城市交通路網(wǎng)子區(qū)劃分技術(shù)探析

城市交通路網(wǎng)子區(qū)劃分技術(shù)探析前言從20世紀(jì)60年代開始，許多學(xué)者開始研究如何通過(guò)合理地調(diào)整多個(gè)信號(hào)控制交叉口的信號(hào)配時(shí)方案，使這些信號(hào)控制交叉口相互協(xié)調(diào)起來(lái)，以達(dá)到提高行駛效率的目的。而在進(jìn)行區(qū)域協(xié)調(diào)控制前，有一個(gè)非常關(guān)鍵的步驟，就是對(duì)城市路網(wǎng)進(jìn)行合理的信號(hào)控制子區(qū)劃分。交通控制子區(qū)的概念是在1971年美國(guó)的Walinchus首次提出的。將一個(gè)復(fù)雜龐大的路網(wǎng)按照一定的原則指標(biāo)劃分成若干個(gè)獨(dú)立的子區(qū)，根據(jù)子區(qū)的特性分別執(zhí)行合適的控制優(yōu)化策略，把控制權(quán)逐級(jí)下放，使系統(tǒng)變得更加靈活可靠。國(guó)外對(duì)控制子區(qū)劃分的研究主要是從耦合度、引力、協(xié)調(diào)系數(shù)等方面進(jìn)行，國(guó)內(nèi)學(xué)者在2000年之后才開始交通控制子區(qū)劃分技術(shù)的研究，主要從流量、距離、周期等方面對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了一定的探討和分析，雖然都取得了一些理論性成果，但國(guó)內(nèi)方面，該技術(shù)真正用于實(shí)際的還不多。隨著交通問(wèn)題的日益突出，學(xué)者們正著手于該技術(shù)的理論深入研究和實(shí)際應(yīng)用，希望借此緩解交通問(wèn)題，提高路網(wǎng)整體效益，并為交通信號(hào)控制系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)提供一種新的思路。子區(qū)劃分的目的和意義在交通控制系統(tǒng)中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)子區(qū)、子系統(tǒng)、交叉口群等已有較多研究。劃分交通控制小區(qū)最主要的目的是為了便于在局部區(qū)域?qū)嵤╈`活的協(xié)調(diào)控制方案。一方面從保證交通控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性考慮，若把路網(wǎng)分成若干個(gè)具有一定相關(guān)性的交通控制區(qū)域，或相對(duì)獨(dú)立的交通控制區(qū)域，即使某一子控制系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)不能運(yùn)行，也只是使其所轄范圍交叉口失去聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的作用。另一方面從提高控制系統(tǒng)運(yùn)行效率考慮，交通控制中心所轄范圍不應(yīng)過(guò)大，否則實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)必然很多，從而影響到對(duì)交叉口的實(shí)時(shí)控制，而且整個(gè)區(qū)域協(xié)調(diào)控制的效果并不是很理想。而按照某一控制策略，使多個(gè)相鄰相關(guān)的交叉口能夠依據(jù)實(shí)時(shí)交通狀況自動(dòng)合并成一個(gè)控制子區(qū)，同一控制子區(qū)采用相同的控制方案，則可避免因固定劃分控制子區(qū)而使配時(shí)方案逐漸“老化”的現(xiàn)象，這無(wú)疑能大大提高整個(gè)控制系統(tǒng)交通效益。交通控制子區(qū)劃分技術(shù)現(xiàn)狀

子區(qū)劃分隨著計(jì)算機(jī)化交通控制系統(tǒng)的出現(xiàn)而出現(xiàn)。交通控制子區(qū)劃分的基本思想是將整個(gè)交通網(wǎng)絡(luò)分為不同的子區(qū)域，然后以每個(gè)子區(qū)為單位實(shí)施智能優(yōu)化與控制。圖1形象說(shuō)明了區(qū)域路網(wǎng)交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制的邏輯流程圖。曙腳爵網(wǎng)載期畀M制IIX創(chuàng)會(huì)用制「［汽門厲臥調(diào)技曙腳爵網(wǎng)載期畀M制IIX創(chuàng)會(huì)用制「［汽門厲臥調(diào)技制SU郵II圖1城市區(qū)域交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制邏輯圖交通控制子區(qū)的劃分方式可以分為靜態(tài)控制子區(qū)劃分和動(dòng)態(tài)控制子區(qū)劃分。經(jīng)過(guò)靜態(tài)控制子區(qū)劃分后，子區(qū)個(gè)數(shù)和各個(gè)子區(qū)域的范圍固定，不會(huì)再改變，由于交通流具有實(shí)時(shí)變化的特征，所以相對(duì)于靜態(tài)子區(qū)劃分來(lái)說(shuō)，控制子區(qū)動(dòng)態(tài)劃分顯出了極大的優(yōu)越性。靜態(tài)子區(qū)劃分靜態(tài)子區(qū)劃分是根據(jù)歷史交通流數(shù)據(jù)劃分子區(qū)，子區(qū)方案形成后即固定下來(lái)，不再隨交通狀態(tài)的變化而變化。英國(guó)在1969年開發(fā)成功的TRANSYT系統(tǒng)中就采用了靜態(tài)子區(qū)劃分技術(shù)，該系統(tǒng)首先考慮城市中自然及行政區(qū)劃等因素將路網(wǎng)劃分成不同區(qū)域，然后在每個(gè)區(qū)域內(nèi)考慮交叉口連線長(zhǎng)度、交通流量大小、交通擁堵狀態(tài)、交通流產(chǎn)生源及終止點(diǎn)等因素將每個(gè)區(qū)域劃分成不同的控制子區(qū)。在1979年開發(fā)成功的SCOOT系統(tǒng)，是在人工干預(yù)的情況下才能靜態(tài)劃分交通控制子區(qū)。我國(guó)交通研究學(xué)者對(duì)靜態(tài)子區(qū)劃分技術(shù)進(jìn)行了一定的研究，并結(jié)合信號(hào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了一定的實(shí)際應(yīng)用，具有代表性的有深圳市SMOOTH控制系統(tǒng)，杭州鼎鵬GRANDTRANS系統(tǒng)等。靜態(tài)交通控制子區(qū)劃分一般為人為手動(dòng)進(jìn)行，子區(qū)域在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都是相對(duì)同定的，依靠交通工程師根據(jù)路口流量調(diào)查情況和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行局部的修改。隨著交通控制相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步和對(duì)交通控制認(rèn)知程度的提升，越來(lái)越多的學(xué)者發(fā)現(xiàn)這種靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)的交通控制子區(qū)劃分方法已經(jīng)不適應(yīng)交通控制系統(tǒng)發(fā)展的需要，一些學(xué)者開始從小區(qū)的動(dòng)態(tài)劃分角度進(jìn)行研究。動(dòng)態(tài)子區(qū)劃分動(dòng)態(tài)子區(qū)劃分以路網(wǎng)內(nèi)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的交通流數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，根據(jù)交通狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化對(duì)子區(qū)規(guī)模進(jìn)行調(diào)整，以維持最佳的子區(qū)劃分方案，使聯(lián)系緊密的交叉口始終劃入同一子區(qū)，保證交叉口執(zhí)行最佳控制方式。SCATS交通信號(hào)控制系統(tǒng)利用遺傳算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)分區(qū)，它是通過(guò)“合并指數(shù)”進(jìn)行的。在每一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)，都要進(jìn)行一次“合并指數(shù)”的計(jì)算，相鄰兩子系統(tǒng)各自所要求的信號(hào)周期長(zhǎng)度相差不超過(guò)9s,則“合并指數(shù)”累計(jì)值為(+1)，否則為(-1)。若“合并指數(shù)”的累計(jì)值達(dá)到“4”，則認(rèn)為這兩個(gè)子系統(tǒng)己經(jīng)達(dá)到合并的標(biāo)準(zhǔn)。合并后的子系統(tǒng)，當(dāng)“合并指數(shù)”累計(jì)值達(dá)到“0”，就可以將原先的子系統(tǒng)分開。另外SCATS對(duì)一個(gè)較大范圍的交通信號(hào)控制子區(qū)劃分采用了另一種更迅速靈活的方法，根據(jù)實(shí)時(shí)交通量來(lái)決定子區(qū)的劃分，但是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以國(guó)外的交通特征為基礎(chǔ)的，沒有充分考慮到我國(guó)自行車交通流和行人交通流對(duì)交通信號(hào)控制的影響，所以不能很好的適合我國(guó)城市交通路況。交通控制子區(qū)劃分方法研究從20世紀(jì)70年代開始，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)信號(hào)控制子區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)和劃分方法進(jìn)行了大量的研究。但無(wú)論是哪種子區(qū)劃分方法，還是采用哪種劃分指標(biāo)，其本質(zhì)都是基于以下三個(gè)劃分原則：周期原則、車流相近原則、距離原則。0周期原則：若相鄰的路口信號(hào)周期相近，說(shuō)明兩路口的交通特性比較相似，則將這兩個(gè)路口劃分到同一個(gè)信號(hào)控制子區(qū)內(nèi)。0車流相近原則：若相鄰的路口相互之間的車流量大或者車流特征相近，說(shuō)明兩個(gè)路口之間的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，則將這兩個(gè)路口劃分到同一個(gè)信號(hào)控制子區(qū)內(nèi)。0距離原則：若相鄰路口之間的距離較小，說(shuō)明兩路口之間的關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，，則將這兩個(gè)路口劃分到同一個(gè)信號(hào)控制子區(qū)內(nèi)?，F(xiàn)有的關(guān)于信號(hào)控制子區(qū)劃分法的研究，大部分專注于如何將這三個(gè)劃分原則更加合理地組合成劃分指標(biāo)，或者專注于如何更加合理地確定這些子區(qū)劃分指標(biāo)的劃分閾值。現(xiàn)有信號(hào)控制子區(qū)劃分方法基于距離、車流相近和周期三個(gè)原則，總得來(lái)說(shuō)是以相鄰信號(hào)控制路口的相似程度和關(guān)聯(lián)程度為劃分的標(biāo)準(zhǔn)的?，F(xiàn)有研究中所使用的各種劃分指標(biāo)，其本質(zhì)上都是用于定量地分析相鄰路口的相似程度和關(guān)聯(lián)程度。相似程度和關(guān)聯(lián)程度越高，則相鄰路口越應(yīng)該歸入同一個(gè)信號(hào)控制子區(qū)，進(jìn)行協(xié)調(diào)信號(hào)控制。3.31相鄰交叉口關(guān)聯(lián)度計(jì)算關(guān)聯(lián)度指標(biāo)計(jì)算是動(dòng)態(tài)子區(qū)劃分的理論核心，用來(lái)量化表達(dá)相鄰交叉口劃入同一子區(qū)的適宜程度。流量原則和距離原則從其本質(zhì)來(lái)說(shuō)，主要是表征相鄰路口之間的關(guān)聯(lián)性，基本上在現(xiàn)有的各種不同的信號(hào)控制子區(qū)劃分方法中都有所采用。直觀地說(shuō)，就是若相鄰路口間的距離越小，則路口間的聯(lián)系越強(qiáng)，兩個(gè)路口越應(yīng)該劃入同一信號(hào)控制子區(qū)；若相鄰路口間的相互流量越大，則路口間的聯(lián)系越強(qiáng)，兩個(gè)路口越應(yīng)該劃入同一信號(hào)控制子區(qū)。信號(hào)控制子區(qū)劃分中的信號(hào)周期原則，是指將信號(hào)周期相近的相鄰路口劃分在同一個(gè)信號(hào)控制子區(qū)，進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。在信號(hào)控制子區(qū)劃分中考慮信號(hào)控制原則主要有以下兩個(gè)原因：第一，優(yōu)化協(xié)調(diào)控制效果。信號(hào)周期相近的路口，其交通強(qiáng)度較為相似，將其劃入同一信號(hào)控制子區(qū)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，容易達(dá)到較好的協(xié)調(diào)控制效果。第二，控制路口車輛延誤。進(jìn)行協(xié)調(diào)信號(hào)控制時(shí)，控制子區(qū)內(nèi)的所有路口的信號(hào)周期必須調(diào)整成一個(gè)相同的公共信號(hào)周期。信號(hào)周期的增加，會(huì)引起路口車輛延誤的增加。為了避免路口車輛延誤產(chǎn)生明顯的增加，信號(hào)控制子區(qū)內(nèi)各路口的原有信號(hào)周期的差別不能過(guò)大。關(guān)聯(lián)度是借用牛頓萬(wàn)有引力定律的形式，定義把兩個(gè)路口間的吸引力正比于兩路口間的車流量，反比于兩路口間距離的平方，并反比于相鄰路口之間周期差的絕對(duì)值。關(guān)聯(lián)度的表達(dá)式如下其中，V為兩路口間車流量，單位為1000輛/時(shí)；D為兩路口問(wèn)路段的距離，單位為千米；C為相鄰路口周期之差；岳和聲為比例放大系數(shù)，為使三個(gè)原則在式中的地位相當(dāng)，通過(guò)比例系數(shù)調(diào)整使它們處在同一數(shù)量級(jí)。學(xué)者針對(duì)關(guān)聯(lián)度總結(jié)出一種比較好的經(jīng)驗(yàn)方法若關(guān)聯(lián)度大于40，則通常需要進(jìn)行信號(hào)協(xié)調(diào)；若關(guān)聯(lián)度在-8至40之間，則比較渴望進(jìn)行信號(hào)協(xié)調(diào)；若關(guān)聯(lián)度小于-8，則信號(hào)協(xié)調(diào)通常是無(wú)效的。針對(duì)流量原則、距離原則和周期原則，所采用了形式較為簡(jiǎn)單和直觀的關(guān)聯(lián)度指標(biāo)。對(duì)于一個(gè)城市路網(wǎng)，計(jì)算出每一條路段的關(guān)聯(lián)度指標(biāo)，關(guān)聯(lián)度越高，相鄰路口間進(jìn)行協(xié)調(diào)的需求就越高。顯然，前文所述的根據(jù)關(guān)聯(lián)度指標(biāo)進(jìn)行信號(hào)控制子區(qū)劃分的方法中，閾值的確定是相當(dāng)主觀的。但并不以上述的劃分閾值作為信號(hào)控制子區(qū)的劃分的標(biāo)準(zhǔn)，只是用關(guān)聯(lián)度指標(biāo)來(lái)描述相鄰路口關(guān)聯(lián)程度的強(qiáng)弱，按關(guān)聯(lián)度由大到小的順序考察路網(wǎng)中的各信號(hào)控制路口。3.32綠波帶帶寬達(dá)到率關(guān)聯(lián)度指標(biāo)雖然能計(jì)算相鄰交叉口的關(guān)聯(lián)度，但是無(wú)法保證劃分結(jié)果的準(zhǔn)確性。為進(jìn)一步提高子區(qū)劃分高效性，保證控制子區(qū)內(nèi)達(dá)到最大的通過(guò)帶寬，一個(gè)控制子區(qū)內(nèi)應(yīng)包含3到5個(gè)交叉口綠波效果最理想，但控制子區(qū)的交叉口的數(shù)量可以變化，只要能夠獲得盡可能大的帶寬達(dá)到率，帶寬達(dá)到率定義如下血=￡-x100%式中，4用來(lái)衡量子區(qū)內(nèi)獲得的綠波帶寬百分率；B為MAXBAND模型計(jì)算得到的相鄰路口之間綠波帶寬；是信號(hào)控制子區(qū)中各路口協(xié)調(diào)方向綠燈時(shí)間的最小值。子區(qū)劃分算法子區(qū)劃分算法的目的是在關(guān)聯(lián)度模型基礎(chǔ)之上，通過(guò)制定科學(xué)、完整的劃分流程，將城市路網(wǎng)劃分成若干個(gè)緊密聯(lián)系的控制子區(qū)，子區(qū)劃分算法是實(shí)現(xiàn)子區(qū)劃分的最后一個(gè)環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)度指標(biāo)描述相鄰兩路口之間關(guān)聯(lián)程度。如圖2所示，路口2周期最大，可定為關(guān)鍵路口；路口2和路口1、路口3的關(guān)聯(lián)度大于-8，與路口4的關(guān)聯(lián)度小于-8，因此將路口1、2、3劃入同一個(gè)子區(qū)。剩余的2個(gè)路口中路口5為關(guān)鍵路口，且路口5和4的關(guān)聯(lián)度大于-8，二者組成另一個(gè)子區(qū)?？紤]到路口4和與路口3的關(guān)聯(lián)度大于0，此時(shí)如果就這樣劃分這片區(qū)域不一定提高路網(wǎng)控制效益，引入綠波帶帶寬到達(dá)率對(duì)兩兩相鄰的路口進(jìn)行計(jì)算，對(duì)比以確定最優(yōu)子區(qū)方案。圖2相鄰多信號(hào)交叉口劃分示意圖對(duì)于小區(qū)域路網(wǎng)，該劃分算法雖然能滿足劃分的實(shí)時(shí)性，取得一定的控制效益，但對(duì)于城市路網(wǎng)包括成百上千個(gè)交叉口必將產(chǎn)生較大的計(jì)算量以及較長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間?？茖W(xué)的子區(qū)劃分算法能快速地計(jì)算交叉口之間的關(guān)聯(lián)度和帶寬達(dá)到率，確定子區(qū)劃分順序，減少計(jì)算量，從而提高子區(qū)劃分的實(shí)時(shí)性。4以往研究綜合評(píng)述交通控制子區(qū)的劃分是實(shí)現(xiàn)交通協(xié)調(diào)控制的基礎(chǔ)，是將受控的交通網(wǎng)絡(luò)根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)和連線的空間特征和動(dòng)態(tài)交通流特性的關(guān)聯(lián)程度，運(yùn)用優(yōu)化理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)劃分成若干個(gè)子系統(tǒng)，以達(dá)到子區(qū)內(nèi)和子區(qū)間的最佳協(xié)調(diào)控制效果。對(duì)于典型控制系統(tǒng)SCOOT和SCATS,同一個(gè)區(qū)域或系統(tǒng)又進(jìn)一步劃分為多個(gè)子區(qū)或子系統(tǒng)，各個(gè)子區(qū)或子系統(tǒng)之間的控制策略和控制方案沒有關(guān)系。這樣的靜態(tài)子區(qū)或子系統(tǒng)劃分方法沒有體現(xiàn)城市交通系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)性質(zhì)。對(duì)于城市道路網(wǎng)絡(luò)交通子區(qū)的劃分研究，大多停留在靜態(tài)、定性的研究上。劃分的主要依據(jù)是道路網(wǎng)絡(luò)的物理特征，缺乏對(duì)內(nèi)在交通特征的研究。雖然近年來(lái)對(duì)交通子區(qū)的劃分也逐漸提出了動(dòng)態(tài)劃分的方法和策略，但是大部分研究停留在理論研究層面，主要是對(duì)動(dòng)態(tài)劃分的原則、依據(jù)、指標(biāo)等進(jìn)行研究，對(duì)于真正地實(shí)施面臨著模型復(fù)雜或無(wú)法實(shí)現(xiàn)等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，也即提出的模型或算法不實(shí)用。目前對(duì)交通子區(qū)的劃分研究大部分是針對(duì)交通子區(qū)的空間劃分，而對(duì)于交通子區(qū)的時(shí)間劃分規(guī)則及方法較