交通控制信号过渡综述

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交通信号方案过渡，是指由旧配时方案转换至新配时方案之间的过程。在过渡过程中，通过对原有配时方案的调整生成过渡方案，即在一个或多个信号周期内适当延长或缩短某个信号相位或整个周期的绿灯时长，以满足过渡要求。同时，过渡方案设置的好坏将直接影响到信号控制的效果，过渡方案设置得当可以有效减少过渡期间的车辆延误，过渡方案设置不佳则会直接影响后续多个信号周期的控制效果。
虽然上述研究在干线信号协调控制仿真实验中有不错的表现，但在实际应用中尚存在如下一些缺陷：
（1）无明确的理论依据。传统的信号控制方案过渡算法大多是根据实际工程应用而构建，没有成熟的理论依据，只是进行简单的数学计算，并且目标不明确。
（2）过渡方法单一。传统的信号控制方案过渡算法没有综合考虑不同交通情况下所需要满足的要求，过渡方法单一，易导致信号协调控制效果不佳，甚至引起交通混乱。
目前国内外各过渡方法所涉及的调整参数、调整方向及调节周期不尽相同，而且将切换控制应用于城市道路交通信号控制中的研究多集中在切换序列的研究上，而针对不同交通状态变换下控制策略的研究，即不同交通状态下的切换控制的研究相对较少。上述过渡调整方法未考虑到新旧相位方案间相序发生改变的情况，进而单一的认为过渡起始时刻点位于旧方案周期的结束时刻；并且以往的过渡周期计算方法未曾与交叉口实际交通状态相结合，使得过渡方案的控制效果不能满足实际交叉口的需要。因此，在实际应用中将受到一定的限制。
2
为保证交通流运行的平稳性，控制系统既需要快速有效地衔接新旧控制方案，同时又要求过渡方案在执行过程中使系统产生的扰动最小。因此，研究快速、平滑的过渡方法实现信号控制方案的有效切换，对于提高交通信号控制系统的控制效果具有十分重要的意义。
树爱兵[8]以当日零点为协调控制方案的起始点，针对交叉口过渡信号周期以及周期调整步幅的取值范围，提出了一种基于周期的交通信号协调控制过渡调整策略。曹交交[9]建立了以控制周期内干线方向相邻交叉口上行和下行相位差与理论相位差之间的误差最小为目标的交通干线信号动态优化控制模型，采用遗传算法对模型进行求解，从而得出交通信号相位的动态配时方案，实现城市交通干线动态绿波控制。陈贵林[10]提出一种基于粒子群优化的干线交通总延误最小协调控制方法。对干线总延误模型进行优化，以总延误最小为目标，得出相位差、绿信比的最优解，进而获得交通信号相位的动态配时策略。刘慧[11]针对实际控制系统对控制方案间的快速切换需求，分别对直接切换方法、经典Add和Subtract过渡方法进行了分析，在此基础上综合考虑过渡时间和平滑特性，提出一种基于最佳相位差调整量控制方案的快速平滑过渡方法。林峰[12]将排队车辆消散模型引入干线绿波控制，建立了基于排队车辆消散的干线绿波控制方法，给出了基于排队车辆消散的复杂干线路网绿波协调控制方法。对信号控制系统模块、服务器处理方式、控制方案过渡等方面进行了研究。郭海锋[13]在综合考虑过渡时间和平滑特性的基础上，提出一种基于最佳相位差调整量控制方案的快速平滑过渡方法。该方法以使各交叉口相位差变化量最小为目标，优化计算得出各交叉口最佳相位差调整量，并以此为依据计算各交叉口在控制方案过渡期间的信号周期。谭伟丽[14]针对传统过渡方法存在的问题提出了一种面向活跃相位的干道协调信号控制方案的过渡方法，李淑庆[15]建立了车辆实际运行状态的城市干道交通流模型与城市干道信号协调控制相位差优化模型。采用免疫遗传算法，提出了使城市干道双向信号协调控制系统车辆总延误最小的最优相位差优化方法。方良君[16]考虑动态协调过程中由于信号控制方案切换导致干线系统经常出现扰动的现象，提出了一种信号控制方案平滑过渡方法。仇东华[17]提出了一种单向绿波的柔性控制策略，通过动态调整相位差实现对干线交通流变化的实时响应，同时，考虑了驾驶员的心理特性，进行相位差的小步长调整，实现柔性控制。宋现敏[18]提出了基于最大绿波带的干线协调控制方法，分析了协调控制方案平滑过渡的重要性，并建立了平滑过渡算法。卢凯[19]建立了一种新的干道协调控制相位差模型。以干道控制系统的总延误与总停车次数作为相位差模型的输出，对上、下行车队在交叉口的延误规律进行了分析。臧利林[20]建立了交叉口交通流的动态模型，基于该模型实现了交通信号相位的动态配时，提出了一种考虑双向绿波的干线相邻交叉口相位差优化控制方法，从而实现交通干线分级递阶协调控制。Pohlmann T[22]通过研究具有路网中不同协调关系的过渡信号干线协调需求分析提出一种综合考虑当前路口交通状态和邻近路口交通状态的方案过渡方法。Hamilton C[23]针对新旧信号控制方案过渡对原有干线协调造成的影响，提出了一种干线快速过渡方法。Basu S[24]综合考虑新配时方案的对干线协调的优化程度和过渡方案对干线协调的影响程度，选取最佳影响度过渡方案。
栗红强[37]针对TS IS交通仿真软件提供的3种过渡算法，以3个交叉口多时段线控系统为例，以控制延误作为评价指标，对早高峰前后2种过渡场景进行了研究。Shelby S[38]运用CORSIM交通仿真软件，将车辆的停车延误作为性能标准进行评价，对比分析了几种比较常用的过渡算法在不同的交通状况下的运行效率，实验结果表明，当干线处于低饱和状态下时，Subtract过渡算法具有较好的过渡效果；在临界饱和状态下，Short Way过渡算法具有较好的过渡效果；在过饱和状态下，Add过渡算法具有较好的过渡效果。YUN I[39]基于硬件在环在试验现场在弗吉尼亚4协调过渡信号交叉口的评价。COHEN D[40]在亚利桑那州图森的一个主要干线模型和另外一个假设的网络模型中，验证了多种信号方案过渡方法。Obenberger J T[41]通过软件在环仿真工具对多种过渡控制策略的效果进行评估。Basu S[42]针对新配时方案的预期控制效果能否得到保证取决于新配时方案的信号控制优化效果是否大于配时方案过渡过程所导致的破坏效果做评估分析。
从上述研究可以发现：
（1）现有区域信号过渡控制策略，多基于关键交叉口或主要干线协调过渡控制为主，未对区域内全部路口进行全局统筹分析，难以实现真正意义上的区域信号过渡控制；
（2）现有区域信号过渡控制策略缺乏关联路口或干线的关联性分析，通常忽略了信号过渡期间路口间的协调关系，造成过渡期间协调效果不佳，易造成交通拥堵问题。
从上述研究可以发现：
（1）现有的预信号过渡控制多针对渡控制间的协调控制算法研究；
（2）目前的预信号控制对道路交通组织要求较高，所涉及的预信号控制策略可移植性不高，难以大规模实施。
4.2
交通仿真模型是唯一一种可以用来评价的模型。交通仿真模型将车辆作为实体，模拟道路交通的具体情况，能够对信号过渡状态同实际交通流、占有率和出行时间等交通状态相关联，能够较好对过渡策略进行评估，因此也有学者借助交通仿真进行信号过渡控制研究。
（3）过渡持续时间较长。在干线信号协调控制中，新旧控制方案进行切换时，使用传统的过渡方法所需转换时间大概5-10分钟，而实际的控制系统中，单个时段的信号控制方案的运行时间通常在5-15分钟，因此，过渡持续的时间不符合实际交通控制的要求。
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区域信号协调控制狭义上是指将关联性较强的若干个交叉口统一起来，进行相互协调的信号控制方式；广义上是指在一个控制中心的管理下，监控区域内的全部交叉口，是对单个孤立交叉口、干道多个交叉口和关联性较强的交叉口群进行综合性的信号控制。区域内交通流的分布不均匀极易造成区域内的路口信号需求不均匀，因此在区域信号过渡控制过程中既要保证单点的交通控制需求，也要协调过渡期间干线的相位差调整变化，最终实现区域内信号协调过渡。
潘阳阳[25]综合传统配时方案过渡方法中的过渡基础和绿灯时长分配方式，设计了无相位差和有相位差两种情况下的定步长配时方案过渡方法。张驰[26]以交叉口的信号控制为研究对象，设计了切换控制律，实现了路口控制单元可以根据整个路网的交通流情况以及自身的交通状态选择更加适合交叉口当前状态的控制策略。李华[27]提出了“分而治之、化面成线、连线成面”的协调控制策略，将区域协调控制分解成干道协调控制，并将协调干道以不成闭环的规则连接，最后按照协调顺序优化每条干道控制参数，使从而达到优化区域交通的目的。殷学侠[28]将模型参考自适应控制算法应用于子区交通控制中，根据信号控制策略计算选取子区共用周期，并将相位差的调整与绿信比调整相结合，考虑协调相位的起始时刻进行配时方案过渡，实现子区内各交叉口的协调控制。马东方[29]以单位时间内的区域输出流量最大为优化目标，以相位最大绿灯时长和最小绿灯时长为约束，建立节点相位绿信比优化模型。并基于排队上溯识别方法和瓶颈状态识别方法，提出瓶颈路段上下游交叉口的配时参数优化方法及控制方式之间的平滑过渡方法。臧利林[30]建立了一种基于子区域交通流优化的交叉口信号控制模型，并应用遗传算法获得模型的最优解。李水友[31]探讨了如何从原方案尽快平稳过渡到新方案的问题，提出了一种周期相位差协调调整的快速算法。卢晓东[32]提出了一种相位差双向调整的方法，用于交通信号绿波带控制中的相位调整过程，缩短了过渡时间，提高了控制效果。Lee J[33]利用周期时长、相位差和绿信比构建一个非线性的数学模型，通过对几个模型的自变量进行同步调整，实现过渡时段内车辆延误的最小化，进而求取最佳的信号配时方案。
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4.1
目前预信号控制多作为主信号控制的一种补充控制手段，在协调不同方案过渡过程中能改善因信号过渡产生的拥堵问题，提高车辆，特别是特种车辆的通行效率，因此在实际应用具有很高的应用价值。
张斌华[34]对预信号公交优先的基础控制模型的研究，分析了基础控制模型所存在的缺陷，结合交通波理论，建立了协调控制优化模型。成卫[35]以平面信号交叉口为研究对象，结合综合待行区预信号设置规则，给出两种配合不同主信号相序的预信号设置方案及计算公式。徐红领[36]分不同的情况对信号交叉口进口道处可变车道属性过渡时主预信号之间协调控制关系进行了理论推导和分析，得出了在不同的情形下主预信号之间协调控制关系模型。
过渡通常被理解为是相邻时序的两个信号配时方案之间的切换过程，然而，交通工程学关于这个基本概念只提供了少量详细资料，要深层次的了解过渡问题只有通过实际的操作信号控制器或者咨询有经验的工程师、生产商代表和用户手册。美国联邦公路管理局在推行自适应控制信号系统的同时也认为配时方案过渡需要做出必要的优化，因此有许多研究学者和交通信号控制的从业者提出了很多不同信号配时方案的过渡方法并不断的在改进。