基于全感应控制的交叉口信号控制方法与模型

林晓辉

基于全感应控制的交叉口信号控制方法与模型

林晓辉

（广东交通职业技术学院 计算机工程学院，广东广州 510650）

全感应控制方法是一种适合交叉口交通量随机变化比较大的交通信号控制方法。为了验证该方法的有效性，文章以单个交叉口为研究对象，运用Vissim交通仿真软件进行建模，并分析比较在不同时段下，实施全感应控制与定时控制方式后的各项交通信号控制性能指标。仿真结果表明，与定时控制相比，全感应控制在不同时段下的各项交通信号控制性能指标均有所改善：高峰时段，全感应控制的平均行程时间改善了4.26%，平均延误时间改善了15.6%，平均停车次数改善了1.3%，平均排队长度改善了17.4%。

交叉口；信号控制；Vissim交通仿真；全感应控制；定时控制

1　概述

交叉口是城市道路系统的重要组成部分，各方向交通流在此汇合，其交通运行效率好坏直接影响城市道路交通是否顺畅。提高交叉口的交通运行效率，首要任务是选择合适的交通信号控制方法。目前交叉口的交通信号控制方法有定时控制、感应控制、自适应控制等［1］。其中，定时控制方法最为普遍，某些大城市的一些路口也开始采用感应控制方法或自适应控制方法。对于感应控制，又分为半感应控制和全感应控制［2-4］。一般来说，半感应控制较为简单，全感应控制较为复杂，为了验证全感应控制的效果，本文以虎门大道连升路交叉口为例［5］，利用Vissim交通仿真软件进行建模，并分析比较在不同时段下，实施全感应控制与定时控制方式后的各项交通信号控制性能指标。

2　信号控制方法分析

2.1定时控制简析

定时控制方法是一种适应于交叉口交通流量比较稳定的交通信号控制方法。该方法通常采用Webster配时方法得出最佳信号周期，然后根据各相位关键车流流量比对周期进行划分。Webster最佳信号周期C0计算公式如下：式中：tL为各相位总损失时间；Y为各相位关键车流总流量比。

2.2全感应控制

2.2.1基本原理

全感应控制是指在交叉口各进口车道上都埋设感应线圈，各进口车流的通行权和绿灯时间由感应线圈是否检测到车辆到达而决定的一种交通信号控制方法。它一般适用于进口交通量随机变化比较大的交叉口。全感应控制中所有感应信号相位均设有最短绿灯时间、单位延长时间、最大绿灯时间等信号控制参数，其控制流程如图1所示。

图1 全感应式控制流程图

2.2.2控制参数

在全感应控制中，其配时参数有：最短绿灯时间、单位延续绿灯时间和最大绿灯时间，它们之间的关系如图2所示。每个感应信号相位均设置一个最短绿灯时长（Gmin），即欠饱和状态下，遇红灯的车队排队消散时间。Gmin结束时，在设定的时间间隔内，如果感应线圈没有检测到来车，则切换到其它感应信号相位；如果感应线圈检测到有车辆到达，则延长单位延续绿灯时间（G0），如果没有车辆到达，则切换到其他感应信号相位，如果继续有车辆达到，则该感应信号相位继续获得通行权，直到该感应信号相位放行时间达到最大绿灯时间（Gmax），此时，即使仍然有车辆到达，也要切换到其他感应信号相位。所以，实际绿灯时间G应该满足以下条件：Gmin≤G≤Gmax。

图2　感应控制主要参数关系图

（1）最短绿灯时间（Gmin）。

最短绿灯时间与车辆检测器到停车线的距离和行人安全过街所需时间有关。车辆检测器到停车线的距离决定了系统可以检测到的停放车辆数，而最短绿灯时间要保证停在检测器与停车线之间的全部车辆经过加速启动后都能顺利通过交叉口，同时最短绿灯时间还要保证换相时行人能安全过街。

在欠饱和状态下，各感应信号相位最短绿灯时间可以用车队排队疏散时间（Ts）来确定。其计算公式［6-7］如下：

式中：Ts为相位关键进口道车队疏散时间；Qm为相位关键进口道最大排队长度；qs为相位关键进口道饱和流量；qi为相位i关键进口道的到达率。

（2）单位延续绿灯时间（G0）。

单位延续绿灯时间的设定也与感应线圈到停车线的距离有关。如果感应线圈与停车线之间的距离较大，则单位延续绿灯时间取车辆从感应线圈行驶到停车线所需时间。此时可以根据两者距离与平均行驶车速求出，以保证已经越过车辆检测器的车辆能顺利驶过停车线，其计算公式如下：

式中：D为检测器到停车线间的距离；v为平均行驶车速。

如果车辆检测器与停车线之间的距离很小，则单位延续绿灯时间取车队相邻车辆之间的空间时距，以保证连续行驶的车辆能顺利驶过停车线。

从理论上讲，单位延续绿灯时间应尽可能短，以降低绿灯损失时间，提高运行效率；但是从实际情况和交通安全角度考虑，单位延续绿灯时间不宜设置太短。因为车辆的行驶速度存在一定差异，如果单位延续绿灯时间太短，可能导致某些已经越过感应线圈的车辆无法穿过停车线，并不能保证取得良好的控制效果，甚至出现紧急刹车的现象，存在交通安全隐患。

（3）最大绿灯时间（Gmax）。

最大绿灯时间可以按照定时配时设计方法确定：先计算分配给感应相的绿灯时间，再将这一时间乘以1.25～1.50的系数［8］，所得时间即为各感应相的最大绿灯时间。针对在不同时段具有不同交通量的特点，还可以为感应相设计与之相应的最大绿灯时间，以满足不同时段次路的交通需求，提高其交通安全。

3　仿真试验

3.1仿真方案

本文以虎门大道连升路交叉口为例，利用Vissim交通仿真软件对上述控制流程进行仿真建模。该交叉口采用各进口单独放行方式，其相序如图3所示，高峰、平时、晚间的交通流量及定时控制配时方案如表1、表2所示。为验证本文算法的有效性，选择定时控制方式进行比较分析。

图3　各进口单独放行相序图

表1　3个时段的交通流量表　　　　　　　pcu/h

表2　定时控制配时方案表　　　 s

依据上述参数确定方法，确定相关3个时段的控制参数，如表3所示：

表3　控制参数表　　　　　　　　　　　　　 s

根据控制流程图1，在Vissim VAP模块中，设计控制流程，如图4所示，表达式的实际内容如表4中的Contents所示。其中“K1”表示信号灯组“1”，Stage_active（i）表示相位i是否在运行，即相位是否为绿灯状态；Interstage（i，j）表示由相位i切换到相位j；minGreenstg1为表达式的简写。

图4　VAP模块中的全感应控制流程图

表4　表达式的内容表

最终建立的仿真模型如图5所示。

图5　全感应控制仿真模型

3.2结果分析

对实施定时控制和全感应控制后交叉口在不同时段下的平均行程时间、平均延误时间、平均停车次数、平均排队长度［7］等各项交通信号控制性能指标进行比对分析，结果如图6～图9所示。

图6　平均行程时间

图7　平均延误时间

图8　平均停车次数

图9　平均排队长度

从图6～图9可以看出，随着交通量的增加，2种控制方法的各项交通信号控制性能指标也随之增加。在高峰时段，与定时控制相比，全感应控制的平均行程时间改善了4.26%，平均延误时间改善了15.6%，平均停车次数改善了1.3%，平均排队长度改善了17.4%。仿真结果表明：与定时控制相比，全感应控制的各项交通信号控制性能指标均有所改善。

4　结语

交叉口采用何种交通信号控制方法取决于交叉口几何特征和交通流情况。不同交通信号控制方法有其不同的适应条件，如定时控制方法适合于交通量变化不大的交叉口［9］，而全感应控制适用于各进口交通流随机变化比较大的交叉口。因此，对应实际的交叉口，可设计多种交通信号控制方法，并利用Vissim交通仿真进行建模，比较各种方法之间的交通信号控制性能指标，以便选取最优的交通信号控制方法。

［1］梁子君.城市道路智能交通信号控制系统［D］.合肥：合肥工业大学，2007.

［2］卢凯.不同交通流状况下的交叉口信号控制策略［J］. 公路交通科技，2006（4）：128-131+142.

［3］丁恒，陈无畏，张卫华，等.基于混合Gamma分布的交叉口感应控制延误模型［J］. 控制与决策，2012（3）：436-440.

［4］于泉，刘培华，刘小明.两相位信号交叉口半感应控制算法［J］.西南交通大学学报，2010（6）：952-957.

［5］林晓辉，徐建闽，卢凯，等.虎门镇连升路干道协调控制系统的设计与实现［J］.交通信息安全，2008，26（3）：14-18.

［6］王玉鹏.多路口感应信号控制优化设计及其仿真［D］.南京：河海大学，2006.

［7］罗俊.基于新相位相序规则下的模糊自适应控制［D］.南京：河海大学，2007.

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［9］神进.城市道路交叉口定时与感应信号控制对比研究［D］.青岛：中国海洋大学，2008.

Signal Control Method and Model for Intersection Based on Full Induction Control

Lin Xiaohui
（Guangdong Communication Polytechnic， Guangzhou 510650， China）

The full induction control is a traffic signal control method which is suitable for intersections with large changing in traffic flow. In order to verify the validity of the method， this paper takes a single intersection as the research object， using the Vissim traffic simulation software to analyze the traffic signal control indexex of the full induction control method and the fixed control method in different stages. The results show that， compared with the fixed control method， the traffic signal control indexes of full induction control method are improved obviously. Taking the high stage as an example， the improvement of the average travel time is 4.26%， the improvement of the average delay time is 15.6%， the improvement of the average number of stops is 1.3%，and the improvement of the average queue length is 17.4%.

intersection； signal control； Vissim traffic simulation； full induction control； fixed control

U491.51

A

1672-9889（2015）01-0044-03

广东省交通运输厅科技项目（项目编号：科技-2013-02-065）

林晓辉（1981-），男，广东揭阳人，硕士，主要研究方向为交通信息控制、交通仿真。

（2013-12-11）