基于電子車牌的感應式干道協調控制方法研究

摘 要： 針對傳統協調控制不能適應交叉口交通流的隨機變化，傳統感應式干道協調控制在高飽和流量時控制策略會失效等局限。該文改變傳統感應控制理論以車輛間時間間隔作為控制依據，提出利用電子車牌以車輛密度作為感應控制綠燈是否延長的控制依據，當車輛密度高于設定的閾值則綠燈延續，反之，切換相位。通過利用VISSIM仿真對比分析表明，改進后的感應控制策略不僅可以克服高飽和流量下感應控制失效，而且可以有效減少交叉口的平均延誤提高綠燈的利用率。

關鍵詞： 電子車牌； 協調控制； 感應控制； 平均延誤

中圖分類號： TN99?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）10?0088?04

Research on inductive artery coordination control method based on

electronic vehicle identification

LIU Yunxiang， JIA Lu

（School of Computer Science and Information Engineering， Shanghai Institute of Technology， Shanghai 201418， China）

Abstract： The traditional coordination control is unable to adopt the random variation of the intersection traffic flow， and the traditional inductive artery coordination control will lose efficiency when the traffic in high?saturation flow. The time interval among vehicles taken as the control basis of traditional inductive control theory is changed. The scheme of taking vehicle density of electronic vehicle identification as the inductive control is proposed， which is used to judge whether prolonging the green light. When the vehicle density is higher than the setting threshold value， green light is continued， otherwise the next light is turned on. The contrastive analysis results of VISSIM simulation show that the improved inductive control strategy can overcome the inductive control failure in high?saturation flow， and effectively reduce the average delay in the intersection to improve the green light utilization.

Keywords： electronic vehicle identification； coordination control； inductive control； average delay

0 引 言

目前我國大部分交叉口依舊采用固定式協調控制，主要是通過給主干道分配較多的綠燈時間來實現主路的綠波控制，實現主干道車流連續無停車通過多個交叉口。但車流的到達具有隨機性，固定式協調控制會增加交叉口的延誤。

感應控制可以根據實時的交通流數據調整綠信比，它對車輛隨機到達的適應性較大，可使車輛在停車線前盡可能少停車，提高綠燈的利用率，達到交通流暢的效果，因此感應控制廣泛地應用于交通控制中。但是基于線圈的感應控制策略存在缺陷：基于線圈的感應控制一般選擇交通流量較小、交通流波動較大的交叉口；它以斷面的密度來判斷路段密度，對交通的實際狀況判斷可能會出現偏差：

（1） 高飽和流量下控制策略失效。交通流量較大時，車輛間隔始終小于預設的時間間隔，信號燈傾向于達到最大綠，實際配時情況無異于固定配時，周期往往超過實際需求，造成延誤增加，感應控制在高飽和度條件下的控制效果較差。

（2） 隊列前的間隔，會切斷整個隊列。由于斷面數據的短視，一個過大的間隔，可能阻斷整個隊列，導致綠燈切換，造成延誤增加，如圖1所示。

所以本文針對傳統感應式協調控制存在的缺陷提出一種基于電子車牌的感應式干道協調控制方法并利用VISSIM仿真取得較好的實驗結果。

1 基于電子車牌的感應式協調控制

隨著RFID（Radio Frequency Identification）技術的不斷發展，電子車牌也已廣泛應用到城市交通控制中。目前交通控制系統大多利用地磁線圈對車輛信息進行采集，這種采集方式只能夠采集到斷面數據，是一種被動地適應車流量的系統，不能夠把握整體交通流的分布。電子車牌能夠同時采集快速移動和靜止車輛的標簽信息，標簽信息量相對較小，能夠檢測到路段范圍內的車輛數據信息，并且在傳輸和處理的過程中都比較方便。本文利用電子車牌這一新型數據，初步構建新型信號控制策略。利用設置在路口的RFID讀寫器，讀取路段區間裝有電子車牌車輛數，以路段區間車輛密度作為控制指標進行感應控制，如圖2所示。

感應式協調控制是在分析固定式協調控制與單點感應控制的基礎上，綜合協調控制和感應控制的優點，將信號相位區分為協調相位和非協調相位。協調相位按照固定配時方案的模式運行，參與路口協調；非協調相位按照感應控制的模式運行，以適應交通控制的車流到達的隨機性。感應式協調控制的關鍵是實現相位綠燈時間優化與保持交叉口相位差不變，達到實現主路綠波控制、次路車流綠燈時間有效利用的目的。

2 基于電子車牌的感應式協調控制結構設計

基于電子標簽感應協調控制系統結構由底端信息采集系統、通信系統、交通控制系統三部分組成。其中，底層信息采集包括基站單元和車載信息單元；通信系統是指讀寫器將檢測所得數據信息傳輸到控制機；交通控制系統是指控制中心將根據采集的道路車輛信息調整信號燈的配時方案，如圖3所示。

具體系統實現步驟如下：

（1） 當安裝有源電子標簽的車輛駛入閱讀器的讀取范圍，路側的RFID閱讀器讀取車輛信息，記錄路段區間車輛數量。

（2） 閱讀器將讀取的車輛數據信息通過、RS 485總線將數據傳輸至路口控制機。控制機利用閱讀器獲取的數據，根據綠燈延續模型，生成感應信號方案。

（3） 控制機利用生成感應信號控制方案對路口的信號燈進行實時控制。

3 基于電子車牌的感應式協調控制策略設計

基于電子車牌的感應式干道協調控制與傳統感應控制原理相同，如圖4所示，根據設置在路口的RFID讀寫器，讀取路段區間裝有電子車牌車輛數，控制機利用閱讀器獲取的數據，根據綠燈延續模型，生成感應信號方案，實時優化各相位的綠燈時間。

由本文提出的基于電子車牌的干道協調控制是利用設在路口閱讀器讀取路段區間范圍內的車輛數，并計算出路段范圍內車輛的密度，根據路段區間車輛密度構建類似HCM2000綠燈延續模型。若路段區間內車輛密度高于閾值Δρ，則延長綠燈，直至最大綠燈；當路段車輛密度低于閾值Δρ，則停止延長綠燈，切換至下一相位。

在感應協調控制下，平時協調控制相位上總是綠燈，感應控制相位上總是紅燈，只有當感應控制相位檢測到有車輛到來時，其燈色才轉換為綠燈。若感應控制路段區間內車輛密度高于閾值Δρ，則延長綠燈，直至最大綠燈；當路段車輛密度低于閾值Δρ，則停止延長綠燈，切換至下一相位。在實際應用中為了避免交通事故，當感應相位檢測到車輛到達時，必須等到主干道設置的最小綠燈結束，才能把綠燈信號轉移到次干道。即只有同時滿足感應控制相位有車到達并且協調相位綠燈結束兩個條件，感應控制相位才會獲得通行權。感應式干道協調控制流程圖如圖5所示。

4 實驗仿真設計及結果分析

4.1 VISSIM仿真模型

為了對比兩種感應式干道協調控制的控制策略效益，本文利用VISSIM仿真軟件構建三個兩相位十字交叉路口為例進行研究。VISSIM是一種微觀的、基于時間間隔和駕駛行為的仿真建模工具，用以城市交通和公共交通運行的交通建模，它可以分析各種交通條件下，城市交通和公共交通的運行狀況，是評價交通工程設計和城市規劃方案的有效工具。VAP（Vehicle Actuated Programming）即車輛感應控制編程是用于交通感應控制邏輯語言，可以嵌入VISSIM中實現感應控制。在VISSIM仿真過程中，VAP解譯控制邏輯命令，并且控制VISSIM路網中信號燈色的改變。本文基于VISSIM ，利用VAP編程模擬實現電子車牌下的感應控制環境。

在VISSIM仿真軟件中，在上下游間隔一定距離設置兩個地磁線圈模擬閱讀器所能夠讀取的路段區間，來統計路段區間范圍內的車輛數量，如圖6所示。

根據兩個檢測器間的車輛數量作為感應控制參數。以此來模擬電子車牌下區段內車輛數量檢測。

4.2 仿真實驗描述

本文以連續3個交叉口作為仿真實例。對每個進道口流量在100 veh/h，200 veh/h，300 veh/h，400 veh/h，500 veh/h，600 veh/h，700 veh/h情況下進行仿真，流量涵蓋了低飽和度、中飽和度、近飽和與高飽和度的車流量情況，對比固定配時、基于線圈檢測感應控制以及基于電子車牌感應控制的實際效果，以平均延誤作為評價指標。

固定配時方案是根據各個進口道車流量利用信號優化配時軟件Synchro 7優化后得出。

基于線圈檢測感應控制的車輛間隔參數，經過測試設置為3 s，確保在各個場景綜合表現最優。仿真利用VISSIM自身所帶的VAP控制模塊。本文采用2.4G有源電子標簽作為電子車牌原型，該電子標簽的有效讀取范圍為100～150 m，本次實驗將讀取范圍定為80 m。其中車輛密度閾值設置為2輛/80 m，當80 m內車輛大于2 輛則綠燈時間加1 s，當80 m內車輛小于2輛則切換紅燈。

VISSIM VAP控制模型代碼如下：

PROGRAM test；

/* ARRAYS */

/* SUBROUTINES */

/* PARAMETERS DEPENDENT ON SCJ?PROGRAM */

/* EXPRESSIONS */

mingreen1 ：=T_green（k1）>=5；

mingreen2 ：=T_green（k2）>=5；

exit1：

car2 ：=（Rear_ends（2）?Front_ends（1）<2）AND（Rear_ends（4）?Front_ends（3）<2）；

/* MAIN PROGRAM */

S00Z001： IF Stage_active（1） THEN

S01Z001： IF mingreen1 THEN

S02Z001： IF exit1 THEN

S03Z001： interstage（1，2）

END

END

END；

S00Z003： IF Stage_active（2） THEN

S01Z003： IF mingreen2 THEN

S02Z003： IF car2 THEN

S03Z003： interstage（2，1）

END

END

END

PROG_ENDE

4.3 仿真實驗分析

在基于電子車牌感應控制中，對閾值車輛密度進行不同選取，結果如表1所示。仿真結果表明，閾值對于感應控制效果影響很大，選擇合適的閾值是實現電子車牌感應控制的關鍵因素。分析結果可知，閾值取0.025 veh/m最合適，能實現基于電子車牌感應控制最大效益。三種控制方式下車輛延誤仿真結果對比如表1所示，交叉口車輛評價延誤對比如圖7所示。

圖7 交叉口車輛平均延誤對比圖

在低飽和度下，基于線圈的感應式協調控制和改進后的基于電子車牌的感應式協調控制都優于固定配時協調控制，改進后的感應式協調控制在傳統感應控制基礎上有一定的效益提升。在高飽和度的情況下，傳統基于線圈檢測的感應式協調控制的、車輛平均延誤顯著增加，甚至比固定配時協調控制效益低下。與此對比，改進后的感應協調控制策略在高飽和度下控制效果明顯優于固定配時協調控制和傳統感應式協調控制，能夠顯著的降低交叉口車輛平均延誤，從而提高交叉口的通行效率，同時克服了傳統感應控制在高飽和度下失效的缺陷。

5 結 語

本文針對傳統線圈感應控制存在的不足，提出以電子車牌檢測所得路段區間車輛數量數據，對傳統感應式協調控制進行優化，以車輛密度是否超過閾值作為感應控制中綠燈是否延長的評價標準。通過VISSIM仿真，驗證了基于電子車牌的感應式協調控制克服了線圈檢測在車輛高飽和度情況下控制效率不佳的缺陷。后續工作將利用VISSIM的二次開發統計道路區間總車輛停留時間，并且利用合適的數學模型確定時間閾值，提高交叉口的通行效率。

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