“綠色無耗”
——基于流量數(shù)據(jù)的可變道系統(tǒng)設(shè)計

王曉楠，陳文文，毛陳晨，胡 峰

（徐州工程學(xué)院物理與新能源學(xué)院，江蘇 徐州 221111）

隨著國內(nèi)城市化的快速發(fā)展，城市功能區(qū)越來越分明，造成產(chǎn)業(yè)集中區(qū)、政務(wù)服務(wù)中心區(qū)等功能區(qū)域房價居高不下的現(xiàn)象，功能區(qū)域的主職比下降較快。同時伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，私家車的保有量逐漸增加，極大地增加了交通的運行壓力，道路擁擠，潮汐現(xiàn)象普遍出現(xiàn)。在寸土寸金的功能區(qū)域，一味擴(kuò)寬道路，會造成資源的過度浪費，也是不現(xiàn)實的。所以，如何在不改變現(xiàn)有的交通網(wǎng)絡(luò)格局的情況下，安全、有效且不消耗過多資源地緩解交通壓力，成了一個不可忽視的問題。

國內(nèi)外專家對潮汐車道的設(shè)置以及優(yōu)化進(jìn)行了廣泛而深入的探討。陳婷婷等人提出構(gòu)建雙層規(guī)劃模型來緩解路段交通流不平衡[1]；文建斌等人提出將交通誘導(dǎo)和潮汐車道控制相結(jié)合的辦法，從而避免設(shè)置潮汐車道帶來的空間資源錯位的問題[2]；魏慶琦等人基于累積前景理論和退化路網(wǎng)來優(yōu)化路網(wǎng)[3]；鄭桂傳等人利用VISSIM 仿真軟件和SSAM 軟件對潮汐車道設(shè)置進(jìn)行了運行效果的評價[4]；類似的還有魏雙秋和馬健等人的工作[5-6]。盡管“潮汐車道”的布局與測試進(jìn)行得如火如荼，但也不能全然忽視它的弊端與不完善的方面。雖然可變道控制系統(tǒng)提高了城市交通系統(tǒng)流通速率，但這些地方的交通事故率卻也逆勢上揚。所以現(xiàn)在關(guān)注的重心便在于如何在保證“潮汐車道”效率性的同時兼顧安全，這時就需要我們運用數(shù)據(jù)分析具體情況，在可變道控制系統(tǒng)自動狀態(tài)下添加人工手動模式[7]，以防止突發(fā)情況的發(fā)生。同時也要注意采集數(shù)據(jù)的多樣性，這樣會使控制方向的效率更高，更加精準(zhǔn)。

1 潮汐車道設(shè)置的依據(jù)

1.必要性。彭祖大道作為連接徐州市老城區(qū)和新城區(qū)的一條主干道，承載著新老城區(qū)東西方向的通勤要求。道路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)雙向8 車道，以及雙向獨立人行道和非機(jī)動車道。彭祖大道東段設(shè)置有大量的市級行政機(jī)關(guān)以及企事業(yè)單位，在上下班高峰期間，就易出現(xiàn)潮汐現(xiàn)象，導(dǎo)致彭祖大道道路資源分配不合理，成為困擾群眾出行的難題。

課題組經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和收集交通部門的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在早高峰時段，居于老城區(qū)的通勤人員采用自駕、公共交通等形式由西向東出行，導(dǎo)致彭祖大道東段附近出現(xiàn)嚴(yán)重的擁堵。而晚高峰工作在新城區(qū)的通勤人員大量聚集又會使得彭祖大道西段出現(xiàn)明顯的延誤問題。

這里采用馬健等人給出的方向不均勻系數(shù)量化公式[8]：

其中，K 為研究方向的不均勻系數(shù)；Q 為道路研究方向橫斷主車流量，q 為道路研究相反方向的主車流量。

根據(jù)交通部門給出的數(shù)據(jù)，利用公式（1）給出西向東的早高峰方向不均勻系數(shù)為0.87，晚高峰方向不均勻系數(shù)為0.31。與之相對應(yīng)的對向不均勻系數(shù)分別為早高峰0.13 和晚高峰0.69。從量化的數(shù)值可以看出具有明顯的潮汐現(xiàn)象，也正是本文要研究的必要性所在。

2.可行性。彭祖大道設(shè)計為直行2 車道，左右轉(zhuǎn)各1 車道，人行道和非機(jī)動車道各1 道，做到了機(jī)非分離，完全滿足潮汐車道設(shè)置要求。同時我們也發(fā)現(xiàn)早晚高峰的方向不均勻系數(shù)大于2/3，滿足流量要求。

2 基于流量數(shù)據(jù)的可變系統(tǒng)設(shè)計方案

2.1 總體方案設(shè)計

可變道控制系統(tǒng)，其特征為基于流量數(shù)據(jù)分析下的變道，系統(tǒng)包括紅外光電控制模塊、WiFi 模塊、單片機(jī)控制電路、太陽能供電等模塊。系統(tǒng)采用的是對射式的光電傳感器，一次射出光線，收光器便會接收一次信號，發(fā)出一次低電平控制信號給單片機(jī)處理層，處理層接收信號開始計數(shù)并上傳顯示層，并且開始計算，當(dāng)?shù)诙嚨赖挠嫈?shù)和第一或第三車道計數(shù)大于其中之一時，單片機(jī)會啟動舵機(jī)電源，使舵機(jī)運轉(zhuǎn)控制。此外系統(tǒng)還設(shè)置了手動控制層，通過WiFi 模塊使軟件和單片機(jī)連接，直接控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)向。車流量檢測器運用的是紅外光電傳感技術(shù)，它的作用是對實時的車流量進(jìn)行檢測統(tǒng)計，并按照設(shè)計好的時間間隔上傳到平臺。后端平臺則負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)算法計算處理需要判斷的數(shù)據(jù)，由此決定車道的運行方向。

2.2 硬軟件設(shè)計

本方案的硬件主要有STC89C52 單片機(jī)，光電傳感器，SP30 舵機(jī)模塊以及ESP8266 模塊。其中系統(tǒng)采用完全相同的三組紅外對射模塊。用紅外模塊模擬三種車道，將光電傳感器模塊的OUT 端口與STC89C52 單片機(jī)I/0 端口直接相連。由于接收器和發(fā)射器中間有一段距離，當(dāng)接收器出現(xiàn)光信號中斷時，電路板上的綠燈亮起，此時OUT 端口開始持續(xù)輸出低電平信號，代表有一輛車通過。系統(tǒng)采用的是SP30 舵機(jī)模塊，貼合本系統(tǒng)的車道變換方案的實施。利用 ESP8266 WiFi 模塊種工作模式之一的AP 模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。AP 模式的工作是使得WiFi 模塊成為一個熱點，通過連接熱點的形式讓上位機(jī)直接溝通，并通過手機(jī)端口的APP 下達(dá)指令形成控制。

程序設(shè)計采用基于C 語言軟件編程的keli5 軟件，同時電路開發(fā)與設(shè)計采用的是Altium Designer 軟件?；诹髁繑?shù)據(jù)的可變道控制系統(tǒng)的系統(tǒng)流程如圖2 所示。首先電源通電系統(tǒng)啟動，自動初始化程序，單片機(jī)讀取紅外接收器通過串行口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)并進(jìn)行簡單運算，將結(jié)果通過PWM 信號利用時鐘中斷發(fā)送給SP30 舵機(jī)實現(xiàn)功能運轉(zhuǎn)，并通過WiFi 顯示在顯示屏上。由于是循環(huán)數(shù)據(jù)系統(tǒng)，流程結(jié)束將會回到中斷程序，通過低電平復(fù)位，以此往復(fù)。

2.3 方案調(diào)試

方案實物圖如圖1 所示，設(shè)計主要功能是為了檢測數(shù)據(jù)流量的大小并由單片機(jī)通過舵機(jī)給予反饋。首先給系統(tǒng)接入5V 電源啟動，設(shè)備開始初始化，顯示歸零。初步檢查，舵機(jī)模塊位置居中，紅外模塊紅色LED 亮起，電路運行正常，WiFi 模塊發(fā)送數(shù)據(jù)正常。其次進(jìn)行數(shù)據(jù)功能檢測，用不透光的硬殼紙阻擋紅外光的直射充當(dāng)一次車流量數(shù)據(jù)，當(dāng)紙板在一、二、三卡槽一次放入，顯示屏顯示數(shù)量加一，顯示正確，系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)正常。此時系統(tǒng)舵機(jī)運轉(zhuǎn)，將系統(tǒng)一車道與二車道的計數(shù)大于三車道，大約一分鐘后，舵機(jī)右轉(zhuǎn)，功能正常。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整，功能正常，組成了基于流量數(shù)據(jù)的可變道控制系統(tǒng)設(shè)計。

圖1 系統(tǒng)實物圖

在系統(tǒng)初步完成后，經(jīng)過調(diào)式發(fā)現(xiàn)偶爾會出現(xiàn)系統(tǒng)卡頓延后的現(xiàn)象，為了增加安全性和穩(wěn)定性，后續(xù)加入了人工干預(yù)模式，實現(xiàn)了手機(jī)端對于變道系統(tǒng)的控制。

3 方案量化仿真

為了更好地驗證當(dāng)前的方案設(shè)計，我們采用PTVVISSIM 軟件對彭祖大道的主次干道、重要路口等進(jìn)行了仿真，采用鄭桂傳等人給出的模型，著重探討潮汐車道設(shè)置前后交通狀況差異化的影響，即考慮通行時間和延誤時間。

從圖2 可以看出，早高峰西向東方向在設(shè)置潮汐車道之后，通行的總時間從312 秒下降到284 秒，總的行程時間減少了11.86%。與之相對應(yīng)的，延誤時間也從原來的163 秒下降到136 秒，總的延誤時間減少了16.56%。但是值得注意的是，與之相反方向，無論是總的行程時間還是總的延誤時間都沒有明顯的改善。當(dāng)前仿真結(jié)果與鄭桂佳、馬健等人的結(jié)論相一致，即考慮的主要方向通行能力有明顯的增加，次方向通行能力下降。但是從道路使用者最大利益來說，當(dāng)前的道路資源分配還是合理的。

圖2 行程時間評價

4 結(jié)論

本系統(tǒng)通過單片機(jī)控制中心串聯(lián)，同時將流量數(shù)據(jù)統(tǒng)計、紅外光電接收、顯示等功能串聯(lián)一體，實現(xiàn)了道路變道的自動與手動控制，為道路擁堵情況提供了解決方案。系統(tǒng)的人工干預(yù)模式更是為系統(tǒng)提供了更多可以選擇的方案，當(dāng)自動模式出現(xiàn)故障或者當(dāng)現(xiàn)實中出現(xiàn)一些突發(fā)情況的時候，人工干預(yù)模式會有效地增加系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。