基于交叉口自适应信号控制的交通事件影响下城市干路疏解方法
刘嘉欣 何建琴 刘静然 程国柱
【摘? 要】论文针对汽车数量增速过快、交通事件频发导致交通设施拥有量与需求量之间的不平衡，从而造成交叉口交通拥堵难以疏解、交通延误情况严重的现状，基于交叉口自适应信号控制系统提出交通事件影响下的城市干路交通疏解方法，从信号配时视角规划交通疏解方案，以期达到自适应改变信号配时、提高道路通行能力的目的。
【Abstract】In view of the current situation that the number of vehicles is growing too fast and the frequent occurrence of traffic incidents lead to the imbalance between the ownership of traffic facilities and the demand， which makes the traffic congestion at the intersection difficult to be solved and the traffic delay is serious， the paper proposes a traffic organization method of urban arterial road under the influence of traffic incidents based on the adaptive signal control system for the intersection. From the perspective of signal timing， this paper plans the traffic organization scheme， so as to achieve the purposes of adaptively changing signal timing and improving road traffic capacity.
【关键词】自适应;交通流特性;交通疏解优化;交通仿真;信号配时
【Keywords】adaptive; traffic flow characteristics; optimization of traffic organization; traffic simulation; signal timing
【中图分类号】U491.5+1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文献标志码】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章编号】1673-1069（2021）05-0114-02
1 引言
由于我国城市化建设速度越来越快，发展态势逐步上升，公民的汽车拥有量逐年增加，根据已知数据推算，未来5年内，我国机动车新驾车者的数量将以每年2000万的速度增长。到2025年，中国的机动车总数量将达到3.8亿辆，数量剧增的机动车增加了交通流的延误概率，也给整个交通系统的效益造成了不可估量的损失[1]。
交叉口是车辆、行人交通汇集、转向和疏散的必经之处，由于资源有限而交通量增加，交叉口也是交通事件的常发地以及最容易受到道路交通事件影响造成拥堵的城市基础性设施。如遇到一些突发紧急情况无法及时处理，该路口就会出现大面积拥堵，影响整个道路车辆通行能力[2]，而非常态化交通拥堵（交通事件下的交通拥堵）具有极大不规律性，已有的针对城市高峰型拥堵（主要由于职工上下班、学生上下学）的交叉口交通信号方式不能满足非常规型交通拥堵。如果不能及时准确地进行疏解技术应用，将会把交通拥堵影响由交叉口扩散，造成更加严重的经济损失与社会损失，影响交通系统的服务水平，道路使用者的舒适性，或可能在抛锚、车辆違规行驶、交通意外事故等情况下发生二次事故，因此，在交叉口应用自适应信号系统进行拥堵疏解，将拥堵车辆引导流入相邻路段，利用多路口分担交通压力具有非常重要的现实意义。
本文考虑从时间因素上缓解拥堵问题，即通过实时监测城市路段上车辆的平均行程车速，利用交叉口自适应信号控制理论与方法，在交叉口应用自适应信号系统进行拥堵疏解，将拥堵车辆引导流入相邻路段，利用多路口分担交通压力，对于缓解因交通事件导致的偶发性交通拥堵、提高道路通行能力具有重要的作用和现实意义。
2 研究方法
2.1 方法概况
本文重点研究交通事件影响下如何应用自适应信号控制及视频检测技术，实现对交通事件发生地点的上游交叉口进行信号配时优化与调整，以达到交通疏解的目的。有关仿真技术在疏解方案推演中的重要作用，主要是通过全维度交通仿真技术的应用，实现方案预演，并建立了一种基于仿真模型的动态、量化评估机制，为方案的完善和应急方案的设计提供依据。拟实现的技术将结合检测到的车辆平均行程速度进行分析，结合自由流速度标准在计算机中进行拥堵程度的判定。若交通拥堵在可接受程度内，对进入该拥堵区域的上游交叉口的绿灯时长进行周期性调整，以确保不再加剧交通拥堵;若到达人们不可接受的严重拥堵状态，即达到取消驶入交通拥堵路段相位对应的交通流参数阈值，系统便以不再加剧路段交通拥堵为原则，自动切断进入该拥堵区域的绿灯相位，待拥堵状况缓解以后，车辆才可以进入;若交通拥堵得到缓解，则按照周期恢复相应的绿灯时长。
2.2 参数标准
按照GB/T 33171—2016《城市交通运行状况评价规范》进行自由流速度的确定。针对评价路段按如下步骤进行计算，单位为千米每小时（km/h）：
将6∶00～24∶00按给定时间间隔等分，其间隔长度不超过15min;计算每一时间间隔平均行程速度的算术平均值，样本天数应不少于30d：
Vf=
式中（本模型取时间间隔为15min）：
Vf表示评价路段的自由流速度;
i表示单位时段（15min）内第i辆车的平均行程速度;
N表示单位时段（15min）内通过车辆总数。
将计算出的平均值从大到小排序，取排序结果的前1/9进行平均，其结果作为路段自由流速度;当计算得到的自由流速度超过道路限速时取限速。
选取东北林业大学外和兴路路段为例，根据自由流速度计算标准，经过实际数据记录和计算，得出该路段实际的自由流速度为42km/h。
本模型路段交通运行状况等级划分：
路段交通运行状况等级按照路段平均行程速度与自由流速度的关系划分为如下5个等级：①路段平均行程速度大于自由流速度的70%为畅通等级;②路段平均行程速度大于自由流速度的50%且小于或等于自由流速度的70%时为基本畅通等级;③路段平均行程速度大于自由流速度的40%且小于或等于自由流速度的50%时为轻度拥堵等级;④路段平均行程速度大于自由流速度的30%且小于或等于自由流速度的40%时为中度拥堵等级;⑤当路段平均行程速度小于或等于自由流速度的30%时为严重拥堵等级。
3 交通疏解方法
当路段发生交通事件时，实时监测事件发生路段平均行程速度Vkj，当Vkj≤Vf×50%时，表示道路路段出现拥堵，此时需要实施交叉口自适应交通信号技术，调节信号灯时间以实现拥堵路段的疏解，具体调节方法如下：
①首先检测拥堵程度，若为轻度拥堵，则在原有绿灯时间S0=35s基础上，将通往交通事件路段的信号相位绿灯时间减去一个单位时长N=4s，通往相邻路段的绿灯时长各相应增加4s，保证信号相位周期时长保持不变;若下一周期检测到的拥堵程度均为轻度拥堵，则在上一周期基础上再次减4s;若减少到19s（4个周期）则保持绿灯时间不变，以最小绿灯时间19s运行。②若拥堵程度为中等拥堵，则将通往交通事件路段的信号相位绿灯时间减去2个单位时长N=4s，即减去8s，通往相邻路段的绿灯时长各相应增加8s;每一绿灯周期结束再次检测速度，若仍中等拥堵，再次减8s，若为轻度拥堵，则对应减4s;若减少到19s则保持绿灯时间不变，以最小绿灯时间19s运行。③若拥堵程度为严重拥堵，则取消绿灯时间。④通过反复实时监测路段的Vkj并作出比较判断，实现绿灯时长的动态变化，最终使Vkj>Vf×50%，若此时为不再拥堵的状态，对应的绿灯时长S小于初始绿灯时间S0，则增加1个单位绿灯时长N=4s，同时，检测路段的，保证Vkj>Vf×50%，直到当前绿灯时长S与初始绿灯时长相等，则信号灯调控结束，运行信号灯原有绿灯周期。
4 交通仿真
仿真系统随机给出速度20km/h，检测到Vf×40%<Vkj≤Vf×50%（Vf×50%=21km/h），则对应路口绿灯周期减少4s（东西方向），相邻路口红灯时间减少4s，即绿灯时间增加4s（南北方向）。上一个周期结束后，随机模拟的速度变为仍为轻度拥堵，自适应控制系统控制绿灯再次减少一个4s，此时路口绿灯周期变为27s。上一个周期结束后，随机模拟出拥堵未缓解的情况，并且变为中等拥堵，此时自适应控制系统控制绿灯减少一个8s，此时路口绿灯周期变为19s。上一个周期结束后，拥堵仍未能缓解，但是此时已经在中等拥堵情况下达到最小绿灯周期19s，因此，保持19s运行。上一个周期结束后，随机模拟出拥堵未缓解的情况，并且变为严重拥堵，此时自适应控制系统控制取消对应路口的相位时间，东西方向信号灯红灯长亮，引导车辆自南北路口行车。
5 结论
本文基于交叉口自适应信号控制技术，开展交通事件影响下城市干路交通疏解技術研究，提出了一种减少绿灯时间的信号配时方案。①通过实时检测路段上的车辆平均行程车速的大小判断道路运行状况，并按照上文提到的信号灯配时方法实现交叉口信号灯的动态变化，从而达到缓解路段交通拥堵的目的。②经研究得到一种用于研究疏解干路拥堵的疏解方法，此方法对提高道路通行能力，缓解城市干路交通压力具有可实际应用性[3]。
但在实际应用中，此系统效用的良好发挥必须依靠正确获取交通流状态，因此，需要专业充足的检测、通信设备以及专业运行人员。应用本系统的前提是确定好应用路段范围以及确保系统逻辑符合路段实际情况，这些准备所需的前期调查工作以及后续监测工作量是很大的。
【参考文献】
【1】李嘉屹，巴兴强，吴大伟.可恢复的自适应式交通信号灯设计说明[J].科学技术创新，2020（30）：101-103.
【2】占雅聪，刘宽，施忠祥，等.基于单片机的智能交通灯控制系统设计[J].电子测试，2020（8）：15-16.
【3】DI Robertson，RD Bretherton.Optimizing networks of traffic signals in real time-the SCOOT method[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，1991，40（1）：11-15.
