摘要：潮汐車(chē)道對于緩解交通擁堵具有重要意義，目前受到廣泛關(guān)注。而傳統的潮汐車(chē)道控制技術(shù)在車(chē)道清空、切換過(guò)渡、區域關(guān)聯(lián)控制等關(guān)鍵階段未能深入挖掘，控制效果有待提升。本文首先從與上述問(wèn)題相關(guān)的交通信號控制方案過(guò)渡、潮汐車(chē)道交通控制幾方面出發(fā)，對目前的研究現狀進(jìn)行了總結分析，在此基礎上，針對潮汐車(chē)道控制特點(diǎn)，給出了協(xié)同清空、協(xié)同過(guò)渡、區域分布式協(xié)同控制等潮汐車(chē)道時(shí)空資源協(xié)同優(yōu)化控制關(guān)鍵技術(shù)未來(lái)可能的研究?jì)热荨?/p>

關(guān)鍵詞：潮汐車(chē)道交通控制；車(chē)道清空控制；多狀態(tài)過(guò)渡控制；區域協(xié)同控制

Abstract: Tidal lanes are of great significance for relieving traffic congestion, which has received wide attention recently. However, the traditional tidal lane control technology still has difficulty in vehicle clearing, signal transition and regional association control. From the perspective of traffic signal transition and tidal lane control, this paper analyzed the current situation and proposed collaborative clearing, collaborative transition and regional distributed collaborative control based on the control characteristics of tidal lane.

Key words: Tidal lane traffic control; Vehicle clearing control; Multistate transition control; Regional collaborative control

1　引言

當前，道路交通擁堵已成為城市發(fā)展到一定階段所面臨的世界性難題。2017年由高德地圖交通大數據發(fā)布平臺聯(lián)合交通運輸部科學(xué)研究院、阿里云等單位聯(lián)合發(fā)布的《中國主要城市交通分析報告》^[1]顯示，北京的高峰擁堵延時(shí)指數為2.067（高峰擁堵延時(shí)指數等于市民高峰擁堵時(shí)期所花費的時(shí)間與暢通時(shí)期所花費時(shí)間的比值）。為保持城市良性發(fā)展，緩解道路交通擁堵問(wèn)題已是刻不容緩。

潮汐式交通是大城市道路交通擁堵的重要原因之一。國內外實(shí)踐經(jīng)驗表明 ^[2~5]，調整時(shí)空資源、實(shí)施潮汐車(chē)道是緩解高峰時(shí)段潮汐交通擁堵最有效和可行的措施之一。潮汐車(chē)道能夠有效地利用現有道路資源、提高道路的通行效率，在保證交通暢通方面起著(zhù)重要作用。

目前，潮汐車(chē)道研究與應用已得到較為廣泛的關(guān)注，而如何通過(guò)有效的控制方法，進(jìn)一步提高潮汐車(chē)道及其關(guān)聯(lián)路口時(shí)空資源使用效率，是潮汐車(chē)道問(wèn)題研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。潮汐車(chē)道控制過(guò)程應包含車(chē)道清空協(xié)同、切換配時(shí)過(guò)渡、區域關(guān)聯(lián)控制等多個(gè)互相聯(lián)系、依次遞進(jìn)的階段，但已有成果多集中于車(chē)道設置、切換方式等方面，對于上述幾個(gè)關(guān)鍵階段還缺乏深入研究，尚未形成系統的理論體系支撐，實(shí)施效果有待提升。

本文正是面向潮汐車(chē)道交通控制需求，對與之相關(guān)的交通信號控制方案過(guò)渡、潮汐車(chē)道交通控制等技術(shù)方法的研究現狀進(jìn)行了總結分析，在此基礎上，給出了協(xié)同清空、協(xié)同過(guò)渡、區域分布式協(xié)同控制等潮汐車(chē)道時(shí)空資源協(xié)同優(yōu)化控制關(guān)鍵技術(shù)未來(lái)可能的研究?jì)热荨?/p>

2　國內外研究現狀及分析

2.1　交通信號控制方案過(guò)渡

潮汐車(chē)道切換導致關(guān)聯(lián)路口通行能力、空間資源分配發(fā)生變化，從而使得路口信號配時(shí)發(fā)生較大改變，為降低信號配時(shí)變化對交通流平穩運行產(chǎn)生的不良影響，路口新舊配時(shí)方案間一般需進(jìn)行過(guò)渡控制。配時(shí)過(guò)渡控制作為交通信號控制過(guò)程中的重要環(huán)節，已得到眾多研究人員和學(xué)者的關(guān)注，取得了較為豐富的研究成果，除以協(xié)調相位作為調整參數的Dwell法、Max Dwell法、Shortway法，以信號周期作為調整參數的Add法、Substract法、Smooth法、Shortest法^[6]外，較典型的有：

Pohlmann通過(guò)研究具有路網(wǎng)中不同協(xié)調關(guān)系的過(guò)渡信號干線(xiàn)協(xié)調需求分析，提出一種綜合考慮當前路口交通狀態(tài)和鄰近路口交通狀態(tài)的方案過(guò)渡方法^[7]；Hamilton針對新舊信號控制方案過(guò)渡對原有干線(xiàn)協(xié)調造成的影響，提出了一種干線(xiàn)快速過(guò)渡方法^[8]；Basu綜合考慮新配時(shí)方案對干線(xiàn)協(xié)調的優(yōu)化程度和過(guò)渡方案對干線(xiàn)協(xié)調的影響程度，選取最佳影響度過(guò)渡方案^[9]等；樹(shù)愛(ài)兵等針對交叉口過(guò)渡信號周期以及周期調整步幅的取值范圍，提出了一種基于周期的交通信號協(xié)調控制過(guò)渡調整策略^[10]；劉慧等在對直接切換方法、經(jīng)典Add和Subtract過(guò)渡方法進(jìn)行分析的基礎上，綜合考慮過(guò)渡時(shí)間和平滑特性，提出一種基于最佳相位差調整量控制方案的快速平滑過(guò)渡方法^[11]；郭海鋒等在綜合考慮過(guò)渡時(shí)間和平滑特性的基礎上，提出一種基于最佳相位差調整量控制方案的快速平滑過(guò)渡方法^[12]；譚偉麗等針對傳統過(guò)渡方法存在的問(wèn)題，提出了一種面向活躍相位的干道協(xié)調信號控制方案的過(guò)渡方法^[13]；盧凱等針對各交叉口過(guò)渡信號周期的允許取值范圍，利用交叉口相位差調整比例的極小極大原理，提出了單周期對稱(chēng)調節過(guò)渡算法與Ｎ周期加權調節過(guò)渡算法^[14]。

總體而言，國內外學(xué)者在交通信號配時(shí)過(guò)渡控制方法研究方面已做出了許多扎實(shí)的工作，有助于解決信號配時(shí)變化對交通流平穩運行產(chǎn)生的不良影響問(wèn)題，但從目前的研究現狀來(lái)看，在以下方面仍可進(jìn)一步改進(jìn)：

（1）傳統的過(guò)渡控制方法較少同時(shí)兼顧各路口本身（如相鄰周期變化、相鄰周期內綠信比變化）及相鄰路口間（如相鄰路口過(guò)渡周期調整幅度對比、相鄰路口過(guò)渡周期相位差變化）兩方面的交通流波動(dòng)性問(wèn)題，綜合波動(dòng)性能指標仍需進(jìn)一步研究；

（2）潮汐車(chē)道過(guò)渡控制有其特殊性，由于各可變車(chē)道切換時(shí)刻不同，容易出現各相鄰路口不能在相同限定時(shí)間內完成過(guò)渡的情況，需從相同時(shí)間內過(guò)渡、不同時(shí)間內過(guò)渡、過(guò)渡時(shí)間有交叉三種狀態(tài)出發(fā)，設計潮汐車(chē)道多路口協(xié)同過(guò)渡控制方法；

（3）由于潮汐車(chē)道切換前后空間資源分配發(fā)生變化，可能使得關(guān)聯(lián)路口相位組成、相序、信號配時(shí)等均發(fā)生變化，傳統的以相位作為承載對象、以相位綠燈時(shí)間為優(yōu)化變量的過(guò)渡方法已不適合潮汐車(chē)道信號控制過(guò)渡需求，需重新構建以車(chē)流為承載對象、包含車(chē)流綠燈時(shí)間、相序等多類(lèi)型優(yōu)化變量的新的信號過(guò)渡方法；

（4）在離線(xiàn)過(guò)渡方案的基礎上，針對過(guò)渡過(guò)程中潮汐車(chē)道交通信號控制在線(xiàn)優(yōu)化需求，有必要對考慮過(guò)渡效應的潮汐車(chē)道多路口在線(xiàn)協(xié)同控制方法展開(kāi)研究。

2.2　潮汐車(chē)道交通控制

潮汐車(chē)道能夠有效地利用現有道路資源、提高道路的通行效率，在保證交通暢通方面起著(zhù)重要作用。目前，潮汐車(chē)道交通控制已得到了眾多國內外研究人員及學(xué)者的關(guān)注，并取得了較為豐富的研究成果，主要包括：

Wang等通過(guò)車(chē)輛到基礎設施的通信將交通控制器與車(chē)載控制器連接起來(lái)進(jìn)而構建潮汐車(chē)道信號控制系統[15]；Habibollah等重點(diǎn)研究了可變車(chē)道的動(dòng)態(tài)調整機制，運用邏輯選擇模型對線(xiàn)下方案進(jìn)行模擬調整，再推廣至實(shí)時(shí)調整 [16]；孫鋒等通過(guò)預測交叉口的交通需求，明確了逆向可變車(chē)道的開(kāi)關(guān)判別指標及開(kāi)關(guān)控制條件，將逆向可變車(chē)道信號燈與交叉口內信號燈實(shí)現協(xié)同控制，使得逆向可變車(chē)道控制實(shí)現動(dòng)態(tài)和智能化^[17]。曲大義等定量分析干線(xiàn)交通流分布不均衡系數及轉向不均衡系數，協(xié)同設置潮汐車(chē)道與變向車(chē)道，并依據干線(xiàn)交通流特性提出半周期綠波協(xié)同優(yōu)化策略^[18]；文獻^[19]通過(guò)對潮汐車(chē)道控制技術(shù)的研究，給出潮汐車(chē)道的具體運行過(guò)程和管理措施，以及潮汐車(chē)道的最佳切換時(shí)機和調整模型；王艷麗等通過(guò)計算交通飽和度，選擇道路雙向飽和度的加權切換動(dòng)態(tài)控制方式對潮汐車(chē)道進(jìn)行自適應控制^[20]；周鵬等利用視頻檢測獲得的車(chē)流量等相關(guān)參數信息，提出了基于非參數回歸短時(shí)間交通流預測的智能可變車(chē)道的導向判決算法，實(shí)現了對可變車(chē)道隨著(zhù)實(shí)時(shí)車(chē)流量而自動(dòng)變化的智能控制^[21]；馬瑩瑩等提出一種根據雙向交通運行狀態(tài)動(dòng)態(tài)控制可變車(chē)道行駛方向的交通控制方法，利用可變車(chē)道路段雙向飽和度分析道路交通運行狀態(tài)，建立各種交通狀態(tài)下對應的車(chē)道行駛方向優(yōu)化模型^[22]；李萌等對潮汐性擁堵和潮汐車(chē)道的性質(zhì)進(jìn)行了定性分析之后，在動(dòng)態(tài)交通分配的程序中通過(guò)仿真的方法，研究了交通需求的分布特性變化時(shí)潮汐車(chē)道的表現^[23]；孟志廣等建立了基于BPR路阻函數的車(chē)道切換時(shí)機及調整模型，為潮汐車(chē)道的運行及管理提出合理的策略，驗證了潮汐車(chē)道對緩解城市交通擁堵的積極作用^[24]。

綜上，可變車(chē)道能夠提高道路資源利用率，對緩解城市潮汐交通導致的道路交通擁堵無(wú)疑具有重要的現實(shí)意義。與此同時(shí)，在對潮汐車(chē)道交通流特性分析的基礎上，如何實(shí)現潮汐車(chē)道高效的交通控制也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。但從目前研究現狀來(lái)看，仍存在以下問(wèn)題：

（1）潮汐車(chē)道控制過(guò)程包含多個(gè)互相聯(lián)系、依次遞進(jìn)的階段，而傳統的潮汐車(chē)道控制方法在車(chē)道清空協(xié)同、切換配時(shí)過(guò)渡、區域關(guān)聯(lián)控制等關(guān)鍵階段鮮有涉及，缺乏整體理論體系支撐，實(shí)施效果仍有待提升；

（2）現有車(chē)道切換多為人工切換或定時(shí)控制，需通過(guò)對潮汐車(chē)道交通狀態(tài)及持續時(shí)間預測方法研究，進(jìn)一步實(shí)現根據雙向交通需求動(dòng)態(tài)、高效地配置道路車(chē)道資源；

（3）車(chē)道清空所需時(shí)間受車(chē)道清空控制開(kāi)始時(shí)刻及關(guān)聯(lián)路口信號配時(shí)雙重影響，但目前研究較少考慮車(chē)道清空與信號配時(shí)協(xié)同控制，時(shí)空資源未能充分利用；

（4）潮汐車(chē)道切換前后在時(shí)空資源變化方面有其特殊性，需專(zhuān)門(mén)設計潮汐車(chē)道多路口離線(xiàn)及在線(xiàn)協(xié)同過(guò)渡控制方法，降低潮汐車(chē)道切換對交通流平穩運行產(chǎn)生的不良影響；

（5）現有研究多針對單一潮汐車(chē)道路段，對于上下游連接的多個(gè)潮汐車(chē)道路段及其關(guān)聯(lián)路口協(xié)同控制中相關(guān)問(wèn)題需進(jìn)一步研究；

（6）現有方法多關(guān)注于潮汐車(chē)道自身控制，較少考慮潮汐車(chē)道交通子區與外圍關(guān)聯(lián)子區間的協(xié)同控制問(wèn)題，常導致?lián)矶缕频痊F象發(fā)生。

3　潮汐車(chē)道時(shí)空資源協(xié)同優(yōu)化控制關(guān)鍵技術(shù)研究展望

3.1　潮汐車(chē)道清空與關(guān)聯(lián)路口信號配時(shí)協(xié)同控制方法研究

潮汐車(chē)道交通狀態(tài)預測有助于確定潮汐車(chē)道最佳切換時(shí)刻，而潮汐車(chē)道切換前需先完成車(chē)道清空，即車(chē)道清空所需時(shí)間直接影響著(zhù)潮汐車(chē)道實(shí)際切換時(shí)刻。因此，如何設計潮汐車(chē)道清空與關(guān)聯(lián)路口信號配時(shí)協(xié)同控制方法，使得潮汐車(chē)道及關(guān)聯(lián)路口時(shí)空資源充分利用，是潮汐車(chē)道控制中需解決的重要問(wèn)題之一。

基于上述分析，可在對潮汐車(chē)道交通狀態(tài)及其持續時(shí)間預測的基礎上，采用集散波理論、模型參數反饋調節、模型匹配、模型庫動(dòng)態(tài)優(yōu)化等技術(shù)方法，首先對待清空車(chē)道車(chē)輛行駛時(shí)間計算方法展開(kāi)研究，計算流程如圖1所示，并將計算結果與同樣流量區間下實(shí)際調查數據進(jìn)行對比，獲取行駛時(shí)間計算誤差概率分布，誤差分析如圖2所示；在此基礎上，結合潮汐車(chē)道上游路口駛出流量圖式，分析下游路口信號配時(shí)及潮汐車(chē)道清空開(kāi)始時(shí)刻對清空時(shí)間和實(shí)際切換時(shí)刻的影響，進(jìn)一步分別以路口平均延誤、考慮計算誤差概率分布的車(chē)道清空時(shí)間、考慮計算誤差概率分布的實(shí)際切換時(shí)刻與最佳切換時(shí)刻時(shí)間差為性能指標，以交叉口飽和度、最大綠燈時(shí)間、最小綠燈時(shí)間等為約束條件，構建潮汐車(chē)道清空與關(guān)聯(lián)信號配時(shí)協(xié)同優(yōu)化模型并優(yōu)化求解。

圖1 待清空車(chē)道車(chē)輛行駛時(shí)間計算流程

圖2 行駛時(shí)間計算誤差分析

3.2　潮汐車(chē)道多路口協(xié)同過(guò)渡控制方法研究

潮汐車(chē)道切換導致關(guān)聯(lián)路口通行能力、空間資源分配發(fā)生變化，從而使得路口信號配時(shí)發(fā)生較大改變，為降低信號配時(shí)變化對交通流平穩運行產(chǎn)生的不良影響，路口新舊配時(shí)方案間一般需進(jìn)行過(guò)渡控制。傳統的過(guò)渡控制方法多為離線(xiàn)計算，且較少同時(shí)兼顧各路口本身及相鄰路口間兩方面的交通流波動(dòng)性問(wèn)題，過(guò)渡方案不盡完善；另一方面潮汐車(chē)道過(guò)渡控制有其特殊性，由于各可變車(chē)道切換時(shí)刻不同，容易出現各相鄰路口不能在相同限定時(shí)間內完成過(guò)渡的情況，且由于關(guān)聯(lián)路口相位組成、相序、信號配時(shí)等均可能發(fā)生變化，傳統以相位作為承載對象的過(guò)渡方法已不適合潮汐車(chē)道信號控制過(guò)渡需求。

基于上述問(wèn)題，可首先分別針對各路口相同時(shí)間內過(guò)渡、不同時(shí)間內過(guò)渡、過(guò)渡時(shí)間有交叉三種狀態(tài)，考慮各路口本身及路口間的過(guò)渡波動(dòng)性，設計離線(xiàn)型綜合波動(dòng)性能指標，進(jìn)而以過(guò)渡周期數、車(chē)流放行時(shí)差單步最大變化量、車(chē)流放行時(shí)長(cháng)單步最大變化量、周期時(shí)長(cháng)單步最大變化量等為約束條件，構建潮汐車(chē)道多路口協(xié)同過(guò)渡控制模型，并采用粒子群算法等組合優(yōu)化方法進(jìn)行求解；在上述工作基礎上，可進(jìn)一步針對在線(xiàn)優(yōu)化過(guò)渡控制問(wèn)題展開(kāi)研究，在各路口過(guò)渡周期數限定的前提下，面向多種路口過(guò)渡時(shí)間組合狀態(tài)，基于交通流滾動(dòng)預測結果，設計能夠體現交通流運行波動(dòng)性和通行效率的多目標函數，以各路口過(guò)渡周期及綠信比等為決策變量，以路口排隊長(cháng)度變化率、路段平均速度等為狀態(tài)變量，構建考慮過(guò)渡效應的潮汐車(chē)道多路口在線(xiàn)分布式協(xié)同控制模型，并研究其優(yōu)化求解算法。

3.3　面向潮汐車(chē)道的區域交通分布式協(xié)同控制方法研究（如圖3所示）

圖3 面向可變車(chē)道的區域交通分布式協(xié)同控制方法示意圖

潮汐車(chē)道時(shí)空資源的變化，使得所處路段及路口構成的交通子區屬性發(fā)生變化，其控制需求也發(fā)生變化。而現有方法多關(guān)注于可變車(chē)道自身控制，較少考慮潮汐車(chē)道交通子區與外圍關(guān)聯(lián)子區間的協(xié)同控制問(wèn)題，常導致?lián)矶缕频痊F象發(fā)生。

基于上述問(wèn)題，以充分利用潮汐車(chē)道時(shí)空資源為出發(fā)點(diǎn)，將潮汐車(chē)道交通子區外部需求管理與內部資源調配相結合，可對以下內容展開(kāi)研究：在基于同質(zhì)性路網(wǎng)宏觀(guān)基本圖劃分控制子區的基礎上，以潮汐車(chē)道交通子區累積車(chē)輛數為狀態(tài)變量，構建潮汐車(chē)道交通子區邊界路口宏觀(guān)交通流狀態(tài)方程，并討論狀態(tài)方程的求解方法；以潮汐車(chē)道外圍子區交叉口總排隊車(chē)輛數與子區間銜接交叉口車(chē)輛進(jìn)出數量為性能指標，以子區范圍內交叉口各相位飽和度等作為約束條件，構建潮汐車(chē)道外圍關(guān)聯(lián)子區信號協(xié)調控制模型，并討論其求解方法；在此基礎上，考慮潮汐車(chē)道交通子區及其外圍子區之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，研究區域交通分布式協(xié)同控制方法。

4　總結

本文在對交通信號控制方案過(guò)渡、潮汐車(chē)道交通控制等技術(shù)方法研究現狀總結分析基礎上，給出了潮汐車(chē)道協(xié)同清空、協(xié)同過(guò)渡、區域分布式協(xié)同控制等時(shí)空資源協(xié)同優(yōu)化控制關(guān)鍵技術(shù)未來(lái)可能的研究?jì)热?，其中，通過(guò)設計車(chē)道清空與關(guān)聯(lián)路口信號配時(shí)協(xié)同控制方法，可促進(jìn)潮汐車(chē)道及路口時(shí)空資源充分利用；通過(guò)構建潮汐車(chē)道多路口協(xié)同過(guò)渡控制模型，能夠降低信號配時(shí)變化對交通流平穩運行產(chǎn)生的不良影響，提升交叉口交通流通行能力；在考慮潮汐車(chē)道交通子區及其外圍子區之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的基礎上，通過(guò)設計區域交通分布式協(xié)同控制方法，有望進(jìn)一步提高路網(wǎng)整體通行能力及道路資源利用率。上述研究可為解決可變車(chē)道交通控制問(wèn)題提供新的方法和途徑，在城市交通控制實(shí)踐中具有重要的應用前景，同時(shí)對城市交通控制理論與方法的進(jìn)一步發(fā)展能夠產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。

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作者簡(jiǎn)介：

劉小明（1974-），男，河北唐山人，教授，博士生導師，現就職于北方工業(yè)大學(xué)城市道路交通智能控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗室，研究方向是智能交通控制理論與技術(shù)、城市交通系統工程。

摘自《自動(dòng)化博覽》2018年12月刊