基于遍历剪枝算法的干线绿波协调控制参数自动计算系统

树爱兵 王婷婷,2 刘成生,2 徐新东,2

1(公安部交通管理科学研究所 江苏 无锡 214151) 2(无锡华通智能交通技术开发有限公司 江苏 无锡 214151)

0 引 言

交通干线作为城市道路网的主动脉，在城市交通流运行中发挥着关键作用。干线绿波协调控制技术是提高干道通行速度、减少车辆停车延误的有效手段，合理的交通干线信号协调控制将直接影响到交通干线乃至整个城市路网是否能够快速有效运行[1]。因此提高交通干线信号的协调控制效果对于改善城市道路网的交通运行状况具有举足轻重的意义。

目前常用的干线绿波协调控制方法主要有图解法[2]、数解法[3-4]、Maxband[5-6]法等。其中：图解法依靠人工经验配置，很难确保得到最优解；数解法通过寻找使得系统中各实际信号距理想信号的最大挪移量最小来获得最优相位差控制方案，其计算过程较为复杂；Maxband法利用混合整数线性规划方法实现信号配时参数的优化求解，计算耗时较长。上述绿波协调控制方法主要适用于交叉口信号相位对称放行的干线交叉口群，对于非对称放行相位和叠加相位的干线双向绿波协调控制适应性较差。

为解决现有技术中存在的不足，本文提出了一种基于遍历剪枝算法的干线双向绿波协调参数自动计算系统，能够进一步简化干线绿波协调信号配时参数的设置流程，提高配置干线双向绿波协调参数的实施效率。

1 遍历剪枝算法

1.1 目标函数

前序遍历各交叉口I1,I2,…,In，计算各交叉口在[0,C)区间(以1 s为最小步进单位)时，交通干线上各交叉口I1～In的加权公共绿波带宽[8]：

W=aW++bW-

(1)

最优解Wmax为所有遍历绿波带宽W中的最大值，Wc-max为当前遍历绿波带宽W值中的最大值。遍历前，Wc-max赋值为0，每次遍历求得W值后更新Wc-max：

Wc-max=max{Wc-max,W}

(2)

全部遍历结束后确定Wmax的值为Wc-max，此时用于计算得到Wmax所对应的协调相位差O1,O2,…,On的取值为最终确定的各交叉口协调相位差，所对应的W+、W-分别为最终确定的正反向绿波带宽。

1.2 带宽计算方法

(3)

(4)

图1为各交叉口在起始交叉口I1时间轴上的正向绿波投影区间。整条干线的正向绿波带宽区间为所有交叉口的零轴投影绿波区间取交集Ω+，结果为：

(5)

图1 各交叉口在I1时间轴上的正向绿波投影区间

(6)

(7)

此时W+即为Ω+区间交集跨度值，若该交集不为空，则用该交集的上限值减去下限值即得到正向绿波带宽W+，即：

(8)

同样可得到反向绿波的计算方法。此时W-为Ω-区间交集跨度值，若该交集不为空，则用该交集的上限值减去下限值即得到反向绿波带宽W-，即：

(9)

交叉口I1～In的加权公共绿波带宽W=aW++bW-，至此单次遍历结束。

1.3 剪枝优化

设定遍历每步进一次，加权公共绿波带宽变化值为△W，以1 s为最小步进单位，则需要在[0,C)区间上遍历C次，此时每次遍历公共绿波带宽变化最大值△Wmax为a+b。

(10)

2 系统构建与应用

2.1 系统构建

基于遍历剪枝算法的干线绿波协调控制参数自动计算系统由6部分组成，包括：干线参数配置模块、配时方案设置模块、绿波时距图展示模块、均衡控制策略模块、绿波参数自动计算模块以及优化方案输出模块。具体如图2所示。其中：均衡控制策略模块用于设置正向与反向绿波带宽权重；优化方案输出模块用于将绿波信号配时方案保存到Word或Excel。

图2 系统功能模块

2.1.1 干线参数配置模块

干线参数配置模块用于配置干线协调控制参数。干线协调控制参数包括干线绿波协调控制所包含的交叉口、交叉口拓扑结构、交叉口间距、路段行驶速度、进口方向、交通流向。配置模块如图3所示。

图3 干线参数配置模块

2.1.2 配时方案设置模块

配时方案设置模块用于设置干线交叉口的配时信息。配时信息包括交叉口信号配时方案、公共周期、协调相位、非协调相位、相位时长、非对称叠加相位。非对称叠加相位包括在协调相位前叠加单口放行相位和在协调相位后叠加单口放行相位，如图4所示。

图4 配时方案设置模块

2.1.3 绿波时距图展示模块

绿波时距图模块根据干线参数配置模块发送的干线协调控制参数和配时方案设置模块发送的干线交叉口的配时信息绘制时距图。均衡控制策略模块将正向与反向绿波带宽权重发送给绿波参数自动计算模块，时距图模块采用SVG技术(可缩放矢量图形Scalable Vector Graphics)绘制[10]。展示模块如图5所示。

图5 绿波时距图展示模块

2.1.4 绿波参数自动计算模块

绿波参数自动计算模块计算最优的干线双向绿波参数，并在计算过程中与绿波时距图模块交互，实时展示干线双向绿波参数的自动计算过程及当前最优带宽。计算所得的干线双向绿波参数包括各交叉口协调相位差、正向绿波带宽、反向绿波带宽。

2.2 应用测试

2.2.1 测试干线概述

选择江苏省无锡市梁清路由东向西隐秀路至公益路4个信号交叉口进行应用测试。梁清路各路口间的间距较大，平均距离在500米以上，其中景宜路至鸿桥路路口间距达到830米，如图6所示。目前该道路高峰时段流量较大，且公交线路众多，非机动车和行人较多。

图6 梁清路干线协调交叉口分布示意图

2.2.2 绿波方案实施流程

基于上述干线绿波协调控制参数自动计算系统，配置梁清路干线协调交叉口绿波控制参数，具体操作步骤如下：

步骤1用户在干线参数配置模块配置干线参数，包括选择干线所包含交叉口，设置交叉口距离，设置路段速度。梁清路-隐秀路至梁清路-鸿桥路之间为610 m，梁清路-鸿桥路至梁清路-景宜路为830 m，梁清路-景宜路至梁清路-公益路为410 m。早高峰路段行驶速度为40 km/h。

步骤2调用配时方案设置模块设置干线交叉口配时方案，包括选择交叉口基准配时方案，设置周期与相位时长、叠加相位等。根据梁清路4个交叉口基准配时方案和交通流量，设置公共周期为120 s。当用户操作完步骤1、步骤2时，绿波时距图展示模块将同时在系统界面上展示相应的数据。

步骤3在均衡策略模块设置正向与反向绿波权重，设置正反向公共绿波带宽差值关联度。

步骤4绿波参数自动计算模块采用遍历剪枝搜索方法计算最佳干线双向绿波协调参数，同时在绿波时距图展示模块将计算过程实时展现给用户。

步骤5自动计算模块优化结果输出。优化结果包括：各交叉口协调相位差、公共周期、相位放行灯态、相位时间、正向绿波带宽、反向绿波带宽。输出结果如表1所示。

表1 梁清路干线协调交叉口优化结果

2.2.3 应用效果

本次应用测试选择无锡市梁清路4个交叉口进行实地测试。通过对干线绿波协调控制系统运用操作，对4个交叉口进行协调相位差、正向绿波带宽、反向绿波带宽等的测算。对比分析本文成果应用前后无锡市梁清路的4个交叉口的控制效益，早高峰应用本文成果进行配时的4个交叉口的平均延误、二次排队长度、平均停车次数分别比应用前减少6.88%、8.49%、13.10%，干线绿波协调控制效果较好。

本文的干线绿波控制操作简单，界面流程图形化显示，计算速度快，应用效果较好，具有较高的应用价值。

3 结 语

本文对交通干线绿波协调控制开展了研究，介绍了基于遍历剪枝算法和SVG技术设计的一种干线双向绿波协调控制参数自动计算系统，给出了具体的系统软件实施流程及功能模块实现。通过实际道路的应用测试，进一步验证了系统的可行性及有效性。实地测试结果表明：基于本文研发的干线绿波协调控制自动计算系统计算速度快，结果可信度高，对于非对称放行相位和叠加相位的干线双向绿波协调控制具有较强的实用性，能够大幅简化干线绿波协调信号配时参数的设置流程，提高配置干线双向绿波协调参数的实施效率。