城市交通控制与诱导协调模式的系统分析

城市交通控制与诱导协调模式的系统分析¹

马寿峰,李艳君,贺国光

(天津大学管理学院系统工程研究所,天津300072)

摘要:交通信号控制系统与车辆路线诱导系统是城市交通流在线管理的两种主要方式.文章从控制与诱导的工作原理出发,从控制与诱导的时空特性、实现的目标、完成的功能和输入输出等多方面,分析了二者进行协调的必要性,论述了二者之间存在的多层次的关联,提出了控制与诱导之间可能的协调模式,并对决定二者协调模式的相关因素进行了分析.

关键词:交通控制;车辆路线诱导;协调;智能交通系统

中图分类号:U121文献标识码:A文章编号:1007-9807(2003)03-0071-08

0引言

智能交通系统(intelligent transportation system, I TS)是近年来兴起的运用各种先进的技术手段解决交通问题的综合系统.城市道路的交通流实时管理是智能交通系统研究和应用的重要内容之一.I TS中城市交通的在线管理主要是由实时的交通信号控制系统(urban traffic control system, UTC S)和车辆路线诱导系统(vehicle route guidance system,VRGS)来完成的.从智能交通系统整体的观点出发,UTCS与VRGS是相互联系的,它们之间的运行不应当是孤立的,存在某种方式的协调.只有这样,才能保证城市交通在线管理的高效性.

交通诱导往往以动态交通分配为理论基础,交通控制和诱导的协调研究与交通控制与交通分配的结合研究存在着密切的关系.而最早对后者进行研究的是英国的Allsop[1],Macher和Mkcelik[2]和美国的Gartner[3].近几年来,随着对动态交通分配研究的不断深入,对分配与控制的结合越来越受到各国学者的重视,有一些有关控制与诱导结合的模型与算法的文章发表[4~8].

但是这些研究往往局限于控制与分配相结合的某一种算法以及模型的求解,对于从交通控制系统、交通诱导系统的机理上分析两者之间的各种相互关联,研究二者协调关系的文献所见并不多.本文首先从UTCS和VRGS的工作原理出发分析二者的时空特性,指出了二者进行协调的必要性,分析了UTCS和VRGS之间存在的多层次的关联,提出了控制与诱导之间可能的协调模式,并对协调内容和决定二者协调模式的相关因素进行了分析.

1交通流及UTCS和VRGS的时空观

康德哲学认为,宇宙本体之下最基本的范畴是时间和空间,时间和空间是描述任何客观事物存在的不可缺少的两个方面,二者紧密联系才能全面地刻画出该事物的特性、所处的环境以及运动变化规律.

城市交通流分布在城市道路网络中的各条具体的道路上,不同路段、不同路口的交通流的流量、速度都不相同,说明交通流的特性与其所在的空间位置密切相关.空间位置相同的交通流,由于不同时间段的交通出行的特征、规律不同,导致该处交通流在不同的时间具有不同的特性和规律.

第6卷第3期2003年6月

管理科学学报

JOURNAL OF MANAGEMENT SCIENCES IN CHINA

Vol.6No.3

Jun.,2003

¹收稿日期:2001-12-20;修订日期:2003-04-12.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(70001003).

作者简介:马寿峰(1965)),男,回族,天津人,博士,副教授.

首先,考察交通流的重要指标和参数,都是与交通流的时间、空间密不可分的,记录了其某一侧面的特性.流量、速度、密度之间的相互关系式(1)表示的就是交通流时空参数之间的定量关系,是标定交通流时空特性的方式之一.

q=Q#v(1)式中:Q)))交通密度,q)))交通流量;

v)))速度.

其次,描述交通流运动、变化的各类交通流模型也都是反映了交通流的时间和空间的相互关系.如微观交通流模型中的跟驰模型(2):

n+1(t+S)=&x n+1(t+S)=

1

S[Ûx n(t)-Ûx n+1(t)](2)其中:x i(t))))t时刻第i辆车的位置; i(t))))t时刻第i辆车的加速度;S)))第n+ 1辆车的司机对第n辆车速度变化的反应时间.

该模型表明,后车在前车速度变化S时间后开始反应,且其加速度正比于t时刻两车平均速度差.该模型反映了两车之间应保持的安全空间距离与车辆行驶速度、以及司机的反应时间之间关系,常用来确定安全的行车间距.该模型的本质是描述了单个车辆的时空关系.

各类宏观交通流模型也同样是对交通流时间、空间关系的定量描述.以连续动态模型(3)为例,该模型说明了路网中的某两个相邻断面间交通流主要参数Q和q将随空间位置、时间变化的规律及其定量关系.

9Q 9t+9q

9x=s(x,t)(3)

式中:x)))空间变量,表示观测点所在的位置; t)))时间变量;Q)))交通密度;q)))交通流量;s(x,t))))流量产生率,对于无进出匝道的公路s(x,t)=0,对进口匝道s(x,t)>0,对于出口匝道s(x,t)<0.

由于交通流的特性及规律是通过时间、空间两个方面展现的,这就要求对交通流的管理与控制也应相应地从这两方面入手,才能收到好的效果.城市交通信号控制系统与车辆的路线诱导系统正是分别侧重于从时间、空间两个方面对交通流进行管理的主要途径和手段.

在城市交通信号控制系统中,主要将信号灯作为控制的执行设备,通过信号灯色的改变,控制车流在路口交通流的运动.虽然目前可以采取的交通控制方式和方法很多,但是无论何种方式,其主要手段都是对已经产生的将要通过某个路口的车辆进行控制,改变不同方向的车辆通过路口的时间,从而使车流量在网络上的时间分布发生变化,以减少路口内的交通流的冲突,提高现有道路的通行能力.这种对路网上已经发生的交通流量的时间分布进行的直接调整是交通控制的本质特征.因此,城市交通信号是从时间上对道路交通流进行管理.

路线诱导是对网络上已经或即将发生的具有意向性(方向性)即驶往特定目的地的交通流,在连接其出行起点和终点的各条路径上的数量分布进行调整,通过改变行驶在不同路径上的车辆数,达到网络流量均衡的优化目标,即对路网上未来即将发生的交通流量的空间分布进行直接调整,是实现交通流空间管理的主要手段.

时间、空间的不可分性决定了控制系统和路线诱导系统不是孤立的,而是相互联系的.在建立控制系统和诱导系统时,应当从系统整体的思路出发,研究二者之间的相互关联,实施交通控制和诱导的协调和统一.

2UTCS和VRGS的关联层次

UTC S和VRGS关联的表现形式是多样的,从管理的层次上可以分为以下三种:

1)数据关联.这种关联是由系统的被控对象特性所决定的.UTC S和VRGS是对同一道路网络(空间范围)上的同一时间段(时间范围)内的交通流进行控制和诱导,控制对象是完全相同的.相同的受控对象决定了UTCS和VRGS之间在能够客观描述受控对象属性、状态及变化特性等的基础数据方面必然存在相互联系,这种关联表现在控制系统和诱导系统可以建立在共同的基础子系统之上,共享这些基础子系统所提供的数据及相关的各项功能.这些基础系统包括交通流检测系统、各种道路、车辆、出行数据的采集系统及各类的数据通讯系统.

2)信息关联.无论UTCS还是VRGS都要以路网实时交通流为基础对路网的主要状态指标和

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