基于雨量值分析的新型交通信号灯研究

秦贝宁， 何永明， 樊文一鸣， 陈峻德

(东北林业大学交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

随着城市化进程的加快和机动车保有量的迅猛增长，国内外城市的交通拥堵问题日益严峻。交叉口作为城市道路网的关键节点，其运行效率极为重要，直接影响整个路网的服务水平。目前，大部分交叉口交通信号灯信号周期固定，不能随车流量的变化而变化，导致交叉口拥堵。天气因素在众多的拥堵致因中，不可忽视。城市交叉口的控制方案以晴天的交通流特性为主，极少考虑降雨天气，而我国大部分地区每年都要经历不同程度的降雨，尤其是南方地区，降雨天数达到全年的三分之一到二分之一[1-3]。因此，在交叉口信号灯配时方面，考虑降雨天气对交通流的影响，能够在一定程度上提高交叉口的通行效率，将降雨对城市交通系统造成的损失减少到最低。

对基于雨量值分析的新型交通信号灯进行了研究，该装置从降雨天气出发，以单位周期内的雨量值作为分析主体，对信号灯的配时周期进行优化计算，该装置能对降雨情况进行实时监测分析，同时优化信号的配时周期，能够改善城市交叉口降雨天气下交通拥堵的情况，提升道路通行能力。

1 相关研究概述

目前，我国大部分交通信号最佳周期是按照天气良好的环境情况计算得出的，但此并不能满足降雨条件下的交通需求，降雨等恶劣天气会使道路交通流特性发生显著变化，当信号配时算法未能针对交通流特性实时响应时，交叉口可能会呈现绿灯空放、排队溢流等负面效用[4]，因此便需要在降雨条件下调整信号灯的最佳周期。

周在伟[5]等提出了一种降水测量仪器，该仪器包括一对第一支架、设置在两个第一支架之间的转动轴、设置在转动轴上的翻斗以及两个轴向推动件。其解决了雨量检测问题及现有技术中翻斗式雨量计测量误差大的问题，提高了测量精度。

张惠臻[6]等提出了一种信号灯配时优化方法，该方法基于改进后的Webster函数和遗传算法，分析车辆延误数据，对车辆延误数据进行数据拟合，构造改进函数，最终通过遗传算法获得最优信号灯配时方案。

以上研究对降雨条件下城市交叉路口信号灯周期的配时优化起到一定作用，但无法根据实时的道路环境情况，快速准确地收集信息并灵活地作出调整。

2 背景成因分析

降雨产生的影响主要有两个方面：一是对于道路及车辆行驶环境的影响。降雨会使道路湿滑，进而导致道路的附着系数及摩擦系数减低，车辆制动距离变长，间接导致车辆制动性能下降，并且持续的降雨也会使环境能见度降低。二是对于驾驶员驾驶特性的影响。降雨导致的能见度降低对驾驶员最直接的影响即是动视力下降，驾驶员对此会采取谨慎驾驶的措施，降低行车速度，同时由于车辆制动距离的变长，也会使驾驶员增加跟车间距，特别是在城市道路交叉口，由于车流密度的增大，该特性会更加显著。

因此，若在降雨天气仍按照原有的固定周期对信号灯进行配时，一个周期内交叉口的通行效率将会显著降低，进而导致交通拥堵。降雨强度与能见度的关系见表1，能见度与驾驶员动视力的关系如图1所示。[7]

表1 降雨强度与能见度的关系

图1 能见度与驾驶员动视力的关系

3 装置结构原理

3.1 装置结构

基于雨量值分析的新型交通信号灯由降雨收集装置、计数触发器、数据传感器、摄像头、配时系统、配时接收传感器和信号灯组成。装置结构如图2所示。

图2 装置结构图

在雨量监测仪中，降雨收集装置安装在顶部，用于实时收集降雨；计数触发器安装在承重盘之下，用于将雨量信息数据化处理；数据传感器安装在承重盘之下，用于将数据信息及时上传；整体装置安装在外壳中以保证其工作环境稳定，仅留盛雨器在外部以接收降雨。配时接收传感器安装在信号灯上沿，用于接收优化后的信号配时并输出至信号灯。

3.2 装置工作原理

降雨具有不可避免、情况随机的特点，在不同地点、不同时间，其情况均有不同，因此研发团队正是根据雨量监测仪的灵敏性以及准确性的工作特点，以其作为主体，结合配时系统，完成装置的整体工作。装置工作原理如图3所示。

图3 装置工作原理

降雨监测系统在设定周期内对降雨进行收集，并将收集所得降雨进行数据化处理，后通过传感器将信息上传，同时利用摄像头进行辅助监测。配时优化系统根据上传信息，利用预设算法，得出优化结果。最后，配时接收传感器接收配时信息，信号灯输出新的信号周期。

4 装置工作过程

参照图2装置结构图及图3装置工作原理图，本新型交通信号灯按下列步骤进行工作。

4.1 降雨处理过程

在雨量监测仪中，降雨从盛雨器流入，通过导流管流入翻斗，在翻斗中，当降雨量达到预设容量时，翻斗翻转，同时因为翻转，带动连接杆，连接杆的连动向触发器发射一个时钟脉冲信号，触发器对脉冲信号进行计数，计数结果通过连接导线输出至雨量传感器，最后上传至配时系统。

4.2 配时处理过程

通过摄像头辅助监测道路情况，所得信息也上传至配时系统。

配时优化系统通过对上传的数据信息进行处理，与数据库中信息进行比对匹配，后通过预设算法得出新的信号周期。

4.3 配时输出过程

配时接收传感器接收优化后的数据信息，后由信号灯输出新的信号周期。

4.4 信号灯自适应配时过程

一个周期过后，雨量监测仪的盛雨器继续收集降雨，同时上一周期中翻斗翻转后，翻斗中的雨水已通过出水口排出，翻斗的另一侧便能继续工作，最后雨量传感器将新一周期的数据信息上传。摄像头也继续对道路情况进行实时监测，并上传相关信息。配时优化系统对新反馈的信息进行处理对比，并将结果传输至配时接收传感器，最后信号灯根据信息输出新的信号周期，形成反馈循环。

按照以上步骤，信号灯便能对降雨情况及道路拥堵情况进行实时监测，后根据对应情况进行配时调整，并能够通过持续的反馈继续对配时进行优化处理，从而形成信号灯的自适应配时。

5 结束语

研究了一种能对降雨天气进行实时监测分析并进行自适应配时的新型信号灯，在雨量监测仪、摄像头与配时优化系统的联合作用下，该装置能够解决因降雨导致的城市交叉口拥堵等问题，能够提升城市交通系统应对不良天气的适应及抵抗能力，从而能够提高城市交叉口的通行效率。