智能交通在城市信號交叉口應用研究綜述

張德凱 秦洪彬

關鍵詞 智能交通;信號交叉口;交通違章監控系統;交通控制管理系統

中圖分類號 U495 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）04-0017-03

0 引言

城市道路平面交叉口是城市道路的相交處，不同來向、去向的車輛在道路交叉口處反復分流、合流，車流交織的過程中極易發生沖突，從而導致交通事故。平面交叉口也是整個城市道路網通行能力的瓶頸處，車輛在平面交叉口處為避免嚴重的沖突，存在通行時間上的先后順序，這就導致了車輛的延誤和交通擁堵，使得交叉口處車輛的通行能力明顯小于路段的通行能力。城市道路平面交叉口需要解決的兩個重要問題就是：減少交叉口處的事故（安全）和緩解交通擁堵（快速通過）。解決以上兩個問題的傳統方法，一是在交叉口處對路面進行渠化，對道路的空間資源進行分配，使車輛各行其道，避免空間上的相互干擾。二是設置交通信號燈，通過安排車輛在交叉口通行的先后順序，在時間上將沖突分離開來，通過合理的配時使車輛在交叉口處的延誤保持在能夠接受的水平。

然而，當面臨現實中日益增長的交通出行需求和更為復雜的交通狀況，智能交通給出了改善以上問題的新的技術手段。智能交通系統是將先進的科學技術有效地綜合運用于交通運輸系統，加強車輛、道路、使用者三者之間的聯系，從而形成一種保障安全、提高效率、改善環境、節約能源的綜合運輸系統。在減少交叉口事故方面，交通違章監控系統通過對交通違法行為進行威懾，能夠降低交通違法和交通事故的發生，且在沒有安裝電子警察的交叉口發現其交通違法率也在降低。在緩解交通擁堵方面，交通控制管理系統通過獲取道路網中的實時數據動態調整信號控制，以緩解交通擁堵的問題。

該文從交通違章監控系統和交通控制管理系統兩個方面對智能交通在城市道路平面交叉口處的應用展開論述。

1 交通違章監控系統

交通違章監控系統俗稱“電子警察”。車輛在交叉口處的違章行為多見于闖紅燈、超速等情況，容易導致嚴重的交通事故。“電子警察”通常由檢測模塊、抓拍相機和閃光燈等構成，通過對違法行駛的車輛進行識別和處理，確保車流安全有序行進。

1.1 應用效用

根據美國公路保險協會2000年的統計數據，在交通違章監控系統沒有普及的1992年至1998年間，每年有大約6 000人在車輛闖紅燈的交通事故中死亡，此外還有約140萬人在該類交通事故中受傷。車輛闖紅燈的違法行為一直被認為是導致交叉口處發生車輛嚴重相撞事故的原因。澳大利亞3個州在1994年至1998年間有15%～21%的交通事故與闖紅燈有關。

有國外研究發現，車輛在到達信號交叉口之前以較高速度行駛容易導致在黃燈期間甚至是紅燈時通過交叉口。信號交叉口黃燈兩難區的存在導致了以上情況的發生，部分駕駛員選擇在黃燈啟亮后放棄減速停駛而選擇繼續保持快速通過從而對交叉口的安全產生負面影響。

“電子警察”能減少由于車輛闖紅燈而導致的相撞事故（尤其是直角碰撞）。經過駕駛員的學習和了解后，“電子執法”能減少信號交叉口處40%～50%的車輛違法行為;在一些沒有“電子警察”的交叉口，車輛的交通違法行為也在減少。然而，在布設交通違章監控系統后，車輛追尾事故卻有所增加。“電子警察”的使用使得信號交叉口事故數量降低25%～30%。由于電子執法對駕駛員的威懾作用，安裝“電子警察”對綠燈末期以及綠燈初期車輛的闖紅燈違法行為都有顯著的影響：“電子警察”使綠燈末期、綠燈初期車輛闖紅燈違法率分別降低約15%和30%。

盡管電子執法能夠有效減少交通事故發生的數量，但一旦發生交通事故，其嚴重程度往往更加劇烈。此外，電子執法實施后，車輛刮撞行人的交通事故發生更為頻繁（事故率增加約17%），這與駕駛員因在綠燈末期、綠燈初期搶紅燈加速通過交叉口而不注意行人過街或發現行人后來不及剎車有關[1]。

1.2 應用研究

針對駕駛員注意力集中在道路狀況及交通信號上，而無法每次都能注意到“電子警察”存在的情況，研究表明設置提示標志是十分必要的。交通提示標志能夠提升電子執法的威懾力，從而降低電子執法環境下車輛的交通違法率。

與發達國家相比，我國電子執法在減少交通事故率方面更有成效。此外，與發達國家安裝電子執法設施后“車輛追尾事故增加，但總的交通事故死傷人數下降”的情況不同，我國刮撞行人的交通事故數量明顯增加，且事故導致死傷人數的比例也大幅上升。

2 交通控制管理系統

2.1 城市交通信號燈

城市道路交叉口的信號燈是最基本的交通管理控制設施。通過在平面交叉口處設置信號燈，能夠在時間上分離車流之間沖突，減少交通事故的發生。由于交通信號燈的存在，產生了車輛的延誤，造成了交叉口各進口道的通行能力明顯小于對應路段的通行能力。

為了解決這一問題，一方面通過設立待行區等渠化手段增加綠燈期間的車輛通過數量，一定程度上緩解交通擁堵;另一方面，通過設立信號倒計時器提醒駕駛員在紅燈末期早做準備以便在綠燈時盡快通過，也可以給予綠燈末期在路段上行駛的駕駛員以時間上的參考，避免綠燈末期闖紅燈的行為。然而，也有駕駛員想要在等待期間提前通過交叉口，導致了車輛在綠燈初期闖紅燈行為的發生。

研究發現，安裝交通信號倒計時器之初，車輛闖紅燈的數量相對減少了72%;但是當大部分的駕駛員適應了交通信號倒計時后，闖紅燈的違法率又恢復到了之前的水平。

研究發現，在綠燈末期，有交通信號倒計時的交叉口與沒有信號倒計時的交叉口相比，其闖紅燈的違法率僅增加了2.4%，交通信號倒計時對綠燈末期車輛的闖紅燈違法行為沒有顯著影響;在綠燈初期，這一比例為151.2%，安裝信號倒計時會對交叉口綠燈初期車輛的闖紅燈違法行為有顯著影響，導致綠燈初期車輛的闖紅燈行為大大增加。

2.2 信號控制方式

信號控制的方法大致分為點控、線控和面控。點控適用于相鄰信號交叉口間距較遠的，線控效果差的或者交通需求變動較大，其交叉口周期長度和綠信比的單獨控制比線控效果更好的情況;線控是把一條道路上幾個連續的信號機在時間上連接起來進行信號控制，通過減少車輛的停駛次數進而降低延誤。面控是在大面積的道路網上將多臺信號機采用集中控制的方式，對于每一個子區給出最佳的控制周期。

2.2.1 點控

Chen等[2]提出了“基于車路通信環境的單交叉口自適應控制方法”，建立了單個信號交叉口的控制模型。針對單個交叉口的情況，提出運用車路通信的方式獲取車輛行進數據，并運用運籌學的方法對交叉口信號控制參數進行調整優化是一種可行的方法。

為解決車路協同環境下單個交叉口自適應控制優化策略，周建山等[3]提出了動態OD矩陣估計模型，并基于交通流模式識別得到了一種控制優化方法。

張存保等[4]給出了單個車輛的延誤和停車次數的計算方法，并以整個交叉口范圍內車輛的延誤和停車次數最小為優化目標，建立了參數優化模型。張存保等[5]通過引入基于時間窗的滾動預測方法，提出了一套信號控制優化流程。

2.2.2 線控

對于一定范圍內的交叉口，若交叉口間的距離較近且交叉口處的機動車流量較為穩定，那么可以采用線控的方式通過把相鄰幾個交叉口的信號控制機設置為相同的周期時長，在確定各交叉口信號控制方案的相位差的前提下實現對車輛通行的綠波帶控制。

2.2.3 面控

單個信號交叉口的最優化并不能代表整個城市的最優化，為實現整個城市交通運行的最優化，需要對城市的所有交叉口都進行優化。目前運用最為廣泛的是澳大利亞的SCATS系統（悉尼協調自適應交通系統）和英國的SCOOT系統（實時自適應交通信號控制系統）。

彭信林等[6]針對必須通過專用軟件才能提取SCATS系統中交通數據的問題，開發了一種SCATS數據采集軟件系統，該系統通過SCATS提供的ITS接口采集交通數據并存儲于SQL Sever 2000數據庫中。

針對國內外車流組成不同的情況（國外為較為純凈的機動車流，國內為混合車流），戎承恕[7]提出要在混合交通流條件下發揮SCATS應有的作用，要做到以下4點：

（1）將優化信號控制與做好交叉口處的交通組織相結合;

（2）提高技術人員對于SCATS系統的應用水平;

（3）提高操作人員的信號調控水平;

（4）通過上下聯動實現信號優化配時。

鄭楷柱等[8]通過研究SCATS與BRT的結合問題，提出主動信號技術是比較適合設有中央公交專用道形式的BRT。

陳智等[9]根據國內交通狀況，基于SCOOT系統對兩相鄰路口的協調控制提出了四種控制方法，即“兩個Junction對應1個Node”“單周期控制”“雙周期控制”和“大小周期控制”，可以協調交叉口信號控制，從而提高城市交通系統的運行效率。在系統精度方面，將基于藍牙的車輛檢測技術應用于SCOOT系統是可行的，且藍牙車輛檢測器可以提升SCOOT系統的精度。類似的，運用視頻攝像機代替傳統的車輛檢測器實現對機動車輛的檢測，能夠在城市交叉口信號控制方面取得比較理想的效果。

劉越偉等[10]開展了基于SCOOT系統的交叉口信號倒計時研究，提出了全程倒計時顯示方式。在現有基礎上，結合自學式倒計時器特點，對軟硬件進行改造優化，能夠適應信號機的多種信號控制模式。

3 總結與展望

20世紀70年代，我國開始建設自己的智能交通系統，經過近半個世紀的發展，智能交通系統在信號交叉口的應用已經取得了巨大的成效，對于提升交通安全、提高城市交叉口的運行效率具有顯著的作用。同時，也帶來了一些新的問題，比如當交叉口信號燈采用倒計時形式時，容易導致刮撞行人事故率的提高以及綠燈初期車輛闖紅燈的違法行為增加等。針對這些現象，加強對駕駛員的宣傳教育是當務之急。對于交通控制管理，面向城市層面的協調控制是今后發展的重點。隨著第五代通信技術的成熟和逐漸商用，加之強大的云計算技術，數據的實時獲取、傳輸、處理能夠擺脫滯后性，同時更加快速的數據傳輸速度能夠將處理后的數據及時反饋給駕駛員，人、車、路協同成為可能。

智能交通是建設智慧城市的重要一環，但目前國內很多城市的智能交通系統仍停滯于視頻監控等方面，并且與之匹配的智能化管理與智能化信息服務的水平較低，ITS并未完全發揮其活力。因此，加強對交通管理人員的培訓、加快建設智能網聯平臺是智能交通系統高效運行的保證。

參考文獻

[1]蔣賢才， 趙紫琴， 裴玉龍. 電子執法對信號交叉口交通違法與交通事故的影響[J]. 哈爾濱工業大學學報， 2011（10）： 84-87.

[2]Cai C， Wang Y， Geers G. Adaptive Traffic Signal Control using Vehicle-to- Infrastructure Communication： ?A Technical Note[C]. International Workshop on Computational Transportation Science. ACM， 2010.

[3]周建山， 田大新， 韓旭， 等.基于車路協同的單點信號交叉口自適應優化控制方法[C]. 第七屆中國智能交通年會優秀論文集， 北京， 2012： 48-59.

[4]張存保， 陳超， 嚴新平. 基于車路協同的單點信號控制優化方法和模型[J]. 武漢理工大學學報， 2012（10）： 74+79.

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[7]戎承恕. 談混合交通條件下SCATS系統的應用——以杭州市為例[J]. 浙江警察學院學報， 2007（5）： 88-89.

[8]鄭楷柱， 梁雪玲. BRT在SCATS系統中的信號控制研究[J]. 城市公共交通， 2008（8）： 39-42.

[9]陳智， 張永忠， 陳兆盟. 基于UTC-SCOOT系統的兩相鄰路口交通信號的協調控制[J]. 交通標準化， 2010（Z2）： 100-102.

[10]劉越偉， 張海波. 基于SCOOT交通控制系統的信號燈倒計時研究及應用[J]. 交通運輸研究， 2012（1）： 145-147.

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