摘 要：針對目前城市擁堵的問題，提出道路交叉口的信號控制是導(dǎo)致?lián)矶碌淖钪饕蛩刂弧８鶕?jù)交叉口的交通流特性，以安徽省合肥市高新區(qū)黃山路-天智路交叉口東進(jìn)口為研究對象，通過用無線地磁采集到的車流量（周期內(nèi)）、綠燈時間、周期等數(shù)據(jù)，由飽和度、通行能力及交通量的關(guān)系式推導(dǎo)出飽和度和綠燈時間及一次綠燈時間內(nèi)的車流量的關(guān)系式，從而確立出飽和度，并根據(jù)飽和度和流量的關(guān)系，確定不同信號控制方式飽和度的臨界點，并通過延誤評價的方式進(jìn)行論證，結(jié)合三種控制方式的綜合應(yīng)用，優(yōu)化交叉口控制方式，使總延誤達(dá)到最低。

關(guān)鍵詞：信號控制；信號控制模型；無線地磁；延誤評價

近年來，隨著城市化建設(shè)步伐的加快，交通擁堵問題成為困擾人們出行的一個大難題，各大城市的主要干道交通流已趨于飽和狀態(tài)，因此必須采用有效的控制手段來提高道路交通通行能力，重點應(yīng)集中在道路交叉口的信號控制優(yōu)化上面。本文通過對合肥市黃山路與天智路交叉口的參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)調(diào)查分析，建立適合不同交通狀態(tài)情況的相應(yīng)模型，以飽和度的變化作為模型建立的依據(jù)，確立不同模型飽和度的分界點，并通過對各模型延誤的計算，最終確立飽和度大小決定信號控制方式，方能緩解道路交叉口的交通壓力。

1 交叉口信號控制方法概述

目前采用的信號控制主要有定時控制、感應(yīng)控制與自適應(yīng)控制。定時控制也叫定周期控制，主要根據(jù)交叉路口歷史交通量數(shù)據(jù)預(yù)先確定配時方案；感應(yīng)控制主要根據(jù)路口的交通量的變動進(jìn)行實時控制，沒有固定的周期和綠信比；自適應(yīng)控制又稱為優(yōu)化控制?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)檢測器送來的交通量信息，實時產(chǎn)生出對某種性能指標(biāo)來說是最佳的配時方案，自動調(diào)節(jié)各個參數(shù)（周期、綠信比和相位差等）。進(jìn)行這種控制方式的交通信號機將檢測到的交通數(shù)據(jù)實時地通過通信網(wǎng)絡(luò)傳至上位機，上位機根據(jù)路網(wǎng)上交通量的變化情況，不斷調(diào)整配時方案以達(dá)到最優(yōu)控制。通過這種控制方式，上位機同時控制城市中某個區(qū)域內(nèi)的多個路口的信號機，實現(xiàn)區(qū)域中交叉口交通信號之間的統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，從而提高路網(wǎng)的運行效率。

國外曾經(jīng)對定時信號控制、感應(yīng)信號控制及自適應(yīng)信號控制三類控制方式的控制效果進(jìn)行過定性的對比研究，研究結(jié)果如圖1.1所示[1]。從圖1.1可以看出：感應(yīng)信號控制在交通量比較小的情況下，控制效果最好；從整體上看，自適應(yīng)信號控制的控制效果是最佳的；但隨著交通量的逐漸增大，達(dá)到或超過信號交叉口的通行能力時，采用定時信號控制更為有效。

本文的模型建立主要是針對不同的參數(shù)條件，結(jié)合這三種控制方式建立模型，并對各種方式下的模型進(jìn)行適應(yīng)性評價。

2 數(shù)據(jù)調(diào)查

對調(diào)查樣本的數(shù)據(jù)采集，主要是利用無線地磁檢測器，即有車輛經(jīng)過時，發(fā)生金屬切割磁感應(yīng)線效應(yīng)，導(dǎo)致磁通量發(fā)生變化，既判斷有車輛通過，埋于地下的檢測器檢測到該車道車輛通過的編碼信號后，以無線方式發(fā)射到路旁的接收機，接收機會分辨出哪個車道有車通過。

通過無線地磁檢測器能夠檢測到的數(shù)據(jù)主要有：日期、時間、AP的ID號、車道編號、占有率、車輛數(shù)、中值車速、平均車速及未回報的傳感器數(shù)目（中值車速指的是在測試時間段內(nèi)，50%的車速高于此速度，50%的車速低于此速度）。

本文采集的數(shù)據(jù)主要包括合肥市高新區(qū)黃山路-天智路交叉口某工作日上午7：30-11：30的燈組號、方向、流量、綠燈時間和信號周期。

3 數(shù)據(jù)分析與處理

交叉口的總飽和度是指飽和程度最高的相位所達(dá)到的飽和度值，而并非各相位飽和度之和，用x表示。x的計算表達(dá)式為：

式中：x-相位飽和度；

N-車道通行能力；

Q-車道實際流量折算值，單位為pcu/h；

q-一次相位綠燈時間內(nèi)的最大車道流量值；

S-車道飽和流量值，指在一次連續(xù)綠燈時內(nèi)，交叉口進(jìn)口道上連續(xù)車隊能夠通過進(jìn)口道停車線換算為小客車的最多車輛數(shù)，單位pcu/h。

C-周期時長（s）；

g-相位綠燈時間（s）。

上式中可變參數(shù)為q，g與x，S的值可根據(jù)車道寬度來計算。國內(nèi)有關(guān)學(xué)者在北京進(jìn)行了交通觀測，并根據(jù)測試結(jié)果歸納了計算直行車道飽和流量公式，即 （b為車道寬度，單位m），左轉(zhuǎn)車道飽和流量比直行車道飽和流量小1%-2%。

本文研究以黃山路-天智路交叉口東進(jìn)口直行車道為例，檢驗起參數(shù)變化的情況。該交叉口在高峰時間（上午7：30-9：30，下午5：30-7：30）段采用的是定周期控制，周期為120s，其余時間采用的是感應(yīng)控制。該交叉口東進(jìn)口直行車道寬度為3.75m，而左轉(zhuǎn)車道寬度為3.25m；計算所得直行車道S=1514pcu/h，左轉(zhuǎn)車道S=1452pcu/h*（1-2%）=1423pcu/h。

計算所得的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表3.1所示；

4 模型建立

通過上節(jié)計算的飽和度數(shù)值與流量q建立模型，可得到下圖4.1；

由上圖飽和度-流量散點圖可知，流量是隨飽和度增加而增長的，當(dāng)飽和度大于一定數(shù)值時，導(dǎo)致道路擁堵，流量不會增長；由圖4-1增長趨勢可回歸模型q=20.542x4-66.685x3+73.091x2+22.352x+0.8578；對q二階求導(dǎo)，令q”=0，可得x1=0.6，x2=1.0；由此可得出兩拐點分別為（0.6，28.8）（1.0，50.2），拐點即曲線凸凹性發(fā)生變化的點，由此來判別信號燈控制方式的轉(zhuǎn)換。

引用第一節(jié)的控制方法變換，定義（0，0.6）為感應(yīng)控制區(qū)間，[0.6，1]為自適應(yīng)控制區(qū)間，大于1的為定時控制區(qū)間。x∈（0，0.6）時，采用感應(yīng)控制，根據(jù)實際交通量的變化實時調(diào)整信號周期以及綠信比；當(dāng)x∈[0.6，1]時，采用自適應(yīng)控制的方式，系統(tǒng)根據(jù)無線地磁檢測器傳來的實時交通量數(shù)據(jù)，實時產(chǎn)生出對于對應(yīng)飽和度最佳的配時方案，從而自動調(diào)節(jié)周期、綠信比及相位差。x大于1時，采用定周期控制，在交通量比較穩(wěn)定時，可執(zhí)行單段式定時控制，當(dāng)交通量在一天不同時段變化較大時，亦可采用多時段定時控制，即根據(jù)不同時段的交通量執(zhí)行不同的配時方案。

綠燈時間和流量滿足如下的關(guān)系式：

對于東進(jìn)口的直行車道而言：

由上式可得知，當(dāng)流量一定時，綠燈時間和飽和度是成反比的；當(dāng)飽和度一定時，綠燈時間和流量成正比，同樣，當(dāng)綠燈時間值一定時，飽和度和流量成正比。

在感應(yīng)控制范圍內(nèi)，x<0.6，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，可得到在感應(yīng)控制條件下，流量和飽和度滿足如下圖4.2所示的曲線；

根據(jù)圖中所示的散點類型，可擬合出在感應(yīng)控制范圍內(nèi)流量和飽和度的一個關(guān)系式：q=2.1106e5.0779x，由此可知，在感應(yīng)區(qū)間內(nèi)，飽和度越接近0.6，越能有效地體現(xiàn)交叉口感應(yīng)控制的優(yōu)越性。

而在自適應(yīng)控制條件下，0.6

由上圖4.3，自適應(yīng)控制條件下飽和度和流量滿足以下關(guān)系式：y=53.449ln（x）+58.476；滿足上凸型曲線增長模式。

5 模型評價

對信號交叉口運行質(zhì)量進(jìn)行評價，延誤作為一項重要的指標(biāo)，在各種評價體系中占據(jù)著重要的地位。美國《道路通行能力手冊》單一以平均停車延誤作為服務(wù)水平分級的依據(jù)。他們認(rèn)為諸因素對信號交叉口服務(wù)水平的影響程度，均可反映在延誤的大小上，如飽和度、速度比、紅燈平均阻車長度、交叉口條件（特別是進(jìn)口道類型）、管理水平（特別是信號控制條件）、停車次數(shù)等，同時延誤也是造成額外燃料消耗和空氣污染的主要原因。鑒于延誤評價的以上作用，本文亦選取延誤作為交叉口信號控制方式效益的評價指標(biāo)。

飽和度的大小決定了交通延誤模型的選取，上節(jié)根據(jù)飽和度的區(qū)間調(diào)整交叉口信號控制方式，下面將分別介紹每種控制方式下的停車延誤。

根據(jù)上面對三種控制方式模型的分析，結(jié)合黃山路-天智路地磁檢測的實際數(shù)據(jù)，可得出三種控制方式下分別的延誤值，如下表5.1所示：

上表以折線圖的形式表示為圖5.5；

由上面的分析可以得出，在飽和度較小的情況下，用感應(yīng)控制的效果比較好，延誤能降到最低，當(dāng)飽和度增加到一定程度時，改用自適應(yīng)控制，而當(dāng)飽和度比較大的時候，用定時控制，這樣道路資源可以得到合理化應(yīng)用，延誤值降低，可以達(dá)到緩解道路交叉口擁堵的目的。

6 結(jié)語

目前對城市道路交叉口交通信號控制研究的比較多，但研究的種類比較單一，多種控制方式協(xié)調(diào)控制沒有一定的理論依據(jù)，不能完全使道路資源得以合理利用，單一的控制效果往往會事倍功半，本文提供交叉口多種控制方式相結(jié)合臨界點的劃分依據(jù)，并且根據(jù)不同的控制方式，提出延誤計算的方法，并且對各種控制方式不同飽和度條件下的延誤進(jìn)行比較，從而確立三種控制方式選取的界限，為現(xiàn)實道路交叉口控制方式的選取提供了一定的依據(jù)。但鑒于本文所選路段的局限性，選取直行段為研究對象，對于其余類型的路段，控制方式臨界點的選取，還有待進(jìn)一步的研究。

[參考文獻(xiàn)]

[1]SensysTMWireless Vehicle Detection System Reference Guide（P/N 152-240-001-001 Rev C February 2010）[EB/OL].www.sensysnetworks.com.

[2]蔣賢才.交叉口信號控制自組織方法與系統(tǒng)應(yīng)用研究[D].黑龍江：哈爾濱理工大學(xué)，2009.51-61.

[3]吳震，楊曉光.車道寬度、轉(zhuǎn)彎半徑對左轉(zhuǎn)飽和流量的影響研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2009，33（5）.

[3]劉廣萍.信號控制下交叉口延誤計算方法研究[J].中國公路學(xué)報，2005，18（1）：104-108.

[4]陳傳明，等.智能交通信號燈配時及優(yōu)化設(shè)計[J].微機發(fā)展，2005，15（3）：4-7.

[5]裴玉龍.自適應(yīng)信號控制下交叉口延誤計算方法研究[J].公路交通科技，2005，22（7）：110-114.

[6]蒲琪，黃啟超，等.交叉口延誤的概率統(tǒng)計模型[J].同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，33（10）：1309-1312.