基于线圈检测的过饱和交通状态判别

第４１卷第８期２０１３年８月

华南理工大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖ０１．４１Ｎｏ．８

Ａｕｇｕｓｔ２０１３

文章编号：１０００－５６５Ｘ（２０１３）０８—００９３－０６

基于线圈检测的过饱和交通状态判别木钱枯徐建闽（华南理工大学土木与交通学院，广东广州５１０６４０）

摘要：信号控制交叉口的过饱和交通状态判别是进行交通拥堵管控的前提与基础，文中利用线圈检测数据，运用交通波理论，从交叉１：２绿灯结束滞留排队长度和下游交叉１：７溢流两个方面判别过饱和交通状态．针对绿灯结束滞留排队长度，定义了排队消散系数，提出利用排队消散系数判别交叉口过饱和交通状态；针对下游交叉口溢流，定义了溢流阻滞系数，提出利用溢流阻滞系数判别过饱和溢流现象．最后，通过算例说明：根据线圈检测数据，通过计算排队消散系数和溢流阻滞系数可以准确、有效且快速地判别过饱和交通状态．关键词：过饱和交通；状态判别；滞留排队；交叉口溢流；线圈检测中图分类号：Ｕ４９１．５＋４ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－５６５Ｘ．２０１３．０８．０１５

随着经济的飞速发展，汽车保有量迅猛增长，城市交通问题不断加剧，特别是在大城市，过饱和交通拥堵已经成为常态．过饱和交通拥堵以及随之而来的环境污染及能源短缺等问题已经成为影响城市发展和市民生活水平的重大问题，对城市过饱和交通状况的研究已经成为重中之重．研究过饱和交通问题，首要的是判别过饱和交通状态．在国外，Ｔｕｂａｉｓｈａｔ等¨五１认为可以利用智能交通系统中的无线传感网络检测得到的数据判别交通状态；Ｈｅｒｒｅｒａ等口１提出可以将手机的ＧＰＳ数据用于交通数据分析，通过对这些数据的预处理分析来判断交通状态；Ｂａｃｏｎ等Ｍ１提出利用实时的道路交通数据可以评估路段的交通拥堵程度．在国内，关伟＂ｏ提出了同态度量指标、时空差异度指标等新指标，并指出可运用这些指标定性判断交通系统的状态；林瑜等Ｍｏ提出了间断流阻塞度概念，并使用行程速度和排队长度作为指标模糊量化判断交通状态；姜桂艳等＂３则以ＳＣＯＯＴ系统线圈检测器采集得到的交通数据为基础，设计了基于模糊聚类的道路交通状态实时判别算法；过秀成哺。系统地总结了城市道路交通运行状态分析的方法；卢凯等一Ｊ叫利用交叉口进口道的车辆到达一驶离图，根据行驶车队头车到达下游交叉口的情况判别是否为过饱和交通状态；马万经等…１认为判断过饱和状态的方法可分为基于本交叉口交通流数据的基本方法以及基本方法的改进方法等；郑淑鉴¨２１则提出通过检测路段排队车辆是否蔓延到上游交叉口来判断是否为过饱和交通状态．现有的研究基本上都是定性地判别过饱和状态，而没有给出量化的算法公式去判别与分析过饱和交通状态，且通过检测线圈数据去分析研究的也较少．因此，文中基于线圈的检测数据提出定量化判别过饱和交通状态的方法，利用检测线圈的检测数据（交通流量、时间占有率和车头时距等）鉴别与分析交通状态．

１滞留排队长度预测模型如图１所示，假定在过去的信号控制周期（第ｎ个周期）里没有排队车辆，在该周期（第ｎ＋１个周期）的红灯启亮时刻，车辆开始排队等候，形成以速度为秽。的停车波向上游蔓延，在乃时刻排队车辆

收稿日期：２０１３—０７—１０｝基金项目：广东省重大科技专项（２０１２Ａ０１０８００００７）作者简介：钱拮（１９７８一），男，博士生，高级工程师，主要从事交通控制研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｉａｎｚｌ９７８＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ

万方数据华南理工大学学报（自然科学版）第４】卷蔓延到检测器位置（设检测器离进口道距离为Ｌ。）并继续向上游方向排队．在Ｔ。ｒ．时刻红灯结束绿灯启亮，车辆开始启动通过停车线，此时，形成以速度为”：的起动波向上游传播，设起动波到达检测点的时刻为ｎ．当停车波与起动波传播到同一个地点时，排队长度达到最大值簖“，设该时刻为砑…．随后，排队车辆将以速度为如的消散波开始消散，设消散波经过检测点的时刻为ｒ．，绿灯的结束时刻为

砰＋．，则一般有Ｔｃ＜砰¨当绿灯结束时，车辆又开始积累排队，此时形成的停车波以速度为＂。向后蔓延．消散波与停车波的相遇点即为此周期滞留的排队长度，对于整个周期而言，该排队长度是本周期里最小的排队长度，记为砰”．此后，若车流保持相同甚至大于该周期的流率，则车流将不断地重复着这个过程．从图１中可以看出交通波速度线与检测点的位置有明显的３个交点，其中，‘４点表示红灯时段车辆排队蔓延到检测点的位置，口点表示启动波传递到该位置，即停在检测点位置的车辆开始启动加速通过交叉口，Ｃ点表示排队长度最大时车队队尾的车辆已经行驶到检测点的位置．对于这３个点，可以通过检测器的检测数据分析得到，如图２所示，当车辆能够以一定的速度通过检测器时，占用时间都较小，但当车辆缓慢通过检测点甚至停滞在检测点位置上时，则占有时间都较大，分析可以得到占用时间陡增转变点即为上述Ａ点，占用时间陡降转变点即为Ｂ点．车辆间的车头时距分析如图３所示，同理能分析得到转变点４和Ｂ，同时可看出，在绿灯时间的前一部分车辆以饱和流率连续通过检测器，车头时距较一致且都偏小，在绿灯时间的后部分车辆问断地通过检测器，车头时距时大时小，说明车流以自由流的状态间断通过检测点，ｃ点即是饱和流和自由流的转变点．

］厂图１存在Ｃ点的滞留排队长度预测Ｆｉｇ．１ＲｅｓｉｄｕａｌｑｕｅｕｅＬｅｎｇｔｈｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｗｈｅｎｐｏｉｎｔＣｅｘｉｓｔｓ

｛星

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图３存在Ｃ点的车头时距分布Ｆｉｇ．３ＴｉｍｅｇａｐｐｒｏｆｉｈｌＩ）ｅｔｗｅｍＩｃｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅｖｅｈｉｃｌｅｓｗｈｅｌｌ

ｐｏｉｎｔＣｅｘｉｓｔｓ

由交通波理论可知，在路段的不同断面上，交通状态ｌ（ｑ，，矗。）和交通状态２（ｑ：，ｋ：）之间的交通波传播速度为

９１一ｑ２＂＝——后ｌ一南２由检测器可以得到转变点Ａ、Ｂ、Ｃ的交通参数

（ｑ，后），因此秽．、秽，、＂，可由式（１）计算得到．对于在交叉口附近的检测器，交通波波速与信号周期及相位的绿信比有关．例如在相同绿信比的情况下，周期大则单位周期时长内通过的车流量ｑ较多，由式（１）可知波速将有所不同（此涉及到信号控制交叉口下的交通波理论，在此不深入研究三者的量化关系）．其中，当停车波与起动波相遇时的最大排队长度为Ｌｍ“＝Ｌ。＋（ｒｃ一７１日）１）２＂３／（口２＋＂３）（２）排队长度达到最大的时刻为Ｔ，ｍ“＝Ｔ８＋（Ｌ：“１一Ｌ，）／”２（３）在绿灯结束时刻，进口道并不一定有排队车辆，当没有滞留排队车辆时，则有Ｌ：：１“／∥３＋■”“＜砰＋Ｉ（４）当有滞留排队车辆时，则有Ｌ：“。／秽３＋７＇，ｙ。≥７＇ｊ＋．（５）滞留的排队车辆为该周期的最ｚＪ，ａｌ；队长度，排队长度为￡：…１＝（Ｌ：“、／２，３＋一””一砰＋１）Ｖ３秽４／（”３＋Ｖ４）（６）最小排队长度对应的时刻为

万方数据第８期钱酷等：基于线圈检测的过饱和交通状态判别ｒｍ…＝ｒｇ＋ｌ＋甜“／秒４（７）

当交通拥堵非常严重时，在绿灯时段里车辆将一直以饱和流率通过交叉口，此时，并不存在着交通转变点ｃ，如图４—６所示，利用公式将无法再计算最大排队，但通过检测器可以测量出绿灯时间经过的车辆数，因此，当Ｃ点不存在时，最大排队长度的计算公式为Ｌｍ“＝ｌｓ．ｐＮ＋Ｌ。（８）式中：Ⅳ为该周期里经过检测器的车辆数；ｆ。为在饱和条件下车辆间的车头间距，假定该值为一个已知的固定常数．排队长度最大时的时间点为Ｔ。ｍ“＝巧＋Ｌ？“／＂２（９）式中，巧为第凡个周期红灯的结束时刻．１口口五『－一态≯擂口口且器口ｆ／”江ｊ，，‘ｍｉ弘”’口￡、口卜．／％删／卉４ｊｌ口口ｉ乃％豫。（ｎ）矸”“］厂图４不存在Ｃ点的滞留排队长度预测Ｆｉｇ．４ＲｅｓｉｄｕａｌｑｕｅｕｅｌｅｎｇｔｈｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｗｈｅｎｐｏｉｎｔＣｄｏｅｓｎｏｔｅｘｉｓｔ迂星耋稚嚣《壬也攥讲时Ｉｉ日／ｓ图５不存在Ｃ点的车辆占用检测器时间分布Ｆｉｇ．５ＴｉｍｅｐｒｏｆｉｌｅｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｏｃｃｕｐｉｎｇｔｈｅｄｅｔｅｃｔｗｈｅｎｐｏｉｎｔＣｄｏｅｓｎｏｔｅｘｉｓｔ｛强盏＿；；｝（＊时ｆ＠ｓ图６不存在Ｃ点的车头时距分布Ｆｉｇ．６ＴｉｍｅｇａｐｐｒｏｆｉｌｅｂｅｔｗｅｅｎｃｏｎｓｅｃｕｔｉｖｅｖｅｈｉｃｌｅｓｗｈｅｎｔｈｅｐｏｉｎｔＣｄｏｅｓｕ’ｔｅｘｉｓｔ消散波的速度”，无法用交通波理论的公式求解，但可用以下公式求解：秒，：竺坐笠旦（１０）’碍＋ｌ—ｒａｉｎ（巧”‘）、７绿灯结束后，若有滞留车辆，则在下一个周期的绿灯时间里，必须有一部分绿灯时间用于消散排队车辆，对于该周期而言这一部分时间等同于未被有效利用，因此，可用排队消散系数丁。。托来衡量过饱和状况，指标计算公式为

Ｔ。。ＩＰｘ＝澄鱼主牺越堑逝益堡虹时间一周期内绿灯时间一

笠二纽型×１００％（１１）

￡（：式中州ｔ表示周期内的绿灯时间，ｈ表示饱和状态下

的车头时距．通过排队消散系数可衡量交叉口是否处于过饱和状态：当Ｔｍ。＞０时，交叉口处于过饱和状态；当Ｔｍ、＝０时，交叉口处于非饱和状态．

２上游交叉口溢流预测模型在交通拥堵情况下，下游交叉口的溢流也是交通过饱和的表现．利用交叉口进口道的检测器，可以有效判断溢流现象：当检测器长时间被占用时，表示排队车辆溢出检测点，但这种现象又是由两种原因造成的，一种是在红灯时段时，交通流量较大，另一种是下游交叉口溢流．第二种现象是交叉口过饱和导致，可作为交叉口饱和的一种判断．通过以上分析可知，当检测出排队车辆溢出检测点时，还需区别两种现象方可判断交叉口过饱和．如图７所示，ＥＦ段是由红灯时间造成的排队车辆溢出，而ＳＫ段是由下游交叉口溢流造成的．Ｅ点和Ｆ点的时间点分别为ＴＦ＝砰＋Ｌ／口２（１２）ＴＦ＝一十￡／秽２（１３）式中，矸为第ｒ１个周期绿灯的结束时刻．

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图７排队车辆溢流现象分析Ｆｉｇ．７Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｖｅｈｉｃｌｅｑｕｅｕｅｏｖｅｒｆｌｏ＇Ｉ＾，

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