一种相位(阶段)动态组合的感应控制方法研究

金育东，丁海龙，章涛涛

(1.连云港杰瑞电子有限公司，江苏 连云港 222000；2.上海杰瑞兆新信息科技有限公司，上海 200135)

在城市道路交通信号控制中，应用最广泛的是定周期控制和感应控制。定周期控制的所有控制参数，都是在假定时段交通需求确定的前提下离线预设的，对城市交通网络中的交通波动适应能力有限。而感应控制的周期、绿信比，甚至相序都可以依赖交通检测数据实时调整，对交通波动的适应能力要强于定周期控制。

传统感应控制方法在确定配时参数、检测器位置等过于经验化，控制策略比较单一，控制效果也不明显。国内外学者对交叉口感应控制做了一系列研究，邵峰[1-5]等人研究了单位绿灯延长时间的计算方法，景泰[5,7,8]等人研究了最小绿灯时间、最大绿灯时间的优化方法，韩平超、柳祖鹏[10-11]等人提出需求度的概念，郭英明[10,12,13]等人对合流场景进行了深入研究，杨涛等[13]提出基于排队长度和车辆等待时间的实时可变相序的信号控制方法。以上研究虽然对传统感应控制进行了改进，但仍缺乏对不同场景需求确定及灵活制定相关感应控制方法的考虑。

针对这些问题，提出依据城市交通路网特性、出行规律，设计相位(阶段)组合、分离规则，并在实际运行过程中，动态判定交通需求，选择感应控制规则，精准满足出行需求， 解决复杂交通场景的智能控制需求，缓解交叉口排队长度。最后，依托孝感市交通大道与天仙路交叉口，基于雷视检测系统，完整实施验证了相位(阶段)动态组合的感应控制。

1 控制策略

1.1 阶段设计

依托交叉口交通流量特征，分别设计交叉口常规条件及特殊条件触发时的放行相序。例如某交叉口的交通流量以对称为主，偶尔出现单方向流量较多的情形，可设计如表1所示的常规阶段与扩展阶段。

表1 常规阶段与扩展阶段设计

1.2 互斥阶段链

围绕常规阶段与扩展阶段，设计符合交通安全要求的阶段放行秩序链，这些阶段链互斥。以东西流向为例，设计如图1所示的(1)对称搭接单向或(2)单向搭接对称的互斥阶段链。即周期运行期间，若东西流向首个阶段决策使用“(a)东西直行”，则该周期中东西流向的放行阶段链固化为“(a)东西直行-X阶段-(b)东西左转”，其中X阶段存在三种可能性，即可以跳过，也可以为“(e)东向全放”，亦或是“(f)西向全放”。

图1 互斥阶段链设计

1.3 决策逻辑

周期运行过程中，按照一定的阶段链决策规则，挑选符合交通流特征的阶段及对应的阶段链。同等条件下，一般默认优先选择常规阶段。

2 用户规则

2.1 逻辑语句表达

通过逻辑变量与逻辑运算符的组合，实现用户规则的逻辑表达。逻辑变量，包括“常数、检测器、灯组、相位、故障、定时器、用户变量”等；逻辑运算符，包括常见的“与、或、右移、左移、小于、等于、不等于、大于、取大、取小”等。

2.2 用户逻辑设计

针对交通场景特征，用户自定义交通状态及异常状态的识别规则，并给出阶段需求放行、忽略跳过、降级放行等触发机制。

(1)交通状态识别

利用检测器与相位的映射关系，将车辆存在、排队长度、区间内车辆数等多种交通数据，进行一次或多次逻辑表达，输出表达相位车辆数可忽略及不可忽略两种甚至多种交通状态。通过检测器27的区间车辆数大于6辆或者排队长度大于45 m表达相位1的出现较长排队。

(2)异常状态识别

利用DFM检测机制(检测器数据常0、常1或数据不可信的异常识别)，结合定时器，进行简单的逻辑表达，获取相位异常状态。例如，07∶05时刻，检测器26车辆存在状态超过240 s一直为0，则检测器26产生DFM0异常；03∶15时刻，检测器27车辆存在状态超过300 s一直为1，则检测器27产生DFM1异常。

(3)阶段触发机制

利用阶段与相位及相位与检测器的映射关系，设计阶段优先、需求、省略、降级的触发规则。例如，在东向西左转及直行相位的排队长度均达到60 m，且西向东左转及直行相位排队长度不超过30 m，则东向西左直同放阶段优先放行条件触发；南北左转相位等效排队车辆数不超过2辆(12 m公交车辆等效3辆当量车)，若红灯状态持续时长不超过160 s，则南北左转阶段可以省略，否则南北直行需求状态为真；南北直行相位对应检测器产生DFM0异常，则南北直行阶段触发降级。

相比常规阶段，扩展阶段的触发条件需要更加严苛，即确保扩展阶段只在特定场景下方可触发。

3 算例分析

3.1 现状分析

孝感市交通大道与天仙路交叉口，东西向为城市主干道，南北向为支线。通常交叉口流量呈对称分布，基础配时方案采用对称放行方案。但早晚高峰时段东西向存在流量不对称的情况，会出现部分相位绿灯空放，部分相位时长不足的情况。

3.2 策略实施

干道方向(东西向)采用对称搭接单向及单向搭接对称两种互斥阶段链设计，而支线方向(南北向)维持对称放行设计，阶段转移图如2所示。

图2 交通大道与天仙路交叉口非典型感应控制阶段转移图

东西向相位的交通状态识别规则，如表2所示。

表2 关键相位交通状态识别规则

东西向相位的常规阶段与扩展阶段的触发规则，如表3所示。

表3 阶段触发规则

3.3 数据分析

采集2022-3-8至2022-3-14的高分辨率运行日志数据，其中前4天采用传统典型感应控制，后3 d采用基于用户自定义规则的相位(阶段)动态组合的非典型感应控制。

分别提取表征早高峰、平峰、晚高峰的三个典型时间段的排队长度数据，07∶45～08∶45、10∶15～11∶15、17∶45～18∶45，如表4所示，平均周期最大排队长度最大降幅出现在早高峰，降幅达40.6%，其次为晚高峰降幅38.7%，平峰降幅较小，仅6.7%。

表4 3个典型时段的平均周期最大排队长度对比

3.4 运行效果

早晚高峰期间，交叉口存在对称车流-潮汐车流-对称车流的特征转变情况，此时基于用户自定义规则的非典型感应控制效果远胜于传统感应控制。具体原因为，仅用对称放行策略的传统感应控制，无法适应该场景的交通流特征变化，而非典型感应控制，可在潮汐特征触发时，自动调整以单边轮放为主的放行方案，特征恢复时，又自动执行对称放行方案。

平峰期间，虽然交叉口整体交通流量较少，且变化不大，但用户自定义规则的非典型感应控制的效果相比传统感应控制，仍略有改善。

4 结 语

用户自定义规则的非典型感应控制方法，可针对不同交通场景，定制符合交通特征的控制策略，选择合适的交通数据及所需的常规阶段与扩展阶段，采用用户逻辑自定义表达的方式，设计交通状态、异常状态的识别及控制策略的触发规则，实现复杂交通场景安全有序及通行通畅。孝感市交通大道与天仙路交叉口的成功实施表明，用户自定义规则的非典型感应控制灵活可控，且扩展性较好，极其适用流量特征动态变化的交通场景。