智能網(wǎng)聯(lián)試驗場環(huán)島智慧管控策略應(yīng)用研究

潘新福　歐陽濤

摘 要：文章通過分析智能網(wǎng)聯(lián)試驗場環(huán)島測試場景車輛到達模型，研究了環(huán)島信號控制的三種模式，建立了智慧管控策略信號配時模型，運用目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)解的方法，得出單一信號控制、左轉(zhuǎn)兩部信號控制及左拐獨立信號控制環(huán)島的通行能力。研究結(jié)果表明，在車流量較大時，左轉(zhuǎn)兩部信號控制及左拐獨立信號控制的配時方案能夠顯著解決環(huán)島擁堵問題，證明了環(huán)形交叉口信號控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：智慧管控 環(huán)島 控制模式 信號配時

1 前言

在智能網(wǎng)聯(lián)試驗場中，我們需要對交叉口進行信號控制，以提高交叉口的通行能力。在信號控制環(huán)形交叉口中，實現(xiàn)了通過實時的交通流量數(shù)據(jù)，結(jié)合信號配時方案來分配入環(huán)和環(huán)內(nèi)車輛的通行權(quán)，使得不同流向的車流按照時間次序有序通過交叉口，提高通行能力。交通工程的實踐結(jié)果表明，相較于普通環(huán)形交叉口，對環(huán)形交叉口實施信號控制可以提高交叉口的通行能力。

因此，通過合理的信號配時方案，優(yōu)化信號控制環(huán)形交叉口，以實現(xiàn)更好的通行能力。這種改進是為了確保交叉口的通行能力能夠更好地適應(yīng)交通需求的持續(xù)增長。

2 試驗場交通運行組織環(huán)島車輛到達模型

根據(jù)車輛在環(huán)形交叉口運行的特點，可以分析交通流的三個主要方面：車輛到達特性、車輛離去特性及交叉口轉(zhuǎn)向的車輛排隊特性。

2.1 車輛到達特性

到達特性是車輛到達交叉口的離散性分布規(guī)律，常用來描述車輛到達的是泊松分布、二項分布以及負二項分布[1]。

2.2 車輛離去特性

車輛離去特性是車輛獲得通行權(quán)后離開交叉口入口的特性。車輛在一個綠燈周期內(nèi)進入路口的等待時間如圖1所示。

從綠燈相位開始，車輛駛?cè)氕h(huán)形交叉口的速度會逐漸增長，導(dǎo)致一段時間內(nèi)的損失，稱為綠初損失時間。

2.3 交叉口轉(zhuǎn)向的車輛排隊特性

環(huán)島交通流駛向各方向的特性如圖2所示。

不同轉(zhuǎn)向的車流在環(huán)形交叉口進行合流，通常情況下，右轉(zhuǎn)的車在外車道，直行以及左轉(zhuǎn)的車在中間車道或內(nèi)車道繞行。當(dāng)環(huán)形交叉口擁擠時，右轉(zhuǎn)車輛有最高的通行權(quán)，直行和左轉(zhuǎn)車輛排隊等待。

3 環(huán)島信號控制模式

環(huán)形交叉口的信號控制有多種類型，例如單一信號控制、左轉(zhuǎn)兩步信號控制以及左拐獨立控制。在不同的車流量下，選擇不同的控制類型。

3.1 單一信號控制

它通過一個信號燈來指示車輛何時進入環(huán)形交叉口。單一信號控制環(huán)形交叉口可以提供交通流量的有序控制，減少交通擁堵和事故的發(fā)生。它需要駕駛員遵守信號燈指示，合理安排行駛順序，確保交通的安全和順暢[2]。

其重要的優(yōu)點就是可以基本適配任何數(shù)量的交叉口。標(biāo)準(zhǔn)環(huán)島信號燈布置如圖3所示。通過各入口輪流通行以及協(xié)調(diào)控制的方式進行控制。

（1）各入口輪流放行

各入口輪流通行是各入口按照特定的順序獲得通行權(quán)。

（2）各入口協(xié)調(diào)控制

在各入口協(xié)調(diào)控制模式下，可對相互影響較小的入口同時放行，控制方式的相位圖如圖4所示。

單一信號控制方式并非適合應(yīng)用于所有環(huán)形交叉口，需要考慮場地面積以及交叉口交通量的要求。

3.2 左轉(zhuǎn)兩步信號控制

左轉(zhuǎn)兩步信號控制方法在環(huán)形交叉口的布置形式如圖5所示[3]。在左轉(zhuǎn)兩步信號控制中，左轉(zhuǎn)車流被分配獨立的相位通行時間，這使得左轉(zhuǎn)車輛可以單獨進行左轉(zhuǎn)而不與其他車輛發(fā)生沖突。因此，左轉(zhuǎn)兩步信號控制通常只適用于四入口的環(huán)形交叉口。

3.3 左拐獨立信號控制

左拐獨立信號控制方式下，布置環(huán)形交叉口的形式如圖6所示。左轉(zhuǎn)車輛不需要繞行環(huán)島，而是直接從中心島路緣石處左轉(zhuǎn)，所以其僅僅在四個入口的交叉口可以使用[4]。

車輛需要擁有較大的轉(zhuǎn)彎半徑才能沿著環(huán)形交叉口中心島左轉(zhuǎn)，從而駛出環(huán)形交叉口。因此，為了有效放行左轉(zhuǎn)車輛，中心島的半徑應(yīng)適度控制，不能過大。這種控制方式適合應(yīng)用在交叉口通行車輛較多時，在設(shè)置信號燈綠燈時長時，應(yīng)充分考慮左轉(zhuǎn)交通量，以保障左轉(zhuǎn)車輛能夠迅速通過交叉口[5]。

4 環(huán)形交叉口信號配時模型建立

4.1 單一信號控制環(huán)形交叉口信號配時模型

根據(jù)信號時長特征設(shè)置約束如下：

（1）周期時長約束

在環(huán)形交叉口中，當(dāng)采用各方向依次放行時，一個周期內(nèi)的綠燈時長和黃燈時長之和，如式1所示。

（2）黃燈時間作為約束條件

一般情況下，駕駛員在通過交叉口的黃燈時長計算包括駕駛員的反應(yīng)時間和制動時間[6]。黃燈信號周期計算如式2所示。

（3）綠燈時間作為約束條件

每一個信號周期內(nèi)需保證每一入口都具有放行時間，所以每個周期內(nèi)的綠燈時長應(yīng)大于零小于信號周期，如式3所示。

（4）紅燈時間作為約束條件

交叉口信號燈相位配時中，紅燈時長應(yīng)小于信號周期。特殊情況下，某一路口需要時刻放行，可將紅燈信號時長設(shè)為零，所以紅燈時間約束如式4所示。

4.2 環(huán)島車輛左轉(zhuǎn)兩步控制信號配時模型

環(huán)島車輛左轉(zhuǎn)兩步控制信號配時模型目標(biāo)函數(shù)如式5所示。

在標(biāo)準(zhǔn)的四路口環(huán)形交叉口中，通常采用左轉(zhuǎn)兩步信號控制模式，意味著車輛在通過環(huán)形交叉口時，需要經(jīng)歷兩次信號燈控制。這樣規(guī)劃的目的是為了區(qū)分直行車輛和左轉(zhuǎn)車輛之間的沖突。由于車輛需要受到多次信號控制，需要在環(huán)形交叉口內(nèi)設(shè)置更加明顯的道路渠化和標(biāo)志標(biāo)牌。為了達到這種控制效果，每個信號控制點都需要設(shè)置信號燈來指示各個車道的行駛狀態(tài)。這些信號燈之間需要協(xié)同控制以實現(xiàn)各個車道車輛的分離[7]。信號燈布置位置及信號燈編號如圖7所示。

為了保證環(huán)形交叉口交通流有序通行，各入口信號燈需要協(xié)同控制。在標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)形交叉口中，通常采用左轉(zhuǎn)兩步信號控制配時方案。在實際環(huán)形交叉口設(shè)置信號燈配時方案時，需要根據(jù)實際情況對信號燈進行精確配時。

4.3 左拐獨立信號控制環(huán)島信號配時模型

左拐獨立信號控制環(huán)形交叉口的信號燈配時方案目標(biāo)函數(shù)和左轉(zhuǎn)兩步信號控制目標(biāo)函數(shù)相同。左拐獨立控制要求車輛沿中心島直接左轉(zhuǎn)，而不是沿中心島繞行。由于左拐車輛的特殊性，存在其它路口全紅時間段，使得后來的車輛和其它入口的車輛在沒有沖突的情況下進入環(huán)島。左拐獨立控制交叉口信號燈編號如圖8所示。

（1）周期時長約束

左拐獨立信號控制相鄰兩個相位車輛行駛方向不同，存在交織情況。所以在其它路口全紅時間段內(nèi)，清除環(huán)島車輛。左拐單獨控制信號周期計算公式與其它方式不同，其周期約束條件如式6所示。

（2）綠燈信號時長約束

在進行信號燈相位配時中，需保證每個相位綠燈時長大于零，如式7所示。

（3）紅燈信號時長約束

因為左拐獨立信號控制配時方案存在其它路口全紅時間段，全紅時間段一共有四個部分。第一部分是相位一和相位二之間的全紅時間段，這段時間內(nèi)，環(huán)形交叉口的所有車輛都停止通行。在最后綠燈周期內(nèi)進入環(huán)形交叉口的車輛需要繞環(huán)島半周，需要一定的時間。第一部分全紅時間的計算如式8所示。

第二部分為相位二與相位三之間的全紅時間段，是最后駛?cè)氕h(huán)形交叉口的車輛沿中心島左轉(zhuǎn)一直到駛離環(huán)形交叉口的時間，該段全紅時間計算如式9所示。

同樣，第三部分全紅時間段與第一部分全紅時間段相同，第四部分全紅時間段與第二部分全紅時間段相同。

每個信號配時相位中紅燈時間應(yīng)小于信號周期，所以紅燈時長約束如式10所示。

5 模型求解方法

MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于數(shù)據(jù)分析、無線通信、深度學(xué)習(xí)、圖像處理與計算機視覺、信號處理，控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。

在研究中，可以將環(huán)島通行能力計算轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型中求目標(biāo)函數(shù)最小值問題，通過調(diào)用MATLAB中的fmincon函數(shù)進行求解。這種方法通常能夠更有效地解決復(fù)雜的優(yōu)化問題[8]。

求解約束條件下的目標(biāo)函數(shù)最值，fmincon函數(shù)的基本語法如下：

x=fmincon（fun，x0，A，b，Aeq，beq，lb，ub，nonlcon，options）

其中，x， b， beq， lb，和ub為線性不等式約束的上、下界向量，x0為初始解的猜想，A和Aeq為線性不等式約束和等式約束的系數(shù)矩陣，fun為目標(biāo)函數(shù)，nonlcon為非線性約束函數(shù)。

6 結(jié)論

在SUMO中運行仿真程序，如圖9所示。

仿真結(jié)果顯示，在未安裝信號控制設(shè)備之前，其通行能力為3030pcu/h。在采用左拐獨立信號控制和左拐兩步信號控制的信號燈配時技術(shù)方案后，相比沒有安裝信號燈時通行能力提高了21%和25%。簡單來講，在環(huán)島交叉路口采用左拐兩步信號燈配時方案在解決該交叉口擁堵問題上表現(xiàn)出較好的效果，提高了通行能力。

結(jié)果表明采用信號控制策略，特別是左轉(zhuǎn)兩步信號控制和左拐獨立信號控制的有效性。這種信號控制策略有望改善交叉口的交通流，減輕擁堵狀況，提高通行效率，證明了環(huán)形交叉口信號控制策略的有效性。

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