秦貝寧， 何永明， 樊文一鳴， 陳峻德

(東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著城市化進(jìn)程的加快和機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的迅猛增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外城市的交通擁堵問(wèn)題日益嚴(yán)峻。交叉口作為城市道路網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其運(yùn)行效率極為重要，直接影響整個(gè)路網(wǎng)的服務(wù)水平。目前，大部分交叉口交通信號(hào)燈信號(hào)周期固定，不能隨車(chē)流量的變化而變化，導(dǎo)致交叉口擁堵。天氣因素在眾多的擁堵致因中，不可忽視。城市交叉口的控制方案以晴天的交通流特性為主，極少考慮降雨天氣，而我國(guó)大部分地區(qū)每年都要經(jīng)歷不同程度的降雨，尤其是南方地區(qū)，降雨天數(shù)達(dá)到全年的三分之一到二分之一[1-3]。因此，在交叉口信號(hào)燈配時(shí)方面，考慮降雨天氣對(duì)交通流的影響，能夠在一定程度上提高交叉口的通行效率，將降雨對(duì)城市交通系統(tǒng)造成的損失減少到最低。

對(duì)基于雨量值分析的新型交通信號(hào)燈進(jìn)行了研究，該裝置從降雨天氣出發(fā)，以單位周期內(nèi)的雨量值作為分析主體，對(duì)信號(hào)燈的配時(shí)周期進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，該裝置能對(duì)降雨情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，同時(shí)優(yōu)化信號(hào)的配時(shí)周期，能夠改善城市交叉口降雨天氣下交通擁堵的情況，提升道路通行能力。

1 相關(guān)研究概述

目前，我國(guó)大部分交通信號(hào)最佳周期是按照天氣良好的環(huán)境情況計(jì)算得出的，但此并不能滿足降雨條件下的交通需求，降雨等惡劣天氣會(huì)使道路交通流特性發(fā)生顯著變化，當(dāng)信號(hào)配時(shí)算法未能針對(duì)交通流特性實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)，交叉口可能會(huì)呈現(xiàn)綠燈空放、排隊(duì)溢流等負(fù)面效用[4]，因此便需要在降雨條件下調(diào)整信號(hào)燈的最佳周期。

周在偉[5]等提出了一種降水測(cè)量?jī)x器，該儀器包括一對(duì)第一支架、設(shè)置在兩個(gè)第一支架之間的轉(zhuǎn)動(dòng)軸、設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上的翻斗以及兩個(gè)軸向推動(dòng)件。其解決了雨量檢測(cè)問(wèn)題及現(xiàn)有技術(shù)中翻斗式雨量計(jì)測(cè)量誤差大的問(wèn)題，提高了測(cè)量精度。

張惠臻[6]等提出了一種信號(hào)燈配時(shí)優(yōu)化方法，該方法基于改進(jìn)后的Webster函數(shù)和遺傳算法，分析車(chē)輛延誤數(shù)據(jù)，對(duì)車(chē)輛延誤數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，構(gòu)造改進(jìn)函數(shù)，最終通過(guò)遺傳算法獲得最優(yōu)信號(hào)燈配時(shí)方案。

以上研究對(duì)降雨條件下城市交叉路口信號(hào)燈周期的配時(shí)優(yōu)化起到一定作用，但無(wú)法根據(jù)實(shí)時(shí)的道路環(huán)境情況，快速準(zhǔn)確地收集信息并靈活地作出調(diào)整。

2 背景成因分析

降雨產(chǎn)生的影響主要有兩個(gè)方面：一是對(duì)于道路及車(chē)輛行駛環(huán)境的影響。降雨會(huì)使道路濕滑，進(jìn)而導(dǎo)致道路的附著系數(shù)及摩擦系數(shù)減低，車(chē)輛制動(dòng)距離變長(zhǎng)，間接導(dǎo)致車(chē)輛制動(dòng)性能下降，并且持續(xù)的降雨也會(huì)使環(huán)境能見(jiàn)度降低。二是對(duì)于駕駛員駕駛特性的影響。降雨導(dǎo)致的能見(jiàn)度降低對(duì)駕駛員最直接的影響即是動(dòng)視力下降，駕駛員對(duì)此會(huì)采取謹(jǐn)慎駕駛的措施，降低行車(chē)速度，同時(shí)由于車(chē)輛制動(dòng)距離的變長(zhǎng)，也會(huì)使駕駛員增加跟車(chē)間距，特別是在城市道路交叉口，由于車(chē)流密度的增大，該特性會(huì)更加顯著。

因此，若在降雨天氣仍按照原有的固定周期對(duì)信號(hào)燈進(jìn)行配時(shí)，一個(gè)周期內(nèi)交叉口的通行效率將會(huì)顯著降低，進(jìn)而導(dǎo)致交通擁堵。降雨強(qiáng)度與能見(jiàn)度的關(guān)系見(jiàn)表1，能見(jiàn)度與駕駛員動(dòng)視力的關(guān)系如圖1所示。[7]

表1 降雨強(qiáng)度與能見(jiàn)度的關(guān)系

圖1 能見(jiàn)度與駕駛員動(dòng)視力的關(guān)系

3 裝置結(jié)構(gòu)原理

3.1 裝置結(jié)構(gòu)

基于雨量值分析的新型交通信號(hào)燈由降雨收集裝置、計(jì)數(shù)觸發(fā)器、數(shù)據(jù)傳感器、攝像頭、配時(shí)系統(tǒng)、配時(shí)接收傳感器和信號(hào)燈組成。裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 裝置結(jié)構(gòu)圖

在雨量監(jiān)測(cè)儀中，降雨收集裝置安裝在頂部，用于實(shí)時(shí)收集降雨；計(jì)數(shù)觸發(fā)器安裝在承重盤(pán)之下，用于將雨量信息數(shù)據(jù)化處理；數(shù)據(jù)傳感器安裝在承重盤(pán)之下，用于將數(shù)據(jù)信息及時(shí)上傳；整體裝置安裝在外殼中以保證其工作環(huán)境穩(wěn)定，僅留盛雨器在外部以接收降雨。配時(shí)接收傳感器安裝在信號(hào)燈上沿，用于接收優(yōu)化后的信號(hào)配時(shí)并輸出至信號(hào)燈。

3.2 裝置工作原理

降雨具有不可避免、情況隨機(jī)的特點(diǎn)，在不同地點(diǎn)、不同時(shí)間，其情況均有不同，因此研發(fā)團(tuán)隊(duì)正是根據(jù)雨量監(jiān)測(cè)儀的靈敏性以及準(zhǔn)確性的工作特點(diǎn)，以其作為主體，結(jié)合配時(shí)系統(tǒng)，完成裝置的整體工作。裝置工作原理如圖3所示。

圖3 裝置工作原理

降雨監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在設(shè)定周期內(nèi)對(duì)降雨進(jìn)行收集，并將收集所得降雨進(jìn)行數(shù)據(jù)化處理，后通過(guò)傳感器將信息上傳，同時(shí)利用攝像頭進(jìn)行輔助監(jiān)測(cè)。配時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)根據(jù)上傳信息，利用預(yù)設(shè)算法，得出優(yōu)化結(jié)果。最后，配時(shí)接收傳感器接收配時(shí)信息，信號(hào)燈輸出新的信號(hào)周期。

4 裝置工作過(guò)程

參照?qǐng)D2裝置結(jié)構(gòu)圖及圖3裝置工作原理圖，本新型交通信號(hào)燈按下列步驟進(jìn)行工作。

4.1 降雨處理過(guò)程

在雨量監(jiān)測(cè)儀中，降雨從盛雨器流入，通過(guò)導(dǎo)流管流入翻斗，在翻斗中，當(dāng)降雨量達(dá)到預(yù)設(shè)容量時(shí)，翻斗翻轉(zhuǎn)，同時(shí)因?yàn)榉D(zhuǎn)，帶動(dòng)連接桿，連接桿的連動(dòng)向觸發(fā)器發(fā)射一個(gè)時(shí)鐘脈沖信號(hào)，觸發(fā)器對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)結(jié)果通過(guò)連接導(dǎo)線輸出至雨量傳感器，最后上傳至配時(shí)系統(tǒng)。

4.2 配時(shí)處理過(guò)程

通過(guò)攝像頭輔助監(jiān)測(cè)道路情況，所得信息也上傳至配時(shí)系統(tǒng)。

配時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)通過(guò)對(duì)上傳的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，與數(shù)據(jù)庫(kù)中信息進(jìn)行比對(duì)匹配，后通過(guò)預(yù)設(shè)算法得出新的信號(hào)周期。

4.3 配時(shí)輸出過(guò)程

配時(shí)接收傳感器接收優(yōu)化后的數(shù)據(jù)信息，后由信號(hào)燈輸出新的信號(hào)周期。

4.4 信號(hào)燈自適應(yīng)配時(shí)過(guò)程

一個(gè)周期過(guò)后，雨量監(jiān)測(cè)儀的盛雨器繼續(xù)收集降雨，同時(shí)上一周期中翻斗翻轉(zhuǎn)后，翻斗中的雨水已通過(guò)出水口排出，翻斗的另一側(cè)便能繼續(xù)工作，最后雨量傳感器將新一周期的數(shù)據(jù)信息上傳。攝像頭也繼續(xù)對(duì)道路情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并上傳相關(guān)信息。配時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)對(duì)新反饋的信息進(jìn)行處理對(duì)比，并將結(jié)果傳輸至配時(shí)接收傳感器，最后信號(hào)燈根據(jù)信息輸出新的信號(hào)周期，形成反饋循環(huán)。

按照以上步驟，信號(hào)燈便能對(duì)降雨情況及道路擁堵情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，后根據(jù)對(duì)應(yīng)情況進(jìn)行配時(shí)調(diào)整，并能夠通過(guò)持續(xù)的反饋繼續(xù)對(duì)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化處理，從而形成信號(hào)燈的自適應(yīng)配時(shí)。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究了一種能對(duì)降雨天氣進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析并進(jìn)行自適應(yīng)配時(shí)的新型信號(hào)燈，在雨量監(jiān)測(cè)儀、攝像頭與配時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)的聯(lián)合作用下，該裝置能夠解決因降雨導(dǎo)致的城市交叉口擁堵等問(wèn)題，能夠提升城市交通系統(tǒng)應(yīng)對(duì)不良天氣的適應(yīng)及抵抗能力，從而能夠提高城市交叉口的通行效率。