城市道路交通主动控制系统与模型设计

分类：论文范文 发表时间：2022-01-18 09:01

　　摘要：为实现城市道路交通管控的智能化，缓解交通拥堵提供新的方式，研究和设计了城市道路交通主动控制系统。系统由4个子系统构成，包括云-边-端支撑子系统构成了计算、通信和存储的基础，可视化软硬硬件在环子系统是指挥决策与演练的关键，实时控制子系统与实时仿真子系统构成了道路交通控制的核心，用以保障交通控制的实时性和先进性。系统采用基于时空资源分配的主动控制模型将传统以周期、绿信比调节为核心的交叉口信号被动控制转变为车道可变、相位相序可调且具有链状连接特性的交叉口主动控制。采用实际数据仿真分析得出，系统的主动控制能够有效降低交叉口通行车辆的总行程时间和平均排队长度。

　　关键词：城市道路交通；信号控制系统；主动控制算法；实时控制；实时仿真；可视化；云计算；边缘计算

　　0引言

　　作为理论与技术创新应用的重要领域，城市道路交通长期得到国内外学者的关注，其中城市道路交通控制作为保障居民出行安全、出行效率和出行舒适度的主要措施更是成为该领域研究的重点[1]。智能交通控制系统是实现先进交通控制算法、缓解交通拥堵的重要支撑[2]。以SCATS[3]、SCOOT[4]为代表的国外交通控制系统已经发展几十年，并已广泛应用。国内智能交通控制系统的研究主要集中在控制方法层面，形成了三类典型交通控制研究方向：以现代控制理论为基础，以交叉口为被控对象构建数学模型，利用控制理论中的经典方法进行控制被称为基于模型的交通控制[5-7]；交通系统的复杂性导致以交叉口为核心的被控对象的数学模型难以有效构建，所以数据驱动的思想被引入交通控制领域，即利用系统的输入输出数据实现控制与决策[8-9]；城市交通控制的建模复杂性、数据种类和规模丰富性和交通拥堵的迫切性为人工智能技术的应用提供了场景支撑，基于人工智能的交通控制理论与方法被提出并逐渐成为主流[10-11]。考虑到道路交通的“时间线上‘车占用物理空间’这一‘实体资源问题’”[12]从未改变的本质情况，城市道路交通控制归根到底是一个对道路时空资源分配的控制问题。上述三类典型交通控制大多建立在传统被动交通控制理论基础上，以相位、周期、绿信比为变量进行交通流的被动适应性控制，难以实现对道路时空资源的有效分配。为此，以提前性、预防性和主动性为特点，以预测交通流作为未来控制方案的研究对象，根据交通流形态实现控制策略的理念，研究人员提出了主动交通控制的概念[13-14]。

　　1主动控制系统

　　1.1主动控制系统架构

　　城市道路主动交通控制系统（UrbanTrafficActiveControl，UTAC）对控制、仿真和计算具有较高要求，为此在设计系统时构建了4个子系统，包括实时控制子系统、实时仿真子系统、可视化软硬件在环子系统和云-边-端支撑子系统，如图1所示。

　　1）在设计控制与仿真子系统时借鉴了平行系统理论的理念和国内部分城市交通管理者的需求，实时仿真子系统提供了对新型控制策略和交通管理理念的快速实现、验证和优化，实时控制系统提供了对于被验证控制策略的现场执行，并通过可视化软硬件在环系统有效的连接了实时控制子系统与实时仿真子系统。

　　2）可视化软硬件在环系统作为桥梁和展示的途径为管理者和研究人员提供了解城市道路交通的宏观视角。其中实时控制子系统和实时仿真子系统是UTAC的基础，可视化软硬件在环系统可以模拟控制策略和交通状态，所采用的数据可以是现场的实时数据，使它成为现实交通的一种映射；同时也可以采用实时仿真子系统的数据，使可视化软硬件在环系统成为仿真交通的一种呈现。城市交通的管理者，可以在宏观的视角发现和甄别交通控制效果，也可以构建不同的交通场景测试新型的控制策略。

　　1.2实时控制子系统

　　不同于欧美等发达，交通出行需求具有地域特点，机动车为主和非机动车与机动车混合的交通出行方式同时存在。为此UTAC中的实时控制子系统也充分考虑到这个特点，提供多种被控对象和控制目标的选择，并且根据这一特点可能出现的交通需求情况，设计了两类控制算法库：一类为传统交通控制算法，如干线绿波控制、单点自适应控制、防溢流控制、多时段定时控制和特殊灯色控制等控制算法；另一类是主动控制算法。控制策略是支持多种检测数据类型的，包括地磁检测器、广域雷达检测器、视频检测器和浮动车检测器，考虑到评估的重要性还设计了失衡指数、饱和指数等评价指标集合以提供更直观和合理的控制策略评价反馈。并且系统提供VPN在线升级与备份和信号控制配时方案数据的校验保护机制，其中在线升级的设计灵感来源于智能手机的在线升级设计和中国部分城市交通管理部分在以往的系统升级中出现的各类问题和经验，信号控制配时方案数据的校验保护机制的设计能有效阻止因为工作人员疏忽和不专业出现配时方案异常导致的交通安全问题，如图2所示。

　　2基于时空资源分配的主动控制模型

　　从道路交通时间线上“车占用物理空间”这一实体资源问题出发，城市道路交通控制归根结底是一个对道路时空资源分配的控制问题。以广义交通控制理念为核心，建立主动控制模型，将传统以周期、绿信比调节为核心的交叉口信号被动控制转变为车道可变、相位相序可调且具有链状连接特性的交叉口主动控制。城市交叉口交通控制中涉及的时空变量包括车道、相位、相序、相位绿灯时间共4类，在主动控制模型构建时充分考虑4类变量。

　　3仿真分析

　　为了验证UTAC主动控制系统的主动控制模型的有效性，利用系统的实时仿真子系统进行仿真对比验证。采用山东省潍坊市胜利东街与四平路交叉口实际流量数据进行仿真验证。该交叉口为该地区较为核心路口，东西向为双向8车道、南北向为双向6车道，如图7a所示，交叉口采用的原始配时如图7b所示，其中周期为160s。其中流量数据由安装在车道上的地磁检测器获取，交叉口的固定配时由潍坊市交通支队提供。

　　4结论

　　区别于传统交通信号控制系统，UTAC采用主动控制、平行仿真等技术实现控制与仿真的深度交互和控制策略的修正与部署应用。针对传统的被动交通控制策略控制变量不够丰富的问题，UTAC采用了时空资源分配主动控制模型，该算法能够扩展控制变量的维度。但在本论文中只采用了单交叉口进行仿真对比验证，虽然与传统固定控制方式相比具有明显优势，但仍需将该系统及仿真应用到更大规模的路网控制中进行有效性检验。

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　　张立立1,2，姚迪1，王芳1，李晶1，赵琦2，于沛3,*

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