基于導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率的單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法

安娜 徐洪峰

摘? ?要： 為了提高道路交叉口信號(hào)控制的性能，以典型的四路交叉口為研究對(duì)象，針對(duì)傳統(tǒng)的單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法無(wú)法充分利用綠燈時(shí)間特別是綠燈延長(zhǎng)時(shí)間的問(wèn)題，提出一種基于導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率的單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法。利用Python調(diào)用VISSIM的COM接口，模擬多目標(biāo)跟蹤雷達(dá)檢測(cè)器，采集交叉口各條導(dǎo)向車(chē)道內(nèi)的機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。從道路空間利用情況的角度出發(fā)，定義導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率概念，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)感應(yīng)控制邏輯。仿真實(shí)驗(yàn)表明，在高負(fù)荷交通需求下，與傳統(tǒng)基于車(chē)輛時(shí)距的控制方法相比，采用基于導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率的單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法，交叉口車(chē)均停車(chē)次數(shù)通常小于1次，交叉口車(chē)均延誤降幅超過(guò)10個(gè)百分點(diǎn)，交叉口通行能力明顯提高。

關(guān)鍵詞： 單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制;導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率;綠燈時(shí)間;Python;多目標(biāo)跟蹤雷達(dá)檢測(cè)器;車(chē)均停車(chē)次數(shù);車(chē)均延誤

引言

傳統(tǒng)的單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法根據(jù)檢測(cè)器采集的車(chē)輛時(shí)距、占有時(shí)間等數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)獲取機(jī)動(dòng)車(chē)到達(dá)情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)動(dòng)車(chē)相位的綠燈時(shí)間，能夠在一定程度上實(shí)時(shí)響應(yīng)交通需求的隨機(jī)變化。但是，該方法仍存在無(wú)法充分、高效利用綠燈時(shí)間的情況，例如：在交叉口進(jìn)口道左側(cè)展寬道路結(jié)構(gòu)下，當(dāng)左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車(chē)排隊(duì)長(zhǎng)度超過(guò)其導(dǎo)向車(chē)道長(zhǎng)度時(shí)，影響相鄰車(chē)道正在放行的直行機(jī)動(dòng)車(chē)，以致其不能按時(shí)通過(guò)交叉口，正在放行的直行機(jī)動(dòng)車(chē)相位綠燈時(shí)間未得到充分利用;對(duì)于具有單條左轉(zhuǎn)專用車(chē)道的交叉口，若左轉(zhuǎn)排隊(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)上溯至上游路段，且排隊(duì)至上游路段的左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車(chē)隊(duì)列中有一輛直行機(jī)動(dòng)車(chē)，那么在左轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)車(chē)相位放行過(guò)程中，當(dāng)啟動(dòng)波傳遞至該直行機(jī)動(dòng)車(chē)時(shí)，該車(chē)駛?cè)胂噜彽闹毙袑?dǎo)向車(chē)道，左轉(zhuǎn)連續(xù)車(chē)流出現(xiàn)短暫中斷，該機(jī)動(dòng)車(chē)相位切斷綠燈，導(dǎo)致該車(chē)后方剩余的左轉(zhuǎn)排隊(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)均未得到服務(wù)。

以往研究通過(guò)研究單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法的參數(shù)動(dòng)態(tài)取值問(wèn)題（如車(chē)輛時(shí)距閾值[1-2]、最小綠燈時(shí)間[3-4]、最大綠燈時(shí)間[5]等），提高單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法的控制效果。然而，受檢測(cè)手段的限制，單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法的研究仍未逃脫利用斷面檢測(cè)器刻畫(huà)機(jī)動(dòng)車(chē)到達(dá)情況的固定模式。近年來(lái)，隨著交通數(shù)據(jù)采集技術(shù)的進(jìn)步，以多目標(biāo)跟蹤雷達(dá)為代表的新型檢測(cè)器的出現(xiàn)，不僅為單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法的研究提供了豐富的數(shù)據(jù)，更為單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法的技術(shù)變革帶來(lái)了全新的視角。在此背景下，本文以典型的四路交叉口為研究對(duì)象，以進(jìn)一步提升單個(gè)信號(hào)控制交叉口的性能為目標(biāo)，提出一種基于導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率的單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，評(píng)估信號(hào)控制效果。

1? 導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率

導(dǎo)向車(chē)道內(nèi)的機(jī)動(dòng)車(chē)具有確定的流向，原則上不允許發(fā)生換道行為，且作為綠燈和黃燈時(shí)間服務(wù)的首選對(duì)象，被賦予通過(guò)停止線的權(quán)利。機(jī)動(dòng)車(chē)一旦進(jìn)入導(dǎo)向車(chē)道，將尋求一定的速度通過(guò)停止線，以實(shí)現(xiàn)空間上的移動(dòng)。同時(shí)，機(jī)動(dòng)車(chē)對(duì)道路空間的占用也將隨著速度的變化而變化。機(jī)動(dòng)車(chē)的速度越高，期望占用的道路空間越大。本文將機(jī)動(dòng)車(chē)期望占用的空間長(zhǎng)度稱為安全擴(kuò)展長(zhǎng)度，它包括機(jī)動(dòng)車(chē)的實(shí)體長(zhǎng)度和規(guī)避碰撞距離兩部分。其中，規(guī)避碰撞距離是指為保證機(jī)動(dòng)車(chē)在遇到緊急情況時(shí)留有足夠的剎車(chē)空間，而在機(jī)動(dòng)車(chē)前方存在的動(dòng)態(tài)距離。該距離使得駕駛員在當(dāng)前速度下，采取制動(dòng)決策至機(jī)動(dòng)車(chē)完全靜止的同時(shí)，前方仍留有一定的安全富余量。故在某一時(shí)刻，機(jī)動(dòng)車(chē)的安全擴(kuò)展長(zhǎng)度表達(dá)式為

其中，表示時(shí)刻機(jī)動(dòng)車(chē)的安全擴(kuò)展長(zhǎng)度;表示機(jī)動(dòng)車(chē)的實(shí)體長(zhǎng)度;表示時(shí)刻機(jī)動(dòng)車(chē)的速度;表示駕駛員的標(biāo)準(zhǔn)制動(dòng)反應(yīng)時(shí)間;表示機(jī)動(dòng)車(chē)緊急制動(dòng)時(shí)的最大減速度，它與機(jī)動(dòng)車(chē)的剎車(chē)性能、道路路面摩擦系數(shù)等有關(guān)，在道路狀況良好的情況下，取值一般為6～8 m/s2[6];表示機(jī)動(dòng)車(chē)在靜止?fàn)顟B(tài)下與前方物體保持的理想距離。

導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率是指屬于某一機(jī)動(dòng)車(chē)相位的所有導(dǎo)向車(chē)道內(nèi)的機(jī)動(dòng)車(chē)的安全擴(kuò)展長(zhǎng)度之和與該相位所有導(dǎo)向車(chē)道長(zhǎng)度之和的比值，其表達(dá)式為

其中，表示時(shí)刻相位的導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率;表示時(shí)刻相位的導(dǎo)向車(chē)道內(nèi)的第輛車(chē)的安全擴(kuò)展長(zhǎng)度;表示時(shí)刻相位的導(dǎo)向車(chē)道內(nèi)的機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量;表示相位的第條導(dǎo)向車(chē)道的長(zhǎng)度;表示相位的導(dǎo)向車(chē)道數(shù)量。

上述所指的導(dǎo)向車(chē)道內(nèi)的機(jī)動(dòng)車(chē)是指實(shí)體長(zhǎng)度位于導(dǎo)向車(chē)道內(nèi)的機(jī)動(dòng)車(chē)。值得注意的是，對(duì)安全擴(kuò)展長(zhǎng)度超出停止線和未進(jìn)入導(dǎo)向車(chē)道內(nèi)的機(jī)動(dòng)車(chē)實(shí)體長(zhǎng)度部分，視作不屬于導(dǎo)向車(chē)道承載的交通需求，不予計(jì)算。

如圖1所示為某一時(shí)刻導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率示意圖。顯然，在保證機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行安全的前提下，機(jī)動(dòng)車(chē)的安全擴(kuò)展長(zhǎng)度越大，導(dǎo)向車(chē)道的實(shí)時(shí)利用率越高，綠燈的實(shí)時(shí)利用程度也就越高。

2? 單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法

區(qū)別傳統(tǒng)的單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法，本文提出的是一種基于導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率的單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法。基本控制原理為：獲得通行權(quán)的某一機(jī)動(dòng)車(chē)相位，在最小綠燈時(shí)間結(jié)束后，根據(jù)檢測(cè)設(shè)備采集導(dǎo)向車(chē)道內(nèi)機(jī)動(dòng)車(chē)的位置、速度和大小，逐秒計(jì)算該相位的導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率，作為該相位是否切斷綠燈的依據(jù)。

在雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)下，本文提出的單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法的感應(yīng)控制邏輯如圖2所示。

在雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)下，滿足下列條件之一時(shí)，任意前置相位獨(dú)立切斷綠燈：1）該相位達(dá)到最小綠燈時(shí)間，且該相位的導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率小于設(shè)定閾值;2）該相位達(dá)到最大綠燈時(shí)間。前置相位的綠燈結(jié)束后，通行權(quán)傳遞至與其沖突的后置相位。

在雙環(huán)相位結(jié)構(gòu)下，滿足下列條件之一時(shí)，兩個(gè)后置相位同時(shí)切斷綠燈：1）兩個(gè)相位均達(dá)到最小綠燈時(shí)間，且兩個(gè)后置相位所有的導(dǎo)向車(chē)道構(gòu)成的空間計(jì)算的導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率小于設(shè)定閾值;2）任意相位達(dá)到最大綠燈時(shí)間且另一相位達(dá)到最小綠燈時(shí)間。后置相位的綠燈結(jié)束后，通行權(quán)傳遞至相交道路的前置相位。

3? 仿真實(shí)驗(yàn)

選取典型的四路交叉口為研究對(duì)象，利用德國(guó)PTV公司的微觀交通仿真軟件VISSIM 10.0建立仿真模型，利用Python實(shí)現(xiàn)基于導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率的單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法的開(kāi)發(fā)。在高負(fù)荷交通需求下，以左轉(zhuǎn)前置相位顯示順序?yàn)槔?，通過(guò)對(duì)比分析本文提出的方法與基于車(chē)輛時(shí)距的傳統(tǒng)方法產(chǎn)生的交叉口性能，驗(yàn)證本文提出的方法的優(yōu)越性。

3.1? 檢測(cè)器布設(shè)要求

對(duì)于基于車(chē)輛時(shí)距的傳統(tǒng)控制方法，在每條進(jìn)口導(dǎo)向車(chē)道距離停止線40 m處布設(shè)縱向長(zhǎng)度為2 m的檢測(cè)器。

實(shí)際應(yīng)用中，多目標(biāo)跟蹤雷達(dá)檢測(cè)器的具體布設(shè)位置，如圖3所示。由于難以獲得大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，以及難以在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下直接應(yīng)用本文提出的方法。因此，利用Python調(diào)用VISSIM的COM接口，模擬多目標(biāo)跟蹤雷達(dá)檢測(cè)器，實(shí)時(shí)獲取各條導(dǎo)向車(chē)道的機(jī)動(dòng)車(chē)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

3.2? 道路空間條件

交叉口的道路空間設(shè)置為：各進(jìn)口道有1條左轉(zhuǎn)車(chē)道、2條直行車(chē)道、1條直右合用車(chē)道，出口道的機(jī)動(dòng)車(chē)車(chē)道數(shù)量為3條。進(jìn)口道采用左側(cè)展寬的形式，導(dǎo)向車(chē)道長(zhǎng)度為60 m，展寬漸變段的長(zhǎng)度為10 m。道路限制速度為50 km/h。

3.3? 交通需求條件

在高負(fù)荷交通需求下，采用隨機(jī)抽樣的方式確定機(jī)動(dòng)車(chē)和行人的交通量。交通需求抽樣范圍如下：各進(jìn)口道的機(jī)動(dòng)車(chē)交通量為1 200～1 500 pcu/h，其中，大型車(chē)比例為0%～10%，人行橫道的單向行人交通量為120～150 ped/h。各進(jìn)口道的機(jī)動(dòng)車(chē)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)比例分別為15%～20%、5%～10%。

3.4? 信號(hào)控制條件

對(duì)比對(duì)象的車(chē)輛時(shí)距取值為3 s。假設(shè)導(dǎo)向車(chē)道內(nèi)的機(jī)動(dòng)車(chē)以限制速度行駛至停止線前某一位置時(shí)，達(dá)到設(shè)定閾值，使得機(jī)動(dòng)車(chē)相位切斷綠燈，認(rèn)為該車(chē)在黃燈結(jié)束最后一秒之前順利通過(guò)停止線為理想狀態(tài)，故根據(jù)上述特點(diǎn)確定導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率的閾值。那么，當(dāng)黃燈時(shí)間為3 s、導(dǎo)向車(chē)道長(zhǎng)度為60 m、道路限制速度為50 km/h時(shí)，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率閾值為0.463。

另外，實(shí)驗(yàn)組（本文提出的方法）和對(duì)照組（基于車(chē)輛時(shí)距的傳統(tǒng)方法）機(jī)動(dòng)車(chē)相位的黃燈時(shí)間取3 s，紅燈清空時(shí)間取2 s，左轉(zhuǎn)、直行的最小綠燈時(shí)間分別取8 s、15 s，而最大綠燈時(shí)間取各自最小綠燈時(shí)間加上30 s的增量。

3.5? 仿真模型參數(shù)

自由流狀態(tài)下，機(jī)動(dòng)車(chē)的最小、最大期望速度分別為48 km/h、58 km/h。在Wiedemann74跟馳模型中，機(jī)動(dòng)車(chē)的最小、最大前視距離分別取30 m、250 m，機(jī)動(dòng)車(chē)的最小、最大后視距離分別取30 m、150 m;平均停車(chē)間距取2.0 m，期望安全距離的附加部分取2.5 m，期望安全距離的倍數(shù)部分取3.5 m，此種情況下，單條常規(guī)車(chē)道的飽和流率約為1 800 pcu/h[7]。在車(chē)道變換模型中，機(jī)動(dòng)車(chē)消失前的等待時(shí)間取60 s。其他駕駛行為參數(shù)均采用默認(rèn)值。每次實(shí)驗(yàn)選取7個(gè)不同的隨機(jī)數(shù)，共運(yùn)行5次仿真實(shí)驗(yàn)。每次仿真運(yùn)行的總時(shí)間為7 800 s，數(shù)據(jù)采集時(shí)段為600～7 800 s。

4? 結(jié)果與討論

第3章利用VISSIM構(gòu)造了仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過(guò)VISSIM的COM接口與Python交互，實(shí)時(shí)獲取了檢測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了基于邏輯規(guī)則的單點(diǎn)感應(yīng)控制策略。本章選取交叉口車(chē)均延誤和車(chē)均停車(chē)次數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。表1為每組仿真實(shí)驗(yàn)下實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組得到的7個(gè)隨機(jī)種子下交叉口車(chē)均延誤和車(chē)均停車(chē)次數(shù)的平均值。從表1中可以看出，實(shí)驗(yàn)組的車(chē)均停車(chē)次數(shù)與對(duì)照組基本相同，但實(shí)驗(yàn)組車(chē)均延誤明顯小于對(duì)照組，平均降低了約10個(gè)百分點(diǎn)，交叉口通行效率明顯提高。

通過(guò)觀察仿真運(yùn)行過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，本文提出的方法取得良好性能的原因主要在于以下三方面：首先，本文提出的方法考慮了機(jī)動(dòng)車(chē)的瞬時(shí)速度，故幾乎不會(huì)出現(xiàn)為緩慢移動(dòng)或靜止的機(jī)動(dòng)車(chē)延長(zhǎng)綠燈時(shí)間的情況;其次，對(duì)于具有多條導(dǎo)向車(chē)道的情形，本文摒棄了傳統(tǒng)方法逐車(chē)道檢測(cè)先后或同時(shí)gap out的機(jī)制，將多條導(dǎo)向車(chē)道視為一個(gè)整體進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，最大程度上規(guī)避了為個(gè)別車(chē)道延長(zhǎng)綠燈導(dǎo)致的低效現(xiàn)象;最后，由于本文在逐秒計(jì)算機(jī)動(dòng)車(chē)相位的導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率的基礎(chǔ)上作出決策，故當(dāng)發(fā)現(xiàn)機(jī)動(dòng)車(chē)通行需求降低時(shí)，能夠迅速切斷綠燈，不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)方法中浪費(fèi)綠燈延長(zhǎng)時(shí)間的滯后現(xiàn)象。理論上，本文提出的方法為尋求更高的機(jī)動(dòng)車(chē)通行效率，可能會(huì)出現(xiàn)追求小信號(hào)周期的情況，從而導(dǎo)致交叉口車(chē)均停車(chē)次數(shù)的增加，但仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的方法與傳統(tǒng)方法在交叉口車(chē)均停車(chē)次數(shù)幾乎沒(méi)有區(qū)別（多數(shù)情況下小于1次），消除了上述顧慮。

5? 結(jié)語(yǔ)

為了克服傳統(tǒng)的單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法存在的不足，本文提出了一種新穎的基于導(dǎo)向車(chē)道實(shí)時(shí)利用率的單點(diǎn)全感應(yīng)式信號(hào)控制方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，車(chē)均延誤平均降低了約10個(gè)百分點(diǎn)，且交叉口車(chē)均停車(chē)次數(shù)幾乎未受影響，在高負(fù)荷交通需求下，本文提出的方法具有明顯的優(yōu)越性。

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