一種多相位感應控制的配時方案設計

摘要：感應控制是城市交通信號控制的重要方法之一，特別適合于交通流量不大但隨機波動較大的交叉口的信號控制。本文針對經(jīng)典的感應控制所存在的效率不高等局限性，研究了感應控制的主要控制參數(shù)，給出了配時的推薦計算方法，分析了相序對感應控制的控制效果的影響，提出了一種變相序的多相位感應控制算法。本文所提算法在仿真平臺進行了實驗，實驗結果證明比經(jīng)典的感應控制方法所產生的車輛的平均延誤要低，同時，算法簡單易行，實用性較強。
關鍵詞：感應控制；配時；變相序；仿真

0 引言
    近年來，道路交通量急劇增加，城市道路問題已經(jīng)成為現(xiàn)代城市迫切需要解決的重要問題之一，合理的控制策略能夠提高交叉口的通行能力，對于一些交通流量較小，但隨機波動較大的路口，宜采用感應控制。
    經(jīng)典的感應控制采用車來即延時的策略，根據(jù)經(jīng)驗設定固定的初始綠燈時間、單位綠燈延長時間、最大綠燈時間等參數(shù)，控制策略單一，很難適應動態(tài)的交通流狀況。為了達到比較理想的控制效果，一些學者對感應控制的配時進行了深入研究，翟潤平等就對延時策略進行了改進，通過計算綠時有效利用率來確定是否切換相位，提高了綠燈的有效利用率，但是增加了一個控制參數(shù)和控制的復雜度；王殿海等提出了一種可變單位綠燈延時的時間模型，考慮到了城市路段車流到達規(guī)律和駕駛員心理特性，比傳統(tǒng)的固定單位綠燈延時有所改進，但是在降低車輛的平均延誤上效果并不明顯；邵峰等對兩種單位綠燈延時的計算方法進行了比較，得到了一種減少車輛平均延誤的單位綠燈延時的計算方法，但是其計算參數(shù)過多，計算復雜，實用性不強。上述研究皆對感應控制的部分配時參數(shù)進行了研究，但都采用固定周期、固定相序的方式。文獻均考慮到了相序對交叉口通行能力的影響，對不同的交叉口采用不同的相序方案，但是沒有考慮交叉口的車流量變化對相序的影響；沈國江等提出了一種交通流模型，根據(jù)排隊長度的變化，采用模糊推理對相序轉換時刻、相序的選擇進行了優(yōu)化，由于采用了八相位方案，算法復雜度較高，調節(jié)參數(shù)多，實時性和可靠性得不到保證，并且增加了綠燈損失時間；樊曉平等結合了模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制的優(yōu)點，實現(xiàn)了交叉口多相位的、相序可變的交通流控制，但是該方法對信號機系統(tǒng)的配置要求比較高，較難推廣應用。
    本文對交通感應控制中的信號配時進行了研究，提出一種動態(tài)相序的多相位感應控制算法，分析了初始綠燈時間、單位綠燈延長時間、最小和最大綠燈時間等對感應控制的影響，并給出了上述參數(shù)配時的計箕方法。本文所提算法簡單實用，計算復雜度低，對系統(tǒng)配置要求不高，仿真結果表明，本文的方法較經(jīng)典感應控制方法降低了交叉口的平均延誤，是一種有效可行的方法。

1 感應控制原理概述
    感應控制是通過車輛檢測器檢測到的車輛到達情況，動態(tài)調整各相位的配時以適應交通變化的一種實時控制方式，是一種典型的反饋控制過程，適用于交通流量不大但波動較大的交叉口控制。
    傳統(tǒng)的感應控制方式可分為半感應控制和全感應控制。在半感應控制中，檢測器只安裝在次干道上，主干道維持綠燈狀態(tài)，當次干道檢測到有車到達并且主干道最小綠時已經(jīng)結束時，更換信號相位；而全感應控制中，主從干道無法明顯地區(qū)分，交叉口的所有進口道上都安裝檢測器，其工作方式為：當某一信號相位開始啟亮綠燈時，則預設一個“初始綠燈時間”，當初始綠燈時間結束時，再增加一個預置的時間間隔(一般為一個單位綠燈延長時間)，在此時間間隔內，若沒有后續(xù)車輛到達，則立即更換相位；若檢測器檢測到有后續(xù)車輛到達，則每檢測到一輛車，就從檢測到車輛的時刻起，相位綠燈延長一個預置的“單位綠燈延長時間”，綠燈可一直延長到一個預置的“最大綠燈時間”，當相位綠燈時間延長到最大值時，則強制切換相位。
    感應信號控制的三個基本參數(shù)分別為：最小綠燈時間、單位綠燈延長時間、最大綠燈時間。而檢測器的埋設位置、相位相序的選擇也對感應控制的控制效果有重要的影響。

2 感應控制主要參數(shù)的配時計算方法
    本文主要研究單個交叉口的四相位全感應控制方法。為了達到較好的控制效果，就必須對感應控制的主要參數(shù)進行合理的配時，如圖1所示，圖中箭頭表示該相位允許通過的車流方向，規(guī)定所有右轉車輛可自由通行?？紤]到車流的動態(tài)變化，設計出一種動態(tài)相序的控制算法，并對初始綠燈時間、綠燈延長時間、最小和最大綠燈時間給出了計算方法。


2．1 初始綠燈時間G0
    經(jīng)典的感應控制通常采用固定初始綠燈時間，本文為了提高交叉口的通行能力，采用初始綠燈時間可變的方法，即在第i相位獲得通行權的時刻，檢測檢測器與停車線之間的車輛排隊長度Qi，初始綠燈時間是使Qi輛車全部駛離停車線所需要的時間，有：
  
    其中，Qi為i相位獲得通行權的時刻關鍵進口道上檢測器與停車線之間的排隊車輛數(shù)，單位為輛；Si為i相位關鍵進口道上的飽和流量，其單位為輛／小時；
2．2 單位綠燈延長時間
    各相位的單位綠燈延長時間要保證車輛按進口道的行駛速度行駛時，能夠行駛完檢測器到停車線之間的距離，保證車輛在該延時內能夠順利通過停車線，即滿足：
  
    其中，Di為i相位關鍵進口道上檢測器與停車線之間的距離，m；Vi為i相位關鍵進口道上車流的平均行駛速度，m／s；
2．3 最小綠燈時間
    最小綠燈時間是信號相位獲得通行權時所必須保證的綠燈時間，等于初始綠燈時間與單位綠燈延時之和，最小綠燈時間有：
  
    其中：Gi0為i相位的初始綠燈時間，s；△i為湘位的單位綠燈間隔時間，s。
2．4 最大綠燈時間Gmax
    最大綠燈時間，即為了保持最佳綠信比分配而確定的相位綠燈時間。它是相位綠燈時間的延長極限。當?shù)竭_最大綠燈時間時，強制綠燈結束并改變相位，最大綠燈時間一般定為30-60s，可根據(jù)經(jīng)驗來設定。

3 檢測器的布局
    本文采用在所有進口道都埋設一對檢測器的方法，以檢測各車道的車輛到達情況和排隊長度，如圖2所示，其中一組檢測器設置在剛剛越過停車線的位置，另一組檢測器設置在停車線下游離停車線距離為Di的位置，Di的設置位置要保證在最小流量時車輛的排隊長度不越過檢測器，并且要保證檢測器與停車線之間的最大排隊車輛數(shù)能夠在初始綠燈時間內疏散完畢，于是檢測器與停車線之間的距離Di應滿足：
  
    其中：hi為i相位排隊車輛平均車頭間距，m；Qi為i相位關鍵進口道上檢測器與停車線之間的最大排隊車輛數(shù)，輛。



4 變相序的多相位感應控制算法
    為了有效減小車輛平均延誤，本文針對前文所述的單交叉口四相位全感應控制提出可變相序的感應控制算法，根據(jù)各相位的排隊長度和平均等待時間確定一個優(yōu)先值Wi，Wi=QiTi；其中，Qi為第i相位等待車輛的排隊長度，T為第i相位的等待時間；顯然，優(yōu)先值越大的相位優(yōu)先通行，通過判斷優(yōu)先值的方法靈活動態(tài)地變換相位，該配時方案的相序不固定，相位轉換的狀態(tài)圖如圖3所示，根據(jù)交通需求實時變換相位。


    具體算法如下：
    Step 1初始化，給每一相位任意車輛排隊長度，把通行權交給排隊長度最長的相位；
    Step 2給獲得通行權的相位一個初始綠燈時間；
    Step 3給本相位一個單位綠燈延長時間。
    Step 4檢測本相位是否有車到達，無車，到Step5，有車，判斷本相位綠燈時間是否到達最大綠燈時間，是，到Step5，否，到Step3。
    Step 5計算各紅燈相位的優(yōu)先值，把通行權交給優(yōu)先值最高的那個相位，到Step2；

5 仿真結果分析
  為了驗證本文所提出的算法的有效性，本文通過仿真平臺上對經(jīng)典感應控制算法和本文提出的動態(tài)相序的感應控制算法進行了比較實驗，仿真軟件采用微觀交通仿真軟件-USTCMTS1.0系統(tǒng)，因為感應控制只適用于飽和度不高的交通流條件，故取飽和度低于0．6的情況進行實驗，仿真所選取的交叉路口的寬度為：東西方向和南北方向的道路寬度均為10．5m，仿真運行6000s，以車輛的平均延誤作為標準，得到兩種算法的平均延誤，圖4是根據(jù)仿真結果使用MATLAB所繪制的圖形。


    由仿真結果我們可以看出，本文所提出的動態(tài)相序的感應控制的平均延誤要明顯低于經(jīng)典感應控制的平均延誤。

6 結論
    本文以單交叉口的感應控制為研究背景，針對經(jīng)典感應控制算法相序固定、配時參數(shù)固定的缺點，提出一種變相序的、動態(tài)初始綠燈時間的多相位感應控制算法，仿真結果表明，改進后的感應控制算法較經(jīng)典的感應控制算法有效地降低了車輛的平均延誤，能夠適應動態(tài)的交通流狀況。