基于事件驅(qū)動(dòng)的城市交通信號(hào)控制實(shí)例研究

王大珊，王松浩，趙玉娟，饒眾博

(公安部道路交通安全研究中心)

1 研究背景

在當(dāng)今的城市交通系統(tǒng)管理中，信號(hào)控制是一個(gè)核心問(wèn)題。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)使用的交通信號(hào)控制系統(tǒng)大多數(shù)是從國(guó)外引進(jìn)的。以北京為例，現(xiàn)使用中的交通信號(hào)機(jī)主要包括:SCOOT 系統(tǒng)的T700、T800、MCU－6 信號(hào)機(jī);ACTRA 系統(tǒng)的2070 信號(hào)機(jī)。而從其信號(hào)機(jī)的數(shù)量及在北京的分布區(qū)域來(lái)看，北京市使用的信號(hào)機(jī)系統(tǒng)主要為SCOOT 系統(tǒng)和ACTRA 系統(tǒng)。

但是，理論研究中的諸多控制算法卻在實(shí)際應(yīng)用一直存在一定的障礙。就北京目前使用的交通信號(hào)機(jī)而言，如果需要更新控制算法，則必須對(duì)每臺(tái)信號(hào)機(jī)的控制程序進(jìn)行修改及現(xiàn)場(chǎng)程序下載工作。這種模式工作量繁重，效率低下、可靠性差且較難保證更新周期。無(wú)法適應(yīng)不斷發(fā)展的交通信號(hào)控制策略及需求。

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種交通信號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)接器，其中轉(zhuǎn)接器通過(guò)交換機(jī)介入信號(hào)機(jī)網(wǎng)絡(luò)，獲取各個(gè)路口信號(hào)機(jī)及控制中心相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)轉(zhuǎn)接器本身充當(dāng)基于事件調(diào)度的交通信號(hào)發(fā)放平臺(tái)，從而在現(xiàn)有信號(hào)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的實(shí)時(shí)仿真。在該交通信號(hào)控制平臺(tái)基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)一種有效地需求響應(yīng)數(shù)據(jù)流。該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)方案切換、固定配時(shí)、感應(yīng)控制、干線協(xié)調(diào)、車輛優(yōu)先、極端狀態(tài)處理、車輛強(qiáng)制優(yōu)先等多種常見控制需求。將本文開發(fā)的系統(tǒng)用于實(shí)際道路中，實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)控制功能和干線協(xié)調(diào)控制功能。

2 接入模式

為檢測(cè)該系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果，本文設(shè)計(jì)開發(fā)一種交通信號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)接器。該轉(zhuǎn)接器通過(guò)交換機(jī)介入信號(hào)機(jī)網(wǎng)絡(luò)，獲取信號(hào)機(jī)及控制中心相關(guān)數(shù)據(jù)，同時(shí)轉(zhuǎn)接器本身實(shí)現(xiàn)基于事件調(diào)度的交通信號(hào)發(fā)放平臺(tái)，從而在現(xiàn)有信號(hào)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。

結(jié)合北京市交通流特點(diǎn)及信號(hào)機(jī)分布情況，選取景山公園地區(qū)的6 臺(tái)信號(hào)機(jī)作為測(cè)試。如圖1 所示。其中，數(shù)字1 ～6 表示六個(gè)測(cè)試路口，每個(gè)路口各有一臺(tái)信號(hào)機(jī);字母a、b、c、d 等表示該路口的相位。路口6 東西方向有獨(dú)立的左轉(zhuǎn)相位，用a－2、b－2 表示。

圖1 測(cè)試區(qū)域

景山公園地區(qū)位于北京市二環(huán)以內(nèi)，是商業(yè)旅游的中心。該區(qū)域信號(hào)機(jī)先采用多種形式的控制模式以滿足交通需求的不斷變化。目前，路口1 ～4 使用干線協(xié)調(diào)控制模式;路口5 使用感應(yīng)控制模式;路口6 東西方向提供基于固定配時(shí)的公交優(yōu)先控制策略。

下面通過(guò)設(shè)計(jì)解析器規(guī)則，在轉(zhuǎn)接器上實(shí)現(xiàn)上述區(qū)域的交通信號(hào)控制策略在線仿真。

3 解析器設(shè)計(jì)

在該交通信號(hào)控制平臺(tái)基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)一種有效地Request 數(shù)據(jù)流。該結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)方案切換、固定配時(shí)、感應(yīng)控制、干線協(xié)調(diào)、車輛優(yōu)先、極端狀態(tài)處理、車輛強(qiáng)制優(yōu)先等多種常見控制需求。

該設(shè)計(jì)中使用了系統(tǒng)提供了兩類優(yōu)先區(qū)域，由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，任何請(qǐng)求均受到安全約束及沖突約束、過(guò)渡時(shí)間約束和最小綠約束;緊急相位請(qǐng)求不受相位最大綠約束，包括緊急請(qǐng)求(Preemption)、特殊狀態(tài)請(qǐng)求(Special Status)、相位存在(跳過(guò))請(qǐng)求(Presence);一般相位請(qǐng)求受請(qǐng)求相位最大綠約束限制，包括車輛優(yōu)先請(qǐng)求Priority、協(xié)調(diào)請(qǐng)求Coordination、感應(yīng)請(qǐng)求Actuation;方案修正請(qǐng)求包括方案參數(shù)修改請(qǐng)求和方案更換請(qǐng)求兩類

在上述解析規(guī)則下，該信號(hào)控制平臺(tái)可以有效地實(shí)現(xiàn)感應(yīng)控制、感謝協(xié)調(diào)控制、緊急車輛請(qǐng)求和優(yōu)先車輛請(qǐng)求等基礎(chǔ)功能。同時(shí)在該信號(hào)控制結(jié)構(gòu)為其他智能控制算法提供有效地移植平臺(tái)。將該解析規(guī)則集在景山公園區(qū)域轉(zhuǎn)接器中實(shí)現(xiàn)，通過(guò)定義不同的事件，得到有效地實(shí)時(shí)在線仿真系統(tǒng)，下面從不同控制需求闡述具體事件定義及解析規(guī)則參數(shù)設(shè)計(jì)。

4 景山區(qū)域信號(hào)控制功能實(shí)現(xiàn)

4.1 感應(yīng)控制路口－5

路口5 為典型3 相位兩階段控制方案，每個(gè)相位各有一個(gè)停止線檢測(cè)器和遠(yuǎn)端綠延時(shí)檢測(cè)器。如圖2 所示。

圖2 路口5 相位及檢測(cè)器示意圖

該路口的感應(yīng)控制可通過(guò)定義兩類Request 得以實(shí)現(xiàn)。6 個(gè)檢測(cè)器均作為IO 信號(hào)輸入，檢測(cè)器高電平分別定義八個(gè)事件，停止線檢測(cè)器事件解析為Presence 請(qǐng)求，而遠(yuǎn)端檢測(cè)器解析為Actuation 請(qǐng)求。

Presence 類數(shù)據(jù)定義如下，其中i =1，2，3 表示1 ～3 號(hào)檢測(cè)器。

兩類請(qǐng)求在Dispatcher 內(nèi)有調(diào)度機(jī)制決定是否存在相位申請(qǐng)或者綠延時(shí)申請(qǐng)并調(diào)整執(zhí)行狀態(tài)。這樣即可實(shí)現(xiàn)一般感應(yīng)控制。而通過(guò)修改Request(Presence)生成規(guī)則，生成請(qǐng)求為是否跳過(guò)某相位，則可將其變?yōu)橹鞲傻篱L(zhǎng)期獲得通行權(quán)，輔道申請(qǐng)獲得通行權(quán)的模式。

4.2 公交優(yōu)先路口－6

路口6 實(shí)現(xiàn)東西方向上的公交車輛優(yōu)先功能。該路口時(shí)8 相位三階段的控制方案。東西向由獨(dú)立的左轉(zhuǎn)相位，在東西入口方向上假設(shè)有公交車輛RFID 檢測(cè)設(shè)備，以檢測(cè)公交車輛的到達(dá)時(shí)刻。

緊急請(qǐng)求通過(guò)Request(Preemption)實(shí)現(xiàn)了車輛優(yōu)先請(qǐng)求通過(guò)Request(Priority)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)實(shí)現(xiàn)原理類似，但對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)不同。

根據(jù)路口公交優(yōu)先需求，定義4 類事件，其中i=1，2，3，4 分別對(duì)應(yīng)a，a－2，b，b－2 的公交車輛。

對(duì)應(yīng)的解析規(guī)則可表示為

5 總 結(jié)

為解決在城市交通信號(hào)控制研究方面，理論與現(xiàn)實(shí)脫節(jié)的現(xiàn)象，本文基于事件驅(qū)動(dòng)模型，開發(fā)了一個(gè)新型交通信號(hào)控制系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)接器、解析器。將其用于實(shí)際道路中，實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)控制功能和干線協(xié)調(diào)控制功能

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