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洞察本质 | 张福生:谈谈感应控制中那些很细节的控制参数

2022-03-08

来源 : 赛文交通网

作者 : 张福生

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接前文“正确认识感应控制”,再补充几句,深入了解感应控制不单纯是要推广一种控制方法,更重要的是要改变看待交通信号控制的思维方式。

这种改变是将传统的以统计数据为基础的、面向方案级的信号配时优化思路,转变为面向最小颗粒度的实时交通需求的控制思维,这种最小颗粒度包括考虑到每一个人的特性(儿童、成年人、老年人、能力障碍者)、每一辆车(不同的车辆种类、优先级、运行特征)、每一个路口(几何形状、空间特点等)、每一个车道(功能属性、平面几何特征、纵向特征)、每一秒钟时间。

在此基础上考虑信号控制如何响应交通需求、保障交通安全、提升交通效率以及如何评价控制效能,并通过解决最底层基础的问题,并为更上一层的宏观的优化、评价奠定坚实的基础。

和其他控制方式一样,感应控制中也会涉及到很多很细节的控制参数,这些控制参数不仅仅是控制调节信号状态的变量,往往还表征着某些交通现象,同时也体现着交通管理者的控制目标等深层的寓意。

完美的感应控制涉及的参数有几十种,在行业习惯宏大叙事的语境下,说这些细节是一件很枯燥、很不合时宜的事情,但这些细节不说清楚总是感觉没有说清本质问题,这里我从这些复杂的参数中选择几个最基本的概念说说我的理解。

1

最小绿灯时间(Minimum Green)

直观的理解是一个相位绿灯的最短时间,设置信号相位最小绿灯时间的限制条件通常是考虑排队车辆启动、加速、通过停止线所需要的最短时间、路口车辆排队空间等、一个连续的排队的清空时间等因素,如果存在与机动车相位并发的行人信号,还必须考虑行人进入与清空所需的最短安全时间等等因素。在固定配时环境下这些理解基本一致,这种理解基本上是从安全角度来考虑的。

但是在感应控制的应用中,上面的所有限制因素都会随着环境变化而变化,在车辆、非机动车、行人交通需求都可检测的场景下,最小绿灯时间的组成还要再进一步细分为“安全最小绿”、“控制最小绿”、“运行最小绿”等多种情况;一个例子,当伴随某一机动车信号相位的行人信号没有交通需求情况下,相位安全最小绿是否还要考虑行人清空的时间?是否可以考虑缩短安全最小绿限制以避免信号空放来提高控制效率?

另一个例子,不同交通场景下绿灯启动时刻的排队长度是否可以用来生成“运行最小绿”?停止线位置通过能力也是计算“初始运行最小绿”的重要因素,不同气候条件下通过能力是否可以动态变化?在紧急情况下最小绿灯时间是否可以被突破,比如在城市应急交通中消防、医疗急救车辆的高优先级感应情况下?

若干年前,在断面定点检测为主的年代,全面的交通感知是一种不可及的奢望,通常以模型预测或分段检测的方式获得排队长度等参数,而现在日益丰富的交通感知手段也许会为感应控制中这一基本参数的实时计算带来契机。于是另一个问题又出现了,现在的信号机具备这种参数计算能力吗?控制功能上能够允许动态修改这个参数吗?从我了解到的大多数信控产品的现状来看,表示怀疑。

一个扩展的话题是,既然有最小绿灯时间,那么是不是同样应该有最小红灯时间、最小黄灯时间呢?这两个问题背后是更复杂的交通信号安全的话题,也许以后有机会再深入解释。

2

最大绿灯时间(Maximum Green)

这个概念恐怕是被误解、曲解最严重的概念,我曾经和王小刚老师有过一个共识:对最大绿灯时间这个概念的理解,是考验交通信号控制从业者水平的入门题,从过去几年我了解的情况看,能够正确理解这个概念的从业者,不到30%。

正确的“最大绿灯时间”概念不是指一个信号相位能够处于绿灯状态的最大总时间(尽管很多很多“权威专业”的文献中都是这样理解,但这是确实是一种非常严重的错误)。

虽然本文仅仅是一个科普文章,但还是有必要引用一个经典的描述来明确一下这个概念的定义,下面是STM中对最大绿的描述片段:“ The maximum green parameter represents the maximum amount of time that a green signal indication can be displayed in the presence of a call on a conflicting phase. ” 大意是,“最大绿时间”是指当冲突相位存在交通需求时,当前绿灯的相位最大还能保持的时间。

为什么要这么定义?为了实现资源分配的公平,我们说路口的通行时间是一种资源,当不存在资源竞争时,没有必要对资源使用数量进行限制,而当出现竞争性需求时,当前的资源占有者必须要在限定的范围内让渡资源的使用权,这个限制就是最大绿灯时间的意义。

换句话说,最大绿灯时间定义了竞争冲突方最大的等待时间,对应到信号控制的应用场景上,可以与行人的最大等待时间相关,也可以与冲突方向车流的到达率、路口车道渠化特征、排队空间容量等很多因素相关,在设计上还与检测器布局存在紧密关系。这些都是感应控制中的奥秘,值得在产品开发、应用设计、工程建设中深入思考。

最大绿灯时间是可变的吗?当然可以,一个好的感应控制应该具备各种可修改最大绿灯时间的方法,包括基于时间计划、基于交通事件、基于中心控制命令、基于交通检测数据等各种方式。各国交通信号控制标准中也都有相关定义,美国NTCIP 1202中定义了两组最大绿,最新的V3版本又增加了第3组最大绿以及动态最大绿调整的变量定义,中国GBT20999-2017中也定义了2组最大绿参数,英国的标准中最大可以定义8组最大绿灯时间。

最大绿灯时间的定义除了控制上的限制作用,这在交通信号评价上也有着重要的作用,我们通常把由于最大绿灯时间限制造成的相位中止现象称为MaxOut,通过最大绿灯时间的启动状态、终止状态可以评判交通信号路口的控制效率等等,这又是另一个话题了。

3

扩展时间Passtime

这个参数在感应控制中又被常常称为相位延展时间(Extension),直观理解上是相位绿灯启动后,每检测到一个车辆到达,相位需要增加的单位绿灯时间步长,如果增加的时间范围内没有检测到新的车辆到达,相位绿灯信号终止,这种相位中止又被称为GapOut。

在控制上我们都希望所有车队都能以饱和流率(最紧凑的队形)通过路口,这样控制时间利用效率是最高的;在感应控制中扩展时间(passtime)就反映了这样一种控制目标,不同的扩展时间参数意味着控制着期望保障什么样的密度的车队能够连续通过,而当车队密度变得稀疏时,选择什么样的时机来终止相关相位信号输出。

“扩展时间”与检测器布置的位置、车流速度等很多因素相关,设置的扩展时间至少要能够保证车辆从检测器位置运行通过前方停止线,因此检测方式、检测位置、检测数据实时性等都变得十分关键。试想,如果检测器不能精确检测每个车辆的到达,就不能在恰当的时刻生成Passtime扩展请求,就会造成意外的相位中止,这就是选择检测器的标准。

“扩展时间”这一参数还反映着交通管理者的控制目标,不同场景下,不同的道路条件、不同的气象条件下交通流运行的特征都会发生变化,由此带来的扩展时间参数的设置也要相应变化。

“扩展时间”这个参数可以动态变化吗?答案也是可以,我们知道一个车队在通过路口时往往要经历启动、加速、稳定、稀疏离散这样的过程,期间的车头时距一直都在变化,通过动态调整感应控制的“扩展时间”参数,可以适应车流形态变换,更精准执行交通管理者的控制意图,甚至同一个车队通过路口的过程中也可以通过动态调整passtime进行队列优选。这是研究琢磨这个参数的最有趣地方。

如前所述,“扩展时间”这个参数具有截断稀疏车队的作用,但副作用是,一个连续高密度车队也会因为中间偶发的一个“超标时隙”被意外中断,这是一个大问题。

好在,随着交通感知技术的演进,传统定点断面检测逐渐被虚拟化的、软件可定义的检测方式所取代,随之而来的是有能力对完整车队参数进行辨识,传统的“扩展时间”概念也可能会被整车队通过效益参数所取代,这是一个非常值得关注的话题。

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车队间隙时间 GapTime

如前所述,通常情况下感应控制中的“扩展时间”也被当做中止相位的条件,但是在某些特殊场景下,车辆到达的相位增量时间与中止相位的间隙时间可以采用完全不同的两个参数,这个参数就是Gap的作用;其基本逻辑就是:当检测到车辆时相位按“扩展时间”进行延长,但只要检测到检测区域空闲时间超过Gap时间,相位即中止。

一个应用案例,我们对路口次要流向(如左转流)的控制目标是清空存量排队,设计上会采用较大的检测区域,结合较小的Gap时间进行控制,目的是只要排队清空,相位立即切换的控制目标。

5

背景方案BackGround Plan

决定感应控制的相位转换次序方法有两种,一种是无固定相序的感应,信号相位的切换顺序完全取决于需求产生的顺序和需求的优先级,表现为“先来先得”或“按级别顺序分配”,这种感应控制通常被称为自由模式(Free),也是大多数感应控制的运行方法;但考虑到用路人的出行习惯、路口相位切换与渠化设计的配合等因素,常常需要按固定相序进行感应控制,各个相位按照预定的相位顺序进行切换,结合交通需求状态顺序运行,用来定义这个相位顺序的方案就是感应控制的背景方案。

在双环结构中被定义为环内相位顺序,在阶段相位体系中通常采用引入背景方案的方法。这些内容放到以后谈到标准对比时再说。

6

感应控制周期

通常认知上认为感应控制是没有固定周期的,但真的是这样吗?这可能要分成两个小的话题;首先是一个极端情况,在路口各入口方向饱和度均较高的情况下,各个相位都持续存在交通需求,变现为所有相位均呈现为达到最大绿限制的MaxOut状况,表现出的结果就和固定周期的控制没有差别了,呈现出了一个固定的控制周期。

另一种情况是人为设定周期的一种控制状态,也常常被称为协调感应控制,目标是在保障关键相位协调的情况下,动态调整其他相位的时间。这其中包括协调相位启停时机、感应相位时间分配与让渡方式、相位重入(再服务)、响应窗口时间等等很多问题需要考虑。

在一些先进的控制系统中还可以实现中心控制系统与路口信号机间协同的混合控制模式,比如scoot系统可以实现的在同一周期内的中心实时优化的协调控制与路口自由感应控制的融合方法,多路口间交叉的状态互动感应的方法等等。

这些方法的目的就是在保障协调控制的一致性的基础上,又兼顾感应控制的灵活性与快速反应能力。这可以算是感应控制的高端应用了。

感应控制是信号控制中最优美、最经典的控制方式,一个具备完善感应控制能力的信号控制系统,可以让交通工程师充分发挥自己的想象力和创造力,将各种优秀的控制思想与灵感变为现实。

最后回应一下振业优控陈宁宁总的一个问题:“在优秀的感应控制下,交通工程师要做什么事情?”,回答这个问题之前,先说我的一个困惑,信号优化领域一直有一种扭曲,一方面绝大多数交通工程师在日复一日地从事着比如数流量、微调配时、甚至还要人工辨识交通事件、手动干预信号运行等等工作,这些本应由机器完成;而另一方面,本该由人来完成的设立控制目标、进行控制决策与评价的工作,却总是寄希望于机器能够自动完成,这是一种很纠结的“角色错乱”的工作状态。

所以关于宁宁总的问题,我个人观点是,从定时控制到感应控制不仅是控制模式变化,也是工作方式的变化,交通工程师的作用会变得更加重要,传统的面向配时方案的工作将转变为面向控制策略为主,包括分析交通现象,确立控制目标与控制意图,定义控制策略、设计控制逻辑,设定控制边限制条件,评价控制效能,以及围绕这些控制策略进行相关的检测器设计、渠化设计等等,信号配时的运维工作也将转换到以检测感知、数据质量为主的运维上,这些都对传统的交通工程师提出了新的挑战,但是机器取代不了人,只有把低端的重复的工作交给机器,交通工程师才能够腾出手来解决更重要的问题。

下一篇,将介绍交通检测器与感应控制,敬请关注!

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