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张福生:交通感应控制场景应用

2022-04-19

来源 : 赛文交通网

作者 : 张福生

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编者按:


交通信号控制系统的建设,一定是从一个完善的设计开始,感应控制同样也离不开设计。

在赛交通网和信控中国联合举办的“感应控制模式探索与实践”论坛上,北方工业大学城市道路交通智能控制技术北京市重点实验室研究员张福生围绕检测器设计、相位设计、信号安全相关的参数设计等方面详细展开了感应控制场景应用中的技术细节。他表示,利用感应控制的思维方式重新审视交通信号控制设计是非常重要的思考方向。

以下内容为张福生演讲全文(有删减):

一、感应控制的若干误解与疑问

感应控制几乎是交通信号控制最早的控制模式之一,虽然经过多年发展,但是行业内仍然存在对感应控制的误解和疑问,大概包括这些:

• 感应控制只适合低流量场景吗?

• 感应控制只适合单点孤立路口吗?

• 感应控制与协调绿波控制能共存吗?

• 感应控制运行维护成本很高吗?

• 感应控制是不是非常依赖检测器?

• 感应控制下倒计时怎么办? 

• 感应控制到底用哪种检测器最好?

• 感应控制检测器应该如何设置?

• 感应控制中怎样设计优化控制参数?

• 感应控制和自适应控制区别是什么?

要回答这些问题,首先看看对感应控制最朴素的认识。

一个具备感应控制能力的信号相位的绿灯亮起后,首先运行一个最小绿时间,再随着车辆的到达不断延伸相位时间,直到当冲突相位出现交通需求时,开始进行最大绿计数。随着相位的不断延伸,当没有新车辆到达或相位时间达到最大时间限制后,开始进行相位的切换到下一个有交通需求的相位。

实际上感应控制不只是一个相位简单的启动、延伸控制、终止的过程;更重要的是对信号控制基本思想上与定时控制存在很大的不同。某种意义上,早期的手动控制就是一种感应控制,只是用眼睛替代了检测器,用人的大脑判断需求、用手工操作进行交通需求响应。

可以说感应控制是交通信号最早的控制模式,也是最能契合交通管理者最直接控制意图的控制方式。

二、感应控制—一种信控思维方式

我一直认为,感应控制是一种信控思维方式,这个思维方式主要考虑7个方面:相位启动条件、相位时间扩展条件、相位结束条件、相位转换顺序约束、感应上下游协调关系、检测设计与数据处理以及故障响应机制。

感应控制不仅仅是一种控制方式,它是一种控制模式甚至是控制思想的转变。传统的定周期配时是以从统计数据为基础的经验控制,而感应控制则是基于实时交通数据的响应控制的转变。

多年来,感应控制一直是被信控行业丢失的一把利器,也是信控行业目前状态下急需补足的一门课。

三、感应控制

(1)基础

从感应控制的视角来看,交通控制可分成三种情况。一种是全感应控制,是在路口的各个流向均具备交通检测能力,能对各种交通模式(机动车、行人、非机动车等)进行检测,并可以响应这些感知数据来实现交通控制。第二种是半感应控制,是在路口的部分方向或是部分流向上具备交通感知能力,然后对这些方向进行感应控制。第三种是定时控制,没有任何交通感知措施,只能用经验判断。

我一直认为感应控制几乎是所有控制模式的基础,它主要研究这样几个方面——需求方面:需求怎样产生,不同优先级的需求分类,需求是否必须响应,需求可否忽略等;控制方面:感应控制的适用性,感应与协调控制的配合,泉路口无需求时的默认相位,以及没有需求时怎么办等;参数方面:感应下的最小绿时间,感应控制下如何约束相序,最大绿时间的含义,判断相位终止的条件参数等。

而在评价一个控制系统的运行效果时,我们要分别针对车辆、行人、自行车以及公共交通各种不同的交通需求、控制目标来进行评价。面对不同的目标,我们会给出不同的控制指标,这些都是感应控制需要考虑的内容。

(2)检测设计

感应控制最关键的环节就是如何实时感知检测交通需求,也就是检测设计。

交通检测在感应控制中主要完成以下几个任务:感知交通需求,形成对相关相位的路权请求;为连续交通流请求扩展时间并保持路权状态;分析车队特征,适时中止低效率交通流路权;检测高速车队,避免相位中止带来安全困境等。

对于感应控制,我们经常疑惑检测器如何设置,这个问题很难有标准答案。

我们通常考虑这样几个方面:路口以及路口各流向的控制目标、用路人的构成、交通流的特性、运行速度以及从检测器到停止线的行程时间等。

对于检测的目标,我们通常要检测高速运行车流、低速运行车流、左转车辆、右转车辆、行人检测、自行车检测、紧急车辆检测以及公共交通检测。在铁道路口,我们还需要对铁路机车的到达和通过进行检测。

要实现感应控制,除了要有相位设计,还要把相位与相关检测器对应起来,进行绑定。针对检测器设置的位置和检测的对象来决定这个检测器的数据是用来做相位请求,相对扩展还是分析车辆排队、清空,是否要对特殊车辆进行单独检出等都是工程设计中必须考虑的内容。

(3)基本参数

感应控制同样需要关键基础参数的配置,比如相位冲突关系、黄灯时间、红灯清空时间、最小绿、最大绿等。这些参数设置是影响控制安全与控制效果的关键。在定周期控制的情况下,我们通常说信号控制要设置最小绿时间,这往往是指出于安全考虑的最小绿时间。

但在感应控制中,还有一个“控制最小绿时间”,就是当这个相位处于红灯状态时,上游检测器检测到车辆到达情况,通过车辆到达情况来预测当绿灯亮起时,可能的排队长度以及清空排队所需时间,我们把这个时间进行计算,来形成控制的最小绿时间,其意义在于保障绿灯亮起时初始排队清空,避免造成剩余排队。

而最大绿时间的控制意义主要是保持控制的公平,限制最大等待时间和预防排队溢出。还有一个重要参数是通过时间,也称为扩展时间,它的主要作用是保证按设计密度到达的车队能够连续、安全到达停止线,通过入口,适时地中止相位并切换到另一相位。

(4)检测配置

感应控制最重要的就是需求,而需求是多样的,当需求产生时,我们面临着多重选择:是首先执行最小绿再逐步延展,还是只要有需求就执行到最大绿时间;需求即可以来自真实的检测器数据,也可以来自自软件设定的功能需求,或者来自中心系统的指令等。

在这些方面我们有很多变通的方法来适应不同交通控制场景需要。

检测器在感应控制中有很多应用方法,检测器不只是检测到车辆就立即产生请求,有时我们也希望检测被延时执行、被忽略、被有限相应等等。

感应控制的检测也不只是来自单一的检测结果,有时也会同时设置多个检测器检测扩展时间,或者通过多种检测数据进行对比计算或逻辑组合。

(5)场景应用

通过协调控制和感应控制之间的结合,可以在控制过程中即保障协调相位能在准确时刻启动或中止,又能灵活相应偶发随机的交通需求,灵活分配路口时间资源。

在正常情况下,我们按照相序图正常控制,沿着预定的控制流程运行。但在某些情况下,由于不同流向间的交通流需求变化,需要临时插入或剔除某个相位,就可以采用多种灵活的相位组合方式,在协调控制的情况下启动适当的相位。

保障协调相位在指定的时间段内运行,保障上下游之间交通流的连续运行,这是协调绿波控制的基本要义。除协调相位之外,其他的时段我们可以通过感应控制的方式根据实时交通流的情况灵活调节。

感应是协调的一个重要补充,有了感应后,协调可以拓展协调控制的可用资源并保障协调控制运行的更加灵活,弥补协调控制的资源浪费。

协调感应控制可分为两种情况:一种是固定相位中止,一种是浮动相位中止。

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另一个场景,如何用感应控制的方法和适当的设置检测器设置来辨识一个交通行为意图。

比如,在一个主路跟支路交叉的路口,如果支路方向只有一条车道,从支路驶来的车辆行驶目标可能是左、直、右三种可能,标准的检测器只要车辆到达都能检测到,我们可以通过车辆在检测器上停留的时间来判断它的通行意图;右转的车辆可能快速通过检测器并离开,而需要左转、直行的车辆在遇到红灯时,会在检测器上停留。

通过检测存在时间,当它停车超过一定时间后,我们认为它可能需要信号控制保障才能通过路口。这时我们产生了一个相位需求,并且在它这个方向给出绿灯保证它通过路口。同样的,这个方法应用也可以应用在主路的左转的交通检测上。这就是检测延时的集中应用。

在提及感应控制时,我们通常认为感应控制的需求和扩展都理解成只要有检测器检测到车辆的存在即可。但在实际项目中还有另一种应用需求,即我们不仅要检测到车辆的存在,有时还要检测车辆的运行速度。

其中一个场景就是黄灯线信号控制的黄灯困境问题(某种场景下,黄灯造成的车辆既无法通过,又无法安全停止的情况),如何来保障这段区域的车辆安全通过路口?其中一个方法就是利用感应控制,当发现决策困境区域中存在车辆,并且车辆的运行速度相对较快时,就把相位的中止时间适当拖后,保障车辆在绿灯期间进入并通过入口,进而保障路口的交通安全。

还有一种感应控制场景:全红感应控制,它同样需要依据速度检测。比如在一些事故多发区,上游车辆到达时,若车辆运行速度较快,它冲进入口就会带来交通安全问题。

那么我们可以通过感应控制的方法,常态下信号处于全红状态,只有车辆速度降低至限定速度以下时才能生成对相位的有效需求,车辆抵近路口时速度较低,就在它相应方向给出绿灯,让车辆通过,反之则阻止其通过。

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再有一个应用场景就是行人控制。行人信号的基本语义包括行人禁止通行、行人可以进入道路、行人通过道路这三个阶段。

在无检测的情况下的定周期控制时,机动车的绿灯,行人的绿灯都在固定时间出现。在行人检测装置(自动检测或行人按钮)感知到行人过街请求时,可以实现在保障机动车协调的情况下,适时启动行人相位。当另一周期无请求时,把全部时间让渡给机动车,给机动车提供更多路权时间,保障更多车辆通过,这样既可以保障上下游的协调,又可以保障行人交通安全。

对于行人的交通检测是必要的。包括行人按钮,基于视频的行人检测,对特殊行人的交通需求的检测等,已经有很成熟的应用案例。在苏州工业园区,上海浦东等地有许多路口都在采用新型的行人检测装置来保障行人的交通安全和路权。

匝道控制场景,包括检测方式,交通数据分析,主路服务水平分析,关键节点交通事件识别和控制响应五个方面。其中主路运行速度和匝道排队综合起来形成感应的请求扩展条件。

其他,包括路口均衡控制、溢出控制、死锁、过饱和控制等等场景,都是感应控制的具体应用。

感应控制的本质就是处理控制相位的请求,相位延展的条件以及相位中止的条件,这些条件既可以来自即时的交通检测,也可以来自综合的交通数据处理的结果。

而感应控制之所以能够得到普遍应用,最大的优势就是能够让交通管理者的控制意图通过各种条件逻辑的组合和数据的处理得到充分应用。

(6)感应控制评价

过去,我们在对信号控制进行效益评价时通常面对的是定周期评价,就是根据流量占有率、车头实据、车辆到达的情况等数据为基础,对延误、停车次数等指标进行对比评价。这些评价往往流于宏观,很难指导具体的控制优化工作,不利于发现影响控制效果的关键要素。

当我们把路口或区域的信号运行在感应控制下时,进行评价就有了更多的选择,首先我们会拥有更多数据,通过这些数据我们能够分析最小绿最大绿的适配程度、交通流运行的队形与路口控制参数的契合程度等内容。

通过这些数据我们可以对更多的信号控制参数进行优化。因此信号控制评价不只是一个后期评价,我们通过评价来具体指导信号控制优化的方向才是有意义的。

信号控制评价不仅依赖静态的控制参数,还依赖信号控制系统的控制动作和交通流之间互相影响的过程。

这种评价方法依赖于高分辨率的细颗粒度的检测数据。高分辨率的检测数据具体可以是在感应控制下能拿到什么数据,包括检测器的实时状态,车辆的请求,行人的请求,来自内部的控制请求,相位中止的原因等。这些都是作为评价或优化一个路口的重要参数依据。

四、扩展讨论

感应控制还有很多值得开展的更加延展的讨论,比如在感应控制情况下,用怎样的背景方案?感应控制下倒计时怎么办?感应控制模式的启动与退出怎么处理?它跟渠化设计之间有怎样的关系?可变车道条件下感应控制与动态交通标志的协同问题?潮汐的控制是否也能用感应控制?一些新型的交通检测装置(如雷达视频等)对感应控制带来了哪些新的应用?包括全息检测、车路协同等新感知新数据在感应控制上得到怎样的应用?这些问题都值得进行进一步地探讨。

总结,感应控制不只是一种控制方法,更是我们思考路口或区域的交通信号控制的一种思维方式。现代交通感知技术也提供了更丰富的数据资源、更强大的场景辨识能力,为感应控制应用带来了新动力。

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