城市道路單交叉口交通信號控制方法研究

摘 要：針對目前城市擁堵的問題，提出道路交叉口的信號控制是導致擁堵的最主要因素之一。根據交叉口的交通流特性，以安徽省合肥市高新區黃山路-天智路交叉口東進口為研究對象，通過用無線地磁采集到的車流量（周期內）、綠燈時間、周期等數據，由飽和度、通行能力及交通量的關系式推導出飽和度和綠燈時間及一次綠燈時間內的車流量的關系式，從而確立出飽和度，并根據飽和度和流量的關系，確定不同信號控制方式飽和度的臨界點，并通過延誤評價的方式進行論證，結合三種控制方式的綜合應用，優化交叉口控制方式，使總延誤達到最低。

關鍵詞：信號控制；信號控制模型；無線地磁；延誤評價

近年來，隨著城市化建設步伐的加快，交通擁堵問題成為困擾人們出行的一個大難題，各大城市的主要干道交通流已趨于飽和狀態，因此必須采用有效的控制手段來提高道路交通通行能力，重點應集中在道路交叉口的信號控制優化上面。本文通過對合肥市黃山路與天智路交叉口的參數相關數據調查分析，建立適合不同交通狀態情況的相應模型，以飽和度的變化作為模型建立的依據，確立不同模型飽和度的分界點，并通過對各模型延誤的計算，最終確立飽和度大小決定信號控制方式，方能緩解道路交叉口的交通壓力。

1 交叉口信號控制方法概述

目前采用的信號控制主要有定時控制、感應控制與自適應控制。定時控制也叫定周期控制，主要根據交叉路口歷史交通量數據預先確定配時方案；感應控制主要根據路口的交通量的變動進行實時控制，沒有固定的周期和綠信比；自適應控制又稱為優化控制。控制系統根據檢測器送來的交通量信息，實時產生出對某種性能指標來說是最佳的配時方案，自動調節各個參數（周期、綠信比和相位差等）。進行這種控制方式的交通信號機將檢測到的交通數據實時地通過通信網絡傳至上位機，上位機根據路網上交通量的變化情況，不斷調整配時方案以達到最優控制。通過這種控制方式，上位機同時控制城市中某個區域內的多個路口的信號機，實現區域中交叉口交通信號之間的統一協調管理，從而提高路網的運行效率。

國外曾經對定時信號控制、感應信號控制及自適應信號控制三類控制方式的控制效果進行過定性的對比研究，研究結果如圖1.1所示[1]。從圖1.1可以看出：感應信號控制在交通量比較小的情況下，控制效果最好；從整體上看，自適應信號控制的控制效果是最佳的；但隨著交通量的逐漸增大，達到或超過信號交叉口的通行能力時，采用定時信號控制更為有效。

本文的模型建立主要是針對不同的參數條件，結合這三種控制方式建立模型，并對各種方式下的模型進行適應性評價。

2 數據調查

對調查樣本的數據采集，主要是利用無線地磁檢測器，即有車輛經過時，發生金屬切割磁感應線效應，導致磁通量發生變化，既判斷有車輛通過，埋于地下的檢測器檢測到該車道車輛通過的編碼信號后，以無線方式發射到路旁的接收機，接收機會分辨出哪個車道有車通過。

通過無線地磁檢測器能夠檢測到的數據主要有：日期、時間、AP的ID號、車道編號、占有率、車輛數、中值車速、平均車速及未回報的傳感器數目（中值車速指的是在測試時間段內，50%的車速高于此速度，50%的車速低于此速度）。

本文采集的數據主要包括合肥市高新區黃山路-天智路交叉口某工作日上午7：30-11：30的燈組號、方向、流量、綠燈時間和信號周期。

3 數據分析與處理

交叉口的總飽和度是指飽和程度最高的相位所達到的飽和度值，而并非各相位飽和度之和，用x表示。x的計算表達式為：

式中：x-相位飽和度；

N-車道通行能力；

Q-車道實際流量折算值，單位為pcu/h；

q-一次相位綠燈時間內的最大車道流量值；

S-車道飽和流量值，指在一次連續綠燈時內，交叉口進口道上連續車隊能夠通過進口道停車線換算為小客車的最多車輛數，單位pcu/h。

C-周期時長（s）；

g-相位綠燈時間（s）。

上式中可變參數為q，g與x，S的值可根據車道寬度來計算。國內有關學者在北京進行了交通觀測，并根據測試結果歸納了計算直行車道飽和流量公式，即 （b為車道寬度，單位m），左轉車道飽和流量比直行車道飽和流量小1%-2%。

本文研究以黃山路-天智路交叉口東進口直行車道為例，檢驗起參數變化的情況。該交叉口在高峰時間（上午7：30-9：30，下午5：30-7：30）段采用的是定周期控制，周期為120s，其余時間采用的是感應控制。該交叉口東進口直行車道寬度為3.75m，而左轉車道寬度為3.25m；計算所得直行車道S=1514pcu/h，左轉車道S=1452pcu/h*（1-2%）=1423pcu/h。

計算所得的部分數據如表3.1所示；

4 模型建立

通過上節計算的飽和度數值與流量q建立模型，可得到下圖4.1；

由上圖飽和度-流量散點圖可知，流量是隨飽和度增加而增長的，當飽和度大于一定數值時，導致道路擁堵，流量不會增長；由圖4-1增長趨勢可回歸模型q=20.542x4-66.685x3+73.091x2+22.352x+0.8578；對q二階求導，令q”=0，可得x1=0.6，x2=1.0；由此可得出兩拐點分別為（0.6，28.8）（1.0，50.2），拐點即曲線凸凹性發生變化的點，由此來判別信號燈控制方式的轉換。

引用第一節的控制方法變換，定義（0，0.6）為感應控制區間，[0.6，1]為自適應控制區間，大于1的為定時控制區間。x∈（0，0.6）時，采用感應控制，根據實際交通量的變化實時調整信號周期以及綠信比；當x∈[0.6，1]時，采用自適應控制的方式，系統根據無線地磁檢測器傳來的實時交通量數據，實時產生出對于對應飽和度最佳的配時方案，從而自動調節周期、綠信比及相位差。x大于1時，采用定周期控制，在交通量比較穩定時，可執行單段式定時控制，當交通量在一天不同時段變化較大時，亦可采用多時段定時控制，即根據不同時段的交通量執行不同的配時方案。

綠燈時間和流量滿足如下的關系式：

對于東進口的直行車道而言：

由上式可得知，當流量一定時，綠燈時間和飽和度是成反比的；當飽和度一定時，綠燈時間和流量成正比，同樣，當綠燈時間值一定時，飽和度和流量成正比。

在感應控制范圍內，x<0.6，根據采集到的數據，可得到在感應控制條件下，流量和飽和度滿足如下圖4.2所示的曲線；

根據圖中所示的散點類型，可擬合出在感應控制范圍內流量和飽和度的一個關系式：q=2.1106e5.0779x，由此可知，在感應區間內，飽和度越接近0.6，越能有效地體現交叉口感應控制的優越性。

而在自適應控制條件下，0.6

由上圖4.3，自適應控制條件下飽和度和流量滿足以下關系式：y=53.449ln（x）+58.476；滿足上凸型曲線增長模式。

5 模型評價

對信號交叉口運行質量進行評價，延誤作為一項重要的指標，在各種評價體系中占據著重要的地位。美國《道路通行能力手冊》單一以平均停車延誤作為服務水平分級的依據。他們認為諸因素對信號交叉口服務水平的影響程度，均可反映在延誤的大小上，如飽和度、速度比、紅燈平均阻車長度、交叉口條件（特別是進口道類型）、管理水平（特別是信號控制條件）、停車次數等，同時延誤也是造成額外燃料消耗和空氣污染的主要原因。鑒于延誤評價的以上作用，本文亦選取延誤作為交叉口信號控制方式效益的評價指標。

飽和度的大小決定了交通延誤模型的選取，上節根據飽和度的區間調整交叉口信號控制方式，下面將分別介紹每種控制方式下的停車延誤。

根據上面對三種控制方式模型的分析，結合黃山路-天智路地磁檢測的實際數據，可得出三種控制方式下分別的延誤值，如下表5.1所示：

上表以折線圖的形式表示為圖5.5；

由上面的分析可以得出，在飽和度較小的情況下，用感應控制的效果比較好，延誤能降到最低，當飽和度增加到一定程度時，改用自適應控制，而當飽和度比較大的時候，用定時控制，這樣道路資源可以得到合理化應用，延誤值降低，可以達到緩解道路交叉口擁堵的目的。

6 結語

目前對城市道路交叉口交通信號控制研究的比較多，但研究的種類比較單一，多種控制方式協調控制沒有一定的理論依據，不能完全使道路資源得以合理利用，單一的控制效果往往會事倍功半，本文提供交叉口多種控制方式相結合臨界點的劃分依據，并且根據不同的控制方式，提出延誤計算的方法，并且對各種控制方式不同飽和度條件下的延誤進行比較，從而確立三種控制方式選取的界限，為現實道路交叉口控制方式的選取提供了一定的依據。但鑒于本文所選路段的局限性，選取直行段為研究對象，對于其余類型的路段，控制方式臨界點的選取，還有待進一步的研究。

[參考文獻]

[1]SensysTMWireless Vehicle Detection System Reference Guide（P/N 152-240-001-001 Rev C February 2010）[EB/OL].www.sensysnetworks.com.

[2]蔣賢才.交叉口信號控制自組織方法與系統應用研究[D].黑龍江：哈爾濱理工大學，2009.51-61.

[3]吳震，楊曉光.車道寬度、轉彎半徑對左轉飽和流量的影響研究[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2009，33（5）.

[3]劉廣萍.信號控制下交叉口延誤計算方法研究[J].中國公路學報，2005，18（1）：104-108.

[4]陳傳明，等.智能交通信號燈配時及優化設計[J].微機發展，2005，15（3）：4-7.

[5]裴玉龍.自適應信號控制下交叉口延誤計算方法研究[J].公路交通科技，2005，22（7）：110-114.

[6]蒲琪，黃啟超，等.交叉口延誤的概率統計模型[J].同濟大學學報（自然科學版），2005，33（10）：1309-1312.