城市交通干线信号协调控制方案过渡调整策略

城市交通干线信号协调控制方案过渡调整策略*

树爱兵▲张雷元徐棱卢诚

(公安部交通管理科学研究所江苏 无锡 214151)

摘要介绍了国内外当前交通信号协调控制方案过渡方法的研究现状，分析比较了现有的干线协调过渡方法。针对当前过渡调整方法对于交通信号控制机如何实现协调方案的快速调整涉及较少，未考虑交通信号机实现过渡调整过程中的实际需求等不足，以当日零点为协调控制方案的起始点，针对交叉口过渡信号周期以及周期调整步幅的取值范围，提出了1种基于周期的交通信号协调控制过渡调整策略，并进行了算例分析。结果表明：该策略能够在1～2个周期内快速调整完毕，减少了信号配时的突变所引发路面交通的剧烈波动，实现了交通流运行的平稳和连续。文中所介绍的算法可以实现不同控制方式之间的切换，也可以用于城市区域协调控制中，具有较广的适用范围和实用价值。

关键词交通信号；协调控制；周期；相位差；过渡策略

中图分类号：U491.2文献标志码：A

收稿日期：2014-09-25修回日期：2014-12-05

通讯作者第一作者()简介：树爱兵 (1980-)，硕士，助理研究员.研究方向：交通信号控制、交通信息集成.E-mail:spily365@163.com

Transition Adjustment Tactic of Signal Coordinated

Control Scheme for Urban Traffic Arterial

SHU AibingZHANG LeiyuanXU LingLU Cheng

(TrafficManagementResearchInstituteofPublicSecurityMinistry,Wuxi214151,Jiangsu,China)

Abstract:This paper firstly introduces the current research on the transition method of coordinated control scheme, then reviews various arterial coordinated transition method. The current transitional adjustment methods involve rarely in the fast adjustment coordination scheme in traffic signal controller, without considering the requirements of traffic signal controller for transition in the process of adjustment of the actual demand. In this paper, take zero clock as a starting point of coordinated control scheme, aimed at the value range of the transition signal cycle and cycle adjusting step, this paper proposed a coordinated control strategy of traffic signal transition adjustment based on cycle. The results show that this method can quickly adjust in the 1～2 cycles, reduce the fluctuation of road traffic caused by mutation signal timing, and ensure the smooth and continuous operation of traffic flow. This algorithm can realize the switch between different control modes, also can be used for coordination control in urban area, and has a wide scope of application and practical value.

Key words:traffic signal; coordinated control; cycle; offset; transition tactic

*中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(批准号2014SJA04)资助

0引言

城市交通信号干线协调控制是城市交通控制中简单而广泛使用的1种控制方式，是城市交通区域协调控制的基础[1-2]。在城市交通信号干线协调控制中，相位差是最重要的交通控制参数。相位差的优化往往由中心计算机来完成，中心计算机专注于最优相位差的获取，精心选择和优化相位差生成算法。而把与各交叉口状态相关的相位差调整放置在路口本地交通信号控制机内完成，所有的路口信号机可以并行地对相位差进行调整[3]。

当路口信号机从当前协调控制方案相位差调整到目标协调方案相位差时，既希望控制方案能随着交通状况的变化快速地做出调整，但又不能变化太剧烈，防止配时参数突变引发路面交通的剧烈波动造成对车流的阻滞和影响，降低了新方案执行的预期效益。事实上，1次短暂的方案过渡调整过程也可能会在之后的一段时间内对交通流持续产生影响[4]，过渡方案设置得当可以有效地减少过渡期间车辆的延误，反之，则直接影响后续多个信号控制周期的运行效果，因此亟需研究并实现1种快速、平稳、实用的交通信号协调控制方案过渡算法，从而保证交通流运行的平稳和连续。

1协调方案过渡方法研究现状

1.1国外协调方案过渡方法

国外关于信号配时方案过渡方法的研究起源于上世纪70年代[5]，经过40余年的研究，已发展有8种常用的信号控制方案过渡方法。

如以协调相位作为调整参数的Dwell法、Max Dewll法、Shortway法，以信号周期作为调整参数的Add法、Substract法、Smooth法、Shortest法[6]。这些过渡调整方法中，Dwell法通过单周期实现方案调整，其他过渡方法则通过多个周期逐步调整到目标方案；在调整方向上，Smooth法、Shortest法、Shortway法可进行双向调节，其余方法只可进行单向调节。见表1。

表1　国外常用过渡方法统计表

1.2国内协调方案过渡方法

国内关于协调方案过渡方法的研究尚处于起步阶段，但也形成了一些研究成果。卢凯等[7-8]利用交叉口相位差调整比例的极小极大原理，提出了单周期对称调节过渡算法与N周期加权调节过渡算法，实现了对控制区域内交叉口相位差调整量的整体优化。宋现敏[9]针对传统协调方案过渡方法单一化、过渡时间较长等缺点，建立了不同情况下的信号协调方案过渡算法。栗红强等[10]以延误作为优化控制目标，采用TSIS仿真软件过渡算法对交叉口高峰前后2种过渡场景进行了仿真研究，结果表明：快速过渡的整体控制效果要优于平稳过渡。郭海峰等[11]在综合考虑过渡时间和平滑特性的基础上，提出1种基于最佳相位差调整量控制方案的快速平滑过渡方法。该方法能够使干线协调控制方案最多通过3个信号周期快速地过渡到新方案，且过渡期间的控制效果优于Add和Subtract方法。

1.3小结

综上，目前国内外关于协调控制方案过渡方法的研究较多，各过渡方法所涉及的调整参数、调整方向及调节周期不尽相同。然而上述过渡调整方法对于交通信号控制设备如何实现协调方案的快速调整涉及较少，未考虑交通信号机实现过渡调整过程中的实际需求，因此，在实际应用中将受到较大的限制。笔者以当日零点为协调控制方案的起始点，针对交叉口过渡信号周期以及周期调整步幅的取值范围，提出了1种基于周期的交通信号协调控制过渡调整策略，并进行了算例分析。

2协调过渡调整策略

2.1相位差的选择

在交通信号协调控制的实践中，通过执行若干平滑过渡周期来实现信号控制的平稳过渡，通过提前或延迟路口协调相位的起始时刻来实现相位差的调整[12]。路口相对相位差在调整时需要考虑该路口本身与其基准路口间绿灯起始时间差，从而决定是否需要改变及如何改变其协调相位的起始时刻；而绝对相位差不需要考虑其他路口的相位差改变情况，只需考虑协调相位的起始时刻，从而改变绝对相位差。因此为快速调整相位差，选择绝对相位差来调整相位差。

2.2算法设计

设某一协调控制子区内共包含有编号为Ι1，Ι2，…，Ιn的n个交叉口，为简化算法设计，假设各交叉口原先以单点固定控制方案运行，交叉口Ι1～Ιn的运行周期分别为C1～Cn，各交叉口在时刻Ti从过渡前的单点固定方案Poi切换到新的协调控制方案Pni，协调控制方案各交叉口的公共信号周期为CA，见图1。在协调控制方案中，以交叉口Ι1首相位绿灯起始时间作为其他交叉口协调相位差的参考点，交叉口Ι1～Ιn的目标绝对相位差分别为O1～On。交叉口信号周期时长允许区间为[Cmin～Cmax]，每次周期调整的步幅范围为[-ΔCmax～ΔCmax]。

在图1中，N为协调控制方案已执行的次数，选取零点为基准点对各交叉口进行相位差偏移;Si为各交叉口在方案切换时刻Ti距离零点的绝对秒数，则在方案切换时刻Ti，即上一控制方案周期运行结束时刻，交叉口Ιi协调方案信号周期已执行时间Cfi为

(1)

交叉口距离下1次协调相位起始时间，即剩余周期时间Cli为

(2)

图1　协调方案周期运行关系

2.2.1周期时长调整

周期时长的调整首先需计算该交叉口在方案切换时刻剩余周期时长Cli，从而决定下1个过渡协调方案需要执行的周期时长，具体步骤如下：

步骤1。计算交叉口Ιi在方案切换时刻Ti距离下1次协调相位绿灯起始时间Cli。

步骤2。当Cli在[Cmin～CA]区间时，信号机只需执行1次过渡周期时长Cti=Cli，此时需要将协调信号周期进行缩短，缩短的周期时长Cri=CA-Cli。当信号机执行完该过渡协调方案后，信号机协调周期和相位差均调整到位，下1个运行周期将按照新的协调方案进行控制。

步骤3。当Cli在(0～Cmin)区间时，采用延长周期时长的方法来逐步调整到位，实现信号协调控制方案的平滑过渡，信号机过渡周期时长为

(3)

式中：ΔCmax为最大允许调节的周期时长，过渡方案协调时最后1次周期的延长时长为Cei=ClimodΔCmax。信号机需要调整的过渡周

期次数为

(4)

通过延长周期时长，将剩余周期长度逐步分配到各后续周期时长中，从而逐步逼近到目标协调相位差。

2.2.2绿灯时间分配

假设各交叉口信号相位绿灯时间在[Pmin,Pmax]之间，当协调方案采用周期缩短及延长时，各相位绿灯时间分配策略如下：

1)当协调方案周期时长缩短时，各相位绿灯时间的分配原则是先从非协调相位开始缩短，每个相位减少的时间为:

(5)

(6)

当采用延长周期时长的方法调整周期时，需要对各相位的绿灯时间进行延长，将延长的周期时长分配给各相位绿灯时间。分配的原则如下：从协调相位开始分配，每次相位延长的绿灯时间为

(7)

(8)

3算例分析

3.1干线交通状况

假设1条干线共包含4个信号交叉口，如图2所示，各交叉口原有固定方案周期分别为100，80，90，95 s，选取交叉口1作为相位差设置的基准交叉口，协调控制方案公共周期时长为100 s，各交叉口的第1个相位为协调控制相位，周期调整步幅为[0～30 s]，协调周期时长允许区间为[60～140 s]。各路口新的协调配时方案及相位差见表2。求各交叉口协调方案过渡周期时长及各相位绿灯时间。

图2　交通干线示意图

s

3.2交叉口调整过程

以交叉口1为例进行详细说明。在06:15时

刻交叉口1开始方案切换，此时协调控制方案周期已执行时间为Cf1=15s，则剩余周期时间Cl1=100-15=85s，在协调周期时长区间[60～140 s]内，因此下1个过渡周期直接运行85 s，交叉口1在06:01:40调整到位。见表3。

根据缩短周期时长相位绿灯时长的分配规则，首先缩短非协调相位的绿灯时间，最后再缩短协调相位的绿灯时间，交叉口1相位1～4的缩短时间分别为3，4，4，4 s。缩短后的相位时间分别为32，16，21，16 s。表4为各交叉口信号周期及相位的具体调整时间。

表3　交叉口1协调相位调整时间

表4　各交叉口信号周期及相位调整时间

表4中交叉口1，2，4均只需通过1个过渡信号周期就可以调整到新的协调控制方案，而交叉口3则需要2个过渡信号周期的调整；在调节方向上，交叉口1采用缩短周期的方法进行过渡，其他交叉口则采用延长周期时长的方法进行过渡；在周期调整总量方面，交叉口4调整量最小，为1 s。交叉口3的调整量最大，为33 s。

4结束语

笔者所介绍的基于周期的交通信号协调控制过渡调整策略，能够在1～2个过渡周期内快速调整到目标协调控制方案。在实际应用中，可根据交叉口的交通需求，设置适当的周期调节步幅和范围区间，实现信号协调控制方案的快速平滑过渡。笔者所介绍的既可以实现不同控制方式之间的切换，也可以用于城市区域协调控制中，具有较广的适用范围和实用价值。

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