提高智慧交通全感應(yīng)平交路口通行能力的實戰(zhàn)及案例分析

鮮 亮,曾 勝,余智強

（成都市公安局天府新區(qū)分局交警支隊,四川 成都 610000）

0 引言

該文以該轄區(qū)交通相對較為繁華的麓山大道為例，就如何根據(jù)交通流的變化，選用和配置實時可用的控制方式，利用中心智能化控制的交通信號控制，實現(xiàn)多種控制方式的交替融合，通過交通信號的控制實現(xiàn)路口通行空間和時間的最大化、最優(yōu)化利用，緩解了交通設(shè)施智能化不足及交通數(shù)據(jù)不夠完善等現(xiàn)實困難，全方位推動數(shù)據(jù)驅(qū)動的智慧交通落地進程，提升道路交通服務(wù)水平，改善城市居民出行體驗，推動智慧交通進一步發(fā)展。

1 工程建設(shè)情況

“四川天府新區(qū)成都直管區(qū)數(shù)字城市建設(shè)2020—2021 年行動計劃”智慧出行場景項目從2021 年開始建設(shè)，2022 年底進入試運行。項目選擇在四川天府新區(qū)成都直管區(qū)交通較為繁華路段——麓山大道（11.9 km）和交通正在成形路段——科學(xué)城湖畔路（8.1 km），共計20 km 的路段上，完成35 個路口的智能化交通信號改造，布設(shè)?？低曋悄芙煌ㄐ盘枡C35 套、雷視一體機109 套、人行攝像機180 臺，智慧交通信號控制平臺一套，實現(xiàn)了上述兩路段交通流全感應(yīng)和信號燈的智能聯(lián)網(wǎng)控制。

該文以該轄區(qū)交通相對繁華的麓山大道為例，從實戰(zhàn)和案例出發(fā)，就如何根據(jù)交通流的變化，選用和配置實時可用的控制方式，如何實現(xiàn)多種控制方式的交替融合，以及如何通過交通信號的控制，實現(xiàn)路口通行空間和時間的最大化、最優(yōu)化利用等，詳細剖析、逐步推出解決的方案和最優(yōu)化的途徑，為基層交警部門提高智慧交通應(yīng)用水平提供有益參考。

2 麓山大道現(xiàn)狀

麓山大道東連龍泉驛區(qū)，西連雙流區(qū)，是四川天府新區(qū)成都直管區(qū)東西橫向交通的主干線之一。智慧化建設(shè)范圍全長11.9 km，雙向6 車道，共13 個路口，日平均通行量68.3 萬輛/d。

項目實施前，麓山大道高峰期擁堵的路口有7 個，高峰期幾乎都不能在一個綠信周期內(nèi)排空路口，主要存在的問題如下：

（1）信號燈控制策略單一。例如：麓山大道二段麓山國際2 號門路口、麓山大道二段與萬安路交叉口、麓山大道二段與白沙街交叉口等路口都是配置了一組信號燈控制策略，沒有根據(jù)平峰期、高峰期的車流變化分別進行配置。

（2）部分路口行人過街通行時間不夠。例如：麓山大道一段半山艾馬仕路口、麓山大道三段白沙村路口。

（3）部分路口支路放行時間過長，存在空放狀態(tài)。例如：麓山大道一段藍山美樹路口南北向。

（4）部分路口干路放行時間不夠，通行車輛最少要等候2 個綠信周期才能通過。例如：麓山大道二段麓山國際1 號門路口、麓山大道二段與遂州路交叉口。

（5）部分路口左轉(zhuǎn)、掉頭車輛較多，致使路口左轉(zhuǎn)掉頭方向排行較長。例如：麓山大道二段中石油加油站路口、麓山大道二段麓山國際1 號門路口。

（6）整個路段建設(shè)發(fā)展較快，路段平均車流量在逐漸增加。2023 年2 月與2023 年4 月相比，路段平均車流量增加了10%左右。

（7）路段平峰期與高峰期的時間周期，工作日和周末（節(jié)假日）也有所差異。

3 麓山大道信號優(yōu)化策略、步驟及成效

信號燈配時優(yōu)化的整體目的是提升交通運行效率，即在保證滿足交通需求的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化交通控制環(huán)節(jié)，節(jié)省出行時間、減少出行排放等。由于該系統(tǒng)在路面安裝了足夠的路面感知設(shè)備（雷視一體機、人行攝像機），故諸如行車數(shù)量、行駛速度、行人數(shù)量、行人過街時間等數(shù)據(jù)，都可以在系統(tǒng)中直觀地提取[1]。

該系統(tǒng)平臺提供了不同級別的控制方式，其中既有傳統(tǒng)的策略控制（固定配時方案），也有較為智能化的感應(yīng)控制（自適應(yīng)控制）。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)平臺的感應(yīng)控制并非全智能化的控制協(xié)調(diào)，其基本原理為先根據(jù)預(yù)設(shè)的相位綠燈最短時間進行綠燈操作，而后根據(jù)感應(yīng)到的前端傳感器狀態(tài)來決定是否繼續(xù)延長綠燈時間。故其基本功能是在策略控制的基礎(chǔ)上，解決策略控制比較呆板、不能實時根據(jù)車流的瞬時變化進行調(diào)整的問題。其著眼點還是在解決單點控制的自適應(yīng)，是策略控制的智能化強化。所以，在配置感應(yīng)控制之前，還是要按照策略控制（固定配時方案）的配置步驟，率先完成交通流量的參數(shù)分析。

3.1 高峰/平峰時段的聚類分析

系統(tǒng)平臺提供了多種數(shù)據(jù)查詢功能，可以輕松獲取每個路口的交通流量信息，通過數(shù)據(jù)匯總，具體如圖1~2所示。

圖1 麓山大道工作日交通流量匯總

圖2 麓山大道休息日交通流量匯總

工作日交通流量高峰時段為7：00—9：30；16：00—19：00。

休息日交通流量高峰時段為8：00—18：30。

顯而易見，麓山大道日均機動車流量在休息日（含周末和節(jié)假日）略高于工作日，但在出行時段分布上呈現(xiàn)的是兩個完全不同的分布規(guī)律，在工作日有早高峰和晚高峰兩個明顯的波形分布，而在休息日只出現(xiàn)了一個波形分布，故在交通信號的設(shè)置上須分步實施。

3.2 信號燈周期推算

3.2.1 最短信號周期

最短信號周期，顧名思義就是滿足交叉口通行能力要求所需要的周期時長底限值，通俗地講就是一個周期內(nèi)到達交叉口的車輛恰好能被放行完，既無滯留車輛，也無富裕綠燈時間。其計算方式如公式（1）所示：

式中，Cm——最短信號周期時長（s）；L——全部關(guān)鍵車流總的綠燈損失時間（s）；Y——全部關(guān)鍵車流總的交通流量比。

3.2.2 韋伯斯特最佳信號周期

韋伯斯特最佳信號周期以車輛總延誤時間最小為標準，通過多次簡化后，得到如下公式（2）所示：

式中，L——信號燈周期的總損失時間（包括有各綠燈時間的前損失、后損失及相位全紅時間等）；Y——各關(guān)鍵相位關(guān)鍵車道的車流量比之和。

3.2.3 阿克塞立克最佳信號周期

在韋伯斯特最佳周期時長計算時，流量比不大于0.9，而流量比應(yīng)小于飽和度，所以公式流量比大于0.9 時，公式不再適用，計算的延誤越不正確，所以就需要用到第三個周期時長方法。

阿克塞立克最佳信號周期時長，將關(guān)鍵車流平均停車次數(shù)和延誤時間合在一起作為評價配時方案的綜合指標，其中綜合指標最小的信號周期時長即為阿克塞立克最佳信號周期時長。其計算方式如公式（3）所示：

式中，K——關(guān)鍵車流平均停車次數(shù)h的加權(quán)系數(shù)，K又稱為停車補償系數(shù)，要使燃油消耗最少，K的取值為0.4；要使營運費用最少，K取值為0.2；要使關(guān)鍵車流總延誤時間最短，K取值應(yīng)為0；要使關(guān)鍵車流總排隊長度最小，K的取值應(yīng)為-0.3。各路口信號周期推算如表1所示。

表 1 各路口信號周期推算

3.3 干線協(xié)調(diào)信號配時優(yōu)化

就麓山大道而言，系四川天府新區(qū)東西向的主干道，路段到達型路口有8 個，占路段路口總數(shù)的61.54%，并且還有一個行人過街路口（南北向不通行機動車），所以，提升東西向干線運行效率，減小東西干線通行方向旅行時間延誤，保證非干線的南北向車輛及行人通行服務(wù)，是該次交通信號燈優(yōu)化的主要目標。麓山大道各路口南北向行人過街時間估算如表2 所示，相鄰路口信號周期時差推算（機動車）如表3 所示。

3.4 路段分級感應(yīng)控制優(yōu)化

行人過街感應(yīng)控制如圖3 所示。麓山大道全段，只有一個路口為行人過街路口，即南北向不通過機動車，只有行人和非機動車通過。對于這個比較特殊的路口，擬通過已建設(shè)的行人過街攝像機對路口等候過街行人進行檢測，然后根據(jù)等候過街行人的數(shù)量，分級別對過街行人進行放行，若沒有過街需求時，東西向常亮綠燈，確保東西向機動車的最大通行。具體如下：當發(fā)現(xiàn)1 名行人等候時，信號燈90 s 后切換放行；當發(fā)現(xiàn)2 名行人等候時，信號燈60 s 后切換放行；當發(fā)現(xiàn)3 個或3 個以上行人等候時，信號燈30 s后切換放行。

圖3 行人過街感應(yīng)控制

3.5 定周期分時段策略控制

在麓山大道，最終目標是實現(xiàn)全路段的感應(yīng)控制（自適應(yīng)控制），但就目前設(shè)備和系統(tǒng)而言，感應(yīng)控制只能實現(xiàn)單點自適應(yīng)的感應(yīng)控制，故目前的感應(yīng)控制只能解決單獨路口瞬時變化車流的自適應(yīng)變化，所以感應(yīng)控制是定周期策略控制的延伸和補充，定周期策略控制是實現(xiàn)感應(yīng)控制的前提和基礎(chǔ)，故先行對各路口進行定周期策略配置[2]。

表 2 麓山大道各路口南北向行人過街時間估算

表 3 相鄰路口信號周期時差推算（機動車）

3.6 感應(yīng)控制策略的編輯和下發(fā)

在定周期策略控制的基礎(chǔ)上，對麓山大道全段進行感應(yīng)控制相位配置，使路口信號燈控制時長可以根據(jù)車流的瞬時變化和高平鋒車流變化，自動延長相位的時長，同時也摒棄了高峰和平峰的分時控制，使主道車流通過更智能、更簡捷。各路口感應(yīng)相位配時情況如表4 所示。

表 4 各路口感應(yīng)相位配時

3.7 優(yōu)化后交通指標和成效分析

根據(jù)表5 所示麓山大道各交叉路口運行評價指標情況可得知：麓山大道全段實行感應(yīng)控制優(yōu)化后，平均延誤時間由原來的18.97 s 減少到5.86 s，減少69.14%；道路通行平均飽和度由原來的87.68%提升到88.86%，提升率1.18%；高峰期平均停車次數(shù)由原來的每個路口2 次減少到每個路口約1 次，部分路口做到了無停頓通過；高峰期路口平均排隊長度由原來的9 輛減少到2 輛；高峰期路口通行能力已基本滿足通行需求，基本實現(xiàn)了全路段降低車輛旅行時間延誤和提升干線運行效率的目標，同時對保障非干線車輛和行人通行需求和提升城市道路通行服務(wù)水平均進行了有益嘗試，為主動式交通管理、智能化交通管理和交通數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用提供了切實可行的實踐依據(jù)。

3.8 車輛全段平均通行時間對比

機動車輛通過全路段13 個路口（約12 km）的通行時間由原來的平峰期17 min 57 s，高峰期19 min 51 s，減少的平峰期14 min 8 s，高峰期15 min 52 s，通行效率約提升20%。

4 結(jié)論

隨著城市社會經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化進程不斷加快，居民出行交通需求增長迅猛，機動車擁有量不斷增加，道路系統(tǒng)趨于飽和，而交通設(shè)施建設(shè)不夠完善，導(dǎo)致交通供需矛盾突出。為切實解決城市交通擁堵問題，在交通管理方面，應(yīng)該以整體感知為基礎(chǔ)，積極推行全域聯(lián)網(wǎng)、集中運算、中心智能化控制的交通信號控制方法，努力克服交通設(shè)施智能化不夠，交通數(shù)據(jù)不夠完善等現(xiàn)實困難，全力推動數(shù)據(jù)驅(qū)動的智慧交通落地進程，為提升道路交通服務(wù)水平，提高城市居民出行體驗，作出應(yīng)有的貢獻。該文所述實戰(zhàn)案例，是智慧交通建設(shè)中基層應(yīng)用的有益實踐和逐步漸進的實現(xiàn)方法步驟，可以為類似的交通信號燈感應(yīng)控制提供實戰(zhàn)經(jīng)驗。

表 5 成效－麓山大道各交叉路口運行評價指標