基于電子車牌的交叉口感應(yīng)信號(hào)控制方法研究*

劉云翔，黃　越，王　浩

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，上海 201418)

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基于電子車牌的交叉口感應(yīng)信號(hào)控制方法研究*

劉云翔，黃越，王浩

(上海應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，上海 201418)

摘要：提出了一種基于電子車牌的交叉口感應(yīng)信號(hào)控制方法，該方法通過設(shè)置在交叉口處的閱讀器與裝有有源電子標(biāo)簽車輛互動(dòng)，得到路段區(qū)間上的車輛信息。以車輛密度作為感應(yīng)控制綠燈是否延長的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，車輛密度高于閾值則綠燈延續(xù)，反之，切換相位。通過仿真對(duì)比分析表明，改進(jìn)后的感應(yīng)控制策略能夠在高飽和度路口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)有效交通信號(hào)控制，克服了以車輛間隔時(shí)間作為綠燈延長標(biāo)準(zhǔn)的感應(yīng)控制在高飽和度下失效的弊端，提高了城市交叉口綠燈利用率。

關(guān)鍵詞：感應(yīng)控制；電子車牌；通行效率

在城市道路上，車輛的流量分布往往具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，感應(yīng)控制仍然是目前廣泛應(yīng)用的交通策略之一。

現(xiàn)有的感應(yīng)控制主要基于停車線后的地磁線圈檢測車輛間的時(shí)間間隔，根據(jù)檢測車輛間的實(shí)時(shí)間隔時(shí)間決定是否延長綠燈，若檢測到的車輛間隔時(shí)間小于預(yù)先設(shè)定的間隔(GAP)，則給予綠燈延長；反之則停止給予綠燈延長。在道路車流量較低時(shí)，這種控制策略能較好地適應(yīng)變化交通流；但是基于線圈的感應(yīng)控制策略存在著缺陷：它以斷面的密度來判斷路段密度，對(duì)交通的實(shí)際狀況判斷有可能出現(xiàn)偏差，主要表現(xiàn)在如下2個(gè)方面。

1)高飽和流量下控制策略失效。流量較大時(shí)，車輛間隔始終小于GAP，信號(hào)燈傾向于達(dá)到最大綠，周期往往超過實(shí)際需求，造成延誤增加，因此，感應(yīng)控制在高飽和度條件下效果較差。

2)隊(duì)列前的間隔，會(huì)切斷整個(gè)隊(duì)列。由于一個(gè)過大的間隔，可能阻斷整個(gè)隊(duì)列，導(dǎo)致綠燈切換，造成延誤增加(見圖1)。

圖1　車輛隨機(jī)達(dá)到情況圖

目前，RFID技術(shù)日益成熟，電子車牌也已廣泛普及到城市交通中，因此，本文提出一種基于電子車牌的感應(yīng)控制方法。利用設(shè)置在路口的RFID讀寫器[1]，讀取路段區(qū)間裝有電子車牌車輛數(shù)。以路段區(qū)間車輛密度作為控制指標(biāo)，保證以車隊(duì)形式密集到達(dá)交叉口的交通流能夠不間斷地通過交叉口(見圖2)。

圖2　基于電子車牌的車輛信息讀取

1基于電子車牌感應(yīng)控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于電子標(biāo)簽感應(yīng)信號(hào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由底端信息采集系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和交通控制系統(tǒng)等3部分組成[2]。其中，底層信息采集包括基站單元和車載信息單元；通信系統(tǒng)是指讀寫器將檢測所得數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)娇刂茩C(jī)；交通控制系統(tǒng)是指控制中心將根據(jù)采集的道路車輛信息調(diào)整信號(hào)燈的配時(shí)方案(見圖3)。具體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟如下。

1)當(dāng)安裝有有源電子標(biāo)簽的車輛駛?cè)腴喿x器的讀取范圍內(nèi)時(shí)，路側(cè)的RFID閱讀器讀取車輛信息，記錄路段區(qū)間車輛數(shù)量。

2)閱讀器將讀取的車輛數(shù)據(jù)信息通過RS485總線將數(shù)據(jù)傳輸至路口控制機(jī)?？刂茩C(jī)利用閱讀器獲取的數(shù)據(jù)，根據(jù)綠燈延續(xù)模型，生成感應(yīng)信號(hào)方案。

3)控制機(jī)利用生成的感應(yīng)信號(hào)控制方案對(duì)路口的信號(hào)燈進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

圖3　交叉口感應(yīng)控制框架設(shè)計(jì)

2基于電子車牌感應(yīng)控制策略設(shè)計(jì)

目前的交通控制系統(tǒng)(如SCATS、DARTCOM等)采用彈性信號(hào)階段解決單點(diǎn)感應(yīng)式控制。所謂彈性信號(hào)是指某些信號(hào)階段的綠燈時(shí)間能夠根據(jù)實(shí)時(shí)交通流量的變化自動(dòng)增減，互相調(diào)劑。彈性信號(hào)階段實(shí)際延續(xù)綠燈時(shí)間有2種控制指標(biāo)：車頭時(shí)距(車輛間隔)和車輛排隊(duì)長度。這2種控制指標(biāo)是以地磁線圈埋放位置區(qū)分的。以車頭時(shí)距作為控制指標(biāo)時(shí)，地磁線圈埋在車道下游，停車線附近；以排隊(duì)長度作為控制指標(biāo)時(shí)，地磁線圈埋在車道上游。相比而言，以車頭時(shí)距構(gòu)建的單位綠燈延長模型在實(shí)際操作中的精度和穩(wěn)定性更高。

以車頭時(shí)距構(gòu)建的單位綠燈延長模型中，綠燈延續(xù)是由到達(dá)停車線的車流密度，即由車輛之間的車頭時(shí)距決定的。只要車頭時(shí)距t不大于預(yù)先預(yù)定的限制T(t≤T)，綠燈就一次接一次地延續(xù)下去，直到規(guī)定的最大綠燈為止；反之，則綠燈停止延續(xù)，切換至下一相位。這就是道路通行能力手冊(HCM2000)提出的感應(yīng)控制系統(tǒng)綠燈延續(xù)模型。

由上述基于電子車牌感應(yīng)控制框架設(shè)計(jì)可知，利用設(shè)在路口閱讀器讀取路段區(qū)間范圍內(nèi)的車輛數(shù)，可計(jì)算出路段范圍內(nèi)車輛的密度。本文根據(jù)路段區(qū)間車輛密度構(gòu)建類似HCM2000綠燈延續(xù)模型。若路段區(qū)間內(nèi)車輛密度高于閾值Δρ，則延長綠燈，直至最大綠燈；當(dāng)路段車輛密度低于閾值Δρ，則停止延長綠燈，切換至下一相位。

3實(shí)驗(yàn)仿真設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

3.1VISSIM仿真模型

為了對(duì)比2種感應(yīng)控制策略效益，本文應(yīng)用VISSIM仿真軟件構(gòu)建兩相位十字交叉路口模型進(jìn)行研究[3]。

VISSIM仿真軟件由德國PTV公司開發(fā)，是一種微觀、基于時(shí)間間隔和駕駛行為的仿真建模工具，用于建模和評(píng)價(jià)各種交通條件下城市交通運(yùn)行狀況。VAP(Vehicle Actuated Programming)是用于交通感應(yīng)控制邏輯語言，可以嵌入VISSIM中實(shí)現(xiàn)感應(yīng)控制。本文基于VISSIM軟件,利用VAP編程模擬實(shí)現(xiàn)電子車牌下的感應(yīng)控制環(huán)境。

基于VAP語言的感應(yīng)控制策略可以通過可視化的VISVAP操作平臺(tái)來生成并編譯，VAP與VISVAP的關(guān)系如同C++語言與Visual C++的關(guān)系一樣。

在VISSIM仿真軟件中，在上下游間隔一定距離，設(shè)置2個(gè)地磁線圈模擬閱讀器所能夠讀取的路段區(qū)間，來統(tǒng)計(jì)路段區(qū)間范圍內(nèi)的車輛數(shù)量(見圖4)。將2個(gè)檢測器間的車輛數(shù)量作為感應(yīng)控制參數(shù)。以此來模擬電子車牌下區(qū)段內(nèi)車輛數(shù)量檢測。

3.2仿真實(shí)驗(yàn)描述

圖4　路段車輛信息讀取示意圖

本文以兩相位單車道交叉口作為仿真實(shí)例。對(duì)每個(gè)進(jìn)道口流量分別為100、200、300、400、500和600 輛/h情況時(shí)進(jìn)行仿真，流量涵蓋了低飽和度、中飽和度、近飽和與高飽和度的車流量情況[4]，對(duì)比固定配時(shí)、基于線圈檢測感應(yīng)控制以及基于電子車牌感應(yīng)控制的實(shí)際效果，以平均延誤作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

固定配時(shí)方案是根據(jù)各個(gè)進(jìn)口道車流量，并利用信號(hào)優(yōu)化配時(shí)軟件Synchro 7優(yōu)化后得出。

基于線圈檢測感應(yīng)控制的車輛間隔參數(shù)經(jīng)過測試設(shè)置為3 s，以確保在各個(gè)場景綜合表現(xiàn)最優(yōu)。仿真利用VISSIM自身所帶的VAP控制模塊(見圖5)。

圖5　基于線圈感應(yīng)控制VAP界面

本文采用2.4 G有源電子標(biāo)簽作為電子車牌原型，該電子標(biāo)簽的有效讀取范圍為100～150 m，本次實(shí)驗(yàn)將讀取范圍設(shè)定為80 m。其中，車輛密度閾值設(shè)置為2輛/80 m，當(dāng)80 m內(nèi)車輛<2輛時(shí)，則切換為綠燈。

在建立起的VISSIM路口模型基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出兩相位感應(yīng)控制模擬流程圖(見圖6)。

圖6　兩相位感應(yīng)控制流程圖

VISSIM VAP控制模型代碼如下。

PROGRAM test；

/* ARRAYS */

/* SUBROUTINES */

/* PARAMETERS DEPENDENT ON SCJ-PROGRAM */

/* EXPRESSIONS */

mingreen1 :=T_green(k1)>=5;

mingreen2 :=T_green(k2)>=5; car1 :=(Rear_ends(2)-Front_ends(1)<2)AND(Rear_ends(4)-Front_ends(3)<2);

car2 :=(Rear_ends(6)-Front_ends(5)<2)AND(Rear_ends(8)-Front_ends(7)<2);

/* MAIN PROGRAM */

S00Z001: IF Stage_active(1) THEN

S01Z001: IF mingreen1 THEN

S02Z001: IF car1 THEN

S03Z001: interstage(1,2)

END

END

END;

S00Z003: IF Stage_active(2) THEN

S01Z003: IF mingreen2 THEN

S02Z003: IF car2 THEN

S03Z003: interstage(2,1)

END

END

END

PROG_ENDE:

3.3仿真結(jié)果及分析

在基于電子車牌的感應(yīng)控制中，對(duì)閾值車輛密度進(jìn)行不同選取。仿真結(jié)果表明，閾值對(duì)于感應(yīng)控制效果影響很大，選擇合適的閾值是實(shí)現(xiàn)電子車牌感應(yīng)控制的關(guān)鍵因素。由分析結(jié)果可知，閾值選取0.025 輛/m最合適，能夠?qū)崿F(xiàn)基于電子車牌感應(yīng)控制最大效益。3種控制方式下車輛延誤仿真結(jié)果對(duì)比見表1，交叉口車輛評(píng)價(jià)延誤對(duì)比如圖7所示。

表1　不同控制方式下車輛評(píng)價(jià)延誤仿真比較　(s/輛)

圖7　交叉口車輛平均延誤對(duì)比圖

在低飽和度下，傳統(tǒng)的感應(yīng)控制和改進(jìn)后的基于電子車牌感應(yīng)控制都優(yōu)于固定配時(shí)控制，并且改進(jìn)后的基于電子車牌感應(yīng)控制在傳統(tǒng)感應(yīng)控制基礎(chǔ)上有一定的效益提升。在高飽和度的情況下，傳統(tǒng)基于線圈檢測的感應(yīng)控制的交叉口車輛平均延誤顯著增加，甚至比固定配時(shí)效益低下，因而控制效率低下。與此對(duì)比，改進(jìn)后的感應(yīng)控制策略在高飽和度下控制效果明顯優(yōu)于固定配時(shí)和傳統(tǒng)感應(yīng)控制，能夠顯著地降低交叉口車輛平均延誤，從而提高交叉口的通行效率。這就克服了傳統(tǒng)感應(yīng)控制在高飽和度下失效的缺陷。

4結(jié)語

本文以電子車牌檢測所得路段區(qū)間車輛數(shù)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)傳統(tǒng)感應(yīng)控制進(jìn)行優(yōu)化，以車輛密度是否超過閾值作為感應(yīng)控制中綠燈是否延長的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，克服了線圈檢測在車輛高飽和度情況下控制效率不佳的缺陷。記錄車輛進(jìn)入和離開讀取范圍的時(shí)間是電子車牌更為突出的優(yōu)點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)路段范圍所有車輛的停留時(shí)間之和，并將停留時(shí)間延誤作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于感應(yīng)控制，能夠提供更好的交叉口信號(hào)控制解決方案。后續(xù)工作將利用VISSIM軟件的二次開發(fā)，統(tǒng)計(jì)道路區(qū)間總車輛停留時(shí)間，并利用合適的數(shù)學(xué)模型確定時(shí)間閾值，提高交叉口的通行效率。

參考文獻(xiàn)

[1] 周志浩，葛歡.基于VISSIM仿真的信號(hào)交叉口優(yōu)化方法研究[J].交通信息化,2013(1):134-137.

[2] 王浩,時(shí)柏營,楊曉光.自組織式交通信號(hào)協(xié)調(diào)控制模型[J].計(jì)算機(jī)測量與控制,2012(11):2979-2982.

[3] 伍儒彬.車載電子標(biāo)簽的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢工程大學(xué),2012.

[4] 趙顯忠,曹紅兵. 一種感應(yīng)信號(hào)控制的改進(jìn)方案及其仿真研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2011(26):222-224.

* 上海市科委重點(diǎn)支撐項(xiàng)目(12510503800)

責(zé)任編輯彭光宇

The Research of Intersection Sensor Signal Control Method based on Electronic License

LIU Yunxiang， HUANG Yue， WANG Hao

(Shanghai Institute of Technology， Shanghai 201418， China)

Abstract：Propose a sensing signal intersection control method with electronic license based on the design by setting the intersection readers to interact with active electronic tags equipped vehicles, vehicle information is obtained on the road section. The vehicle detection sensor may control based on the green density as evaluation criteria, and it is extended when the vehicle is higher than the threshold, otherwise the control phases will be switched. Analysis shows the improved control strategy can achieve real-time traffic signal control effectively in higher saturation intersection, whice overcome the traditional sensor control failure at high saturation drawbacks and improve the utilization of urban intersection comparative analysis by simulation.

Key words:vehicle actuated control， electronic tag， traffic efficiency

收稿日期：2015-06-23

作者簡介：劉云翔(1964-)，男，工學(xué)博士，主要從事人工智能、計(jì)算機(jī)軟件與理論、信息融合和智能信息處理等方面的研究。

中圖分類號(hào)：U 491.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A