《Buildings》：A Gain-Modulated Max Pressure Control for Port Collection and Distribution Road Networks
Yifei Mao,
Tunan Xu,
Nuojia Pan,
Weijie Chen,
Hang Yang,
Manel Grifoll,
Markos Papageorgiou and
Pengjun Zheng
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摘要：传统最大压力(Max-Pressure, MP)信号控制方法依赖排队长度衡量交叉口各流向的压力差，假设排队长度能反映交通需求且所有车辆对拥堵的贡献均等。然而在港口集疏运通道中，重型货车(Heavy Duty Vehicle, HDV)造成滚动排队(Rol
摘要：传统最大压力(Max-Pressure, MP)信号控制方法依赖排队长度衡量交叉口各流向的压力差，假设排队长度能反映交通需求且所有车辆对拥堵的贡献均等。然而在港口集疏运通道中，重型货车(Heavy Duty Vehicle, HDV)造成滚动排队(Rolling Queue)、空间占用率与物理占位显著不同于小型客车，且MP控制器仅响应已形成的排队差，无法提前感知拥堵萌芽。本文提出一种增益调制最大压力(Gain-Modulated Max-Pressure, Gain-MP)控制框架，通过在压力计算中引入与相位状态和路段空间占用率(Link Spatial Occupancy)相关的动态增益因子γ(l,m)(t)，将链路占用率纳入相位优先级评估。该方法保留了MP的分布式计算结构，同时使控制器能依据瞬时空间拥堵程度动态调整绿灯分配并抑制频繁相位切换。研究人员通过仿真对比经典MP与PCU加权队列MP(PCU-Based Queue-Weighted Max-Pressure, PCU-QMP)，验证了所提方法在含高比例HDV的港口路网中能有效降低平均延误与停车次数，提升对异质交通流与存储空间受限走廊的适应性。
研究背景：传统最大压力(Max-Pressure, MP)信号控制理论假定排队长度可代表交通需求且每辆车对拥堵贡献相同，但在港口通道中重型货车(Heavy Duty Vehicle, HDV)占比高，其不完全停车的"滚动队列"及更大空间占用使单纯排队计数低估真实拥堵压力，且MP对下游也拥堵时压力归零从而无法及时疏解。此外经典MP易产生频繁相位切换造成绿灯损失。PCU加权队列MP(PCU-Based Queue-Weighted Max-Pressure, PCU-QMP)虽按车型缩放队列但未考虑行驶中车辆及动态空间占用，固定PCU值亦无法反映短时变化。因此有必要发展一种能融合空间占用率(Link Occupancy)信息、对相位持有时长和即时拥堵敏感的自适应信号控制方法。
主要关键技术方法：研究人员以典型港口集散交叉口及 corridor 为对象建立交通仿真环境，对比三种控制策略——经典Max-Pressure (MP)、PCU加权队列MP (PCU-QMP)及本文提出的Gain-MP。关键技术包括：(1)定义路段流入向(l,m)在时刻t的空间占用率O(l,m)(t)=Σn∈N(l,m)(t)L(l,m)n(t)/Ll，并按阈值τ=(0.2, 0.4, 0.5)离散化为四级；(2)设计动态增益因子γ(l,m)(t)，其值取决于当前相位是否持有通行权(Green Held)及对应占用等级lev(O(l,m)(t))∈{1,2,3,4}，对已获绿灯且高占用的流向放大权重以减少切换、强化紧迫流向优先级；(3)修正移动权重w(l,m)(t)=γ(l,m)(t)·[x(l,m)(t)?Σk∈Omx(m,k)(t)·r(m,k)(t)]+，其中[·]+为非负截断算子防止负压力引发无效相位激活；(4)相位压力Pn(t)=maxφ∈Φnw(l,m)(t)及相位选择遵循标准MP分散式求解架构。
研究结果：
3.1 Classical Max-Pressure Control (MP)：回顾经典MP公式——相位n在时刻t的压力定义为Pn(t)=maxφ∈Φn{q(l,m)(t)?Σk∈Omq(m,k)(t)·β(m,k)(t)}，其中q为停止车辆数，Φn为相位n允许流向集。指出其在港口环境下因忽略HDV空间效应与滚动队列而响应迟滞，且背压结构致上下游均堵时压差为零无法触发放行。
3.2 PCU-Based Queue-Weighted Max-Pressure Control (PCU-QMP)：将各流向排队按车型乘以PCU值加权，w(l,m)(t)=Σi∈V(x(l,m)i(t)?Σk∈Omx(m,k)i(t)·r(m,k)(t))·PCUi。虽部分弥补异质车型影响，但仍依赖静态排队长度、忽略运动车辆与瞬时空间占用，在动态存储受限corridor表现受限。
3.3 Gain-Modulated Max-Pressure Control (Gain-MP) Framework：提出改进权重公式w(l,m)(t)=γ(l,m)(t)·[x(l,m)(t)?Σk∈Omx(m,k)(t)·r(m,k)(t)]+，γ(l,m)(t)为相位状态与占用率双因子动态增益。设计动机有二：一是非周期MP虽高效但频换相造成绿损，对已持绿且高占用的相位增大γ可稳定选择减少切换；二是背压下高压差被抑制时，随占用率升高增大γ可使趋饱和流向获更高优先级。链路占用率O(l,m)(t)定义为流入向上所有车辆总长之和与进口道存储长度之比，并离散化为四级（阈值τ=(0.2, 0.4, 0.5)）。增益查表映射占用等级与相位状态，实现较早拥堵感知与相位稳定性兼顾。
讨论与结论：研究人员通过微观交通仿真对比表明，在HDV高比例的港口交叉口及access corridor中，经典MP因低估HDV拥堵导致延误增加与切换频繁；PCU-QMP改善车型异质性但未解决空间占用缺失问题；Gain-MP通过引入占用率依赖的动态增益，既提前识别拥堵形成趋势又减少不必要相位变更，在平均车辆延误(Average Delay)、停车次数(Number of Stops)及队列消散时间上均优于MP与PCU-QMP。结论为：将链路空间占用率与动态相位增益融入Max-Pressure框架可有效克服传统MP在异质、存储受限港口交通环境中的局限，为港口及类似高HDV占比城市干道的智能信号控制提供理论依据与实践参考。本研究发表于《Buildings》。
