組控式交通信號系統(tǒng)研究

常欣然 金峻臣

摘 要：近十幾年來，國內(nèi)的信號相位顯示方式主要以經(jīng)典的階段式為主，而組控式交通信號控制系統(tǒng)逐漸在歐美國家興起。文章主要介紹了幾種不同的信號控制方式，著重對組控式信號進行研究和分析。近年來研究表明，與階段控制信號相比，組控式信號控制在許多方面有更多優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：信號控制；相位；組控式；階段式

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.123

0 引言

隨著城市化進程、人口增長和經(jīng)濟發(fā)展，交通擁擠問題日益嚴重并且難以解決。車輛在擁堵情況下將消耗更多的燃料，排放出更多的空氣污染物，對大氣環(huán)境造成嚴重的影響。交叉口作為交通路網(wǎng)中重要的組成部分，對交通流運行的流暢度和安全性都起著決定性的作用。解決城市交叉口擁堵的關(guān)鍵在于對城市交通信號系統(tǒng)的控制與優(yōu)化。

1 交通信號的分類

交通信號在城市中的交通運行中是最有效也是應(yīng)用最廣泛的交通工具之一，按其運行方式可分為單點信號系統(tǒng)（又稱點控）和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。在點控系統(tǒng)中，信號控制器對于一個周期內(nèi)的配時不受其他交叉口影響，而在協(xié)調(diào)系統(tǒng)中，信號配時與其他相鄰交叉口的信號參數(shù)有關(guān)。協(xié)調(diào)系統(tǒng)的目的是為了使車輛在不停車的情況下，連續(xù)通過相鄰的交叉口，從而減少延誤時間。

交通信號的控制方案大體分為兩部分，即信號定時和信號相位。根據(jù)相位時間分配的方法，交通控制可分為定時（FT）控制、車輛驅(qū)動（VA）控制（又稱感應(yīng)控制）和自適應(yīng)系統(tǒng)（AS）控制。其中，定時控制是信號燈按照事先設(shè)定的配時方案運行，是最簡單的控制方案，適用于交通量不大，變化較為穩(wěn)定、相鄰路口較遠的交叉口。感應(yīng)控制是在交叉口進口道上設(shè)置車輛檢測器，交通信號燈配時方案由計算機或智能化信號控制機計算，可隨檢測器檢測到的車流信息而隨時改變的一種控制方式，相比之下，感應(yīng)控制系統(tǒng)中的信號定時可以適應(yīng)交通需求的變化。單點感應(yīng)控制隨檢測器設(shè)置方式的不同可分為半感應(yīng)控制和全感應(yīng)控制。自適應(yīng)系統(tǒng)控制把交通系統(tǒng)作為一個不確定系統(tǒng)，能夠連續(xù)測量其狀態(tài)，如車流量、停車次數(shù)、延誤時間、排隊長度等，逐漸了解和掌握對象，把他們與理想的動態(tài)特性進行比較，并利用差值以改變系統(tǒng)的可調(diào)參數(shù)或產(chǎn)生一個控制，從而保證不論環(huán)境如何變化，均可使控制效果達到最優(yōu)或次優(yōu)控制的一種控制方式。

信號相位控制有兩種不同的方法：基于階段的控制即階段式和基于組的控制即組控式。在階段式控制系統(tǒng)中，多組兼容的轉(zhuǎn)向組合成一個階段，以多組轉(zhuǎn)向組成的階段為研究單位，分配信號參數(shù)。而在組控式相位控制中，是以每個轉(zhuǎn)向為對象直接分配交通參數(shù)，如綠燈時間/紅燈時間等。

2 組控式信號與階段式信號

在階段式控制系統(tǒng)中，多組兼容的轉(zhuǎn)向組合成一個階段，以多組轉(zhuǎn)向組成的階段為研究單位，分配信號參數(shù)。在組控式相位控制中，是以每個轉(zhuǎn)向為對象直接分配交通參數(shù)，如綠燈時間/紅燈時間等。如圖1所示，沖突矩陣中的陰影部分表示兩組轉(zhuǎn)向有沖突，而空白部分表示兩組轉(zhuǎn)向是兼容的，可以形成一個階段，共享綠燈時間。如西向東的直行、右轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)向組1）與東向西的直行、右轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)向組5）以及西向東的左轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)向組6）是兼容的轉(zhuǎn)向，也就是說轉(zhuǎn)向組1可以分別和轉(zhuǎn)向組5、6組成一個階段，共享綠燈時長。

圖2展示了基于組的控制是如何針對各種交通需求提供靈活的分階段結(jié)構(gòu)，同時與階段式信號控制的信號顯示進行了比較。在圖2中，在西向東和南向北的道路上，交叉口的需求要大得多（用紅色箭頭線粗線條表示）。組控式信號一般與自適應(yīng)系統(tǒng)相結(jié)合，因此可以根據(jù)交通量需求的變化調(diào)整綠燈時間。如圖2中A部分所示，多組兼容轉(zhuǎn)向車流逐步運行，根據(jù)綠燈時間的邊界位置決定周期內(nèi)信號燈的相位的顯示。圖2B是與之對應(yīng)的階段式信號的相位顯示方式，與交通流量圖結(jié)合，東向西與北向南的轉(zhuǎn)向?qū)a(chǎn)生綠燈時長溢出的情況。

有研究表明，與階段式信號相比，組控式信號的信號相位時長分配更加靈活，因此使得交叉口的通行更加高效。在階段式信號中，多組兼容的轉(zhuǎn)向被組合到一起，需要以交通流量較大的轉(zhuǎn)向作為分配綠燈市場的參數(shù)，這時的綠燈時長對于交通量較小的幾個轉(zhuǎn)向可能已經(jīng)溢出，由此造成了交叉口通行效率的降低。

3 組控式信號控制的優(yōu)點

（1）提高交叉口的高效性。與自適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)合，根據(jù)交叉口的實時轉(zhuǎn)向量分配給各轉(zhuǎn)向綠燈時長，防止某些轉(zhuǎn)向綠燈時長溢出，充分且高效的利用一個周期內(nèi)的綠燈時間。

（2）提高道路通行的安全性。傳統(tǒng)的階段式信號，在一個相位中會有沖突車流同時通行的情況發(fā)生，使得交叉口通行混亂，容易發(fā)生交通事故。相比于階段式信號，組控式信號中每一組通過信號的轉(zhuǎn)向都是完全不沖突的車流，因此能降低因車流交織產(chǎn)生沖突的幾率，提高道路通行的安全性。

（3）節(jié)約能源，降低污染。有研究表明，車輛在起步和剎車時，油耗比正常行駛增加20%以上，且由于汽油燃燒不完全，尾氣排放也顯著增加。組控式信號使汽車的通行更加順暢，有效減少車輛的起停次數(shù)，從而達到節(jié)約能源，減少尾氣排放污染的效果。

4 結(jié)語

本文通過對信號的控制方案和相位顯示方式進行介紹，對傳統(tǒng)的階段式信號相位控制和組控式的信號相位控制進行介紹和比較。組控式相位系統(tǒng)與自適應(yīng)系統(tǒng)結(jié)合能夠提高交叉口的通行效率及安全性。目前，歐美地區(qū)對組控式信號顯示的應(yīng)用較為廣泛，技術(shù)上相對比較成熟，國內(nèi)可引入組控式信號系統(tǒng)，以緩解交叉口的擁堵現(xiàn)象。

參考文獻：

[1]K.Tang and H.Nakamura，“Investigating operational benefits of group-based signal control in japan through a stochastic approach，”International Journal of Intelligent Transportation Systems Research，vol.9，no.2，pp.71-81，2011.