基于交叉口自適應(yīng)信號(hào)控制的交通事件影響下城市干路疏解方法

劉嘉欣 何建琴 劉靜然 程國(guó)柱

【摘? 要】論文針對(duì)汽車數(shù)量增速過(guò)快、交通事件頻發(fā)導(dǎo)致交通設(shè)施擁有量與需求量之間的不平衡，從而造成交叉口交通擁堵難以疏解、交通延誤情況嚴(yán)重的現(xiàn)狀，基于交叉口自適應(yīng)信號(hào)控制系統(tǒng)提出交通事件影響下的城市干路交通疏解方法，從信號(hào)配時(shí)視角規(guī)劃交通疏解方案，以期達(dá)到自適應(yīng)改變信號(hào)配時(shí)、提高道路通行能力的目的。

【Abstract】In view of the current situation that the number of vehicles is growing too fast and the frequent occurrence of traffic incidents lead to the imbalance between the ownership of traffic facilities and the demand， which makes the traffic congestion at the intersection difficult to be solved and the traffic delay is serious， the paper proposes a traffic organization method of urban arterial road under the influence of traffic incidents based on the adaptive signal control system for the intersection. From the perspective of signal timing， this paper plans the traffic organization scheme， so as to achieve the purposes of adaptively changing signal timing and improving road traffic capacity.

【關(guān)鍵詞】自適應(yīng);交通流特性;交通疏解優(yōu)化;交通仿真;信號(hào)配時(shí)

【Keywords】adaptive; traffic flow characteristics; optimization of traffic organization; traffic simulation; signal timing

【中圖分類號(hào)】U491.5+1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）05-0114-02

1 引言

由于我國(guó)城市化建設(shè)速度越來(lái)越快，發(fā)展態(tài)勢(shì)逐步上升，公民的汽車擁有量逐年增加，根據(jù)已知數(shù)據(jù)推算，未來(lái)5年內(nèi)，我國(guó)機(jī)動(dòng)車新駕車者的數(shù)量將以每年2000萬(wàn)的速度增長(zhǎng)。到2025年，中國(guó)的機(jī)動(dòng)車總數(shù)量將達(dá)到3.8億輛，數(shù)量劇增的機(jī)動(dòng)車增加了交通流的延誤概率，也給整個(gè)交通系統(tǒng)的效益造成了不可估量的損失[1]。

交叉口是車輛、行人交通匯集、轉(zhuǎn)向和疏散的必經(jīng)之處，由于資源有限而交通量增加，交叉口也是交通事件的常發(fā)地以及最容易受到道路交通事件影響造成擁堵的城市基礎(chǔ)性設(shè)施。如遇到一些突發(fā)緊急情況無(wú)法及時(shí)處理，該路口就會(huì)出現(xiàn)大面積擁堵，影響整個(gè)道路車輛通行能力[2]，而非常態(tài)化交通擁堵（交通事件下的交通擁堵）具有極大不規(guī)律性，已有的針對(duì)城市高峰型擁堵（主要由于職工上下班、學(xué)生上下學(xué)）的交叉口交通信號(hào)方式不能滿足非常規(guī)型交通擁堵。如果不能及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行疏解技術(shù)應(yīng)用，將會(huì)把交通擁堵影響由交叉口擴(kuò)散，造成更加嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失與社會(huì)損失，影響交通系統(tǒng)的服務(wù)水平，道路使用者的舒適性，或可能在拋錨、車輛違規(guī)行駛、交通意外事故等情況下發(fā)生二次事故，因此，在交叉口應(yīng)用自適應(yīng)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行擁堵疏解，將擁堵車輛引導(dǎo)流入相鄰路段，利用多路口分擔(dān)交通壓力具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本文考慮從時(shí)間因素上緩解擁堵問(wèn)題，即通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)城市路段上車輛的平均行程車速，利用交叉口自適應(yīng)信號(hào)控制理論與方法，在交叉口應(yīng)用自適應(yīng)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行擁堵疏解，將擁堵車輛引導(dǎo)流入相鄰路段，利用多路口分擔(dān)交通壓力，對(duì)于緩解因交通事件導(dǎo)致的偶發(fā)性交通擁堵、提高道路通行能力具有重要的作用和現(xiàn)實(shí)意義。

2 研究方法

2.1 方法概況

本文重點(diǎn)研究交通事件影響下如何應(yīng)用自適應(yīng)信號(hào)控制及視頻檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通事件發(fā)生地點(diǎn)的上游交叉口進(jìn)行信號(hào)配時(shí)優(yōu)化與調(diào)整，以達(dá)到交通疏解的目的。有關(guān)仿真技術(shù)在疏解方案推演中的重要作用，主要是通過(guò)全維度交通仿真技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)方案預(yù)演，并建立了一種基于仿真模型的動(dòng)態(tài)、量化評(píng)估機(jī)制，為方案的完善和應(yīng)急方案的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。擬實(shí)現(xiàn)的技術(shù)將結(jié)合檢測(cè)到的車輛平均行程速度進(jìn)行分析，結(jié)合自由流速度標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行擁堵程度的判定。若交通擁堵在可接受程度內(nèi)，對(duì)進(jìn)入該擁堵區(qū)域的上游交叉口的綠燈時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行周期性調(diào)整，以確保不再加劇交通擁堵;若到達(dá)人們不可接受的嚴(yán)重?fù)矶聽(tīng)顟B(tài)，即達(dá)到取消駛?cè)虢煌〒矶侣范蜗辔粚?duì)應(yīng)的交通流參數(shù)閾值，系統(tǒng)便以不再加劇路段交通擁堵為原則，自動(dòng)切斷進(jìn)入該擁堵區(qū)域的綠燈相位，待擁堵?tīng)顩r緩解以后，車輛才可以進(jìn)入;若交通擁堵得到緩解，則按照周期恢復(fù)相應(yīng)的綠燈時(shí)長(zhǎng)。

2.2 參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

按照GB/T 33171—2016《城市交通運(yùn)行狀況評(píng)價(jià)規(guī)范》進(jìn)行自由流速度的確定。針對(duì)評(píng)價(jià)路段按如下步驟進(jìn)行計(jì)算，單位為千米每小時(shí)（km/h）：

將6∶00～24∶00按給定時(shí)間間隔等分，其間隔長(zhǎng)度不超過(guò)15min;計(jì)算每一時(shí)間間隔平均行程速度的算術(shù)平均值，樣本天數(shù)應(yīng)不少于30d：

Vf=

式中（本模型取時(shí)間間隔為15min）：

Vf表示評(píng)價(jià)路段的自由流速度;

i表示單位時(shí)段（15min）內(nèi)第i輛車的平均行程速度;

N表示單位時(shí)段（15min）內(nèi)通過(guò)車輛總數(shù)。

將計(jì)算出的平均值從大到小排序，取排序結(jié)果的前1/9進(jìn)行平均，其結(jié)果作為路段自由流速度;當(dāng)計(jì)算得到的自由流速度超過(guò)道路限速時(shí)取限速。

選取東北林業(yè)大學(xué)外和興路路段為例，根據(jù)自由流速度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)記錄和計(jì)算，得出該路段實(shí)際的自由流速度為42km/h。

本模型路段交通運(yùn)行狀況等級(jí)劃分：

路段交通運(yùn)行狀況等級(jí)按照路段平均行程速度與自由流速度的關(guān)系劃分為如下5個(gè)等級(jí)：①路段平均行程速度大于自由流速度的70%為暢通等級(jí);②路段平均行程速度大于自由流速度的50%且小于或等于自由流速度的70%時(shí)為基本暢通等級(jí);③路段平均行程速度大于自由流速度的40%且小于或等于自由流速度的50%時(shí)為輕度擁堵等級(jí);④路段平均行程速度大于自由流速度的30%且小于或等于自由流速度的40%時(shí)為中度擁堵等級(jí);⑤當(dāng)路段平均行程速度小于或等于自由流速度的30%時(shí)為嚴(yán)重?fù)矶碌燃?jí)。

3 交通疏解方法

當(dāng)路段發(fā)生交通事件時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)事件發(fā)生路段平均行程速度Vkj，當(dāng)Vkj≤Vf×50%時(shí)，表示道路路段出現(xiàn)擁堵，此時(shí)需要實(shí)施交叉口自適應(yīng)交通信號(hào)技術(shù)，調(diào)節(jié)信號(hào)燈時(shí)間以實(shí)現(xiàn)擁堵路段的疏解，具體調(diào)節(jié)方法如下：

①首先檢測(cè)擁堵程度，若為輕度擁堵，則在原有綠燈時(shí)間S0=35s基礎(chǔ)上，將通往交通事件路段的信號(hào)相位綠燈時(shí)間減去一個(gè)單位時(shí)長(zhǎng)N=4s，通往相鄰路段的綠燈時(shí)長(zhǎng)各相應(yīng)增加4s，保證信號(hào)相位周期時(shí)長(zhǎng)保持不變;若下一周期檢測(cè)到的擁堵程度均為輕度擁堵，則在上一周期基礎(chǔ)上再次減4s;若減少到19s（4個(gè)周期）則保持綠燈時(shí)間不變，以最小綠燈時(shí)間19s運(yùn)行。②若擁堵程度為中等擁堵，則將通往交通事件路段的信號(hào)相位綠燈時(shí)間減去2個(gè)單位時(shí)長(zhǎng)N=4s，即減去8s，通往相鄰路段的綠燈時(shí)長(zhǎng)各相應(yīng)增加8s;每一綠燈周期結(jié)束再次檢測(cè)速度，若仍中等擁堵，再次減8s，若為輕度擁堵，則對(duì)應(yīng)減4s;若減少到19s則保持綠燈時(shí)間不變，以最小綠燈時(shí)間19s運(yùn)行。③若擁堵程度為嚴(yán)重?fù)矶?，則取消綠燈時(shí)間。④通過(guò)反復(fù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路段的Vkj并作出比較判斷，實(shí)現(xiàn)綠燈時(shí)長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化，最終使Vkj>Vf×50%，若此時(shí)為不再擁堵的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的綠燈時(shí)長(zhǎng)S小于初始綠燈時(shí)間S0，則增加1個(gè)單位綠燈時(shí)長(zhǎng)N=4s，同時(shí)，檢測(cè)路段的，保證Vkj>Vf×50%，直到當(dāng)前綠燈時(shí)長(zhǎng)S與初始綠燈時(shí)長(zhǎng)相等，則信號(hào)燈調(diào)控結(jié)束，運(yùn)行信號(hào)燈原有綠燈周期。

4 交通仿真

仿真系統(tǒng)隨機(jī)給出速度20km/h，檢測(cè)到Vf×40%

5 結(jié)論

本文基于交叉口自適應(yīng)信號(hào)控制技術(shù)，開(kāi)展交通事件影響下城市干路交通疏解技術(shù)研究，提出了一種減少綠燈時(shí)間的信號(hào)配時(shí)方案。①通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)路段上的車輛平均行程車速的大小判斷道路運(yùn)行狀況，并按照上文提到的信號(hào)燈配時(shí)方法實(shí)現(xiàn)交叉口信號(hào)燈的動(dòng)態(tài)變化，從而達(dá)到緩解路段交通擁堵的目的。②經(jīng)研究得到一種用于研究疏解干路擁堵的疏解方法，此方法對(duì)提高道路通行能力，緩解城市干路交通壓力具有可實(shí)際應(yīng)用性[3]。

但在實(shí)際應(yīng)用中，此系統(tǒng)效用的良好發(fā)揮必須依靠正確獲取交通流狀態(tài)，因此，需要專業(yè)充足的檢測(cè)、通信設(shè)備以及專業(yè)運(yùn)行人員。應(yīng)用本系統(tǒng)的前提是確定好應(yīng)用路段范圍以及確保系統(tǒng)邏輯符合路段實(shí)際情況，這些準(zhǔn)備所需的前期調(diào)查工作以及后續(xù)監(jiān)測(cè)工作量是很大的。

【參考文獻(xiàn)】

【1】李嘉屹，巴興強(qiáng)，吳大偉.可恢復(fù)的自適應(yīng)式交通信號(hào)燈設(shè)計(jì)說(shuō)明[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2020（30）：101-103.

【2】占雅聰，劉寬，施忠祥，等.基于單片機(jī)的智能交通燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2020（8）：15-16.

【3】DI Robertson，RD Bretherton.Optimizing networks of traffic signals in real time-the SCOOT method[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，1991，40（1）：11-15.