基于動態(tài)流量數(shù)據(jù)的可變導(dǎo)向車道控制系統(tǒng)研究

黃克彪

摘? ?要：文章論述了基于動態(tài)流量數(shù)據(jù)的道路交叉口可變導(dǎo)向車道控制系統(tǒng)的方案設(shè)計，該系統(tǒng)通過視頻流量檢測器實(shí)時采集交叉口的車流量信息，根據(jù)不同放行方向車道的實(shí)時流量數(shù)據(jù)，采用相關(guān)的算法計算交通指數(shù)，依據(jù)交通指數(shù)調(diào)整可變導(dǎo)向車道的車流放行方向，匹配路口的實(shí)際車輛通行需求，從而加快路口車輛的通行速度，提高路口的車輛通行效率，減輕擁堵。適用于不同時段車流流向變化比較大的交叉口。

關(guān)鍵詞：交叉口;可變導(dǎo)向車道;控制系統(tǒng)

由于現(xiàn)在城市車輛保有量逐漸增多，城市道路的車輛通行壓力越來越大，很多道路交叉口全天直行和左轉(zhuǎn)的“潮汐現(xiàn)象”愈發(fā)明顯，路口固定車道導(dǎo)向出現(xiàn)了和實(shí)際車流流向不匹配的矛盾，可變導(dǎo)向車道[1]的出現(xiàn)，有助于解決此矛盾，對于緩解道路壓力、減輕車輛擁堵非常實(shí)用?？勺儗?dǎo)向車道是根據(jù)不同車流流向和交通控制需求設(shè)置可變換導(dǎo)向方向的交叉口進(jìn)口車道。它是解決道路交通擁堵的重要手段之一，而要讓它的作用發(fā)揮好，提高路口的通行效率，就要解決好兩個問題：（1）對路口實(shí)際車輛通行狀態(tài)的實(shí)時和準(zhǔn)確感知。（2）確?？勺儗?dǎo)向車道放行方向調(diào)整的適應(yīng)性和有效性。

1? ? 可變導(dǎo)向車道控制系統(tǒng)

1.1? 系統(tǒng)簡述

可變導(dǎo)向車道控制系統(tǒng)[2]具有自動控制功能，自動控制的可變導(dǎo)向車道是目前最為靈活的控制模式，它是通過視頻流量檢測器對進(jìn)口車道流量和流向的實(shí)時變化情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，判別不同方向的放行需求，從而自動變換可變導(dǎo)向車道的導(dǎo)向方向，有效提高可變導(dǎo)向車道的控制效率?？勺儗?dǎo)向車道控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的實(shí)施步驟：（1）通過視頻流量檢測器檢測路口車道流量數(shù)據(jù)。（2）計算交叉口進(jìn)口車道不同放行方向的交通指數(shù)。（3）自動控制算法根據(jù)不同放行方向的交通指數(shù)判斷是否需要切換可變導(dǎo)向車道的放行方向。（4）通過信號機(jī)切換可變導(dǎo)向車道的車流放行方向。

1.2? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可變導(dǎo)向車道控制系統(tǒng)由前端設(shè)備和后端平臺兩部分組成。前端設(shè)備包括信號機(jī)、視頻流量檢測器、可變導(dǎo)向車道指示標(biāo)志，后端平臺是可變導(dǎo)向車道控制系統(tǒng)的控制中樞。其中，視頻流量檢測器對各方向交通流進(jìn)行檢測，包括每個車道的實(shí)時流量、車道平均時間占有率等信息，并將根據(jù)實(shí)際需要的時間間隔統(tǒng)計后的數(shù)據(jù)實(shí)時上傳至后端平臺，平臺通過相應(yīng)的算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后判斷是否需要切換可變車道放行方向，如需改變，則平臺在人工確認(rèn)后或者自動下發(fā)指令給信號機(jī)，由信號機(jī)實(shí)現(xiàn)可變導(dǎo)向標(biāo)志的放行方向切換。

2? ? 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1? 路口數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)采用視頻流量檢測器采集路口的實(shí)時交通流量數(shù)據(jù)，為了保證數(shù)據(jù)的有效性，視頻流量檢測器的布設(shè)應(yīng)遵循以下原則：（1）檢測器的監(jiān)視區(qū)域應(yīng)在靠近停車線的實(shí)線分道線路段及其上游。（2）根據(jù)交叉口實(shí)際情況，視頻流量檢測器的安裝可以采取借用現(xiàn)有桿件或在適當(dāng)位置新立桿件的方式。（3）檢測器正對所需檢測交通流的車頭進(jìn)行安裝，即攝像機(jī)朝向車輛駛來方向，正向拍攝車輛正面。（4）單個視頻流量檢測器最多可覆蓋4條同向車道。

2.2? 可變控制算法

可變控制算法根據(jù)路口不同放行方向車道車流量和時間占有率，計算當(dāng)前各個放行方向的交通指數(shù)，依據(jù)交通指數(shù)來判定交叉口可變導(dǎo)向車道的車流放行方向。算法實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1：獲取計算周期T秒內(nèi)，左轉(zhuǎn)放行時長TL（單位：s）、直行放行時長TS（單位：s）、車道級別車流量數(shù)據(jù)Q（i）（單位：輛）和平均時間占有率O（i）。

步驟2：分別計算直行方向和左轉(zhuǎn)方向每秒鐘車流量和平均時間占有率。

式中，F(xiàn)LowL為左轉(zhuǎn)方向平均每秒的通過車輛數(shù)，n為左轉(zhuǎn)方向的車道數(shù)，QL（i）為第i個左轉(zhuǎn)車道的流量，TL為該方向的放行時間。

式中，0ccpyL為左轉(zhuǎn)方向的平均時間占有率，n為對應(yīng)放行方向的車道數(shù)，QL（i）為第i個左轉(zhuǎn)車道的平均時間占有率。

參照以上公式計算直行方向平均每秒的通過車輛數(shù)FLowS和平均時間占有率0ccpyS。

式中，a1=0.7，a2=0.3，a3=4，a4=0.02是權(quán)重參數(shù)，在實(shí)際使用中可根據(jù)路口實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。式中，F(xiàn)LowS為直行車道每秒流量、FLowL為左轉(zhuǎn)車道每秒流量、0ccpyS為直行車道平均時間占有率、0ccpyL為左轉(zhuǎn)車道平均時間占有率、IndexS為直行車道的交通指數(shù)、IndexL為左轉(zhuǎn)車道的交通指數(shù)。T為統(tǒng)計周期時間。

步驟4：對交通指數(shù)做平滑處理，避免突變情況的發(fā)生，保證放行方向的切換過渡平滑進(jìn)行。

式中，Index（i-1），Index（i-2）分別為前兩個時刻的交通指數(shù)值。δ為調(diào)整參數(shù)，δ取值默認(rèn)為0.5。Indexmin為下限值，Indexmax為上限值。

步驟5：根據(jù)交通指數(shù)計算是否切換放行方向，參數(shù)C的值表示計算結(jié)果，0表示不切換，1表示放直行，2表示放左轉(zhuǎn)，具體算法如圖1所示。

3? ? 控制方案

本系統(tǒng)的后端平臺根據(jù)可變控制算法計算得出路口可變車道的放行方向控制方案，實(shí)現(xiàn)對可變導(dǎo)向車道的放行方向控制。系統(tǒng)存在自動控制和人工確認(rèn)兩種模式。自動控制模式下，平臺根據(jù)算法結(jié)果直接下發(fā)控制指令給信號機(jī)，切換可變導(dǎo)向車道的放行方向。人工確認(rèn)模式則需要經(jīng)過人工確認(rèn)同意后才能下發(fā)切換方案，增加了人工干預(yù)。

4? ? 控制流程

4.1? 人工確認(rèn)模式

系統(tǒng)判斷需要切換放行方向時會發(fā)出預(yù)警信號，管理人員可確認(rèn)是否需要對可變車道的放行方向進(jìn)行切換。人工確認(rèn)模式下的可變車道控制流程如下：

（1）視頻流量檢測器采集交叉口各進(jìn)口道的各項(xiàng)交通流參數(shù)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時傳回后端平臺。

（2）后端平臺對實(shí)時交通流參數(shù)進(jìn)行分析，計算各個放行方向的交通指數(shù)，判斷當(dāng)前運(yùn)行的是否為最優(yōu)方案。若為最優(yōu)，則返回第1步;若不是，系統(tǒng)將發(fā)出需要切換放行方向的流量預(yù)警信號。

（3）管理人員對系統(tǒng)發(fā)出的預(yù)警信號進(jìn)行判別，通過查看現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)控視頻等方式，判斷其是否需要對可變車道的控制方案作出調(diào)整。若不需要，則返回至第1步;若需要，則同意下發(fā)切換放行方向指令至路口信號機(jī)。

（4）路口信號機(jī)接收到控制指令，根據(jù)信號機(jī)內(nèi)在控制邏輯在保證路口信號控制安全的前提下，完成對可變導(dǎo)向標(biāo)志放行方向的切換。系統(tǒng)返回至第1步，依此循環(huán)運(yùn)行。

4.2? 自動控制模式

自動控制模式取消了人工控制模式中的第3步，減少了人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的自動控制。

5? ? 結(jié)語

本文以可變導(dǎo)向車道為研究對象，提出了一種基于視頻流量檢測設(shè)備采集的路口數(shù)據(jù)，結(jié)合相應(yīng)的算法實(shí)現(xiàn)可變車道控制的解決方案。通過基于此方案的系統(tǒng)在工程現(xiàn)場運(yùn)行的結(jié)果表明，可以提高交叉口的通行效率，減少延誤。此方案中的視頻流量檢測設(shè)備也可以替換為其他類型能提供相應(yīng)數(shù)據(jù)的設(shè)備，還需要研究采用更多維度的數(shù)據(jù)讓是否需要切換放行方向的判斷更加精準(zhǔn)，進(jìn)一步研究單個路口的控制效果對于一條路或者小區(qū)域交通流的影響，從而從更高層面上綜合考慮單個路口的放行控制。

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