区域实时自适应交通信号控制系统在新乡实际运用相关问题的探讨

2012-08-29 16:27:41 来源：www.its114.com 作者:卢海评论：人

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[摘要]本文首先阐述了区域实时自适应系统与本地交通工程设计的紧密性，包括渠化设计、信号配时设计和检测线圈的定位等等，并结合新乡市实际交通特性和自适应系统的相关配置总结了区域实时自适应系统在应用中的相关经验和实际效果。

[关键词]自适应链接检测线圈

2008年4月，新乡市区共有41个平交路口纳入交通信号实时自适应区域控制（ITACA）系统，其核心采用西班牙先进的交通信号控制技术。此控制系统经过交通工程师不断地调试应用，截止目前，此控制系统已发挥出其应有的基本功能，除了车辆排放物和燃油消耗量指标尚需进一步的测定外，一般路口的通行能力、路口车辆排队长度、停车次数、停车时间都有不同程度的改善,对缓解交通压力，改善交通环境起到了一定的积极作用(鉴于新乡市尚未进行可靠的系统效益评估,在此仅用定性描述)。

本地交通工程师认为ITACA系统有其先进性和可靠性，能够解决实际交通问题，并且系统的适应性条件并不是特别苛刻，关键在于科学合理的运用。ITACA系统，同国外其它先进控制系统一样，控制系统建设完成之日绝对不是不堵车之时，由系统来替代交通管理更是不切实际的事情。目前在中国还没有一个城市能够完全实现实时自适应区域控制，即使有也是存在很多的问题。因为一个控制系统的运行，需要专业的交通工程师依托城市合理的交通规划和交通设计,对交通控制系统进行不断地理解和摸索，取得新的经验后再返回系统配置，需要对系统配置反复进行修正，不断优化系统实时控制效果，使控制系统强大的先进功能得以充分发挥，进而能够使广大市民享受先进控制系统带来的优质出行服务。

一、合理的本地交通设计是ITACA系统应用的前提基础

在城市良好的交通规划基础上，交通设计合理与否，关系到现有交通基础设施的利用效率以及城市的交通畅通。对于新乡此类中小城市而言，交通拥塞在很大程度上并不是车流过大所至，而是缘于不合理的交通设计。

交通设计是近年来逐步被高度重视的改善城市交通的方法和技术。其基本含义是：基于城市及交通规划的理念和成果，运用交通工程学的基本理论和原理，以交通安全、通畅、效率、便利及其与环境协和为目的，以交通系统的资源（包括时间、空间资源及投资水平）为约束条件，对现有和未来建设的交通系统及其设施加以优化设计，寻求改善交通的最佳方案，科学地确定交通系统的时间和空间要素及通行条件；交通设计贯穿于交通规划和交通管理之中，指导交通设施的土木工程设计与交通管理，具有中微观的性质。

对于正在计划发展和使用的城市UTC系统，系统先进的功能如何实现，其必不可缺的中间技术环节就是基于各类交通规划理念，面向实际问题的交通设计方法和技术。

在城市良好交通规划基础上，道路交通设计合理与否突出表现在城市交通管理设施上。目前国内在交通管理设施方面，存在重硬件，轻软件，重先进，轻实用的问题：在城市路网功能定位与渠化，交叉口的交通渠化，标志标线合理设置，信号相位的准确细致设计等最为基础的方面仍未得到足够重视，因而在交通设施的规划和设计上，落后不合理的状况始终存在，此问题也是简单传统经验型交通管理向复杂创新型科学管理转变缓慢的重要原因。这就要求城市必须有务实严谨的专业团队在对城市交通状况有深刻了解的基础上，对城市道路资源及交通设施进行点、线、面的整合和科学设计，逐步解决城市交通设计存在的问题，尽快形成合理的城市交通规划和交通设计格局，为城市的UTC系统的使用和"畅通工程"发展做好基础工作。

道路交通信号控制作为城市交通管理最核心最基础的部分，是影响城市交通流运行质量的一个决定性因素。国外自适应系统都是在二相位交通控制基础上的成功运用，采用多相位控制方式进行自适应交通区域控制，必须做好本地交通与自适应控制系统的良好结合，最基本的前提是搞好本地路口交通信号控制方案的设计。

新乡作为一个发展中的内地城市，其平交路口均采用多相位交通信号控制方式，四相位交通组织最为普遍。新乡在多年的理论与实践的探讨中，认为在机非混行的交通环境下，多相位交通信号控制路口最低通行能力应保证为：在有效绿灯放行时间内，单车道疏散直行车辆2秒/辆，疏散左转车辆2.5秒/辆。只有最低通行能力得以保障，多相位交通信号控制和其它先进交通控制系统才能够有应用的基础。

下面图1为新乡在ITACA自适应控制系统运行下设置的本地路口交通信号控制方案，即ITACA系统的[固定时间阶段配置]表。

图1

其中，1--4分别代表东口机动车左转、直行、右转、非机动车（行人）灯组；5--8分别代表南口机动车左转、直行、右转、非机动车（行人）灯组；9--12分别代表西口机动车左转、直行、右转、非机动车（行人）灯组；13--16分别代表北口机动车左转、直行、右转、非机动车（行人）灯组。

阶段（相位）1：机动车东西左右转弯，机动车南北右转弯；

阶段（相位）2：机动车东西直行，非机动车（含行人）东西直行；

阶段（相位）3：机动车南北左右转弯，机动车东西右转弯；

阶段（相位）4：机动车南北直行，非机动车（含行人）南北直行。

此控制方案为新乡本地交通信号控制应用的创造性发挥。1，该控制方案在整个放行周期内，无全红阶段，无单纯黄灯过度状态；2，该控制方案若周期120S，则实际绿灯时间也为120S，有效绿灯时间提高，有较高的绿信比；3，合理的相序设计，有效地保证了非机动车和行人对机动车的干扰程度降低；4，通过相位转换的合理衔接，利用时间差和空间差有效提高路口通行能力，减少行车延误；5，是在无自适应倒记时数字显示情况下，利用黄闪、绿闪对其提示功能进行部分补替。此控制方案在实际运用中体现了良好的实用价值。

为进一步提高机非混行平交路口的交通服务水平和车辆通行能力，为同步解决国外自适应交通信号控制系统仅以机动车辆为服务对象的局限性，新乡本地交通工程师根据城市道路平交路口的基础条件，在"平交路口非机动车禁止驶入区"的基础上进行深化设计，设计出适用于中小城市的"平交路口非机动车二次停车区"(见图2)，彻底解决在多相位交通信号灯控制技术下，非机动车在路口通行时对机动车的干扰问题，进而提高路口机动车辆的通行速度和通行能力。此设计思想是：将原来左转非机动车两次被动无奈的90度直行通过路口，转变为主动有序的两次90度直行通过路口，完成左转。

结合上述本地路口交通信号控制方案，对"平交路口非机动车二次停车区"的具体应用进行下列简要说明。

在阶段（相位）1：机动车东西左右转弯，机动车南北右转弯，此时非机动车和行人均未放行，对机动车的通行无冲突和干扰；

阶段（相位）2：机动车东西直行，非机动车（含行人）东西直行，左转非机动车行至"左转非机动车待转区"，等候东西直行机动车的快速通行结束。

阶段（相位）3：机动车南北左右转弯，机动车东西右转弯；此时东西方向的左转非机动车进入"非机动车二次停车区"，继续等待南北方向非机动车绿灯放行信号的开启。

图2

阶段（相位）4：机动车南北直行，非机动车（含行人）南北直行。"左转非机动车二次停车区"内的车辆获得绿灯通行信号，与南北非机动车同时启动，依次通过路口。在此阶段新产生的左转非机动车进入南北方向的"左转非机动车待转区"，依次等待。

上述"左转非机动车二次停车区"的设计目标是：在有效绿灯放行时间内，单车道疏散直行机动车辆1秒/辆，疏散左转机动车辆1.5秒/辆。本设计与国内其它地市的相关设计比较，最大的优势在于交通设施以最低成本投入，通过"左转非机动车待转区"和"左转非机动车二次停车区"合理的层次设置，可以解决车流高峰时期路口左转非机动车的规划容纳以及有效合理地进行导流。

二、合理的检测器设置是ITACA系统应用的关键基础。

ITACA系统的主要功能是调节子区域的周期、绿信比和相位差等交通参数，最大限度降低区域中所有车辆的总停车次数和等待时间。安装在路口每个车道上的车辆检测线圈使ITACA功能的实现成为可能。利用检测器收集到的流量和占有时间的数值，可以计算出车辆的排队长度、车流量、延迟时间和停止次数等交通信息，生成车流量和占有时间数学模型，用于路口链接队列长度的计算，确定负载和放行时间，同时预测每个路口链接拥堵程度和交通需求。

新乡本地交通工程师认为ITACA系统应用的检测器设置方案类似于战术/战略检测器综合分布方案。战术检测器分布于本路口导向车道入口处，约距停车线80米，采集左、直、右各流向的流量、占有率及车辆排队等数据，用于辨识各流向的交通需求，并实现绿信比的战术微调。战术检测器的设置基本适合新乡本地多相位的交通需求，能够解决平交路口交通信号灯在非饱和车流量和饱和车流量两种状况下的区域实时自适应控制。ITACA系统的战略检测器采用上游路口战术检测器，通过相关参数的设置与下游路口战术检测器建立链接关系，计算下游路口各入口方向战略断面的流量、占有率、队列到达率等数据，用于识别交通状态和优化战略控制参数。

ITACA自适应算法能够根据检测线圈收集到的交通数据检测出交通拥堵的发生，本地交通工程师认为其交通拥塞的判断来自上游路口流向下游路口的车流量与下游路口本流向疏散车辆数的比算。ITACA自适应算法并能够针对交通拥堵情况生成优化的解决方案，从而有效地缓解交通、解除交通堵塞。对于每个交叉口，在其相应的时间段内，对其绿灯起步时距进行优化。具体方法是：通过计算排队长度，检测占有率，判断出可能发生的交通阻塞。若阻塞可能发生，则反复修改绿灯起步时距，达到最大限度地避免阻塞，其实质上是通过利用网络的整体承受能力来分担单个交叉路口的交通负荷，在一定程度上对交通可以进行有效缓解。

因此，要成功地实现自适应控制系统，正确、合理地在各路口进行车辆检测线圈的定位、施工、线圈感应测试等工作是相当重要的，绝对不能轻视，因为自适应控制系统对检测器建设的要求是很高的。这是ITACA系统运用最为根本的环节，也是系统应用最基础的部分。

此外如何保证检测线圈反馈良好的交通数据，也是一项相当重要的工作。新乡在此关键点上有自己的切身感受。新乡作为一个非机动车占较大比例的内地城市，要保证机动车不受非机动车和行人干扰，车辆能够严格按渠化车道通过检测线圈行驶，这仅是理想化的认识。实际上渠化车道内的线圈可能被不同流向的车辆所干扰，甚至被对向车流所干扰，也可能被本车道流向车辆所避开。另外在实际交通中还会存在其它类型的干扰。因此检测线圈很难百分之百反馈真实的数据，这也是自适应控制"不适应"的直接原因。并且此类"不适应"在国内外的自适应控制系统都会存在。

新乡在保障检测线圈能够提供良好检测数据的基本策略有两种，一种是财力的投入，即不断完善交通管理设施，最直接的手段是在保证检测线圈合理布置在导向车道的基础上，顺延车道渠化长度并超出检测线圈5-10米，使车辆提前于线圈进入导向车道，逐步改善车流任意进入导向车道的习惯。对于车流量通行较大的导向车道，还应在检测线圈上设置宽度3-5米左右的禁停区域，以避免车辆排队较长时长期占用线圈，影响系统功能。第二种策略是人力投入,在ITACA控制软件的设置上提供了相关的可调试性功能，通过交通工程师的现场交通调查后，进行相关程序的调节。本地交通工程师认为这是ITACA控制系统的适应性之所在。

三、合理实践是ITACA系统效益不断优化的基础。

单点ITACA实时自适应交通信号控制方式，可有效减少绿灯空放现象，提高绿灯利用率，并且可以根据车道流量大小按需分配绿灯时间，能够最大程度地降低路口交通流的行车延误和排队长度，同时提高路口的整体通行能力和服务水平。在ITACA实时自适应区域控制模式下，按照最小延误原则优化信号配时。这里的"最小"是整个区域内总的延误最小，局部最佳时往往总体上并不是最佳。根据ITACA系统在新乡的实际运行效果，本地交通工程师认为其具有全感应和绿波控制的双重信号控制效果。

在ITACA实时自适应区域控制模式下，首先交通工程师要在ITACA中心软件中划定子区域并设置子区域计划。ITACA将每个子区域中所控制的路口视为节点，节点之间的同一流向的交通流称为链接(Link)。在每个信号周期内，根据本周期各个链接(Link)到达节点的交通需求，来更新网络中的交通模型。

链接（见图3）是自适应系统控制实现的基础，控制的质量完全取决与链接参数的正确描述。这要求交通工程师在设置过程中要认真分析影响参数设置的干扰因素，反复对设置参数进行实践检验，在实践中进步和完善。此外ITACA系统还提供给交通工程师许多可灵活设计和配置的功能，可以使交通工程师有发挥主观工作能力的空间。因此，只有通过交通工程师的合理实践，链接参数的设置才有可能与实际交通状况相符。

图3ITACA系统参数----链接记录图例

1.实时流量图表：显示以5秒钟为间隔,当前周期内此链接对应计数位置(检测线圈)提供的车流量的数值变化。数值是每秒车辆量。

2.实时占有率图表：显示以5秒钟为间隔,当前周期内此链接对应计数位置(检测线圈)提供的车流量时间占有率。数值是百分比。

3.实时排队释放图表：显示以5秒钟为间隔,当前周期内此链接对应实时车辆排队长度以及车辆排队的形成、发展、释放等变化过程。数值是车辆数量。

以上显示了此链接对应的流量，占有率及车辆排队释放的实时变化。实时队列长度以灰色显示在图形中，该灰色图形由前队列前端和后队列后端界定。两块灰色区域的面积表示后队列和前队列的整体延误。灰色区域的高度表示前队列和后队列的排队长度。前队列和后队列是绿灯开启后以计数位置(检测线圈）为界划分的。随着不断有车辆加入队列，队列的后端不断增加，随着到达计数位置(检测线圈）车流的实时变化，斜率也不断发生变化。信号一旦变成绿色，队列的前端进展到链接算法。其斜率为饱和流量。

根据新乡运用实践，在绿灯阶段有三种可能性会发生：

1.在绿灯时间结束之前，列队前方没有遇到列队后方。这表明在整个绿灯时间内该链接上的车辆不能完全放行，或者解释为红灯开启前链接点到停车线滞留的前队列车辆不能完全通过停车线，影响后列队车辆通过链接点。没有放行的车辆在绿灯时间结束后移至停车线后等待下一个绿灯时间，同时随着红灯时间开始，队列继续增加。在这种情况下，后队列的排队长度和延误在每一个周期都会增长直到链接饱和（链接在图表上终止检测器设置位。超出检测器的排队车辆不显示）。此状态下，就需要交通工程师重新调整链接相应参数的设置。

图4新乡市ITACA系统链接记录图---前后队列不相连

2.队列前后衔接。这代表在绿灯开启后的这个时间点，前队列停车数量较低，后队列此时到达。链接上没有静止的车辆--行车延误较小。此状态下，路口通行效率相对较高，相关链接间绿信比优化和相位差优化效果良好，车辆通行实现了效率流动，体现了实时优化的效果。

图5新乡市ITACA系统链接记录图---队列前后衔接

3.仅有后队列。这代表在绿灯开启后的这个时间点，前队列基本无停车数量，该链接对应车道基本清空，后队列车辆依次通过链接点（车辆检测线圈）。此时仅生成后队列排队模型。此状态下，该链接对应的车道放行效率达到最佳，行车延误达到最低，体现了小步长"交通三要素"不断优化技术的先进性。如果本路口所有链接均达到此效果，则该路口的交通服务水平是高质量的；如果区域内的所有路口均如此则区域智能交通自适应控制系统在新乡的运用是成功的。

图6新乡市ITACA系统链接记录图---仅有后队列