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特集論

分散型交通信号制御システム

文Distributed Traffic Signal Control System竹

内久治

佐竹

徳己井手

幹生

穂坂重孝

安全かつ円滑な交通の確保は，都市機能に必要不可欠な要素であり，運転者や環境にとって優しいという観点からもその重要性はますます高まっている．現行の交通信号制御は，管制センタで対象エリア全体の制御を行う集中制御方式
であるが，システムが大規模になるにしたがい，その改良や維持に多くの時間と費用が伴うようになってきている．近年，生物の進化をモデルとした分散知能の研究が進み，様々な分野で自律分散システムが実用化されつつある．本報では，これら分散知能の考えに基づいて開発した，新しい分散型交通信号制御システムについて報告する．

1．はじめ

交差点は図１の現示１と現示２から成る２現示表示であにり，右折交通量が多い場合には現示３の右折現示が追加さ信号機によって交通流を制御する交通信号制御は，交通管れる．サイクルが短すぎれば全赤時間や発進遅れに伴う損制システムの根幹を成すシステムである．現行の交通信号制

失が増すため渋滞の原因となり，逆に長すぎれば無駄な青御は、管制センタで対象エリア全体の制御を行う集中制御方時間が増えることになる．

式であるが，扱う交差点数が増大するにつれ，その改良や維持に多くの時間と費用が伴うようになっている．近年，生物の進化をモデルとした分散知能の研究が進み，ロボットやエレベータ等の最適制御に，単なる集中処理の分割化にとどま（2）スプリット
１サイクルの時間のうち，各現示に割り当てられる時間配分をスプリットと呼び，秒または％で表す．
（3）オフセットらない，新しい自律分散システムが実用化されつつある．当路線を走行する車両が，信号で停止することなく各交差社では，これらの考えを基にして、分散知能を有する分散型点をスムーズに通過できるよう隣接する交差点の青信号開

交通信号制御の研究に取り組んできた．

始時間に差を設ける（図２）．この時間差をオフセットと本報では，その概要及びシミュレーションによる評価結果

前述のとおり，現行の交通信号制御は集中制御の形態を取

2．現状の交通信号制御方式

り，その制御方法はパターン選択制御が基本となっている．

本項ではまず，交通信号制御のパラメータを解説した上で，現状の集中型制御の方式と課題について述べる．
2．1

呼び，秒または１サイクルの時間に対する％で表す．
2．2 現状の制御方式と課題を報告する．

パターン選択制御は，交通量調査に基づいてあらかじめ幾つかのパラメータパターンを作成しておき，運用時の交通需要制御パラメータに応じて，該当するパターンを選んで実行する方法である．

（1）サイクル

このパターン選択制御には以下の課題が指摘されている．

信号現示が一巡する時間をサイクルと呼び，その長さを（1）想定外の交通状況に対して対応できない．

秒で表す．現示とは，ある交通流または交通流の組合わせ（2）パラメータパターンの作成には多くの労力と専門的な知に対して通行権を与える表示時間をいう．一般的な十字路識が必要である．近年では徐々にオンライン処理が実用化
サイクル
交差点 1
（主道路方向）交差点 2（主道路方向）
現示 1

現示 2

図１

現示

現示 3

G

R

YGRYR

オフセット

図２

制御パラメータ三菱重工技報 Vol.40 No.3（2003_5）

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され始めているが，十分に行き渡ってはいない．

なサイクル及びスプリットを生成し，それを隣接交差点と（3）制御の実行は，あらかじめ分割したサブエリア単位で交換することが目的である．一交差点での遅れ時間を最小行い，その中の交差点はすべて共通のサイクルで動作さとするサイクル長は，以下の Webster の近似式で求められせるが，共通サイクルはサブエリア内の重要交差点の負荷る．

率から求め，オフセットは上り下りの交通量比から決定するというように，統一的な制御指標に基づいたパラメータ算出やサブエリア分割が行われていない．制御指標の１つ

1.5 L＋ 5.0
1−λ

Copt＝

ここで，Copt：遅れ時間を最小とするサイクル長として遅れ時間が有効とされているが，サブエリア全体のパラメータを遅れ時間の関数として求める解法がなく，まL：損失時間（黄時間＋全赤時間）た遅れ時間自体も直接計測することが困難なため，現状でλ：交差点負荷率（流入流率／飽和交通流率）は異なった指標に基づく制御方法となっている．
また，集中制御方式では，交通信号制御に限らず，システム本ルールではこの式を基に必要サイクル長を算出し，各現示の負荷比でスプリットを決定する．

が大規模になるにしたがって一般的に以下の問題がある．

なお，流入流率は，制御機間の通信をいかし，上流交差（4）システムの肥大化に伴いその複雑度は増大し，改良や拡点で計測する流出予測交通流率を用いることで，交通流の張，保守が困難かつ高価となる．

変動に対し予測的な制御を行うようにしている．

（5）集中制御の対象が広がるにつれ，一つ一つの対象に応じたきめ細かな制御ができなくなる．このため変動や外乱に対する応答性の向上が難しい．

（2）ルール２
ルール２は隣接交差点との協調動作を定義する．各制御機は，ルール１で算出した，自身の必要サイクル長／スプ（6）集中制御では，各対象と１対１に接続する通信形態を採リットで実行すべきか，それとも隣接交差点のいずれかにることが多く，通信や保守にかかる費用が高価である．

サイクル長を合わせて実行すべきか，それぞれのケースでこれらの課題に対する取組みの一つとして分散制御方式が考予想遅れ時間を比較し，その値が最も小さくなるケースをえられており，実用化の検討が行われている．

選定する．
一交差点での遅れ時間は，交通流を時間平均量で扱えば3．分散制御方式のコンセプト

簡略的に図３のとおり表すことができる．このルール２の近年，分散知能化技術が目覚しい進展を遂げており，生物段階では，交通の流れを把握し制御目標を求めることが目の進化をモデルとした自律分散システムの研究が活発に行わ的であるため，この簡略式に基づいて遅れ時間を評価してれている．

いる．

これらの研究は例えば，隣接交差点にサイクル長を合わせず自身の必要サイクル

b単純な知能しか持たない蟻が，餌を見つけると一列になって巣に運ぶ仕組み．

長／スプリットで実行するとすれば，各交差点で図３の遅れ時間が生じる．

b多数の蜂が，1 個の巣を協調して作る仕組み．

隣接交差点にサイクル長を合わせたとすれば，オフセッというような，個々には比較的単純な個体が，その相互作用トを取ることにより遅れ時間を削減できる．図４に示すよによって一つ一つの集積以上の能力を発揮できている仕組み

うに，交差点 A から B 方向への平均流入量を avgMab，交に着目したもので，ロボットの群制御やエレベータの最適運差点 B から A 方向へのそれを avgMba とし，大きい流量の転などに実際に適用されつつある．

方向に優先オフセットを与えるとすると，サイクル長を合

これらの分散知能を交通信号制御に適用する際の考え方
は，各交差点の分散知能化によりわせた交差点 A 及び B で生じる遅れ時間は，それぞれが自身の交差点の交通信号制御を行いながら，相互の情報交換により，系全体として制御指標を最適とする制御を行う積算台数ことである．これを実現するための具体的な作業は，各個体すなわち各交差点が実行する，簡潔で精緻な共通の制御ルールを定義することであり，そのルールに相互の協調関係を適切に記述するこ交差点に流入する交通量avgM

流出カーブ
傾き：飽和交通流率 satMとである．
今回開発した分散制御アルゴリズムは 4 つの基本ルールから成り，制御指標は遅れ時間の最小化としている．以下これらのルールについて解説する．

時刻RedCycle

4．分散制御方式の分散知能（制御ルール）
4．1

基本ルール

（1）ルール１
このルールは，それぞれの制御機が自身の交差点で必要

Green

1 サイクル当たりの遅れ時間（斜線部）＝

図３

1× Red × avgM
2

遅れ時間の簡略算出法
三菱重工技報 Vol.40 No.3（2003_5）

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交差点 A

へパラメータを自動調整していく．

交差点 B

4．2 分散制御の動作
平均流量avgM ab

平均流量avgM ba以上の基本ルールにより，各制御機は遅れ時間（厳密には遅れ時間の予測値）最小化という指標ですべてのパラメータを算出し，その結果，系全体が交通流に応じて自然発生的に共通サイクルエリアを分割・形成するように動く．

流入量の多い方向にオフセットを取った場合その方向の遅れ時間を削減できる．

図４

このような，分散化したレベルでの遅れ時間最小化が，系全体のレベルとしても最適であるかということは証明できな

遅れ時間の簡略算出法（２交差点間）

い．しかしながら，系全体を一括して最適化計算する手法は，最適点が極値に落ち込んだり解空間上を次々に移動するなど

遅れ時間 ＝

1×red×（avg M ab＋avg M ba）
2
1＋ ×red×MIN（avg M ab，avg M ba）
2となる．ここで red は赤時間を示す．の問題があって非常に困難かつ不安定であり，そのために論理的に根拠のないサブエリアや重要交差点を用いるよりは，各々の交差点での遅れ時間最小化を結合させる本手法の方が，少なくとも簡潔で安定性・統一性に優れていると考えられる．

一方，ある隣接に合わせてサイクル長を大きくすれば，赤時間も長くなるためその他の隣接交差点との間での遅れ5．シミュレーション評価時間が増加することになる．サイクル長の異なる交差点 C

5．1 シミュレーション条件との間の遅れ時間は，開発した分散制御アルゴリズムの評価として，図５に示す

遅れ時間 ＝

1×（red A＋red C）
×（avg Mca＋avg Mac）
2となり，redA が長くなる分，遅れ時間が増える．

11 交差点でのシミュレーションを実施した．シミュレーションコードは，東大生産技術研究所が中心となって開発された AVENUE を用いた．

すべての隣接交差点との間で，上記方法により予想遅れ

図６は本シミュレーションにおける交通量変化を，おおよ時間を計算し，最終的にその値が最も小さくなるサイクルその交差点負荷率で表したものである．シミュレーション時

長／スプリットを選定する．

間は２時間 10 分で，負荷率が 90 ％を越える時間帯がある．

（3）ルール３

5．2 シミュレーション結果

ルール３はオフセットの算出である．ルール２で決定し

図７に総遅れ時間結果を示す．グラフは，５分ごとに各路たサイクル長と同じ値を持つ隣接交差点との間で，最適な線で発生した遅れ時間を積算したものであり，グラフの高さオフセット秒数を探索する．サイクル長／スプリットが決が系全体の総遅れ時間を表す．左側のグラフは，一定サイク定した２交差点間での最適オフセットの算出は容易であル長（120 秒）同時オフセットの実行結果であるが，これにる．

比して分散制御では総遅れ時間の合計値で約 56 ％の削減とここまでのルール１〜３で算出したパラメータを制御目なった．

標とする．これらのルールは，一定周期（３〜６秒）で繰

図８は，ある交差点のサイクル／スプリットの実行結果でり返し実行しており，常に系全体の状態を遅れ時間最小化あるが，交通量の変化に応じてパラメータが生成されているの方向へ向かわせている．

様子が分かる．なお，サイクルは初期値 120 秒，上限 150 秒（4）ルール４で実行している．

ルール４は制御目標に合わせ制御を行う実行部である．

本シミュレーションに当たっては，オフラインでの調整は目標到達後は，その交差点で計測可能な項目（待ち行列長一切無く，また交差点出口の超音波感知器を使いルール１〜や走行速度等）に基づき，遅れ時間がより小さくなる方向３で得られた制御目標のみで実行させている．ルール４のリK

図５

シミュレーション構成

8：50

8：40

8：30

8：20

8：10

8：00

H
飽和度

G300 m

J

F
110 m

I

E300 m

D200 m

C170 m

B300 mA

1.00.90.80.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0

7：50

400 m

7：40

280 m

7：30

150 m

7：20

390 m

7：10

255 m

7：00

450 m

6：50

200 m 140 m

200 m

580 m

時 刻

図６

交差点飽和度

三菱重工技報 Vol.40 No.3（2003_5）

30
20
10050
40
30
20
10
0

6：50
7：00
7：10
7：20
7：30
7：40
7：50
8：00
8：10
8：20
8：30
8：40
8：50
9：00

総遅れ（台時）

40

6：50
7：00
7：10
7：20
7：30
7：40
7：50
8：00
8：10
8：20
8：30
8：40
8：50
9：00

総遅れ（台時）50：交差点E←→K：交差点C←→I：交差点C→A：交差点E→C：交差点H→E：交差点C･E右折：交差点E→H：交差点C→E：交差点A→C

Sample（一定パタン制御）
総遅れ時間

図７

サイクル長／スプリット（s）

17770
60

7060

160
140
1201008060
40200

分散制御アルゴリズム総遅れ時間

シミュレーション結果

交差点 C：スプリット（主方向青時間）：サイクル長図８5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
実行サイクル回数

サイクル／スプリット実行結果

管制センター
集中制御
中央装置

ルータ

分散制御中央装置（制御の主体でないためパソコンレベルで可）・手動介入
・渋滞時の強制制御
・制御結果管理

分散信号
制御ルール

分散信号
制御ルール
分散制御部

U 形制御機

分散信号
制御ルール

分散制御部

分散制御部

U 形制御機

U 形制御機

分散信号
制御ルール

分散信号
制御ルール

分散信号
制御ルール

分散制御部

分散制御部

分散制御部

U 形制御機

U 形制御機

U 形制御機

図９

分散制御システムの構成

アルタイム調整を組み入れれば，さらに遅れ時間は改善でき続するだけで，そのまま全体として作用する．これにより，ると考えられる．

複雑かつ高価なパラメータの設計・保守作業を大幅に省くこ

6．分散制御システムの構成
図９に分散型交通信号制御システムの構成を示す．各交差とが可能である．さらに，分散型交通信号制御では，通信費用の削減ばかりでなく，装置故障に対するリスク分散という観点からも優れている．

点は LAN 型の伝送方式を使って隣接の交差点と相互に接続

これからの交通信号制御は，欧米を始めとして分散制御のする．分散制御は，中央からの指令どおりに動く現行の制御実用化が加速すると考えられる．今後は，さらに研究を続け，機に，分散制御ユニットを付加するだけで実現可能とする．

実フィールドへの適用を進めていく予定である．

制御機にとっては，パラメータの生成機能が個々に分割して配置されたに過ぎず，現行の制御機が持つ信頼性・安全性を継承することができる．
このような分散制御では，管理・監視を行う中央装置も小規模化できる．小さなエリアでは，図示したようなパソコン

竹内久治

佐竹徳己

神戸造船所
ITS 部
ITS 設計課

神戸造船所
ITS 部
ITS 営業課

井手幹生

穂坂重孝

技術本部
高砂研究所
神戸技術開発・研究推進グループ主幹

技術本部
高砂研究所
神戸技術開発・研究推進グループ主席

クラスでの管制も可能となる．

7．まとめ

分散知能を適用した分散型交通信号制御では，実際の交通流に自然発生的に適応する自動制御が可能である．また，システムを拡張する際には，同じ制御ルールを持つ制御機を接三菱重工技報 Vol.40 No.3（2003_5）