虹桥枢纽交通控制和交通诱导浅析

摘要：结合虹桥枢纽的战略规划以及现有交通枢纽交通设施和交通诱导系统的现状，构建了基于上海市综合交通信息平台的虹桥枢纽交通控制和交通诱导系统的体系框架，探讨了其实施的必要性、可行性，并给出了交通控制和诱导协同的诱导策略。

一、概述：

虹桥枢纽位于上海市西部地区，占地26.26平方公里，是集航空港、高速铁路、磁浮交通、城际铁路、城市轨道交通、公共汽车和道路交通于一体，连接两个大型机场的巨型综合交通枢纽。按照虹桥综合交通枢纽战略规划，枢纽核心区的远期客流总量约110万人次每日，其中由市内交通换乘吸引的交通量达80万人次每日。虹桥综合交通枢纽对外交通包括：航空、高铁、磁浮、高速公路巴士（20～40条来自长三角地区的长途汽车线路），另外，在2010年上海世博会期间，将有大量的客流使用枢纽对外交通到达上海，然后通过枢纽换乘市区交通去世博。因此在车流、人流都非常密集的交通枢纽，交通控制和诱导更应该相互配合，提高交通的流量调控能力，将交通压力均分在各节点上，从而整合形成一个协作体系，使交通拥挤能够更快地消散。

二、交通控制和诱导协同研究的现状

1、国外关于交通控制和诱导协同的研究

国外相关交通流诱导与交通控制的协同或者称为组合、一体化，基本上以上面三种为典型，目前仍侧重于发展模式探讨、理论模型深入研究，应用于实践的还比较少。

Belletal(1991年)提出了交通流最佳路径诱导和交通控制协同的两种途径:一是低水平协同，即两系统的数据共享;二是高层次协同，即两系统相互影响和相互作用。这种协同思路比较容易操作，交通控制系统和交通流诱导系统都需要全面实时的采集到路网交通信息，而现在的各种检测设备基本上都是为交通控制服务的，因此第一层次应该考虑如何实现交通规划数据、基础设施数据、交通控制、交通监控、接处警等交通信息的共享。

H.Shimizu,M.Kobayashi&Y.Yonezawa(1995)提出了一个概念性的结合交通流诱导和交通信号控制为一体的两级交通控制系统，如图2-1所示。

图2-1

信号控制系统通过检测到的交通信息进行信号基本参数优化，以综合PI指标值最小放行交叉口的到达车辆，动态路径诱导则根据路段行程时间和交叉口的车辆延误计算OD的最佳路径。这个系统中路径诱导对疏导交通流的主动作用比较小，主要是交通信号控制根据流量调节交叉口的通过能力，避免交叉口的拥堵。

2、国内关于交通控制和交通诱导协同的研究

杨兆升教授、徐立群博士针对我国城市目前的交通管理系统，提出一种依托目前的道路交通控制中心的交通流诱导与控制的协同机制，他们将交通信息共享作为实现两系统协同的基础，根据实时采集的路网交通信息，交叉口信号配时优化和动态路径最优选择同步进行，并将诱导信息发布出去，构成一个循环，其框架见图2-2

图2-2

对交通控制与交通流诱导关系研究的学者很多，但在理论上和实践上，两者的协同均没取得成功性的突破。以往的研究往往偏重其一或者全局一体化的研究思路。现有的控制与分配相结合的模型和方法，一般是以其中一种管理方法，或控制或分配(诱导)为主，而将另一种作为外生变量或约束条件，其实质是一种改进的控制或分配的方法。偏重于交通控制或诱导，没有真正把控制和诱导协同作为交通管理的统一手段，而一体化方案需要同时求解最佳的控制方案和诱导方案，由于交通系统的复杂性、随机性和动态性等，交通控制与诱导的直接整合、同时优化会导致模型复杂，难于求解与应用。

三、交通控制与诱导协同的必要性与可行性分析

1）交通控制与诱导协同的内容

交通控制是指在交叉口各路段的进口端或出口端的车道上设置车辆检测装置(多数为感应线圈)，并通过通讯线路与控制中心的计算机相连，依据检测到的实时路网交通流数据，利用计算机软件和先进的控制理论，对路网上的交通信号灯的配时方案进行优化控制并进行动态调整，达到使路网上的车辆有序流动，实现被控范围内道路的畅通;其实质是对路网上已经发生的将要通过某个路口的车流的时间分布进行强制性调整，从而改变不同方向的车辆通过路口的等待和通行时间，使车流量在路网上的时间分布发生变化，以减少路口内的交通流冲突，提高现有道路的通行能力

交通诱导通过车载导航装置、可变信息板、交通诱导专项广播、互联网等交通信息发布手段，将采集到的各种交通状况信息，经分析处理后及时通知出行者，并推荐行驶路线，对行驶在路网中的交通流予以诱导，使其趋于合理，从而提高路网的通行能力，将拥挤的影响降低到最小的程度。诱导信息的发布根据信息接收者的不同，分为面向个体和面向群体两种。面向个体的诱导信息一般通过车载导航装置进行接收；面向群体的诱导信息发布方式较多，有交通广播、电视、互联网、电话查询、可变信息板等。其中交通广播、可变信息板和车载诱导装置，是目前广为采用的交通诱导信息发布方式。进行交通诱导时，突出的问题是要有好的诱导方案以及动态交通诱导信息的合理组织。

2）交通控制与诱导协同的必要性和可行性

交通控制对交通拥挤的疏导作用已被证实，但它只能处理路网上车辆的合理运行问题，对路网上车辆分布的控制却无能为力，也就是说，交通控制无法使路网上的交通负荷尽可能的均衡分布。但是随着通讯、信息技术的发展，通过路网实时交通信息的采集、交互传播,来诱导车辆选择最佳路径的交通诱导系统，成为交通管理发展的趋势。因此，交通控制和交通诱导的组合策略是极其必要的。

四、各种交通状态下的控制系统与诱导系统协同研究

协同策略分为两种，一种是潜在的协同策略，一种是主动的协同策略。潜在协同是指两系统运行过程中，不主动以对方为输入。分析交通控制与交通流诱导的关联性可见：UTCS实施能影响车流在路口的延误时间，而这正是交通流诱导决策的一个重要条件；另一方面，UTFGS的实施能改变车流在路段上的重分布，影响车流在路口的到达率，而这也是交通控制决策的一个重要约束。也就是说，一方的输入条件是受另一方限制的。因此，即使两者独立运行，不进行信息、策略等的交互，也是存在潜在协同关系的。

随着自适应控制技术和交通信息预测技术的发展，控制系统和诱导系统根据预测信息制定策略，控制信息预测时考虑了诱导的影响，诱导信息预测时考虑了控制的影响。但是这种预测只是对对方状态的一种静态预测，没有实时的信息和数据交换，没有将对方的策略作为已知条件和输入，只是一种潜在的协同方案。

主动协同是指控制系统和诱导系统在制定策略时实时地进行信息、策略等的交互。在控制策略中以实时的诱导策略为输入，并将控制策略及时传递给诱导中心，作为诱导策略的输入，反之，诱导策略也是如此。或者说在统一的目标指导下，同时进行两系统的决策。本文研究的协同策略都是指主动协同策略。

城市交通流系统是一个时变的、复杂系统，在交通流系统中既可观察现车辆时走时停的拥挤状态，根据交通流的特征和道路的拥挤程度，可将交通流分成不同的交通状态。我们将交通状态分成畅通、轻微拥挤、拥挤和阻塞四种不同的状态，车辆诱导系统及道路交通控制系统针对不同交通状态对路网交通流输导作用各不相同，因此应该针对不同的交通状态选择不同的协同策略。

1、畅通状态下的协同策略研究

在夜间以及交通流的非高峰期，道路上的车流量比较小，交通需求小于通行能力，车辆之间的相互作用可以忽略，每辆车均以期望的速度运动，道路处于畅通的状态，我们认为畅通状态下主干道的平均车速不低于30km/h。在畅通的状态下，道路的管理目标已经达到了，但这并不是说不需要对道路交通流进行管理和控制。这时候最主要的任务是根据检测器检测到的交通流参数，实时判断道路交通状态，及时发现道路交通状态的变化。一旦检测到道路异常的交通状态，马上进行相关的措施，防止交通状态的恶化。此时由于交通量小，交通管理效果已经很理想，协同的目标应该是费用最小。因此应该采用协同的独立式，只进行信息与基础数据的共享，不进行策略之间的交互。这样可以大大简化两系统的复杂程度，提高运算速度和两系统的运算时间，用最小的费用取得最好的效果。

首先，通过信息检测系统实时检测道路的各种交通信息，这些信息包括控制信息和诱导信息，通过传输系统将检测到的数据传输到信息中心，在信息中心通过对信息处理得出实时的交通状态，如果交通流仍处于畅通状态，则按照一定的算法从管理者的角度分别计算控制系统和诱导系统的参数，从而对交通流进行有效的管理，整个过程如图4-1所示。

图4-1

2、轻微拥挤状态下的协同策略研究

随着交通需求的增加，道路交通畅通的自由流开始变得混乱，到达目的地的时间变长，交通状态由畅通进入轻微拥挤，轻微拥挤状态下，主干道的平均行驶速度为20～30km/h。轻微拥挤的状态下，控制与诱导的协同效果起着至关重要的作用，协同效果好，即使流量增加，也能保证道路车流的畅通；协同效果不好，随着车流的增加，道路很快就会处于拥挤状态，这是我们不希望见到的。因此，轻微拥挤下协同的目标是尽快的疏散车流，避免拥挤状态的发生，保证路网交通流分布的均衡性，轻微拥挤状态下是协同发挥作用的最佳时机，这个状态下的协同效果直接影响了整个路网的交通状态。

在协同的策略上，应保证控制与诱导并重，而不是偏重一方的协同策略，这样才能保证控制与诱导同时疏散交通流，提高交通管理的效率，诱导策略可以采用协作式、递阶协同式、一体化方式等等。下面以递阶协同方式为例介绍一下协同的整个过程。如图4-2所示：

图4-2

轻微拥挤首先是由控制系统的检测设施检测到的。因此首先应该由控制系统对交叉口的交通流进行合理的配时，保证交通流在路口的延时间最短。同时交通控制系统要将本路段的交通流参数（流量、延误、占有率、饱和度、信号配时方案）传送给协同管理系统。同时，交通流诱导系统根据检测到的参数对路段的行程时间进行预测，计算每辆车的最佳行驶路线，并对路网的交通流进行分配，保证各个路段的交通流达到均衡，最后诱导系统将交通流在路网的分配情况也反馈给协同管理系统。协同管理系统对接收到的诱导与控制策略进行整合与优化，建立控制与诱导的协同模型，将初始的控制与诱导策略作为协同

模型的输入，确定控制和诱导系统优化的方向和调整的步长，直到收敛为止。这样就得到了新的控制策略和诱导策略，将新的控制策略和诱导策略用到实际交通流系统中。

另外，在实施自适应控制的区域，由于自适应控制的智能性，协同模式可以采用偏重控。自适应控制方法是指利用埋设在交叉口进口道上游的检测器提供实时交通数据来决策控制信号参数，能根据交通需求的变化而实时调整信号控制参数的信号控制方法。由于自适应控制可以根据检测到的交通参数实时改变信号控制参数，使交通流在交叉口的延误最小。这样在拥挤发生的时候，控制系统可以使已经进入本路段的交通流尽快通过交叉口，诱导系统可以分散即将进入此路段的交通流，控制与诱导系统协同起来消除拥挤现象，这样可以大大减少拥挤阻塞时间（见图4-3）。

图4-3

在自适应控制中，可以根据预测的交通数据进行信号配时，在预测交通数据的过程中，可以先根据预测数据判断道路是否发生拥挤，如果交通拥挤发生，应立即发送到诱导中心，诱导中心向出行者发布诱导信息，然后，对诱导作用下的交通流规律和特性进行预测，将预测的信息作为自适应信号配时的依据，这样就到达了两者协同的效果（如图4-4所示）。

图4-4

3、拥挤状态下的协同策略研究

如果轻微拥挤状态下没有对交通流进行很好的协同管理，交通流将不可避免的进入拥挤状态。交通拥挤是指交通需求超过道路的交通容量，超过部分的交通滞留在道路上形成等待队列的现象，拥挤状态下，道路主干道的平均行驶速度在10～20km/h。

既然拥挤状态已经发生了，想办法用最短的时间解决交通拥挤问题是当前交通管理的主要任务，因此拥挤状态下协同的目标是疏散已经发生的拥挤，并诱导其他车辆避开拥挤瓶颈地区，保证车辆总的行程时间最小。此时应采用偏重诱导的协同模式，如图4-5所示：

图4-5

至于交通控制系统，应该采用延误最小的模型，尽快地疏散拥挤交叉口及相关路段的交通流。同时，控制系统将控制的主要参数和策略传输给诱导系统，以便诱导系统根据控制策略制定诱导策略。诱导系统根据控制策略和道路的交通流情况，预测行程时间，发布拥挤信息，尽量将车流引导到其他的道路上，避免本拥挤路段进一步恶化并影响到其他的路段，整个流程如图4-6所示：

图4-6

4、阻塞状态下的协同策略研究

这里所说的阻塞是指一个协同子区内，或者整个路网中所有道路都是拥挤的，这种情况很少会出现，如果经常出现这样的情况，说明这个城市的基础道路设施不够完善。

这种情况下，最好的解决方法有两种：第一，修建道路，从空间上给车辆更多的选择机会；第二，采用各种交通管理手段，从源头上减少交通流量。

交通状态协同目标协同策略

畅通费用最小独立式

轻微拥挤尽快的疏散车流、避免拥挤状态的发生，保证考虑到行程时间、延误、通行能力等的综合目标最优。协作式，递阶协同式，一体式方式，偏重控制式

拥挤疏散已经发生的拥挤、并诱导其他车辆避开拥挤瓶颈地区，保证道路通行能力最大。偏重诱导式

阻塞修建道路或者从源头上减少交通流

五、交通控制和诱导组合的主要策略

交通控制和交通诱导的实现要通过不同的手段，因此两者的结合也就是这些手段的相互结合。这些手段可以两两结合使用，也可以多个结合使用。主要的组合有以下三组：

1）交通信号控制和交通诱导分流信息的组合策略

在交通阻塞时，虽然交通信号控制可以根据各进口道交通拥挤状态来分配绿信比，但仍然无法从根本上改善交通阻塞。因此，对于过饱和状态下的交通，仅仅只依靠单纯的信号控制手段是不行的，它至多只能使被控范围内交叉口的效益最大化，而未能充分利用整个路网中其它闲置的通行资源，所以有必要采取交通信号控制与交通诱导分流相结合的原则，通过对驶入车流行驶路线的调节来改变交通控制的过饱和输入问题。

2）交通信号协调控制与限速诱导信息组合策略

平均车速是协调控制设计的关键因素，如果在协调控制时，车辆速度过大或者过小，实际控制效果肯定不会很好。因此，可以对拥挤交叉口所在这段道路实行速度限制或者速度建议，而速度限制和建议一般可以利用可变信息板、交通广播以及车载导航装置、路边标志等发布给驾驶员，从而达到缓解交通拥挤的目的。

3）交通信号控制和交通禁左诱导信息的组合策略

由于左转车流是交叉口最大的麻烦制造者，交叉口禁左交通组织可以减少交叉口不同流向的车流交织与冲突，简化交叉口不同方向车流的复杂性，消除与对向直行车流的冲突，重新对交叉口的交通流进行组织。原来交叉口有左转专用相位，实行左转禁行后，就可以将左转相位时间给直行车流使用，同时左转专用道也可以供直行车流使用。左转禁行能够减少交叉口的车流之间的干扰和延误，提高交叉口的通行能力，从而在一定程度上缓解了交通拥挤。当交叉口的交通量趋于饱和时，系统地对某些交叉口构成的区域道路网络实施禁左限制，将会使得交通拥挤问题得到缓解和改善。

六、发展方向

交通控制和诱导是智能交通系统对道路交通在线实时管理的核心部分，以往的研究成果往往偏重其一,形成了以诱导为主和以控制为主的两类不同的研究思路。动态交通分配与交通控制的结合是控制与诱导集成的理论基础。从系统整体的观点分析，二者是相互联系的，无论是理论研究还是实际运行，都应当将他们综合起来加以考虑，因此，交通控制与诱导的结合研究是交通管理发展的方向。

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个人简历

曹永锋男1979年9月生。

2003年7月毕业于中国人民解放军装甲兵工程学院，计算机科学与技术专业

参与的科研项目

虹桥枢纽交通信息资源整合关键技术和方案研究

中国东方航空虹桥基地（西区）配套项目研究