一種相位(階段)動態組合的感應控制方法研究

金育東，丁海龍，章濤濤

(1.連云港杰瑞電子有限公司，江蘇 連云港 222000；2.上海杰瑞兆新信息科技有限公司，上海 200135)

在城市道路交通信號控制中，應用最廣泛的是定周期控制和感應控制。定周期控制的所有控制參數，都是在假定時段交通需求確定的前提下離線預設的，對城市交通網絡中的交通波動適應能力有限。而感應控制的周期、綠信比，甚至相序都可以依賴交通檢測數據實時調整，對交通波動的適應能力要強于定周期控制。

傳統感應控制方法在確定配時參數、檢測器位置等過于經驗化，控制策略比較單一，控制效果也不明顯。國內外學者對交叉口感應控制做了一系列研究，邵峰[1-5]等人研究了單位綠燈延長時間的計算方法，景泰[5,7,8]等人研究了最小綠燈時間、最大綠燈時間的優化方法，韓平超、柳祖鵬[10-11]等人提出需求度的概念，郭英明[10,12,13]等人對合流場景進行了深入研究，楊濤等[13]提出基于排隊長度和車輛等待時間的實時可變相序的信號控制方法。以上研究雖然對傳統感應控制進行了改進，但仍缺乏對不同場景需求確定及靈活制定相關感應控制方法的考慮。

針對這些問題，提出依據城市交通路網特性、出行規律，設計相位(階段)組合、分離規則，并在實際運行過程中，動態判定交通需求，選擇感應控制規則，精準滿足出行需求， 解決復雜交通場景的智能控制需求，緩解交叉口排隊長度。最后，依托孝感市交通大道與天仙路交叉口，基于雷視檢測系統，完整實施驗證了相位(階段)動態組合的感應控制。

1 控制策略

1.1 階段設計

依托交叉口交通流量特征，分別設計交叉口常規條件及特殊條件觸發時的放行相序。例如某交叉口的交通流量以對稱為主，偶爾出現單方向流量較多的情形，可設計如表1所示的常規階段與擴展階段。

表1 常規階段與擴展階段設計

1.2 互斥階段鏈

圍繞常規階段與擴展階段，設計符合交通安全要求的階段放行秩序鏈，這些階段鏈互斥。以東西流向為例，設計如圖1所示的(1)對稱搭接單向或(2)單向搭接對稱的互斥階段鏈。即周期運行期間，若東西流向首個階段決策使用“(a)東西直行”，則該周期中東西流向的放行階段鏈固化為“(a)東西直行-X階段-(b)東西左轉”，其中X階段存在三種可能性，即可以跳過，也可以為“(e)東向全放”，亦或是“(f)西向全放”。

圖1 互斥階段鏈設計

1.3 決策邏輯

周期運行過程中，按照一定的階段鏈決策規則，挑選符合交通流特征的階段及對應的階段鏈。同等條件下，一般默認優先選擇常規階段。

2 用戶規則

2.1 邏輯語句表達

通過邏輯變量與邏輯運算符的組合，實現用戶規則的邏輯表達。邏輯變量，包括“常數、檢測器、燈組、相位、故障、定時器、用戶變量”等；邏輯運算符，包括常見的“與、或、右移、左移、小于、等于、不等于、大于、取大、取小”等。

2.2 用戶邏輯設計

針對交通場景特征，用戶自定義交通狀態及異常狀態的識別規則，并給出階段需求放行、忽略跳過、降級放行等觸發機制。

(1)交通狀態識別

利用檢測器與相位的映射關系，將車輛存在、排隊長度、區間內車輛數等多種交通數據，進行一次或多次邏輯表達，輸出表達相位車輛數可忽略及不可忽略兩種甚至多種交通狀態。通過檢測器27的區間車輛數大于6輛或者排隊長度大于45 m表達相位1的出現較長排隊。

(2)異常狀態識別

利用DFM檢測機制(檢測器數據常0、常1或數據不可信的異常識別)，結合定時器，進行簡單的邏輯表達，獲取相位異常狀態。例如，07∶05時刻，檢測器26車輛存在狀態超過240 s一直為0，則檢測器26產生DFM0異常；03∶15時刻，檢測器27車輛存在狀態超過300 s一直為1，則檢測器27產生DFM1異常。

(3)階段觸發機制

利用階段與相位及相位與檢測器的映射關系，設計階段優先、需求、省略、降級的觸發規則。例如，在東向西左轉及直行相位的排隊長度均達到60 m，且西向東左轉及直行相位排隊長度不超過30 m，則東向西左直同放階段優先放行條件觸發；南北左轉相位等效排隊車輛數不超過2輛(12 m公交車輛等效3輛當量車)，若紅燈狀態持續時長不超過160 s，則南北左轉階段可以省略，否則南北直行需求狀態為真；南北直行相位對應檢測器產生DFM0異常，則南北直行階段觸發降級。

相比常規階段，擴展階段的觸發條件需要更加嚴苛，即確保擴展階段只在特定場景下方可觸發。

3 算例分析

3.1 現狀分析

孝感市交通大道與天仙路交叉口，東西向為城市主干道，南北向為支線。通常交叉口流量呈對稱分布，基礎配時方案采用對稱放行方案。但早晚高峰時段東西向存在流量不對稱的情況，會出現部分相位綠燈空放，部分相位時長不足的情況。

3.2 策略實施

干道方向(東西向)采用對稱搭接單向及單向搭接對稱兩種互斥階段鏈設計，而支線方向(南北向)維持對稱放行設計，階段轉移圖如2所示。

圖2 交通大道與天仙路交叉口非典型感應控制階段轉移圖

東西向相位的交通狀態識別規則，如表2所示。

表2 關鍵相位交通狀態識別規則

東西向相位的常規階段與擴展階段的觸發規則，如表3所示。

表3 階段觸發規則

3.3 數據分析

采集2022-3-8至2022-3-14的高分辨率運行日志數據，其中前4天采用傳統典型感應控制，后3 d采用基于用戶自定義規則的相位(階段)動態組合的非典型感應控制。

分別提取表征早高峰、平峰、晚高峰的三個典型時間段的排隊長度數據，07∶45～08∶45、10∶15～11∶15、17∶45～18∶45，如表4所示，平均周期最大排隊長度最大降幅出現在早高峰，降幅達40.6%，其次為晚高峰降幅38.7%，平峰降幅較小，僅6.7%。

表4 3個典型時段的平均周期最大排隊長度對比

3.4 運行效果

早晚高峰期間，交叉口存在對稱車流-潮汐車流-對稱車流的特征轉變情況，此時基于用戶自定義規則的非典型感應控制效果遠勝于傳統感應控制。具體原因為，僅用對稱放行策略的傳統感應控制，無法適應該場景的交通流特征變化，而非典型感應控制，可在潮汐特征觸發時，自動調整以單邊輪放為主的放行方案，特征恢復時，又自動執行對稱放行方案。

平峰期間，雖然交叉口整體交通流量較少，且變化不大，但用戶自定義規則的非典型感應控制的效果相比傳統感應控制，仍略有改善。

4 結 語

用戶自定義規則的非典型感應控制方法，可針對不同交通場景，定制符合交通特征的控制策略，選擇合適的交通數據及所需的常規階段與擴展階段，采用用戶邏輯自定義表達的方式，設計交通狀態、異常狀態的識別及控制策略的觸發規則，實現復雜交通場景安全有序及通行通暢。孝感市交通大道與天仙路交叉口的成功實施表明，用戶自定義規則的非典型感應控制靈活可控，且擴展性較好，極其適用流量特征動態變化的交通場景。