HiCon交通信号控制系统的控制算法及应用

HiCon交通信号控制系统的控制算法及应用
张本令汪志涛管德永
一、引言
交通信号控制是交通工具现代化的产物。

在平面交叉口，为了把可能发生冲突的车流从时空上分离，必须通过交通信号对交通流进行有效的引导和调度。

1868年，英国伦敦安装了世界上第一组交通信号灯。

1914年以及稍晚一些时间，美国的一些城市也出现了交通信号灯。

1963年，加拿大多伦多市建立了一套由IBM650型计算机控制的交通信号协调控制系统，这标志着交通信号控制技术进入了一个新的发展时期。

该系统第一次把计算机技术用于交通控制，大大提高了控制系统的性能和水平。

在此之后，美国、英国、澳大利亚、法国、日本等国家相继建成以计算机为核心的区域交通控制系统。

上个世纪七八十年代，中国开始了研究和开发交通信号控制系统，并且得到了应用，但这些系统没有充分考虑中国的复杂的交通特征，所以应用效果不好。

为了解决上述问题，我公司开发了实时自适应交通信号控制系统HiCon，该系统充分考虑国内城市的复杂特征，同时借鉴了国外交通信号控制系统的成功经验，从目前在福州的应用效果来看，系统的控制效果比较理想。

二、HiCon交通信号控制系统简介
2.1 系统结构
HiCon交通信号控制系统是我公司自主研发的适合复杂交通特征的控制系统，系统采用的是多层次分布式控制结构，结构如下图所示，控制结构共分为四层：
（1）控制平台层：提供与其
它系统以及平台的接口；
（2）控制中心层：具有管理、
控制、监视等功能，同时还能处理、
保存、查询交通信息等功能；
（3）通信层：能够采用多种
接口实现通信功能；
（4）路口层：具有控制、采集、存储等功能。

系统提供的产品主要有包括中心软件和配置软件等软件产品，还有系列信号机和检测器等硬件产品。

2.2 系统算法概述
HiCon系统具有完整的算法体系，包括区域协调控制算法、感应式协调控制算法、行人二次过街算法、城市快速出入口与城市路口的协调控制算法以及突发事件的检测算法，这里只简要说明其中的区域协调控制算法、城市快速出入口与城市路口的协调控制算法和突发事件的检测算法。

2.2.1 区域协调控制算法
交通信号控制的三要素是周期时长（Cycle）、绿信比（Split）和相位差（Offset）。

交通信号控制系统的区域协调控制算法通过实时优化上述三个参数，实现对控制子区的合理控制。

HiCon系统区域协调控制目标是：
A.实现高峰时段最大的路网通行能力；
B.实现平峰时段最小的车辆停车延误；
C.实现低峰时段最少的停车次数。

D.系统对三个控制要素的优化过程说明如下。

（1）信号周期
信号周期的优化依据是交通强度，交通强度是本系统的一个独特概念，它表示交叉口的交通负荷，是本系统优化周期的依据，信号周期的优化过程如下图所示。

图1 信号周期优化过程
（2）绿信比
交叉口的绿信比是根据交通信息和信号周期进行优化的，其过程如下图所示。

图2 绿信比优化过程
（3）相位差
交叉口的相位差是根据交通信息、信号周期和绿信比进行优化的，其过程如下图所示。

图3 相位差优化过程
2.2.2城市快速出入口与城市路口的协调控制算法
HiCon系统的快速路控制算法比较完善，包括单个出口、单个入口、成对出入口、出口与城市路口的协调、入口与城市路口的协调等控制算法。

由于篇幅有限，本文仅介绍快速路出口与城市路口的协调算法。

快速路出口与城市路口的协调控制的目标：保证出口匝道与辅路车辆满足交通需求，保证车辆排队长度不至于堵塞出口匝道。

快速路出口与城市路口的协调控制的算法过程描述如下：
（1）辅路按照自己的周期、绿信比运行，当辅路流量较大时，车辆排队到达一定阈值，在路口周期时长不变的条件下，调节路口关键相位的绿灯时长。

（2）调节后，红灯期间车辆排队仍会阻塞出口，调节路口周期时长，同时调整关键相位的绿信比。

（3）如果上述调节效果不理想，说明出口匝道离交叉口距离太近，采取排队长度到达一定阈值截止辅路车辆的措施，保证出口匝道车辆排队不至于上溯到主线而导致快速路主线拥堵。

2.2.3 突发事件检测算法
突发事件的判断过程说明如下：
（1）通过检测器传输到控制中心的一分钟流量、速度和时间占有率数据计算得到每一断面的每辆车平均占有时间。

（2）若每辆车平均占有时间小于阈值，则说明没有发生拥挤，系统不进行处理。

（3）第i检测站t时刻每辆车平均占有时间值大于阈值，则说明发生拥挤，发出拥堵信号。

拥挤是由所在第j断面下游造成的。

（4）判断第i检测站t时刻和其下游第i+1检测站的速度差是否大于阈值，若是则进一步确认拥挤，并可能发生事件。

（5）判断第i检测站和其下游第i+1检测站在t和t-1时刻速度差的差值是否大于阈值，若是则进一步确认拥挤，并可能发生事件。

图4 突发事件判别过程
三、HiCon交通信号控制系统的应用
2003年，HiCon交通信号控制系统研发完成，信号机通过了国家公安部无锡所的检测，检测标准是《国家道路交通信号机GA47-2002》，信号机嵌入式软件通过了国家软件评测中心的NTCIP符合性测试。

2003年年底，公司成功中标
青岛市黄岛区和龙口市交通信号控制系统，从此拉开了海信交通信号控制系统进军市场的序幕。

到目前（2007年7月）为止，我公司已经在北京、福州、青岛、厦门、烟台、威海、淄博等城市建成了交通信号控制系统。

3.1 福州交通信号控制系统
3.1.1 交通概况
五一五四路是福州市的主要干道，流量大，道路的截面小时流量为4000多辆，道路的饱和度为0.9，五一五四路上各路口的流量分布如下图所示。

图5 六个路口北进口的流量分布图
3.1.2 控制方式
五一五四路采用的控制方式为区域自适应优化控制方式，算法采用的是区域控制算法。

3.1.3 控制效果
根据交通调查数据显示，从湖东路口（该路口未列入协调子区）至台江路口的早、中、晚行程时间比定方案单向绿波协调控制时都有所缩短，比2006年未进行信号协调控制之前有明显的改善，特别是平峰、晚高峰时段效果尤为明显。

（1）湖东至台江路口行程时间对比
表1 行程时间比较
信号未协调前 15分26秒 20分08秒 20分
定方案绿波协调平均行程时间 14分52秒 14分40秒 16分16秒
自适应绿波协调平均行程时间 14分39秒 12分29秒 15分40秒
（2）湖东至台江路口停车次数对比
表2 停车次数比较
（3）国货子区战略路口流量对比
图5 国货子区战略路口流量对比
3.2北京快速路交通信号控制系统
3.2.1现状
北京市快速路包括四条环路：二环、三环、四环和五环，10条快速联络线道路，快速路总里程占市区道路总里程的18%。

目前快速路最大的问题就是：快速路不快，主要表现在：
（1）交通负荷繁重，平均日高峰普遍>10小时；
（2）高峰期间交通拥挤（断面平均统计速度<40km/h）、交通阻塞（断面平均统计速度<15km/h）现象比较严重；
（3）对于一些早期建设的简易苜蓿叶式、环岛式立交桥，由于引道转弯半径比较小，入口与出口之间的距离较近等原因，通常在高峰期间会形成比较严重的瓶颈效应；
（4）很多局部路段成为政治、文化、旅游以及重大社会活动（包括2008奥运会）的主要勤务路线和交通集散通道。

3.2.2控制方案
针对北京市快速路的特点和每个出口、入口的不同，分别采取不同的控制方式，比如方案选择控制、实时优化控制和协调控制。

3.2.3系统控制效果
快速路系统的不同控制方式下，主路上游控制效果。

表4 主路上游控制效果
方案选择实时优化时间不控制
速度（km/h）提高 速度（km/h）提高6:30～7:00 30.78 31.24 1.49%33.46 8.71% 7:35～8:05 27.62 30.52 10.50%33.04 19.62% 8:05～7:35 21.85 31.83 45.68%34.31 57.03%
总计26.75 31.20 16.62%33.60 25.62% 快速路控制前后的出口车辆速度对比。

表4 快速路控制前后的出口车辆速度对比表
时间不控制方案选择速度提高百分比
16:30～17:00 12.13 16.87 39.08%
17:00～17:30 8.88 17.73 99.66%
17:35～18:05 11.78 16.93 43.72%
18:05～18:35 9.36 17.62 88.25%
总计10.39 16.23 56.21%
3.2.4事件检测效果
北京快速路交通事件检测算法测试结果如下表所示。

从表中可以看出交通事件检测算法准确率较高，约91%，如果统计拥堵和行驶缓慢的综合事件，准确率约96%,可以较好地检测偶发性拥堵。

表5 交通事件测试结果
序号 项目数量比例%
1 拥堵48 90.6
2 行驶缓慢（时速低于5公里）
3 5.7
3 顺畅 2 3.7
4 合计53 100。