基于車道離散模型的交叉口合并控制研究

基于車道離散模型的交叉口合并控制研究

0交通網(wǎng)絡的分布式控制隨著各城市汽車負荷的增加，交通信號控制系統(tǒng)已成為大、中、小城市的基本交通配置。它的作用不僅是減少交叉口之間的碰撞，而且不僅是提高安全性，而且是擴大到線路的協(xié)調控制和區(qū)協(xié)調控制體系，從而最大限度地減少車輛延誤，提高交通網(wǎng)絡運營效率。分布式控制是目前廣泛采用的一種區(qū)域信號控制方式,其中控制小區(qū)的劃分、交叉口之間的合并與分離對控制效果影響很大,不合適的相鄰交叉口控制會造成車輛排隊溢出到上游交叉口,或者造成某個交叉口的綠信比浪費。傳統(tǒng)交通控制中,往往通過單一的距離、流量值來判斷相鄰交叉口是否合并,考慮因素簡單,并且沒有從車隊本身的跟馳特性來分析相鄰交叉口到達交通流的關系。本論文擬基于車隊離散模型,綜合考慮相鄰交叉口的距離、流量、駕駛員跟車特性、離散特征等多因素,建立相鄰交叉口關聯(lián)程度的量化模型,為協(xié)調控制中的動態(tài)小區(qū)劃分,相鄰交叉口控制參數(shù)計算提供基礎理論依據(jù)。1交通控制子區(qū)的劃分從交通控制系統(tǒng)來看,交通控制子區(qū)所轄的交叉口應盡量少,一方面是為了提高系統(tǒng)運行的效率,另一方面是便于子區(qū)實行靈活的控制方案。如澳大利亞SCAT控制系統(tǒng)規(guī)定:一個控制子區(qū)只轄1~10個信號交叉口,目的就是使需要實時處理的數(shù)據(jù)盡量減少,以提高系統(tǒng)運行的速度,同時也便于在較小的區(qū)域范圍內尋求共同的最佳信號周期,以利于實施協(xié)調控制。隨著大中型計算機在交通控制領域中的運用,以及微機運行速度、內存容量的提高,交通控制子區(qū)可轄交叉口數(shù)量也大為提高。在此情況下,交叉口之間交通性質是否相似,是否有利于子區(qū)之間的協(xié)調控制,以及是否有利于推薦路線(或誘導路線)上車輛的行駛逐漸成為劃分交通控制子區(qū)的依據(jù)。目前,常用的劃分交通子區(qū),也就是確定相鄰交叉口是否合并控制的基本原則包括:(1)周期原則按信號周期長度來劃分交通控制子區(qū),其實質:相鄰交叉口信號最佳周期長度相近(周期差小于t秒),表明其交通狀況相似。此時,交叉口合并實行信號協(xié)調控制,可使得合并后的各交叉口總延誤小于合并前的總延誤。t值亦應根據(jù)當?shù)貙嶋H情況,考察周期時長與交通狀況的相關性,經(jīng)實地觀測調查后確定。(2)流量原則相鄰交叉口流量若處于下列3種情況之一,應進行協(xié)調控制:①若相鄰個交叉口流量都大于某個值(Qm),說明交叉口交通擁擠程度比較高,甚至已處于交通阻塞狀態(tài)。為了迅速分流,緩解這種局部交通擁擠,應把這些交叉口劃入同一個交通控制子區(qū)。②若相鄰交叉口流量差大于某個值(Qc),雖然交通特性差異大,但為了確保交通流量大的交叉口車流到達流量小的交叉口不至于遇到紅燈,產(chǎn)生大量的延誤,應考慮把它們劃入同一個交通控制子區(qū),進行協(xié)調控制。③若相鄰交叉口車流量差小于某個值(Qh),說明交叉口交通流特性相似,也應考慮把這些交叉口劃入同一個交通控制子區(qū),進行協(xié)調控制。(3)距離原則設相鄰交叉口的距離為L。為了避免車輛排隊長度阻塞上游交叉口,當L≤Lh時,將這兩個交叉口劃入同一個交通控制子區(qū),進行協(xié)調控制。從上游交叉口進口道駛入的車輛,駛出交叉口后,會隨著行駛距離的增大逐漸離散開來,當L≥Lf時,到達下游交叉口停車線的車流已顯隨機狀態(tài),這時實行信號協(xié)調控制反而降低系統(tǒng)整體交通效益,因此,可將這兩個交叉口分開,劃入不同的交通控制子區(qū)。合并距離Lh和分離距離值Lf可根據(jù)當?shù)厍闆r,經(jīng)現(xiàn)場觀測觀察后確定。2聯(lián)邦量化的基本方法2.1判斷是否為關鍵、是離散的原則章節(jié)1中的周期、流量、距離3個相鄰交叉口合并分離控制原則,在實際的交通信號控制系統(tǒng)子區(qū)管理中,往往采取其中一個,尚沒有融合使用。判斷采用何種原則最適用,往往需要交通工程師大量的實踐反復摸索。其實,從周期計算公式可以看到,周期原則的實質是跟交叉口距離、車隊到達圖式相關的,距離、流量原則其實都是車隊離散的簡單化處理。因此,本論文考慮將車隊流量、交叉口距離、車隊離散特性等綜合考慮,構建一個交叉口間關聯(lián)度的量化模型,以獲得反映綜合因素的關聯(lián)度值,在周期中,自動計算關聯(lián)度值,決策是否合并控制。2.2行程時間分析本論文以車流運行的離散程度研究交叉口的交通關聯(lián)度,建立模型。模型的假設條件:(1)兩交叉口之間不考慮轉彎車流的影響。(2)上游車流到達下游交叉口時,無殘留排隊車輛。(3)兩交叉口間車流為不間斷的連續(xù)流。(4)路段上交通量不超過道路的通行能力。由車隊通過路段的行程時間服從幾何分布,可知:ˉΤ=∞∑i=1(i+t-1)?F(1-F)(i+t-1)-t=t-1+1F,(1)式中,ˉΤ為車隊平均行程時間;t為頭車行程時間;F為離散系數(shù);F(1-F)(i+t-1)-1為離散函數(shù)。3模型的修正和分析3.1方案1:認為隊伍共作自適應為了研究車流的離散程度,檢驗基本模型與實際交通流的擬合程度,論文對模型進行修正。采用方差為指標,表示各車偏離平均行程時間的大小程度,研究車流運行的離散程度。D(t*)=∞∑i=1(i+t-1)2?F(1-F)i-1-[E(t*)]2?(2)式中,t為頭車行程時間;F為離散系數(shù);F(1-F)(i+t-1)-1為離散函數(shù)?；?代入得:D(t*)=(2α-α2-1)ˉΤ2+3(1-α)ˉΤ,(3)式中,α=t/ˉΤ。在上述得化簡過程中,我們假設車隊的行程時間趨向于無窮大,顯然不符合實際,所以公式需要修正?！ウ?n∑i=1(i+t-1)?F(1-F)(i+t-1)-t=n∑i=1(i+t-1)?F(1-F)i-1=t-1+1-(1-F)nF-(1-F)n?(4)D(t*)=(α2-1)ˉΤ2+(2αˉΤF+2-F)(1-F)F2-[(αˉΤ+n-1)2+(2n-1+2αˉΤ)F+2F2](1-F)n?(5)式中:ˉΤ為車隊平均行程時間,即ˉΤ=LV;V為車隊的平均行駛速度;t為頭車行程時間;F為離散系數(shù);n為行程時間的分組數(shù)。在模擬試驗中,發(fā)現(xiàn)方差并不能很好的反映車流離散的程度,論文采用車隊各車偏離頭車行程時間的大小作為指標。則:E[(X-t)2]=E(X2)-2tE(X)+t2?(6)式中,t為頭車行程時間。E(X2)=t2+(2tF+2-F)(1-F)F2-[(t+n-1)2+(2n-1+2t)F+2F2](1-F)2整理,化簡得:E[(X-t)2]=(α2+2α)Τ2+n-2F+(αΤn-12n+α2Τ2-αΤ+12)nF-Y?(7)式中,T為車隊平均行程時間,即Τ=LV;V為車隊的平均行駛速度;t為頭車行程時間;F為離散系數(shù);α為頭車到達時間/平均到達時間;n為行程時間的分組數(shù)。Y=12(n2-n)(αΤ+n-1)2F2。3.2反流式的離散程度計算c對于式(7)分析其在各邊界點處的取值。(1)L→0時,T→0,n=1,F=1;代入式(7)中,可得E[(X-t)2]=0,即車流不發(fā)生離散,與實際情況相符。(2)L→∞時,T→∞;式(3)可化簡為:E[(X-t)2]=(α2+2α+2nF)Τ2+(αn2F+12αnF-12αn2F2)Τ→∞車流的離散趨向于無窮大,符合實際情況。(3)Q→0時,由于可以近似看作沒有車流,所以研究車流運行的離散程度也就失去了意義。(4)Q→∞時,n=1,F=1;(7)式趨向于零,車流不發(fā)生離散,與實際相符。由上述分析可知,模型基本符合實際情況,對于模型的準確性,將在算例分析中再做詳細分析。4控制指令的量化配時本論文建立相鄰兩個交叉口的模擬結構圖進行基于車隊離散模型的關聯(lián)度量化試驗,根據(jù)量化公式得到的合并分離控制指令,給交叉口進行配時,比較其在不同情況下的平均行程時間、延誤、排隊長度指標,以評價量化關聯(lián)度的適用性。論文采用AIMSUN軟件,可微觀交通仿真,交通需求及相關數(shù)據(jù)分析,可以提供靜態(tài)和動態(tài)建模。4.1流量控制決策要根據(jù)流量原則進行模擬試驗該路線主方向雙向4車道,兩交叉口間距700m,如圖1所示。兩交叉口700m處于采用距離原則確定的邊緣,既可合并又可分離,實際中這種情況的控制決策還要參考流量原則,因此,本論文中,特地選擇比較難以判斷的情況,進行模擬試驗。試驗中,我們一共進行了20個時段的平峰高峰流量模擬,本論文選擇4個典型平峰向高峰過渡的4個時段,兩交叉口的流量均在不斷上升的過程,通過試驗就更容易看出效果。4.2控制參數(shù)的確定基于AIMSUN軟件建立路線結構,設置基本交通流參數(shù),設定采集點,采集的行程時間數(shù)據(jù),值得注意的是,模型中采用頭車行程時間為參考基點,因此,在模擬中對頭車進行標注,與其它車輛進行區(qū)分。模擬的基本信號控制參數(shù)采用單點固定配時,計算得到量化關聯(lián)度后,如果關聯(lián),則統(tǒng)一周期協(xié)調控制,否則仍然單點控制。本論文計算中,關聯(lián)度F值小于0.5,則獨立控制,F值大于等于0.5,則協(xié)調控制。不同控制方案模擬前后采用的評價指標為平均行程時間,平均延誤,平均排隊長度。模擬試驗過程數(shù)據(jù)如表2所示。4.3分離式變槳設計從本論文的模擬應用結果來看,單一基于流量、距離、周期等原則判斷相鄰交叉口是否合并控制的方法,對于解決距離稍大,但是流量相關性比較強的交叉口失去一定的適用性。本方法基于車隊離散特性,可以綜合考慮流量、距離等因素,作出量化的計算,為協(xié)調控制作決策支持。如表2中第1時段可以看出,距離稍大,且流量小的情況下,不必協(xié)調控制;而在漸變過程中,2,3時段流量上升,協(xié)調控制能使得延誤大大減少,4時段,流量已經(jīng)中等,單獨控制對其影響不是明顯。5基于車輛離散模型的交通運行評價優(yōu)化策略本論文綜合車隊流量、交叉口距離、車隊離散特性等因素,基于車隊離散模型,構建相鄰交叉口間關聯(lián)度的量化公式,以獲得反映綜合因素的關聯(lián)度值,為子區(qū)交通信號控制提供是否合并控制的決策支持。論文分析了常用的基于流量、距離、周期的合并控制方法,提出了綜合因素關聯(lián)度量化的思路,基于車隊離