饱和情况下交叉口可变相位控制系统设计

摘要：通过分析路口饱和情况下大路口车流拥堵的原因，设计了一种可变相位的模糊控制系统，可以根据各车道的车流情况确定系统的相位，根据放行相位的车辆数确定绿灯时间。通过现场调研，路口拥堵多是因为相位交替时的路口内未通行车辆，所以设计系统应根据路口内车辆情况，实时延长路口清空时间。

关键词：交叉口；单片机；控制系统

中图分类号：U491.51 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）04-0004-01

城市道路的拥堵多发生于交叉口，如果交叉口红绿信号灯控制系统设置不合理，即便是通行能力较大的路口照样容易拥堵。我国近年来机动车数量发展迅速，尤其是在一些三线城市，城市扩建的同时也伴随着车辆保有数量的大幅增长。受城市建设的限制，车辆的迅猛增长给城市交通带来了很大的压力。一般来说交叉口的拥堵多是因为转弯车辆和直行车辆的相互冲突。本文主要对交叉口通行能力分析的基础上设计了一种可变相位及延时时间的智能控制系统。

1 交叉口通行能力分析

交叉口的通行能力受路口宽度、车辆数量等影响。一般来说越宽的路口通行能力越大，但是路口越宽，在路口内能够停留的车辆数越多，当一个放行周期内不能把当次的车辆放行完全的话，停留车辆就会对下个放行相位的车辆产生影响，当车辆数量超过路口通行能力的时候，就会造成交通拥堵。针对这种情况，通常在一个相位结束时，将各方向信号灯均设置为红灯，这段时间为路口清空时间。但是该种设置的缺点是，在车辆较少时由于路口内车辆能够完全通行，额外的红灯白白增加了车辆的等待时间[1]。

在交叉口，一般来说右转车不会对直行车辆产生影响，冲突主要是在左转车和直行车辆之间。为了降低拥堵风险，有些路口设置为四相位，将每个方向的左转相位和右转相位分开，从而避免了冲突。但是这样的设置在车流量较少的时候反而会增加车辆的等待时间，造成交叉口通行能力降低。通过以上分析可以得出，单一模式的相位和延时设置不能满足瞬息万变的交通变化的需要。

2 控制系统设计

针对上文的分析，本文设计了一个可以根据各车道车辆数自适应选择相位数，根据放行车道的排队数量决定放行时间，根据进入路口和驶出路口的车辆差决定清空路口时间的交叉口智能控制系统[2]。控制系统的原理图如图1所示。

其中，线圈检测器需要在每条车道的进口和出口均安设，控制器采用模糊单片机，虽然上图标明了有三个控制器，可是在实际中只需要1片单片机即可完成整个操作。线圈检测器检测的数据主要是各车道的排队车辆数，将检测到的放行相位车道的排队车辆数和路口驶离的车辆数相减，即得到路口内需清空车辆数。将各相位的排队车辆数进行模糊处理，得出车辆少、较少、多、较多、超多的模糊判断，通过单片机模糊运算得出信号灯的延时时间。其中，相位控制其部分负责在相位放行前完成是否将左转和直行相位分开的操作。具体的模糊控制设置过程可见参考文献[3]。

3 控制过程及结果分析

其具体控制过程为：系统检测放行方向等待的左转车和直行车辆数确定是否将左转和直行相位分开，当确定分开时先放行直行车辆再放行左转。每个相位结束，下个放行相位有5秒的待转时间，在确定放行的相位后再根据放行相位的排队车辆数确定具体放行时间。在交叉口的进口和出口车道均埋设检测线圈，根据进路口和出路口的车辆差确定路口清空时间。

通过采集沧州市迎宾大道和九河西路交叉口下午五点到六点的交通流数据，在实验室建立仿真模型。通过仿真数据同实际测量现行交叉口信号灯控制下的交通情况对比，得出本文设计的控制器在路口交通流饱和情况下能够有效减少车辆等待时间、降低交叉口拥堵风险，其控制效果要远优于定时控制的信号灯。

4 结语

本文在分析大路口饱和流量情況下的拥堵因素的基础上，结合沧州市实际路口交通流情况，设计了一种可以根据交通流情况改变相位数、延时时间和清空路口时间的信号灯控制系统。主要是为饱和交通流情况下的路口减少拥堵提供一种控制思路，由于篇幅原因具体的设计、运算过程没有给出。同实验室的仿真证明，这种思路设计的信号灯，能够在相应的路口，在对应的拥堵时间段发挥重要作用，起到了设想的控制作用。

参考文献

[1]李素兰，张谢东，施俊庆，张莉.信号控制交叉口交通流建模与通行能力分析[J].公路交通科技，2017，（12）：108-114.

[2]刘小明，唐少虎，朱凤华，陈兆盟.基于MFD的城市区域过饱和交通信号优化控制[J].自动化学报，2017，（07）：1220-1233.

[3]王建强，张艳敏.单交叉口四相位模糊控制器的设计[J].河北工程技术高等专科学校学报，2014，（03）：48-51.