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摘要：交通拥堵已经成为制约我国城市发展的瓶颈问题，信号控制作为城市交通管理措施的主要组成部分，它通过时空分离冲突车流来实现交叉口资源的优化配置，进而提高路网交通运输效率，其是缓解城市交通拥堵的重要手段｡我国城市交通具有路网结构异质、机非混行及驾驶行为多样化等突出特点，这就对交通拥堵状态下的信号控制方法提出了更高要求｡鉴于此，本文就基于城市交通拥堵预测下的主动信号控制方法展开探讨，以期为城市交通拥堵预测下的主动信号控制工作起到参考作用｡
关键词：城市交通拥堵；主动信号控制；过饱和状态
1 城市交通拥堵的特征及其危害
我国交通拥堵的两大主要原因是城市交通常处于过饱和状态和机非干扰的状态，下面就这两种状态下的交通流进行分析。
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1.1 过饱和状态下的交通流分析
诱发过饱和交通现象的因素有两类，第一类是通勤高峰期超高强度的交通需求，第二类是通勤平峰期局部区域供需失衡带来的交通流随机波动｡第一类背景下的交通过饱和只能采用交通管理手段控制驶入路网的车辆数，例如单双号限行、拥挤边界控制等｡第二类背景下的交通流运行规律极其复杂，而在关键交叉口引发的过饱和状态是路网交通瘫痪、路网性能失效的诱因，需要基于交通信号控制加以预防｡
1.2 机非干扰状态下的交通流分析
众多成熟的国外交通信号控制系统己广泛应用于我国城市交通管理中，如TRANSYT，SCATS，SCOOTS等，然而多种形式的交通效益评估都认为移植这些国外的交通信号控制系统并没有给路网通行效率带来明显的提升，城市路网遏制交通拥堵的潜能没有得到充分发掘｡究其原因，我国城市中特殊的由机动车与非机动车组成的混合交通流是重要致因｡非机动车出行一直是我国居民出行的重要方式，近些年伴随电动自行车的大量涌现，路网上的非机动车交通流呈现电动自行车与普通自行车混杂行驶的异质性特征｡虽然大部分城市的重要道路上都己采取机非隔离措施避免机非干扰，然而信号交叉口处，非机动车交通流不可避免会与机动车流发生冲突和干扰｡信号交叉口处复杂的机非冲突与干扰现象是国外信号控制系统在我国水土不服的重要原因｡
2 现有交通拥堵信号控制分析
我国城市交通拥堵信号控制范围选取是交通拥堵信号控制的首要问题，现有研究经历了从单个交叉口控制，到多个交叉口群控制，再到基于多目标优化的区域过饱和控制三个发展阶段｡单个交叉口的交通拥堵控制研究较早，目标包括降低交叉口信号控制延误和控制排队长度两类｡Gartner等研究了单交叉口的交通拥堵动态消散问题，他们以延误最小为控制目标，实施了两阶段开关控制策略求解固定信号周期下的绿灯时长；Abu等研究了以防止排队上溯为目标的主干道交叉口信号控制问题｡这些早期控制策略的不足表现在，排队长度没有限制、相位切换方式受限、信号优化参数不全面、控制策略难以推广到多个交叉口群控制级别｡因此，学者们开始研究多个交叉口群控制｡为了同时控制由过饱和交叉口和非过饱和交叉口组成的交叉口群｡随着人们对过饱和交通危害的全面认知，控制目标进一步拓展到多目标优化｡TRANSYT-7F开发了过饱和交通控制模块，把通过率和排队强度作为共同控制目标，模拟结果证明双目标能有效降低排队溢流发生的风险；Hajbabaie等分析了不同控制目标的优化效果，发现基于距离的加权出行次数最大化目标的表现最好，接下来依次是最小延误、最小出行时间、最小通过量与排队长度的差、最大出行次数四类目标｡
3 主动信号控制的方案优化
主动信号控制算法包括控制方案优化和控制方案评估两个环节，自适应信号控制是重要的控制方案优化方法，本节将归纳自适应交通信号控制系统基本特征和总结自适应信号控制优化算法。
3.1 自适应交通信号控制系统
自适应信号控制系统的三个核心要素是交通流信息检测、交通态势预测和信号优化算法｡伴随着信息检测与预测技术的进步以及交通流理论的发展，一共出现了三种类型的自适应交通信号控制系统｡第一类是固定式离线信号控制系统，基于历史交通流量数据，以优化交叉口通行效率为目标，TRANSYT和MAXBAND是其中的典型代表｡这类控制系统自适应能力较差，但其信号优化算法较为实用，最新版本也融合了元胞传输模型，初步具备了处理过饱和交通的能力｡第二类和第三类自适应信号控制系统己广泛应用于国内外城市，在线运算是它们区别于第一类信号控制系统的主要特征｡第二类系统在预设相位、相序下，利用检测器数据寻找最优信号控制三参数，SCAT和SCOOT是其典型代表｡第三类系统不只关注优化信号三参数，而是进化到超越预设相位相序限制，基于强化学习理论，寻找最优相序、相位、绿时长，其信号方案适应交通流变化的能力更强｡
3.2 主动信号控制的方案评估
本文所述主动信号控制方法的目标为，在优化提升局部交叉口通行效率的同时，避免交叉口陷入过饱和状态或快速缓解交叉口拥堵状况，均衡路网交通负荷。为实现该控制目标，基于交通拥堵预测模型，首先分析城市拥堵交通流信号控制要求，归纳主动信号控制的方法要点；其次以提升信号控制性能为目标，设计基于自组织原理的信号优化方案；最后为防止信号优化过程中出现过饱和现象或快速缓解交通拥堵，在自组织信号优化框架中加入过饱和交通主动抑制策略。另外，由于控制效果的仿真测试要面向路网，还需深度开发Simulink仿真平台来实现路网层次的主动信号控制。
4 结束语
本文提出基于主动信号控制方法缓解我国城市交通拥堵的研究思路，针对过饱和状态和机非干扰这两个交通拥堵致因，构建相应的元胞自动机交通流仿真预测方法，再设计融合自适应信号控制和宏观基本图理论的主动信号控制策略，以实现对交通拥堵的预防和缓解。
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论文作者:曾苗
论文发表刊物:《基层建设》2018年第7期
论文发表时间:2018/5/24
标签：信号论文; 交通论文; 交叉口论文; 通流论文; 城市交通论文; 控制系统论文; 主动论文; 《基层建设》2018年第7期论文;