何廣進(jìn), 徐新東, 樹愛兵, 朱遠(yuǎn)建
(1.公安部交通管理科學(xué)研究所, 江蘇無錫 214151; 2.無錫華通智能交通技術(shù)開發(fā)有限公司, 江蘇無錫 214151)
我國(guó)城市道路中路段行人過街場(chǎng)景的信號(hào)設(shè)計(jì)往往以提高機(jī)動(dòng)車通行效率為主,而忽視了行人的等待時(shí)間和通行延誤,美國(guó)的公路通行能力手冊(cè)建議,當(dāng)行人的延誤超過30 s時(shí),行人就會(huì)變得不耐煩,很可能出現(xiàn)不服從交通規(guī)則行為,從而造成與機(jī)動(dòng)車通行沖突。因此,研究有效的行人過街信號(hào)感應(yīng)控制關(guān)鍵技術(shù)對(duì)于保障行人過街安全,滿足行人高效過街需求,提高行人過街通行效率和質(zhì)量具有重要意義。
在行人過街信號(hào)控制方法方面,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者己經(jīng)進(jìn)行了大量的研究和應(yīng)用。國(guó)外學(xué)者Barbara Preston等人[1]對(duì)按鈕式信號(hào)控制下的行人過街行為和安全性進(jìn)行了研究,得出行人過街闖紅燈的概率與機(jī)動(dòng)車車頭時(shí)距有關(guān)的結(jié)論;K. LOVEJOY等人[2]利用視頻檢測(cè)器檢測(cè)人行橫道上的行人,在不對(duì)信號(hào)配時(shí)修改的前提下,調(diào)整行人的清空時(shí)間,減少行人和車輛的交通沖突、提高行人交通安全。國(guó)內(nèi)學(xué)者鄭長(zhǎng)江等人[3]研究了路段行人過街信號(hào)與交叉口信號(hào)聯(lián)動(dòng)控制方法,全面分析了單點(diǎn)行人過街信號(hào)配時(shí)、行人過街信號(hào)與交叉口信號(hào)聯(lián)動(dòng)控制的優(yōu)化方法;何賞璐等人[4]根據(jù)行人過街需求、路段車輛到達(dá)等因素,設(shè)計(jì)提出了一種路段行人過街感應(yīng)信號(hào)控制的方法;肖梅等人[5]針對(duì)行人密度波動(dòng)大的路口,以行人等候數(shù)量和行人等候時(shí)長(zhǎng)為基礎(chǔ),提出了以行人過街請(qǐng)求為主的交通信號(hào)配時(shí)方法及系統(tǒng)。
國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的行人過街信號(hào)控制研究及應(yīng)用中,主要以檢測(cè)行人為主,當(dāng)檢測(cè)到有行人過街需求時(shí)向信號(hào)控制機(jī)發(fā)送行人過街信號(hào)請(qǐng)求,類似于按鈕觸發(fā)式,這種方式無法滿足不同場(chǎng)景下對(duì)行人過街?jǐn)?shù)量及行人等待時(shí)間的需求,未考慮不同行人數(shù)量下對(duì)過街等待時(shí)間的影響以及路段機(jī)動(dòng)車的通行狀態(tài)。同時(shí),現(xiàn)有控制方法均采用插入固定行人相位,易造成不同數(shù)量下行人過街時(shí)間浪費(fèi)或過街時(shí)間不足兩種情形,無法兼顧行人過街安全及路段行人過街整體通行效率。
因此,本文針對(duì)現(xiàn)有信號(hào)感應(yīng)控制方法的不足,結(jié)合感應(yīng)控制原理、行人過街信號(hào)配時(shí)理論以及對(duì)機(jī)動(dòng)車通行狀態(tài)的檢測(cè),設(shè)計(jì)綜合考慮人車協(xié)同控制需求的路段行人過街感應(yīng)控制系統(tǒng),實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)不同層級(jí)的行人過街需求,優(yōu)化行人過街信號(hào)配時(shí),同時(shí)將檢測(cè)到的行人過街信息通過車聯(lián)網(wǎng)C- V2X技術(shù)實(shí)時(shí)推送至車輛,提醒駕駛員注意過街行人,能夠有效提升路段行人過街的整體通行效率和質(zhì)量。
基于人車協(xié)同的感應(yīng)式路段行人過街信號(hào)控制系統(tǒng)包括行人視頻檢測(cè)器、機(jī)動(dòng)車視頻檢測(cè)器、數(shù)據(jù)融合處理模塊、信號(hào)感應(yīng)控制功能模塊、路側(cè)通信單元、交通信號(hào)控制機(jī)、信號(hào)燈以及行人過街輔助設(shè)施,系統(tǒng)框架如圖1所示。
圖1 基于人車協(xié)同的感應(yīng)式路段行人過街信號(hào)控制系統(tǒng)框架
行人視頻檢測(cè)器主要通過劃定行人過街等待區(qū)域,對(duì)行人檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的行人數(shù)量實(shí)時(shí)采集,并實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)融合處理模塊;
機(jī)動(dòng)車視頻檢測(cè)器實(shí)時(shí)采集路段機(jī)動(dòng)車檢測(cè)線圈處車頭時(shí)距并傳輸至數(shù)據(jù)融合處理模塊;
數(shù)據(jù)融合處理模塊根據(jù)實(shí)時(shí)收到的行人采集及機(jī)動(dòng)車車頭時(shí)距等信息融合處理后,實(shí)時(shí)傳輸至信號(hào)感應(yīng)控制功能模塊;
信號(hào)感應(yīng)控制功能模塊內(nèi)設(shè)有不同行人數(shù)量對(duì)應(yīng)的不同等待時(shí)間閾值以及行人信號(hào)配時(shí)算法,根據(jù)路段行人過街信號(hào)感應(yīng)控制原理,計(jì)算行人過街請(qǐng)求及行人過街信號(hào)配時(shí),發(fā)送至信號(hào)執(zhí)行模塊請(qǐng)求切換行人相位;
信號(hào)執(zhí)行模塊收到請(qǐng)求后,判斷機(jī)動(dòng)車相位滿足最小綠燈時(shí)間要求后,給予行人相位的放行;
信號(hào)控制機(jī)將收到的行人過街信息發(fā)送至路側(cè)通信設(shè)備RSU,然后推送給路段車輛注意過街行人;
行人過街輔助設(shè)施主要為行人提醒標(biāo)志、語音播報(bào)裝置等,用于行人過街提示及行人信號(hào)反饋播報(bào)等。
路段行人過街視頻檢測(cè)區(qū)域?yàn)榘唏R線兩側(cè)行人過街等待區(qū)域,視頻行人檢測(cè)器安裝桿件位于斑馬線兩側(cè),桿件高度為5 m,懸臂0.6 m,立桿位置距離行人等待區(qū)域水平距離2~3 m,視頻行人檢測(cè)器安裝在懸臂上,向下傾斜一定的角度對(duì)準(zhǔn)行人等待區(qū)。視頻行人檢測(cè)區(qū)域交通組織包括在行人檢測(cè)區(qū)域的地面設(shè)置行人檢測(cè)區(qū)域彩色標(biāo)線及“行人等待區(qū)、視頻識(shí)別行人過街”字樣的標(biāo)志牌,安裝實(shí)施如圖2所示。
圖2 行人視頻檢測(cè)器安裝實(shí)施示意圖
行人視頻檢測(cè)器主要采集行人行走方向、行人到達(dá)時(shí)間、行人離開時(shí)間、行人等待區(qū)數(shù)量等數(shù)據(jù)。視頻實(shí)時(shí)檢測(cè)行人進(jìn)等待區(qū)域、出等待區(qū)域,在信號(hào)感應(yīng)控制下,僅需獲取有過街需求的行人數(shù)據(jù),如,對(duì)向闖紅燈行人則過濾該數(shù)據(jù);實(shí)時(shí)檢測(cè)等待區(qū)行人到達(dá)時(shí)間,對(duì)每個(gè)行人進(jìn)入等待區(qū)域時(shí)記錄其到達(dá)時(shí)刻,用于過濾短暫停留行人和行人綠燈延長(zhǎng)判斷等;實(shí)時(shí)檢測(cè)等待區(qū)行人離開時(shí)間,對(duì)每個(gè)行人離開等待區(qū)域時(shí)記錄其離開時(shí)刻,用于過濾短暫停留行人等;實(shí)時(shí)檢測(cè)等待區(qū)域內(nèi)行人數(shù)量,用于信號(hào)感應(yīng)控制下不同行人數(shù)量對(duì)行人綠燈信號(hào)的請(qǐng)求及信號(hào)初始綠燈時(shí)間的計(jì)算。
機(jī)動(dòng)車視頻檢測(cè)器主要布設(shè)于路段機(jī)動(dòng)車進(jìn)口車道電子警察桿的橫臂之上進(jìn)口道路中間,攝像機(jī)鏡頭方向與車流方向相反,可同時(shí)監(jiān)測(cè)3~4個(gè)進(jìn)口車道的交通流。常規(guī)條件下,電子警察桿件高度不應(yīng)低于6.5 m,攝像機(jī)的安裝俯角為25~30度左右,與進(jìn)口道停車線的水平距離S1為15~20 m,高清攝像機(jī)在監(jiān)控方向上由于安裝傾角導(dǎo)致無法檢測(cè)的區(qū)域距電子警察安裝桿水平距離S2為10~15 m,高清攝像機(jī)可監(jiān)視的視野距離S3為40~60 m,檢測(cè)線圈設(shè)置距停止線80 m處,安裝實(shí)施如圖3所示。
圖3 機(jī)動(dòng)車視頻檢測(cè)器安裝實(shí)施示意圖
機(jī)動(dòng)車視頻檢測(cè)器主要采集路段機(jī)動(dòng)車流的車頭時(shí)距,當(dāng)采集到的車頭時(shí)距大于某個(gè)閾值時(shí),可認(rèn)為機(jī)動(dòng)車流中斷,路段行人過街出現(xiàn)可穿越機(jī)動(dòng)車流空擋,可用于行人過街信號(hào)感應(yīng)控制。
路段行人過街信號(hào)感應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮以下因素:
(1)充分考慮不同等待行人數(shù)量下的不同等待時(shí)間需求;
(2)充分考慮人車協(xié)同控制,在行人相位請(qǐng)求時(shí)考慮路段機(jī)動(dòng)車通行的車頭時(shí)距;
(3)行人過街配時(shí)以不同等待行人數(shù)量為基礎(chǔ)進(jìn)行初始綠燈時(shí)間設(shè)計(jì);
(4)行人綠燈延長(zhǎng)時(shí)間基于后續(xù)到達(dá)行人進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域時(shí)間間隔進(jìn)行決策。
基于人車協(xié)同的路段行人過街信號(hào)感應(yīng)控制的行人請(qǐng)求原理:對(duì)首個(gè)到達(dá)行人開啟最大等待時(shí)間的倒計(jì)時(shí),同時(shí)視頻實(shí)時(shí)檢測(cè)路段機(jī)動(dòng)車通行狀態(tài),當(dāng)機(jī)動(dòng)車視頻檢測(cè)到機(jī)動(dòng)車車頭時(shí)距大于某一閾值時(shí),信號(hào)感應(yīng)控制功能模塊發(fā)起行人過街信號(hào)請(qǐng)求,信號(hào)執(zhí)行模塊在確保機(jī)動(dòng)車相位綠燈時(shí)間超過最小綠燈時(shí)間后,切換至行人過街相位;當(dāng)機(jī)動(dòng)車視頻檢測(cè)到機(jī)動(dòng)車車頭時(shí)距始終低于該閾值,同時(shí)行人等待區(qū)域行人數(shù)量不斷增加,通過預(yù)設(shè)的不同數(shù)量下不同的行人等待時(shí)間閾值,取時(shí)間最小值發(fā)起行人過街相位請(qǐng)求,在確保機(jī)動(dòng)車相位綠燈時(shí)間超過最小綠燈時(shí)間后,切換至行人過街相位。
基于人車協(xié)同的路段行人過街信號(hào)感應(yīng)控制的行人配時(shí)設(shè)計(jì)原理:當(dāng)行人過街相位發(fā)起請(qǐng)求時(shí),信號(hào)感應(yīng)控制功能模塊根據(jù)此刻行人檢測(cè)區(qū)域的行人數(shù)量計(jì)算出行人過街綠燈初始時(shí)長(zhǎng),當(dāng)后續(xù)行人到達(dá)與等待檢測(cè)區(qū)最后一個(gè)行人綠燈延長(zhǎng)結(jié)束時(shí)刻的時(shí)間間隔小于閾值時(shí),此時(shí)行人過街綠燈延長(zhǎng),時(shí)間為預(yù)先設(shè)定的后續(xù)到達(dá)的行人綠燈可延長(zhǎng)時(shí)間,直到時(shí)間間隔大于該閾值時(shí),行人過街綠燈不再延長(zhǎng),行人過街相位結(jié)束。另外,當(dāng)行人等待數(shù)量低于斑馬線每行隊(duì)列最大行人數(shù)量時(shí),行人過街綠燈初始時(shí)長(zhǎng)為行人過街最小綠燈時(shí)間;當(dāng)行人等待數(shù)量大于斑馬線每行隊(duì)列最大行人數(shù)量時(shí),行人過街綠燈初始時(shí)長(zhǎng)為行人損失時(shí)間、等待行人全部進(jìn)入人行橫道時(shí)間、行人穿越人行橫道時(shí)間總和。
基于人車協(xié)同的路段行人過街信號(hào)感應(yīng)控制流程主要分為路段行人過街信號(hào)請(qǐng)求控制流程和路段行人過街信號(hào)配時(shí)優(yōu)化流程。基于人車協(xié)同的路段行人過街信號(hào)感應(yīng)控制系統(tǒng)包括行人視頻檢測(cè)器、機(jī)動(dòng)車視頻檢測(cè)器、數(shù)據(jù)融合處理模塊、信號(hào)感應(yīng)控制功能模塊、路側(cè)通信單元、交通信號(hào)控制機(jī)、信號(hào)燈等。
(1)路段行人過街信號(hào)請(qǐng)求控制流程
行人視頻檢測(cè)器對(duì)斑馬線兩側(cè)的行人等待區(qū)內(nèi)實(shí)時(shí)采集到的視頻流進(jìn)行分析,對(duì)行人等待區(qū)內(nèi)行人數(shù)量、行人行走方向、行人的到達(dá)時(shí)間等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并將處理后的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)融合處理模塊;
機(jī)動(dòng)車視頻檢測(cè)器對(duì)路段兩個(gè)進(jìn)口道的機(jī)動(dòng)車檢測(cè)區(qū)域內(nèi)采集到的視頻流進(jìn)行分析,對(duì)機(jī)動(dòng)車檢測(cè)線圈處車頭時(shí)距進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,并將處理后的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)融合處理模塊;
信號(hào)感應(yīng)控制功能模塊內(nèi)預(yù)設(shè)不同行人數(shù)量對(duì)應(yīng)的不同等待時(shí)間閾值,在收到數(shù)據(jù)融合處理模塊傳輸?shù)男腥思皺C(jī)動(dòng)車數(shù)據(jù)后,結(jié)合當(dāng)前過街行人數(shù)量和機(jī)動(dòng)車通行狀態(tài),計(jì)算行人過街請(qǐng)求,將結(jié)果發(fā)送至信號(hào)執(zhí)行模塊,以決定是否切換行人過街相位;
信號(hào)執(zhí)行模塊在收到信號(hào)感應(yīng)控制功能模塊發(fā)送的行人過街相位請(qǐng)求及信號(hào)配時(shí)后,判斷機(jī)動(dòng)車相位滿足最小綠燈時(shí)間要求后,給予行人相位的放行,控制行人信號(hào)燈從紅燈狀態(tài)切換至綠燈狀態(tài),同時(shí)信號(hào)控制機(jī)將收到的行人過街信息發(fā)送至路側(cè)通信設(shè)備RSU,然后通過車聯(lián)網(wǎng)C- V2X技術(shù)推送給路段車輛注意過街行人,信號(hào)請(qǐng)求控制流程如圖4所示。
圖4 路段行人過街信號(hào)請(qǐng)求控制流程圖
(2)路段行人過街信號(hào)配時(shí)計(jì)算流程
行人視頻檢測(cè)器對(duì)斑馬線兩側(cè)的行人等待區(qū)內(nèi)實(shí)時(shí)采集到的視頻流進(jìn)行分析,對(duì)行人等待區(qū)內(nèi)行人數(shù)量、行人行走方向、行人的到達(dá)時(shí)間、行人的離開時(shí)間等數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并將處理后的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)融合處理模塊;
數(shù)據(jù)融合處理模塊根據(jù)實(shí)時(shí)收到的行人視頻檢測(cè)器的行人數(shù)據(jù)處理后,實(shí)時(shí)傳輸至信號(hào)感應(yīng)控制功能模塊;
信號(hào)感應(yīng)控制功能模塊內(nèi)設(shè)有行人信號(hào)配時(shí)算法,根據(jù)收到的行人等待區(qū)內(nèi)行人數(shù)量及行人到達(dá)狀態(tài),計(jì)算行人過街綠燈初始時(shí)長(zhǎng)以及行人綠燈延長(zhǎng)時(shí)間,發(fā)送至信號(hào)執(zhí)行模塊;
信號(hào)執(zhí)行模塊在收到信號(hào)感應(yīng)控制功能模塊發(fā)送的行人信號(hào)配時(shí)方案后,判斷機(jī)動(dòng)車相位滿足最小綠燈時(shí)間要求后,執(zhí)行該信號(hào)配時(shí)方案[6],信號(hào)配時(shí)計(jì)算流程如圖5所示。
圖5 路段行人過街信號(hào)配時(shí)計(jì)算流程圖
(1)行人過街最小綠燈時(shí)間gmin
行人過街最小綠燈時(shí)間gmin[7]指的是當(dāng)?shù)却腥诉^街?jǐn)?shù)量低于人行橫道每行最大并排人數(shù)時(shí)所需的最短綠燈時(shí)間,計(jì)算公式為:
(1)
式中:gmin為行人過街最小綠燈時(shí)間(s);L為行人過街人行橫道長(zhǎng)度(m);Vp為行人平均步速(m/s);I為行人綠燈間隔時(shí)間(s)。
(2)等待行人全部進(jìn)入人行橫道時(shí)間gj
等待行人全部進(jìn)入人行橫道時(shí)間gj為路段過街行人從綠燈開始后全部進(jìn)入人行橫道的時(shí)間[8],計(jì)算公式為:
(2)
式中:gj為等待行人全部進(jìn)入人行橫道時(shí)間(s);p為等待過街行人數(shù)量(人);d為人行橫道寬度(m);ω為單個(gè)行人進(jìn)入人行橫道的行走所需空間寬度(m/人);tj為等待隊(duì)列中每行行人進(jìn)入人行橫道的時(shí)間間隔(s)。
(3)行人穿越人行橫道時(shí)間gc
行人穿越人行橫道時(shí)間gc指行人在人行橫道上通行時(shí)間[9],計(jì)算公式為:
(3)
式中:gc為行人穿越人行橫道時(shí)間(s);L為行人過街人行橫道長(zhǎng)度(m);Vp為行人平均步速,取雙向行人步速平均值(m/s)。
(4)行人損失時(shí)間l
降水第四階段:26日01—20時(shí),兩站都先由大到暴雨后轉(zhuǎn)為小到中雨。降雨期間兩站的可降水量基本上維持在基值以上,且總體值變化較均勻,值得注意的是蒲江站在08時(shí)可降水量快速上升了10 mm,此時(shí)降雨強(qiáng)度也達(dá)到最大。隨著降雨結(jié)束,可降水量曲線呈逐漸下降趨勢(shì)。
與機(jī)動(dòng)車類似,行人也有一定的損失時(shí)間,行人損失時(shí)間l計(jì)算公式為:
(4)
式中:l為行人損失時(shí)間(s);ti為等待區(qū)行人第i行隊(duì)列進(jìn)入人行橫道的超時(shí)(s)。
(5)行人綠燈延長(zhǎng)時(shí)間ty
行人綠燈延長(zhǎng)時(shí)間ty指的是后續(xù)到達(dá)行人等待區(qū)的行人從等待區(qū)進(jìn)入到人行橫道的時(shí)間,計(jì)算公式為:
(5)
式中:i為后續(xù)到達(dá)行人的列數(shù);Δt為行人放行尾部最大時(shí)間間隔(s);Δty為后續(xù)到達(dá)的行人綠燈可延長(zhǎng)時(shí)間(s);tih為后續(xù)第i列到達(dá)的行人進(jìn)入行人等待檢測(cè)區(qū)域的時(shí)刻(s);tiz為后續(xù)第i列行人到達(dá)時(shí)上一個(gè)行人綠燈延長(zhǎng)結(jié)束時(shí)刻(s)。
本文設(shè)計(jì)的基于人車協(xié)同的感應(yīng)式路段行人過街信號(hào)控制系統(tǒng)已在位于昆山市長(zhǎng)江中路—圓明路的行人過街信號(hào)控制路段實(shí)施應(yīng)用,安裝了包含視頻檢測(cè)器、數(shù)據(jù)融合處理擴(kuò)展器、內(nèi)嵌信號(hào)感應(yīng)控制功能模塊的路段行人過街信號(hào)機(jī)等設(shè)備如圖6、圖7所示。
圖6 長(zhǎng)江中路- 圓明路視頻檢測(cè)器安裝
圖7 路段行人過街信號(hào)機(jī)
表1 長(zhǎng)江中路- 圓明路信號(hào)控制參數(shù)
經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后,對(duì)該路口的行人過街平均延誤、機(jī)動(dòng)車平均通行延誤及行人平均闖紅燈次數(shù)等前后結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如表2所示。
表2 長(zhǎng)江中路- 圓明路行人過街效果評(píng)估
綜上所述,在應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的基于人車協(xié)同的感應(yīng)式路段行人過街信號(hào)控制系統(tǒng)后,長(zhǎng)江中路- 圓明路路口的行人平均過街延誤和行人闖紅燈次數(shù)有明顯的改善,機(jī)動(dòng)車平均通行延誤也有一定的降低,該應(yīng)用效果證明了本文設(shè)計(jì)的行人過街信號(hào)控制系統(tǒng)的實(shí)用性,能夠?qū)π盘?hào)控制路段行人過街的綜合通行效率有一定的提升作用。
本文設(shè)計(jì)的一種基于人車協(xié)同的感應(yīng)式路段行人過街信號(hào)控制系統(tǒng),綜合等待區(qū)行人數(shù)量和機(jī)動(dòng)車通行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)行人過街信號(hào)請(qǐng)求及信號(hào)配時(shí)優(yōu)化計(jì)算。實(shí)地應(yīng)用結(jié)果表明:該系統(tǒng)能夠兼顧行人過街安全及路段行人過街整體通行效率,顯著降低了機(jī)動(dòng)車和行人平均通行延誤,減少了行人闖紅燈現(xiàn)象,有效提升了路段行人過街的整體通行效率和質(zhì)量。但本研究未考慮過街行人年齡、性別等因素對(duì)行人過街需求的影響,同時(shí)也未考慮非機(jī)動(dòng)車等因素對(duì)行人過街的干擾。因此,仍有待下一步研究,進(jìn)一步提高系統(tǒng)在信號(hào)控制的路段行人過街場(chǎng)景中的適用性和實(shí)用性。