基于感應(yīng)控制的行人二次過街系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尹宇鋒，王春娥，謝曉峰，鄒瑞霖，陸 穎，夏 衍，馮元杰，郭 健，錢開薈，李 爍

(鹽城工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051)

近幾年來，城市化快速發(fā)展使得汽車保有量逐年提升，城市道路交通擁堵現(xiàn)象日益突出，而在城市道路的交叉路口，擁堵現(xiàn)象則更加突出。目前我國多個(gè)城市以行人一次過街信號(hào)為基礎(chǔ)進(jìn)行信號(hào)配對(duì)，其信號(hào)燈周期較長[1]。本文依據(jù)陳振起等[2]對(duì)交叉口二次過街信號(hào)相位的設(shè)計(jì)和仿真模擬，綜合其他一些方案，提出專門針對(duì)行人二次過街的智能感應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 二次過街系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 二次過街系統(tǒng)介紹

什么是二次過街？二次過街是相對(duì)于一次過街而言的，一次過街是讓行人在一個(gè)相位內(nèi)完成過街的全部過程；而行人二次過街則是在道路中央分隔帶處設(shè)置行人等待區(qū)，將人行橫道一分為二，使行人分兩相位來完成橫穿道路的一種過街方式。二次過街可以在不干擾或少干擾車流的前提下,用減少次干路的綠信比、增加主干路綠信比的技法來設(shè)置人行橫道的方法。二次過街人行橫道分割示意圖如圖1所示。

設(shè)計(jì)二次過街系統(tǒng)的核心，在于利用人行橫道和機(jī)動(dòng)車道信號(hào)燈相位的布局設(shè)計(jì)，以及實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)交叉口的合理利用，從而提高道路通行能力。二次過街系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：(1)二次過街系統(tǒng)可以縮短信號(hào)周期時(shí)長，使得道路使用效率得到提高，提高了道路的通行能力；(2)楊曉芳等[3]研究表明，相比一次過街方式，二次過街更能有效利用道路和時(shí)空資源，減少事故發(fā)生率。

1.2 系統(tǒng)分析

二次過街人行橫道常用兩種交通控制方式：感應(yīng)式信號(hào)控制和定時(shí)式信號(hào)控制[4]。其中定時(shí)式信號(hào)控制在過街行人較少或機(jī)動(dòng)車較少而行人較多的情況下會(huì)產(chǎn)生較大浪費(fèi)；而感應(yīng)式信號(hào)控制能對(duì)實(shí)時(shí)路況進(jìn)行分析，并給予合理的配時(shí)，從而讓交叉口利用率達(dá)到最大化，避免出現(xiàn)較大的時(shí)間浪費(fèi)。

1.3 二次過街系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1中的交錯(cuò)式二次過街方式，道路中間設(shè)置分隔帶，人行橫道錯(cuò)開分布，中間留有行人二次過街的等候區(qū)。安全等候區(qū)的設(shè)計(jì)面積根據(jù)雙向行人數(shù)量決定[4]。在等候區(qū)，紅綠燈與等待區(qū)交錯(cuò)分布，目的是減少行人過街時(shí)的沖突，降低延誤率；同時(shí)，在等候區(qū)安裝行人數(shù)量檢測裝置，用來檢測兩邊行人數(shù)量，待行人數(shù)量達(dá)到放行閾值時(shí)，給予行人通行權(quán)。

圖1 人行橫道分隔示意圖Fig.1 Diagram of crosswalk separation

二次過街系統(tǒng)可以視為由兩個(gè)獨(dú)立的一次過街系統(tǒng)組成，區(qū)別在于增加了行人等待過街的等候區(qū)，其流程圖如圖2所示。圖2中，當(dāng)雙向機(jī)動(dòng)車道的信號(hào)燈均為紅燈，且過街時(shí)間充足，行人可直接通過兩個(gè)人行橫道完成過街行為；當(dāng)雙向機(jī)動(dòng)車道的信號(hào)燈均為紅燈，且過街時(shí)間不足，則行人穿過第一個(gè)人行橫道后在行人過街等候區(qū)等候,在第二個(gè)人行橫道信號(hào)燈再次變?yōu)榫G燈時(shí)再穿過人行橫道。當(dāng)?shù)谝欢螜C(jī)動(dòng)車道信號(hào)燈是綠燈時(shí)，此時(shí)需判斷該綠燈時(shí)間是否為初期綠燈時(shí)間，若是，則行人在路邊等待，并由檢測器監(jiān)測行人數(shù)量，待行人達(dá)到一定數(shù)量，且第一段人行橫道信號(hào)燈變?yōu)榫G燈時(shí)，行人再通過第一段人行橫道；若否，則行人可利用車輛之間的安全間隙通過第一段人行橫道。同理，行人可通過第二段人行橫道。

圖2 二次過街系統(tǒng)流程圖Fig.2 Flow chart of secondary crossing system

1.4 特殊情況分析

如果雙向車道上的機(jī)動(dòng)車數(shù)量差距較大，以圖1為例，當(dāng)上部車道的車輛達(dá)到飽和程度，車流不會(huì)出現(xiàn)間斷流，造成行人過街困難，此時(shí)可根據(jù)設(shè)置在上下游機(jī)動(dòng)車道上的檢測器實(shí)時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對(duì)機(jī)動(dòng)車道的信號(hào)燈進(jìn)行配時(shí)，適當(dāng)延長上部車道綠燈時(shí)間；下部車道因車輛數(shù)較少，車輛達(dá)到暢行速度，此時(shí)該機(jī)動(dòng)車道信號(hào)燈的綠燈時(shí)間就要縮短，以放行該車道上的行人，從而提高道路的通行能力。

2 信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)

2.1 行人、機(jī)動(dòng)車道信號(hào)相位設(shè)計(jì)

行人橫道信號(hào)燈的相位設(shè)計(jì)可采用文獻(xiàn)[2]中“相位疊加”的方法。所謂相位疊加是指行人相位與相關(guān)機(jī)動(dòng)車的相位重疊，可根據(jù)過街路段實(shí)際情況設(shè)置行人相位相對(duì)于機(jī)動(dòng)車相位的“同步”、“遲啟”、“早斷”或“遲啟兼早斷”4種疊加方式。相位疊加是為了不降低機(jī)動(dòng)車信號(hào)的綠信比，從而避免對(duì)道路的通行能力產(chǎn)生干擾[2]。適合應(yīng)用相位疊加方法進(jìn)行行人相位設(shè)計(jì)的基本條件可表示為

(TS)K≥(TD)K

(1)

式中：(TS)k表示基本疊加相位k中對(duì)行人有效綠燈時(shí)間的供給；(TD)k表示基本疊加相位k中由流量與步速?zèng)Q定的行人綠燈時(shí)間需求。(TS)k、(TD)k可分別由式(2)、式(3)表示。

(TS)K=TGK-δL·△tLK-δE·△tEK

(2)

(3)

式中：k表示基本疊加相位的編號(hào)；TGk、△tLK、△tEK分別表示疊加相位k中機(jī)動(dòng)車的綠燈時(shí)間、行人相位比機(jī)動(dòng)車相位遲啟的時(shí)差、行人相位比機(jī)動(dòng)車相位早斷的時(shí)差，s；δL與δE為對(duì)應(yīng)系數(shù)，當(dāng)行人相位以遲啟或早斷的方式疊加于機(jī)動(dòng)車相位時(shí),δL=1或δE=1，否則δL=0或δE=0；qk表示高峰時(shí)期疊加相位k所控制的人行橫道在k相位的綠燈時(shí)間內(nèi)雙向行人最大通過量，人；Lk、Wk分別表示疊加相位k所控制的人行橫道的長度和寬度，m；C表示人行橫道的通行能力，人/(m·h)；v表示行人的平均步速，m/s。

機(jī)動(dòng)車道信號(hào)控制采用感應(yīng)式交通信號(hào)控制，分別在機(jī)動(dòng)車道的上游和下游設(shè)置車輛檢測器，并以檢測數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行機(jī)動(dòng)車道信號(hào)燈的配時(shí)。機(jī)動(dòng)車道上游檢測器記錄車輛駛進(jìn)人行橫道區(qū)域前后車輛之間的車頭時(shí)距和車速，下游檢測器記錄車輛駛離人行橫道區(qū)域前后車輛之間的車頭時(shí)距和車速[5]

2.2 機(jī)動(dòng)車道信號(hào)配時(shí)

機(jī)動(dòng)車道信號(hào)配時(shí)采用感應(yīng)控制，感應(yīng)控制需要確定的參數(shù)有最小綠燈時(shí)間、單位綠燈延長時(shí)間、最大綠燈時(shí)間。最大綠燈時(shí)間是按照定時(shí)控制方法，根據(jù)主干路車流交通量的大小計(jì)算出的綠燈時(shí)間；單位綠燈延長時(shí)間根據(jù)檢測器的位置和車輛的速度確定[6]；主干路機(jī)動(dòng)車最小綠燈時(shí)間計(jì)算可參考文獻(xiàn)[7]。假設(shè)Gmin為機(jī)動(dòng)車道信號(hào)燈顯示的最短綠燈時(shí)間，Gmin要滿足下面的計(jì)算。

Gmin=Max[GminA,GminSS]

(4)

GminA=Max[GminS,GminP]

(5)

式中：GminS為保證行車安全的最小綠燈時(shí)間，一般在5～7 s內(nèi)取值,s；GminP為保證一定數(shù)量的行人安全過街的最小綠燈時(shí)間,s；GminSS為保證一定數(shù)量的排隊(duì)車輛完全通過停車線的最小綠燈時(shí)間,s。由于GminS和GminP取值相對(duì)固定，所以將其統(tǒng)稱為固定最小綠燈時(shí)間GminA。

機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈相位設(shè)計(jì)要求固定最小綠燈時(shí)間，包括初始相位和末尾相位的固定。在兩個(gè)相位之間的最小綠燈時(shí)間要保證行人能夠安全通過人行橫道，達(dá)到交叉口合理利用的目的。

2.3 行人過街信號(hào)配時(shí)

行人通過人行橫道的最短綠燈時(shí)間可以按照以下公式計(jì)算。

(6)

行人過街最短綠燈時(shí)間與行人步行速度有關(guān)，通過調(diào)查獲得行人步行速度如表1所示。

表1行人步行速度參考表
Table1Referencetableofpedestrianwalkingspeedm/s

年齡組平均速度15%位速度85%位速度老年人1.311.011.51中、青年人1.541.241.79兒童1.451.091.58

下面以老年人為例介紹行人最短過街時(shí)間的設(shè)置。若某一城市主干道為雙向六車道，每條車道寬3.5 m，則每一段人行橫道的長度為10.5 m，若老年人平均過街速度取1.31 m/s，綠燈間隔時(shí)間取3 s，則行人過街最短綠燈時(shí)間根據(jù)公式(6)計(jì)算，約為12 s。

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，行人最大等待時(shí)間大致為60～90 s，行人等待時(shí)間過長會(huì)出現(xiàn)闖紅燈的現(xiàn)象，因此最長行人綠燈等候時(shí)間一般設(shè)置為45～55 s[8]。

3 其他交通設(shè)施設(shè)計(jì)

3.1 行人過街監(jiān)管

除了設(shè)計(jì)可行的二次過街系統(tǒng)來保證交叉口的合理運(yùn)行，還要對(duì)行人和車輛實(shí)施監(jiān)管?，F(xiàn)如今在車輛監(jiān)管方面已經(jīng)非常成熟，而對(duì)于時(shí)常發(fā)生的行人闖紅燈現(xiàn)象還不能實(shí)施全面有效的管理。行人檢測器和人臉識(shí)別技術(shù)是目前常用的行人監(jiān)管工具，行人檢測器是利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)判斷圖像或者視頻序列中是否存在行人并給予精確定位的儀器，而3D人臉識(shí)別裝置則可以在行人靜止或走動(dòng)的任意狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并自動(dòng)匹配到大數(shù)據(jù)中相關(guān)用戶的信息。因此，行人檢測器和人臉識(shí)別技術(shù)的結(jié)合可以有效監(jiān)管行人的不文明過街行為。

3.2 針對(duì)特殊人群

為了方便盲人過街，需要設(shè)置盲道以及聲音提醒裝置；而對(duì)于聾啞人過街，則需要在交叉口人行橫道的醒目處設(shè)置文字提醒裝置。

4 總結(jié)

二次過街系統(tǒng)可以看作是兩次一次過街方式的聯(lián)合作用，不同之處在于二次過街系統(tǒng)設(shè)置車輛和行人數(shù)量檢測器，并根據(jù)檢測車輛和行人的數(shù)量確定紅綠燈的轉(zhuǎn)換；同時(shí)，在通行效率方面，二次過街系統(tǒng)比一次過街方式有了很大的提升。此外，通過機(jī)動(dòng)車道和人行橫道交通信號(hào)的相位設(shè)計(jì)，二次過街系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在不同交通流下對(duì)信號(hào)進(jìn)行合理的配時(shí)，從而提高道路的通行能力，保障行人的人身安全。而對(duì)于行人不文明的闖紅燈現(xiàn)象，也可通過相應(yīng)的技術(shù)手段進(jìn)行監(jiān)管。