摘要：感應(yīng)控制是城市交通信號(hào)控制的重要方法之一，特別適合于交通流量不大但隨機(jī)波動(dòng)較大的交叉口的信號(hào)控制。本文針對(duì)經(jīng)典的感應(yīng)控制所存在的效率不高等局限性，研究了感應(yīng)控制的主要控制參數(shù)，給出了配時(shí)的推薦計(jì)算方法，分析了相序?qū)Ω袘?yīng)控制的控制效果的影響，提出了一種變相序的多相位感應(yīng)控制算法。本文所提算法在仿真平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明比經(jīng)典的感應(yīng)控制方法所產(chǎn)生的車(chē)輛的平均延誤要低，同時(shí)，算法簡(jiǎn)單易行，實(shí)用性較強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：感應(yīng)控制；配時(shí)；變相序；仿真

0 引言
    近年來(lái)，道路交通量急劇增加，城市道路問(wèn)題已經(jīng)成為現(xiàn)代城市迫切需要解決的重要問(wèn)題之一，合理的控制策略能夠提高交叉口的通行能力，對(duì)于一些交通流量較小，但隨機(jī)波動(dòng)較大的路口，宜采用感應(yīng)控制。
    經(jīng)典的感應(yīng)控制采用車(chē)來(lái)即延時(shí)的策略，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定固定的初始綠燈時(shí)間、單位綠燈延長(zhǎng)時(shí)間、最大綠燈時(shí)間等參數(shù)，控制策略單一，很難適應(yīng)動(dòng)態(tài)的交通流狀況。為了達(dá)到比較理想的控制效果，一些學(xué)者對(duì)感應(yīng)控制的配時(shí)進(jìn)行了深入研究，翟潤(rùn)平等就對(duì)延時(shí)策略進(jìn)行了改進(jìn)，通過(guò)計(jì)算綠時(shí)有效利用率來(lái)確定是否切換相位，提高了綠燈的有效利用率，但是增加了一個(gè)控制參數(shù)和控制的復(fù)雜度；王殿海等提出了一種可變單位綠燈延時(shí)的時(shí)間模型，考慮到了城市路段車(chē)流到達(dá)規(guī)律和駕駛員心理特性，比傳統(tǒng)的固定單位綠燈延時(shí)有所改進(jìn)，但是在降低車(chē)輛的平均延誤上效果并不明顯；邵峰等對(duì)兩種單位綠燈延時(shí)的計(jì)算方法進(jìn)行了比較，得到了一種減少車(chē)輛平均延誤的單位綠燈延時(shí)的計(jì)算方法，但是其計(jì)算參數(shù)過(guò)多，計(jì)算復(fù)雜，實(shí)用性不強(qiáng)。上述研究皆對(duì)感應(yīng)控制的部分配時(shí)參數(shù)進(jìn)行了研究，但都采用固定周期、固定相序的方式。文獻(xiàn)均考慮到了相序?qū)徊婵谕ㄐ心芰Φ挠绊?，?duì)不同的交叉口采用不同的相序方案，但是沒(méi)有考慮交叉口的車(chē)流量變化對(duì)相序的影響；沈國(guó)江等提出了一種交通流模型，根據(jù)排隊(duì)長(zhǎng)度的變化，采用模糊推理對(duì)相序轉(zhuǎn)換時(shí)刻、相序的選擇進(jìn)行了優(yōu)化，由于采用了八相位方案，算法復(fù)雜度較高，調(diào)節(jié)參數(shù)多，實(shí)時(shí)性和可靠性得不到保證，并且增加了綠燈損失時(shí)間；樊曉平等結(jié)合了模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了交叉口多相位的、相序可變的交通流控制，但是該方法對(duì)信號(hào)機(jī)系統(tǒng)的配置要求比較高，較難推廣應(yīng)用。
    本文對(duì)交通感應(yīng)控制中的信號(hào)配時(shí)進(jìn)行了研究，提出一種動(dòng)態(tài)相序的多相位感應(yīng)控制算法，分析了初始綠燈時(shí)間、單位綠燈延長(zhǎng)時(shí)間、最小和最大綠燈時(shí)間等對(duì)感應(yīng)控制的影響，并給出了上述參數(shù)配時(shí)的計(jì)箕方法。本文所提算法簡(jiǎn)單實(shí)用，計(jì)算復(fù)雜度低，對(duì)系統(tǒng)配置要求不高，仿真結(jié)果表明，本文的方法較經(jīng)典感應(yīng)控制方法降低了交叉口的平均延誤，是一種有效可行的方法。

1 感應(yīng)控制原理概述
    感應(yīng)控制是通過(guò)車(chē)輛檢測(cè)器檢測(cè)到的車(chē)輛到達(dá)情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整各相位的配時(shí)以適應(yīng)交通變化的一種實(shí)時(shí)控制方式，是一種典型的反饋控制過(guò)程，適用于交通流量不大但波動(dòng)較大的交叉口控制。
    傳統(tǒng)的感應(yīng)控制方式可分為半感應(yīng)控制和全感應(yīng)控制。在半感應(yīng)控制中，檢測(cè)器只安裝在次干道上，主干道維持綠燈狀態(tài)，當(dāng)次干道檢測(cè)到有車(chē)到達(dá)并且主干道最小綠時(shí)已經(jīng)結(jié)束時(shí)，更換信號(hào)相位；而全感應(yīng)控制中，主從干道無(wú)法明顯地區(qū)分，交叉口的所有進(jìn)口道上都安裝檢測(cè)器，其工作方式為：當(dāng)某一信號(hào)相位開(kāi)始啟亮綠燈時(shí)，則預(yù)設(shè)一個(gè)“初始綠燈時(shí)間”，當(dāng)初始綠燈時(shí)間結(jié)束時(shí)，再增加一個(gè)預(yù)置的時(shí)間間隔(一般為一個(gè)單位綠燈延長(zhǎng)時(shí)間)，在此時(shí)間間隔內(nèi)，若沒(méi)有后續(xù)車(chē)輛到達(dá)，則立即更換相位；若檢測(cè)器檢測(cè)到有后續(xù)車(chē)輛到達(dá)，則每檢測(cè)到一輛車(chē)，就從檢測(cè)到車(chē)輛的時(shí)刻起，相位綠燈延長(zhǎng)一個(gè)預(yù)置的“單位綠燈延長(zhǎng)時(shí)間”，綠燈可一直延長(zhǎng)到一個(gè)預(yù)置的“最大綠燈時(shí)間”，當(dāng)相位綠燈時(shí)間延長(zhǎng)到最大值時(shí)，則強(qiáng)制切換相位。
    感應(yīng)信號(hào)控制的三個(gè)基本參數(shù)分別為：最小綠燈時(shí)間、單位綠燈延長(zhǎng)時(shí)間、最大綠燈時(shí)間。而檢測(cè)器的埋設(shè)位置、相位相序的選擇也對(duì)感應(yīng)控制的控制效果有重要的影響。

2 感應(yīng)控制主要參數(shù)的配時(shí)計(jì)算方法
    本文主要研究單個(gè)交叉口的四相位全感應(yīng)控制方法。為了達(dá)到較好的控制效果，就必須對(duì)感應(yīng)控制的主要參數(shù)進(jìn)行合理的配時(shí)，如圖1所示，圖中箭頭表示該相位允許通過(guò)的車(chē)流方向，規(guī)定所有右轉(zhuǎn)車(chē)輛可自由通行?？紤]到車(chē)流的動(dòng)態(tài)變化，設(shè)計(jì)出一種動(dòng)態(tài)相序的控制算法，并對(duì)初始綠燈時(shí)間、綠燈延長(zhǎng)時(shí)間、最小和最大綠燈時(shí)間給出了計(jì)算方法。


2．1 初始綠燈時(shí)間G0
    經(jīng)典的感應(yīng)控制通常采用固定初始綠燈時(shí)間，本文為了提高交叉口的通行能力，采用初始綠燈時(shí)間可變的方法，即在第i相位獲得通行權(quán)的時(shí)刻，檢測(cè)檢測(cè)器與停車(chē)線之間的車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度Qi，初始綠燈時(shí)間是使Qi輛車(chē)全部駛離停車(chē)線所需要的時(shí)間，有：
  
    其中，Qi為i相位獲得通行權(quán)的時(shí)刻關(guān)鍵進(jìn)口道上檢測(cè)器與停車(chē)線之間的排隊(duì)車(chē)輛數(shù)，單位為輛；Si為i相位關(guān)鍵進(jìn)口道上的飽和流量，其單位為輛／小時(shí)；
2．2 單位綠燈延長(zhǎng)時(shí)間
    各相位的單位綠燈延長(zhǎng)時(shí)間要保證車(chē)輛按進(jìn)口道的行駛速度行駛時(shí)，能夠行駛完檢測(cè)器到停車(chē)線之間的距離，保證車(chē)輛在該延時(shí)內(nèi)能夠順利通過(guò)停車(chē)線，即滿足：
  
    其中，Di為i相位關(guān)鍵進(jìn)口道上檢測(cè)器與停車(chē)線之間的距離，m；Vi為i相位關(guān)鍵進(jìn)口道上車(chē)流的平均行駛速度，m／s；
2．3 最小綠燈時(shí)間
    最小綠燈時(shí)間是信號(hào)相位獲得通行權(quán)時(shí)所必須保證的綠燈時(shí)間，等于初始綠燈時(shí)間與單位綠燈延時(shí)之和，最小綠燈時(shí)間有：
  
    其中：Gi0為i相位的初始綠燈時(shí)間，s；△i為湘位的單位綠燈間隔時(shí)間，s。
2．4 最大綠燈時(shí)間Gmax
    最大綠燈時(shí)間，即為了保持最佳綠信比分配而確定的相位綠燈時(shí)間。它是相位綠燈時(shí)間的延長(zhǎng)極限。當(dāng)?shù)竭_(dá)最大綠燈時(shí)間時(shí)，強(qiáng)制綠燈結(jié)束并改變相位，最大綠燈時(shí)間一般定為30-60s，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)定。

3 檢測(cè)器的布局
    本文采用在所有進(jìn)口道都埋設(shè)一對(duì)檢測(cè)器的方法，以檢測(cè)各車(chē)道的車(chē)輛到達(dá)情況和排隊(duì)長(zhǎng)度，如圖2所示，其中一組檢測(cè)器設(shè)置在剛剛越過(guò)停車(chē)線的位置，另一組檢測(cè)器設(shè)置在停車(chē)線下游離停車(chē)線距離為Di的位置，Di的設(shè)置位置要保證在最小流量時(shí)車(chē)輛的排隊(duì)長(zhǎng)度不越過(guò)檢測(cè)器，并且要保證檢測(cè)器與停車(chē)線之間的最大排隊(duì)車(chē)輛數(shù)能夠在初始綠燈時(shí)間內(nèi)疏散完畢，于是檢測(cè)器與停車(chē)線之間的距離Di應(yīng)滿足：
  
    其中：hi為i相位排隊(duì)車(chē)輛平均車(chē)頭間距，m；Qi為i相位關(guān)鍵進(jìn)口道上檢測(cè)器與停車(chē)線之間的最大排隊(duì)車(chē)輛數(shù)，輛。



4 變相序的多相位感應(yīng)控制算法
    為了有效減小車(chē)輛平均延誤，本文針對(duì)前文所述的單交叉口四相位全感應(yīng)控制提出可變相序的感應(yīng)控制算法，根據(jù)各相位的排隊(duì)長(zhǎng)度和平均等待時(shí)間確定一個(gè)優(yōu)先值Wi，Wi=QiTi；其中，Qi為第i相位等待車(chē)輛的排隊(duì)長(zhǎng)度，T為第i相位的等待時(shí)間；顯然，優(yōu)先值越大的相位優(yōu)先通行，通過(guò)判斷優(yōu)先值的方法靈活動(dòng)態(tài)地變換相位，該配時(shí)方案的相序不固定，相位轉(zhuǎn)換的狀態(tài)圖如圖3所示，根據(jù)交通需求實(shí)時(shí)變換相位。


    具體算法如下：
    Step 1初始化，給每一相位任意車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度，把通行權(quán)交給排隊(duì)長(zhǎng)度最長(zhǎng)的相位；
    Step 2給獲得通行權(quán)的相位一個(gè)初始綠燈時(shí)間；
    Step 3給本相位一個(gè)單位綠燈延長(zhǎng)時(shí)間。
    Step 4檢測(cè)本相位是否有車(chē)到達(dá)，無(wú)車(chē)，到Step5，有車(chē)，判斷本相位綠燈時(shí)間是否到達(dá)最大綠燈時(shí)間，是，到Step5，否，到Step3。
    Step 5計(jì)算各紅燈相位的優(yōu)先值，把通行權(quán)交給優(yōu)先值最高的那個(gè)相位，到Step2；

5 仿真結(jié)果分析
  為了驗(yàn)證本文所提出的算法的有效性，本文通過(guò)仿真平臺(tái)上對(duì)經(jīng)典感應(yīng)控制算法和本文提出的動(dòng)態(tài)相序的感應(yīng)控制算法進(jìn)行了比較實(shí)驗(yàn)，仿真軟件采用微觀交通仿真軟件-USTCMTS1.0系統(tǒng)，因?yàn)楦袘?yīng)控制只適用于飽和度不高的交通流條件，故取飽和度低于0．6的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仿真所選取的交叉路口的寬度為：東西方向和南北方向的道路寬度均為10．5m，仿真運(yùn)行6000s，以車(chē)輛的平均延誤作為標(biāo)準(zhǔn)，得到兩種算法的平均延誤，圖4是根據(jù)仿真結(jié)果使用MATLAB所繪制的圖形。


    由仿真結(jié)果我們可以看出，本文所提出的動(dòng)態(tài)相序的感應(yīng)控制的平均延誤要明顯低于經(jīng)典感應(yīng)控制的平均延誤。

6 結(jié)論
    本文以單交叉口的感應(yīng)控制為研究背景，針對(duì)經(jīng)典感應(yīng)控制算法相序固定、配時(shí)參數(shù)固定的缺點(diǎn)，提出一種變相序的、動(dòng)態(tài)初始綠燈時(shí)間的多相位感應(yīng)控制算法，仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的感應(yīng)控制算法較經(jīng)典的感應(yīng)控制算法有效地降低了車(chē)輛的平均延誤，能夠適應(yīng)動(dòng)態(tài)的交通流狀況。