代城市交通系統(tǒng)。

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