单点自适应控制的配时方法研究

摘 要：针对交通饱和期间车辆滞留的问题，提出了一种信号机单点自适应控制的配时方法。考虑到道路车辆密度、流量检测方法等因素对交通流量的影响，改进了交通流量检测方法，并对实时检测的交通流量进行补偿修正，同时结合F-B配时方法，对周期时长和绿信时间进行优化，从而加快滞留车辆的消散速度，有效地缓解车辆滞留情况。

关键词：交通流； 自适应； 周期时长； 绿信时间

中图分类号：TN911-34

文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2011)09-0197-03

Study on Self-adaptive Signal-timing Method of Single Intersection

ZHENG Xiao-hui,LIU Da-mao,SUN Xu-fei

(College of Physics & Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou 350108,China)

Abstract： As for the retention problem of stranded vehicles during the traffic saturation,a method of self-adaptive signal-timing control for a single intersection is proposed to reduce the vehicle-retention and improve the intersection utilization efficiency. Considering the influence of vehicle density and traffic flow detection method on the traffic flow,the method of traffic flow detection was improved,the magnitude of traffic flow obtained by real-time detection was compensated,and the cycle time length and green time were optimized in combination with the F-B time allocation method. With the method,the dissipation speed of stranded vehicles is accelerated and the vehicle-retention is reduced.

Keywords： traffic flow; adaptive control; cycle time; green time

0 引 言

随着经济的发展，机动车日益普及，我国的大中型城市，交通拥挤的现象越来越严重，甚至威胁到城市交通系统及社会经济的发展。经验表明［1］，缓解交通拥挤，提高道路通行能力的最有效方法就是提高交通控制能力和管理水平。交通信号控制的技术关键在于信号配时方法。对于单个交叉口，信号配时的主要内容是周期时长和绿信时长。

本文以减少滞留车辆为出发点，分析了交通密度和交通流量检测方法对信号配时的影响，提出了一种信号机单点自适应控制的配时方法。该方法能够根据检测器测量数据实时调整信号配时方案，从而有效地减少车辆滞留，提高交叉口通行效率。

1 常用交叉口配时方法

目前，常用的信号配时方法在国际上主要有英国的TRRL法、澳大利亚的ARRB法以及美国的HCM法等。我国有“停车线法”和“冲突法”等。其中，TRRL法和AARB法都是在F•Webster-B•Cobber提出理论和方法(简称F-B法)的基础上进行的进一步修正和补充。

F-B法理论的基本点是车辆通过交叉口时，以其受阻延误时间作为惟一的衡量指标，然后对信号配时方案进行优选。韦伯斯特通过蒙特卡罗模拟法对随机延误和平均延误进行标定，得到了较为精确的延误时间计算公式 ［2-3］:

d=C(1－λ)22(1－λX)+X22q(1－X)－0.65Cq213X(2+5λ)

(1)

式中：d表示车辆平均延误(单位：s)；C表示信号周期时长(单位：s)；λ表示绿信比；q表示流量(单位：辆/h)；X表示饱和度。

为了得到使交叉口总延误达到最小的最佳周期时长，将总延误D对C求偏导(D=∑qidi)，并令偏导数为零，即dD/dC=0，可得到最佳周期时长［3-4］：

C0=1.5L+51－Y

(2)

式中：C0表示最佳信号周期时长(单位：s)；L表示每个周期总的损失时间(单位：s)；Y表示交叉口总的交通流量比。

与信号周期时长的确定一样，各相位之间，绿信时长的分配也是以车辆阻滞延误最少为原则。按照这一原则，绿信比应该与相位的交通流量比大致成正比，因此可以推出每一相位的绿信时长［4］：

gi=yiY(C0－L)

(3)

根据式(2)和(3)交通配时的主要参数，周期时长和绿信时间即可确定。

2 交通量对F-B精确度的影响

F-B法所推演的是一个理想模型，它表示在确知一段时间内的交通流量时，可以根据该模型进行信号配时，使得上一个周期内到达路口的车辆，总能在下一周期的绿信时间内通过路口。因此如何确定准确的交通流量是影响F-B法配时的一个关键性问题。

2.1 交通量与密度的关系

在道路上行车常会有一种体会，当道路上车辆较少(即交通密度小)时，车速较高，畅行无阻；当道路上的车辆增加(即交通密度增大)时，驾驶员被迫降低车速；当交通达到拥挤状态时，车速更加降低，直至处于停滞状态。根据格林希尔兹模型及基本关系，得到流量-密度的关系式［4］：

q=vsk=kvf1－kkj

(4)

式中：vf表示自由流速度；kj表示堵塞密度。

式(4)是二次函数关系，可用一条抛物线表示，如图1所示。曲线C点的交通量达到最大值，对应的交通密度为最佳密度km；从C点起，交通密度增加，速度下降，交通量减少，直到阻塞密度kj，速度等于零，交通量等于零。

图1 交通流与密度的关系

从图1就可以明显地看出，对于相同的交通量存在两种情况：

(1) 交通闲散时，该状态的特点是速度快，密度小，交通量小，对绿信时间需求小；

(2) 交通过饱和时，该状态的特点是速度慢，密度大，交通量小，对绿信时间需求大。

倘若对于同样交通量的两种交通情况采用相同的信号配时方案，在饱和状态下的配时结果必然不满通流量对绿灯时间的需求，就会造成车辆滞留。而滞留车辆若不及时处理，则被滞留的车辆队伍不断增加，将导致交通阻塞。显然，仅按实测的交通量进行F-B计算配时，只适用于交通闲散期，而过饱和时，需要加快消散路口的饱和车流，其绿信时间需求量显然更大，这种方法就不适用了。

2.2 交通量的检测方法

信号配时的准确度与交通量的测量方法也有很大关系。目前常用的交通流根据检测器设置位置的不同，分为流向流量检测器和断面流量检测器［5-6］。

(1) 流向流量检测

将检测器设置在路口行进导向车道内，即可检测到流向流量和车道时间占有率，以占有率确定车道是否已经饱和。流向流量可用于确定车道负荷度，这是调整信号配时的依据，如SCATS系统的检测器设置方法。