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摘要:交通信號控制系統是城市交通的基本組成。本文針對交通路口信號控制中的時間分配算法進行研究。根據交通路口抽象模型,綜合多種路口流量因素,引入了綜合流量指標來對交通流量進行量化描述。并且以該綜合指標為中心設計了具備自適應能力的信號控制算法,實現了能夠依據交通流量狀況進行路口時間調整的交通信號控制系統模型。通過NetLogo平臺進行仿真實驗,證明該系統模型可以很好地適應路通流量變化和差異,一定程度上可以作到對交通壓力的緩解。

關鍵詞:交通信號控制;仿真平臺;自適應控制算法;交通動態流量變化

傳統的交通信號控制算法有人工分配和固定時

間分配兩種。人工法設置專人值守進行交通信號變換。而固定時間分配方法事先經過觀察預測,得到適宜時間長度后進行設置。但是,上述兩種方法都存在各種問題。首先,交通流量周期變化大。城市同一路段在不同時段的流量差異比較大。其次,路口實驗難度大。所以,研究開發一種以體現交通流量的綜合指標為中心,具備動態調節能力的信號控制算法是有必要的。

一、智能控制算法的設計

1.路口模型和問題假設模型路口的環境設置為類似十字交叉路口環

境,車輛四個方向駛向路口。來自每個方向經過路口有三個走向:直行、右行和左行,為方便表示分為三個車道表示三個目的方向。對于交通信號控制模

型,還需要如下假設前提:

(1)系統車輛同質。模型系統中只考慮機動車行駛因素,忽略自行車和行人參與因素。車輛速度、加速度等指標相同車輛行駛規則一致。

(2)交通信號每種信號時間設定最小開放時間

tmin。任何一種交通信號所分配的時間t由最小時間tmin和動態延長時間Δt組成,即t=tmin+Δt。這樣可以保證任何方向的車流都能夠分配一定時間份額使車輛通過,維護分配公平原則。系統動態調

整的時間只是Δt部分的時間。

(3)交通信號變換周期固定。交通信號變換的周期設置為一個固定值T,要求交通信號在一個固

定時間內必須完成一個周期變換。系統控制算法只

在固定的周期時間中進行動態調整。

2.四維時間比例向量交通信號問題為固定時間的分配問題,就是將

規定的變換周期時間分配到交通信號的每種變化中

去,為分配適當的時間段。交通信號系統存在對稱特性,真正有意義的只有四種信號。例如:東西向直行的綠燈信號長度必然等于南北向直行紅燈信號長度。由此,表示交通信號系統時間分配情況可以使用四維時間比例向量表示。T=(t1t2t3t4)為時間比例向量的表示,含義如下:t1表示東西方向上綠燈信號時間比例。所謂時間比例為占固定周期中可分配時間的比例,狀態表示G;t2表示南北方向上黃燈信號時間比例,狀態表示YN;t3表示東西方向上紅燈信號時間比例,狀態表示R;t4表示東西方向上黃燈信號時間比例,狀態表示YE。由固定時間和信號最小時間固定假設,通過計算可以得到每種信號要維持的時間長度。

3.流量指標的設計

傳統流量指標為通過路口的車輛數,不能全面反映流量信息。根據控制原則和實現的難易度,將速度和等待車輛兩因素引入指標體系。指標的測取都是在等候區中獲取。所謂等候區為從路口停車線反向的一段區域。速度為等候區車輛的平均速度,平均速度越快表示車流通過路通系統的時間相對短,控制效果好。等待車輛數為在等待區停車等待的數量,等待隊列中車輛的數量越多,交通控制效果越差。

4.自適應控制算法

四路口流量指標R可以用向量St=(st1st2st3st4)表示。進行交通時間的調整實際上也就是通過向量St來調節時間分配表T。在獲得新流量指標向

量后,需要根據標準進行判斷是否需要進行時間分配調整。選擇計算四指標的方差,若超過一定閾值m就進行時間比例向量T的修正調整。最簡單的調整方法就是確定流量指標最大和最小項數,根據預設步長從指標值小對應的路口時間比例中轉移步長

數量進入到指標值大對應的路口時間項中。

二、交通系統控制模型設計交通智能控制系統是隨時間推進不斷檢測評估

當前路口流量狀況,發現新流量變動進行自動時間比例調節的系統。在交通系統模型中,核心的算法

流程為更新AIList表流程。更新AIList向量流程表示根據流量指標向量Adjust-List所反映的流量狀況,對AIList中的時間比例進行調整,增加流量大路口的時間分配比例,同時減少流量小的路口時間分配比例。參數Uptime表示完成的信號轉換時間周

期,當交通信號系統運行Tupdate次循環后,進行一次AIList調整嘗試。新晨

二、仿真實驗和結果

仿真模型使用NetLogo實驗平臺。車輛采用根據不同方向來源分為四個種類E、W、N、S。對車輛設置屬性包含車輛當前速度Speed、速度上下限Speed-limit和Speed-min。基于流量的自適應控制算法優勢在于在十字路口兩向車流量存在明顯差異,算法可以實現在運行一定周期后調整出適當的時間分配比例向量,從而緩解流量壓力。為驗證這種情況,通過一實驗,南北向車流量遠小于東西向車流量,相差幅度在兩倍左右,而AIList中時間分配近似一致。這樣就使系統存在相當的調整空間進行實驗。

在仿真實驗中,由于流量大,東西向車輛等待隊列排滿路口等待區的情況是很難避免的。算法對路口時間資源的調整效果是使得東西向滿等待隊列的152

時間縮短,減少車輛在隊列中的等待時間。圖1是兩向路口等待車輛數目散點圖。其中,細線表示東西方向等待車輛個數。經過觀察可知,粗線取最大值是水平時間段,說明在該段時間等待區是滿狀態。在仿真后期,水平時間段長度明顯減少,說明經過一個調整階段,東西向路口分配的時間增加,等待隊列的車輛等待時間有所減少,路口效率提高。

圖1系統路口等待車輛隨時間變化圖

在仿真的20個變換周期中,東西方向車流一共出現了19次等待區排滿的情況,而隨著系統適應能

力的提高,等待隊列持續的時間呈減少的趨勢。具

體如表1所示:

從表中,東西向車流隊列等待的時間從原先的

153逐漸減少到66,說明等待的時間明顯減少。綜合上述數據和圖表所述,模型系統有效地減少了流

量大路口等待隊列的等待持續時間,提高了車輛路

口通過效率。

三、總結

本文提供方法以提高路口資源利用率,增強路口控制能力為目標,以時間資源智能分配為主要手段。控制算法具有根據路口狀況自主調節時間分配控制策略,動態改變分配規則,較之傳統交通信號控制方式更加適應復雜度高的現代城市交通系統。

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