城市交通信號(hào)定時(shí)控制和感應(yīng)控制的應(yīng)用

于明寶 張耀 王麗麗

摘要 城市交通擁堵程度與人民群眾幸福指數(shù)密切相關(guān)，文章以城市交通信號(hào)定時(shí)控制和感應(yīng)控制作為研究對(duì)象，介紹了交通信號(hào)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，分析了各種控制方式的優(yōu)勢(shì)與不足。針對(duì)定時(shí)控制和感應(yīng)控制應(yīng)用的問題進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，在交通高峰時(shí)，經(jīng)過優(yōu)化的TOD固定配時(shí)控制方案是最有效的控制策略;在交通在低峰時(shí)，采用全感應(yīng)或半感應(yīng)是最有效的信號(hào)控制策略。

關(guān)鍵詞 交通信號(hào);擁堵;定時(shí);感應(yīng)

中圖分類號(hào) U491.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2022）04-0001-03

0 引言

隨著車輛、城市人口的持續(xù)增加，城市的道路變得更加擁擠，需要通過科學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)交通信號(hào)的有效控制。通過協(xié)調(diào)控制交通信號(hào)控制可以減輕突發(fā)性交通事件的影響，充分發(fā)揮交通控制和管理作用，最大限度方便行人通行、合理分配路權(quán)、有效控制互相沖突交通流、有效管理大交通流量的交叉口。

1 智能交通信號(hào)機(jī)

智能交通信號(hào)機(jī)在交通信號(hào)燈、信息展示屏、停車位誘導(dǎo)屏、車輛檢測(cè)與測(cè)速器的控制與管理上應(yīng)用，可與控制中心平臺(tái)相連接，實(shí)現(xiàn)區(qū)域管控和交通優(yōu)化，是“物聯(lián)網(wǎng)”智慧城市交通系統(tǒng)的重要組成部分。智能交通信號(hào)機(jī)系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)如圖1。

智能交通信號(hào)機(jī)的核心功能共分為五個(gè)層次：核心層、控制層、文件及設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、外設(shè)層、輔助層。

2 交通信號(hào)控制方法

交通信號(hào)控制方法可以分為：定時(shí)控制、感應(yīng)控制和自適應(yīng)控制三種。其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2。

定時(shí)控制（固定配時(shí)控制）主要依據(jù)交通歷史數(shù)據(jù)，分別就周內(nèi)日或特殊假日不同時(shí)段的交通需求建立不同的配時(shí)方案，雖能兼顧不同時(shí)段的交通需求，卻易忽略時(shí)段內(nèi)交通需求的變化，常造成綠燈時(shí)間的不足或損失[1]。

感應(yīng)控制是在路口各方向靠近停止線的地方設(shè)置車輛檢測(cè)器，交通信號(hào)機(jī)接收車輛檢測(cè)器發(fā)送的車流信息，針對(duì)路口實(shí)際交通狀況，對(duì)單點(diǎn)路口或干道綠波帶做合理交通信號(hào)控制，從而實(shí)現(xiàn)合理的相位控制、最小的時(shí)間損失、節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。交通信號(hào)機(jī)處理所有車輛檢測(cè)器輸入信息，確認(rèn)紅燈時(shí)是否有車輛在等待或綠燈延長(zhǎng)時(shí)間時(shí)的交通需求，并大致可分為半感應(yīng)和全感應(yīng)兩種控制方式。能更有效地利用綠燈時(shí)間，達(dá)到路口交通效益最大的目標(biāo)。

自適應(yīng)控制把交通系統(tǒng)看作一個(gè)不確定系統(tǒng)。通過測(cè)量車流量、停車次數(shù)、延誤時(shí)間和排隊(duì)長(zhǎng)度等狀態(tài)量反饋來實(shí)現(xiàn)信號(hào)配時(shí)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整。

3 半感應(yīng)控制

半感應(yīng)控制是針對(duì)次要道路或左轉(zhuǎn)相位執(zhí)行交通需求的信號(hào)管制，只有在確實(shí)有交通需求（次要道路或左轉(zhuǎn)相位有車輛申請(qǐng)）時(shí)才將通行權(quán)開放給次要道路或左轉(zhuǎn)相位，如此可使綠燈時(shí)間經(jīng)常開放給交通量較高的主要道路，但若次要道路考量到行人過街時(shí)，則次要道路須維持每周期有最短綠燈時(shí)間方便行人通行，唯在感應(yīng)相位有車輛申請(qǐng)時(shí)，綠燈時(shí)間是依車輛多寡來延長(zhǎng)，其綠燈時(shí)間最多延長(zhǎng)至所設(shè)定的最長(zhǎng)綠燈時(shí)間值;當(dāng)感應(yīng)相位無車輛申請(qǐng)時(shí)，若不考量行人時(shí)則執(zhí)行感應(yīng)相位跳躍，減少綠燈時(shí)間的損失。

4 全感應(yīng)控制

全感應(yīng)控制比較適合應(yīng)用于單點(diǎn)控制路口，因?yàn)榻徊媛房谏系男盘?hào)燈的管制配時(shí)，是由信號(hào)機(jī)根據(jù)路口各臨近路段上的交通需求進(jìn)行開放綠燈顯現(xiàn)時(shí)間，也就是各相位時(shí)間是由信號(hào)機(jī)依據(jù)各臨近路段上的實(shí)際交通量以靈活的微調(diào)配時(shí)，而不需要考量到綠波帶續(xù)進(jìn)控制。

感應(yīng)控制所依據(jù)主要的控制參數(shù)為信號(hào)機(jī)所設(shè)定的“最小綠燈時(shí)間、最長(zhǎng)綠燈時(shí)間及單位延長(zhǎng)時(shí)間、延遲時(shí)間”;最小綠燈時(shí)間在于確保綠燈始亮?xí)r，在車輛檢測(cè)區(qū)至停止線的車輛及欲過街道的行人均能安全通過路口。執(zhí)行感應(yīng)控制的相位在執(zhí)行最小綠燈時(shí)間結(jié)束后，再根據(jù)車輛的感應(yīng)間距，配合單位延長(zhǎng)時(shí)間，延長(zhǎng)綠燈時(shí)間至最長(zhǎng)綠燈時(shí)間結(jié)束該相位綠燈燈號(hào)，或當(dāng)紅燈相位有車輛申請(qǐng)時(shí)，同時(shí)感應(yīng)相位前后車輛間距時(shí)間大于單位延長(zhǎng)時(shí)間亦須結(jié)束綠燈燈號(hào)。

5 定時(shí)控制和感應(yīng)控制的應(yīng)用

5.1 行人過街控制

當(dāng)交通量相當(dāng)高且相鄰兩路口間距相當(dāng)長(zhǎng)，行人過街又屬必要時(shí)，可設(shè)置協(xié)調(diào)式路段行人過街感應(yīng)控制。其運(yùn)行方式如下：

（1）平常干道維持綠燈，當(dāng)有行人感應(yīng)申請(qǐng)時(shí)，干道須經(jīng)過設(shè)定的最短綠燈時(shí)間后，執(zhí)行如下運(yùn)算及分析再?zèng)Q定是否開放行人綠燈：現(xiàn)行配時(shí)方案執(zhí)行時(shí)間若是屬干道相位時(shí)間，則仍維持干道綠燈，直到干道綠燈時(shí)間結(jié)束?，F(xiàn)行配時(shí)方案執(zhí)行時(shí)間若是屬行人過街相位時(shí)間，則分析其剩余時(shí)間;若大于行人過街相位最短綠燈時(shí)間，則結(jié)束干道相位綠燈，開放行人過街相位綠燈?，F(xiàn)行配時(shí)方案執(zhí)行時(shí)間若是屬行人過街相位時(shí)間，則分析其剩余時(shí)間;若小于行人過街相位最短綠燈時(shí)間，則仍維持干道綠燈，等下一周期才開放行人過街相位綠燈。

（2）干道有最短綠燈時(shí)間保護(hù)，必須等到最短綠燈時(shí)間結(jié)束，才能運(yùn)算分析是否開放行人過街相位綠燈。

（3）行人通行最長(zhǎng)綠燈時(shí)間是依行人步速（1.2 m/s），路寬，行人激活誤差等因素推算。

行人過街相位綠燈時(shí)間=最后通過的行人起步延誤時(shí)間（≥5 s）+（路寬÷行人過1.2 m/s）-黃燈時(shí)間

（4）為與前后相鄰路口協(xié)調(diào)控制，其配時(shí)周期與前后相鄰路口的一致。

5.2 公交優(yōu)先感應(yīng)控制

公交優(yōu)先感應(yīng)控制采用主動(dòng)式控制方式，借助檢測(cè)器及通信技巧，如果有公交被檢測(cè)到時(shí)，對(duì)具有通行權(quán)限的車輛，保持其行進(jìn)方向的綠燈狀態(tài);如果該方向綠燈即將結(jié)束，控制系統(tǒng)通過檢測(cè)器采集的信息，判斷該路口是否還有公交車輛通過。對(duì)在紅燈相位到達(dá)的公交，系統(tǒng)能在現(xiàn)行綠燈相位經(jīng)過最短綠燈時(shí)間后，立即將現(xiàn)有紅燈切換，提前開啟公交優(yōu)先綠燈以保障公交通行。

要達(dá)到快速公交系統(tǒng)準(zhǔn)點(diǎn)控制須解決的是路口信號(hào)的延誤與?？空緟^(qū)服務(wù)時(shí)間的延誤，影響快速公交系統(tǒng)旅行時(shí)間的主要因素為行駛速度、停站延誤與信號(hào)延誤。行駛速度的差異主要是快速公交系統(tǒng)駕駛的駕車習(xí)慣與反應(yīng)時(shí)間，由于其變異難以估算，一般將其忽略不計(jì);在停站延誤部分，影響停站延誤的因素相當(dāng)多，而在快速公交系統(tǒng)特性的營(yíng)運(yùn)之下，會(huì)使停站服務(wù)時(shí)間產(chǎn)生較大的變異無非就是上下車乘客數(shù)量的多少，使得快速公交到站的時(shí)間無法精確掌握，造成管理上相當(dāng)不便。

車輛檢測(cè)系統(tǒng)是交通控制中采集車流信息的主要工具，由于公交運(yùn)行路權(quán)形態(tài)具備公交專用道及混合運(yùn)行形態(tài)，若采用一般車輛感應(yīng)檢測(cè)器僅能適用于具有公交專用道的路口，但若需同時(shí)解決混合車流情況下，檢測(cè)器須采用較先進(jìn)的設(shè)備（如：車載機(jī)），才能正確檢測(cè)公交到達(dá)及一般車輛的信息。

5.3 環(huán)島路口信號(hào)控制

5.3.1 環(huán)島信號(hào)控制問題

環(huán)島路口原是避免使用信號(hào)控制的一種有效的路口交通控制方式，但隨著環(huán)島路口交通量的增長(zhǎng)，并且超過某一臨界值時(shí)，尤其在交通擁堵時(shí)段常因環(huán)內(nèi)來自不同的入口車流比率，造成直行與左轉(zhuǎn)車輛沖突而形成嚴(yán)重的交通擁堵，致使行人及自行車在安全上產(chǎn)生問題;環(huán)島路口裝置信號(hào)控制，在交通管理上主要功能在于解決環(huán)內(nèi)因車流轉(zhuǎn)向產(chǎn)生沖突干擾所引起的交通擁堵，進(jìn)而提升交通容量及行人、自行車交通安全。無信號(hào)及有信號(hào)控制優(yōu)缺比較見表1。

5.3.2 環(huán)島交通改善方法

四岔道環(huán)島信號(hào)控制：為解決環(huán)內(nèi)車流交織區(qū)及沖突點(diǎn)，通常在環(huán)內(nèi)畫上左轉(zhuǎn)專用停止線及裝置信號(hào)燈，左轉(zhuǎn)車輛在停止線等候綠燈，避免與直行車輛沖突，信號(hào)相位控制采用兩相位環(huán)內(nèi)遲閉控制方式用以清除環(huán)內(nèi)排隊(duì)車輛;遲閉時(shí)間是由交通流量及可存放的排隊(duì)車輛數(shù)來決定。如果兩對(duì)向車流不對(duì)稱或五岔道以上時(shí)，亦可采多相位環(huán)內(nèi)遲閉控制方式，若是有些岔道車流不多，該車道可改為單行道[2]。

環(huán)島路口通常位于重要干道交會(huì)處，所以在交通控制中心協(xié)調(diào)控制下：可采用臨界路口控制策略疏解其飽和流量，避免環(huán)島某一臨近路段的擁堵而造成群組或整個(gè)路網(wǎng)的交通癱瘓。在臨界路口控制模式下，環(huán)島信號(hào)控制脫離干道協(xié)調(diào)控制，采用獨(dú)立路口運(yùn)作，用于增加臨界路段的疏解流量減少擁堵程度。通常交控中心依據(jù)車輛采集的交通數(shù)據(jù)來分析、判斷路口的擁堵狀況、各流向的交通需求量，再由交控中心下傳新的配時(shí)方案控制環(huán)島信號(hào)。

6 結(jié)論

交通設(shè)計(jì)和信號(hào)控制是疏解交通問題及改善交通現(xiàn)狀有效的技術(shù)措施。在交通高峰時(shí)期，經(jīng)過優(yōu)化的TOD固定配時(shí)控制方案是最有效的控制策略。TOD方案是根據(jù)控制中心對(duì)近期交通流量的趨勢(shì)經(jīng)優(yōu)化產(chǎn)生并下載到信號(hào)機(jī)執(zhí)行的運(yùn)行方案。在交通低峰時(shí)采用全感應(yīng)或半感應(yīng)是最有效的信號(hào)控制策略。感應(yīng)控制適用于非重現(xiàn)性交通擁擠，交通量高低相差比較懸殊而變化無定的交叉路口。城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)與先進(jìn)公交系統(tǒng)、先進(jìn)車輛控制系統(tǒng)等相互之間的結(jié)合則是更深入的課題。

參考文獻(xiàn)

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