提高智慧交通全感应平交路口通行能力的实战及案例分析

鲜 亮,曾 胜,余智强

（成都市公安局天府新区分局交警支队,四川 成都 610000）

0 引言

该文以该辖区交通相对较为繁华的麓山大道为例，就如何根据交通流的变化，选用和配置实时可用的控制方式，利用中心智能化控制的交通信号控制，实现多种控制方式的交替融合，通过交通信号的控制实现路口通行空间和时间的最大化、最优化利用，缓解了交通设施智能化不足及交通数据不够完善等现实困难，全方位推动数据驱动的智慧交通落地进程，提升道路交通服务水平，改善城市居民出行体验，推动智慧交通进一步发展。

1 工程建设情况

“四川天府新区成都直管区数字城市建设2020—2021 年行动计划”智慧出行场景项目从2021 年开始建设，2022 年底进入试运行。项目选择在四川天府新区成都直管区交通较为繁华路段——麓山大道（11.9 km）和交通正在成形路段——科学城湖畔路（8.1 km），共计20 km 的路段上，完成35 个路口的智能化交通信号改造，布设海康威视智能交通信号机35 套、雷视一体机109 套、人行摄像机180 台，智慧交通信号控制平台一套，实现了上述两路段交通流全感应和信号灯的智能联网控制。

该文以该辖区交通相对繁华的麓山大道为例，从实战和案例出发，就如何根据交通流的变化，选用和配置实时可用的控制方式，如何实现多种控制方式的交替融合，以及如何通过交通信号的控制，实现路口通行空间和时间的最大化、最优化利用等，详细剖析、逐步推出解决的方案和最优化的途径，为基层交警部门提高智慧交通应用水平提供有益参考。

2 麓山大道现状

麓山大道东连龙泉驿区，西连双流区，是四川天府新区成都直管区东西横向交通的主干线之一。智慧化建设范围全长11.9 km，双向6 车道，共13 个路口，日平均通行量68.3 万辆/d。

项目实施前，麓山大道高峰期拥堵的路口有7 个，高峰期几乎都不能在一个绿信周期内排空路口，主要存在的问题如下：

（1）信号灯控制策略单一。例如：麓山大道二段麓山国际2 号门路口、麓山大道二段与万安路交叉口、麓山大道二段与白沙街交叉口等路口都是配置了一组信号灯控制策略，没有根据平峰期、高峰期的车流变化分别进行配置。

（2）部分路口行人过街通行时间不够。例如：麓山大道一段半山艾马仕路口、麓山大道三段白沙村路口。

（3）部分路口支路放行时间过长，存在空放状态。例如：麓山大道一段蓝山美树路口南北向。

（4）部分路口干路放行时间不够，通行车辆最少要等候2 个绿信周期才能通过。例如：麓山大道二段麓山国际1 号门路口、麓山大道二段与遂州路交叉口。

（5）部分路口左转、掉头车辆较多，致使路口左转掉头方向排行较长。例如：麓山大道二段中石油加油站路口、麓山大道二段麓山国际1 号门路口。

（6）整个路段建设发展较快，路段平均车流量在逐渐增加。2023 年2 月与2023 年4 月相比，路段平均车流量增加了10%左右。

（7）路段平峰期与高峰期的时间周期，工作日和周末（节假日）也有所差异。

3 麓山大道信号优化策略、步骤及成效

信号灯配时优化的整体目的是提升交通运行效率，即在保证满足交通需求的基础上，通过优化交通控制环节，节省出行时间、减少出行排放等。由于该系统在路面安装了足够的路面感知设备（雷视一体机、人行摄像机），故诸如行车数量、行驶速度、行人数量、行人过街时间等数据，都可以在系统中直观地提取[1]。

该系统平台提供了不同级别的控制方式，其中既有传统的策略控制（固定配时方案），也有较为智能化的感应控制（自适应控制）。经研究发现，该系统平台的感应控制并非全智能化的控制协调，其基本原理为先根据预设的相位绿灯最短时间进行绿灯操作，而后根据感应到的前端传感器状态来决定是否继续延长绿灯时间。故其基本功能是在策略控制的基础上，解决策略控制比较呆板、不能实时根据车流的瞬时变化进行调整的问题。其着眼点还是在解决单点控制的自适应，是策略控制的智能化强化。所以，在配置感应控制之前，还是要按照策略控制（固定配时方案）的配置步骤，率先完成交通流量的参数分析。

3.1 高峰/平峰时段的聚类分析

系统平台提供了多种数据查询功能，可以轻松获取每个路口的交通流量信息，通过数据汇总，具体如图1~2所示。

图1 麓山大道工作日交通流量汇总

图2 麓山大道休息日交通流量汇总

工作日交通流量高峰时段为7：00—9：30；16：00—19：00。

休息日交通流量高峰时段为8：00—18：30。

显而易见，麓山大道日均机动车流量在休息日（含周末和节假日）略高于工作日，但在出行时段分布上呈现的是两个完全不同的分布规律，在工作日有早高峰和晚高峰两个明显的波形分布，而在休息日只出现了一个波形分布，故在交通信号的设置上须分步实施。

3.2 信号灯周期推算

3.2.1 最短信号周期

最短信号周期，顾名思义就是满足交叉口通行能力要求所需要的周期时长底限值，通俗地讲就是一个周期内到达交叉口的车辆恰好能被放行完，既无滞留车辆，也无富裕绿灯时间。其计算方式如公式（1）所示：

式中，Cm——最短信号周期时长（s）；L——全部关键车流总的绿灯损失时间（s）；Y——全部关键车流总的交通流量比。

3.2.2 韦伯斯特最佳信号周期

韦伯斯特最佳信号周期以车辆总延误时间最小为标准，通过多次简化后，得到如下公式（2）所示：

式中，L——信号灯周期的总损失时间（包括有各绿灯时间的前损失、后损失及相位全红时间等）；Y——各关键相位关键车道的车流量比之和。

3.2.3 阿克塞立克最佳信号周期

在韦伯斯特最佳周期时长计算时，流量比不大于0.9，而流量比应小于饱和度，所以公式流量比大于0.9 时，公式不再适用，计算的延误越不正确，所以就需要用到第三个周期时长方法。

阿克塞立克最佳信号周期时长，将关键车流平均停车次数和延误时间合在一起作为评价配时方案的综合指标，其中综合指标最小的信号周期时长即为阿克塞立克最佳信号周期时长。其计算方式如公式（3）所示：

式中，K——关键车流平均停车次数h的加权系数，K又称为停车补偿系数，要使燃油消耗最少，K的取值为0.4；要使营运费用最少，K取值为0.2；要使关键车流总延误时间最短，K取值应为0；要使关键车流总排队长度最小，K的取值应为-0.3。各路口信号周期推算如表1所示。

表 1 各路口信号周期推算

3.3 干线协调信号配时优化

就麓山大道而言，系四川天府新区东西向的主干道，路段到达型路口有8 个，占路段路口总数的61.54%，并且还有一个行人过街路口（南北向不通行机动车），所以，提升东西向干线运行效率，减小东西干线通行方向旅行时间延误，保证非干线的南北向车辆及行人通行服务，是该次交通信号灯优化的主要目标。麓山大道各路口南北向行人过街时间估算如表2 所示，相邻路口信号周期时差推算（机动车）如表3 所示。

3.4 路段分级感应控制优化

行人过街感应控制如图3 所示。麓山大道全段，只有一个路口为行人过街路口，即南北向不通过机动车，只有行人和非机动车通过。对于这个比较特殊的路口，拟通过已建设的行人过街摄像机对路口等候过街行人进行检测，然后根据等候过街行人的数量，分级别对过街行人进行放行，若没有过街需求时，东西向常亮绿灯，确保东西向机动车的最大通行。具体如下：当发现1 名行人等候时，信号灯90 s 后切换放行；当发现2 名行人等候时，信号灯60 s 后切换放行；当发现3 个或3 个以上行人等候时，信号灯30 s后切换放行。

图3 行人过街感应控制

3.5 定周期分时段策略控制

在麓山大道，最终目标是实现全路段的感应控制（自适应控制），但就目前设备和系统而言，感应控制只能实现单点自适应的感应控制，故目前的感应控制只能解决单独路口瞬时变化车流的自适应变化，所以感应控制是定周期策略控制的延伸和补充，定周期策略控制是实现感应控制的前提和基础，故先行对各路口进行定周期策略配置[2]。

表 2 麓山大道各路口南北向行人过街时间估算

表 3 相邻路口信号周期时差推算（机动车）

3.6 感应控制策略的编辑和下发

在定周期策略控制的基础上，对麓山大道全段进行感应控制相位配置，使路口信号灯控制时长可以根据车流的瞬时变化和高平锋车流变化，自动延长相位的时长，同时也摒弃了高峰和平峰的分时控制，使主道车流通过更智能、更简捷。各路口感应相位配时情况如表4 所示。

表 4 各路口感应相位配时

3.7 优化后交通指标和成效分析

根据表5 所示麓山大道各交叉路口运行评价指标情况可得知：麓山大道全段实行感应控制优化后，平均延误时间由原来的18.97 s 减少到5.86 s，减少69.14%；道路通行平均饱和度由原来的87.68%提升到88.86%，提升率1.18%；高峰期平均停车次数由原来的每个路口2 次减少到每个路口约1 次，部分路口做到了无停顿通过；高峰期路口平均排队长度由原来的9 辆减少到2 辆；高峰期路口通行能力已基本满足通行需求，基本实现了全路段降低车辆旅行时间延误和提升干线运行效率的目标，同时对保障非干线车辆和行人通行需求和提升城市道路通行服务水平均进行了有益尝试，为主动式交通管理、智能化交通管理和交通数据分析与应用提供了切实可行的实践依据。

3.8 车辆全段平均通行时间对比

机动车辆通过全路段13 个路口（约12 km）的通行时间由原来的平峰期17 min 57 s，高峰期19 min 51 s，减少的平峰期14 min 8 s，高峰期15 min 52 s，通行效率约提升20%。

4 结论

随着城市社会经济持续快速发展，城镇化进程不断加快，居民出行交通需求增长迅猛，机动车拥有量不断增加，道路系统趋于饱和，而交通设施建设不够完善，导致交通供需矛盾突出。为切实解决城市交通拥堵问题，在交通管理方面，应该以整体感知为基础，积极推行全域联网、集中运算、中心智能化控制的交通信号控制方法，努力克服交通设施智能化不够，交通数据不够完善等现实困难，全力推动数据驱动的智慧交通落地进程，为提升道路交通服务水平，提高城市居民出行体验，作出应有的贡献。该文所述实战案例，是智慧交通建设中基层应用的有益实践和逐步渐进的实现方法步骤，可以为类似的交通信号灯感应控制提供实战经验。

表 5 成效－麓山大道各交叉路口运行评价指标