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  • 县级城市的信号控制升级与优化案例鉴赏

    2020-06-29 09:54:17 来源:its114.com 作者:科大研究院 评论:
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    近年来,我国智能交通发展迅速,在研究开发、集成应用等方面已经跻身国际先进水平,国内一二线城市大多已初步建成了具有国际先进水平的智能化交通管理系统。但随着全国机动车保有量的持续高速增长,一二线以外城市的交通拥堵现象日益严重,已阻碍了城市发展,影响到居民的生活质量。我国一二线城市以外的城市总量和人口总数均远大于一二线城市,所以就现阶段而言,这些城市的智能交通水平更能代表我国智能交通的总体发展水平。

    一、三四线城市智能交通建设的痛点

    目前,一二三线以外城市大多面临着城市道路基础建设相对较差、财政支持力度相对较弱等诸多制约因素。针对这些问题,如何“把好钢用在刀刃上”,用较少的财政投入打造整套行之有效的智能交通体系,达到国内领先水平,是城市建设者及交通管理者亟待解决的问题。我们经过长期的实地考察和对相关网络资料的分析研究,对一二三线以外城市智能交通建设的主要痛点总结如下:

    1、早晚高峰时段道路拥挤,信号配时不合理;

    2、路段平均停车次数多,低峰时段红灯等待过长;

    3、重大安保任务,为保障畅通,需投入大量人力物力;

    4、信号灯故障不能及时发现,引发群众不满;

    5、雨天道路湿滑,车辆行驶缓慢,交通易拥堵,缺少应对方案;

    6、智能交通建设投资大,且效果不明显。

    面对以上痛点,更兼诸多制约因素,县级城市的交通管控问题该如何解决?智能交通系统该如何实施?为此,我们对山东省多个县市区进行了深入地走访调研,分析总结了一些经验,下面以“金乡智能交通解决方案”作为案例,希望能提供一些有价值的参考。

    二、金乡县交通信号控制优化实施方案与成效

    金乡是千年古县,夏有缗国,秦设郡县,东汉更名“金乡”并沿用至今。金乡位于山东省西南部,隶属“孔孟之乡”济宁市,建成区面积23.9平方公里,人口20.6万,是闻名遐迩的大蒜之乡、诚信之乡、长寿之乡。

    金乡县经济的快速发展,带动机动车保有量大幅增长,交通压力越来越大。因为城区的交通信号机没有全面联网,设备智能化水平较低,缺少必要的车流量检测手段等原因,无法实现自适应、绿波协调、区域协调、特殊车辆优先等智能控制方式,导致城区车辆等待时间较长,停车次数较多,平均速度较慢,交通拥堵指数较高,执行特勤任务难度较大;再加上部分信号机安装时间久远,设备和线路老化严重,造成各种故障频发,维护更加困难。

    为改善交通拥堵状况,金乡县公安局决定立项投资800万元,向社会公开招标,该项目由山东科威达信息科技股份有限公司中标。该公司派遣经验丰富、技术一流的专业团队进驻金乡,在最大化利用现有设备设施的前提下,结合该公司的产品优势及行业经验,对每个路口进行深入的充分细致的实地勘察调研,通过对调研数据的整合研究分析,设计完成了全城150台智能交通信号机智能化联网、特勤控制和基于“两纵两横”智能交通车流量检测的整体升级改造解决方案,并且派驻专业运维人员,在项目服务周期内,保障所有设备正常运行。通过本项目的实施,极大地改善了金乡县城区道路交通状况。

    据了解,本项目解决方案由五个部分组成:对原有信号机改造升级、信号灯一灯一线改造、车流量检测统计分析、交通信号优化、大数据综合管控云平台及APP应用。

    1、信号机改造升级

    在最大限度使用原有设备的原则下,将城区路口的未联网信号机进行升级改造,并将部分路口的简易、老旧、不符合国标的信号机更换为“科威达智能云信号机”。

    2、信号灯一灯一线改造

     对路口的老旧线路,按照《GB14886-2016 道路交通信号灯设置与安装规范》的要求进行一灯一线改造,即:将每台信号灯的每路输出均使用独立的红、黄、绿、零四芯线接入信号机。通过一灯一线改造,每一台信号灯都实现了精准控制,智能信号机实现了精准的故障检测与报警。

    3、车流量检测统计分析

    在城区交通拥堵严重的“两纵两横”主干道的24个路口,安装267台地磁车流量检测器。利用车流量检测设备,实时计算每个路口的车道流量、车道速度、车头间距、车头时距、车道时间占有率、车道空间占有率、排队长度等道路交通动态数据,为交通信号优化提供支持;通过对车流量大数据的分析,还可以获得路网交通拥堵状态,发布诱导信息,引导出行者选择最佳出行路线,促进路网压力均衡,减少拥堵时间。

    image.png 

    图1 交通大数据的作用

    4、交通信号优化

    该项目完成升级改造后,按照“缓进快出”、“均衡路网”、“路口精准把脉”的原则,根据车流量大数据分析结果,以路口或路段的饱和流率、通行能力、交通条件、渠化条件等为参数,进行交通信号优化。主要的优化控制方式如下:

    (1)多时段定时控制

    依据车流量信息,获取路口交通流向、流量以及时空分布信息,结合SVM(支持向量机算法)、神经网络等智能算法,以分钟为单位划分出高峰期、平峰期和低峰期等多个时段,在此基础上又以日为单位划分出工作日、节假日和特殊日等多个调度计划。

    以“金珠路与奎星路交叉口”为例:我们从以下两个图中可以清晰地看到该交叉口一天之内的交通流量和流向流量的变化曲线,交通流量具有明显的高峰、平峰与低谷时段,直行、右转、左转的流向流量也存在明显的差异。

    image.png 

    图2 交叉口四个方向一天的车流量统计图

    image.png 

    图3 交叉口一个方向一天的流向流量统计图

    根据这些数据可将该交叉口划分出若干时段,如表1所示。

    image.png 

    表1 根据车流量变化和流向流量差异划分时段

    根据以上图表可以看出,高峰时段与平峰时段的配时方案不同,高峰期增加放行时间,从而提高了通行率,减少了拥堵时间。

    (2)单点自适应控制

    在早中晚交通高峰时段,车流量有明显上升或下降的趋势,为了适应车流量在这一时段的宏观波动,适合采用“单点自适应”控制方案,有效地缓解了高峰期顶峰时的车辆拥堵和爬坡时的绿灯空放严重等问题。

    以“金珠路与金山街交叉口”为例:原配时方案为东西全放行25秒、南北直行30秒、南北左转25秒;调整后,在早中晚高峰期采用单点自适应,增加放行时间,根据实时车流量信息,动态优化配时方案。

    (3)干线绿波控制

    实施公司派遣专业技术人员,通过采集各个路口的空间地理信息与交通数据,结合平均速度、路段距离等参数,对各路口的绿灯起止时间进行深算细算、精确调控。通过设置各交叉口的周期和相位差,使车流通过每一个路口时,能够“正好”遇到绿灯。从各道路交叉口的灯色来看,绿灯就像波浪一样向前推进,形成一道“绿波”。“绿波”方向上的车流,实现了一路畅通无阻,从而缩短行程时间,降低车辆能耗,提高通行效率。

    在本项目中,完成设置金珠路(青年路至新华路,跨7个交叉口)、文峰路(青年路至新华路,跨7个交叉口)、金山街(文峰路至金城路,跨5个交叉口)、奎星路(崇文大道至中心街,跨5个交叉口)、崇文大道(金山街至奎星路,跨2个交叉口)共5条路段的绿波协调控制方案。

    以“文峰路(青年路至新华路)”为例,平峰时段出城方向设置绿波协调控制方案前后的时距图对比如下:

    image.png 

    图4 文峰路绿波优化前后时距图对比

    根据交警部门统计,通过以上优化措施,金乡县城区道路通行状况得到了明显的改善:平均速度提高30%-40%,停车次数减少30%,平均延误减少35%,交通事故减少10%。

    在优化方案中利用单点自适应控制、绿波控制等控制方式,将金乡县整个城区的路口信号机由点到线,有线到面全部进行监控,形成了指挥控制中心管理下的一整套控制系统,即“区域协调控制”。

    “区域协调控制”是在充分利用现有的交通设施的基础上,依托先进的控制技术,对金乡县城区多个交叉口交通信号进行协调控制。通过“区域协调控制”,减少了目标区域内交通拥堵和交通事故的数量,提高了区域交通运输效率,缓解区域内交叉路口的交通流压力。

    5、“大数据综合管控云平台”及APP软件

    “大数据综合管控云平台”,综合运用云计算、大数据、人工智能、互联网、RFID、GPS、GIS等先进技术,结合当前交通控制领域中最先进的智能控制理论,利用先进适用的智能算法,为城市交通管理装上智慧大脑,有效地满足大中小不同规模城市道路交通信号控制的需求,实现城市道路交通管理网络化、智能化,提升通行效率,提高管理水平。

    本方案中将改造或更换的34处信号机通过有线或4G (5G)联网,接入“大数据综合管控云平台”。同时这些信号机可通过科威达自主研发的专用信号机配置APP——“e路通”进行远程控制。

    “e路通”是“大数据综合管控云平台”的移动端APP,主要有三个特色功能:一是可以远程控制信号机完成配时等操作;二是利用手机APP可以实现特殊勤务控制,三是可实时接收信号机故障信息,提高运维效率。

    金乡县治理城区交通拥堵初战告捷后,交通井然有序,下步将持续进行交通信号优化与升级,根据“一城一策”的设计原则,将整个城区的道路信息数字化,划分不同的子区域,通过中心控制与区域控制相结合的管理模式,实现城区交通信号各点、干线、区域乃至整个城区的优化协调,实现 “一座城市一张网”的宏观格局。

    金乡县智能交通建设堪称我国四线城市的典范,是济宁市智能交通发展有代表性的城市之一,具有重要的参考价值和推广意义。

    三、交通信号控制优化实例验证

    再以某市为例,目前,某市经济发展迅速,城区因多处道路整改扩建导致交通拥堵,市政府对此高度重视,通过公开招标,选择专业化的公司,对城区路口进行交通信号优化。该项目由山东科威达信息科技股份有限公司中标,该公司具备交通信号优化“钻石五要素”:专业团队、工作机制、路口基础数据规范、运行管理软件工具及配时计算软件工具。技术团队对主城区93个灯控路口进行了交通信号优化, 其中50个路口实现联网控制优化,其余43个路口实现交通信号单点配时优化。

    如何利用好现有的交通条件、信号条件,来提高灯控路口的通行能力显得尤为重要。下面我们以火炬路为例进行介绍。

    火炬路高架桥,跨越太白楼路和新石铁路,北端靠近火炬路与红星路交叉口,南端和火炬路与济邹路交叉口相邻,是连接主城区和太白湖新区的主干道。它的修建很大程度地缓解了太白楼路与火炬路交叉口的拥堵情况,但也使得火炬路与红星路交叉口成为进出城区的重要路口,交通流量很大,“潮汐”现象严重。技术团队采用合理的配时优化方法,提高了该交叉口的通行效率。

    火炬路与红星路交叉口晚高峰时段相位配时如下表所示:

    配时方案

    东西直行

    东西左转

    南北直行

    南北左转

    原配时方案

    40

    38

    40

    30

    现配时方案

    30

    35

    45

    30

    表2 火炬路与红星路交叉口晚高峰时段相位配时表

    调整相位配时后,使用无人机进行拍摄,统计出15分钟的车流量并进行数据分析,获得饱和度如下表所示:

    火炬路与红星路交叉口饱和度计算表

    时间:12月11日17:20至18:20

    序号

    流向

    东进口

    西进口

    南进口

    北进口

    1

    流量

    374

    333

    261

    140

    1220

    279

    1188

    95

    2

    通行能力

    553

    309

    553

    309

    1243

    264

    1243

    264

    3

    饱和度

    0.68

    1.02

    0.47

    0.45

    0.98

    1.05

    0.96

    0.36

    4

    原饱和度

    0.53

    1.05

    0.37

    0.44

    1.16

    1.11

    1.13 

    0.38

    表3火炬路与红星路交叉口饱和度计算表

    通过上表饱和度指数,我们可以看出南北直行处于饱和状态,东西直行相比原来更接近饱和状态。对比发现该路口的通行能力有了进一步的提高,相位配时更加合理。

    在城区交叉口交通信号优化实施过程中,技术团队按照“主干道-次干道-支路”的优先级,依据“尽可能保证同一方向时间占比一致”的原则,对城区交通信号进行了多轮次持续优化,实现了交通信号优化流程标准化、交通信号控制方案合理化、交通信号控制设备日常管理规范化等目标,切实缓解交通拥堵。

    四、持续关注县级城市信控升级与优化

    本文针对四五线城市快速发展中逐渐凸显的交通拥堵问题,以其当前交通信号控制智能化水平为基础展开分析研究。我们通过对国内大量三四线城市的走访调研,发现这些城市普遍存在交通建设投资不足、设备老化、智能化程度较低、交通拥堵日益严重等现象。我们通过对调研结果的分析,总结出适用于三四线城市的智能交通解决方案:

    对原有信号机改造升级、信号灯一灯一线改造、重点路口和路段车流量检测分析、交通信号优化、量身定制的大数据综合管控云平台及APP应用。

    该方案在较少投资的前提下,能够显著提升四五线城市道路交通信号控制的智能化水平,有效解决城市交通拥堵问题,对我国众多的四五线城市具有普遍的适用性。希望能为面临同样问题的城市交通管理者提供一份有价值的参考,共同探讨投资少、见效快的智能交通升级改造方案。 

  • 关键字: 信号优化
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