智能交通在城市信號(hào)交叉口應(yīng)用研究綜述

張德凱 秦洪彬

關(guān)鍵詞 智能交通;信號(hào)交叉口;交通違章監(jiān)控系統(tǒng);交通控制管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào) U495 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）04-0017-03

0 引言

城市道路平面交叉口是城市道路的相交處，不同來向、去向的車輛在道路交叉口處反復(fù)分流、合流，車流交織的過程中極易發(fā)生沖突，從而導(dǎo)致交通事故。平面交叉口也是整個(gè)城市道路網(wǎng)通行能力的瓶頸處，車輛在平面交叉口處為避免嚴(yán)重的沖突，存在通行時(shí)間上的先后順序，這就導(dǎo)致了車輛的延誤和交通擁堵，使得交叉口處車輛的通行能力明顯小于路段的通行能力。城市道路平面交叉口需要解決的兩個(gè)重要問題就是：減少交叉口處的事故（安全）和緩解交通擁堵（快速通過）。解決以上兩個(gè)問題的傳統(tǒng)方法，一是在交叉口處對路面進(jìn)行渠化，對道路的空間資源進(jìn)行分配，使車輛各行其道，避免空間上的相互干擾。二是設(shè)置交通信號(hào)燈，通過安排車輛在交叉口通行的先后順序，在時(shí)間上將沖突分離開來，通過合理的配時(shí)使車輛在交叉口處的延誤保持在能夠接受的水平。

然而，當(dāng)面臨現(xiàn)實(shí)中日益增長的交通出行需求和更為復(fù)雜的交通狀況，智能交通給出了改善以上問題的新的技術(shù)手段。智能交通系統(tǒng)是將先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)有效地綜合運(yùn)用于交通運(yùn)輸系統(tǒng)，加強(qiáng)車輛、道路、使用者三者之間的聯(lián)系，從而形成一種保障安全、提高效率、改善環(huán)境、節(jié)約能源的綜合運(yùn)輸系統(tǒng)。在減少交叉口事故方面，交通違章監(jiān)控系統(tǒng)通過對交通違法行為進(jìn)行威懾，能夠降低交通違法和交通事故的發(fā)生，且在沒有安裝電子警察的交叉口發(fā)現(xiàn)其交通違法率也在降低。在緩解交通擁堵方面，交通控制管理系統(tǒng)通過獲取道路網(wǎng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整信號(hào)控制，以緩解交通擁堵的問題。

該文從交通違章監(jiān)控系統(tǒng)和交通控制管理系統(tǒng)兩個(gè)方面對智能交通在城市道路平面交叉口處的應(yīng)用展開論述。

1 交通違章監(jiān)控系統(tǒng)

交通違章監(jiān)控系統(tǒng)俗稱“電子警察”。車輛在交叉口處的違章行為多見于闖紅燈、超速等情況，容易導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故。“電子警察”通常由檢測模塊、抓拍相機(jī)和閃光燈等構(gòu)成，通過對違法行駛的車輛進(jìn)行識(shí)別和處理，確保車流安全有序行進(jìn)。

1.1 應(yīng)用效用

根據(jù)美國公路保險(xiǎn)協(xié)會(huì)2000年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在交通違章監(jiān)控系統(tǒng)沒有普及的1992年至1998年間，每年有大約6 000人在車輛闖紅燈的交通事故中死亡，此外還有約140萬人在該類交通事故中受傷。車輛闖紅燈的違法行為一直被認(rèn)為是導(dǎo)致交叉口處發(fā)生車輛嚴(yán)重相撞事故的原因。澳大利亞3個(gè)州在1994年至1998年間有15%～21%的交通事故與闖紅燈有關(guān)。

有國外研究發(fā)現(xiàn)，車輛在到達(dá)信號(hào)交叉口之前以較高速度行駛?cè)菀讓?dǎo)致在黃燈期間甚至是紅燈時(shí)通過交叉口。信號(hào)交叉口黃燈兩難區(qū)的存在導(dǎo)致了以上情況的發(fā)生，部分駕駛員選擇在黃燈啟亮后放棄減速停駛而選擇繼續(xù)保持快速通過從而對交叉口的安全產(chǎn)生負(fù)面影響。

“電子警察”能減少由于車輛闖紅燈而導(dǎo)致的相撞事故（尤其是直角碰撞）。經(jīng)過駕駛員的學(xué)習(xí)和了解后，“電子執(zhí)法”能減少信號(hào)交叉口處40%～50%的車輛違法行為;在一些沒有“電子警察”的交叉口，車輛的交通違法行為也在減少。然而，在布設(shè)交通違章監(jiān)控系統(tǒng)后，車輛追尾事故卻有所增加?！半娮泳臁钡氖褂檬沟眯盘?hào)交叉口事故數(shù)量降低25%～30%。由于電子執(zhí)法對駕駛員的威懾作用，安裝“電子警察”對綠燈末期以及綠燈初期車輛的闖紅燈違法行為都有顯著的影響：“電子警察”使綠燈末期、綠燈初期車輛闖紅燈違法率分別降低約15%和30%。

盡管電子執(zhí)法能夠有效減少交通事故發(fā)生的數(shù)量，但一旦發(fā)生交通事故，其嚴(yán)重程度往往更加劇烈。此外，電子執(zhí)法實(shí)施后，車輛刮撞行人的交通事故發(fā)生更為頻繁（事故率增加約17%），這與駕駛員因在綠燈末期、綠燈初期搶紅燈加速通過交叉口而不注意行人過街或發(fā)現(xiàn)行人后來不及剎車有關(guān)[1]。

1.2 應(yīng)用研究

針對駕駛員注意力集中在道路狀況及交通信號(hào)上，而無法每次都能注意到“電子警察”存在的情況，研究表明設(shè)置提示標(biāo)志是十分必要的。交通提示標(biāo)志能夠提升電子執(zhí)法的威懾力，從而降低電子執(zhí)法環(huán)境下車輛的交通違法率。

與發(fā)達(dá)國家相比，我國電子執(zhí)法在減少交通事故率方面更有成效。此外，與發(fā)達(dá)國家安裝電子執(zhí)法設(shè)施后“車輛追尾事故增加，但總的交通事故死傷人數(shù)下降”的情況不同，我國刮撞行人的交通事故數(shù)量明顯增加，且事故導(dǎo)致死傷人數(shù)的比例也大幅上升。

2 交通控制管理系統(tǒng)

2.1 城市交通信號(hào)燈

城市道路交叉口的信號(hào)燈是最基本的交通管理控制設(shè)施。通過在平面交叉口處設(shè)置信號(hào)燈，能夠在時(shí)間上分離車流之間沖突，減少交通事故的發(fā)生。由于交通信號(hào)燈的存在，產(chǎn)生了車輛的延誤，造成了交叉口各進(jìn)口道的通行能力明顯小于對應(yīng)路段的通行能力。

為了解決這一問題，一方面通過設(shè)立待行區(qū)等渠化手段增加綠燈期間的車輛通過數(shù)量，一定程度上緩解交通擁堵;另一方面，通過設(shè)立信號(hào)倒計(jì)時(shí)器提醒駕駛員在紅燈末期早做準(zhǔn)備以便在綠燈時(shí)盡快通過，也可以給予綠燈末期在路段上行駛的駕駛員以時(shí)間上的參考，避免綠燈末期闖紅燈的行為。然而，也有駕駛員想要在等待期間提前通過交叉口，導(dǎo)致了車輛在綠燈初期闖紅燈行為的發(fā)生。

研究發(fā)現(xiàn)，安裝交通信號(hào)倒計(jì)時(shí)器之初，車輛闖紅燈的數(shù)量相對減少了72%;但是當(dāng)大部分的駕駛員適應(yīng)了交通信號(hào)倒計(jì)時(shí)后，闖紅燈的違法率又恢復(fù)到了之前的水平。

研究發(fā)現(xiàn)，在綠燈末期，有交通信號(hào)倒計(jì)時(shí)的交叉口與沒有信號(hào)倒計(jì)時(shí)的交叉口相比，其闖紅燈的違法率僅增加了2.4%，交通信號(hào)倒計(jì)時(shí)對綠燈末期車輛的闖紅燈違法行為沒有顯著影響;在綠燈初期，這一比例為151.2%，安裝信號(hào)倒計(jì)時(shí)會(huì)對交叉口綠燈初期車輛的闖紅燈違法行為有顯著影響，導(dǎo)致綠燈初期車輛的闖紅燈行為大大增加。

2.2 信號(hào)控制方式

信號(hào)控制的方法大致分為點(diǎn)控、線控和面控。點(diǎn)控適用于相鄰信號(hào)交叉口間距較遠(yuǎn)的，線控效果差的或者交通需求變動(dòng)較大，其交叉口周期長度和綠信比的單獨(dú)控制比線控效果更好的情況;線控是把一條道路上幾個(gè)連續(xù)的信號(hào)機(jī)在時(shí)間上連接起來進(jìn)行信號(hào)控制，通過減少車輛的停駛次數(shù)進(jìn)而降低延誤。面控是在大面積的道路網(wǎng)上將多臺(tái)信號(hào)機(jī)采用集中控制的方式，對于每一個(gè)子區(qū)給出最佳的控制周期。

2.2.1 點(diǎn)控

Chen等[2]提出了“基于車路通信環(huán)境的單交叉口自適應(yīng)控制方法”，建立了單個(gè)信號(hào)交叉口的控制模型。針對單個(gè)交叉口的情況，提出運(yùn)用車路通信的方式獲取車輛行進(jìn)數(shù)據(jù)，并運(yùn)用運(yùn)籌學(xué)的方法對交叉口信號(hào)控制參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化是一種可行的方法。

為解決車路協(xié)同環(huán)境下單個(gè)交叉口自適應(yīng)控制優(yōu)化策略，周建山等[3]提出了動(dòng)態(tài)OD矩陣估計(jì)模型，并基于交通流模式識(shí)別得到了一種控制優(yōu)化方法。

張存保等[4]給出了單個(gè)車輛的延誤和停車次數(shù)的計(jì)算方法，并以整個(gè)交叉口范圍內(nèi)車輛的延誤和停車次數(shù)最小為優(yōu)化目標(biāo)，建立了參數(shù)優(yōu)化模型。張存保等[5]通過引入基于時(shí)間窗的滾動(dòng)預(yù)測方法，提出了一套信號(hào)控制優(yōu)化流程。

2.2.2 線控

對于一定范圍內(nèi)的交叉口，若交叉口間的距離較近且交叉口處的機(jī)動(dòng)車流量較為穩(wěn)定，那么可以采用線控的方式通過把相鄰幾個(gè)交叉口的信號(hào)控制機(jī)設(shè)置為相同的周期時(shí)長，在確定各交叉口信號(hào)控制方案的相位差的前提下實(shí)現(xiàn)對車輛通行的綠波帶控制。

2.2.3 面控

單個(gè)信號(hào)交叉口的最優(yōu)化并不能代表整個(gè)城市的最優(yōu)化，為實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市交通運(yùn)行的最優(yōu)化，需要對城市的所有交叉口都進(jìn)行優(yōu)化。目前運(yùn)用最為廣泛的是澳大利亞的SCATS系統(tǒng)（悉尼協(xié)調(diào)自適應(yīng)交通系統(tǒng)）和英國的SCOOT系統(tǒng)（實(shí)時(shí)自適應(yīng)交通信號(hào)控制系統(tǒng)）。

彭信林等[6]針對必須通過專用軟件才能提取SCATS系統(tǒng)中交通數(shù)據(jù)的問題，開發(fā)了一種SCATS數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過SCATS提供的ITS接口采集交通數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于SQL Sever 2000數(shù)據(jù)庫中。

針對國內(nèi)外車流組成不同的情況（國外為較為純凈的機(jī)動(dòng)車流，國內(nèi)為混合車流），戎承恕[7]提出要在混合交通流條件下發(fā)揮SCATS應(yīng)有的作用，要做到以下4點(diǎn)：

（1）將優(yōu)化信號(hào)控制與做好交叉口處的交通組織相結(jié)合;

（2）提高技術(shù)人員對于SCATS系統(tǒng)的應(yīng)用水平;

（3）提高操作人員的信號(hào)調(diào)控水平;

（4）通過上下聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)優(yōu)化配時(shí)。

鄭楷柱等[8]通過研究SCATS與BRT的結(jié)合問題，提出主動(dòng)信號(hào)技術(shù)是比較適合設(shè)有中央公交專用道形式的BRT。

陳智等[9]根據(jù)國內(nèi)交通狀況，基于SCOOT系統(tǒng)對兩相鄰路口的協(xié)調(diào)控制提出了四種控制方法，即“兩個(gè)Junction對應(yīng)1個(gè)Node”“單周期控制”“雙周期控制”和“大小周期控制”，可以協(xié)調(diào)交叉口信號(hào)控制，從而提高城市交通系統(tǒng)的運(yùn)行效率。在系統(tǒng)精度方面，將基于藍(lán)牙的車輛檢測技術(shù)應(yīng)用于SCOOT系統(tǒng)是可行的，且藍(lán)牙車輛檢測器可以提升SCOOT系統(tǒng)的精度。類似的，運(yùn)用視頻攝像機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的車輛檢測器實(shí)現(xiàn)對機(jī)動(dòng)車輛的檢測，能夠在城市交叉口信號(hào)控制方面取得比較理想的效果。

劉越偉等[10]開展了基于SCOOT系統(tǒng)的交叉口信號(hào)倒計(jì)時(shí)研究，提出了全程倒計(jì)時(shí)顯示方式。在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，結(jié)合自學(xué)式倒計(jì)時(shí)器特點(diǎn)，對軟硬件進(jìn)行改造優(yōu)化，能夠適應(yīng)信號(hào)機(jī)的多種信號(hào)控制模式。

3 總結(jié)與展望

20世紀(jì)70年代，我國開始建設(shè)自己的智能交通系統(tǒng)，經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，智能交通系統(tǒng)在信號(hào)交叉口的應(yīng)用已經(jīng)取得了巨大的成效，對于提升交通安全、提高城市交叉口的運(yùn)行效率具有顯著的作用。同時(shí)，也帶來了一些新的問題，比如當(dāng)交叉口信號(hào)燈采用倒計(jì)時(shí)形式時(shí)，容易導(dǎo)致刮撞行人事故率的提高以及綠燈初期車輛闖紅燈的違法行為增加等。針對這些現(xiàn)象，加強(qiáng)對駕駛員的宣傳教育是當(dāng)務(wù)之急。對于交通控制管理，面向城市層面的協(xié)調(diào)控制是今后發(fā)展的重點(diǎn)。隨著第五代通信技術(shù)的成熟和逐漸商用，加之強(qiáng)大的云計(jì)算技術(shù)，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取、傳輸、處理能夠擺脫滯后性，同時(shí)更加快速的數(shù)據(jù)傳輸速度能夠?qū)⑻幚砗蟮臄?shù)據(jù)及時(shí)反饋給駕駛員，人、車、路協(xié)同成為可能。

智能交通是建設(shè)智慧城市的重要一環(huán)，但目前國內(nèi)很多城市的智能交通系統(tǒng)仍停滯于視頻監(jiān)控等方面，并且與之匹配的智能化管理與智能化信息服務(wù)的水平較低，ITS并未完全發(fā)揮其活力。因此，加強(qiáng)對交通管理人員的培訓(xùn)、加快建設(shè)智能網(wǎng)聯(lián)平臺(tái)是智能交通系統(tǒng)高效運(yùn)行的保證。

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