张福生：多个视角看感应控制

张福生 | 作者

YGG | 编辑

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一、理解感应控制参數(shù)，灵活适应交通(tōng)控制场景

在各种信號(hào)控制模式中，感应式信號(hào)控制的(de)最大特點(diǎn)在于可以通(tōng)过设计灵活多样的(de)控制逻辑，将交通(tōng)管理者以及交通(tōng)工程师的(de)控制意图落實(shí)到實(shí)际控制应用(yòng)中，以适应多样的(de)路口(kǒu)形態(tài)与交通(tōng)流运行特性。感应控制的(de)不同控制逻辑组合，可以满足各种控制目(mù)標(biāo)需求，其中既包括改善安全、提升控制效率，也包括實(shí)現(xiàn)路口(kǒu)交通(tōng)资源公平分配、保障路口(kǒu)通(tōng)行时间可靠性，还包括實(shí)現(xiàn)交通(tōng)舒适以及降低污染排放的(de)目(mù)標(biāo)。

所有这些目(mù)標(biāo)都可以通(tōng)过将信號(hào)运行狀(zhuàng)態(tài)、交通(tōng)檢(jiǎn)测狀(zhuàng)態(tài)、交通(tōng)流统计數(shù)据，以及合理的(de)信號(hào)输出方式与交通(tōng)檢(jiǎn)测器布局的(de)组合来實(shí)現(xiàn)。掌握了感应式信號(hào)控制参數(shù)的(de)核心含义与工程应用(yòng)方法就可以灵活實(shí)現(xiàn)各种控制目(mù)標(biāo)。以下仅从几个常用(yòng)的(de)感应控制参數(shù)含义开始、結(jié)合感应控制场景进行入门级的(de)介绍。

二、感应参數(shù)：最小绿燈(dēng)时间

通(tōng)常情况下，当某个交通(tōng)檢(jiǎn)测器檢(jiǎn)测到交通(tōng)需求时，对应的(de)信號(hào)相位就具备了启动的(de)前提，相位启动后至少要运行一段最短时间，也就是通(tōng)常所说的(de)相位最小绿燈(dēng)时间。早期的(de)感应控制方法中，最小绿燈(dēng)时间通(tōng)常是以保障安全为目(mù)標(biāo)的(de)，考虑的(de)因素包括：驾驶人的(de)心理预期、认知反应时间，以及保障行人的(de)安全通(tōng)行时间等。

随着交通(tōng)檢(jiǎn)测技术的(de)发展，可以通(tōng)过檢(jiǎn)测绿燈(dēng)开始时刻初始车辆排队长度、后续可能生成的(de)连续排队、停止线处通(tōng)行能力，综合计算动態(tài)初始最小绿燈(dēng)时间，以达成初始排队清空的(de)目(mù)標(biāo)。具体应用(yòng)中，与传统感应控制中固定不变的(de)最小绿燈(dēng)时间概念不同的(de)是，現(xiàn)代感应控制可以综合考虑路口(kǒu)时空特性（如(rú)路口(kǒu)展宽段长度等因素带来的(de)通(tōng)行能力变化等），达成安全、效率综合最优的(de)目(mù)標(biāo)。

三、感应参數(shù)：最大绿燈(dēng)时间

这是一个最容易被误解的(de)感应控制参數(shù)，很多不合格的(de)交通(tōng)信號(hào)工程师将其錯(cuò)误理解为一个相位绿燈(dēng)可持(chí)续的(de)最长时间。经典的(de)感应控制最大绿燈(dēng)时间的(de)定义是：当冲突相位存在交通(tōng)需求时，当前绿燈(dēng)相位还可以继续保持(chí)绿燈(dēng)狀(zhuàng)態(tài)的(de)最大时间。从另外一个角度理解就是，当路口(kǒu)时间资源存在竞争性需求时，当前的(de)资源占有方即使有持(chí)续的(de)源源不断的(de)交通(tōng)需求，也必须在指定的(de)时间（最大绿燈(dēng)时间）内結(jié)束，以保障其他有冲突方向的(de)交通(tōng)需求得到公平的(de)响应。见图1。

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正确合理的(de)最大绿燈(dēng)时间参數(shù)可以带来多个方麪(miàn)的(de)益处。首先，保障了交通(tōng)公平性，防止某一交通(tōng)流向无节制占用(yòng)路口(kǒu)资源的(de)情况，使得各个冲突方向均可以在可容忍的(de)时间范围内得到信號(hào)服务；另一个角度上看，就是约束了无路权流向的(de)最大延误。其次，通(tōng)过将最大绿燈(dēng)时间、入口(kǒu)道排队空间、交通(tōng)流到达率等因素相結(jié)合，还可以有效防止排队溢出、导向车道短车道干扰現(xiàn)象的(de)发生。

对于交通(tōng)流到达特性波动较大的(de)路口(kǒu)，可以通(tōng)过动態(tài)调整最大绿燈(dēng)时间的(de)方式，灵活响应交通(tōng)需求的(de)变化。在具体应用(yòng)中，既可以依据时间计划表定时调整最大绿燈(dēng)时间；也可以根据最大绿燈(dēng)时间触发情况进行动態(tài)调整，如(rú)果连续多个周期因达到最大绿限制引发相位結(jié)束（通(tōng)常称之为最大绿退出MaxOut），则可以适当增加最大绿燈(dēng)时间；连续多次因交通(tōng)流稀疏造成相位結(jié)束（通(tōng)常称之为间隔超时退出GapOut），则可以动態(tài)降低最大绿燈(dēng)时间。

在NEMA TS-2、NTCIP1202以及STM信號(hào)配时手册中对此类功能均有详细说明。灵活使用(yòng)最大绿参數(shù)，是最大限度降低延误、實(shí)現(xiàn)公平与效率均衡的(de)有效手段。

图1 最大绿燈(dēng)时间

四、感应参數(shù)：交通(tōng)檢(jiǎn)测参數(shù)

在设计传统定周期控制配时方案时，交通(tōng)工程师通(tōng)常关注路口(kǒu)不同时段、不同流向的(de)流量统计數(shù)据，包括日均交通(tōng)量、小时流量、15分钟流量、高峰小时系數(shù)(PHF)等，并以此为依据计算信號(hào)周期、绿信比、设计信號(hào)相序、划分时段计划等。与定周期控制不同，感应式信號(hào)控制更关心實(shí)时的(de)交通(tōng)檢(jiǎn)测狀(zhuàng)態(tài)。包括檢(jiǎn)测器所覆盖區(qū)域当前是否有车辆（也可以是行人、非機(jī)动车）的(de)存在、存在的(de)持(chí)续时间、前后车辆间隔时间等。通(tōng)过建立檢(jiǎn)测狀(zhuàng)態(tài)与对应信號(hào)相位的(de)关联关系，根据檢(jiǎn)测器狀(zhuàng)態(tài)变化分析交通(tōng)流运行规律，實(shí)現(xiàn)相位的(de)请求、启动、时间扩展以及在适当时機(jī)結(jié)束相位。

因此，选择檢(jiǎn)测器类型、设计檢(jiǎn)测器位置与檢(jiǎn)测區(qū)域范围就成了影响感应控制运行效果的(de)关键因素。在具体實(shí)践应用(yòng)中，可以根据交通(tōng)控制场景，通(tōng)过设置檢(jiǎn)测延时等参數(shù)實(shí)現(xiàn)交通(tōng)行为判别、特殊交通(tōng)需求分类等应用(yòng)；还可以通(tōng)过多个檢(jiǎn)测器狀(zhuàng)態(tài)与信號(hào)运行狀(zhuàng)態(tài)的(de)逻辑运算實(shí)現(xiàn)灵活多样的(de)控制应用(yòng)。

常用(yòng)的(de)交通(tōng)檢(jiǎn)测布局（图2-2）包括，A远端檢(jiǎn)测器、S停止线檢(jiǎn)测器、C通(tōng)过停止线檢(jiǎn)测器、Q排队檢(jiǎn)测器、P行人檢(jiǎn)测器、B自行车檢(jiǎn)测器、E出口(kǒu)檢(jiǎn)测器。

图2 常见交通(tōng)檢(jiǎn)测器布局

五、感应参數(shù)：相位扩展时间

经典的(de)感应控制逻辑是：某个相位启动后，当檢(jiǎn)测到连续车辆到达时，相位时间会按照预定的(de)步长延伸，如(rú)果车间时距超过了设定的(de)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號(hào)绿燈(dēng)时间的(de)“利用(yòng)效率”，当利用(yòng)率较低时（车辆间隔较大），相位会被终止。

但(dàn)在實(shí)践应用(yòng)中，某些场景下我們(men)希望(wàng)能够动態(tài)调节这个“利用(yòng)效率”。比如(rú)，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(wàng)相位终止；但(dàn)是，当冲突方向存在需求时，希望(wàng)当前放行方向必须保持(chí)相对比较高的(de)车流密度才能持(chí)续获得绿燈(dēng)资源。这种情况下，就需要根据其他一些辅助的(de)控制参數(shù)来动態(tài)调节相位扩展时间，以實(shí)現(xiàn)“流量+密度”的(de)综合控制目(mù)標(biāo)。见图2-3。

图3 流量密度控制（引自NCHRP 812 Signal Timing Manual）

另一个更复襍(zá)的(de)情况是，当某一信號(hào)相位同时控制多条车道（甚至是不冲突的(de)多个流向）时，分布在多条车道上的(de)檢(jiǎn)测器会交替或并发産(chǎn)生相位延伸请求，由此可能带来总信號(hào)利用(yòng)率损失的(de)情况，如(rú)何解决这一问题是对交通(tōng)工程师的(de)一个挑战。具体實(shí)現(xiàn)上可以采用(yòng)关键车道法、综合效率计算评价法、多檢(jiǎn)测器逻辑组合法等多种方法进行应对。因为涉及到许多复襍(zá)的(de)算法问题，在此不多赘述。

六、感应参數(shù)：相位感应请求

谈到感应控制时，常有一种误解：认为所有的(de)交通(tōng)流向都需要设置交通(tōng)檢(jiǎn)测器，一方麪(miàn)通(tōng)常是很难做到的(de)事情，另一方麪(miàn)實(shí)施成本也非常高昂。實(shí)际情况是，在一个感应控制的(de)路口(kǒu)，对相位的(de)请求并非一定来自真實(shí)的(de)交通(tōng)檢(jiǎn)测器。一个功能完备的(de)交通(tōng)信號(hào)機(jī)，可以设置多种相位需求、扩展模式，包括通(tōng)过配置参數(shù)设置默认相位请求，實(shí)現(xiàn)对某些主要相位持(chí)续的(de)交通(tōng)需求；交叉相位请求，實(shí)現(xiàn)一个相位的(de)各种狀(zhuàng)態(tài)（启动、延伸、結(jié)束）自动关联生成对另一个相位的(de)请求；多入请求，某一檢(jiǎn)测器的(de)狀(zhuàng)態(tài)同时生成对多个相位的(de)请求狀(zhuàng)態(tài)；定时器请求，由信號(hào)機(jī)内部的(de)定时器定时为某些相位生成请求；逻辑组合软请求，通(tōng)过预定义的(de)逻辑计算规则，生成相位请求等等。

鉴于感应控制对随機(jī)到达交通(tōng)流的(de)敏捷响应能力，通(tōng)常我們(men)只需要对次要交通(tōng)流向（如(rú)主路左(zuǒ)转、次路到达等）设置檢(jiǎn)测器，就可以實(shí)現(xiàn)灵活的(de)控制效果。而对于主要交通(tōng)流方向，可以通(tōng)过上述的(de)方法选择请求方式即可。

七、控制场景：主要流向优先

通(tōng)过对主要交通(tōng)流方向设置默认请求，并持(chí)续生成扩展请求，可以保障在次要交通(tōng)方向无需求时快速(sù)将信號(hào)狀(zhuàng)態(tài)切换到主要交通(tōng)流方向，保障主要交通(tōng)流通(tōng)行效率最大化。

具体實(shí)践中，結(jié)合次要流向的(de)排队檢(jiǎn)测器檢(jiǎn)测區(qū)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(sù)清空与整体延误最小的(de)双重目(mù)標(biāo)。檢(jiǎn)测器布局如(rú)图2-4。

八、控制场景：全红即绿

对于某些由于交通(tōng)流速(sù)度较高、安全视距不良的(de)路口(kǒu)，可以利用(yòng)感应控制手段改善路口(kǒu)的(de)安全態(tài)势。其中最常用(yòng)的(de)方法就是“全红即绿”。具体的(de)方法是，信號(hào)控制路口(kǒu)各方向的(de)信號(hào)燈(dēng)常態(tài)下均保持(chí)于红燈(dēng)狀(zhuàng)態(tài)，驾驶人看到信號(hào)红燈(dēng)时会降低速(sù)度抵近路口(kǒu)。通(tōng)过在适当位置设置车辆檢(jiǎn)测器，檢(jiǎn)测车辆到达后，再输出绿燈(dēng)信號(hào)。由此實(shí)現(xiàn)限制车速(sù)，改善安全的(de)目(mù)標(biāo)。

在具体實(shí)践中，可以結(jié)合路口(kǒu)进口(kǒu)道的(de)空间几何特點(diǎn)、限速(sù)要求合理设计檢(jiǎn)测器位置、范围。也可以利用(yòng)速(sù)度檢(jiǎn)测器选择合理车速(sù)范围作为産(chǎn)生信號(hào)请求的(de)条件。

图4 感应控制中的(de)排队檢(jiǎn)测（引自 NCHRP 812 Signal Timing Manual）

九、控制场景：判断交通(tōng)意图

在很多主次分明的(de)交叉路口(kǒu)，次要道路入口(kǒu)车道只有一条。到达路口(kǒu)的(de)车辆流向由左(zuǒ)转、直行、右转三种流向构成。如(rú)何區(qū)分不同流向需求，防止錯(cuò)误感应请求，对于改善路口(kǒu)控制灵活性与提升控制效率至关重要。一个功能完备信號(hào)控制设备，应具有檢(jiǎn)测延迟功能，即，只有当檢(jiǎn)测器持(chí)续檢(jiǎn)测到车辆存在时，才对指定相位産(chǎn)生请求。小于延迟时间的(de)檢(jiǎn)测狀(zhuàng)態(tài)将被忽略。由此我們(men)可以區(qū)分右转通(tōng)过车辆与直行左(zuǒ)转等待车辆。如(rú)图2-5。

某些场景下，我們(men)也可以利用(yòng)檢(jiǎn)测延迟方法實(shí)現(xiàn)次要道路车辆组队控制、路口(kǒu)死锁控制、右转保护控制等多种场景应用(yòng)。

图5 檢(jiǎn)测延时的(de)应用(yòng)案例

十、控制场景：消除追尾风险

统计數(shù)据表明，与无信號(hào)控制路口(kǒu)相比，尽管信號(hào)控制可以降低路口(kǒu)交通(tōng)事故的(de)严重程度，但(dàn)是在事故总量方麪(miàn)，并没有明显改善，甚至某些种类的(de)交通(tōng)事故还会呈現(xiàn)上升趋势。其中最明显增加的(de)就是追尾事故。

由于不同驾驶人的(de)认知反应时间、驾驶心理、驾驶行为等因素的(de)差异，在信號(hào)绿燈(dēng)結(jié)束后的(de)黃(huáng)燈(dēng)期间，不同的(de)驾驶人会做出不同的(de)选择。这个选择往往与车辆距离路口(kǒu)的(de)距离，以及车辆运行速(sù)度相关。在距离路口(kǒu)很近的(de)位置，所有驾驶人都会选择通(tōng)过路口(kǒu)；在距离路口(kǒu)很远的(de)位置，所有的(de)驾驶人都会选择停车。

但(dàn)是在某段區(qū)间内，不同的(de)驾驶人会做出不同的(de)反应，其中最糟糕的(de)情况是前车选择停止，而后车选择通(tōng)过，信號(hào)路口(kǒu)大多數(shù)追尾事故均由此産(chǎn)生。这种就是常说的(de)“第二类黃(huáng)燈(dēng)困境”，路口(kǒu)交叉道路限速(sù)越高，此类问题越严重，研究表明通(tōng)常这段區(qū)间在距离路口(kǒu)2.5秒到5.5秒的(de)區(qū)间。

利用(yòng)感应控制基本原理，結(jié)合完善的(de)工程设计可以有效治理由于第二类黃(huáng)燈(dēng)困境带来的(de)安全问题。通(tōng)过合理设置檢(jiǎn)测器，可以檢(jiǎn)测绿燈(dēng)即将結(jié)束时困境區(qū)段的(de)车辆存在，并通(tōng)过微调相位結(jié)束时间點(diǎn)，保障困境區(qū)清空，进而提升路口(kǒu)安全。

此方法对于改善入口(kǒu)车道速(sù)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(de)交通(tōng)安全十分有效。见图6-1、图6-2。

图6-1 第二类黃(huáng)燈(dēng)困境（引自 NCHRP 812 Signal Timing Manual）

图6-2 第二类黃(huáng)燈(dēng)困境區(qū)檢(jiǎn)测（引自Traffic Detector Handbook）

結(jié)束语

存在于教科书中的(de)感应控制功能看起来都很简单，无外乎几个基本控制参數(shù)的(de)配置。但(dàn)如(rú)何动態(tài)生成、灵活使用(yòng)这些参數(shù)，并将其与信號(hào)控制工程设计相結(jié)合以适应复襍(zá)多样场景化的(de)应用(yòng)需求，这对于交通(tōng)工程师是一个巨大的(de)挑战。

另一方麪(miàn)，麪(miàn)对纷繁复襍(zá)的(de)个性化需求，如(rú)何对交通(tōng)控制功能进行足够的(de)归纳、总結(jié)与抽象，设计出具有高度灵活功能组合的(de)控制産(chǎn)品（而不是靠场景堆叠、版本填坑满足需求），对于産(chǎn)品开发者也是一个巨大挑战。