针对过饱和交通的优化控制方法综述

2022-03-18申慧丁北宋治飞

交通科技与管理 2022年4期

申慧丁北宋治飞

摘要交通拥堵现象在世界各国普遍存在，并带来多种负面影响。因此，针对过饱和交通的优化控制问题一直是各国专家研究的热点。为归纳现有针对过饱和交通的优化控制问题，通过对相关文献进行深度的阅读、分析，总结了交通过饱和状态的识别方法、详细介绍了过饱和状态下信号优化控制的方法及策略，分析了常用交通优化组织方法的设计方案，对现有研究成果进行了总结和展望。

关键词过饱和;交通控制;交叉口; 路网

中图分类号 U491 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）04-0075-03

0 引言

不断加快的城市化进程和日益提高的人民物质生活水平导致机动车数量的大幅增长，由此产生的大规模城市交通拥堵现象不仅造成居民出行困难、行程时间加长、燃油耗费加重等问题，还导致居住环境严重恶化、交通事故频发，给民众健康和国家经济带来严重影响。目前，交通拥堵已成为整个社会广为关注的问题。虽然针对交通流的优化控制策略和方法较多，但大部分现有成果适用于低饱和度的交通流控制。对于过饱和状态下的交通控制，需要采取有针对性的优化方法解决拥堵问题。

过饱和交通流控制研究内容主要包括：对交通过饱和状态的识别方法研究、过饱和交通控制目标设置、过饱和交通流模型建立和模型求解方法研究等。

1 交通过饱和识别方法研究现状

1.1 过饱和状态识别方法综述

对交通过饱和状态的界定和识别是过饱和控制的基础。1963年，D.C.Gazis中将绿灯时间内排队车辆不能一次消散作为交叉口过饱和的定义;1968年，Longley将交叉口有排队溢出现象作为交叉口处于过饱和状态的判别标准;2019年，Rao W等通过使用区间数据表示路段上的车流容量比、队列长度和车辆延迟三个交通参数，根据交通参数在区间数据的K均值聚类结果，判断城市交叉口的交通运行状态;有学者建立过饱和交叉口过饱和相位判断模型和排队长度预测模型[1]，还有学者以绿灯使用率、绿信比不足作为衡量交叉口饱和程度的标准。

路网的过饱和问题一直是交通领域的研究热点，其研究难度在于对路网交通状态的识别。许多国外的研究者使用美国HCM（Highway Capacity Manual）中定义的道路交通服务水平（Level Of Service，LOS）来评价路网状态，其他国家的研究机构和相关部门根据不同的交通参数也给出了相应路网交通状态的划分标准。我国《城市道路设计规范》（CJJ37—90）对LOS也给出了定义;在公安部发布的《城市交通管理评价指标体系》中采用城市主干道上机动车的平均行程速度来描述交通拥挤程度。上述交通过饱和识别方法没能全面的体现出交叉口与干线之间的关联性及整体性，有时不能确切的反应整个路网的交通状况。因此，在判断路网是否处于过饱和状态时，需要从路网整体状态出发，综合考虑多项指标来进行判断。

1.2 基于MFD的路网状态评估

识别路网整体状态，需要深入分析路网内交通流量、密度、速度之间的关系和变化规律，建立能够直观反映路网交通运行状态的体系。很多学者从宏观层面入手，发现路网运行状态与路网的结构、密度、车辆离开率等存在对应关系，这种对应关系被称为宏观基本图（Macroscopic Fundamental Diagram，MFD）[2]。相关研究发现，MFD是路网的基本属性，能够明確地反映路网内交通流的变化规律，表征路网的运行状态。

在MFD被提出之后，大批国内外学者开展了基于MFD的路网交通研究。通过研究区域路网的宏观基本图，可以有效分析区域路网的车辆存储能力。当路网内的车流量超过某一阈值，路网内部的交通状态会发生变化[3]。根据这个特性，可以设置进入路网的车流量阈值，即边界流量控制阈值，当路网内车流量接近最大值时，可提前采取分流、诱导等策略，避免路网由于内部车辆过多而发生拥堵。

2 过饱和交通信号优化控制方法研究综述

2.1 过饱和状态下信号控制目标的研究

在最初的研究中，延误最小为信号优化控制目标。后来有学者建立了以车辆在信号交叉口轮候时间最短为目标的控制模型，实现优先放行交通拥挤路段的排队车辆，有效减少交叉口过饱和持续时间;还有学者以减少过饱和交叉口处的平均车辆延迟为优化目标，建立交叉口信号控制模型，利用遗传算法得到控制方案。2020年，上海理工大学的万文文[4]等以过饱和交叉口的通行能力为优化目标，建立过饱和交叉口信号配时优化模型，得到合理的信号周期和各相位放行时长。

在设计优化控制目标时，应做到尽可能有效疏导交通，保证交叉口的车流通过量最大，避免道路交通情况的恶化，同时考虑进道口的车辆排队长度，避免溢流现象或尽可能较少溢流持续时间。对于区域路网而言，信号控制的目标还应考虑到使路网内车流分布均匀，达到用户平衡状态，避免出现部分路段过于拥挤，而其他路段相对空闲的情况发生。

2.2 过饱和状态下信号控制模型的研究

在过饱和状态下，交通信号的控制模型主要是采用基于定数理论的延误模型，车辆分布模型和交通流理论模式。国外学者最早建立了基于定数理论的车辆延误模型。我国学者徐建闵[5]、蒋贤才[6]、赵红星[7]等都是基于定数理论进行了相关研究。

车辆到达分布模型可以用离散的车流计数模型和连续的车头时距分布模型来描述。20世纪30年代，著名学者Carson在1974年的专著，交通流理论中，对车辆到达之前的车头时距分布模型进行了总结。此后，研究人员对原有的车头时距基本模型进行了一系列的改进和优化。

交通流理论是研究车流随时间和空间变化规律的模型和方法体系，按照刻画交通行为的细致程度，交通流模型分为微观、中观和宏观模型。

常用的微观交通流模型是跟驰模型、元胞自动机模型和相关的改进模型。这些模型的建模思想与理论体系、特征参数等都不相同，适用条件也有所不同，不能盲目选用。中观模型主要是建立关于车流速度分布的演化方程。最先提出的交通流中观模型是应用气体动力学方法建立的Prigogine-Herman模型，以及集簇模型和车头时距分布模型。交通流宏观模型注重道路交通流整体特性，不具体描述交通中个体特性和对象之间的相互作用。最常用的是交通流体力学模型，是运动波模型，也称为LWR模型。该模型的优点是，基于微分方程的建模易于求解。但LWR始终假设交通流速度稳定，不能准确描述交通拥堵状态。对于这个问题，后面的学者在原有模型的基础上依次加入了密度梯度项和速度梯度项，但随着附加项的增多，模型的求解难度也随之加大。

在建立区域路网的信号控制模型时，应充分考虑各路段上的车流分布情况，通过单个交叉口的有效配时，使拥堵严重的路段能够获得相对较长的有效绿灯时间;还应考虑各交叉口之间的协调控制，使区域路网内的车流分布均匀。

2.3 求解算法的研究

路网由多个交叉口组成，在控制过程中需要优化的参数和限制条件很多，采用传统的数学方法难以得到最优解。近年来，许多学者将启发式算法，如遗传算法、神经网络等引入到问题的求解过程中。此外、模糊控制、强化学习、自适应动态规划（ADP）方法等也被应用到过饱和交通的优化控制中。还有一些学者利用复杂网络的相关理论，群体动力学理论和基于仿真的研究方法，分析交通过饱和控制问题，为问题的相关求解提供了新的思路。

3 空间资源优化方法概述

3.1 空间资源优化方法介绍

目前，国内外常用的交通组织方法有拓宽进、出口、设置待行区、交叉口车道变窄、提前右转、提前调头、停车线前移、设置可变车道、禁止左转等。各交通优化组织方法在施工工期、资金投入、对交通的干扰、取得的交通效益以及其他影响等方面各有优劣。近年来，针对非传统设计交叉口的研究逐步兴起，对预防交通过饱和现象具有现实意义。下面，将对应用较为广泛的综合待行区设置、可变车道设置、左转车流的优化控制和非传统交叉口设计等方法的研究情况进行综述。

3.2 常用交通优化组织方法综述

综合待行区是一种新型的交通管控措施，通过将进口道全部设置为可变车道，循环切换进口道不同转向车流的通行权，从而充分挖掘交叉口的时空资源。综合待行区的应用可以有效提高信号交叉口的通行能力，预防过饱和状态的发生。综合待行区在我国上海市、天津市、咸阳市、深圳市都得到了应用，取得了较好的效果[8-9]。

我国的可变车道研究起步较晚，但由于可变车道技术在缓解潮汐交通拥堵上的显著效果，使国内学者和交通组织部门投入了大量的时间和精力对可变车道的应用展开研究。目前，北京、重庆等城市已经先后开通了可变车道。国内学者[10-12]在国外研究的基础上，结合国内交通的实际情况和道路条件，开展了关于可变车道应用的相关研究。

左转车流与直行车流在通过交叉口时会产生冲突，不仅影响交叉口的通行能力而且易引发交通事故。所以，针对左转车流的控制一直都是研究的重点和难点。有学者[13]提出了进口道左转车辆周期性的借用对面出口道来左转的方法，还有学者[14]在对左转逆向可变车道交通特性进行分析的基础上，对左转逆向可变车道设计方案的预信号相位和交叉口信号配时方案提出了协调控制方法。

为进一步改善交叉口的交通状况，许多学者开始投入创新型的非传统交叉口设计，其中，连续流交叉口（CFI：Continuous Flow Intersection）和上游信号交叉口（USC：Upstream Signalized Crossover）备受关注。这两种交叉口的几何设计与运行机理非常相似，都是在上游路段中或二级路口处提前将左转车流疏导至进口道最左边车道。这种设计可以消除主交叉口处左转车流与对向直行车流的冲突点，减少车辆延迟，显著提高交叉口的性能。作为对传统交叉口设计方案的-种优化，许多国外学者对连续流设计方案或者上游信号设计方案运行的有效性和安全性进行了对比和研究，较多应用实例都表明其良好的效果。

近年来，定向车道和共享转换车道设置方法为解决交通拥堵问题提供了新的思路。根据道路预设方向到达的不同地点，指定某车道仅供驶向规定地点、规定方向的车辆使用，驶向其余地点方向的车辆不得驶入的专用车道。“定向车道”有效地增加了桥梁、隧道等有多车道汇入或分流情况路段的通行效率;“共享转换车道”就是利用交通信号控制，让同一条车道在不同的时间段通行不同方向的车辆，以实现最大限度利用道路资源的目的。在交通高峰期，共享转换车道可以有效地分担相邻反向路段的上车流压力，缓解交通拥堵。

4 结语

在过去的数十年间，不同领域的国内外专家学者针对交通拥挤管理与控制做了大量有益的探索，取得了很多优秀成果。由于交通问题的复杂性、随机性和重要性，长久以来，关于交通问题的研究热度始终不减，而且，通过认真阅读、分析现有文献发现，仍有一些问题值得深入研究。

（1）目前，针对过饱和交通的优化控制研究成果较多，但是以预防过饱和为目标的主动控制方法研究相对较少。一旦交通拥堵状况已经发生，即使采取有效的优化控制方法，仍需付出加倍的代价来消除拥堵。因此，在拥堵发生之前就采取优化控制方法，预防过饱和状态的发生，可以有效地避免拥堵带来的损失。

（2）智能交通的发展在新技术、新需求大背景下，对人工智能、大数据、深度学习等技术的应用不断深化。未来交通优化控制结合数据驱动、移动互联和跨界融合的产业模式，将从行政管理转型到主动交通管理。

（3）高效求解算法与技术的应用。由于路网内包含多个交叉口，在对路网交通进行优化控制时，对多个过饱和交叉口的建模及优化导致变量、优化目标等的多样性，使得所建立的模型往往过于复杂。随着计算机技术的发展，可结合不断发展的软计算技术，研究具有高效性、实时性的模型求解算法与技术。可以考虑改进智能算法，如遗传算法、粒子群算法等，同时还可以考慮复杂网络理论、自适应控制等方法的应用。

（4）借助交通仿真软件开展研究。随着各类交通仿真软件的发展和完善，可以搭建基于仿真平台的交叉口、干线和区域路网的动态仿真环境，利用交通仿真软件的运行结果评估各个优化控制方案的有效性，为过饱和路网优化控制方法的研究提供有效的评估手段。

（5）有效结合时间、空间资源的双重利用。当现有的信号控制优化方案已经达到了交叉口通行能力的理论极限时，就无法再通过信号配时的方法来提高交叉口通行能力，此时就需要考虑空间资源的利用，再结合交通优化组织方式来进一步改善交通拥堵。如何有效地结合信号优化配时和空间资源利用，最大限度地提升路网的运行能力，还有待进一步研究。

参考文献

[1]李凯龙. 基于深度学习的城市交叉口反溢流控制方法研究[D]. 北京：北方工业大学， 2019.

[2]丁恒，朱良元，蒋程镔，等. MFD子区交通状态转移风险决策边界控制模型[J]. 交通运输系统工程与信息， 2017（5）： 104-111.

[3]魏文钰，欧阳志濠，刘绮森，等. 基于MFD和谱聚类的路网交通状态判别方法与仿真[J]. 现代信息科技， 2020（4）： 113-115.

[4]万文文，孙梦瑶，于天翔，等. 基于动态规划的过饱和交叉口信号配时优化[J]. 物流科技， 2020（5）： 78-83.

[5]徐建闽，荆彬彬，卢凯. 过饱和状态下的单交叉口最小延误信号周期模型[J]. 控制理论与应用， 2015（4）： 521-526.

[6]蒋贤才，裴玉龙. 基于定数理论的自适应信号控制延误模型[J]. 交通运输系统工程与信息， 2008（3）： 66-70.

[7]赵红星，何瑞春，贾富强. 基于定数理论过饱和交叉口车辆能耗研究[J]. 交通运输系统工程与息， 2017（5）： 75-81.

[8]孙吉瑞，车国鹏，温汉辉，等，综合待行区对交叉口通行能力及延误影响的研究[J]. 公路交通技术， 2015（1）： 121-125.

[9]董大明，唐贵涛. 基于综合待行区的过饱和排队溢出优化模型研究[J]. 公路工程， 2017（3）： 106-111.

[10]常玉林，赵超，张鹏. 拥堵条件下考虑相邻路口的可变导向车道自适应控制[J]. 重庆理工大学学报（自然科学版）， 2020（5）： 17-24.

[11]毛丽娜，周桂良，王成. 可变车道文献综述及智能车路协同环境下实时动态可变车道展望[J]. 物流科技， 2020（5）： 84-86.