基于全感應(yīng)控制的交叉口信號(hào)控制方法與模型

林曉輝

基于全感應(yīng)控制的交叉口信號(hào)控制方法與模型

林曉輝

（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，廣東廣州 510650）

全感應(yīng)控制方法是一種適合交叉口交通量隨機(jī)變化比較大的交通信號(hào)控制方法。為了驗(yàn)證該方法的有效性，文章以單個(gè)交叉口為研究對(duì)象，運(yùn)用Vissim交通仿真軟件進(jìn)行建模，并分析比較在不同時(shí)段下，實(shí)施全感應(yīng)控制與定時(shí)控制方式后的各項(xiàng)交通信號(hào)控制性能指標(biāo)。仿真結(jié)果表明，與定時(shí)控制相比，全感應(yīng)控制在不同時(shí)段下的各項(xiàng)交通信號(hào)控制性能指標(biāo)均有所改善：高峰時(shí)段，全感應(yīng)控制的平均行程時(shí)間改善了4.26%，平均延誤時(shí)間改善了15.6%，平均停車(chē)次數(shù)改善了1.3%，平均排隊(duì)長(zhǎng)度改善了17.4%。

交叉口；信號(hào)控制；Vissim交通仿真；全感應(yīng)控制；定時(shí)控制

1　概述

交叉口是城市道路系統(tǒng)的重要組成部分，各方向交通流在此匯合，其交通運(yùn)行效率好壞直接影響城市道路交通是否順暢。提高交叉口的交通運(yùn)行效率，首要任務(wù)是選擇合適的交通信號(hào)控制方法。目前交叉口的交通信號(hào)控制方法有定時(shí)控制、感應(yīng)控制、自適應(yīng)控制等［1］。其中，定時(shí)控制方法最為普遍，某些大城市的一些路口也開(kāi)始采用感應(yīng)控制方法或自適應(yīng)控制方法。對(duì)于感應(yīng)控制，又分為半感應(yīng)控制和全感應(yīng)控制［2-4］。一般來(lái)說(shuō)，半感應(yīng)控制較為簡(jiǎn)單，全感應(yīng)控制較為復(fù)雜，為了驗(yàn)證全感應(yīng)控制的效果，本文以虎門(mén)大道連升路交叉口為例［5］，利用Vissim交通仿真軟件進(jìn)行建模，并分析比較在不同時(shí)段下，實(shí)施全感應(yīng)控制與定時(shí)控制方式后的各項(xiàng)交通信號(hào)控制性能指標(biāo)。

2　信號(hào)控制方法分析

2.1定時(shí)控制簡(jiǎn)析

定時(shí)控制方法是一種適應(yīng)于交叉口交通流量比較穩(wěn)定的交通信號(hào)控制方法。該方法通常采用Webster配時(shí)方法得出最佳信號(hào)周期，然后根據(jù)各相位關(guān)鍵車(chē)流流量比對(duì)周期進(jìn)行劃分。Webster最佳信號(hào)周期C0計(jì)算公式如下：式中：tL為各相位總損失時(shí)間；Y為各相位關(guān)鍵車(chē)流總流量比。

2.2全感應(yīng)控制

2.2.1基本原理

全感應(yīng)控制是指在交叉口各進(jìn)口車(chē)道上都埋設(shè)感應(yīng)線圈，各進(jìn)口車(chē)流的通行權(quán)和綠燈時(shí)間由感應(yīng)線圈是否檢測(cè)到車(chē)輛到達(dá)而決定的一種交通信號(hào)控制方法。它一般適用于進(jìn)口交通量隨機(jī)變化比較大的交叉口。全感應(yīng)控制中所有感應(yīng)信號(hào)相位均設(shè)有最短綠燈時(shí)間、單位延長(zhǎng)時(shí)間、最大綠燈時(shí)間等信號(hào)控制參數(shù)，其控制流程如圖1所示。

圖1 全感應(yīng)式控制流程圖

2.2.2控制參數(shù)

在全感應(yīng)控制中，其配時(shí)參數(shù)有：最短綠燈時(shí)間、單位延續(xù)綠燈時(shí)間和最大綠燈時(shí)間，它們之間的關(guān)系如圖2所示。每個(gè)感應(yīng)信號(hào)相位均設(shè)置一個(gè)最短綠燈時(shí)長(zhǎng)（Gmin），即欠飽和狀態(tài)下，遇紅燈的車(chē)隊(duì)排隊(duì)消散時(shí)間。Gmin結(jié)束時(shí)，在設(shè)定的時(shí)間間隔內(nèi)，如果感應(yīng)線圈沒(méi)有檢測(cè)到來(lái)車(chē)，則切換到其它感應(yīng)信號(hào)相位；如果感應(yīng)線圈檢測(cè)到有車(chē)輛到達(dá)，則延長(zhǎng)單位延續(xù)綠燈時(shí)間（G0），如果沒(méi)有車(chē)輛到達(dá)，則切換到其他感應(yīng)信號(hào)相位，如果繼續(xù)有車(chē)輛達(dá)到，則該感應(yīng)信號(hào)相位繼續(xù)獲得通行權(quán)，直到該感應(yīng)信號(hào)相位放行時(shí)間達(dá)到最大綠燈時(shí)間（Gmax），此時(shí)，即使仍然有車(chē)輛到達(dá)，也要切換到其他感應(yīng)信號(hào)相位。所以，實(shí)際綠燈時(shí)間G應(yīng)該滿(mǎn)足以下條件：Gmin≤G≤Gmax。

圖2　感應(yīng)控制主要參數(shù)關(guān)系圖

（1）最短綠燈時(shí)間（Gmin）。

最短綠燈時(shí)間與車(chē)輛檢測(cè)器到停車(chē)線的距離和行人安全過(guò)街所需時(shí)間有關(guān)。車(chē)輛檢測(cè)器到停車(chē)線的距離決定了系統(tǒng)可以檢測(cè)到的停放車(chē)輛數(shù)，而最短綠燈時(shí)間要保證停在檢測(cè)器與停車(chē)線之間的全部車(chē)輛經(jīng)過(guò)加速啟動(dòng)后都能順利通過(guò)交叉口，同時(shí)最短綠燈時(shí)間還要保證換相時(shí)行人能安全過(guò)街。

在欠飽和狀態(tài)下，各感應(yīng)信號(hào)相位最短綠燈時(shí)間可以用車(chē)隊(duì)排隊(duì)疏散時(shí)間（Ts）來(lái)確定。其計(jì)算公式［6-7］如下：

式中：Ts為相位關(guān)鍵進(jìn)口道車(chē)隊(duì)疏散時(shí)間；Qm為相位關(guān)鍵進(jìn)口道最大排隊(duì)長(zhǎng)度；qs為相位關(guān)鍵進(jìn)口道飽和流量；qi為相位i關(guān)鍵進(jìn)口道的到達(dá)率。

（2）單位延續(xù)綠燈時(shí)間（G0）。

單位延續(xù)綠燈時(shí)間的設(shè)定也與感應(yīng)線圈到停車(chē)線的距離有關(guān)。如果感應(yīng)線圈與停車(chē)線之間的距離較大，則單位延續(xù)綠燈時(shí)間取車(chē)輛從感應(yīng)線圈行駛到停車(chē)線所需時(shí)間。此時(shí)可以根據(jù)兩者距離與平均行駛車(chē)速求出，以保證已經(jīng)越過(guò)車(chē)輛檢測(cè)器的車(chē)輛能順利駛過(guò)停車(chē)線，其計(jì)算公式如下：

式中：D為檢測(cè)器到停車(chē)線間的距離；v為平均行駛車(chē)速。

如果車(chē)輛檢測(cè)器與停車(chē)線之間的距離很小，則單位延續(xù)綠燈時(shí)間取車(chē)隊(duì)相鄰車(chē)輛之間的空間時(shí)距，以保證連續(xù)行駛的車(chē)輛能順利駛過(guò)停車(chē)線。

從理論上講，單位延續(xù)綠燈時(shí)間應(yīng)盡可能短，以降低綠燈損失時(shí)間，提高運(yùn)行效率；但是從實(shí)際情況和交通安全角度考慮，單位延續(xù)綠燈時(shí)間不宜設(shè)置太短。因?yàn)檐?chē)輛的行駛速度存在一定差異，如果單位延續(xù)綠燈時(shí)間太短，可能導(dǎo)致某些已經(jīng)越過(guò)感應(yīng)線圈的車(chē)輛無(wú)法穿過(guò)停車(chē)線，并不能保證取得良好的控制效果，甚至出現(xiàn)緊急剎車(chē)的現(xiàn)象，存在交通安全隱患。

（3）最大綠燈時(shí)間（Gmax）。

最大綠燈時(shí)間可以按照定時(shí)配時(shí)設(shè)計(jì)方法確定：先計(jì)算分配給感應(yīng)相的綠燈時(shí)間，再將這一時(shí)間乘以1.25～1.50的系數(shù)［8］，所得時(shí)間即為各感應(yīng)相的最大綠燈時(shí)間。針對(duì)在不同時(shí)段具有不同交通量的特點(diǎn)，還可以為感應(yīng)相設(shè)計(jì)與之相應(yīng)的最大綠燈時(shí)間，以滿(mǎn)足不同時(shí)段次路的交通需求，提高其交通安全。

3　仿真試驗(yàn)

3.1仿真方案

本文以虎門(mén)大道連升路交叉口為例，利用Vissim交通仿真軟件對(duì)上述控制流程進(jìn)行仿真建模。該交叉口采用各進(jìn)口單獨(dú)放行方式，其相序如圖3所示，高峰、平時(shí)、晚間的交通流量及定時(shí)控制配時(shí)方案如表1、表2所示。為驗(yàn)證本文算法的有效性，選擇定時(shí)控制方式進(jìn)行比較分析。

圖3　各進(jìn)口單獨(dú)放行相序圖

表1　3個(gè)時(shí)段的交通流量表　　　　　　　pcu/h

表2　定時(shí)控制配時(shí)方案表　　　 s

依據(jù)上述參數(shù)確定方法，確定相關(guān)3個(gè)時(shí)段的控制參數(shù)，如表3所示：

表3　控制參數(shù)表　　　　　　　　　　　　　 s

根據(jù)控制流程圖1，在Vissim VAP模塊中，設(shè)計(jì)控制流程，如圖4所示，表達(dá)式的實(shí)際內(nèi)容如表4中的Contents所示。其中“K1”表示信號(hào)燈組“1”，Stage_active（i）表示相位i是否在運(yùn)行，即相位是否為綠燈狀態(tài)；Interstage（i，j）表示由相位i切換到相位j；minGreenstg1為表達(dá)式的簡(jiǎn)寫(xiě)。

圖4　VAP模塊中的全感應(yīng)控制流程圖

表4　表達(dá)式的內(nèi)容表

最終建立的仿真模型如圖5所示。

圖5　全感應(yīng)控制仿真模型

3.2結(jié)果分析

對(duì)實(shí)施定時(shí)控制和全感應(yīng)控制后交叉口在不同時(shí)段下的平均行程時(shí)間、平均延誤時(shí)間、平均停車(chē)次數(shù)、平均排隊(duì)長(zhǎng)度［7］等各項(xiàng)交通信號(hào)控制性能指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)分析，結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖6　平均行程時(shí)間

圖7　平均延誤時(shí)間

圖8　平均停車(chē)次數(shù)

圖9　平均排隊(duì)長(zhǎng)度

從圖6～圖9可以看出，隨著交通量的增加，2種控制方法的各項(xiàng)交通信號(hào)控制性能指標(biāo)也隨之增加。在高峰時(shí)段，與定時(shí)控制相比，全感應(yīng)控制的平均行程時(shí)間改善了4.26%，平均延誤時(shí)間改善了15.6%，平均停車(chē)次數(shù)改善了1.3%，平均排隊(duì)長(zhǎng)度改善了17.4%。仿真結(jié)果表明：與定時(shí)控制相比，全感應(yīng)控制的各項(xiàng)交通信號(hào)控制性能指標(biāo)均有所改善。

4　結(jié)語(yǔ)

交叉口采用何種交通信號(hào)控制方法取決于交叉口幾何特征和交通流情況。不同交通信號(hào)控制方法有其不同的適應(yīng)條件，如定時(shí)控制方法適合于交通量變化不大的交叉口［9］，而全感應(yīng)控制適用于各進(jìn)口交通流隨機(jī)變化比較大的交叉口。因此，對(duì)應(yīng)實(shí)際的交叉口，可設(shè)計(jì)多種交通信號(hào)控制方法，并利用Vissim交通仿真進(jìn)行建模，比較各種方法之間的交通信號(hào)控制性能指標(biāo)，以便選取最優(yōu)的交通信號(hào)控制方法。

［1］梁子君.城市道路智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2007.

［2］盧凱.不同交通流狀況下的交叉口信號(hào)控制策略［J］. 公路交通科技，2006（4）：128-131+142.

［3］丁恒，陳無(wú)畏，張衛(wèi)華，等.基于混合Gamma分布的交叉口感應(yīng)控制延誤模型［J］. 控制與決策，2012（3）：436-440.

［4］于泉，劉培華，劉小明.兩相位信號(hào)交叉口半感應(yīng)控制算法［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（6）：952-957.

［5］林曉輝，徐建閩，盧凱，等.虎門(mén)鎮(zhèn)連升路干道協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.交通信息安全，2008，26（3）：14-18.

［6］王玉鵬.多路口感應(yīng)信號(hào)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)及其仿真［D］.南京：河海大學(xué)，2006.

［7］羅俊.基于新相位相序規(guī)則下的模糊自適應(yīng)控制［D］.南京：河海大學(xué)，2007.

［8］楊鋼鋒.基于DSP的交通信號(hào)控制機(jī)的研制［D］.南寧：廣西大學(xué)，2008.

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Signal Control Method and Model for Intersection Based on Full Induction Control

Lin Xiaohui
（Guangdong Communication Polytechnic， Guangzhou 510650， China）

The full induction control is a traffic signal control method which is suitable for intersections with large changing in traffic flow. In order to verify the validity of the method， this paper takes a single intersection as the research object， using the Vissim traffic simulation software to analyze the traffic signal control indexex of the full induction control method and the fixed control method in different stages. The results show that， compared with the fixed control method， the traffic signal control indexes of full induction control method are improved obviously. Taking the high stage as an example， the improvement of the average travel time is 4.26%， the improvement of the average delay time is 15.6%， the improvement of the average number of stops is 1.3%，and the improvement of the average queue length is 17.4%.

intersection； signal control； Vissim traffic simulation； full induction control； fixed control

U491.51

A

1672-9889（2015）01-0044-03

廣東省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：科技-2013-02-065）

林曉輝（1981-），男，廣東揭陽(yáng)人，碩士，主要研究方向?yàn)榻煌ㄐ畔⒖刂啤⒔煌ǚ抡妗?/p>

（2013-12-11）