城市道路交叉口人车全感应控制探索

导语

交叉口是城市道路的关键节点，也是易发生交通拥堵的关键位置，改善交叉口信号控制策略可以有效缓解城市交通拥堵问题。传统的感应控制是通过路面车辆检测器采集交通流量数据进行调整，一般只考虑机动车流量的变化，路口感应控制只针对机动车放行时间调整，而忽略了行人车需求变化，行人绿信比利用率仍有提升空间。因此，本文利用实时采集的交通信息，运用智能控制技术合理分配交叉口各流向绿灯时间提高交叉口通行效率，并提出人车全感应控制方式，以深湾五/白石四路口为试点进行实践应用，为解决城市道路交叉口拥堵问题提供思路，供大家参考。

一、城市道路交通信号控制难点

交通需求随机性较大，路口实时需求与信控方案不匹配

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随着机动车保有率和人口密度不断增多，路口的交通需求也不断增加，受通勤、节假日、天气、附近地块用地性质等因素的影响，不同时段市民的出行需求波动越来越大。

传统信号控制一般采用固定信号控制，根据历史数据对一天中的某个时段设定信号周期及绿灯时间对相应时段的车流进行交通控制，设置简单，成本较低，但不能适应日益繁忙、复杂多变的城市道路交通，易出现高峰车流量大时拥堵溢出和平峰车流量小时空放的现象。

为解决以上问题，不少城市路口采取感应控制的模式，但现有感应控制只能采集到车流量数据对机动车放行时间进行调控，而对固有的行人绿灯时间和行人安保时间（即行人过街最小绿灯时间，为路宽除以行人每秒步速），因为有安保时间限制，红绿灯配时很难完全按车流设置时间，故无法进行有效调节。

行人过街等待时间长

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混合交通是我国城市交通典型特征，行人、非机动车在交通流中具有非常重要地位，按照车辆的通行需求分配绿灯时间无法满足行人过街需求，1998年，英国Rouphail等人通过对有、无信号控制两种交叉口处行人延误和强行穿越行为的研究，得出当地行人可忍受的等待时间为 45～60s，行人、非机动车过街等待时间过长，容易导致冒险过街等交通行为，影响交通秩序、引发交通事故。

二、全感应试点应用——深湾五/白石四路口

试点背景

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◆ 路口区位

深湾五/白石四路口位于深圳市南山区沙河街道，北通白石路，南面衔接滨海大道，为跨区通勤的关键节点。该路口深湾五路车流量较大，直行占主要需求，南向西左转需求较小，大部分为掉头车辆；白石四路车流量小，车流量不稳定，有时需求量低，存在空放；有时需求较大，绿信比不足。此外，路口平日行人过街需求小，周末节假日行人过街需求增加较多。

图1 路口区位情况

◆ 路口存在问题

☞路口各方向流量波动较大，存在空放现象

深湾五/白石四路口以深湾五路直行为主流向，高峰期流量较大，但全天内流量波动明显，传统的定周期控制不能满足波动的流量特性，存在需求与放行时长不匹配的现象，从而导致空放，路口绿灯利用率较低。

图2 南左转空放现象

图3 北直行空放现象

☞平峰期路口行人需求较小，绿灯利用率低

深湾五/白石四路口周边无办公区，工作日主要过街需求为路口西北侧和西南侧的工地工人通勤，节假日过街需求为附近小区居民前往路口东南侧欢乐海岸和深圳湾踏青，整体需求较小，多数时间存在空放现象。

图4 南侧行人过街空放现象

问题原因分析

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深湾五/白石四路口行人与机动车流量波动较大且无明显潮汐现象，高峰时间段不固定，传统的定周期和感应控制模式不能很好的适配多变地交通需求，路口存在机动车和行人的空放现象，路口绿灯利用率有待提升。

解决思路

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◆增加行人感应控制

现状路口机动车与行人均存在空放情况，单纯的机动车感应控制不能减少行人的空放现象，周期压缩不彻底，路口通行效率待进一步提高，所以可增设南侧行人过街感应控制，实时检测行人过街需求，调整行人过街信号时长，实现全路口机动车与行人的全感应控制。

◆设备选型

☞ 机动车检测设备选型

传统雷达：支持多目标跟踪，覆盖范围广，可覆盖横向多车道，且纵向探测距离远，但对于低速目标易丢失，在大型车辆遮挡、暴雨暴雪等极端恶劣天气情况下准确率下降。

传统视频：可以检测车辆数、排队信息等多种数据类型，且精度较高，但夜晚眩光准确率下降，对气候要求较高，在大风、暴雨、暴雪等极端恶劣天气准确率下降，且覆盖范围窄，安装条件苛刻。

雷视一体机：综合了雷达和视频的优点，数据检测精度高，数据传输稳定抗干扰能力强，安装布设位置灵活，维护安装方便，但造价偏高，强无线干扰极端恶劣天气造成准确率略有下降。

图5 雷视一体机、雷达、视频检测器示意图

☞ 行人检测设备选型

传统行人感应检测设备：基于行人按钮，当行人在路侧等待时按下按钮截断车流，没有考虑机动车需求情况，仅考虑行人需求，可能存在不熟悉设备的行人一直等待没有及时按下按钮的情况，且不能检测行人有多少，仅能判断有无行人。

行人过街路侧智能终端：采用1对红外光栅，1个感应开关，1个温湿度传感器，当行人穿过检测断面时报送数据。设备为无接触式，可融入信号控制系统，具备与路口信号机联动功能，实现无感式的行人过街感应功能。

图6 行人检测器示意图

◆设备布设、逻辑原理

☞机动车检测器布设

路口各方向检测器均布设雷视一体机， 在正南方向设置两排检测断面，距离停止线28米处为战术检测器，距离停止线100米处为战略检测器； 在正西方向设置两排检测断面，距离停止线20米处为战术检测器，距离停止线100米处为战略检测器； 在正北方向设置两排检测断面，距离停止线30米处为战术检测器，距离停止线95米处为战略检测器。

图7 检测器分布情况

☞ 行人检测器布设

在路口南侧斑马线两端布设非接触式行人感应警示装置，利用非接触式行人感应警示装置，实现行人感应控制。当行人穿梭红外线断面时上报数据，基于行人穿过红外线的时间和数量实时调节行人绿灯时长，综合光、LED显示提醒方式，提高行人过街安全和路口机动车感应控制配合，从而提高路口通行效率和绿灯利用率。

图8 检测器分布情况和效果图

☞ 控制算法逻辑

机动车感应控制：依托路口各方向信号灯杆上安装的雷视一体机，采集各进口道车辆排队长度、到达情况等数据，实时分配各流向机动车绿灯时长，提高绿灯利用率。

行人感应控制：基于在路口南侧斑马线两段设置红外线发射器，检测跨越检测断面的行人，从而根据实际需求调整行人过街时长。

具体场景为：机动车南进口左转早平峰期间原定周期方案南左转绿灯时长为26秒，感应控制实施后无车辆则将绿灯时长压缩至8秒（若有车辆压占则延长3秒）；行人早平峰期间，南侧行人绿灯时间设置为40秒，感应控制实施后，斑马线上无行人通过时，绿灯时长压缩至25秒；若有行人通过，则恢复绿灯时长。

调试和优化情况

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◆调试前端检测器：前期启用时发现感应控制运行效果不佳，流量较小时没有及时截断该方向绿灯时长，仍存在空放现象。调试后发现检测器前端精度问题，多次对前端检测器精度、设备参数进行调节，最终使得感应控制正常运行。

◆优化感应控制方案参数：2023年7月中旬到8月底对感应控制方案和配置参数进行了两轮跟踪，发现最大绿和最小绿阈值的设置与该路口流量需求仍有优化空间。 故进行优化调试，如表1所示， 经过以上两种参数优化和检测器调试 ， 综合分析人工视频观测和平台数据上报可得，工作日（9时-17时）该路口周期波动与流量相匹配，感应控制运行效果合理。

图9 试点运行情况

运行效果评估

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◆评估指标选取

为全面、多维度分析感应控制模型对路口的影响，从高峰小时通过量、机动车绿损和行人等灯时长3个方面评估。具体评估指标如表2所示：

◆对比时段选取

试点前数据采集：2023年8月25日全天数据。

试点后数据采集：2023年9月4日全天数据。

◆指标变化

☞ 高峰小时通过量

综合优化前后数据，感应控制启用前后交通通过量均有所增加，基于0.1％-21.1%之间。

路口高峰期（7时-9时）感应控制启用后，高峰小时流量均有所增加，9点时增幅不明显，8点时增幅最大达21.1%。

图10 高峰小时通过量对比

☞绿损

感应控制启用后南进口绿损时长明显降低，降幅达70.8%。 选取早间需求较小的易存在空放的10-11时进行分析，启用前路口南进口机动车绿灯时长为57秒，平均空放时长23.6秒，启用后路口南进口机动车平均绿灯时长为48.8秒，空放时长6.9秒，下降70.8%。

图11 平均绿损时长对比

☞行人等灯时长

选取早间需求较小的易存在空放的9-17时进行分析，启用前平均行人等灯时长为65.7秒，启用后平均行人等灯时长为53.8秒，下降22.1%。

图12 行人等灯时长对比

三、结论

城市道路空间路口需求波动较大，传统的感应控制和定周期控制不能很好地满足多变的交通需求。本文基于深湾五/白石四路口前端配套的机动车与行人检测设备，实施行人机动车全感应控制，兼顾行人与机动车的需求，测试前后路口总通过量和绿损时长变化较为明显；行人等灯时长降低，感应控制对路口通行能力、通行效率提升明显，路口绿灯利用率的大幅提升。

参考文献：

【1】张卫华，李军，丁恒，解立鹏．基于到达率预测的交叉口自适应控制研究[J/OL]．重庆交通大学学报(自然科学版)

【2】胡永举，施俊庆，陶珏强,等. 城市道路十字交叉口通行能力研究[J]. 浙江师范大学学报（自然科学版），2015,38(4):466-472.

【3】张凤霖. 城市道路人车感应控制方法研究

【4】Rouphail N, Hummer J, Milazzo J. Capacity Analysis of Pedestrian and for Pedestrians’ Chapter of the Highway Capacity Manual[R]. North Carolina State University Department of Civil Engineering, 1998.

（文 /深圳市公安局交通警察支队 陈延鸿 曾权， 深圳市城市交通规划设计研究中心 孙钰城）

编校 | 张翼飞 高海燕

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