浅谈交通信号灯的控制策略

浅谈交通信号灯的控制策略

纪志祥 

江苏大学汽车与交通工程学院，212013

摘要：道路交叉口是交通拥堵和通行延误的主要来源，交通信号灯控制是交通控制最普遍的方式，提高交通信号灯的控制效率，最大化交叉口的通行能力是改善整体交通系统运行性能的关键。本文主要对城市道路交通拥堵程度和交通信号灯控制进行研究。

关键词：动态拥堵；信号灯；交通

1.交通拥堵的基本概况

随着城镇化进程的持续推进以及人们生活水平的提高，城市人口和交通出行需求快速增长，失衡的交通供需关系引发了交通拥堵、交通事故、能源浪费等诸多问题。在缓解交通拥堵方面，单纯限制交通出行需求或新建交通基础设施的方法面临日益增大的压力，潜力越来越小。智能交通系统立足科技的进步平衡交通供需，在提升交通系统运行效率，保障交通安全，减少尾气排放等方面发挥着不可替代的作用，是城市交通未来发展的方向。当前国内外交通拥堵情况及其严重，而交通拥堵对现代社会影响甚大，如降低工作和物流效率、减少收入、浪费时间与燃料、增加排放有害物质以及人们对政府的不满。以美国为例，根据CEBR的研究，每年拥堵导致的燃料浪费和商贸活动营运成本增加的损失高达1200亿美元，到2030年可能增加50%。而等待红灯通常被认为是造成交通拥堵的主因。全球大城市几乎已将“智能”的交通管理系统或红绿灯，列入智慧城市之一环，属于一种动态的交通控制系统，以提高十字路口承载与运作效率，如：SCOOT(伦敦、曼谷、北京等)、SCATS (雪梨、香港、上海、广州等)、 RHODES、UTOPIA等交通信号控制系统。

2.自适应交通信号灯控制简介

道路交通流量受出行时间、季节、天气、特殊事件等诸多因素的影响，是不断变化的。传统的固定时间信号灯控制方法采用固定的信号灯控制方案 (包括固定的周期时长、固定的相位顺序以及固定的相位占比)，不具有响应交通路况变化的能力，往往导致绿灯时间的浪费和低下的通行效率。在自适应交通信号灯控制中，控制器能够根据交通流量变化和道路上车辆情况调整信号灯控制参数 (比如周期时长、相位占比)，以实现增加交叉口通行量，减少车辆等待时间，提高车辆速度等目标，具有缓解交通拥堵的巨大潜力。目前最新的自适应交通信号灯能够从与交通环境的交互经验中自己学习并获得反映交通动态性以及控制动作对车流影响的知识。

3. 通过交通信号灯解决拥堵的方法

为了缓解交通拥塞，各国交通局制定了多种缓解交通拥塞的策略，其中定时信号控制策略以及交通响应控制策略是最为常见的。由于易于实施且管理成本低，定时信号控制策略广泛应用于当前大多数城市交通网络中。然而，交通系统始终是动态的，并且往往是不可预测的，这将会导致定时信号控制策略的效率低下。随着先进传感技术的发展，交通响应控制策略逐渐引起学术界与工业界的关注，并改善了固定时间控制策略的局限性。具体而言，可根据所采集的道路信息实时调整响应策略的绿信比，周期长度以及相位差，从而使交通信号更好地适应实时路况，减少出行延误并提高城市交通网络效率。

3.1定时信号控制策略

通过根据历史流量需求确定信号周期以及绿信比的控制方式，定时信号控制策略适用于交通流量未达到饱和的路网之中。定时信号控制策略的早期研究应用于单个交叉路口，在每个交叉路口处确定最佳相位、绿信比以及周期长度，以降低每个交叉路口处车辆行驶时长并提高道路通行能力。交通信号控制策略以最大程度地减少车辆通行时长，为当前使用的交通信号控制策略铺平了道路。SIGSET 和SIGCAP为单个交叉路口设计的定时信号控制策略方法，前者通常在不饱和条件下使用，以最大程度地减少交叉路口的总延误，而后者则适用于交通需求量较大的交叉路口，以最大化交叉路口的通行能力并避免过饱和。此外，不同的相位组合设计定时信号控制策略，减少了交叉路口的总时延并最大程度地提高了交叉路口的通行能力。

3.2交通响应控制策略

由于传感技术的迅速普及和应用，越来越多的响应信号控制策略逐渐提出，能够自动响应当前的交通状况并展现出比定时信号策略更高的控制效率。例如，SCOO以及SCATS已广泛应用于世界各地的许多城市，并且可以减少通行延迟并缓解道路拥塞。SCOOT通常被认为是TRANSYT的交通响应版本，它根据采集的实时交通流量以及上游路段的道路占用率，逐渐调整绿信比、周期长度以及相位差。若调整有助于提升交通网络的性能，则将其用于本地信号控制器。SCATS 则为另一种普遍应用于许多城市（例如悉尼，墨尔本和上海）的交通信号控制策略，目前已经在来自154个城市中的42000个交叉路口处进行部署，能够根据实时路况从策略库中为路网中交通信号选择最佳控制策略。自组织交通信号灯（SOTL）系统根据每个路口交通需求选择当前信号灯相位，能够为交通需求较大的相位提供更高的通行优先级。虽然在该系统中交叉路口处的信号灯之间并未直接进行协调控制，然而根据相邻交叉路口之间交通到达和离开的信息交互，相邻交叉路口信号灯控制策略能实现间接协调过程。此外，交通响应城市控制（TUC）每隔几分钟实施一次信号周期长度以及相位差调整，并且能够根据当前路段实时交通流量计算下一周期中相应参数的值。而绿信比则利用存储转发模型预测得到的交通流量在每个周期内进行实时控制。

4.总结

现有的拥塞成因识别方法能够有效定位道路网络中造成交通拥塞最严重的路段，缓解所识别路段处的拥塞可以带来全网交通条件的改善。然而，很少有工作致力于鉴别的瓶颈处的拥塞原因。一般而言，当交叉路口更容易发生拥塞时，改善信号控制策略被认为是缓解交通拥塞的更有效策略。当某条路段上的交通拥塞更加频繁时，道路基础设施建设往往是改善交通流量和缓解道路拥塞的主要方式。在这种情况下，如果能够区分交叉路口和路段之间的拥塞影响，则可能不需要采用改善基础设施来增加道路通行能力的解决方案，而是采用改进的信号控制来解决该问题。因此，本文所提方法能够获取更具体的交通拥塞成因，并且可以为道路管理者提供更明确的控制策略，以高效地缓解交通拥塞、提高交通运行效率。

参考文献

[1]Ahmad A, Arshad R, Mahmud S, et al. Earliest-deadline-based scheduling to reduce urban trafficcongestion[J]. IEEE Trans. Intell. Transp. Syst., 2014, 15(4) : 1510 – 1526.

[2]石向萍.电子信息技术在智能交通信号灯控制中的应用[J].电子技术与软件工程,2021(12):58-59.

[3]王新伟,王成道.交叉路口车辆流模型及其交通信号灯的控制策略[J].上海铁道大学学报,2000(06):93-98.

[4]何保敬. 交通信号灯控路网中控制策略交互分析与研究[D].上海应用技术大学,2016.