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

隨著社會(huì)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(hào)通過(guò)一定的方式連接起來(lái)，并對(duì)各交叉口的信號(hào)燈設(shè)計(jì)一種相互協(xié)調(diào)的配時(shí)方案，各交叉口的信號(hào)燈按此協(xié)調(diào)方案聯(lián)合運(yùn)行，使車輛通過(guò)這些交叉口時(shí)不會(huì)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(hào)控制”。下面介紹一種基于兩相位實(shí)現(xiàn)雙向綠波信號(hào)控制的方法。

1 設(shè)計(jì)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(hào)燈為綠時(shí)，該車通過(guò)r1交叉口，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間到達(dá)r2交叉口。如果r2交叉口干道方向信號(hào)燈也為綠通行狀態(tài)時(shí)，該車將無(wú)須停留就可繼續(xù)通過(guò)r2交叉口，再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后到達(dá)r3交叉口。如果該干道無(wú)論對(duì)由西向東還是由東向西行駛的車輛來(lái)說(shuō)，在各個(gè)交叉口都不需停留就可連續(xù)通過(guò)，則該干道就實(shí)現(xiàn)了“綠波”信號(hào)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(hào)周期幾個(gè)方面來(lái)建立實(shí)現(xiàn)干道雙向綠波信號(hào)控制的相關(guān)公式

以圖1的三個(gè)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(hào)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(shí)間。設(shè)r1交叉口的信號(hào)控制機(jī)為控制主機(jī)，為了使通過(guò)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(shí)無(wú)需停留就可連續(xù)通過(guò)，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(lái)的車輛到達(dá)r2、r1交叉口時(shí)也無(wú)需停留就可連續(xù)通過(guò)，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(shí)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(shí)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(shí)間。

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

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

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

綠時(shí)差δt為相鄰兩交叉口的綠燈時(shí)間中點(diǎn)時(shí)刻的差值，ys和yn的值可采用webster公式進(jìn)行計(jì)算，其具體實(shí)現(xiàn)方法請(qǐng)參見(jiàn)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(shí)，各個(gè)交叉口的信號(hào)周期就相同。此時(shí)，如果按車速v行駛的車輛從上一個(gè)交叉口行駛到下一個(gè)交叉口所需的時(shí)間正好是信號(hào)周期一半的整數(shù)倍時(shí)，雙向綠波信號(hào)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(shí)的情況。

（1） 相鄰兩交叉口間的距離很小時(shí)，可把相鄰兩交叉口看作一個(gè)交叉口，采用相同的配時(shí)方案，綠燈亮滅時(shí)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(shí)，可將它們看作近似相等來(lái)處理，各交叉口采用相同的信號(hào)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(hào)周期（其中m選取合適的正整數(shù)），各交叉口信號(hào)配時(shí)方案遵循有效綠燈時(shí)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(shí)，在公式（4）和公式
（5）的基礎(chǔ)上，可采用f.webster-b.cobber法來(lái)確定各交叉口的配時(shí)方案，以期達(dá)到最好的效果。 綠波信號(hào)配時(shí)方案在實(shí)施之后，應(yīng)當(dāng)經(jīng)常檢測(cè)各項(xiàng)交通指標(biāo)（如平均延誤時(shí)間、車輛排隊(duì)長(zhǎng)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(chǎng)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(jì)配時(shí)方案和綠時(shí)差。

2 雙向綠波信號(hào)控制的實(shí)現(xiàn)方式

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

jr-xhj-b型信號(hào)控制機(jī)的核心部件是pc104主板，主板上帶有一個(gè)rs-232串口(com1)和一個(gè)rs-485通訊接口(com2)。其中，rs-485通訊接口帶載能力強(qiáng)，可同時(shí)掛接多達(dá)32個(gè)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(guò)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(hào)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(duì)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(hào)控制機(jī)的聯(lián)網(wǎng)方式有以下兩種。

(1) 第一臺(tái)信號(hào)控制機(jī)設(shè)置為控制主機(jī)。其它信號(hào)控制機(jī)都為從機(jī)，各信號(hào)控制機(jī)的連接示意圖見(jiàn)圖2。從機(jī)m的com1通訊口上接一個(gè)rs-232/rs-485轉(zhuǎn)換器,使從機(jī)m同時(shí)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(shí)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(shí)在com2口按原樣把數(shù)據(jù)發(fā)送出去，從而延長(zhǎng)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(hào)控制機(jī)都為從機(jī)，各信號(hào)機(jī)的連接示意圖見(jiàn)圖3。這種情況下，控制主機(jī)除對(duì)前端各信號(hào)控制機(jī)進(jìn)行綠波信號(hào)控制外，還可對(duì)它們進(jìn)行其它的控制。例如，對(duì)前端各信號(hào)機(jī)進(jìn)行狀態(tài)查詢、故障檢測(cè)、校時(shí)、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(xiě)指令、控制指令、特殊指令，所有指令長(zhǎng)度都為一字節(jié)。各指令格式如下： (1) 讀寫(xiě)指令

d7 ： 指令方向 d7=0為上行指令，d7=1為下行指令
d6 ： 讀寫(xiě)控制 d6=0為寫(xiě)指令，d6=1為讀指令
d5?d4：讀寫(xiě)指令標(biāo)識(shí)位，固定為00。
d3d0：指令功能號(hào)
其中，下行：控制主機(jī)控制前端信號(hào)機(jī)。上行：前端信號(hào)機(jī)主動(dòng)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(shí)位，固定為011；
d3d0：指令功能號(hào)。

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(shí)位，固定為011；
d3d0：指令功能號(hào)。

3.3 報(bào)文格式

4 協(xié)調(diào)過(guò)程

按信號(hào)傳遞方式的不同，可分為兩種協(xié)調(diào)過(guò)程。

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

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

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的雙向綠波信號(hào)控制的方法簡(jiǎn)便易行，所需設(shè)施簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)費(fèi)用低，在幾個(gè)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(shí)都不會(huì)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(duì)于加大城市干道的交通流量，提高交通運(yùn)行效率來(lái)說(shuō)具有重要意義。