基于雨量值分析的新型交通信號燈研究

秦貝寧， 何永明， 樊文一鳴， 陳峻德

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著城市化進程的加快和機動車保有量的迅猛增長，國內(nèi)外城市的交通擁堵問題日益嚴峻。交叉口作為城市道路網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點，其運行效率極為重要，直接影響整個路網(wǎng)的服務(wù)水平。目前，大部分交叉口交通信號燈信號周期固定，不能隨車流量的變化而變化，導(dǎo)致交叉口擁堵。天氣因素在眾多的擁堵致因中，不可忽視。城市交叉口的控制方案以晴天的交通流特性為主，極少考慮降雨天氣，而我國大部分地區(qū)每年都要經(jīng)歷不同程度的降雨，尤其是南方地區(qū)，降雨天數(shù)達到全年的三分之一到二分之一[1-3]。因此，在交叉口信號燈配時方面，考慮降雨天氣對交通流的影響，能夠在一定程度上提高交叉口的通行效率，將降雨對城市交通系統(tǒng)造成的損失減少到最低。

對基于雨量值分析的新型交通信號燈進行了研究，該裝置從降雨天氣出發(fā)，以單位周期內(nèi)的雨量值作為分析主體，對信號燈的配時周期進行優(yōu)化計算，該裝置能對降雨情況進行實時監(jiān)測分析，同時優(yōu)化信號的配時周期，能夠改善城市交叉口降雨天氣下交通擁堵的情況，提升道路通行能力。

1 相關(guān)研究概述

目前，我國大部分交通信號最佳周期是按照天氣良好的環(huán)境情況計算得出的，但此并不能滿足降雨條件下的交通需求，降雨等惡劣天氣會使道路交通流特性發(fā)生顯著變化，當信號配時算法未能針對交通流特性實時響應(yīng)時，交叉口可能會呈現(xiàn)綠燈空放、排隊溢流等負面效用[4]，因此便需要在降雨條件下調(diào)整信號燈的最佳周期。

周在偉[5]等提出了一種降水測量儀器，該儀器包括一對第一支架、設(shè)置在兩個第一支架之間的轉(zhuǎn)動軸、設(shè)置在轉(zhuǎn)動軸上的翻斗以及兩個軸向推動件。其解決了雨量檢測問題及現(xiàn)有技術(shù)中翻斗式雨量計測量誤差大的問題，提高了測量精度。

張惠臻[6]等提出了一種信號燈配時優(yōu)化方法，該方法基于改進后的Webster函數(shù)和遺傳算法，分析車輛延誤數(shù)據(jù)，對車輛延誤數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合，構(gòu)造改進函數(shù)，最終通過遺傳算法獲得最優(yōu)信號燈配時方案。

以上研究對降雨條件下城市交叉路口信號燈周期的配時優(yōu)化起到一定作用，但無法根據(jù)實時的道路環(huán)境情況，快速準確地收集信息并靈活地作出調(diào)整。

2 背景成因分析

降雨產(chǎn)生的影響主要有兩個方面：一是對于道路及車輛行駛環(huán)境的影響。降雨會使道路濕滑，進而導(dǎo)致道路的附著系數(shù)及摩擦系數(shù)減低，車輛制動距離變長，間接導(dǎo)致車輛制動性能下降，并且持續(xù)的降雨也會使環(huán)境能見度降低。二是對于駕駛員駕駛特性的影響。降雨導(dǎo)致的能見度降低對駕駛員最直接的影響即是動視力下降，駕駛員對此會采取謹慎駕駛的措施，降低行車速度，同時由于車輛制動距離的變長，也會使駕駛員增加跟車間距，特別是在城市道路交叉口，由于車流密度的增大，該特性會更加顯著。

因此，若在降雨天氣仍按照原有的固定周期對信號燈進行配時，一個周期內(nèi)交叉口的通行效率將會顯著降低，進而導(dǎo)致交通擁堵。降雨強度與能見度的關(guān)系見表1，能見度與駕駛員動視力的關(guān)系如圖1所示。[7]

表1 降雨強度與能見度的關(guān)系

圖1 能見度與駕駛員動視力的關(guān)系

3 裝置結(jié)構(gòu)原理

3.1 裝置結(jié)構(gòu)

基于雨量值分析的新型交通信號燈由降雨收集裝置、計數(shù)觸發(fā)器、數(shù)據(jù)傳感器、攝像頭、配時系統(tǒng)、配時接收傳感器和信號燈組成。裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖

在雨量監(jiān)測儀中，降雨收集裝置安裝在頂部，用于實時收集降雨；計數(shù)觸發(fā)器安裝在承重盤之下，用于將雨量信息數(shù)據(jù)化處理；數(shù)據(jù)傳感器安裝在承重盤之下，用于將數(shù)據(jù)信息及時上傳；整體裝置安裝在外殼中以保證其工作環(huán)境穩(wěn)定，僅留盛雨器在外部以接收降雨。配時接收傳感器安裝在信號燈上沿，用于接收優(yōu)化后的信號配時并輸出至信號燈。

3.2 裝置工作原理

降雨具有不可避免、情況隨機的特點，在不同地點、不同時間，其情況均有不同，因此研發(fā)團隊正是根據(jù)雨量監(jiān)測儀的靈敏性以及準確性的工作特點，以其作為主體，結(jié)合配時系統(tǒng)，完成裝置的整體工作。裝置工作原理如圖3所示。

圖3 裝置工作原理

降雨監(jiān)測系統(tǒng)在設(shè)定周期內(nèi)對降雨進行收集，并將收集所得降雨進行數(shù)據(jù)化處理，后通過傳感器將信息上傳，同時利用攝像頭進行輔助監(jiān)測。配時優(yōu)化系統(tǒng)根據(jù)上傳信息，利用預(yù)設(shè)算法，得出優(yōu)化結(jié)果。最后，配時接收傳感器接收配時信息，信號燈輸出新的信號周期。

4 裝置工作過程

參照圖2裝置結(jié)構(gòu)圖及圖3裝置工作原理圖，本新型交通信號燈按下列步驟進行工作。

4.1 降雨處理過程

在雨量監(jiān)測儀中，降雨從盛雨器流入，通過導(dǎo)流管流入翻斗，在翻斗中，當降雨量達到預(yù)設(shè)容量時，翻斗翻轉(zhuǎn)，同時因為翻轉(zhuǎn)，帶動連接桿，連接桿的連動向觸發(fā)器發(fā)射一個時鐘脈沖信號，觸發(fā)器對脈沖信號進行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果通過連接導(dǎo)線輸出至雨量傳感器，最后上傳至配時系統(tǒng)。

4.2 配時處理過程

通過攝像頭輔助監(jiān)測道路情況，所得信息也上傳至配時系統(tǒng)。

配時優(yōu)化系統(tǒng)通過對上傳的數(shù)據(jù)信息進行處理，與數(shù)據(jù)庫中信息進行比對匹配，后通過預(yù)設(shè)算法得出新的信號周期。

4.3 配時輸出過程

配時接收傳感器接收優(yōu)化后的數(shù)據(jù)信息，后由信號燈輸出新的信號周期。

4.4 信號燈自適應(yīng)配時過程

一個周期過后，雨量監(jiān)測儀的盛雨器繼續(xù)收集降雨，同時上一周期中翻斗翻轉(zhuǎn)后，翻斗中的雨水已通過出水口排出，翻斗的另一側(cè)便能繼續(xù)工作，最后雨量傳感器將新一周期的數(shù)據(jù)信息上傳。攝像頭也繼續(xù)對道路情況進行實時監(jiān)測，并上傳相關(guān)信息。配時優(yōu)化系統(tǒng)對新反饋的信息進行處理對比，并將結(jié)果傳輸至配時接收傳感器，最后信號燈根據(jù)信息輸出新的信號周期，形成反饋循環(huán)。

按照以上步驟，信號燈便能對降雨情況及道路擁堵情況進行實時監(jiān)測，后根據(jù)對應(yīng)情況進行配時調(diào)整，并能夠通過持續(xù)的反饋繼續(xù)對配時進行優(yōu)化處理，從而形成信號燈的自適應(yīng)配時。

5 結(jié)束語

研究了一種能對降雨天氣進行實時監(jiān)測分析并進行自適應(yīng)配時的新型信號燈，在雨量監(jiān)測儀、攝像頭與配時優(yōu)化系統(tǒng)的聯(lián)合作用下，該裝置能夠解決因降雨導(dǎo)致的城市交叉口擁堵等問題，能夠提升城市交通系統(tǒng)應(yīng)對不良天氣的適應(yīng)及抵抗能力，從而能夠提高城市交叉口的通行效率。