• 城市交通路网子区划分技术探析
    2014-07-16 10:56:35   来源:杭州鼎鹏交通科技有限公司       作者:单敏    评论:0 点击:

    1前言

    从20世纪60年代开始,许多学者开始研究如何通过合理地调整多个信号控制交叉口的信号配时方案,使这些信号控制交叉口相互协调起来,以达到提高行驶效率的目的。而在进行区域协调控制前,有一个非常关键的步骤,就是对城市路网进行合理的信号控制子区划分。

    交通控制子区的概念是在1971年美国的Walinchus首次提出的。将一个复杂庞大的路网按照一定的原则指标划分成若干个独立的子区,根据子区的特性分别执行合适的控制优化策略,把控制权逐级下放,使系统变得更加灵活可靠。国外对控制子区划分的研究主要是从耦合度、引力、协调系数等方面进行,国内学者在2000年之后才开始交通控制子区划分技术的研究,主要从流量、距离、周期等方面对该技术进行了一定的探讨和分析,虽然都取得了一些理论性成果,但国内方面,该技术真正用于实际的还不多。随着交通问题的日益突出,学者们正着手于该技术的理论深入研究和实际应用,希望借此缓解交通问题,提高路网整体效益,并为交通信号控制系统的改进升级提供一种新的思路。

    2子区划分的目的和意义

    在交通控制系统中,国内外学者对子区、子系统、交叉口群等已有较多研究。划分交通控制小区最主要的目的是为了便于在局部区域实施灵活的协调控制方案。一方面从保证交通控制系统运行的安全性和可靠性考虑,若把路网分成若干个具有一定相关性的交通控制区域,或相对独立的交通控制区域,即使某一子控制系统处于瘫痪状态不能运行,也只是使其所辖范围交叉口失去联网协调控制的作用。

    另一方面从提高控制系统运行效率考虑,交通控制中心所辖范围不应过大,否则实时处理的数据必然很多,从而影响到对交叉口的实时控制,而且整个区域协调控制的效果并不是很理想。而按照某一控制策略,使多个相邻相关的交叉口能够依据实时交通状况自动合并成一个控制子区,同一控制子区采用相同的控制方案,则可避免因固定划分控制子区而使配时方案逐渐“老化”的现象,这无疑能大大提高整个控制系统交通效益。

    3交通控制子区划分技术现状

    子区划分随着计算机化交通控制系统的出现而出现。交通控制子区划分的基本思想是将整个交通网络分为不同的子区域,然后以每个子区为单位实施智能优化与控制。图1形象说明了区域路网交通信号协调控制的逻辑流程图。

    图1 城市区域交通信号协调控制逻辑图

    交通控制子区的划分方式可以分为静态控制子区划分和动态控制子区划分。经过静态控制子区划分后,子区个数和各个子区域的范围固定,不会再改变,由于交通流具有实时变化的特征,所以相对于静态子区划分来说,控制子区动态划分显出了极大的优越性。

    3.1静态子区划分

    静态子区划分是根据历史交通流数据划分子区,子区方案形成后即固定下来,不再随交通状态的变化而变化。英国在1969年开发成功的TRANSYT系统中就采用了静态子区划分技术,该系统首先考虑城市中自然及行政区划等因素将路网划分成不同区域,然后在每个区域内考虑交叉口连线长度、交通流量大小、交通拥堵状态、交通流产生源及终止点等因素将每个区域划分成不同的控制子区。在1979年开发成功的SCOOT 系统,是在人工干预的情况下才能静态划分交通控制子区。

    我国交通研究学者对静态子区划分技术进行了一定的研究,并结合信号控制系统进行了一定的实际应用,具有代表性的有深圳市SMOOTH控制系统,杭州鼎鹏GRANDTRANS系统等。

    静态交通控制子区划分一般为人为手动进行,子区域在很长一段时间内都是相对同定的,依靠交通工程师根据路口流量调查情况和经验进行局部的修改。随着交通控制相关技术的进步和对交通控制认知程度的提升,越来越多的学者发现这种静态或准静态的交通控制子区划分方法已经不适应交通控制系统发展的需要,一些学者开始从小区的动态划分角度进行研究。

    3.2动态子区划分

    动态子区划分以路网内实时检测到的交通流数据为基础,根据交通状态的动态变化对子区规模进行调整,以维持最佳的子区划分方案,使联系紧密的交叉口始终划入同一子区,保证交叉口执行最佳控制方式。

    SCATS交通信号控制系统利用遗传算法进行动态分区,它是通过“合并指数”进行的。在每一个信号周期内,都要进行一次“合并指数”的计算,相邻两子系统各自所要求的信号周期长度相差不超过9s,则“合并指数”累计值为(+1),否则为(-1)。若“合并指数”的累计值达到“4”,则认为这两个子系统己经达到合并的标准。合并后的子系统,当“合并指数”累计值达到“0”,就可以将原先的子系统分开。另外SCATS对一个较大范围的交通信号控制子区划分采用了另一种更迅速灵活的方法,根据实时交通量来决定子区的划分,但是该系统设计是以国外的交通特征为基础的,没有充分考虑到我国自行车交通流和行人交通流对交通信号控制的影响,所以不能很好的适合我国城市交通路况。

    3.3交通控制子区划分方法研究

    从20世纪70年代开始,国内外许多学者对信号控制子区的划分标准和划分方法进行了大量的研究。但无论是哪种子区划分方法,还是采用哪种划分指标,其本质都是基于以下三个划分原则:周期原则、车流相近原则、距离原则。

    Ø  周期原则:若相邻的路口信号周期相近,说明两路口的交通特性比较相似,则将这两个路口划分到同一个信号控制子区内。

    Ø  车流相近原则:若相邻的路口相互之间的车流量大或者车流特征相近,说明两个路口之间的可协调性较强,则将这两个路口划分到同一个信号控制子区内。

    Ø  距离原则:若相邻路口之间的距离较小,说明两路口之间的可协调性较强,,则将这两个路口划分到同一个信号控制子区内。

    现有的关于信号控制子区划分法的研究,大部分专注于如何将这三个划分原则更加合理地组合成划分指标,或者专注于如何更加合理地确定这些子区划分指标的划分阈值。

    现有信号控制子区划分方法基于距离、车流相近和周期三个原则,总得来说是以相邻信号控制路口的相似程度和可协调程度为划分的标准的。现有研究中所使用的各种划分指标,其本质上都是用于定量地分析相邻路口的相似程度和可协调程度。相似程度和可协调程度越高,则相邻路口越应该归入同一个信号控制子区,进行协调信号控制。

    3.31相邻交叉口可协调度计算

    可协调度指标计算是动态子区划分的理论核心,用来量化表达相邻交叉口划入同一子区的适宜程度。流量原则和距离原则从其本质来说,主要是表征相邻路口之间的可协调性,基本上在现有的各种不同的信号控制子区划分方法中都有所采用。直观地说,就是若相邻路口间的距离越小,则路口间的联系越强,两个路口越应该划入同一信号控制子区;若相邻路口间的相互流量越大,则路口间的联系越强,两个路口越应该划入同一信号控制子区。

    信号控制子区划分中的信号周期原则,是指将信号周期相近的相邻路口划分在同一个信号控制子区,进行协调控制。在信号控制子区划分中考虑信号控制原则主要有以下两个原因:

    第一,优化协调控制效果。信号周期相近的路口,其交通强度较为相似,将其划入同一信号控制子区进行协调控制,容易达到较好的协调控制效果。

    第二,控制路口车辆延误。进行协调信号控制时,控制子区内的所有路口的信号周期必须调整成一个相同的公共信号周期。信号周期的增加,会引起路口车

    辆延误的增加。为了避免路口车辆延误产生明显的增加,信号控制子区内各路

    口的原有信号周期的差别不能过大。

        这里涉及到的可协调度是借用牛顿万有引力定律的形式,定义把两个路口间的吸引力正比于两路口间的车流量,反比于两路口间距离的平方,并反比于相邻路口之间周期差的绝对值,并通过调整比例系数,保证3个原则地位相当。

    对于一个城市路网,计算出每一条路段的关联度指标,可协调度越高,相邻路口间进行协调的需求就越高,而可协调度指标可用来描述相邻路口可协调程度的强弱,便于系统按照可协调度由大到小的顺序考察路网中各信号控制路口。

    3.32绿波带带宽达到率

    可协调度指标虽然能计算相邻交叉口的可协调度,但是无法保证划分结果的准确性。国外学者提出以绿波带带宽达到率来保证控制子区内最大的通过带宽,实现绿波带控制下的子区划分。一个控制子区内应包含3到5个交叉口绿波效果最理想,但控制子区的交叉口的数量可以变化,只要能够获得尽可能大的带宽达到率,带宽达到率定义如下

    式中,用来衡量子区内获得的绿波带宽百分率;B相邻路口之间绿波带宽;是信号控制子区中各路口协调方向绿灯时间的最小值。

    3.4子区划分算法

    子区划分算法的目的是在可协调度模型基础之上,通过制定科学、完整的划分流程,将城市路网划分成若干个紧密联系的控制子区,子区划分算法是实现子区划分的最后一个环节。

    可协调度指标描述相邻两路口之间可协调程度。如图2所示,路口2周期最大,可定为关键路口;路口2和路口1、路口3的可协调度大于-8,与路口4的可协调度小于-8,因此将路口1、2、3划入同一个子区。剩余的2个路口中路口5为关键路口,且路口5和4的可协调度大于-8,二者组成另一个子区。考虑到路口4和与路口3的可协调度大于0,此时如果就这样划分这片区域不一定提高路网控制效益,引入绿波带带宽到达率对两两相邻的路口进行计算,对比以确定最优子区方案。

    图2相邻多信号交叉口划分示意图

    对于小区域路网,该划分算法虽然能满足划分的实时性,取得一定的控制效益,但对于城市路网包括成百上千个交叉口必将产生较大的计算量以及较长的计算时间。科学的子区划分算法能快速地计算交叉口之间的可协调度和带宽达到率,确定子区划分顺序,减少计算量,从而提高子区划分的实时性。

    4以往研究综合评述

    对于典型控制系统SCOOT和SCATS,同一个区域或系统又进一步划分为多个子区或子系统,各个子区或子系统之间的控制策略和控制方案没有关系。这样的静态子区或子系统划分方法没有体现城市交通系统的变结构性质。

    对于城市道路网络交通子区的划分研究,大多停留在静态、定性的研究上。划分的主要依据是道路网络的物理特征,划分阈值比较主观,划分过程比较单一,缺乏对内在交通特征的研究。

    虽然近年来对交通子区的划分也逐渐提出了动态划分的方法和策略,但是大部分研究停留在理论研究层面,主要是对动态划分的原则、依据、指标等进行研究,对于真正地实施面临着模型复杂或无法实现等现实问题,也即提出的模型或算法不实用。

    目前对交通子区的划分研究大部分是针对交通子区的空间划分,而对于交通子区的时间划分规则及方法较为鲜见。交通子区的时间规则决定了交通子区的空间变化周期,对于城市道路网络交通子区的动态划分具有重要意义。

    5结束语

     随着智能算法的成熟,国内外许多学者将智能技术应用到交通控制子区的动态划分,如智能搜索算法、模糊聚类算法、模糊系统、遗传算法等。大多数研究者是将智能的方法和交通模型相结合来划分交通控制子区,由于交通系统的复杂性和时变性,建立交通模型困难,给这些方法的具体应用带来一定的难度;随着大数据时代的来临,智能技术和交通大数据结合,可为交通控制子区划分技术发展提供一种新的思路。

    责任编辑:millay

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