實(shí)現(xiàn)雙向綠波信號控制的方法及其應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

隨著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市中的交通工具日益增多，城市干道的交通壓力也隨之增大。要緩解這一壓力，提高交通流量，防止出現(xiàn)交通堵塞，一種方法是把干道上若干連續(xù)交叉口的交通信號通過一定的方式連接起來，并對各交叉口的信號燈設(shè)計一種相互協(xié)調(diào)的配時方案，各交叉口的信號燈按此協(xié)調(diào)方案聯(lián)合運(yùn)行，使車輛通過這些交叉口時不會經(jīng)常遇到紅燈，減少大量車輛的停車次數(shù)與延誤。這種方法稱為“綠波信號控制”。下面介紹一種基于兩相位實(shí)現(xiàn)雙向綠波信號控制的方法。

1 設(shè)計思想及相關(guān)公式

如圖1所示，某輛車在干道上由西向東行駛至r1交叉口，當(dāng)r1交叉口干道方向信號燈為綠時，該車通過r1交叉口，經(jīng)過一定的時間到達(dá)r2交叉口。如果r2交叉口干道方向信號燈也為綠通行狀態(tài)時，該車將無須停留就可繼續(xù)通過r2交叉口，再經(jīng)過一段時間后到達(dá)r3交叉口。如果該干道無論對由西向東還是由東向西行駛的車輛來說，在各個交叉口都不需停留就可連續(xù)通過，則該干道就實(shí)現(xiàn)了“綠波”信號控制或綠波帶。這只是一種理想狀態(tài)，實(shí)際應(yīng)用中將受到多種因素的制約。本文只就車速、相鄰交叉口間距離和信號周期幾個方面來建立實(shí)現(xiàn)干道雙向綠波信號控制的相關(guān)公式

以圖1的三個交叉口為例，設(shè)交叉口r1至r2路段的平均車速為v1，交叉口r2至r3路段的平均車速為v2，r1、r2和r3交叉口的信號周期分別為t1、t2和t3。l1和l2分別為相鄰交叉口間距離，y1、y2和y3分別為r1、r2和r3交叉口的車輛延誤時間。設(shè)r1交叉口的信號控制機(jī)為控制主機(jī)，為了使通過r1交叉口的車輛分別按車速v1和v2行駛到達(dá)r2、r3交叉口時無需停留就可連續(xù)通過，各交叉口干道方向綠燈啟亮?xí)r間的關(guān)系必須如表1(正向）所示。同樣，為了能保證分別按車速v2和v1反向行駛而來的車輛到達(dá)r2、r1交叉口時也無需停留就可連續(xù)通過，各交叉口干道方向綠燈的啟亮?xí)r間的關(guān)系必須如表1（反向）所示。

由表1可求得各相鄰交叉口的正向綠時差分別為：

其中，δt12和δt23分別為r1、r2交叉口之間和r2、r3交叉口之間的綠時差。δy1和δy2分別為r1、r2交叉口和r2、r3交叉口的平均車輛延誤時間。

由于r2交叉口在t+l1/ v1和t+(l1/v1+2l2/ v2) 時刻綠燈啟亮，則r2交叉口信號周期必須滿足公式

其中，m取正整數(shù)。 每次以三個交叉口類推，即可求出各個交叉口的最佳信號周期t以及本交叉口到下一交叉口的綠時差δt分別為：

其中，m取正整數(shù)，l為本交叉口到下一個交叉口的距離，v為車輛從本交叉口行駛到下一個交叉口的平均車速，ys為本交叉口的車輛延誤時間，yn為下一交叉口的車輛延誤時間，δy為本交叉口與下一交叉口的平均車輛延誤時間。

綠時差δt為相鄰兩交叉口的綠燈時間中點(diǎn)時刻的差值，ys和yn的值可采用webster公式進(jìn)行計算，其具體實(shí)現(xiàn)方法請參見文獻(xiàn)〔1〕。

由上面的公式(4)可推知，當(dāng)各交叉口間的距離相等且各路段的車速都為v時，各個交叉口的信號周期就相同。此時，如果按車速v行駛的車輛從上一個交叉口行駛到下一個交叉口所需的時間正好是信號周期一半的整數(shù)倍時，雙向綠波信號控制可獲得理想的效果。下面討論幾種各交叉口間距離不相等時的情況。

（1） 相鄰兩交叉口間的距離很小時，可把相鄰兩交叉口看作一個交叉口，采用相同的配時方案，綠燈亮滅時刻相同。
（2） 各相鄰交叉口間距離雖然不等，但相差也不大。這時，可將它們看作近似相等來處理，各交叉口采用相同的信號周期，各路段采用相同的車速。?
（3） 各相鄰交叉口間距離相差很大。這種情況下，各交叉口可分別按公式
（4）求出本交叉口的信號周期（其中m選取合適的正整數(shù)），各交叉口信號配時方案遵循有效綠燈時間相匹配的原則，各路段采用不同的車速。 （4） 各相鄰交叉口間距離介于上述（2）和（3）情況之間時，在公式（4）和公式
（5）的基礎(chǔ)上，可采用f.webster-b.cobber法來確定各交叉口的配時方案，以期達(dá)到最好的效果。 綠波信號配時方案在實(shí)施之后，應(yīng)當(dāng)經(jīng)常檢測各項(xiàng)交通指標(biāo)（如平均延誤時間、車輛排隊(duì)長度等）是否達(dá)到了預(yù)期的效果，如果效果不理想，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查的各項(xiàng)交通數(shù)據(jù)（如平均車速、干道交通流量等）重新設(shè)計配時方案和綠時差。

2 雙向綠波信號控制的實(shí)現(xiàn)方式

為了使干道上各個交叉口的配時方案取得協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)雙向綠波信號控制，必須把各個交叉口的信號控制機(jī)用一定的方式連接起來，這種連接的實(shí)現(xiàn)方式有多種多樣。下面介紹一種針對jr-xhj-b型信號控制機(jī)的實(shí)現(xiàn)方式。

jr-xhj-b型信號控制機(jī)的核心部件是pc104主板，主板上帶有一個rs-232串口(com1)和一個rs-485通訊接口(com2)。其中，rs-485通訊接口帶載能力強(qiáng)，可同時掛接多達(dá)32個終端；傳輸距離遠(yuǎn)，有效傳輸距離達(dá)1200m；抗共模干擾能力強(qiáng)，只需兩線等。通過訂立合理的通訊協(xié)議，各終端可實(shí)現(xiàn)半雙工數(shù)字通訊。在雙向綠波信號控制系統(tǒng)中，控制主機(jī)與各終端之間需相互傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小，而且傳輸速率要求也不高，投資少。因此，對那些還未建立光纖網(wǎng)的城市或距離光纖網(wǎng)比較遠(yuǎn)的干道，采用rs-485總線式的結(jié)構(gòu)也是一種解決方法。

各信號控制機(jī)的聯(lián)網(wǎng)方式有以下兩種。

(1) 第一臺信號控制機(jī)設(shè)置為控制主機(jī)。其它信號控制機(jī)都為從機(jī)，各信號控制機(jī)的連接示意圖見圖2。從機(jī)m的com1通訊口上接一個rs-232/rs-485轉(zhuǎn)換器,使從機(jī)m同時兼有rs-485中繼器的功能，從機(jī)m的com2通訊口在接收數(shù)據(jù)的同時將數(shù)據(jù)按原樣從com1通訊口發(fā)送出去，或者，從機(jī)m的com1通訊口在接收數(shù)據(jù)同時在com2口按原樣把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，從而延長了rs-485總線的傳輸距離。

(2) 控制主機(jī)設(shè)在控制中心。所有信號控制機(jī)都為從機(jī)，各信號機(jī)的連接示意圖見圖3。這種情況下，控制主機(jī)除對前端各信號控制機(jī)進(jìn)行綠波信號控制外，還可對它們進(jìn)行其它的控制。例如，對前端各信號機(jī)進(jìn)行狀態(tài)查詢、故障檢測、校時、方案設(shè)置或修改等。

由于通訊數(shù)據(jù)量較小，因而采用異步通訊方式。

3.1 通訊格式

1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，波特率為19200/9600/4800，奇偶校驗(yàn)：偶校驗(yàn)。

3.2 指令格式

通訊指令分三種: 讀寫指令、控制指令、特殊指令，所有指令長度都為一字節(jié)。各指令格式如下： (1) 讀寫指令

d7 ： 指令方向 d7=0為上行指令，d7=1為下行指令
d6 ： 讀寫控制 d6=0為寫指令，d6=1為讀指令
d5?d4：讀寫指令標(biāo)識位，固定為00。
d3d0：指令功能號
其中，下行：控制主機(jī)控制前端信號機(jī)。上行：前端信號機(jī)主動向控制主機(jī)發(fā)送。

（2）控制指令

d7： 指令方向 d7=0為上行指令，d7=1為下行指令；
d6d4：控制指令標(biāo)識位，固定為011；
d3d0：指令功能號。

d7： 指令方向 d7=0為上行指令，d7=1為下行指令；
d6d4：特殊指令標(biāo)識位，固定為011；
d3d0：指令功能號。

3.3 報文格式

4 協(xié)調(diào)過程

按信號傳遞方式的不同，可分為兩種協(xié)調(diào)過程。

（1） 主從式協(xié)調(diào)過程?？刂浦鳈C(jī)通過rs-485總線或電話線操縱與之相連接的各臺信號控制機(jī)，每隔一定數(shù)量的信號周期，控制主機(jī)就發(fā)送一個同步信號給各臺信號控制機(jī)。時差被預(yù)先設(shè)置在各臺信號控制機(jī)內(nèi)，每臺信號控制機(jī)都保持在這個時差點(diǎn)上轉(zhuǎn)換信號周期。這樣，相鄰信號控制機(jī)間正確的時差關(guān)系就得到了保持。

（2） 級聯(lián)式協(xié)調(diào)過程。各臺信號控制機(jī)分別預(yù)先設(shè)置好各自的配時方案和時差。當(dāng)?shù)谝粋€交叉口干道方向的綠燈啟亮?xí)r，發(fā)一個信號給下一個交叉口的信號控制機(jī)，第二個交叉口信號控制機(jī)接收到信號后，按預(yù)先設(shè)置的時差推遲相應(yīng)的時長改亮綠燈，同時向它的下一個交叉口的信號控制機(jī)發(fā)一個信號，這樣依次把信號傳遞到最后一臺信號控制機(jī)。每隔一定數(shù)量的信號周期后，控制主機(jī)再重新進(jìn)行協(xié)調(diào)，以保持各臺信號控制機(jī)間正確的時差關(guān)系。 jr-xhj-b型信號控制機(jī)具有多時段設(shè)置功能，可同時配置多達(dá)20個時段?？刂浦鳈C(jī)可設(shè)置幾個由內(nèi)部時鐘控制的配時方案轉(zhuǎn)換點(diǎn)，在時鐘到達(dá)這些轉(zhuǎn)換點(diǎn)時，控制主機(jī)發(fā)出信號使各下位信號控制機(jī)相應(yīng)地改變配時方案。這樣，可根據(jù)各時段干道交通流量的不同，設(shè)置不同的配時方案，實(shí)現(xiàn)對干道交通更靈活的控制。

5 結(jié)束語

本文介紹的雙向綠波信號控制的方法簡便易行，所需設(shè)施簡單，安裝維護(hù)費(fèi)用低，在幾個城市的實(shí)際應(yīng)用中收到了較好的效果。本方法雖然并不能保證車輛到達(dá)所有交叉口時都不會遇上紅燈，但是，它可以做到使沿路車輛少遇幾次紅燈，減少大量車輛的停車次數(shù)和延誤，這對于加大城市干道的交通流量，提高交通運(yùn)行效率來說具有重要意義。