在干線上采用雙向協(xié)調(diào)控制的交通信號燈

郭榮祥，　劉　清，　王建華

(1.內(nèi)蒙古科技大學 信息工程學院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.包頭市紅日電氣控制責任有限公司， 內(nèi)蒙古 包頭 014030)

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在干線上采用雙向協(xié)調(diào)控制的交通信號燈

郭榮祥1，劉清1，王建華2

(1.內(nèi)蒙古科技大學 信息工程學院， 內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.包頭市紅日電氣控制責任有限公司， 內(nèi)蒙古 包頭 014030)

針對當前城市內(nèi)復雜的交通路況以及各個路口較低的通行效率，設計了一種主要面向路況中主干道與次干道分明的交通信號燈系統(tǒng)，在主干道上采用雙向干線協(xié)調(diào)控制。當交通非飽和狀態(tài)時，在一種改進的相位模式下，以降低車輛延誤為目的，建立交通系統(tǒng)數(shù)學模型，并根據(jù)數(shù)學模型對路段進行優(yōu)化和配時。選擇數(shù)傳電臺實現(xiàn)相鄰路口間的通訊，選擇GRM模塊實現(xiàn)路口與遠端監(jiān)控中心的通訊，并給出了相應的電路設計。

交通信號燈；協(xié)調(diào)控制；數(shù)學模型；數(shù)傳電臺；GRM模塊

在交通控制技術(shù)的研究上，我國在單個路口的控制上取得了很多突破性進步，可是單點控制的進步并沒有使得交通狀況得到明顯改善，所以在一些一線城市，仍需要使用西方發(fā)達國家的交通控制系統(tǒng)來緩解復雜的交通問題，只是這些系統(tǒng)的價格十分昂貴，因此發(fā)展我國自主的優(yōu)秀交通控制系統(tǒng)顯得十分重要。交通控制系統(tǒng)中的問題，歸根結(jié)底是通行效率的問題，也就是綠燈利用率的問題。例如：在某一個方向已經(jīng)沒有車輛通行，但這個方向的綠燈卻依舊點亮，而另一個方向卻因為紅燈造成過多的車輛等待；南向北與北向南的車流量有明顯差距，但是卻要遵循同樣的配時方案，這些情況就是綠燈時間利用率低的表現(xiàn)。對于城市交通控制應該針對不同的道路和車流量情況，采用不同的控制方案，一個好的城市交通控制系統(tǒng)是需要多種不同特點的控制方案組成。本文僅對城市中車流量最大的主干線進行研究，在主干線上實現(xiàn)雙向協(xié)調(diào)控制，在保證不影響其他路段效率的前提下提高主干線的通行效率[1-3]。

1　干線雙向協(xié)調(diào)控制的相位

傳統(tǒng)相位在主干線的兩個方向的行駛車輛處于同一相位中，這樣的相位不利于干線上的雙向協(xié)調(diào)控制，改進后的相位如圖1所示。4個相位不是按照順序執(zhí)行，而是根據(jù)不同的路口和路況，做不同的調(diào)整。其中相位1和相位2為主干線上的兩個相位，由南向北的車輛與由北向南的車輛在大部分情況下互不影響。由于右轉(zhuǎn)的車輛會對直行的車輛造成干擾，所以在相位1中，由東向西行駛并右轉(zhuǎn)的車輛禁止通行；相位2中由西向東行駛并右轉(zhuǎn)的車輛禁止通行，這種方式減少了支路上右轉(zhuǎn)車輛對主干線的干擾。因為相鄰的兩路口之間距離一般不同，如果把每組兩兩相鄰路口之間的距離看作單獨的路段，那車輛經(jīng)過每段路段的時間就不同，這就使相位1和相位2之間的關系有了3種情況，第1種情況是相位1、2連續(xù)，第二種情況是相位1、2重合，第3種情況是相位1、2間斷。第一種是最理想的情況；第二種也是一種比較理想的情況，在這種情況下的路口，使用最常見相位即可；第三種不是一種理想的情況但卻是最常見的情況，如果相位1、2的間隔時間過短或過長就要對其進行優(yōu)化，所以在實際應用中要盡量減少第三種情況的發(fā)生或者使相位1、2之間的間隔在一個合理的范圍內(nèi)。

圖1　改進后的四相位控制

2　主干線車輛延誤模型與優(yōu)化

2.1車輛延誤數(shù)學模型

本文中的數(shù)學模型是在干線上處于不飽和狀態(tài)下的模型，為了更直觀地體現(xiàn)出各個參數(shù)對車輛延誤的影響，把黃燈時間算到綠燈時間里，并假設所有車輛到達路口的方式相同[4]。

設主干線上共有n個路口，分別命名為X1，X2，…，Xn，從X1到Xn設定為上行方向，反之為下行方向，Di,i+1為路口Xi與Xi+1之間的距離。對于上行車流，定義Ti,i+1為車流從Xi到Xi+1的時間，則有：

其中T為交通燈的周期，modT為對周期T取余，Vi,i+1為路口Xi到Xi+1的限速，亦即車輛在這段路上的速度，Ci,i+1為相鄰兩路口的相位差。把Ti,i+1和Ci,i+1之間的關系分為3種情況討論。

(1)0≤Ti,i+1

(1)

設Tb為Xi+1路口車輛的疏通時間，有Tb≤Gi+1，其中Gi+1為Xi+1的綠燈時間。因為在本文的相位中，排除了次干線上右轉(zhuǎn)車輛對主干線的影響，所以在此時間內(nèi)，可以假設車隊能以最大通行效率通過該路口，則有：

(2)

圖2　車隊到達時為紅燈的情況

其中qi,i+1為Xi到Xi+1的上行車流量，Bi+1為綠燈時Xi的飽和流量釋放。通過圖2可以清晰看出車輛延誤和各個參數(shù)之間的關系，得出車頭受阻時的車輛延誤。設車輛延誤為mi,i+1，則有：

mi,i+1=0.5Taqi,i+1(Ta+Tb)。

(3)

將(1)式和(2)式代入(3)式得到：

(4)

(5)

假設車隊能以最大效率通過路口，又有：

(6)

其中Ri+1為Xi+1路口的紅燈時間。通過圖3可得到車輛延誤：

(7)

將(5)式和(6)式代入(7)式，可得：

(8)

(3)Ci,i+1+Gi+1≤Ti,i+1

(9)

由式(4)、(8)、(9)可得到干線上上行車輛總延誤：

(10)

其中αi+1+βi+1+γi+1=1。

圖3　車隊沒有完全通過即遇到紅燈的情況　　　　　圖4　完全浪費掉一次綠燈時間的情況

同理可得干線下行車輛總延誤為

(11)

通過對數(shù)學模型的分析，可知造成干線車輛延誤的參數(shù)有：干線總周期T、相位差Ci,i+1、路口i到i+1的行車時間Ti,i+1、路口的最大通行能力Bi+1、車流量qi,i+1。又因為建模的3種情況是根據(jù)綠燈時間Gi+1而設定的，所以，綠燈時間也要考慮，最后得到各個路口在不同時間段的紅綠燈初始時間，其后每天會根據(jù)前一天的歷史數(shù)據(jù)進行調(diào)整。

2.2干線協(xié)調(diào)控制的優(yōu)化

在確定好了干線上的公共周期時間和綠信比后，就可以通過上一節(jié)的幾何模型求出各個路口的不同配時方案。公共周期時間、有效綠燈時間的優(yōu)化如下[4]：

(1)公共周期的優(yōu)化區(qū)間

對于單個路口的周期配時，應選同一相位中流量比最大的進行計算，最短周期表達式：

其中Tmin為最短周期，L為單個周期的損失時間，Y為路口總的交通流量比。

對于最長周期時間，在實際應用過程中，周期超過200 s時，通行能力緩慢，延誤增長卻很快，所以，把200 s設定為最長周期時間。

(2)有效綠燈時間的優(yōu)化區(qū)間

直行中最小有效綠燈時間設定為15 s，最長有效綠燈時間設定為60 s。而最優(yōu)有效綠燈時間可根據(jù)飽和度的公式計算：

其中Gop(i)為最優(yōu)有效綠燈時間，qi為路口流量，T為周期時間，si為飽和流量，xi為飽和度(根據(jù)大量數(shù)據(jù)推算，取0.9為宜)。

因本文涉及路口較少，所以不需要大量的計算，若大規(guī)模應用需要大量的運算時，要采用更加先進的優(yōu)化算法，例如粒子群算法、蟻群算法等[4-5]。

2.3干線協(xié)調(diào)控制策略

本文的干線協(xié)調(diào)控制策略為：在協(xié)調(diào)控制路段兩端路口執(zhí)行定時控制，相當于定時向被控制干線內(nèi)放行車輛，定時控制的配時根據(jù)交通流量和數(shù)學模型得出，在協(xié)調(diào)控制內(nèi)部各個路口之間通過電臺實現(xiàn)通訊[6]，達到協(xié)調(diào)聯(lián)控效果，交通路口的數(shù)據(jù)要通過GRM模塊傳送到遠端控制中心，遠端控制中心可實時監(jiān)控各路口情況，并可在控制中心修改交通信號配時方案(一般要在午夜進行)。

3　控制電路設計

本文的硬件系統(tǒng)接線如圖5所示，選用西門子S7-1214C型PLC作為信號燈的控制器，選用北京捷麥公司生產(chǎn)的F21DL型數(shù)傳電臺實現(xiàn)各路口PLC之間的通訊，在每個路口安放一臺PLC以及兩臺數(shù)傳電臺，一臺負責向上一個路口收發(fā)數(shù)據(jù)，一臺負責向下一個路口收發(fā)數(shù)據(jù)。因F21DL模塊輸出為TTL電平，所以PLC需通過TTL-232轉(zhuǎn)換線與電臺相連，轉(zhuǎn)換線的TTL端接到F21DL，232端接PLC的SM1241-RS 232模塊。數(shù)傳電臺模塊在使用中需要設置身份地址，身份地址分為工程號和站點號，同一工程中工程號相同，這里為1；每一臺數(shù)傳電臺擁有自己唯一的站點號，本文中電臺模塊的站點號從001開始依次遞增。

圖5　系統(tǒng)接線圖

為了實現(xiàn)各個路口的交通數(shù)據(jù)向遠方監(jiān)控中心的傳輸，以及實現(xiàn)在遠端操作中心完成對各個路口參數(shù)的修改，本文選用了巨控公司的GRM504-N2L模塊。該模塊通過網(wǎng)線即可與S 7-1214C通訊，插入標準的SIM卡即可完成與互聯(lián)網(wǎng)的連接。因為GRM504-N2L模塊支持標準OPC2.0協(xié)議，所以遠端的PC機安裝OpcServer即可實現(xiàn)與GRM504-N2L的通訊。

圖6　地感線圈原理圖

本文選用地感線圈采集干線上的車流量，與一般檢測方式相同，在距離路口150 m處和路口處，各安置兩個地感線圈，通過進入這段區(qū)域加一、行駛出這段區(qū)域減一的原則計算堵車的數(shù)量。由于是干線協(xié)調(diào)控制，這里不考慮轉(zhuǎn)彎車輛。地感線圈原理如圖6所示。

U1和U2組合為共射極振蕩器，R3是兩只三極管的公共射極電阻，并構(gòu)成正反饋，地感線圈T作為檢測器諧振電路中的一個電感元件與振蕩回路一起形成LC諧振。

有汽車經(jīng)過時，線圈中磁通量變大，使得線圈電感值變化，繼而LC諧振頻率變化，這個信號再經(jīng)過R7和C3的濾波，得到0～10 V電壓信號，PLC通過對電壓的判斷，得出是否有車輛通過。

4　監(jiān)控中心設計

本文選用Visual Basic 6.0作為監(jiān)控管理軟件的開發(fā)工具，因為VB在數(shù)據(jù)庫開發(fā)上有一定優(yōu)勢[7]。

因為監(jiān)控的數(shù)據(jù)由GRM504-N2L模塊傳輸而來，所以需要VB連接到OPC服務器的主要代碼如下：

Dim With Events My OPC Server As OPC Server

Dim With Events My OPC Group As OPC Group

Set My OPC Server=New OPC Server

My OPC Server. Connect ″OPC. Simatic NET″

監(jiān)控中心主界面如圖7所示，此監(jiān)控中心分為3個功能：歷史數(shù)據(jù)查詢、實時數(shù)據(jù)查看、交通燈參數(shù)修改。

本文的全部歷史數(shù)據(jù)都保存在數(shù)據(jù)庫中，對這些數(shù)據(jù)的新增、刪除、查找等操作都是依靠數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)來實現(xiàn)[8]。本文選用的是ADO技術(shù)，在使用前添加到VB的控件工具箱即可。歷史數(shù)據(jù)查詢窗口如圖8所示。

圖7　監(jiān)控中心主界面　　　　　　　　　　　　　圖8　歷史數(shù)據(jù)查詢窗口

實時數(shù)據(jù)查詢可顯示當前堵車數(shù)量，操作人員可在PC上看到各個路口的堵車情況。參數(shù)修改功能下可以在操作中心對PLC的程序進行修改，該按鈕需要調(diào)用與GRM504-N2L模塊配套使用的GVCOM程序，用來對遠處的PLC下載程序，該部分的代碼如下：

Dim RetVal

RetVal=Shell(″C：Program FilesGVCOMGVCOM.EXE″，1)

工作人員可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對交通信號燈的參數(shù)做出調(diào)整。

5　采用VISSIM軟件仿真

本文選用VISSIM軟件進行控制策略仿真[9]，根據(jù)第2章的模型對包頭市阿爾丁大街的一段6路口干線進行兩次仿真，且系統(tǒng)的各條路段輸入的車流量信息一致，均為該路段8：00—9：00之間的車流量數(shù)據(jù)。第一次仿真采用傳統(tǒng)控制策略，第二次采用干線雙向協(xié)調(diào)控制策略，仿真過程如圖9所示?？梢钥闯鲈趥鹘y(tǒng)控制策略下的通行效率偏低，而在干線雙向協(xié)調(diào)控制下，車輛對綠燈的利用率有明顯提高。

圖9　控制策略仿真

6　結(jié)　論

本文通過數(shù)學建模的方式設計了一種主要面向路況中主干道與次干道分明的交通信號燈的控制策略，結(jié)合控制策略的特點設計了硬件系統(tǒng)，系統(tǒng)中兩兩路口之間的通訊依靠電臺實現(xiàn)，路口與監(jiān)控中心的通訊通過GRM模塊實現(xiàn)。在仿真測試中，干線延誤率降低了17%，在實際的小規(guī)模試驗中也取得了不錯的結(jié)果，本文的設計思想具有較大的實際意義，值得在此基礎上繼續(xù)深入研究。

[1]桂偉，張紅霞，陳皓.交通燈計時智能調(diào)整系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢探討[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2015，28(7)：17-18.

[2]金穩(wěn).多相位智能交通控制器的研究[D].杭州：浙江大學，2007.

[3]胡明偉.交通系統(tǒng)規(guī)劃與控制[M].北京：中國物資出版社，2010.

[4]徐世洪.道路交通干線的信號協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學，2011.

[5]宋依青，張潤.自適應交通燈控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2008，16(4)：497-499.

[6]郭榮祥，馬和平，陳樹樹.數(shù)傳電臺與GPRS相結(jié)合的水廠遙控系統(tǒng)研究和設計[J].自動化技術(shù)與應用，2010,29(11)：54-57.

[7]張祥.基于GPRS技術(shù)的農(nóng)村用水遠程自動抄表系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].包頭：內(nèi)蒙古科技大學，2015.

[8]ADLER J L，BLUE V J.A cooperative multi-agent transportation management and route guidance system[J].Transportation Research Part C Emerging Technologies，2002，10(5/6)：433-454.

[9]章玉，于雷，趙娜樂，等.SPSA算法在微觀交通仿真模型VISSIM參數(shù)標定中的應用[J].交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2010，10(4)：44-49.

[責任編輯：謝 平]

Traffic light signaling based on bidirectional coordinated control on the trunk road

GUO Rong-xiang1,LIU Qing1,WANG Jian-hua2

(1.School of information Engineering, Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010, China;2.Baotou Red-Sun Electric Control Co. Ltd., Baotou 014030, China)

A traffic light signaling system, which uses two-way coordination control on the trunk roads as differentiated from secondary roads, is designed to deal with the complex traffic conditions in the city and the traffic efficiency of each intersection. We have designed a traffic system mathematical model by improving the model phase mainly to reduce delay when traffic is not seriously heavy. And based on the mathematical model, optimization and matching can be made. The communication between the adjacent intersections is realized by selecting the digital radio, and the communication between the adjacent intersections and monitoring center is realized by GRM module. At last the corresponding circuit is given.

traffic light;coordinated control;mathematical model;digital radio;GRM module

1673-2944(2016)04-0039-06

2016-03-05

2016-04-29

郭榮祥(1963—)，男，內(nèi)蒙古和林縣人，內(nèi)蒙古科技大學教授，碩士生導師，碩士，主要研究方向為遙控、遙測及其控制系統(tǒng)集成等；劉清(1991—)，男，黑龍江省寶清縣人，內(nèi)蒙古科技大學碩士研究生，主要研究方向為遙控、遙測及其控制系統(tǒng)集成。

TP872

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