組控式交通信號系統(tǒng)研究

常欣然 金峻臣

摘 要：近十幾年來，國內(nèi)的信號相位顯示方式主要以經(jīng)典的階段式為主，而組控式交通信號控制系統(tǒng)逐漸在歐美國家興起。文章主要介紹了幾種不同的信號控制方式，著重對組控式信號進行研究和分析。近年來研究表明，與階段控制信號相比，組控式信號控制在許多方面有更多優(yōu)勢。

關鍵詞：信號控制；相位；組控式；階段式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.123

0 引言

隨著城市化進程、人口增長和經(jīng)濟發(fā)展，交通擁擠問題日益嚴重并且難以解決。車輛在擁堵情況下將消耗更多的燃料，排放出更多的空氣污染物，對大氣環(huán)境造成嚴重的影響。交叉口作為交通路網(wǎng)中重要的組成部分，對交通流運行的流暢度和安全性都起著決定性的作用。解決城市交叉口擁堵的關鍵在于對城市交通信號系統(tǒng)的控制與優(yōu)化。

1 交通信號的分類

交通信號在城市中的交通運行中是最有效也是應用最廣泛的交通工具之一，按其運行方式可分為單點信號系統(tǒng)（又稱點控）和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。在點控系統(tǒng)中，信號控制器對于一個周期內(nèi)的配時不受其他交叉口影響，而在協(xié)調(diào)系統(tǒng)中，信號配時與其他相鄰交叉口的信號參數(shù)有關。協(xié)調(diào)系統(tǒng)的目的是為了使車輛在不停車的情況下，連續(xù)通過相鄰的交叉口，從而減少延誤時間。

交通信號的控制方案大體分為兩部分，即信號定時和信號相位。根據(jù)相位時間分配的方法，交通控制可分為定時（FT）控制、車輛驅(qū)動（VA）控制（又稱感應控制）和自適應系統(tǒng)（AS）控制。其中，定時控制是信號燈按照事先設定的配時方案運行，是最簡單的控制方案，適用于交通量不大，變化較為穩(wěn)定、相鄰路口較遠的交叉口。感應控制是在交叉口進口道上設置車輛檢測器，交通信號燈配時方案由計算機或智能化信號控制機計算，可隨檢測器檢測到的車流信息而隨時改變的一種控制方式，相比之下，感應控制系統(tǒng)中的信號定時可以適應交通需求的變化。單點感應控制隨檢測器設置方式的不同可分為半感應控制和全感應控制。自適應系統(tǒng)控制把交通系統(tǒng)作為一個不確定系統(tǒng)，能夠連續(xù)測量其狀態(tài)，如車流量、停車次數(shù)、延誤時間、排隊長度等，逐漸了解和掌握對象，把他們與理想的動態(tài)特性進行比較，并利用差值以改變系統(tǒng)的可調(diào)參數(shù)或產(chǎn)生一個控制，從而保證不論環(huán)境如何變化，均可使控制效果達到最優(yōu)或次優(yōu)控制的一種控制方式。

信號相位控制有兩種不同的方法：基于階段的控制即階段式和基于組的控制即組控式。在階段式控制系統(tǒng)中，多組兼容的轉(zhuǎn)向組合成一個階段，以多組轉(zhuǎn)向組成的階段為研究單位，分配信號參數(shù)。而在組控式相位控制中，是以每個轉(zhuǎn)向為對象直接分配交通參數(shù)，如綠燈時間/紅燈時間等。

2 組控式信號與階段式信號

在階段式控制系統(tǒng)中，多組兼容的轉(zhuǎn)向組合成一個階段，以多組轉(zhuǎn)向組成的階段為研究單位，分配信號參數(shù)。在組控式相位控制中，是以每個轉(zhuǎn)向為對象直接分配交通參數(shù)，如綠燈時間/紅燈時間等。如圖1所示，沖突矩陣中的陰影部分表示兩組轉(zhuǎn)向有沖突，而空白部分表示兩組轉(zhuǎn)向是兼容的，可以形成一個階段，共享綠燈時間。如西向東的直行、右轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)向組1）與東向西的直行、右轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)向組5）以及西向東的左轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)向組6）是兼容的轉(zhuǎn)向，也就是說轉(zhuǎn)向組1可以分別和轉(zhuǎn)向組5、6組成一個階段，共享綠燈時長。

圖2展示了基于組的控制是如何針對各種交通需求提供靈活的分階段結(jié)構，同時與階段式信號控制的信號顯示進行了比較。在圖2中，在西向東和南向北的道路上，交叉口的需求要大得多（用紅色箭頭線粗線條表示）。組控式信號一般與自適應系統(tǒng)相結(jié)合，因此可以根據(jù)交通量需求的變化調(diào)整綠燈時間。如圖2中A部分所示，多組兼容轉(zhuǎn)向車流逐步運行，根據(jù)綠燈時間的邊界位置決定周期內(nèi)信號燈的相位的顯示。圖2B是與之對應的階段式信號的相位顯示方式，與交通流量圖結(jié)合，東向西與北向南的轉(zhuǎn)向?qū)a(chǎn)生綠燈時長溢出的情況。

有研究表明，與階段式信號相比，組控式信號的信號相位時長分配更加靈活，因此使得交叉口的通行更加高效。在階段式信號中，多組兼容的轉(zhuǎn)向被組合到一起，需要以交通流量較大的轉(zhuǎn)向作為分配綠燈市場的參數(shù)，這時的綠燈時長對于交通量較小的幾個轉(zhuǎn)向可能已經(jīng)溢出，由此造成了交叉口通行效率的降低。

3 組控式信號控制的優(yōu)點

（1）提高交叉口的高效性。與自適應系統(tǒng)結(jié)合，根據(jù)交叉口的實時轉(zhuǎn)向量分配給各轉(zhuǎn)向綠燈時長，防止某些轉(zhuǎn)向綠燈時長溢出，充分且高效的利用一個周期內(nèi)的綠燈時間。

（2）提高道路通行的安全性。傳統(tǒng)的階段式信號，在一個相位中會有沖突車流同時通行的情況發(fā)生，使得交叉口通行混亂，容易發(fā)生交通事故。相比于階段式信號，組控式信號中每一組通過信號的轉(zhuǎn)向都是完全不沖突的車流，因此能降低因車流交織產(chǎn)生沖突的幾率，提高道路通行的安全性。

（3）節(jié)約能源，降低污染。有研究表明，車輛在起步和剎車時，油耗比正常行駛增加20%以上，且由于汽油燃燒不完全，尾氣排放也顯著增加。組控式信號使汽車的通行更加順暢，有效減少車輛的起停次數(shù)，從而達到節(jié)約能源，減少尾氣排放污染的效果。

4 結(jié)語

本文通過對信號的控制方案和相位顯示方式進行介紹，對傳統(tǒng)的階段式信號相位控制和組控式的信號相位控制進行介紹和比較。組控式相位系統(tǒng)與自適應系統(tǒng)結(jié)合能夠提高交叉口的通行效率及安全性。目前，歐美地區(qū)對組控式信號顯示的應用較為廣泛，技術上相對比較成熟，國內(nèi)可引入組控式信號系統(tǒng)，以緩解交叉口的擁堵現(xiàn)象。

參考文獻：

[1]K.Tang and H.Nakamura，“Investigating operational benefits of group-based signal control in japan through a stochastic approach，”International Journal of Intelligent Transportation Systems Research，vol.9，no.2，pp.71-81，2011.