考虑关键路径序列的干道绿波协调控制方法_王厚沂.pdf

收稿日期：2022-03-29*国家重点研发计划项目（2020YFB1600500）资助第一作者简介：王厚沂（1998），硕士研究生.研究方向：交通管理与控制.E-mail: 通信作者：张存保（1976），博士,研究员.研究方向：交通信息工程及控制、交通安全等.E-mail:考虑关键路径序列的干道绿波协调控制方法*王厚沂张存保曹雨陈峰曾荣（武汉理工大学智能交通系统研究中心武汉 430063）摘要：传统的干道协调控制通常以协调流向的通行效率最大为优化目标，然而在实际交通流量波动环境中，某些非协调流向的流量在局部时段可能与协调流向相当甚至高于协调流向，从而影响干道运行的总体效率。为了解决该问题，研究了1种考虑关键路径序列的干道绿波协调控制方法。利用路径流量分担率和行程时间指数计算各车辆行驶路径的重要度，并采用系统聚类算法识别干道上车辆行驶的关键路径。在此基础上构建了考虑关键路径序列的干道绿波协调控制模型：考虑了各关键路径信号相位之间的协调关系，设置了含0-1变量的信号相位矩阵，并构建模型的基础约束条件；设置了无效带宽存在性判断变量和最小重要度判断变量，构建了考虑路径重要度的绿波带宽分配策略，确保绿波带宽优先分配给重要度大的关键路径；以关键路径序列加权绿波带宽总和最大为优化目标，构建了模型的目标函数。利用VISSIM仿真软件搭建仿真环境，以武汉市中山路4处交叉口组成的干道路段为例进行仿真验证。实验结果表明：相比于传统的干道绿波协调控制方法和干道多路径绿波协调控制方法，考虑关键路径序列的干道绿波协调控制方法使得干道平均延误分别减少了12.1%和4.8%，平均排队长度分别减少了13.6%和7.6%，平均停车次数分别下降了16.5%和9.7%；各关键路径的车辆平均行程时间与自身重要度大小严格成反比，避免了绿波带宽的浪费。关键词：交通控制；干道信号协调；关键路径；带宽分配策略；混合整数线性规划中图分类号：U491.5+4文献标志码：Adoi:10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.06.007A Coordinated Green-wave Control Method on ArterialRoads Considering Critical Path SequenceWANG HouyiZHANG CunbaoCAO YuChen FengZENG Rong(Intelligent Transportation Systems Research Center,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)Abstract:Traditional coordinated control method on arterial roads usually takes the maximum efficiency of the co-ordinated flows as the optimization objective.However,uncoordinated flows may be comparable to or even higherthan the coordinated flows during certain periods,which can significantly deteriorate the overall efficiency of roadoperation in the actual fluctuated traffic flow environment on arterial roads.To solve this problem,a coordinatedgreen-wave control method for arterial roads considering critical path sequence is proposed.The identification ofthe critical path sequence on the arterial road is calculated by the systematic clustering algorithm,and two indexesof traffic sharing rate of its path and travel time index are used as clustering parameters.On this basis,a coordinatedgreen-wave control model for arterial roads considering critical path sequence is established.Firstly,the coordinatedrelationship among the signal phases of each critical path is considered,the signal phase matrix based on 0-1 vari-ables is developed,and the constraints underlying the model are proposed.Secondly,the indicators for invalid band-width existence and the minimum importance are set,respectively,and a bandwidth allocation strategy for greenwave considering the path importance is developed to ensure that the bandwidth of green wave is allocated to thecritical path with a high importance in priority.Finally,the objective function of the model is established with the考虑关键路径序列的干道绿波协调控制方法王厚沂张存保曹雨陈峰曾荣63交通信息与安全2022 年6 期第 40卷总 241期0引言干道信号协调控制作为现代城市交通信号控制的重要手段，对提高城市干道交通效率和改善交通拥堵起到了至关重要的作用1-2。干道信号协调控制是指通过设置合理的相位差，对干道上的一批相邻交叉口进行联合绿波控制，从而达到车辆一路畅行的目的3。国内外学者针对干线信号协调控制开展了大量研究，取得了丰富的成果。Little 等4-5最早提出了干道绿波协调控制算法以最大绿波带宽为目标的MAXBAND模型。随后由于不同场景的需要，相关研究又进行了相应的针对性推导，例如可在不同路段之间产生不同带宽的 MULTIBAND 模型6-7、可用于干线交通信号协调非对称式控制的AM-Band模型8、面向双向不同带宽需求的绿波协调控制优化模型9以及可将1个长干道划分为多个子系统，并对每个子系统进行信号协调的MaxBand-LA模型10等。尽管上述相关研究取得了相应的进展，但它们的研究重点主要是提高干道协调流向的车流通行效率，而对非协调流向车流的优化考虑较少。然而在特定的时段，一些非协调流向的流量可能会与协调流向车流相当甚至高于协调流向车流，所以仅最大化干道主线车流通行效率的静态绿波协调模型可能无法真正为干道提供最大化的通行效益。近年来，相关学者针对该问题提出了“关键路径”的概念，将协调优化的对象由干道的直行车流转到了承担主要交通压力的关键路径流，并做了相关的研究。Arsa-va等11提出了1种基于车流起讫点的干道路径流最大绿波带模型OD-BAND，以协调干道非主线方向的重要路径流信号；Yang等12在MAXBAND模型基础上进行扩展，基于对交叉口信号相序组合和相位差的优化，提出了满足城市干道上存在多条关键路径的同步交通流绿波协调模型；为了适应复杂时变的车流O-D分布，Yang等13利用时变车流O-D分布信息自动识别出干道上的关键路径，并为其提供绿波带宽；Chen等14也针对干道上的关键路径流进行了研究，并重点分析了干道上的左转关键路径流对干道通行的影响，从而使得干道通行取得最大的绿波效益；Chen等15研究了在交通量相对较高且干道交叉口间距较短的情况下，支路转弯路径流对干道车流的影响，提出了1种考虑左转路径流量的双向带宽最大化方法；Chen等16在无需干道O-D信息和每条路径流大小的情况下，将干道划分为不同的局部段，设计了1种可以最大化干道总加权绿波带宽的局部分段连接方式；Wang等17在网联汽车环境下为干道多关键路径集合提供自适应的最大绿波带宽。然而上述针对基于关键路径的干道绿波协调控制的相关研究，在对各关键路径的绿波带宽进行分配时，并未根据关键路径的重要程度差异来进行合理的划分，可能会造成重要程度较大的关键路径无法获得有效带宽的情况，从而使干道协调控制不能达到最大的通行效益。针对上述问题，本文提出的考虑多关键路径的干道绿波协调控制方法，将协调流向转化成协调路径车流，并在MAXBAND模型和Yang等12提出的多路径干道绿波协调控制模型的基础上，对各关键路径的重要度进行考虑，给出了1种考虑路径重要度的带宽分配策略，并补充相应约束，以实现干道信号协调控制效果的最大化。1考虑多关键路径的干道绿波协调控制方法如图1所示，以1条干道为例，由于主线双向直行是道路的主要流向，所以早期的绿波协调控制模型大多在协调时段内，以直行流向为协调流向，并提供最大绿波带宽。然而在实际道路运行过程中，可能会因为道路维修、交通流诱导等情况，导致某些支maximum weighted sum of green-wave-bandwidth of critical path sequences as the optimization objective.The sim-ulation environment is developed using VISSIM simulation software where an arterial road section consisting offour intersections on Zhongshan Road in Wuhan City is used as a case study.The experimental results show thatcompared with the traditional coordination control methods for arterial green wave and arterial multi-path greenwave,the proposed method results in a 12.1%and 4.8%reduction in the average arterial delay,13.6%and 7.6%re-duction in the average queue length,and 16.5%and 9.7%reduction in the average number of stops,respectively.Be-sides,the proposed method makes the average travel time of each critical path be strictly inverse proportional to itsown importance,which avoids the waste of bandwidth of green wave.Keywords:traffic control;arterial coordinated signal control;critical path;bandwidth allocati