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摘要：潮汐車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(tǒng)的潮汐車道控制技術(shù)在車道清空、切換過渡、區(qū)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題相關(guān)的交通信號控制方案過渡、潮汐車道交通控制幾方面出發(fā)，對目前的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)分析，在此基礎(chǔ)上，針對潮汐車道控制特點，給出了協(xié)同清空、協(xié)同過渡、區(qū)域分布式協(xié)同控制等潮汐車道時空資源協(xié)同優(yōu)化控制關(guān)鍵技術(shù)未來可能的研究內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：潮汐車道交通控制；車道清空控制；多狀態(tài)過渡控制；區(qū)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(dāng)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(shù)據(jù)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指數(shù)為2.067（高峰擁堵延時指數(shù)等于市民高峰擁堵時期所花費的時間與暢通時期所花費時間的比值）。為保持城市良性發(fā)展，緩解道路交通擁堵問題已是刻不容緩。

潮汐式交通是大城市道路交通擁堵的重要原因之一。國內(nèi)外實踐經(jīng)驗表明 ^[2~5]，調(diào)整時空資源、實施潮汐車道是緩解高峰時段潮汐交通擁堵最有效和可行的措施之一。潮汐車道能夠有效地利用現(xiàn)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重要作用。

目前，潮汐車道研究與應(yīng)用已得到較為廣泛的關(guān)注，而如何通過有效的控制方法，進一步提高潮汐車道及其關(guān)聯(lián)路口時空資源使用效率，是潮汐車道問題研究的重點和難點之一。潮汐車道控制過程應(yīng)包含車道清空協(xié)同、切換配時過渡、區(qū)域關(guān)聯(lián)控制等多個互相聯(lián)系、依次遞進的階段，但已有成果多集中于車道設(shè)置、切換方式等方面，對于上述幾個關(guān)鍵階段還缺乏深入研究，尚未形成系統(tǒng)的理論體系支撐，實施效果有待提升。

本文正是面向潮汐車道交通控制需求，對與之相關(guān)的交通信號控制方案過渡、潮汐車道交通控制等技術(shù)方法的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)分析，在此基礎(chǔ)上，給出了協(xié)同清空、協(xié)同過渡、區(qū)域分布式協(xié)同控制等潮汐車道時空資源協(xié)同優(yōu)化控制關(guān)鍵技術(shù)未來可能的研究內(nèi)容。

2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析

2.1　交通信號控制方案過渡

潮汐車道切換導(dǎo)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發(fā)生較大改變，為降低信號配時變化對交通流平穩(wěn)運行產(chǎn)生的不良影響，路口新舊配時方案間一般需進行過渡控制。配時過渡控制作為交通信號控制過程中的重要環(huán)節(jié)，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(diào)相位作為調(diào)整參數(shù)的Dwell法、Max Dwell法、Shortway法，以信號周期作為調(diào)整參數(shù)的Add法、Substract法、Smooth法、Shortest法^[6]外，較典型的有：

Pohlmann通過研究具有路網(wǎng)中不同協(xié)調(diào)關(guān)系的過渡信號干線協(xié)調(diào)需求分析，提出一種綜合考慮當(dāng)前路口交通狀態(tài)和鄰近路口交通狀態(tài)的方案過渡方法^[7]；Hamilton針對新舊信號控制方案過渡對原有干線協(xié)調(diào)造成的影響，提出了一種干線快速過渡方法^[8]；Basu綜合考慮新配時方案對干線協(xié)調(diào)的優(yōu)化程度和過渡方案對干線協(xié)調(diào)的影響程度，選取最佳影響度過渡方案^[9]等；樹愛兵等針對交叉口過渡信號周期以及周期調(diào)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(diào)控制過渡調(diào)整策略^[10]；劉慧等在對直接切換方法、經(jīng)典Add和Subtract過渡方法進行分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮過渡時間和平滑特性，提出一種基于最佳相位差調(diào)整量控制方案的快速平滑過渡方法^[11]；郭海鋒等在綜合考慮過渡時間和平滑特性的基礎(chǔ)上，提出一種基于最佳相位差調(diào)整量控制方案的快速平滑過渡方法^[12]；譚偉麗等針對傳統(tǒng)過渡方法存在的問題，提出了一種面向活躍相位的干道協(xié)調(diào)信號控制方案的過渡方法^[13]；盧凱等針對各交叉口過渡信號周期的允許取值范圍，利用交叉口相位差調(diào)整比例的極小極大原理，提出了單周期對稱調(diào)節(jié)過渡算法與Ｎ周期加權(quán)調(diào)節(jié)過渡算法^[14]。

總體而言，國內(nèi)外學(xué)者在交通信號配時過渡控制方法研究方面已做出了許多扎實的工作，有助于解決信號配時變化對交通流平穩(wěn)運行產(chǎn)生的不良影響問題，但從目前的研究現(xiàn)狀來看，在以下方面仍可進一步改進：

（1）傳統(tǒng)的過渡控制方法較少同時兼顧各路口本身（如相鄰周期變化、相鄰周期內(nèi)綠信比變化）及相鄰路口間（如相鄰路口過渡周期調(diào)整幅度對比、相鄰路口過渡周期相位差變化）兩方面的交通流波動性問題，綜合波動性能指標(biāo)仍需進一步研究；

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

（3）由于潮汐車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、信號配時等均發(fā)生變化，傳統(tǒng)的以相位作為承載對象、以相位綠燈時間為優(yōu)化變量的過渡方法已不適合潮汐車道信號控制過渡需求，需重新構(gòu)建以車流為承載對象、包含車流綠燈時間、相序等多類型優(yōu)化變量的新的信號過渡方法；

（4）在離線過渡方案的基礎(chǔ)上，針對過渡過程中潮汐車道交通信號控制在線優(yōu)化需求，有必要對考慮過渡效應(yīng)的潮汐車道多路口在線協(xié)同控制方法展開研究。

2.2　潮汐車道交通控制

潮汐車道能夠有效地利用現(xiàn)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重要作用。目前，潮汐車道交通控制已得到了眾多國內(nèi)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等通過車輛到基礎(chǔ)設(shè)施的通信將交通控制器與車載控制器連接起來進而構(gòu)建潮汐車道信號控制系統(tǒng)[15]；Habibollah等重點研究了可變車道的動態(tài)調(diào)整機制，運用邏輯選擇模型對線下方案進行模擬調(diào)整，再推廣至實時調(diào)整 [16]；孫鋒等通過預(yù)測交叉口的交通需求，明確了逆向可變車道的開關(guān)判別指標(biāo)及開關(guān)控制條件，將逆向可變車道信號燈與交叉口內(nèi)信號燈實現(xiàn)協(xié)同控制，使得逆向可變車道控制實現(xiàn)動態(tài)和智能化^[17]。曲大義等定量分析干線交通流分布不均衡系數(shù)及轉(zhuǎn)向不均衡系數(shù)，協(xié)同設(shè)置潮汐車道與變向車道，并依據(jù)干線交通流特性提出半周期綠波協(xié)同優(yōu)化策略^[18]；文獻(xiàn)^[19]通過對潮汐車道控制技術(shù)的研究，給出潮汐車道的具體運行過程和管理措施，以及潮汐車道的最佳切換時機和調(diào)整模型；王艷麗等通過計算交通飽和度，選擇道路雙向飽和度的加權(quán)切換動態(tài)控制方式對潮汐車道進行自適應(yīng)控制^[20]；周鵬等利用視頻檢測獲得的車流量等相關(guān)參數(shù)信息，提出了基于非參數(shù)回歸短時間交通流預(yù)測的智能可變車道的導(dǎo)向判決算法，實現(xiàn)了對可變車道隨著實時車流量而自動變化的智能控制^[21]；馬瑩瑩等提出一種根據(jù)雙向交通運行狀態(tài)動態(tài)控制可變車道行駛方向的交通控制方法，利用可變車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(yīng)的車道行駛方向優(yōu)化模型^[22]；李萌等對潮汐性擁堵和潮汐車道的性質(zhì)進行了定性分析之后，在動態(tài)交通分配的程序中通過仿真的方法，研究了交通需求的分布特性變化時潮汐車道的表現(xiàn)^[23]；孟志廣等建立了基于BPR路阻函數(shù)的車道切換時機及調(diào)整模型，為潮汐車道的運行及管理提出合理的策略，驗證了潮汐車道對緩解城市交通擁堵的積極作用^[24]。

綜上，可變車道能夠提高道路資源利用率，對緩解城市潮汐交通導(dǎo)致的道路交通擁堵無疑具有重要的現(xiàn)實意義。與此同時，在對潮汐車道交通流特性分析的基礎(chǔ)上，如何實現(xiàn)潮汐車道高效的交通控制也越來越受到人們的關(guān)注。但從目前研究現(xiàn)狀來看，仍存在以下問題：

（1）潮汐車道控制過程包含多個互相聯(lián)系、依次遞進的階段，而傳統(tǒng)的潮汐車道控制方法在車道清空協(xié)同、切換配時過渡、區(qū)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，實施效果仍有待提升；

（2）現(xiàn)有車道切換多為人工切換或定時控制，需通過對潮汐車道交通狀態(tài)及持續(xù)時間預(yù)測方法研究，進一步實現(xiàn)根據(jù)雙向交通需求動態(tài)、高效地配置道路車道資源；

（3）車道清空所需時間受車道清空控制開始時刻及關(guān)聯(lián)路口信號配時雙重影響，但目前研究較少考慮車道清空與信號配時協(xié)同控制，時空資源未能充分利用；

（4）潮汐車道切換前后在時空資源變化方面有其特殊性，需專門設(shè)計潮汐車道多路口離線及在線協(xié)同過渡控制方法，降低潮汐車道切換對交通流平穩(wěn)運行產(chǎn)生的不良影響；

（5）現(xiàn)有研究多針對單一潮汐車道路段，對于上下游連接的多個潮汐車道路段及其關(guān)聯(lián)路口協(xié)同控制中相關(guān)問題需進一步研究；

（6）現(xiàn)有方法多關(guān)注于潮汐車道自身控制，較少考慮潮汐車道交通子區(qū)與外圍關(guān)聯(lián)子區(qū)間的協(xié)同控制問題，常導(dǎo)致?lián)矶缕频痊F(xiàn)象發(fā)生。

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

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

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

基于上述分析，可在對潮汐車道交通狀態(tài)及其持續(xù)時間預(yù)測的基礎(chǔ)上，采用集散波理論、模型參數(shù)反饋調(diào)節(jié)、模型匹配、模型庫動態(tài)優(yōu)化等技術(shù)方法，首先對待清空車道車輛行駛時間計算方法展開研究，計算流程如圖1所示，并將計算結(jié)果與同樣流量區(qū)間下實際調(diào)查數(shù)據(jù)進行對比，獲取行駛時間計算誤差概率分布，誤差分析如圖2所示；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合潮汐車道上游路口駛出流量圖式，分析下游路口信號配時及潮汐車道清空開始時刻對清空時間和實際切換時刻的影響，進一步分別以路口平均延誤、考慮計算誤差概率分布的車道清空時間、考慮計算誤差概率分布的實際切換時刻與最佳切換時刻時間差為性能指標(biāo)，以交叉口飽和度、最大綠燈時間、最小綠燈時間等為約束條件，構(gòu)建潮汐車道清空與關(guān)聯(lián)信號配時協(xié)同優(yōu)化模型并優(yōu)化求解。

圖1 待清空車道車輛行駛時間計算流程

圖2 行駛時間計算誤差分析

3.2　潮汐車道多路口協(xié)同過渡控制方法研究

潮汐車道切換導(dǎo)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發(fā)生較大改變，為降低信號配時變化對交通流平穩(wěn)運行產(chǎn)生的不良影響，路口新舊配時方案間一般需進行過渡控制。傳統(tǒng)的過渡控制方法多為離線計算，且較少同時兼顧各路口本身及相鄰路口間兩方面的交通流波動性問題，過渡方案不盡完善；另一方面潮汐車道過渡控制有其特殊性，由于各可變車道切換時刻不同，容易出現(xiàn)各相鄰路口不能在相同限定時間內(nèi)完成過渡的情況，且由于關(guān)聯(lián)路口相位組成、相序、信號配時等均可能發(fā)生變化，傳統(tǒng)以相位作為承載對象的過渡方法已不適合潮汐車道信號控制過渡需求。

基于上述問題，可首先分別針對各路口相同時間內(nèi)過渡、不同時間內(nèi)過渡、過渡時間有交叉三種狀態(tài)，考慮各路口本身及路口間的過渡波動性，設(shè)計離線型綜合波動性能指標(biāo)，進而以過渡周期數(shù)、車流放行時差單步最大變化量、車流放行時長單步最大變化量、周期時長單步最大變化量等為約束條件，構(gòu)建潮汐車道多路口協(xié)同過渡控制模型，并采用粒子群算法等組合優(yōu)化方法進行求解；在上述工作基礎(chǔ)上，可進一步針對在線優(yōu)化過渡控制問題展開研究，在各路口過渡周期數(shù)限定的前提下，面向多種路口過渡時間組合狀態(tài)，基于交通流滾動預(yù)測結(jié)果，設(shè)計能夠體現(xiàn)交通流運行波動性和通行效率的多目標(biāo)函數(shù)，以各路口過渡周期及綠信比等為決策變量，以路口排隊長度變化率、路段平均速度等為狀態(tài)變量，構(gòu)建考慮過渡效應(yīng)的潮汐車道多路口在線分布式協(xié)同控制模型，并研究其優(yōu)化求解算法。

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

圖3 面向可變車道的區(qū)域交通分布式協(xié)同控制方法示意圖

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

基于上述問題，以充分利用潮汐車道時空資源為出發(fā)點，將潮汐車道交通子區(qū)外部需求管理與內(nèi)部資源調(diào)配相結(jié)合，可對以下內(nèi)容展開研究：在基于同質(zhì)性路網(wǎng)宏觀基本圖劃分控制子區(qū)的基礎(chǔ)上，以潮汐車道交通子區(qū)累積車輛數(shù)為狀態(tài)變量，構(gòu)建潮汐車道交通子區(qū)邊界路口宏觀交通流狀態(tài)方程，并討論狀態(tài)方程的求解方法；以潮汐車道外圍子區(qū)交叉口總排隊車輛數(shù)與子區(qū)間銜接交叉口車輛進出數(shù)量為性能指標(biāo)，以子區(qū)范圍內(nèi)交叉口各相位飽和度等作為約束條件，構(gòu)建潮汐車道外圍關(guān)聯(lián)子區(qū)信號協(xié)調(diào)控制模型，并討論其求解方法；在此基礎(chǔ)上，考慮潮汐車道交通子區(qū)及其外圍子區(qū)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，研究區(qū)域交通分布式協(xié)同控制方法。

4　總結(jié)

本文在對交通信號控制方案過渡、潮汐車道交通控制等技術(shù)方法研究現(xiàn)狀總結(jié)分析基礎(chǔ)上，給出了潮汐車道協(xié)同清空、協(xié)同過渡、區(qū)域分布式協(xié)同控制等時空資源協(xié)同優(yōu)化控制關(guān)鍵技術(shù)未來可能的研究內(nèi)容，其中，通過設(shè)計車道清空與關(guān)聯(lián)路口信號配時協(xié)同控制方法，可促進潮汐車道及路口時空資源充分利用；通過構(gòu)建潮汐車道多路口協(xié)同過渡控制模型，能夠降低信號配時變化對交通流平穩(wěn)運行產(chǎn)生的不良影響，提升交叉口交通流通行能力；在考慮潮汐車道交通子區(qū)及其外圍子區(qū)之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計區(qū)域交通分布式協(xié)同控制方法，有望進一步提高路網(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道交通控制問題提供新的方法和途徑，在城市交通控制實踐中具有重要的應(yīng)用前景，同時對城市交通控制理論與方法的進一步發(fā)展能夠產(chǎn)生積極的推動作用。

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作者簡介：

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

摘自《自動化博覽》2018年12月刊