基于交叉口自適應信號控制的交通事件影響下城市干路疏解方法

劉嘉欣 何建琴 劉靜然 程國柱

【摘? 要】論文針對汽車數量增速過快、交通事件頻發導致交通設施擁有量與需求量之間的不平衡，從而造成交叉口交通擁堵難以疏解、交通延誤情況嚴重的現狀，基于交叉口自適應信號控制系統提出交通事件影響下的城市干路交通疏解方法，從信號配時視角規劃交通疏解方案，以期達到自適應改變信號配時、提高道路通行能力的目的。

【Abstract】In view of the current situation that the number of vehicles is growing too fast and the frequent occurrence of traffic incidents lead to the imbalance between the ownership of traffic facilities and the demand， which makes the traffic congestion at the intersection difficult to be solved and the traffic delay is serious， the paper proposes a traffic organization method of urban arterial road under the influence of traffic incidents based on the adaptive signal control system for the intersection. From the perspective of signal timing， this paper plans the traffic organization scheme， so as to achieve the purposes of adaptively changing signal timing and improving road traffic capacity.

【關鍵詞】自適應;交通流特性;交通疏解優化;交通仿真;信號配時

【Keywords】adaptive; traffic flow characteristics; optimization of traffic organization; traffic simulation; signal timing

【中圖分類號】U491.5+1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）05-0114-02

1 引言

由于我國城市化建設速度越來越快，發展態勢逐步上升，公民的汽車擁有量逐年增加，根據已知數據推算，未來5年內，我國機動車新駕車者的數量將以每年2000萬的速度增長。到2025年，中國的機動車總數量將達到3.8億輛，數量劇增的機動車增加了交通流的延誤概率，也給整個交通系統的效益造成了不可估量的損失[1]。

交叉口是車輛、行人交通匯集、轉向和疏散的必經之處，由于資源有限而交通量增加，交叉口也是交通事件的常發地以及最容易受到道路交通事件影響造成擁堵的城市基礎性設施。如遇到一些突發緊急情況無法及時處理，該路口就會出現大面積擁堵，影響整個道路車輛通行能力[2]，而非常態化交通擁堵（交通事件下的交通擁堵）具有極大不規律性，已有的針對城市高峰型擁堵（主要由于職工上下班、學生上下學）的交叉口交通信號方式不能滿足非常規型交通擁堵。如果不能及時準確地進行疏解技術應用，將會把交通擁堵影響由交叉口擴散，造成更加嚴重的經濟損失與社會損失，影響交通系統的服務水平，道路使用者的舒適性，或可能在拋錨、車輛違規行駛、交通意外事故等情況下發生二次事故，因此，在交叉口應用自適應信號系統進行擁堵疏解，將擁堵車輛引導流入相鄰路段，利用多路口分擔交通壓力具有非常重要的現實意義。

本文考慮從時間因素上緩解擁堵問題，即通過實時監測城市路段上車輛的平均行程車速，利用交叉口自適應信號控制理論與方法，在交叉口應用自適應信號系統進行擁堵疏解，將擁堵車輛引導流入相鄰路段，利用多路口分擔交通壓力，對于緩解因交通事件導致的偶發性交通擁堵、提高道路通行能力具有重要的作用和現實意義。

2 研究方法

2.1 方法概況

本文重點研究交通事件影響下如何應用自適應信號控制及視頻檢測技術，實現對交通事件發生地點的上游交叉口進行信號配時優化與調整，以達到交通疏解的目的。有關仿真技術在疏解方案推演中的重要作用，主要是通過全維度交通仿真技術的應用，實現方案預演，并建立了一種基于仿真模型的動態、量化評估機制，為方案的完善和應急方案的設計提供依據。擬實現的技術將結合檢測到的車輛平均行程速度進行分析，結合自由流速度標準在計算機中進行擁堵程度的判定。若交通擁堵在可接受程度內，對進入該擁堵區域的上游交叉口的綠燈時長進行周期性調整，以確保不再加劇交通擁堵;若到達人們不可接受的嚴重擁堵狀態，即達到取消駛入交通擁堵路段相位對應的交通流參數閾值，系統便以不再加劇路段交通擁堵為原則，自動切斷進入該擁堵區域的綠燈相位，待擁堵狀況緩解以后，車輛才可以進入;若交通擁堵得到緩解，則按照周期恢復相應的綠燈時長。

2.2 參數標準

按照GB/T 33171—2016《城市交通運行狀況評價規范》進行自由流速度的確定。針對評價路段按如下步驟進行計算，單位為千米每小時（km/h）：

將6∶00～24∶00按給定時間間隔等分，其間隔長度不超過15min;計算每一時間間隔平均行程速度的算術平均值，樣本天數應不少于30d：

Vf=

式中（本模型取時間間隔為15min）：

Vf表示評價路段的自由流速度;

i表示單位時段（15min）內第i輛車的平均行程速度;

N表示單位時段（15min）內通過車輛總數。

將計算出的平均值從大到小排序，取排序結果的前1/9進行平均，其結果作為路段自由流速度;當計算得到的自由流速度超過道路限速時取限速。

選取東北林業大學外和興路路段為例，根據自由流速度計算標準，經過實際數據記錄和計算，得出該路段實際的自由流速度為42km/h。

本模型路段交通運行狀況等級劃分：

路段交通運行狀況等級按照路段平均行程速度與自由流速度的關系劃分為如下5個等級：①路段平均行程速度大于自由流速度的70%為暢通等級;②路段平均行程速度大于自由流速度的50%且小于或等于自由流速度的70%時為基本暢通等級;③路段平均行程速度大于自由流速度的40%且小于或等于自由流速度的50%時為輕度擁堵等級;④路段平均行程速度大于自由流速度的30%且小于或等于自由流速度的40%時為中度擁堵等級;⑤當路段平均行程速度小于或等于自由流速度的30%時為嚴重擁堵等級。

3 交通疏解方法

當路段發生交通事件時，實時監測事件發生路段平均行程速度Vkj，當Vkj≤Vf×50%時，表示道路路段出現擁堵，此時需要實施交叉口自適應交通信號技術，調節信號燈時間以實現擁堵路段的疏解，具體調節方法如下：

①首先檢測擁堵程度，若為輕度擁堵，則在原有綠燈時間S0=35s基礎上，將通往交通事件路段的信號相位綠燈時間減去一個單位時長N=4s，通往相鄰路段的綠燈時長各相應增加4s，保證信號相位周期時長保持不變;若下一周期檢測到的擁堵程度均為輕度擁堵，則在上一周期基礎上再次減4s;若減少到19s（4個周期）則保持綠燈時間不變，以最小綠燈時間19s運行。②若擁堵程度為中等擁堵，則將通往交通事件路段的信號相位綠燈時間減去2個單位時長N=4s，即減去8s，通往相鄰路段的綠燈時長各相應增加8s;每一綠燈周期結束再次檢測速度，若仍中等擁堵，再次減8s，若為輕度擁堵，則對應減4s;若減少到19s則保持綠燈時間不變，以最小綠燈時間19s運行。③若擁堵程度為嚴重擁堵，則取消綠燈時間。④通過反復實時監測路段的Vkj并作出比較判斷，實現綠燈時長的動態變化，最終使Vkj>Vf×50%，若此時為不再擁堵的狀態，對應的綠燈時長S小于初始綠燈時間S0，則增加1個單位綠燈時長N=4s，同時，檢測路段的，保證Vkj>Vf×50%，直到當前綠燈時長S與初始綠燈時長相等，則信號燈調控結束，運行信號燈原有綠燈周期。

4 交通仿真

仿真系統隨機給出速度20km/h，檢測到Vf×40%

5 結論

本文基于交叉口自適應信號控制技術，開展交通事件影響下城市干路交通疏解技術研究，提出了一種減少綠燈時間的信號配時方案。①通過實時檢測路段上的車輛平均行程車速的大小判斷道路運行狀況，并按照上文提到的信號燈配時方法實現交叉口信號燈的動態變化，從而達到緩解路段交通擁堵的目的。②經研究得到一種用于研究疏解干路擁堵的疏解方法，此方法對提高道路通行能力，緩解城市干路交通壓力具有可實際應用性[3]。

但在實際應用中，此系統效用的良好發揮必須依靠正確獲取交通流狀態，因此，需要專業充足的檢測、通信設備以及專業運行人員。應用本系統的前提是確定好應用路段范圍以及確保系統邏輯符合路段實際情況，這些準備所需的前期調查工作以及后續監測工作量是很大的。

【參考文獻】

【1】李嘉屹，巴興強，吳大偉.可恢復的自適應式交通信號燈設計說明[J].科學技術創新，2020（30）：101-103.

【2】占雅聰，劉寬，施忠祥，等.基于單片機的智能交通燈控制系統設計[J].電子測試，2020（8）：15-16.

【3】DI Robertson，RD Bretherton.Optimizing networks of traffic signals in real time-the SCOOT method[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，1991，40（1）：11-15.