城市道路單交叉口交通信號(hào)控制方法研究

摘 要：針對(duì)目前城市擁堵的問題，提出道路交叉口的信號(hào)控制是導(dǎo)致?lián)矶碌淖钪饕蛩刂?。根?jù)交叉口的交通流特性，以安徽省合肥市高新區(qū)黃山路-天智路交叉口東進(jìn)口為研究對(duì)象，通過用無(wú)線地磁采集到的車流量（周期內(nèi)）、綠燈時(shí)間、周期等數(shù)據(jù)，由飽和度、通行能力及交通量的關(guān)系式推導(dǎo)出飽和度和綠燈時(shí)間及一次綠燈時(shí)間內(nèi)的車流量的關(guān)系式，從而確立出飽和度，并根據(jù)飽和度和流量的關(guān)系，確定不同信號(hào)控制方式飽和度的臨界點(diǎn)，并通過延誤評(píng)價(jià)的方式進(jìn)行論證，結(jié)合三種控制方式的綜合應(yīng)用，優(yōu)化交叉口控制方式，使總延誤達(dá)到最低。

關(guān)鍵詞：信號(hào)控制；信號(hào)控制模型；無(wú)線地磁；延誤評(píng)價(jià)

近年來，隨著城市化建設(shè)步伐的加快，交通擁堵問題成為困擾人們出行的一個(gè)大難題，各大城市的主要干道交通流已趨于飽和狀態(tài)，因此必須采用有效的控制手段來提高道路交通通行能力，重點(diǎn)應(yīng)集中在道路交叉口的信號(hào)控制優(yōu)化上面。本文通過對(duì)合肥市黃山路與天智路交叉口的參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查分析，建立適合不同交通狀態(tài)情況的相應(yīng)模型，以飽和度的變化作為模型建立的依據(jù)，確立不同模型飽和度的分界點(diǎn)，并通過對(duì)各模型延誤的計(jì)算，最終確立飽和度大小決定信號(hào)控制方式，方能緩解道路交叉口的交通壓力。

1 交叉口信號(hào)控制方法概述

目前采用的信號(hào)控制主要有定時(shí)控制、感應(yīng)控制與自適應(yīng)控制。定時(shí)控制也叫定周期控制，主要根據(jù)交叉路口歷史交通量數(shù)據(jù)預(yù)先確定配時(shí)方案；感應(yīng)控制主要根據(jù)路口的交通量的變動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，沒有固定的周期和綠信比；自適應(yīng)控制又稱為優(yōu)化控制?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)檢測(cè)器送來的交通量信息，實(shí)時(shí)產(chǎn)生出對(duì)某種性能指標(biāo)來說是最佳的配時(shí)方案，自動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)（周期、綠信比和相位差等）。進(jìn)行這種控制方式的交通信號(hào)機(jī)將檢測(cè)到的交通數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地通過通信網(wǎng)絡(luò)傳至上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)路網(wǎng)上交通量的變化情況，不斷調(diào)整配時(shí)方案以達(dá)到最優(yōu)控制。通過這種控制方式，上位機(jī)同時(shí)控制城市中某個(gè)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)路口的信號(hào)機(jī)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域中交叉口交通信號(hào)之間的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，從而提高路網(wǎng)的運(yùn)行效率。

國(guó)外曾經(jīng)對(duì)定時(shí)信號(hào)控制、感應(yīng)信號(hào)控制及自適應(yīng)信號(hào)控制三類控制方式的控制效果進(jìn)行過定性的對(duì)比研究，研究結(jié)果如圖1.1所示[1]。從圖1.1可以看出：感應(yīng)信號(hào)控制在交通量比較小的情況下，控制效果最好；從整體上看，自適應(yīng)信號(hào)控制的控制效果是最佳的；但隨著交通量的逐漸增大，達(dá)到或超過信號(hào)交叉口的通行能力時(shí)，采用定時(shí)信號(hào)控制更為有效。

本文的模型建立主要是針對(duì)不同的參數(shù)條件，結(jié)合這三種控制方式建立模型，并對(duì)各種方式下的模型進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià)。

2 數(shù)據(jù)調(diào)查

對(duì)調(diào)查樣本的數(shù)據(jù)采集，主要是利用無(wú)線地磁檢測(cè)器，即有車輛經(jīng)過時(shí)，發(fā)生金屬切割磁感應(yīng)線效應(yīng)，導(dǎo)致磁通量發(fā)生變化，既判斷有車輛通過，埋于地下的檢測(cè)器檢測(cè)到該車道車輛通過的編碼信號(hào)后，以無(wú)線方式發(fā)射到路旁的接收機(jī)，接收機(jī)會(huì)分辨出哪個(gè)車道有車通過。

通過無(wú)線地磁檢測(cè)器能夠檢測(cè)到的數(shù)據(jù)主要有：日期、時(shí)間、AP的ID號(hào)、車道編號(hào)、占有率、車輛數(shù)、中值車速、平均車速及未回報(bào)的傳感器數(shù)目（中值車速指的是在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，50%的車速高于此速度，50%的車速低于此速度）。

本文采集的數(shù)據(jù)主要包括合肥市高新區(qū)黃山路-天智路交叉口某工作日上午7：30-11：30的燈組號(hào)、方向、流量、綠燈時(shí)間和信號(hào)周期。

3 數(shù)據(jù)分析與處理

交叉口的總飽和度是指飽和程度最高的相位所達(dá)到的飽和度值，而并非各相位飽和度之和，用x表示。x的計(jì)算表達(dá)式為：

式中：x-相位飽和度；

N-車道通行能力；

Q-車道實(shí)際流量折算值，單位為pcu/h；

q-一次相位綠燈時(shí)間內(nèi)的最大車道流量值；

S-車道飽和流量值，指在一次連續(xù)綠燈時(shí)內(nèi)，交叉口進(jìn)口道上連續(xù)車隊(duì)能夠通過進(jìn)口道停車線換算為小客車的最多車輛數(shù)，單位pcu/h。

C-周期時(shí)長(zhǎng)（s）；

g-相位綠燈時(shí)間（s）。

上式中可變參數(shù)為q，g與x，S的值可根據(jù)車道寬度來計(jì)算。國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者在北京進(jìn)行了交通觀測(cè)，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果歸納了計(jì)算直行車道飽和流量公式，即 （b為車道寬度，單位m），左轉(zhuǎn)車道飽和流量比直行車道飽和流量小1%-2%。

本文研究以黃山路-天智路交叉口東進(jìn)口直行車道為例，檢驗(yàn)起參數(shù)變化的情況。該交叉口在高峰時(shí)間（上午7：30-9：30，下午5：30-7：30）段采用的是定周期控制，周期為120s，其余時(shí)間采用的是感應(yīng)控制。該交叉口東進(jìn)口直行車道寬度為3.75m，而左轉(zhuǎn)車道寬度為3.25m；計(jì)算所得直行車道S=1514pcu/h，左轉(zhuǎn)車道S=1452pcu/h*（1-2%）=1423pcu/h。

計(jì)算所得的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表3.1所示；

4 模型建立

通過上節(jié)計(jì)算的飽和度數(shù)值與流量q建立模型，可得到下圖4.1；

由上圖飽和度-流量散點(diǎn)圖可知，流量是隨飽和度增加而增長(zhǎng)的，當(dāng)飽和度大于一定數(shù)值時(shí)，導(dǎo)致道路擁堵，流量不會(huì)增長(zhǎng)；由圖4-1增長(zhǎng)趨勢(shì)可回歸模型q=20.542x4-66.685x3+73.091x2+22.352x+0.8578；對(duì)q二階求導(dǎo)，令q”=0，可得x1=0.6，x2=1.0；由此可得出兩拐點(diǎn)分別為（0.6，28.8）（1.0，50.2），拐點(diǎn)即曲線凸凹性發(fā)生變化的點(diǎn)，由此來判別信號(hào)燈控制方式的轉(zhuǎn)換。

引用第一節(jié)的控制方法變換，定義（0，0.6）為感應(yīng)控制區(qū)間，[0.6，1]為自適應(yīng)控制區(qū)間，大于1的為定時(shí)控制區(qū)間。x∈（0，0.6）時(shí)，采用感應(yīng)控制，根據(jù)實(shí)際交通量的變化實(shí)時(shí)調(diào)整信號(hào)周期以及綠信比；當(dāng)x∈[0.6，1]時(shí)，采用自適應(yīng)控制的方式，系統(tǒng)根據(jù)無(wú)線地磁檢測(cè)器傳來的實(shí)時(shí)交通量數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)產(chǎn)生出對(duì)于對(duì)應(yīng)飽和度最佳的配時(shí)方案，從而自動(dòng)調(diào)節(jié)周期、綠信比及相位差。x大于1時(shí)，采用定周期控制，在交通量比較穩(wěn)定時(shí)，可執(zhí)行單段式定時(shí)控制，當(dāng)交通量在一天不同時(shí)段變化較大時(shí)，亦可采用多時(shí)段定時(shí)控制，即根據(jù)不同時(shí)段的交通量執(zhí)行不同的配時(shí)方案。

綠燈時(shí)間和流量滿足如下的關(guān)系式：

對(duì)于東進(jìn)口的直行車道而言：

由上式可得知，當(dāng)流量一定時(shí)，綠燈時(shí)間和飽和度是成反比的；當(dāng)飽和度一定時(shí)，綠燈時(shí)間和流量成正比，同樣，當(dāng)綠燈時(shí)間值一定時(shí)，飽和度和流量成正比。

在感應(yīng)控制范圍內(nèi)，x<0.6，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，可得到在感應(yīng)控制條件下，流量和飽和度滿足如下圖4.2所示的曲線；

根據(jù)圖中所示的散點(diǎn)類型，可擬合出在感應(yīng)控制范圍內(nèi)流量和飽和度的一個(gè)關(guān)系式：q=2.1106e5.0779x，由此可知，在感應(yīng)區(qū)間內(nèi)，飽和度越接近0.6，越能有效地體現(xiàn)交叉口感應(yīng)控制的優(yōu)越性。

而在自適應(yīng)控制條件下，0.6

由上圖4.3，自適應(yīng)控制條件下飽和度和流量滿足以下關(guān)系式：y=53.449ln（x）+58.476；滿足上凸型曲線增長(zhǎng)模式。

5 模型評(píng)價(jià)

對(duì)信號(hào)交叉口運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，延誤作為一項(xiàng)重要的指標(biāo)，在各種評(píng)價(jià)體系中占據(jù)著重要的地位。美國(guó)《道路通行能力手冊(cè)》單一以平均停車延誤作為服務(wù)水平分級(jí)的依據(jù)。他們認(rèn)為諸因素對(duì)信號(hào)交叉口服務(wù)水平的影響程度，均可反映在延誤的大小上，如飽和度、速度比、紅燈平均阻車長(zhǎng)度、交叉口條件（特別是進(jìn)口道類型）、管理水平（特別是信號(hào)控制條件）、停車次數(shù)等，同時(shí)延誤也是造成額外燃料消耗和空氣污染的主要原因。鑒于延誤評(píng)價(jià)的以上作用，本文亦選取延誤作為交叉口信號(hào)控制方式效益的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

飽和度的大小決定了交通延誤模型的選取，上節(jié)根據(jù)飽和度的區(qū)間調(diào)整交叉口信號(hào)控制方式，下面將分別介紹每種控制方式下的停車延誤。

根據(jù)上面對(duì)三種控制方式模型的分析，結(jié)合黃山路-天智路地磁檢測(cè)的實(shí)際數(shù)據(jù)，可得出三種控制方式下分別的延誤值，如下表5.1所示：

上表以折線圖的形式表示為圖5.5；

由上面的分析可以得出，在飽和度較小的情況下，用感應(yīng)控制的效果比較好，延誤能降到最低，當(dāng)飽和度增加到一定程度時(shí)，改用自適應(yīng)控制，而當(dāng)飽和度比較大的時(shí)候，用定時(shí)控制，這樣道路資源可以得到合理化應(yīng)用，延誤值降低，可以達(dá)到緩解道路交叉口擁堵的目的。

6 結(jié)語(yǔ)

目前對(duì)城市道路交叉口交通信號(hào)控制研究的比較多，但研究的種類比較單一，多種控制方式協(xié)調(diào)控制沒有一定的理論依據(jù)，不能完全使道路資源得以合理利用，單一的控制效果往往會(huì)事倍功半，本文提供交叉口多種控制方式相結(jié)合臨界點(diǎn)的劃分依據(jù)，并且根據(jù)不同的控制方式，提出延誤計(jì)算的方法，并且對(duì)各種控制方式不同飽和度條件下的延誤進(jìn)行比較，從而確立三種控制方式選取的界限，為現(xiàn)實(shí)道路交叉口控制方式的選取提供了一定的依據(jù)。但鑒于本文所選路段的局限性，選取直行段為研究對(duì)象，對(duì)于其余類型的路段，控制方式臨界點(diǎn)的選取，還有待進(jìn)一步的研究。

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