交通流量數(shù)據(jù)處理與自適應(yīng)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(xiàn)代交通控制系統(tǒng)中,運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)來自動(dòng)調(diào)節(jié)信號(hào)燈的綠燈時(shí)間,已經(jīng)是重要的發(fā)展趨勢(shì).早在上世紀(jì)八十年代,國外在這方面的研究就已經(jīng)進(jìn)入到實(shí)際試用階段.但是其面控優(yōu)化的結(jié)果,由于無法通過大量實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)來證明,因此,實(shí)際使用效果還是存在爭議.可以說,交通信號(hào)自動(dòng)控制的算法, 目前還主要是運(yùn)用各種數(shù)學(xué)抽象模型,通過設(shè)置邊界條件,來逼近*化的控制方案.
本文通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),主要闡述交通流量的采集、數(shù)據(jù)處理、以及交通控制方案生成的關(guān)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(gè)參數(shù):
1） 5分鐘流量:以5分鐘為單位，統(tǒng)計(jì)出的通過道路某一截面的車輛或行人數(shù)量。
2） 飽和流量及其計(jì)算:車輛在取得通行權(quán)的情況下，以相對(duì)恒定的速度連續(xù)不斷地通過道路停車線所對(duì)應(yīng)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(jì)算車流量的對(duì)象，即小客車當(dāng)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(duì)于3米的車道寬度，其飽和流量在1900pcu/h左右。
3） 時(shí)間占有率:
在一段時(shí)間內(nèi)，車輛通過某一截面的時(shí)間之和與總時(shí)間之比。該參數(shù)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(duì)于在車速很小的路口，該參數(shù)不能反映交通流量的擁擠度。
4） 空間占有率:在某個(gè)時(shí)間，某個(gè)路段內(nèi)車輛的長度之和與路段總長度之比。該參數(shù)可以反映路段的擁擠度。該參數(shù)目前用電子儀器的辦法不容易檢測(cè)。
5） 區(qū)間平均車速：道路的區(qū)間距離除以通過該路段的時(shí)間。一般在距離路口200-500米以上的地方所測(cè)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(cè)器:
目前在用的車輛檢測(cè)器,主要有地埋環(huán)形線圈/ 多普勒效應(yīng)雷達(dá)/超聲波/視頻式車輛檢測(cè)器等等.但是從使用的數(shù)量來看,主要還是環(huán)形線圈和視頻式車輛檢測(cè)器.由于受環(huán)境影響,各種車輛檢測(cè)器都有其自身的局限性,因此,應(yīng)該針對(duì)不同的環(huán)境,使用相應(yīng)的車輛檢測(cè)器.比如說,在路段檢測(cè)車流速度及車流量,使用多普勒效應(yīng)雷達(dá).在沙石和瀝青路面,在路口距離停車線100米以內(nèi),選用視頻式車輛檢測(cè)器.對(duì)于水泥路面,考慮到前期投入費(fèi)用,可以使用地埋環(huán)形線圈.有關(guān)各種車輛檢測(cè)器的特點(diǎn)比較,由于其文獻(xiàn)較多,這里就不再贅述.
2） 采集位置:
從車輛檢測(cè)器的作用來看,其主要目的應(yīng)該是提供實(shí)時(shí)的交通流量及交通狀態(tài),以便信號(hào)機(jī)的感應(yīng)控制,或用于控制方案生成.考慮到信號(hào)燈綠燈結(jié)束后黃燈過渡時(shí)間一般為2-5秒,因此,按車速20-40KM/H計(jì)算,車輛檢測(cè)器的安裝位置,應(yīng)該是在停車線上游10-30米比較合適.對(duì)于擁擠的路段,其數(shù)據(jù)取較小值為宜.用于這種用途的車輛檢測(cè)器, 有時(shí)簡稱為”戰(zhàn)術(shù)傳感器”.
速度km/h 速度m/s 10 米距離
所需時(shí)間（s） 20 米距離
所需時(shí)間（s） 30米距離
所需時(shí)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(dāng)然,考慮到路段平均速度的測(cè)量,車輛檢測(cè)器應(yīng)該在距離路口200米以上的測(cè)量車速,這樣一來才更具備可信性.這類用途的車輛檢測(cè)器,有時(shí)簡稱為”戰(zhàn)略傳感器”.
無論是”戰(zhàn)略傳感器”或” 戰(zhàn)術(shù)傳感器”,其交通流量的檢測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)該相等的.只是戰(zhàn)術(shù)傳感器兼顧到路口的單點(diǎn)感應(yīng)控制,而戰(zhàn)略傳感器主要兼顧到路段平均車速的測(cè)量.
3） 原始數(shù)據(jù):
考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工的實(shí)際情況，交通控制系統(tǒng)中的車輛檢測(cè)器，一般安裝于停車線附近，離信號(hào)機(jī)距離很短。這樣一來，我們可以測(cè)出兩個(gè)數(shù)據(jù)： a）在本相位的綠燈結(jié)束時(shí)，得到該相位所含的各車道所通過的車輛數(shù)量。B）在本相位紅燈結(jié)束時(shí)，得到該相位所含的各車道通過車輛檢測(cè)點(diǎn)到停車線之間的車輛數(shù)。
有了這兩組數(shù)據(jù)，相加之和即為一個(gè)周期內(nèi)該相位所含各車道所通過的車輛數(shù)。
3、 交通流量數(shù)據(jù)包的發(fā)送格式:
路口機(jī)向上發(fā)上一相位所含車道在綠燈時(shí)的車輛檢測(cè)器計(jì)數(shù)值B1-B16， 以及在紅燈時(shí)，介于停車線與車輛檢測(cè)器之間的計(jì)數(shù)值B17-B32，和上一相位號(hào)及上一周期的時(shí)間，共34個(gè)字節(jié)。此數(shù)據(jù)可用于計(jì)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(shí)
B1-B16；數(shù)值為0-255。綠燈時(shí)的車輛檢測(cè)器計(jì)數(shù)值
B17-B32；數(shù)值為0-255。介于停車線與車輛檢測(cè)器之間的計(jì)數(shù)值.
B33：上一相位號(hào)
B34：上一周期時(shí)長（單位：秒）]
由于實(shí)際路口的機(jī)動(dòng)車輛大小不一，車輛檢測(cè)器無法識(shí)別車型，因此，時(shí)間占有率的數(shù)據(jù)沒有交通流量數(shù)據(jù)更能反映路口的擁擠程度，所以，在做數(shù)據(jù)處理時(shí)，我們主要參考的是交通流量數(shù)據(jù)。時(shí)間占有率數(shù)據(jù)只做參考。
二、 數(shù)據(jù)的處理：
1、 車道5分鐘機(jī)動(dòng)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(shí)流量表及分布曲線圖:
X2=12X1
3、 某方向的小時(shí)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(gè)路口的小時(shí)流量表及分布曲線圖
把整個(gè)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(duì)應(yīng)關(guān)系。
這里分析的前提是，路口安裝了一定數(shù)量的車輛檢測(cè)器，而且該路口使用的是具備感應(yīng)控制功能的交通信號(hào)控制機(jī)。
根據(jù)計(jì)算出來的交通流量，結(jié)合時(shí)間表，我們可以按以下方法來選擇控制模式：
序號(hào) 交通流量的飽和度 一般對(duì)應(yīng)時(shí)間段 交通狀態(tài) 可以選擇的交通信號(hào)控制模式
1 0-20% 深夜23:00-凌晨6:00 車輛很少 1．感應(yīng)控制。
2.短周期的多時(shí)段多方案控制。
3.黃閃。
2 20-80% 正常工作時(shí)間
9：00- 車流比較平穩(wěn)。 1、感應(yīng)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(tài) 1.長周期的多時(shí)段多方案控制
2.定周期控制。
2、 配時(shí)方案中，綠燈時(shí)間與流量的關(guān)系:
自動(dòng)生成配時(shí)方案,通?？梢圆捎脙煞N辦法:
1） 平滑平均法:
由感應(yīng)控制所實(shí)際采用的時(shí)間長度為依據(jù),以5分鐘為計(jì)算長度,把在5分鐘內(nèi)每個(gè)相位的實(shí)際綠燈時(shí)間平均長度記錄在案,形成zui初的數(shù)據(jù)L1,L2,L3…Li….,然后,把兩個(gè)數(shù)據(jù)相減,可得到相差的值ΔL1,ΔL2, ΔL3…ΔLi….
這樣一來,根據(jù)ΔLi的大小,我們可把ΔLi波動(dòng)比較小的設(shè)為一個(gè)時(shí)段, 把ΔLi比較大的而且隨后的Li連續(xù)比較平穩(wěn)的或隨后的ΔLi又波動(dòng)比較小的設(shè)為另一個(gè)時(shí)段.如此類推,即可得到一天當(dāng)中的時(shí)段數(shù).有了時(shí)段劃分后,我們就可以把每個(gè)時(shí)段內(nèi)的綠燈時(shí)長取平均,這樣就得到了綠燈時(shí)間長度,進(jìn)而得到該時(shí)段的配時(shí)方案.
2） 公式法:
先設(shè)置原始數(shù)據(jù):每相位所含車道的飽和交通總流量:
W1,W2,….Wi,…..
那么,現(xiàn)在某相位所含車道的交通總流量Qi,則每相位的綠燈時(shí)
長Ti::
Ti=Timax＊Qi/Wi, 其中Timax為該相位的zui大綠燈時(shí)間.
上述的兩種方法都是”自學(xué)習(xí)法”,以歷史的交通流量所得出的綠燈時(shí)長,推算出下面執(zhí)行的配時(shí)方案綠燈時(shí)長.
3、 感應(yīng)控制的基本策略:
1） 半感應(yīng)控制：
半感應(yīng)控制主要應(yīng)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(diǎn)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(cè)器即可。一般來說，此車輛檢測(cè)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(shí)，主相位的綠燈時(shí)間x1與次相位的zui小綠燈時(shí)間y0zui大綠燈時(shí)間y1及延時(shí)步長△，可以設(shè)定。
情況一：在運(yùn)行主相位的綠燈時(shí)間x1，當(dāng)還有綠燈剩余3秒時(shí)，讀次相位的被阻車輛數(shù)，如果次相位上沒有車輛，那么，主相位的綠燈時(shí)間就會(huì)自動(dòng)再運(yùn)行20秒，如此循環(huán)、直至主相位的綠燈時(shí)間累計(jì)連續(xù)運(yùn)行已達(dá)到x0+80秒時(shí)，才會(huì)不管次相位有沒有車輛，也要給次相位一個(gè)zui小的綠燈起步時(shí)間，即y0秒。
情況二：在運(yùn)行主相位的綠燈時(shí)，1、在執(zhí)行起步時(shí)間x1秒階段，當(dāng)還有綠燈剩余3秒時(shí)，讀次相位的被阻車輛數(shù)，如果次相位上有車輛，那么，主相位在運(yùn)行完本次綠燈后，就轉(zhuǎn)到次相位，給次相位一個(gè)zui小的綠燈起步時(shí)間，即y0秒。2、主相位已經(jīng)執(zhí)行了起步x1秒，當(dāng)執(zhí)行增加的20秒時(shí)，讀次相位的被阻車輛數(shù)，如果次相位上有車輛，那么，主相位就馬上結(jié)束，轉(zhuǎn)到次相位，給次相位一個(gè)zui小的綠燈起步時(shí)間，即y0秒。
在次相位的綠燈剩余時(shí)間小于3秒時(shí)，看車輛檢測(cè)器是否檢測(cè)到還有車輛進(jìn)入，如果沒有，那么，在運(yùn)行完剩余的綠燈時(shí)間后，就轉(zhuǎn)到執(zhí)行主相位的綠燈。如果還有車輛進(jìn)入，那么，在此基礎(chǔ)上，次要相位的綠燈時(shí)間再以步長△秒的時(shí)間延長，如此循環(huán)、直到次要相位的綠燈總時(shí)間達(dá)到zui大綠燈時(shí)間y1秒，這時(shí)，即使還有車輛進(jìn)入，也要轉(zhuǎn)到執(zhí)行主相位的綠燈。
2）、 全感應(yīng)控制：
全感應(yīng)控制，主要用于交通飽和度小于80%的路口。其特點(diǎn)是，主次相位交叉，相差并不是很明顯。這樣一來，需要在每個(gè)車道上，安裝車輛檢測(cè)器，用于檢測(cè)車輛通行情況。此車輛檢測(cè)器，安裝于離路口停車線的上游距離為30米。
控制時(shí)，各相位的基本綠燈時(shí)間根據(jù)其所含各車道上的被阻車輛數(shù)字和，先定一個(gè)起步時(shí)間X0：0-5輛時(shí)，X0為5秒；6-10輛時(shí)，X0為10秒；11-15輛時(shí)，X0為15秒；16-20輛時(shí)，X0為20秒；大于20輛時(shí)，X0為25秒。在本相位運(yùn)行到綠燈剩余時(shí)間小于3秒時(shí)，再看本相位所含的車道上，有沒有新的車輛進(jìn)入。如果沒有，那么，在運(yùn)行完本相位剩余的綠燈時(shí)間后，就轉(zhuǎn)到執(zhí)行下一個(gè)相位的綠燈。如果還有車輛進(jìn)入，那么，在此基礎(chǔ)上，本相位的綠燈時(shí)間就再以步長△秒的時(shí)間延長，如此循環(huán)、直到本相位的綠燈總時(shí)間達(dá)到zui大綠燈時(shí)間，這時(shí)，即使還有車輛進(jìn)入，也要轉(zhuǎn)到執(zhí)行下一相位的綠燈.
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