城市道路平面交叉口公交優(yōu)先智能信號(hào)控制系統(tǒng)研究

薛艷青

(臨沂市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院，臨沂 276000)

1 問(wèn)題的提出

城市道路交叉口是交通車輛不斷地分流、合流及交叉的場(chǎng)所，是交通網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸，交通擁堵問(wèn)題突出.通過(guò)提高公共交通在交叉口處的運(yùn)行效率，可提高整個(gè)交叉口的通行能力、緩解城市道路交通擁堵問(wèn)題.

城市平面交叉口也是一個(gè)比較復(fù)雜的車輛排隊(duì)服務(wù)系統(tǒng).在道路結(jié)構(gòu)條件一定的情況下，如何采用信號(hào)配時(shí)智能控制的方法，提高交叉口的通行效率，一直是城市交通領(lǐng)域關(guān)注的課題.

基于公交優(yōu)先信號(hào)控制策略，利用VB編程，建立了基于交叉口四相位控制的公交優(yōu)先智能交通信號(hào)控制系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行了交叉口處時(shí)間通行權(quán)公交優(yōu)先系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn).在實(shí)驗(yàn)中利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)[1]，建立了包含有車輛跟馳模型、車輛檢測(cè)模型和信號(hào)控制模型等微觀交通仿真模型，并采用VB編程設(shè)計(jì)開發(fā)了仿真實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng).在相同的車輛和道路條件下，分別進(jìn)行公交優(yōu)先的智能交通信號(hào)控制方式以及定時(shí)信號(hào)控制方式的仿真試驗(yàn)并進(jìn)行結(jié)果分析.結(jié)果表明：在交叉口處利用信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)時(shí)間通行權(quán)的公交優(yōu)先，對(duì)于減少交叉口處的公交車輛延誤以及提高公交車到達(dá)的準(zhǔn)時(shí)性具有顯著的作用，對(duì)于提高信控路口的通行能力，緩解城市交通壓力具有顯著效果[6].

2 信號(hào)控制策略

城市道路平面交叉口公交優(yōu)先技術(shù)一般有2種類型，一是在交叉口布設(shè)公交專用道來(lái)實(shí)現(xiàn)空間上優(yōu)先通行權(quán)；二是在交叉口設(shè)置公交優(yōu)先信號(hào)配時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)間上優(yōu)先通行權(quán)[6].本文主要是采用公交優(yōu)先信號(hào)控制策略，來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)間優(yōu)先通行權(quán)的公交優(yōu)先[2].在交叉口處讓公交車優(yōu)先通行，提高公交車的到達(dá)準(zhǔn)時(shí)性，在其他社會(huì)車輛利益稍有損失的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)交叉口人均社會(huì)利益最大化.

結(jié)合我國(guó)交叉口的信號(hào)控制特點(diǎn)，本文采用主動(dòng)優(yōu)先控制模式.即通過(guò)優(yōu)先車輛檢測(cè)裝置識(shí)別分析公交車輛運(yùn)行情況，檢測(cè)到公交車即將到達(dá)后，采用綠相位調(diào)用策略，主動(dòng)適應(yīng)、合理確定信號(hào)配時(shí).若公交車在紅燈狀態(tài)時(shí)到達(dá)，這時(shí)縮短當(dāng)前綠燈時(shí)間，使公交車到達(dá)交叉口時(shí)顯示綠燈，可順利通過(guò)，并設(shè)置合理的最小綠燈時(shí)間，保證公交優(yōu)先的同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化.

主動(dòng)式公交優(yōu)先信號(hào)配時(shí)控制模式主要由公交車輛檢測(cè)、優(yōu)先決策判斷、優(yōu)先信號(hào)配時(shí)方案執(zhí)行等3個(gè)功能模塊組成[3].具體工作流程如圖1所示.

圖1 主動(dòng)式公交信號(hào)優(yōu)先控制流程[4]

3 智能信號(hào)控制系統(tǒng)的構(gòu)架

四相位信號(hào)配時(shí)方案：第1相位南北左轉(zhuǎn)，第2相位南北直行，第3相位東西左轉(zhuǎn)，第4相位東西直行，所有右轉(zhuǎn)車輛均不予控制，其信號(hào)配時(shí)方案如圖2所示.

圖2 四相位控制方案

交叉口四相位控制的智能信號(hào)控制系統(tǒng)包括車輛檢測(cè)器、公交車輛檢測(cè)與定位系統(tǒng)、智能交通信號(hào)控制器、通信系統(tǒng)和控制中心等5部分[7-8].

3.1 車輛檢測(cè)器

在交叉口各進(jìn)口車道上設(shè)置環(huán)形線圈車輛檢測(cè)器，對(duì)交叉口范圍內(nèi)所有車流量進(jìn)行檢測(cè).設(shè)置于停止線處的線圈檢測(cè)到車輛通過(guò)停止線后，進(jìn)口車道排隊(duì)車輛數(shù)減少一輛；設(shè)置于停止線前100 m處的上游感應(yīng)線圈檢測(cè)到車輛進(jìn)入交叉口范圍內(nèi)后，進(jìn)口車道排隊(duì)車輛數(shù)增加1輛.由此計(jì)算出各進(jìn)口車道上的排隊(duì)車輛數(shù)，作為智能決策模塊的輸入信息，用于交叉口信號(hào)狀態(tài)的實(shí)時(shí)決策[10].

3.2 公交車檢測(cè)與定位系統(tǒng)

公交車的檢測(cè)與定位主要包括公交車上的車載移動(dòng)單元(即信號(hào)發(fā)射裝置)和設(shè)置于公交站點(diǎn)處、路段間隔處以及臨近交叉口范圍處的固定單元(即信號(hào)標(biāo)桿).其具體工作流程如圖3所示.

圖3 公交車檢測(cè)與定位系統(tǒng)工作流程

3.3 智能交通信號(hào)控制器

智能交通信號(hào)控制器的預(yù)處理模塊對(duì)不同時(shí)刻的車流量信息和公交優(yōu)先級(jí)信息進(jìn)行處理，分別獲得綠燈的轉(zhuǎn)換度和紅燈的急切度，然后將此信息輸入模糊推理系統(tǒng)，通過(guò)推理得到1個(gè)輸出:延長(zhǎng)綠燈或提前結(jié)束紅燈時(shí)間.當(dāng)綠燈啟動(dòng)時(shí)，信號(hào)控制器確定一個(gè)能滿足剛起步的機(jī)動(dòng)車以及非機(jī)動(dòng)車和行人順利通過(guò)交叉口的最小綠燈時(shí)間.即將結(jié)束最小綠燈時(shí)，控制器進(jìn)行決策操作，獲得切換的相位狀態(tài)，或者下一刻的綠燈延長(zhǎng)時(shí)間.其工作過(guò)程如圖4所示.

圖4 智能信號(hào)控制器工作流程

3.4 通信子系統(tǒng)

通信子系統(tǒng)通過(guò)有線(電纜或光纜)或無(wú)線通信網(wǎng)鏈路實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)與子系統(tǒng)以及控制中心與子系統(tǒng)的通信.

固定單元與控制器單向通信：固定單元將處理后的公交車輛的相關(guān)信息發(fā)送給控制器.

固定單元與控制中心雙向通信:①固定單元向控制中心發(fā)送處理后的公交車輛的相關(guān)信息;②控制中心向公交站的固定單元發(fā)送已經(jīng)處理后的公交車位置信息，該信息以電子站牌的形式顯示.

控制器與控制中心雙向通信:①控制器向控制中心發(fā)送路口的交通流量信息以及實(shí)時(shí)信號(hào)相位控制信息;②控制器更新數(shù)據(jù)通過(guò)控制中心來(lái)完成.

3.5 控制中心

控制中心是整個(gè)信號(hào)控制系統(tǒng)的大腦，子系統(tǒng)與子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成，與其他公共系統(tǒng)建立了聯(lián)系與集成.控制中心通過(guò)對(duì)固定單元對(duì)車輛的識(shí)別信息的查詢實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的準(zhǔn)確定位，根據(jù)對(duì)同一車輛接收不同數(shù)據(jù)包的時(shí)間信息，判別得到最新的數(shù)據(jù)，并不斷地對(duì)車輛定位信息進(jìn)行更新.

交叉口公交優(yōu)先智能信號(hào)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理如圖5所示.

圖5 交叉口公交優(yōu)先智能信號(hào)控制系統(tǒng)工作原理

4 實(shí)例仿真分析

以青島開發(fā)區(qū)阿里山路無(wú)公交轉(zhuǎn)彎的交叉口為例，進(jìn)行了系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)與分析.利用vb編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)交通仿真系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，建立仿真模型.模擬相同的交通流量、不同配時(shí)方案(定時(shí)控制和公交優(yōu)先智能控制)條件的交通狀況,由此來(lái)判斷公交優(yōu)先控制系統(tǒng)能否真正意義上實(shí)現(xiàn)時(shí)間通行權(quán)上的公交優(yōu)先.

4.1 問(wèn)題描述

仿真交叉口路況：各進(jìn)口道共3條機(jī)動(dòng)車道，其中直右車道1條，直行車道1條，左轉(zhuǎn)車道1條，各車道寬度均為3.5 m，無(wú)中間分隔帶，一般路段限制速度為40 km/h，信號(hào)配時(shí)方案采用四相位.根據(jù)現(xiàn)狀交通量調(diào)查統(tǒng)計(jì)，各進(jìn)口道車輛組成比例如表1所示，高峰小時(shí)各轉(zhuǎn)向交通流量如表2所示.

表1 各進(jìn)口道車輛組成 %

表2 各進(jìn)口道高峰小時(shí)交通量

4.2 交通仿真建模

4.2.1 車輛檢測(cè)模型

車輛檢測(cè)模型主要完成對(duì)所有車輛的檢測(cè)以及對(duì)公交車的檢測(cè).

對(duì)所有車輛的檢測(cè)主要通過(guò)安裝于每個(gè)進(jìn)口車道的環(huán)形感應(yīng)線圈檢測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，環(huán)形感應(yīng)線圈分別設(shè)置于各進(jìn)口車道的停止線處以及設(shè)置于上游距離停止線100 m處，車輛檢測(cè)線圈的具體設(shè)置如圖6所示.

交叉口每個(gè)進(jìn)口車道的仿真區(qū)域?yàn)樯嫌螜z測(cè)器至停止線范圍，詳見圖6所示的矩形區(qū)域.仿真的開始點(diǎn)為上游距離停止線100 m處的線圈檢測(cè)器處，每檢測(cè)到該斷面通過(guò)1輛車，進(jìn)口車道排隊(duì)數(shù)增加1輛；仿真終止點(diǎn)為停止線線圈檢測(cè)器處，每檢測(cè)到該斷面通過(guò)1輛車，進(jìn)口車道排隊(duì)數(shù)減少1輛.

圖6 檢測(cè)器安裝位置

為了簡(jiǎn)化仿真模擬過(guò)程，公交車優(yōu)先級(jí)預(yù)先設(shè)定完成，將控制器第1步預(yù)處理計(jì)算進(jìn)行了省略.同時(shí)，由于只針對(duì)1個(gè)交叉口進(jìn)行仿真，公交車的位置對(duì)仿真的影響不明顯，所以省略了對(duì)公交車的定位模塊，只保留了公交車的檢測(cè)模塊.

4.2.2 車輛跟馳模型

在交叉口范圍內(nèi)，車輛跟馳主要包括減速停車過(guò)程、車輛啟動(dòng)加速過(guò)程以及勻速行駛過(guò)程，主要完成對(duì)車輛排隊(duì)和消散過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬.

在跟馳模型中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算假設(shè)所有車輛交叉口范圍均以30 km/h(即8.3 m/s)的速度行駛.減速停車時(shí)，假設(shè)車輛總是以最大減速度-0.5 m/s2從8.3 m/s的車速一直減到零；啟動(dòng)時(shí)，假設(shè)車輛總是以最大加速度0.5 m/s2加速至8.3 m/s，再以該速度勻速行駛.

1) 減速停車過(guò)程

由實(shí)測(cè)可知，進(jìn)口車道排隊(duì)車輛平均間距約為1.5 m.紅燈或黃燈時(shí)，車輛先確定減速開始位置，該位置前車輛勻速行駛，經(jīng)過(guò)該位置后，車輛以-0.5 m/s2的減速度開始減速，直至速度為零.

2) 啟動(dòng)加速過(guò)程

綠燈初期，進(jìn)口車道排隊(duì)車輛按順序依次啟動(dòng)，第1輛排隊(duì)車輛在剛啟動(dòng)綠燈時(shí)即刻啟動(dòng)，以最大加速度加速至8.3 m/s后勻速行駛.由于后車受前車的影響，后車司機(jī)需要有足夠的反應(yīng)時(shí)間以及后車在足夠的時(shí)間內(nèi)才能啟動(dòng)，因此會(huì)產(chǎn)生啟動(dòng)延遲.在仿真過(guò)程中，啟動(dòng)延遲采用偽隨機(jī)數(shù)動(dòng)態(tài)分配延遲時(shí)間，取0.8～1.6 s.

3)勻速行駛過(guò)程

綠燈期間，進(jìn)口車道無(wú)排隊(duì)現(xiàn)象，車輛以8.3 m/s的速度勻速暢通行駛，直至駛離仿真區(qū)域.

4.2.3 交通信號(hào)控制模型

系統(tǒng)中設(shè)置了定時(shí)信號(hào)以及公交優(yōu)先智能交通信號(hào)控制器，用于不同信號(hào)配時(shí)方案情況下的交通分析.

方案1，四相位定時(shí)信號(hào)控制方案：信號(hào)周期為110 s，全紅時(shí)長(zhǎng)為2 s，黃燈時(shí)長(zhǎng)為3 s.相位1：南北向左轉(zhuǎn)，綠燈時(shí)長(zhǎng)為13 s；相位2：南北向直行，綠燈時(shí)長(zhǎng)為17 s；相位3：東西向左轉(zhuǎn)，綠燈時(shí)長(zhǎng)為20 s；相位4：東西向直行，綠燈時(shí)長(zhǎng)為40 s.

方案2，四相位公交優(yōu)先智能信號(hào)控制配時(shí)方案：仿真交叉口無(wú)轉(zhuǎn)彎公交車，綠燈時(shí)間實(shí)時(shí)調(diào)整，控制器按照實(shí)時(shí)交通流量以及公交優(yōu)先信息對(duì)直行綠燈時(shí)間進(jìn)行延長(zhǎng)或提前結(jié)束紅燈.在延長(zhǎng)綠燈時(shí)間時(shí)，最長(zhǎng)綠燈時(shí)間假設(shè)南北直行30 s，東西直行50 s；在縮短紅燈時(shí)間時(shí)，最短綠燈時(shí)間假設(shè)為15 s.

4.3 仿真程序設(shè)計(jì)

運(yùn)行仿真過(guò)程:①仿真前:選擇信號(hào)控制配時(shí)方案，設(shè)定仿真演示速度以及總的仿真時(shí)間；②仿真程序運(yùn)行中，可通過(guò)運(yùn)行、繼續(xù)、暫停等按鈕控制仿真過(guò)程；③通過(guò)退出按鈕結(jié)束仿真程序.

仿真中，仿真步長(zhǎng)設(shè)置為0.1 s.每個(gè)仿真時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)主要完成以下任務(wù)：①相位信號(hào)處理:判斷什么時(shí)刻進(jìn)行仿真相位切換，或者判斷什么時(shí)刻進(jìn)行下一次延長(zhǎng)綠燈，并執(zhí)行相關(guān)操作；②車輛掃描:按照對(duì)每個(gè)車道上車輛的掃描情況以及該信號(hào)狀態(tài)下的跟馳動(dòng)作的執(zhí)行情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)0.1 s后每輛車的位置進(jìn)行定位；③動(dòng)畫顯示:顯示車輛新的位置，顯示信號(hào)燈更新后的狀態(tài)以及相應(yīng)的時(shí)間.程序?qū)γ總€(gè)仿真時(shí)間步長(zhǎng)的動(dòng)作不斷地進(jìn)行重復(fù)執(zhí)行，直至仿真結(jié)束或暫?；蛲Ｖ?

仿真程序的用戶界面如圖7所示.

圖7 交通仿真程序的用戶界面

仿真開始前，設(shè)置相關(guān)的仿真參數(shù)，設(shè)置參數(shù)及紅綠燈信號(hào)配時(shí)方案如圖8所示.

圖8 信號(hào)配時(shí)及仿真參數(shù)表

4.4 仿真實(shí)驗(yàn)

分別對(duì)以上2種信號(hào)控制配時(shí)方案進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[5].由于仿真初始階段交通流不穩(wěn)定，因此需要采用一個(gè)較長(zhǎng)的仿真時(shí)間用于提高仿真精度，本次仿真時(shí)間設(shè)定在20 min以上.

4.5 結(jié)果分析

為了提高仿真的精確度，仿真運(yùn)行時(shí)段為0～2 000 s，其中路網(wǎng)初始化時(shí)間為200 s,數(shù)據(jù)采集時(shí)段為200～2 000 s.

在仿真過(guò)程中，當(dāng)檢測(cè)到公交車時(shí)，通過(guò)延長(zhǎng)綠燈時(shí)間或縮短紅燈時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)公交車時(shí)間通行權(quán)的優(yōu)先.2種方案的仿真分析結(jié)果如表3所示.

表3 交叉口公交優(yōu)先實(shí)施前后仿真結(jié)果匯總

從表3可看出：實(shí)行公交優(yōu)先的智能信號(hào)控制方式后，公交乘客平均延誤時(shí)間減少28.26%，所有車輛的平均延誤時(shí)間減少12.83%，交叉口平均排隊(duì)長(zhǎng)度減少22.41%.由此可見，交叉口處的公交延誤明顯降低，提高了公交車輛調(diào)度的準(zhǔn)時(shí)性.

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同信號(hào)控制方式的仿真結(jié)果分析，交叉口公交優(yōu)先智能信號(hào)控制配時(shí)方案實(shí)現(xiàn)了公交車時(shí)間通行權(quán)的優(yōu)先，提高了公共交通的通行效率，降低了公交車的延誤以及交叉口處的排隊(duì)長(zhǎng)度.將交叉口的交通組織渠化設(shè)計(jì)與智能信號(hào)控制方式相結(jié)合，能大大提高交叉口的通行能力，緩解城市道路的交通擁堵問(wèn)題.