许卫明（1972－）
男，浙江绍兴人，本科，交通科技工程师。（绍兴市交通警察支队，浙江  绍兴  312000,现任绍兴市公安局交通警察支队科技科科长，研究方向为智能交通方面。

基金项目：国家863计划项目(2007AA11Z216)

摘要：提出一种双向绿波带智能控制算法。利用两层递阶结构和模糊逻辑对城市交通干线进行实时协调控制。控制的目标是使进入干线上行和下行的车辆一路绿灯，明显降低车辆停车率和平均延误时间。实际应用表明该双向绿波带控制算法十分有效。

关键词：交通干线；双向绿波带；智能控制；协调控制

Abstract: A two-direction green wave intelligent control strategy is presented. The strategy uses two-layer hierarchical structure and fuzzy logic to solve the real time coordination control problem of urban traffic trunk. The goal of this control strategy is to achieve the zero stop of the up-run or down-run vehicles in the trunk and make the vehicle average delay time shortest. The practical applications show that the strategy performs well.

Key words: traffic trunk road; two-direction green wave; intelligent control; coordinated control

1 引言

    城市交通中的干线承受着城市交通中巨大的交通负荷，城市交通干线协调控制是城市区域协调控制的基础，因此提高城市交通干线的协调控制效果，减少干线上的交通延误和停车率，对改善整个城市交通状况具有重大意义。

    城市交通干线绿波带控制是城市交通协调控制中应用广泛的一种控制方式。目前大多数干线绿波带控制都是单向的，这种单向控制策略往往导致干线上非协调方向严重的车辆延误。双向的控制策略除了经典同步式协调控制和交互式协调控制外，几乎没有新的控制策略出现，且这两种双向绿波带控制只局限于路段长度相等的情形，而现实中干线上各交叉口间的路段长度不是统一的，因此无法进行推广应用。

    本文提出了一种基于模糊逻辑的全新干线动态双向绿波带控制算法，整个控制结构分为协调层和控制层两层。控制的目标是使进入干线上行和下行的车辆一路绿灯形成双向绿波带，从而明显降低车辆停车率和平均延误时间。杭州市滨江区江南大道的实际应用表明该双向绿波带控制策略是十分有效的。

2 问题描述

    某城市交通干线如图1所示。东西向道路为承担较重交通负担的主干线，南北向道路为支路，由西往东为上行方向，由东往西为下行方向。双向绿波带协调控制的目标是保证干线交通畅通，使进入干线行驶的车辆一路绿灯，且双向都拥有较宽的通过带。大量的应用实践表明：当相邻两交叉口之间的距离超过1000米时，协调控制反而不如干线上各交叉口独立控制，因此假设图1中相邻两交叉口间的距离均小于1000米。

    双向绿波带需要优化设计的参数是：信号周期时间C、绿信比λ和上行相位差tp,up和下行相位差tp,down。研究表明：同时考虑信号周期、绿信比和相位差的优化，将使问题的求解过程十分复杂。根据系统工程中大系统分解-协调思想，本文对交通干线控制系统提出两层递阶结构，提高了系统的响应速度和控制结果。

    控制层的主要任务是计算绿信比。绿信比每个周期实时调整，系统中各交叉口信号的绿信比不一定相同，通常各自根据各方向交通量的流量比相互独立地实时调整，以跟踪交通流的瞬时变化。

    协调层主要功能是确定公共周期时间和上下行相位差。为使干线上各交叉口的交通信号能取得协调，各交叉口的交通信号周期长度必须统一。为此，必须先按单交叉口信号控制的配时方法，计算各交叉口周期时间长度，然后从中选出最大的周期长度作为这个系统的公共周期，对应最大周期的交叉口也叫关键交叉口。在绿波带控制系统中，一般使用相对相位差的概念，显然相位差时间与相邻交叉口间路段长度和车辆在该路段间的行驶速度有关。

    控制方案的变换间隔不能太小，否则方案变换产生的集结或消散波有可能造成交通絮流，引起进一步的交通阻塞。因此，在一个阶段（通常为6-8个周期）内，信号周期时间保持不变。

3 控制策略

    3.1 相位设置

    此前许多研究者在设计城市交通干线方案时，考虑到干线交通负荷较大，都假定不存在左转绿灯信号，这与实际的交通控制不符。实际表明，干线中左转的车流量虽然不大，但如不加以控制，会对直行车流产生较大干扰，并对行人通过路口有安全隐患。本文控制策略允许干线上车辆左转，但在干线的左转车道上安置车辆检测器对左转车流进行控制。

    为提高干线车辆的通过率，采用三相位控制，如图2所示。其中相位1为主干线上的东向左转、直行、右转，相位2为主干线上的西向左转、直行、右转，相位3为支路南北向为一个相位。双向绿波带控制的基本思想是：上行方向以相位1为协调相位，按照一定的相位差进行协调，下行方向以相位2为协调相位，也按照一定的相位差进行协调。

    由于在实际过程中，各个交叉口之间的路段长度不可能都相同，所以各个交叉口的相位也不可能都是连续的。在执行过程中，会出现3种情况：1、相位1和相位2连续；2、相位1和相位2重合；3、相位1和相位2断开。第一种情况控制的效果最好，但由于交叉口间的路段长度和车流量不均匀，第一种情况出现较少，第二、三种情况出现较多。第二种情况会使相位3的绿灯时间变长，第3种情况有可能会使相位3的绿灯时间分割为两部分。为了保证相位的连续性，控制方案优化目标要尽量避免第三种情况发生，同时使第二种情况的重合时间较小。

图2   相位示意图

    3.2 周期

    (1) 周期调整的基本思想

    为使交通干线各交叉口的交通信号能取得协调，各路口的交通信号周期长度必须统一。为此，必须先按单路口信号控制的配时方法，计算各交叉口周期长度，然后从中选出最大的周期长度作为这个系统的关键交叉口的周期时间。根据以往的交通量统计数据给出关键交叉口的最佳周期C、最小周期Cmin和最大周期Cmax。但周期不能过短或过长，周期一般不能短于76(30+3+30+3+10)秒(30秒为相位1和2的最小绿灯时间，10秒为相位3的最小绿灯时间，3秒为黄灯时间)，以免某一相位的绿灯时间过小，使车辆来不及通过路口而影响交通安全，同时也给行人和非机动车一些过街时间。周期一般最长不能超过220秒，否则会导致由于某一相位的红灯时间太长而使驾驶员心理上难以忍受。

    (2)关键交叉口的确定

    关键交叉口是不固定的，每次对方案调整时，重新确定一次。确定方法是饱和度最大的交叉口为关键交叉口，并按关键交叉口的交通信息对公共周期进行调整。

    (3)调整方法

的周期增量值可以通过矩阵运算得到，也可以事先计算好查询表，然后通过查表得到。周期的调整可以由控制中心的系统软件进行计算并发送给各路口信号控制机。

    3.3 绿信比

    绿波带控制系统中各相位的绿信比不一定相同，通常要根据各相位的饱和度大小进行确定。因为各个相位的饱和度反映了各相位的交通拥挤程度，相位饱和度大，则表明该相位的交通流量大，应给予该相位更多的绿灯时间；否则应缩短该相位的绿灯时间。首先根据历史交通数据确定各相位的最小绿灯时间t_i,min和最大绿灯时间t_i,max。各交叉口的绿信比根据各自的实时饱和度单独计算，每个周期结束后调整一次，下一个周期按新的绿信比执行。计算过程如下：

    (1)求第k个周期相位i的饱和度：

    
          
    其中，为第k个周期相位i流量和绿信比。

    

    (2)计算绿信比

                

    (3)计算有效绿灯时间

                     

    其中：Yall为一个周期内的所有黄灯时间，Rall为一个周期内所有红灯时间。

    如果ti < ti,min，则ti = ti,min，缺少的绿灯时间由其它相位按比例补充tj,ded，其它每个相位的补充绿灯时间tj,ded为：
　　    
   

    如果ti < ti,max，则ti = ti,max，多余的绿灯时间按比例分配给其它相位。其它每个相位的获得的额外绿灯时间tj,add为：
　　    
   

    为保证双向绿波带协调控制的通过带宽度，t1,min、t2,min适当大一些，t3,min适当小一些。

    3.4 相位差

    对于干线双向绿波带控制，相位差分为上行相位差和下行相位差，即：

   

    其中：j=1,2,... n-1，n为干线上交叉口数目；dj,j+1、vj,j+1为交叉口j和j+1之间的上行路段长度和上行速度；dj+1,j、vj+1,j为交叉口j+1和j之间的下行路段长度和下行速度；显然有dj,j+1=dj+1,j。

    设上行方向1号交叉口相位1的启动时间为0秒，为了达到协调效果，其它交叉口相位1的启动时间应按相位差错开，错开时间为：
 
       

    其中，m的取值应使。

    设下行方向n号交叉口相位2的启动时间为t秒，为了达到协调效果，其它交叉口相位2的启动时间也应按相位差错开，错开时间为：

   

    同理，m的取值应使。

    3.5 优化性能指标

    设和分别为交叉口j相位1和相位2的绿灯时间，根据3.1节的控制思想，控制的目标是相位1和相位2尽可能多的连续而且不重合。为了减少相位1和相位2分开的情况，寻求一个优化的控制参数t，满足优化性能指标J1：
　　
   

    为了减少相位1和相位2的重合，寻求一个优化的参数t，满足优化性能指标J2：

   

4 控制流程

    双向绿波带控制采用两层递阶结构，如图3所示。协调层根据一段时期内的交通流统计数据调整周期和相位差，然后传给控制层，控制层根据历史和实时数据在每个周期末计算绿信比，同时将交通流信息上传给协调层。其控制过程如下：

图3   两层递阶控制结构

    (1)协调层首先根据以往的交通统计数据给出干线上统一使用的周期C及干线上各交叉口口的上行相位差和下行相位差，进一步计算各交叉口上行协调相位和下行协调相位的启动时间和、左转相位的“早断”或“迟起”时间、。

    (2)设l=0。

    (3)控制层依照协调层给定的参数开启绿灯信号；根据历史和实时交通数据，调整绿信比，使交叉口的车辆延误尽可能小，同时将周期内的交通流检测值和绿信比传给协调层处理。

    (4)令l=l+C，检验l>8C是否成立，若成立，则到下一步，否则，回到第三步。

    (5)协调层由本阶段测得的交通数据和各交 叉口的绿信比，预估下一阶关键交叉口的饱和度，用模糊控制算法确定下一阶段的周期C，使关键交叉口的饱和度接近0.9。同时，预估下一阶段各路段上下行速度、，计算各交叉口上行协调相位和下行协调相位的启动时间和，进一步计算左转相位的“早断”或“迟起”时间、，实现干线一路绿灯并使干线车辆延误尽可能小。回到第二步。

5 结论

    本文的双向绿波带控制策略已经在杭州市滨江区江南大道得到了实际应用。江南大道连接机场路、钱塘江大桥、复兴大桥、西兴大桥、萧山市区，沿途有杭州高新技术产业开发区、滨江区政府以及很多新开发的小区，是一条自东向西贯穿滨江区的主要交通干线，道路条件良好，共有14个交叉口。协调层功能由设在滨江区交警大队PC机实现，控制层功能由集中协调式信号控制机实现。按照交警大队要求，白天设计干线速度为80km/h，晚上设计速度为60km/h。刚启动时，预设公共周期为100秒。各交叉口相位1、相位2的绿灯时间（包括过渡时间）40秒和40秒。则初始的参数如表3所示。

    表1   江南大道双向绿波带控制部分初始参数

    江南大道在采用双向绿波带控制策略之前各交叉口采用的是多时段多方案单交叉口定时控制策略，车辆通过整条大道平均需用时21.3分钟，东西向行驶的车辆平均停车次数为4.7次/辆。采用双向绿波带控制策略后，平均花时7.9分钟，缩短了近63％，平均停车次数为1.36次/辆。减少71.1%，取得了可喜的社会效益和经济效益。

    国内外城市交通控制专家和学者一致认为智能控制系统将是城市交通信号灯控制的必由之路。对此展开研究，将是本世纪系统工程学科研究中的一个新的生长点。本文利用模糊理论来设计城市交通干线控制方法，考虑我国交通的具体情况，并在实际中加以应用和验证，在理论和实际上均有一定意义。
　
其它作者：

    潘国安（1962-）男，浙江绍兴人，大学本科毕业，交通科技工程师，2001年至今任绍兴市公安局交通警察支队副支队长，研究方向为智能交通。
　
参考文献

    [1] 刘智勇，吴今培，李秀平，万百五. 城市交通大系统递阶模糊神经网络控制[J]. 系统工程理论与实践，2004，24(4)：99-105.

    [2] 沈国江，孙优贤. 面向控制的城市交通网络宏观动态模型[J]. 浙江大学学报, 2005, 10(39): 1485-1489.

    [3] 朱文兴，贾磊，杨立才. “大路口”交通信号的优化控制[J]. 控制理论与应用，2006, 23(3): 491-494.

    [4] N H Gartner, S F Assmann, F Lasaga, D L Hom. A multi-band approach to arterial traffic signal optimization [J]. Transportation Research B, 1991, 25: 55-74.