交通流量数据处理与自适应控制方案的生成

上海东川交通科技有限公司  胡嗣云  蔡名阁

在现代交通控制系统中,运用计算机控制技术来自动调节信号灯的绿灯时间,已经是重要的发展趋势.早在上世纪八十年代,国外在这方面的研究就已经进入到实际试用阶段.但是其面控优化的结果,由于无法通过大量实际检测数据来证明,因此,实际使用效果还是存在争议.可以说,交通信号自动控制的算法, 目前还主要是运用各种数学抽象模型,通过设置边界条件,来逼近*化的控制方案.
本文通过实践经验,主要阐述交通流量的采集、数据处理、以及交通控制方案生成的关系,以期起到抛砖引玉的作用.
一、 交通流量的采集：
1、 交通流量的描述：
衡量交通流量,通常有以下几个参数:
1） 5分钟流量:以5分钟为单位，统计出的通过道路某一截面的车辆或行人数量。
2） 饱和流量及其计算:车辆在取得通行权的情况下，以相对恒定的速度连续不断地通过道路停车线所对应的流量。
由于车辆大小不一，为了表述一致，通常采用小客车为计算车流量的对象，即小客车当量的pcu值。
饱和流量受路段的坡度，车道的宽度，雨雪天气等诸多因素影响。一般来讲，对于3米的车道宽度，其饱和流量在1900pcu/h左右。
3） 时间占有率:
在一段时间内，车辆通过某一截面的时间之和与总时间之比。该参数可以反映路段的交通流量。如果占有率大，表示路段比较拥挤。对于在车速很小的路口，该参数不能反映交通流量的拥挤度。
4） 空间占有率:在某个时间，某个路段内车辆的长度之和与路段总长度之比。该参数可以反映路段的拥挤度。该参数目前用电子仪器的办法不容易检测。
5） 区间平均车速：道路的区间距离除以通过该路段的时间。一般在距离路口200-500米以上的地方所测量的车辆速度来表示。如果车速高，表示交通拥挤度低。
2、 交通流量的采集：
1） 车辆检测器:
目前在用的车辆检测器,主要有地埋环形线圈/ 多普勒效应雷达/超声波/视频式车辆检测器等等.但是从使用的数量来看,主要还是环形线圈和视频式车辆检测器.由于受环境影响,各种车辆检测器都有其自身的局限性,因此,应该针对不同的环境,使用相应的车辆检测器.比如说,在路段检测车流速度及车流量,使用多普勒效应雷达.在沙石和沥青路面,在路口距离停车线100米以内,选用视频式车辆检测器.对于水泥路面,考虑到前期投入费用,可以使用地埋环形线圈.有关各种车辆检测器的特点比较,由于其文献较多,这里就不再赘述.
2） 采集位置:
从车辆检测器的作用来看,其主要目的应该是提供实时的交通流量及交通状态,以便信号机的感应控制,或用于控制方案生成.考虑到信号灯绿灯结束后黄灯过渡时间一般为2-5秒,因此,按车速20-40KM/H计算,车辆检测器的安装位置,应该是在停车线上游10-30米比较合适.对于拥挤的路段,其数据取较小值为宜.用于这种用途的车辆检测器, 有时简称为”战术传感器”.

速度km/h 速度m/s 10 米距离
所需时间（s） 20 米距离
所需时间（s） 30米距离
所需时间（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

当然,考虑到路段平均速度的测量,车辆检测器应该在距离路口200米以上的测量车速,这样一来才更具备可信性.这类用途的车辆检测器,有时简称为”战略传感器”.
无论是”战略传感器”或” 战术传感器”,其交通流量的检测数据应该相等的.只是战术传感器兼顾到路口的单点感应控制,而战略传感器主要兼顾到路段平均车速的测量.
3） 原始数据:
考虑到现场施工的实际情况，交通控制系统中的车辆检测器，一般安装于停车线附近，离信号机距离很短。这样一来，我们可以测出两个数据： a）在本相位的绿灯结束时，得到该相位所含的各车道所通过的车辆数量。B）在本相位红灯结束时，得到该相位所含的各车道通过车辆检测点到停车线之间的车辆数。
有了这两组数据，相加之和即为一个周期内该相位所含各车道所通过的车辆数。
3、 交通流量数据包的发送格式:
                        路口机向上发上一相位所含车道在绿灯时的车辆检测器计数值B1-B16， 以及在红灯时，介于停车线与车辆检测器之间的计数值B17-B32，和上一相位号及上一周期的时间，共34个字节。此数据可用于计算某车道的交通流量:
车道1的交通流量=3600{（B1+B17）/B34} 单位：辆/小时
B1-B16；数值为0-255。绿灯时的车辆检测器计数值
B17-B32；数值为0-255。介于停车线与车辆检测器之间的计数值.
B33：上一相位号
B34：上一周期时长（单位：秒）]
        由于实际路口的机动车辆大小不一，车辆检测器无法识别车型，因此，时间占有率的数据没有交通流量数据更能反映路口的拥挤程度，所以，在做数据处理时，我们主要参考的是交通流量数据。时间占有率数据只做参考。
二、 数据的处理：
1、 车道5分钟机动车辆交通流量表及分布曲线图:
X1=300{（B1+B17）/B34} 单位：辆/5分钟
2、 车道小时流量表及分布曲线图:
X2=12X1
3、 某方向的小时流量表及分布曲线图:
把该方向所有车道的交通流量累加
4、 整个路口的小时流量表及分布曲线图
把整个路口所有方向的交通流量累加.

三、 交通流量与控制方案的生成
1、 交通流量的变化范围与控制模式的对应关系。
这里分析的前提是，路口安装了一定数量的车辆检测器，而且该路口使用的是具备感应控制功能的交通信号控制机。
根据计算出来的交通流量，结合时间表，我们可以按以下方法来选择控制模式：
序号 交通流量的饱和度 一般对应时间段 交通状态 可以选择的交通信号控制模式
1 0-20% 深夜23:00-凌晨6:00 车辆很少 1．感应控制。
2.短周期的多时段多方案控制。
3.黄闪。
2 20-80% 正常工作时间
9：00- 车流比较平稳。 1、感应控制。
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 车辆拥挤或者是过饱和状态 1.长周期的多时段多方案控制
2.定周期控制。

2、 配时方案中，绿灯时间与流量的关系:
自动生成配时方案,通常可以采用两种办法:
1） 平滑平均法:
由感应控制所实际采用的时间长度为依据,以5分钟为计算长度,把在5分钟内每个相位的实际绿灯时间平均长度记录在案,形成zui初的数据L1,L2,L3…Li….,然后,把两个数据相减,可得到相差的值ΔL1,ΔL2, ΔL3…ΔLi….
这样一来,根据ΔLi的大小,我们可把ΔLi波动比较小的设为一个时段, 把ΔLi比较大的而且随后的Li连续比较平稳的或随后的ΔLi又波动比较小的设为另一个时段.如此类推,即可得到一天当中的时段数.有了时段划分后,我们就可以把每个时段内的绿灯时长取平均,这样就得到了绿灯时间长度,进而得到该时段的配时方案.
2） 公式法:
先设置原始数据:每相位所含车道的饱和交通总流量:
W1,W2,….Wi,…..
                那么,现在某相位所含车道的交通总流量Qi,则每相位的绿灯时
长Ti::
Ti=Timax＊Qi/Wi, 其中Timax为该相位的zui大绿灯时间.

上述的两种方法都是”自学习法”,以历史的交通流量所得出的绿灯时长,推算出下面执行的配时方案绿灯时长.
3、 感应控制的基本策略:
       1）   半感应控制：
半感应控制主要应用于主次分明的两相位交叉路口，其主相位的车流，是行驶于主干道的车辆行成，特点是主相位车流量比次相位的车流量多4至五倍。
在这种情况下，只要在次相位的车道上安装车辆检测器即可。一般来说，此车辆检测器安装在车道3、4上，离路口停车线的上游距离为10-20米。
控制时，主相位的绿灯时间x1与次相位的zui小绿灯时间y0zui大绿灯时间y1及延时步长△，可以设定。
情况一：在运行主相位的绿灯时间x1，当还有绿灯剩余3秒时，读次相位的被阻车辆数，如果次相位上没有车辆，那么，主相位的绿灯时间就会自动再运行20秒，如此循环、直至主相位的绿灯时间累计连续运行已达到x0+80秒时，才会不管次相位有没有车辆，也要给次相位一个zui小的绿灯起步时间，即y0秒。
情况二：在运行主相位的绿灯时，1、在执行起步时间x1秒阶段，当还有绿灯剩余3秒时，读次相位的被阻车辆数，如果次相位上有车辆，那么，主相位在运行完本次绿灯后，就转到次相位，给次相位一个zui小的绿灯起步时间，即y0秒。2、主相位已经执行了起步x1秒，当执行增加的20秒时，读次相位的被阻车辆数，如果次相位上有车辆，那么，主相位就马上结束，转到次相位，给次相位一个zui小的绿灯起步时间，即y0秒。
在次相位的绿灯剩余时间小于3秒时，看车辆检测器是否检测到还有车辆进入，如果没有，那么，在运行完剩余的绿灯时间后，就转到执行主相位的绿灯。如果还有车辆进入，那么，在此基础上，次要相位的绿灯时间再以步长△秒的时间延长，如此循环、直到次要相位的绿灯总时间达到zui大绿灯时间y1秒，这时，即使还有车辆进入，也要转到执行主相位的绿灯。
2）、 全感应控制：
   全感应控制，主要用于交通饱和度小于80%的路口。其特点是，主次相位交叉，相差并不是很明显。这样一来，需要在每个车道上，安装车辆检测器，用于检测车辆通行情况。此车辆检测器，安装于离路口停车线的上游距离为30米。
   控制时，各相位的基本绿灯时间根据其所含各车道上的被阻车辆数字和，先定一个起步时间X0：0-5辆时，X0为5秒；6-10辆时，X0为10秒；11-15辆时，X0为15秒；16-20辆时，X0为20秒；大于20辆时，X0为25秒。在本相位运行到绿灯剩余时间小于3秒时，再看本相位所含的车道上，有没有新的车辆进入。如果没有，那么，在运行完本相位剩余的绿灯时间后，就转到执行下一个相位的绿灯。如果还有车辆进入，那么，在此基础上，本相位的绿灯时间就再以步长△秒的时间延长，如此循环、直到本相位的绿灯总时间达到zui大绿灯时间，这时，即使还有车辆进入，也要转到执行下一相位的绿灯.