秦貝寧， 何永明， 樊文一鳴， 陳峻德

(東北林業(yè)大學交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著城市化進程的加快和機動車保有量的迅猛增長，國內外城市的交通擁堵問題日益嚴峻。交叉口作為城市道路網的關鍵節(jié)點，其運行效率極為重要，直接影響整個路網的服務水平。目前，大部分交叉口交通信號燈信號周期固定，不能隨車流量的變化而變化，導致交叉口擁堵。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，而我國大部分地區(qū)每年都要經歷不同程度的降雨，尤其是南方地區(qū)，降雨天數達到全年的三分之一到二分之一[1-3]。因此，在交叉口信號燈配時方面，考慮降雨天氣對交通流的影響，能夠在一定程度上提高交叉口的通行效率，將降雨對城市交通系統(tǒng)造成的損失減少到最低。

對基于雨量值分析的新型交通信號燈進行了研究，該裝置從降雨天氣出發(fā)，以單位周期內的雨量值作為分析主體，對信號燈的配時周期進行優(yōu)化計算，該裝置能對降雨情況進行實時監(jiān)測分析，同時優(yōu)化信號的配時周期，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 相關研究概述

目前，我國大部分交通信號最佳周期是按照天氣良好的環(huán)境情況計算得出的，但此并不能滿足降雨條件下的交通需求，降雨等惡劣天氣會使道路交通流特性發(fā)生顯著變化，當信號配時算法未能針對交通流特性實時響應時，交叉口可能會呈現綠燈空放、排隊溢流等負面效用[4]，因此便需要在降雨條件下調整信號燈的最佳周期。

周在偉[5]等提出了一種降水測量儀器，該儀器包括一對第一支架、設置在兩個第一支架之間的轉動軸、設置在轉動軸上的翻斗以及兩個軸向推動件。其解決了雨量檢測問題及現有技術中翻斗式雨量計測量誤差大的問題，提高了測量精度。

張惠臻[6]等提出了一種信號燈配時優(yōu)化方法，該方法基于改進后的Webster函數和遺傳算法，分析車輛延誤數據，對車輛延誤數據進行數據擬合，構造改進函數，最終通過遺傳算法獲得最優(yōu)信號燈配時方案。

以上研究對降雨條件下城市交叉路口信號燈周期的配時優(yōu)化起到一定作用，但無法根據實時的道路環(huán)境情況，快速準確地收集信息并靈活地作出調整。

2 背景成因分析

降雨產生的影響主要有兩個方面：一是對于道路及車輛行駛環(huán)境的影響。降雨會使道路濕滑，進而導致道路的附著系數及摩擦系數減低，車輛制動距離變長，間接導致車輛制動性能下降，并且持續(xù)的降雨也會使環(huán)境能見度降低。二是對于駕駛員駕駛特性的影響。降雨導致的能見度降低對駕駛員最直接的影響即是動視力下降，駕駛員對此會采取謹慎駕駛的措施，降低行車速度，同時由于車輛制動距離的變長，也會使駕駛員增加跟車間距，特別是在城市道路交叉口，由于車流密度的增大，該特性會更加顯著。

因此，若在降雨天氣仍按照原有的固定周期對信號燈進行配時，一個周期內交叉口的通行效率將會顯著降低，進而導致交通擁堵。降雨強度與能見度的關系見表1，能見度與駕駛員動視力的關系如圖1所示。[7]

表1 降雨強度與能見度的關系

圖1 能見度與駕駛員動視力的關系

3 裝置結構原理

3.1 裝置結構

基于雨量值分析的新型交通信號燈由降雨收集裝置、計數觸發(fā)器、數據傳感器、攝像頭、配時系統(tǒng)、配時接收傳感器和信號燈組成。裝置結構如圖2所示。

圖2 裝置結構圖

在雨量監(jiān)測儀中，降雨收集裝置安裝在頂部，用于實時收集降雨；計數觸發(fā)器安裝在承重盤之下，用于將雨量信息數據化處理；數據傳感器安裝在承重盤之下，用于將數據信息及時上傳；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。配時接收傳感器安裝在信號燈上沿，用于接收優(yōu)化后的信號配時并輸出至信號燈。

3.2 裝置工作原理

降雨具有不可避免、情況隨機的特點，在不同地點、不同時間，其情況均有不同，因此研發(fā)團隊正是根據雨量監(jiān)測儀的靈敏性以及準確性的工作特點，以其作為主體，結合配時系統(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)測系統(tǒng)在設定周期內對降雨進行收集，并將收集所得降雨進行數據化處理，后通過傳感器將信息上傳，同時利用攝像頭進行輔助監(jiān)測。配時優(yōu)化系統(tǒng)根據上傳信息，利用預設算法，得出優(yōu)化結果。最后，配時接收傳感器接收配時信息，信號燈輸出新的信號周期。

4 裝置工作過程

參照圖2裝置結構圖及圖3裝置工作原理圖，本新型交通信號燈按下列步驟進行工作。

4.1 降雨處理過程

在雨量監(jiān)測儀中，降雨從盛雨器流入，通過導流管流入翻斗，在翻斗中，當降雨量達到預設容量時，翻斗翻轉，同時因為翻轉，帶動連接桿，連接桿的連動向觸發(fā)器發(fā)射一個時鐘脈沖信號，觸發(fā)器對脈沖信號進行計數，計數結果通過連接導線輸出至雨量傳感器，最后上傳至配時系統(tǒng)。

4.2 配時處理過程

通過攝像頭輔助監(jiān)測道路情況，所得信息也上傳至配時系統(tǒng)。

配時優(yōu)化系統(tǒng)通過對上傳的數據信息進行處理，與數據庫中信息進行比對匹配，后通過預設算法得出新的信號周期。

4.3 配時輸出過程

配時接收傳感器接收優(yōu)化后的數據信息，后由信號燈輸出新的信號周期。

4.4 信號燈自適應配時過程

一個周期過后，雨量監(jiān)測儀的盛雨器繼續(xù)收集降雨，同時上一周期中翻斗翻轉后，翻斗中的雨水已通過出水口排出，翻斗的另一側便能繼續(xù)工作，最后雨量傳感器將新一周期的數據信息上傳。攝像頭也繼續(xù)對道路情況進行實時監(jiān)測，并上傳相關信息。配時優(yōu)化系統(tǒng)對新反饋的信息進行處理對比，并將結果傳輸至配時接收傳感器，最后信號燈根據信息輸出新的信號周期，形成反饋循環(huán)。

按照以上步驟，信號燈便能對降雨情況及道路擁堵情況進行實時監(jiān)測，后根據對應情況進行配時調整，并能夠通過持續(xù)的反饋繼續(xù)對配時進行優(yōu)化處理，從而形成信號燈的自適應配時。

5 結束語

研究了一種能對降雨天氣進行實時監(jiān)測分析并進行自適應配時的新型信號燈，在雨量監(jiān)測儀、攝像頭與配時優(yōu)化系統(tǒng)的聯合作用下，該裝置能夠解決因降雨導致的城市交叉口擁堵等問題，能夠提升城市交通系統(tǒng)應對不良天氣的適應及抵抗能力，從而能夠提高城市交叉口的通行效率。