彭德品12韩占永2 吴建平1
1清华大学 2科进英华（北京）智能交通技术有限公司
1.概述
1.1 建设背景
随着南宁市机动车保有量的不断增长，而旧城区的道路拓宽及路口渠化改造的空间有限，道路交通在高峰期往往处于超负荷状态，重点区域交通拥堵成为常态，智能交通技术的应用能有效提高现有基础设施的使用效率和服务水平，在破解城市交通问题中扮演着不可或缺的重要角色。而交通控制主要是利用计算机管理的交通控制设施对交通流进行交通组织优化以及通过调节、诱导、分流以达到保障交通安全与畅通的目的。但目前交通信号控制面临数据可用性、信号优化配时重复性和合理性、信号控制智能化自动化等问题与业务痛点。城市道路在高峰时段拥堵时，单纯的高峰时段信号方案远远不能解决车辆拥堵问题，需要民警前往现场路口手动控制信号机缓解交通拥堵问题，需要耗费大量的人力和物力。人工解决交通拥堵问题的方法不符合现代化智慧城市发展，而且人工控制信号机的手段缺乏对城市交通数据和行为的开发和运用。
由此提出，将交通信号控制、交通诱导及流检数据等融合，形成反馈门信号控制系统。通过控制区域的流检设备检测区域内流量，当区域内的STD（净车公里数）饱和度超过预设的阈值时，通过反馈门信控系统自动对边界选定的门控点路口配时方案进行动态调节，同时结合诱导屏引导过境车辆绕行，从而控制区域内的交通总量，当区域内的STD饱和度在调控后低于预设的阈值后，门控点路口恢复原配时方案。
因此，建立反馈门信号控制系统，通过视频流检设备采集区域内交通流量数据，进行数据校验、处理，判断区域交通运行状态，当区域内出现交通拥堵时，依据前期制定的区域交通控制和诱导策略，调节区域边界门控点的信号控制方案减少进入区域内的交通量，增加出去区域的交通量，并通过诱导系统发布交通诱导信息，诱导车辆绕行，同时根据区域内交通情况调整优化区域内交通信号控制方案，提高区域内交通通行效率。
1.2 系统建设目标
建立反馈门信号控制系统，通过视频流检设备采集区域内交通流量数据，进行数据校验、处理，判断区域交通运行状态，当区域内出现交通拥堵时，通过门控点调控策略调节边界门控点的信号控制方案减少进入区域内的交通量，增加出去区域的交通量，并通过诱导系统发布交通诱导信息，诱导车辆绕行，同时根据区域内的交通情况调整优化区域内交通信号控制方案，提高区域内交通通行效率。
前期制定好执行的管控策略后，反馈门信号控制系统将通过系统与海信信号控制系统及诱导系统的接口将策略下发到对应的信号控制机和诱导屏，实现区域交通管控方案的自动调整和下发执行，实现车流的合理导向，缓解车流分配不均造成的交通压力，达到车流在时间和空间上的均衡，保障重点区域内道路畅通，提高管控效率。区域内流量减少16.8%，速度提升15.2%，拥堵指数下降20%。
2.系统设计
2.1 系统架构
（1）工作原理
信号控制系统利用实时交通信息、交通控制数据，结合交通仿真模型对路网运行状态进行实时仿真评估，自动对评估的路网瓶颈点、区域关键交叉口进行控制方案优化，并将优化方案下发到信号控制系统执行。系统工作原理如图1所示。
平台仿真控制策略优化应从区域内和区域外两个方面考虑交叉口的控制方案，即区域内交叉口控制方案优化的重点是保障路口通行畅通，实现区域内车流快速通行，区域边界处的交叉口控制方案在保障区域外路网正常运行的状况下，重点考虑区域内车流量的控制策略，即在区域内出现交通拥堵时，通过控制区域外的交叉口信号控制方案，从时间和空间上调节进入区域内的车流量。
（2）软件架构
反馈门信号控制系统基于三层B/S架构设计，将系统分为表示层、逻辑层层和数据层三层，对应到物理设备分别是客户机、应用服务器、反馈门调控服务器、数据库服务器。客户机实现人机交互功能；应用服务器和反馈门调控服务器用于实现实时数据融合计算、下发信号至第三方平台；数据库服务器用于反馈门调控信息的数据存储。三层结构下各个子系统及功能模块介绍如图2所示：
图 SEQ 图 \* ARABIC2反馈门信号控制系统架构图
逻辑层的应用按处理数据类型和运算方式划分为4个子系统，即实时流量分析子系统、数据融合反馈子系统、智能信号控制子系统、智能诱导分流子系统。
实时流量分析子系统：实时流量提取子系统可以交警支队现有视频流量检测器的数据库服务器中提取实时流量数据，转存入反馈门系统数据库。将数据进行校正和融合，形成系统分析计算的交通流数据。实时流量提取子系统包括以下内容：实时流量数据提取、区域与门点实时进出流量分析、区域与门点历史进出流量统计、路段流量表格下载；数据融合反馈子系统：数据融合反馈子系统通过反馈门核心算法运算，实现区域内各主要路段STD值的计算。该子系统是通过调用我公司自主研发的反馈门核心算法实现流量数据与区域饱和状态的转换，系统将通过开发与交警支队现有平台的接口，实现反馈门与实际路况的深度融合，实时流量分析子系统与数据融合反馈子系统的拟合度直接影响了反馈门信号控制系统的最终调控效果。数据融合反馈子系统在客户端设置好相应道路的交叉口折减系数、车道折减系数、车道理论通行能力、车道宽折减系数、门点阈值设置、区域阈值设定、道路权重等参数，根据实时路段流检回传的流量数据进行校正并导入核心算法中进行计算STD值。在计算结束后，每分钟将结果通过智能网传输到客户端，由客户端以系统日志、图表或数据条的形式输出给最终客户。
数据融合反馈子系统包括以下内容：交叉口折减系数、车道折减系数、车道理论通行能力、车道宽折减系数、路段流检校正系数、区域、路段、门点STD计算；智能信号控制子系统：智能信号控制子系统是根据数据融合反馈子系统计算得出区域、门点的STD值后，每隔5分钟将结果通过反馈给各门点的信号机和诱导屏，如若达到相应阈值，则门点关联信号机启动调控方案，门点关联诱导屏下发分流方案；若未达到相应阈值，则保持原状。在门点阈值未达到，而区域STD达到时，所有门点均会开启调控。整个系统的调控的记录会反馈到客户端，由客户端以系统日志、图表或数据条的形式输出给最终客户。智能信号控制子系统包括以下模块：信号机绑定、系统启动方式、调控阈值设置、调控策略设置；智能诱导分流子系统：智能诱导分流子系统是根据区域、门点的STD值是否达到阈值进行运作，如门点达到则每分钟将诱导分流信息通过智能网下发到交警支队的诱导平台，以插播的形式发送到门控点关联的诱导屏，对该门点外围经过区域的车流进行疏导；若未达到相应阈值，则保持原状。在门点STD未达到，而区域STD达到时，所有门控点关联诱导屏均会进行诱导分流。智能诱导分流子系统包括以下模块：绑定门点诱导屏、诱导信息编辑。
表示层的主要功能是向用户提供仿真设置和结果显示的接口，是具体交通管理业务逻辑在系统平台内向用户显示的界面和操作流程，因此表示层是系统平台易用性、可操作性的关键。
表示层业务包括：1、区域详情展示：区域实时进出量、门点实时进出量、区域实时STD报表输出、设备状态统计、当日车流统计、当日STD统计；2、区域设置：门点编辑、路段编辑、区域编辑；3、智能设备：门点关联信号机、门点关联诱导屏、区域路口摄像头、区域路口摄像头；4、系统设置：离线路况、流检回传路况、模拟设置、用户管理、系统日志查看、道路参数设置、流量统计下载、退出系统。系统首页如图3所示。
图 SEQ 图 \* ARABIC3反馈门信号控制系统首页
数据层包括4个数据库，即实时交通信息数据库、数据融合反馈数据库、控制策略与诱导信息数据库和系统管理信息数据库，每个数据库的主要功能如下：
实时交通信息数据库通过接受来自地磁检测器、视频检测器、线圈检测器和微波检测器传输的实时数据，存入实时交通信息数据库，供数据融合反馈使用；
数据融合反馈数据库对实时路段流检回传的流量数据进行校正，然后导入核心算法中进行计算STD值，可为信号机信号下发、诱导屏信息下发提供反馈数据；
控制策略与诱导信息数据库可为门控点信号机存储相应调控策略，为诱导屏存储相应分流信息，可供系统实施调控时进行调用。
系统管理信息数据库记录了用户登陆信息、系统日志等系统基础信息，是系统安全运行的基础数据。
以上数据库为反馈门信号控制系统实现在南宁市拥堵区域进行总量控制提供了基础数据，是系统平台安全、快速和正常运行的保障。
2.2 系统主要功能
系统由数据接收与处理、交通仿真、门控策略生成、交通管理策略评价与发布模块组成。
数据接收与处理模块：接收已建成的视频检测系统、电子警察系统、GPS系统、卡口系统等交警支队已建的实时交通流数据和信号配时系统的实时信号配时数据，并对实时交通流数据、信号配时数据进行数据校验和融合，使其格式符合仿真模块的数据需求并进行数据存储，更新仿真中仿真模型的交通流和信号控制数据，为仿真运行准备基础数据。
交通仿真模块：集成交通仿真分析模型对区域信号控制方案进行仿真评估，通过仿真与动态数据的结合实现区域交通信号控制方案评价、反馈门效果分析、诱导效果评价等数据分析功能是一个成熟、可行的解决方案。
门控策略生成模块：通过对路网结构、区域实时通行状况、区域内内以及区域周边的反馈门路口控制方案的模型运算，实现门控制策略自动启动、控制参数计算、控制车辆数计算、控制策略自动关闭等功能，并能将控制需求（主要参数为减少进入核心区的车辆数）生成交通仿真所需的参数和模型，为仿真功能生成反馈门交通控制方案提供数据支撑。
交通管理策略评价模块：实现区域交通动态信号控制方案的综合评估，为控制方案发布提供决策支撑。对各个方案的旅行时间、延误时间、排队长度、平均速度和流量等仿真评价指标进行多角度直观的对比，实现路口、区域交通渠化和信号控制方案、反馈门控制控制策略、交通诱导方案以及绿波带信号控制方案的评价与比选策略。
交通管理策略发布模块：通过调用相应的智能交通子系统接口，实现交通管理策略的自动发布执行，提高区域交通管理控制效率。
3.关键技术
3.1 基于宏观基本图的区域交通总量动态调控技术
交通总量控制是指最大限度地减少交通参与者的数量，缩短交通参与者的运行时间，减少交通参与者所占用的道路面积。该策略可以通过反馈门及利用网络基本图（NFD）限制进入中心城区的流量，防止城市中心区域受到过饱和的不利影响，从而缓解城市交通拥堵。为了限制通过门进入保护区域（通常指在高峰期城市网络中）的流量，保护区域应该被提前设定。通常保护区域都是容易出现拥堵和排队的地方。而反馈门是指在靠近保护区域的一个或多个上游路口为了限流而设置了交通控制的路段。反馈门控制技术原理如图4所示。
图 SEQ 图 \* ARABIC4反馈门原理图
反馈门应用实例如图5所示：红色区域内就是中心城区，也就是保护区域，在保护区域的周边设置了12个反馈门。通过这12个反馈门的信号控制系统来限制进入保护区域的流量，从而达到高峰期平衡中心城区交通总流量的目的。
图 SEQ 图 \* ARABIC5反馈门控制示例图
反馈门的交通信号控制系统根据探测器返回的实时的数据，决定进入保护区域的流量，从而决定了信号配时，为保障区域交通运行提供帮助。
在城市中心区车流总量达到饱和的的情况下，单纯的被动型信号控制无法从根本上改善早晚高峰时的道路拥堵状况，顶多使控制路口的效益最大化.因此，应考虑把交通控制与交通诱导相结合形成一个反馈式系统，在中心区外围进行动态截流，控制进入中心区的车流，防止城市中心区域受到过饱和的不利影响，减轻城市中心区域内的交通压力。
该策略是基于城市中心区域道路网络饱和流量的有效的实时交通控制策略.其目的是为了通过反馈门及利用宏观基本图（MFD）的概念，限制通过“门”进入城区中心区的流量，防止城市中心区域受到过饱和的不利影响，从而缓解城市交通拥堵。
“反馈门”被作为应对饱和或过饱和状态的城市路网的一种控制方式。通过合适的反馈控制策略，可以一定程度地提高饱和交通流的通过效率。
通常城市中心区都是容易出现拥堵和排队的地方.而反馈门是指在靠近城市中心区的一个或多个上游路口为了限流而设置了交通控制设施的路段.
通过对实际区域路网进行仿真建模，利用仿真输出的数据，建立区域道路网络的 MFD.在该基本图中，横轴表示交通网络宏观净流量（Net Volume，NV），即每隔一段时间内在路网中出现过的总交通量；纵轴表示重点区域净车公里数（Selected Travelled Distance，STD），即对每一段时间内通过部分路段的交通量与其所在路段长度的乘积求和。
通过对实际区域路网进行仿真建模，利用仿真输出的数据，建立区域道路网络的MFD，如图6所示。在该基本图中，横轴表示交通网络宏观净流量（NetVolume，NV），即每隔一段时间内在路网中出现过的总交通量；纵轴表示重点区域净车公里数（Selected Travelled Distance，STD），即对每一段时间内通过部分路段的交通量与其所在路段长度的乘积求和。
图 SEQ 图 \* ARABIC6区域路网宏观基本图
图中所示为此试验数据叠加的网络通行能力基本图，图中曲线为拟合的二次方程曲线。从图中可以看出，在仿真初始阶段，由于路段上车辆较少，重点区域净车公里数随网络宏观净流量的增加而逐渐增加；在网络宏观净流量到达
时，重点区域净车公里数到达最大值
，此时区域网络达到饱和状态；之后若横轴继续增加，纵轴数值反而下降，即出现交通拥堵现象。该定量分析表明，当区域内的交通总量接近或达到饱和时，通过区域的交通流量反而呈下降趋势。因此，如果能够将区域内的交通总量控制在饱和区域内，就可以保证区域的交通流通过量最大。
通过对散点图进行MATLAB函数拟合，发现该系列数值点符合二次函数曲线形式。拟合函数如下式，准确度达到0.85以上。
经过数次拟合实验，发现网络通行能力基本图的拟合方程总体如下式。
虽然仿真方法可以简单地获得各个道路的交通信息，但由于经费的有限和人工维护的复杂性，实际在城市中心区内所有的城市道路上布设线圈检测器是不现实的。在关键线路上设置检测器，可以在保证精度的前提下得到效果比较好的MFD（宏观基本图）。那探测器的数量及位置就成为关键。
研究发现路网呈现明显的无标度特征，路口节点和交通流量之间符合幂率分布。这意味着少数节点及路段承担着主要交通运输量，并且当少数关键节点或重要路段发生故障，往往会引起大面积拥堵，甚至可能导致整个路网的崩溃。因此可以将探测器安装在城市中心区域内的关键节点上。目前东葛园湖反馈门区域内流检设备安装点位如图7所示，反馈门信号控制系统共计用到了102个流检。
图 SEQ 图 \* ARABIC7检测器部署图
由于实际条件限制，无法保证区域内所有路段均安装检测器记录交通数据，因此需要采用数理统计方法分析获得无检测器路段的数据，用于下一步的分析。本研究采用多元线性回归算法预测检测器路段的流量。
（1）关键节点上设置的检测器对应流量作为自变量 { X 1 ，X 2 ，X 3 ，…，X i} 。
（2）对应实际无检测器的虚拟检测器流量{ X i+1 ，X i+2 ，X i+3 ，…，X j }作为因变量。
（3）根据实际情况, 认为 { X i+1 , X i+2 , X i+3 ，⋯ , X j}对应检测器检测数据只同其附近区域的实际存在检测器数据密切相关，不考虑过远的检测器。本研究采用元胞自动机中的Moore型邻居理论，选取每个 {X i+1 ，X i+2 ，X i+3 ，…，X j }检测器周围的8个Moore邻居检测器用于多元回归。
（4）采用SPSS软件进行n次多元线性回归，每次 获 得 形 如 X a =β0 +β1 X a1 +β2 X a2 +…β8 X a8 +ε ，
X a ∈ { X i+1 ，X i+2 ，X i+3 ，…，X j }，X am ∈ { X 1 ，X 2 ，X 3 ，
…，X i ，m∈ ( ) 1，2，…，8 } 。
（5） 对 n 次 回 归 获 得 的 的 参 数β0 ，β1 ，β2 ，…，β8 进行总体回归参数的最小二乘估计，获得最优无偏估计量 b 0 ，b 1 ，b 2 ，…，b 8 ，针对式尾的随机扰动，可以采用残差平方和除以其自由度来估计，即
S2是随机扰动项的方差 σ2的无偏估计。
6、建立控制模型
反馈门控制策略是根据前述建立的路网宏观基本图MFD，对路网区域交通运行状态进行总体调控，利用在关键节点路段设置的探测器返回的数据对网络流入量（inflow）、网络车辆总数N（或密度K）和网络流出量（outflow）进行监控，通过区域边界设置的“反馈门”控制网络流入量，将网络车辆总数N（或密度K）维持在其合理可行范围内，以提高或维持网络流量Q。控制逻辑如图8所示。
图 SEQ 图 \* ARABIC8区域控制逻辑
（1）输入 NV(t)'经过叠加反馈信号和系统延误，得到 qin =qg (t-τ) 。
（2） qd 代表未安装检测器路段输入调控区域的车流， qout 代表离开区域的车辆（假设其数值同STD(t) 正相关： qout =η∙STD(t) ），所以区域总量N的微小变动为Ṅ=qin +qd -qout 。
（3）由于区域内存在无检测器道路，所以 NV(t)需要由N转换得出： NV(t)=A∙N(t)+ε1 。
（4）同时根据仿真数据分析，得出STD(t)=f[NV(t)]+ε2 关系式，其中f代表二次函数。
（5）传递函数求解：
3.2 动态交通仿真技术
动态区域交通信号控制需要对区域内及区域周边所有相关交通信息进行整合，数据量十分庞大，关系及其复杂，如何对这些数据进行系统性的挖掘、统计分析，使生成的区域路网控制方案适应交通运行需求，而城市路网是一个有机联系的整体，区域与区域、局部与区域之间的控制方案是有紧密联系的，而这些联系也是十分复杂的，需要一套成熟的交通理论进行深入分析。交通仿真技术在交通数据分析中的应用如图9所示。
图 SEQ 图 \* ARABIC9交通仿真技术在交通数据分析中应用
交通仿真技术通过对人的出行行为，特别是驾驶行为的模拟可以对路网运行状态进行再现，是国际上一套成熟的交通数据挖掘、分析和处理方法，因此在区域交通动态信号控制系统中集成交通仿真分析模型对区域信号控制方案进行仿真评估，通过仿真与动态数据的结合实现区域交通信号控制方案评价、反馈门效果分析、诱导效果评价等数据分析功能是一个成熟、可行的解决方案。
4.应用效果分析
在经过南宁交警支队领导和专家多次开会研讨后，最终选定以“园湖路—星湖路—七星路—新民路—民族大道—新民路—民主路—园湖路—建政路—葛村路—新竹路——园湖路”合围的区域为控制区域，实施反馈门控制策略。
通过2019年12月至2021年3月系统运行情况，门控点控制策略进行机器学习算法训练，自适应调整门控阈值，当出现区域流量超负荷情况时，系统自动启动控制，在1小时内达到区域内流量减少16.8%，速度提升15.2%，拥堵指数下降20%。
