交通流量數據處理與自適應控制方案的生成
上海東川交通科技有限公司 胡嗣云 蔡名閣
在現代交通控制系統中,運用計算機控制技術來自動調節信號燈的綠燈時間,已經是重要的發展趨勢.早在上世紀八十年代,國外在這方面的研究就已經進入到實際試用階段.但是其面控優化的結果,由于無法通過大量實際檢測數據來證明,因此,實際使用效果還是存在爭議.可以說,交通信號自動控制的算法, 目前還主要是運用各種數學抽象模型,通過設置邊界條件,來逼近*化的控制方案.
本文通過實踐經驗,主要闡述交通流量的采集、數據處理、以及交通控制方案生成的關系,以期起到拋磚引玉的作用.
一、 交通流量的采集：
1、 交通流量的描述：
衡量交通流量,通常有以下幾個參數:
1） 5分鐘流量:以5分鐘為單位，統計出的通過道路某一截面的車輛或行人數量。
2） 飽和流量及其計算:車輛在取得通行權的情況下，以相對恒定的速度連續不斷地通過道路停車線所對應的流量。
由于車輛大小不一，為了表述一致，通常采用小客車為計算車流量的對象，即小客車當量的pcu值。
飽和流量受路段的坡度，車道的寬度，雨雪天氣等諸多因素影響。一般來講，對于3米的車道寬度，其飽和流量在1900pcu/h左右。
3） 時間占有率:
在一段時間內，車輛通過某一截面的時間之和與總時間之比。該參數可以反映路段的交通流量。如果占有率大，表示路段比較擁擠。對于在車速很小的路口，該參數不能反映交通流量的擁擠度。
4） 空間占有率:在某個時間，某個路段內車輛的長度之和與路段總長度之比。該參數可以反映路段的擁擠度。該參數目前用電子儀器的辦法不容易檢測。
5） 區間平均車速：道路的區間距離除以通過該路段的時間。一般在距離路口200-500米以上的地方所測量的車輛速度來表示。如果車速高，表示交通擁擠度低。
2、 交通流量的采集：
1） 車輛檢測器:
目前在用的車輛檢測器,主要有地埋環形線圈/ 多普勒效應雷達/超聲波/視頻式車輛檢測器等等.但是從使用的數量來看,主要還是環形線圈和視頻式車輛檢測器.由于受環境影響,各種車輛檢測器都有其自身的局限性,因此,應該針對不同的環境,使用相應的車輛檢測器.比如說,在路段檢測車流速度及車流量,使用多普勒效應雷達.在沙石和瀝青路面,在路口距離停車線100米以內,選用視頻式車輛檢測器.對于水泥路面,考慮到前期投入費用,可以使用地埋環形線圈.有關各種車輛檢測器的特點比較,由于其文獻較多,這里就不再贅述.
2） 采集位置:
從車輛檢測器的作用來看,其主要目的應該是提供實時的交通流量及交通狀態,以便信號機的感應控制,或用于控制方案生成.考慮到信號燈綠燈結束后黃燈過渡時間一般為2-5秒,因此,按車速20-40KM/H計算,車輛檢測器的安裝位置,應該是在停車線上游10-30米比較合適.對于擁擠的路段,其數據取較小值為宜.用于這種用途的車輛檢測器, 有時簡稱為”戰術傳感器”.
速度km/h 速度m/s 10 米距離
所需時間（s） 20 米距離
所需時間（s） 30米距離
所需時間（s）
10 2.78 3.6 7.2 10.4
15 4.16 2.4 4.8 7.2
20 5.55 1.9 3.8 5.4
25 6.94 1.5 2.9 4.3
30 8.33 1.2 2.4 3.6
35 9,72 1.0 2.05 3
40 11.11 0.9 1.8 2.7
當然,考慮到路段平均速度的測量,車輛檢測器應該在距離路口200米以上的測量車速,這樣一來才更具備可信性.這類用途的車輛檢測器,有時簡稱為”戰略傳感器”.
無論是”戰略傳感器”或” 戰術傳感器”,其交通流量的檢測數據應該相等的.只是戰術傳感器兼顧到路口的單點感應控制,而戰略傳感器主要兼顧到路段平均車速的測量.
3） 原始數據:
考慮到現場施工的實際情況，交通控制系統中的車輛檢測器，一般安裝于停車線附近，離信號機距離很短。這樣一來，我們可以測出兩個數據： a）在本相位的綠燈結束時，得到該相位所含的各車道所通過的車輛數量。B）在本相位紅燈結束時，得到該相位所含的各車道通過車輛檢測點到停車線之間的車輛數。
有了這兩組數據，相加之和即為一個周期內該相位所含各車道所通過的車輛數。
3、 交通流量數據包的發送格式:
路口機向上發上一相位所含車道在綠燈時的車輛檢測器計數值B1-B16， 以及在紅燈時，介于停車線與車輛檢測器之間的計數值B17-B32，和上一相位號及上一周期的時間，共34個字節。此數據可用于計算某車道的交通流量:
車道1的交通流量=3600{（B1+B17）/B34} 單位：輛/小時
B1-B16；數值為0-255。綠燈時的車輛檢測器計數值
B17-B32；數值為0-255。介于停車線與車輛檢測器之間的計數值.
B33：上一相位號
B34：上一周期時長（單位：秒）]
由于實際路口的機動車輛大小不一，車輛檢測器無法識別車型，因此，時間占有率的數據沒有交通流量數據更能反映路口的擁擠程度，所以，在做數據處理時，我們主要參考的是交通流量數據。時間占有率數據只做參考。
二、 數據的處理：
1、 車道5分鐘機動車輛交通流量表及分布曲線圖:
X1=300{（B1+B17）/B34} 單位：輛/5分鐘
2、 車道小時流量表及分布曲線圖:
X2=12X1
3、 某方向的小時流量表及分布曲線圖:
把該方向所有車道的交通流量累加
4、 整個路口的小時流量表及分布曲線圖
把整個路口所有方向的交通流量累加.
三、 交通流量與控制方案的生成
1、 交通流量的變化范圍與控制模式的對應關系。
這里分析的前提是，路口安裝了一定數量的車輛檢測器，而且該路口使用的是具備感應控制功能的交通信號控制機。
根據計算出來的交通流量，結合時間表，我們可以按以下方法來選擇控制模式：
序號 交通流量的飽和度 一般對應時間段 交通狀態 可以選擇的交通信號控制模式
1 0-20% 深夜23:00-凌晨6:00 車輛很少 1．感應控制。
2.短周期的多時段多方案控制。
3.黃閃。
2 20-80% 正常工作時間
9：00- 車流比較平穩。 1、感應控制。
3 80-100% 上下班高峰
早高峰：
7：30-9：00
中高峰：
11：30-12：30
13：00-14：30
晚高峰：
16：30-18：00 車輛擁擠或者是過飽和狀態 1.長周期的多時段多方案控制
2.定周期控制。
2、 配時方案中，綠燈時間與流量的關系:
自動生成配時方案,通?？梢圆捎脙煞N辦法:
1） 平滑平均法:
由感應控制所實際采用的時間長度為依據,以5分鐘為計算長度,把在5分鐘內每個相位的實際綠燈時間平均長度記錄在案,形成zui初的數據L1,L2,L3…Li….,然后,把兩個數據相減,可得到相差的值ΔL1,ΔL2, ΔL3…ΔLi….
這樣一來,根據ΔLi的大小,我們可把ΔLi波動比較小的設為一個時段, 把ΔLi比較大的而且隨后的Li連續比較平穩的或隨后的ΔLi又波動比較小的設為另一個時段.如此類推,即可得到一天當中的時段數.有了時段劃分后,我們就可以把每個時段內的綠燈時長取平均,這樣就得到了綠燈時間長度,進而得到該時段的配時方案.
2） 公式法:
先設置原始數據:每相位所含車道的飽和交通總流量:
W1,W2,….Wi,…..
那么,現在某相位所含車道的交通總流量Qi,則每相位的綠燈時
長Ti::
Ti=Timax＊Qi/Wi, 其中Timax為該相位的zui大綠燈時間.
上述的兩種方法都是”自學習法”,以歷史的交通流量所得出的綠燈時長,推算出下面執行的配時方案綠燈時長.
3、 感應控制的基本策略:
1） 半感應控制：
半感應控制主要應用于主次分明的兩相位交叉路口，其主相位的車流，是行駛于主干道的車輛行成，特點是主相位車流量比次相位的車流量多4至五倍。
在這種情況下，只要在次相位的車道上安裝車輛檢測器即可。一般來說，此車輛檢測器安裝在車道3、4上，離路口停車線的上游距離為10-20米。
控制時，主相位的綠燈時間x1與次相位的zui小綠燈時間y0zui大綠燈時間y1及延時步長△，可以設定。
情況一：在運行主相位的綠燈時間x1，當還有綠燈剩余3秒時，讀次相位的被阻車輛數，如果次相位上沒有車輛，那么，主相位的綠燈時間就會自動再運行20秒，如此循環、直至主相位的綠燈時間累計連續運行已達到x0+80秒時，才會不管次相位有沒有車輛，也要給次相位一個zui小的綠燈起步時間，即y0秒。
情況二：在運行主相位的綠燈時，1、在執行起步時間x1秒階段，當還有綠燈剩余3秒時，讀次相位的被阻車輛數，如果次相位上有車輛，那么，主相位在運行完本次綠燈后，就轉到次相位，給次相位一個zui小的綠燈起步時間，即y0秒。2、主相位已經執行了起步x1秒，當執行增加的20秒時，讀次相位的被阻車輛數，如果次相位上有車輛，那么，主相位就馬上結束，轉到次相位，給次相位一個zui小的綠燈起步時間，即y0秒。
在次相位的綠燈剩余時間小于3秒時，看車輛檢測器是否檢測到還有車輛進入，如果沒有，那么，在運行完剩余的綠燈時間后，就轉到執行主相位的綠燈。如果還有車輛進入，那么，在此基礎上，次要相位的綠燈時間再以步長△秒的時間延長，如此循環、直到次要相位的綠燈總時間達到zui大綠燈時間y1秒，這時，即使還有車輛進入，也要轉到執行主相位的綠燈。
2）、 全感應控制：
全感應控制，主要用于交通飽和度小于80%的路口。其特點是，主次相位交叉，相差并不是很明顯。這樣一來，需要在每個車道上，安裝車輛檢測器，用于檢測車輛通行情況。此車輛檢測器，安裝于離路口停車線的上游距離為30米。
控制時，各相位的基本綠燈時間根據其所含各車道上的被阻車輛數字和，先定一個起步時間X0：0-5輛時，X0為5秒；6-10輛時，X0為10秒；11-15輛時，X0為15秒；16-20輛時，X0為20秒；大于20輛時，X0為25秒。在本相位運行到綠燈剩余時間小于3秒時，再看本相位所含的車道上，有沒有新的車輛進入。如果沒有，那么，在運行完本相位剩余的綠燈時間后，就轉到執行下一個相位的綠燈。如果還有車輛進入，那么，在此基礎上，本相位的綠燈時間就再以步長△秒的時間延長，如此循環、直到本相位的綠燈總時間達到zui大綠燈時間，這時，即使還有車輛進入，也要轉到執行下一相位的綠燈.
