关于城市主干道路绿波控制技术的研究
摘要随着城市化进程的逐步加快，城市交通问题已经成为中国各大城市共同面对的难题。越来越多的城市交通拥挤往往突出表现在城市道路交叉口处，很多平面交叉口的通行能力不足相关路段的平均通行能力的50%。因此，道路资源充分利用与否的关键是道路交叉口资源的充分利用。
【关键词】城市主干道绿波控制技术
“绿波”指交通信号灯多点控制技术的通俗叫法，即在一片区域或一条道路上实行统一调度管理的信号灯控制，将纳入控制范围的信号灯全部归入后台监管中心的控制系统，通过使用先进的计算方法，根据不同时间段的车流量科学合理地指挥交通。从被控制的主干道路各交叉口的灯色变化来看，一路前行绿灯就像波浪一样不间断向前推进，故形象地称为“绿波带”。
1 控制理论的技术要点
1.1 路口相位组合与相序生成技术
城市交通干线双向绿波带控制系统根据协调周期、交叉口环境、交叉口间距、历史交通流量和协调目标，自动生成各交叉口的相位（多相位，至少5个）及相位执行序列，在保证相位内各交通流向绝对不冲突和行人安全通行的前提下，采用最少的相位数，提高路口的通行效果。
1.2 主干交通的综合改进技术
城市交通干线双向绿波带控制系统的控制目标是让在干线上行使的车流以尽可能大的服务流量和尽可能小的行使时间通过被控的交通干线，在此基础上考虑支路上的交通流通行，简单地讲就是干线优先。为此，采用以干线交通流的不停车率和最大通过率、最小平均延误时间的组合为优化目标。
1.3 干线非等间距的相位差算法
城市交通干线双向绿波带控制系统的没有对干线交叉口之间的距离进行严格限制，可以是非等间距，而传统的双向绿波带控制要求干线交叉口间距是理想的严格等间距。这是由于在该系统的控制算法中采用了：a.多相位控制技术；b.上行相位差和下行相位差独立优化技术。
1.4 双向绿波带递阶控制算法
城市交通干线双向绿波带控制系统采用一种特定的不同于MAXBAND算法的优化协调控制算法：采用两层递阶结构，上层（中心端）采用人工神经网络和模糊逻辑优化计算公共周期和相位差；下层（路口机）采用模糊分散控制，实时确定各交叉口绿信比。算法可在限定的行驶速度范围内，实现干线上交通流的双向协调。周期和相位差每隔一定时间进行调整，保证车流的稳定性，而绿信比根据实时交通流进行调整，保证响应的实时性。
2 双向绿波控制算法
双向绿波控制作为一种交通控制，其控制的主要参数包括控制周期、绿信比、相位差分、通过带、过带速度、过带宽度等。
2.1 控制周期
在双向绿波带控制系统中，为使各交叉口的交通信号能取得协调，各路口的交通信号周期长度必须统一。为此，必须先按单路口信号控制的配时方法，计算各交叉口周期长度，然后从中选出最大的周期长度作为这个系统的公用周期。对应最大周期的交叉口也叫关键交叉口。在绿波带控制系统中，如果某些交叉口的交通量较小，可把公用周期的一半作为其周期，称为双周期信号控制。
各交叉口饱和度计算，其中：Qi、λi、Si分别为某交叉口相位i的流量、绿信比和饱和流量，具体计算时，如果相位i有多个车道，可取关键车道的流量、绿信比和饱和流量；X为某交叉口的饱和度。
关键路口的确定：关键交叉口是不固定的，每次对方案调整时，重新确定一次。确定方法是饱和度最大的交叉口为关键交叉口，并按关键交叉口的交通信息对公共周期进行调整。
优化方法：公共周期时间根据关键交叉口的饱和度X来调整。根据以往的交通量统计数据给出关键交叉口的最小周期时间Cmin和最大周期时间Cmax。根据交通控制理论，如果周期时间过大，则饱和度较低，反之如果周期时间过小，则饱和度过大，一般最佳饱和度为0.9。在当前周期时间的基础上，周期时间调整由一模糊控制算法来实现，其目的就是使饱和度维持在0.9。具体设计如下：
饱和度的论域为：
X={0.80,0.82,0.84,0.86,0.88,0.90,0.92,0.94,0.96,0.98,1.00}。饱和度的语言值为：x1（正大）、 x2（正中）、x3（正小）、x4（零）、x5（负小）、x6（负中）、 x7（负大）。周期的论域为T={−8,−6,−4,−2,0,2,4,6,8}。周期的语言值为：c1（正大）、c2（正中）、c3（正小）、 c4（零）、c5（负小）、c6（负中）、c7（负大）。
模糊规则为：如果，则。具体的周期增量值可以通过矩阵运算得到，也可以事先计算好查询表，然后通过查表得到。
2.2 绿信比
绿波带控制系统中各路口信号的绿信比不一定相同，通常要根据每一交叉口各方向的交通量的流量比确定。一般将关键交叉口沿干道方向的绿灯时间定位干道各交叉口的最小绿灯时间，各交叉口沿干道方向的最大绿灯时间则根据相交道路交通流所需要的最小绿灯时间来确定。
绿信比调整遵循的原则：如果人行信号灯与机动车信号灯一致，则必须使绿信号长度能够使行人安全通过路口；为了保证双向绿波带的实现，干线两方向的启动时间要严格按照相位差来实行；为了保证双向绿波带一定的通过带宽度，干线上两个相位的绿信比都不得低于45%；对于干线左转实行感应控制，即如果干线左转上流量不是很大，可实行“早短”或“迟起”，把节省的绿灯时间根据需要分配给干线上另外一个相位，或安全地放行行人。
绿信比调整参数定义：绿信比λi某一相位的绿信比等于该相信号的有效绿灯时间gi与周期长度C之比：其中λi =，某相位信号的有效绿灯时间gi等于该相信号的绿灯时间（包括绿闪，下同）与黄灯时间之和减去损失时间之差。在实际应用中，常常用信号配时的绿灯时间来近似代替有效绿灯时间。
饱和度X用来描述该交叉口各方向的车辆疏密程度，等于实际车辆量与饱和车流量之比。大量的应用研究表明，只有当路口的饱和度达到0.9左右，此时的通行能力最大，从而使车辆延误最小。
单位时间：一个时间计量单位，流量，速度，占有率等参数都是基于此单位时间计算平均值。时间阶段由若干个单位时间组成（通常为4-7个）,以时间阶段来改变周期，在时间阶段内周期保持不变。对于单交叉口，需要调整的是两个参数，即周期与绿信比。周期一般根据饱和度来调整，而绿信比是根据车流量来控制。控制目标提高路口的通行能力。控制方案的变换间隔不能太小，否则方案变换产生的集结或消散波有可能造成交通絮流，引起进一步的交通阻塞。因此，在一个时间阶段内，交叉口周期保持不变，各交叉口的绿信比实时调整，本阶段的周期由上阶段交叉口的车流量的检测值来协调确定。
根据以往的交通量统计数据给出交叉口的最佳周期C、最小周期Cmin和最大周期Cmax，根据路口物理环境和以往的交通量统计数据计算各相位的最小绿灯时间gi,min、最大绿灯时间gi,max、全红时间Rall以及黄闪时间Yi。
绿信比计算：先计算相位i的校正流量： , 为相位i在k单位时间的校正流量；Qi(k-1)为相位i在k-1单位时间的流量；为相位i在k+1单位时间的历史平均流量；为相位i在k单位时间的历史平均流量。正系数α、 β、γ满足：α+β+γ=1。 越大实时性越好，β和 γ越大，稳定性越好。一般取α=0.5，β=0.2， γ=0.3。计算绿信比为该路口在k单位时间校正流量，即： 。计算有效绿灯时间gi = λi(CYallRall)。Yall为一个周期内的所有黄灯时间，Rall为一个周期内所以红灯时间。如果gi
如果gi>gi,max，则gi=gi,max，多余的绿灯时间按比例ηj分配给其它相位。其它每个相位的获得的额外绿灯时间tj,add为：
tj,add=(gigi,max)
2.3 相位差
相位差直接决定绿波带控制系统的有效性，因此必须认真仔细加以确定。在绿波带控制系统中，一般使用绝对相位差的概念。显然相位差与相邻路口间车辆的行驶速度有关。ti,i+1=。
2.4 过带
在时距图上，画两根平行的车辆行驶速度线，并尽可能使两根速度线分别位于各交叉口上该信号绿灯时间的始端和终端，那么，两根速度线之间的空间称为通过带。从时局图中可以看出，无论在哪个交叉口，只要车辆在通过带内的时刻到达，并以该速度线所示的速度行驶就可以顺利地通过各个交叉口而不会受阻。
2.5 过带速度
时距图中速度线斜率的倒数为通过带速度，它表示沿干线道路可以顺利通过各交叉口的车辆推进速度。
2.6 过带宽度
时距图两平行速度线之间以时间表示的宽度，它表示可供车辆使用以通过交叉口的时间。
3 结束语
“绿波带”顺利的实现需要较多的因素，绿波”控制在实际应用要注意场合。注重时间、地点、事件的结合控制才能发挥其作用。绿波带交通信号控制系统的建成将使交通管理得到进一步的补充和发展，也将使道路交通管理手段发生质的飞跃。从而系统根据不同时段及流量给出合理的信号配时方案，大大减少了车辆的停车与延误。
交通控制是通过信号控制设施，合理的分配道路通行权，使各类各向的交通有序的运行，所以交通控制是缓解城市交叉口交通拥堵最有效和最经济的解决方法之一。但此技术只保证了主干道路交通流畅通，而真正解决城市拥堵问题，其根本办法是合理的城市规划、功能分区、道路设计。城市发展公共交通事业，提高道路运载能力和使用效率，并在市民及车辆驾驶人文明出行，道德素质得到提高。
作者单位
浙江融创信息产业有限公司浙江省杭州市310006
