多源數據融合的信號控制策略在瓶頸路段的應用研究

徐 強，肖延成，劉建華

(1.徐州市公安局交通警察支隊，江蘇 徐州 221006；2.連云港杰瑞電子有限公司，江蘇 連云港 222006)

0 引 言

隨著城市機動車保有量的增長，城市交通擁堵問題日益嚴重，而治理好城市道路交通的薄弱環節“瓶頸路段”往往是緩解交通擁堵問題的關鍵舉措。瓶頸路段往往會造成上下游路口“鎖死”現象，給交通出行者帶來諸多不便，也對交通安全造成極大影響。公安部的“兩化”文件明確指出城市道路交通信號控制系統智能化建設標準，要求規范現有路口信號燈，使其符合建設標準及自動化程度要求。隨著城市智能交通的不斷發展，許多先進的車輛檢測設備應運而生，信號控制策略及模型也在相應地調整。以往由于缺乏相關數據，道路交叉口大多采用分時段定周期的信號控制模式，這樣就會存在大量的路口紅綠燈空放空待、多次停車等通行效率過低等現象。解決瓶頸路段難題關鍵在于科學地對瓶頸路段相關路口信號參數進行優化。

趙瑩瑩[1]分析了交通瓶頸產生的機理，根據不同的交通流狀態提出了3種瓶頸控制的方法，分別是需求控制、供給控制和協調控制，并列出了各自方法的適用條件。Sun等[2]以孤立的瓶頸交叉口和其上下游交叉口為研究對象，排隊長度為優化目標，提出了一種適用于瓶頸控制的實時優化方法。馬東方等[3]采用線圈檢測器獲取車輛占有率數據，闡述滾動時間占有率的基本概念和統計方法，明確了不同檢測器的布設位置，瓶頸控制的瓶頸觸發與消散的條件閾值。龔成宇[4]以瓶頸路口上游區域為研究對象，以在特定的時間內消散瓶頸路段排隊車輛為控制目標，提出了基于下游斷面數據的瓶頸路段方法和基于OD數據多點聯動瓶頸控制算法。郭亞娟[5]提出了基于社團發現的交通瓶頸預警區域動態識別方法和交通瓶頸邊界協同控制策略，解決不同擁堵狀態下的交通瓶頸優化控制和路網均衡問題。

以徐州云龍山隧道東入口瓶頸路段及其關聯路口為研究對象，通過對多種檢測設備獲取的多源數據進行分析，綜合應用信號控制相關模型，對瓶頸路段關聯路口現有信號配時方案進行調整，兼顧主車流協調，解決流量變化時固定配時與流量不匹配問題和東向西流量溢出問題。

1 信號控制策略設計

1.1 感應控制

感應控制是指在需要實時動態檢測車流量信息的車道布設檢測設備，車輛放行時滿足其最小放行時間，若后續車輛間的車頭時距超過設定的檢測區間，終止該車流放行，否則允許繼續放行至最大綠燈時間，感應控制沒有固定周期長度。通常感應控制策略可較好地處理配時與流量實時動態匹配問題。感應控制的工作原理如圖1所示。圖中Gmin為初期綠燈時間，G0為單位綠燈延長時間，Gmax表示綠燈極限延長時間。

圖1 感應控制工作原理

1.2 協調控制

協調控制通常是指干線協調控制，又稱綠波帶。協調控制是通過設計公共周期、協調相位綠信比、協調相位開啟或結束時間差，使得干線方向車流在某一速度區間駕駛時可以連續通過若干交叉口。常規的主車流協調通常采用干線協調控制技術，圖2為干線協調控制時距圖。在時距圖上畫兩條平行的車輛行駛軌跡線，并盡可能使兩根軌跡分別位于靠近各交叉口該信號綠燈時間的開始點和結束點，這兩條軌跡線之間的空間就是通過帶。相位差是指在協調控制中，協調交叉口與指定的參照交叉口相位或周期的起始時間之差。通過帶速度簡稱帶速，是指車輛通過各交叉口的平均行駛速度，是通過帶直線斜率的倒數。通過帶的帶寬，簡稱帶寬，是指可供車輛在綠波帶之間通過交叉口的時間。

圖2 干線協調控制時距圖

1.3 瓶頸控制

瓶頸控制又稱擁堵控制，是指當下游車輛因為各種原因即將積壓至當前路口時，為防止該路口出現繼續放行綠燈出現溢出現象，而采用減少關聯相位放行時間的策略，甚至嚴重時可禁止關聯相位的車輛放行。

瓶頸控制多發生在高峰時段，瓶頸控制的觸發條件是根據溢出檢測器獲取的車輛排隊時的滾動時間占有率決定的。其中，滾動時間占有率的計算原理如圖3所示。

圖3 滾動時間占有率計算原理

其中，h為特定的時間間隔。當溢出檢測器檢測到脈沖的時間占有率超過閾值0.6時，則在檢測器位置可能存在排隊現象；若某一時刻時間占有率等于1或者連續5個滾動時間的占有率均超過0.6，則表示在檢測器位置存在排隊車輛。一般認為車輛的行駛速度低于5 km/h時即處于排隊狀態，通常h取值區間為5～15 s。

瓶頸控制的狀態解除條件是連續5個滾動時間占有率均小于閾值0.6時，認定此時從擁堵狀態過渡至常規狀態，此時，控制方式切換至正常運行模式。

2 車輛信息采集設計

2.1 檢測器數據類型

檢測器數據類型按統計頻次進行分類，可將檢測器數據分為3種，分別是脈沖數據、統計數據和狀態數據。脈沖數據是指車輛駛入、駛離的瞬間相應的狀態變化數據；統計數據是指按照統計周期(通常為60 s)，采集車流量、平均占有率、平均速度、車頭時距等信息；狀態數據是指觸發定義的狀態時回傳的指定信息。

2.2 檢測器設備類型

常見的機動車交通檢測設備有線圈檢測器、地磁檢測器、視頻檢測器、雷達等。

(1)線圈檢測器。

線圈檢測器是傳統的車輛檢測器，工作原理是在道路上埋設感應線圈，當車輛通過感應線圈時，由于線圈電感量的變化，車輛的通過狀態就可以被檢測到，同時將其狀態信號輸出。

(2)地磁檢測器。

地磁檢測器的工作原理是車輛本身的鐵磁物質會使車輛存在區域的地磁磁力線發生彎曲，檢測器內置傳感器能夠靈敏感知到信號的變化，經過一定的信號分析處理，即可獲得車輛相關信息。

(3)視頻檢測器。

視頻檢測器的工作原理是通過視頻攝像機作為前端傳感器，通過在攝像機采集視頻圖像上設置檢測區域，當車輛進入虛擬檢測區時使圖像背景灰度值發生變化，經過圖像處理對車輛進行識別，以此檢測車輛的流量和速度等。

3 實例應用

3.1 現狀分析

本文旨在解決徐州云龍山隧道交通瓶頸問題，降低隧道口擁堵程度。徐州云龍山隧道全長825 m，其中隧道內道路分為上下兩層，下層為全封閉式雙向快車道，上層為人行道和慢車道。該隧道使云龍湖與彭園、淮塔等風景區的距離縮短一半以上，且溝通銜接二環南路，對緩解徐州市南區的交通壓力起重要作用，隧道路網拓撲如圖4所示，隧道所在道路為蘇堤路，東口與泰山路相交，呈無東T型，東側為動物園；西口與中山路相交，呈十字，南北側為進出景區要道，每天的交通總量在5萬輛上下。云龍山隧道存在以下問題。

(1)在平峰時段，隧道東西路口的固定配時無法滿足動態變化的車流需求，易出現支路空放空待或主路多次停車現象。

(2)在高峰時段，隧道東口向隧道西口的車輛會迅猛增加，車輛會短時迅速積壓在隧道內，甚至溢出到隧道東口路口。

圖4 隧道路網拓撲圖

3.2 信號控制策略選擇

為解決云龍山隧道瓶頸路段問題，提出了一種既能滿足主路協調效果，又能滿足支路通行需求，同時還能在觸發溢出信號時，可執行瓶頸策略的綜合控制思路，并定制設計了“感應”、“協調”、“瓶頸”相容的綜合控制策略，即感應+協調+瓶頸信號控制策略。具體來說，當不觸發瓶頸控制時，采用“感應+協調”控制策略，感應協調控制的流程圖如圖5所示。

圖5 感應協調控制

當信號機檢測出口車流發生溢出時，減少進入改出口車流綠燈時間，甚至禁止各方向機動車進入。信號機根據預設的溢出占有率閾值判定是否啟用溢出控制，進而采用上游最小綠燈限流(或者禁流)，下游小步距動態調節通行能力的方式來消除瓶頸，最終均衡路網負荷。溢出檢測器位置如圖6所示。

圖6 溢出檢測器位置

當觸發溢出檢測器時，采用“感應+協調+瓶頸”信號控制策略，繼續進行感應協調控制，并與瓶頸控制聯動，減少進入該出口的綠燈時間，甚至禁止各方向機動車進入。合理優化云龍山隧道信號控制方案，有效緩解云龍山隧道出口的交通擁堵狀況。

3.3 數據分析

采用地磁檢測器與視頻檢測器獲取車輛信息，車輛檢測器采集的車輛流量數據以1 min為統計時間間隔，可獲取隧道東西路口的流量圖，圖7和圖8分別表示隧道東口(蘇堤路與泰山路交叉口)和隧道西口(蘇堤路與中山路交叉口)的車輛流量圖。

圖7 隧道東口日流量圖

圖8 隧道西口日流量圖

通過獲取的流量數據，對現有的隧道東口運行方案進行優化，包括綠信比優化和周期優化等，隧道東口的信號原運行方案及優化后方案結果如表1所示。

表1 運行方案對比 s

3.4 運行效果

采用地磁與視頻兩種不同檢測技術，針對性地選擇不同的檢測數據即多源數據，實現支路“感應”、主路“協調”及溢出瓶頸控制的綜合信號控制，在滿足支路通行需求的同時，將原先易空放的時間極大地轉移至主車流相位，使得主車流相位能夠較早地消散排隊車輛，讓后續新增車輛能夠以較大的綠波帶寬通行，減少停車幾率，提高道路順暢度及出行滿意度，并且當溢出檢測器觸發瓶頸控制時，隧道東口的瓶頸處理機制啟用，關聯相位將以限流、禁入的方式處理，避免隧道東口溢出，提高道路安全。主路車輛到達情況如圖9所示，支路的道路飽和度如圖10所示。

圖9 支路飽和度示意圖

圖10 支路飽和度示意圖

由圖9和圖10可知，支路的飽和度多在0.75～0.9之間，滿足其基本的放行要求，而干路車輛到達多集中在綠波帶中，減少了停車次數，提高了干路的通行能力，緩解了瓶頸路段的交通壓力。

4 結 論

采用多源數據綜合檢測的方式，將隧道東口路段的溢出狀態及隧道東西口路口的過車狀態實時檢測識別，同時針對不同數據類型設計具有一定推廣意義的“感應+協調+瓶頸”綜合信號控制算法，有效的調節支路配時，滿足其基本的放行需求，將富余的配時較好地轉移至主路，給予主路車流前補償效益，讓其提前啟動消散排隊車輛，使得更多的車流能夠納入到動態增加的綠波帶寬中，減少車流停車幾率，提高道路通暢程度，提高出行滿意度。同時準確可靠的溢出檢測機制支撐了秒級擁堵識別，嚴防隧道東口車流溢出，確保道路安全暢通。較好地解決了云龍山隧道東西口不同時段支路空放或不夠、主路協調效果打折、溢出路口紊亂的問題。