张福生：多个视角看感应控制
科技
2024-10-30 17:32
北京
在各种信号控制模式中，感应式信号控制的最大特点在于可以通过设计灵活多样的控制逻辑，将交通管理者以及交通工程师的控制意图落实到实际控制应用中，以适应多样的路口形态与交通流运行特性。感应控制的不同控制逻辑组合，可以满足各种控制目标需求，其中既包括改善安全、提升控制效率，也包括实现路口交通资源公平分配、保障路口通行时间可靠性，还包括实现交通舒适以及降低污染排放的目标。所有这些目标都可以通过将信号运行状态、交通检测状态、交通流统计数据，以及合理的信号输出方式与交通检测器布局的组合来实现。掌握了感应式信号控制参数的核心含义与工程应用方法就可以灵活实现各种控制目标。以下仅从几个常用的感应控制参数含义开始、结合感应控制场景进行入门级的介绍。通常情况下，当某个交通检测器检测到交通需求时，对应的信号相位就具备了启动的前提，相位启动后至少要运行一段最短时间，也就是通常所说的相位最小绿灯时间。早期的感应控制方法中，最小绿灯时间通常是以保障安全为目标的，考虑的因素包括：驾驶人的心理预期、认知反应时间，以及保障行人的安全通行时间等。随着交通检测技术的发展，可以通过检测绿灯开始时刻初始车辆排队长度、后续可能生成的连续排队、停止线处通行能力，综合计算动态初始最小绿灯时间，以达成初始排队清空的目标。具体应用中，与传统感应控制中固定不变的最小绿灯时间概念不同的是，现代感应控制可以综合考虑路口时空特性（如路口展宽段长度等因素带来的通行能力变化等），达成安全、效率综合最优的目标。这是一个最容易被误解的感应控制参数，很多不合格的交通信号工程师将其错误理解为一个相位绿灯可持续的最长时间。经典的感应控制最大绿灯时间的定义是：当冲突相位存在交通需求时，当前绿灯相位还可以继续保持绿灯状态的最大时间。从另外一个角度理解就是，当路口时间资源存在竞争性需求时，当前的资源占有方即使有持续的源源不断的交通需求，也必须在指定的时间（最大绿灯时间）内结束，以保障其他有冲突方向的交通需求得到公平的响应。见图1。正确合理的最大绿灯时间参数可以带来多个方面的益处。首先，保障了交通公平性，防止某一交通流向无节制占用路口资源的情况，使得各个冲突方向均可以在可容忍的时间范围内得到信号服务；另一个角度上看，就是约束了无路权流向的最大延误。其次，通过将最大绿灯时间、入口道排队空间、交通流到达率等因素相结合，还可以有效防止排队溢出、导向车道短车道干扰现象的发生。对于交通流到达特性波动较大的路口，可以通过动态调整最大绿灯时间的方式，灵活响应交通需求的变化。在具体应用中，既可以依据时间计划表定时调整最大绿灯时间；也可以根据最大绿灯时间触发情况进行动态调整，如果连续多个周期因达到最大绿限制引发相位结束（通常称之为最大绿退出MaxOut），则可以适当增加最大绿灯时间；连续多次因交通流稀疏造成相位结束（通常称之为间隔超时退出GapOut），则可以动态降低最大绿灯时间。在NEMA TS-2、NTCIP1202以及STM信号配时手册中对此类功能均有详细说明。灵活使用最大绿参数，是最大限度降低延误、实现公平与效率均衡的有效手段。![]()
图1 最大绿灯时间在设计传统定周期控制配时方案时，交通工程师通常关注路口不同时段、不同流向的流量统计数据，包括日均交通量、小时流量、15分钟流量、高峰小时系数(PHF)等，并以此为依据计算信号周期、绿信比、设计信号相序、划分时段计划等。与定周期控制不同，感应式信号控制更关心实时的交通检测状态。包括检测器所覆盖区域当前是否有车辆（也可以是行人、非机动车）的存在、存在的持续时间、前后车辆间隔时间等。通过建立检测状态与对应信号相位的关联关系，根据检测器状态变化分析交通流运行规律，实现相位的请求、启动、时间扩展以及在适当时机结束相位。因此，选择检测器类型、设计检测器位置与检测区域范围就成了影响感应控制运行效果的关键因素。在具体实践应用中，可以根据交通控制场景，通过设置检测延时等参数实现交通行为判别、特殊交通需求分类等应用；还可以通过多个检测器状态与信号运行状态的逻辑运算实现灵活多样的控制应用。常用的交通检测布局（图2-2）包括，A远端检测器、S停止线检测器、C通过停止线检测器、Q排队检测器、P行人检测器、B自行车检测器、E出口检测器。![]()
图2 常见交通检测器布局经典的感应控制逻辑是：某个相位启动后，当检测到连续车辆到达时，相位时间会按照预定的步长延伸，如果车间时距超过了设定的理想间隔时间，则相位终止。从这个意义上看，相位扩展时间本质上控制了信号绿灯时间的“利用效率”，当利用率较低时（车辆间隔较大），相位会被终止。但在实践应用中，某些场景下我们希望能够动态调节这个“利用效率”。比如，当冲突方向没有竞争性需求时，即使到达车流稀疏，也不希望相位终止；但是，当冲突方向存在需求时，希望当前放行方向必须保持相对比较高的车流密度才能持续获得绿灯资源。这种情况下，就需要根据其他一些辅助的控制参数来动态调节相位扩展时间，以实现“流量+密度”的综合控制目标。见图2-3。![]()
图3 流量密度控制（引自NCHRP 812 Signal Timing Manual）另一个更复杂的情况是，当某一信号相位同时控制多条车道（甚至是不冲突的多个流向）时，分布在多条车道上的检测器会交替或并发产生相位延伸请求，由此可能带来总信号利用率损失的情况，如何解决这一问题是对交通工程师的一个挑战。具体实现上可以采用关键车道法、综合效率计算评价法、多检测器逻辑组合法等多种方法进行应对。因为涉及到许多复杂的算法问题，在此不多赘述。谈到感应控制时，常有一种误解：认为所有的交通流向都需要设置交通检测器，一方面通常是很难做到的事情，另一方面实施成本也非常高昂。实际情况是，在一个感应控制的路口，对相位的请求并非一定来自真实的交通检测器。一个功能完备的交通信号机，可以设置多种相位需求、扩展模式，包括通过配置参数设置默认相位请求，实现对某些主要相位持续的交通需求；交叉相位请求，实现一个相位的各种状态（启动、延伸、结束）自动关联生成对另一个相位的请求；多入请求，某一检测器的状态同时生成对多个相位的请求状态；定时器请求，由信号机内部的定时器定时为某些相位生成请求；逻辑组合软请求，通过预定义的逻辑计算规则，生成相位请求等等。鉴于感应控制对随机到达交通流的敏捷响应能力，通常我们只需要对次要交通流向（如主路左转、次路到达等）设置检测器，就可以实现灵活的控制效果。而对于主要交通流方向，可以通过上述的方法选择请求方式即可。通过对主要交通流方向设置默认请求，并持续生成扩展请求，可以保障在次要交通方向无需求时快速将信号状态切换到主要交通流方向，保障主要交通流通行效率最大化。具体实践中，结合次要流向的排队检测器检测区间以及剩余车辆情况，合理优化次要方向间隔时间。可以保障次要流向排队快速清空与整体延误最小的双重目标。检测器布局如图2-4。对于某些由于交通流速度较高、安全视距不良的路口，可以利用感应控制手段改善路口的安全态势。其中最常用的方法就是“全红即绿”。具体的方法是，信号控制路口各方向的信号灯常态下均保持于红灯状态，驾驶人看到信号红灯时会降低速度抵近路口。通过在适当位置设置车辆检测器，检测车辆到达后，再输出绿灯信号。由此实现限制车速，改善安全的目标。在具体实践中，可以结合路口进口道的空间几何特点、限速要求合理设计检测器位置、范围。也可以利用速度检测器选择合理车速范围作为产生信号请求的条件。![]()
图4 感应控制中的排队检测（引自 NCHRP 812 Signal Timing Manual）在很多主次分明的交叉路口，次要道路入口车道只有一条。到达路口的车辆流向由左转、直行、右转三种流向构成。如何区分不同流向需求，防止错误感应请求，对于改善路口控制灵活性与提升控制效率至关重要。一个功能完备信号控制设备，应具有检测延迟功能，即，只有当检测器持续检测到车辆存在时，才对指定相位产生请求。小于延迟时间的检测状态将被忽略。由此我们可以区分右转通过车辆与直行左转等待车辆。如图2-5。某些场景下，我们也可以利用检测延迟方法实现次要道路车辆组队控制、路口死锁控制、右转保护控制等多种场景应用。![]()
图5 检测延时的应用案例统计数据表明，与无信号控制路口相比，尽管信号控制可以降低路口交通事故的严重程度，但是在事故总量方面，并没有明显改善，甚至某些种类的交通事故还会呈现上升趋势。其中最明显增加的就是追尾事故。由于不同驾驶人的认知反应时间、驾驶心理、驾驶行为等因素的差异，在信号绿灯结束后的黄灯期间，不同的驾驶人会做出不同的选择。这个选择往往与车辆距离路口的距离，以及车辆运行速度相关。在距离路口很近的位置，所有驾驶人都会选择通过路口；在距离路口很远的位置，所有的驾驶人都会选择停车。但是在某段区间内，不同的驾驶人会做出不同的反应，其中最糟糕的情况是前车选择停止，而后车选择通过，信号路口大多数追尾事故均由此产生。这种就是常说的“第二类黄灯困境”，路口交叉道路限速越高，此类问题越严重，研究表明通常这段区间在距离路口2.5秒到5.5秒的区间。利用感应控制基本原理，结合完善的工程设计可以有效治理由于第二类黄灯困境带来的安全问题。通过合理设置检测器，可以检测绿灯即将结束时困境区段的车辆存在，并通过微调相位结束时间点，保障困境区清空，进而提升路口安全。此方法对于改善入口车道速度较高、大型货运车辆与小型车辆混行、或长下坡入道方向的交通安全十分有效。见图6-1、图6-2。![]()
图6-1 第二类黄灯困境（引自 NCHRP 812 Signal Timing Manual）![]()
图6-2 第二类黄灯困境区检测（引自Traffic Detector Handbook）存在于教科书中的感应控制功能看起来都很简单，无外乎几个基本控制参数的配置。但如何动态生成、灵活使用这些参数，并将其与信号控制工程设计相结合以适应复杂多样场景化的应用需求，这对于交通工程师是一个巨大的挑战。另一方面，面对纷繁复杂的个性化需求，如何对交通控制功能进行足够的归纳、总结与抽象，设计出具有高度灵活功能组合的控制产品（而不是靠场景堆叠、版本填坑满足需求），对于产品开发者也是一个巨大挑战。
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