浅谈长沙市多场景多模式的交通信号感应控制实践应用

文图｜刘俊

截至2021年底，湖南省长沙市汽车保有量已突破300万大关，全市机动车驾驶人达365万人，机动车千人拥有量374辆，城区路网密度达到每平方公里6.7公里。以往简单的道路交通信号配时优化工作，已不能够满足当前实际的工作需求。因此，长沙市公安局交警支队借助智能交通管理系统三期续建项目，引进专门从事信号调优服务团队。支队指挥中心负责总体统筹协调组织调优工作；下属大队安排信号专干，负责大队信号调优需求汇总，提报协调调优需求，优化效果验证；信号调优服务团队按照“一大队一联络员”进行人员配备，与大队共同开展交通调研、信号优化、效果巡检、工作汇报等各项调优工作；收集各单位调优需求并优化，配合进行技术指导及培训等工作。组建的信号调优专班围绕“基础建档+精细优化+技术创新+效果宣传”四个维度，按照“确保安全、强化秩序、兼顾效率”的理念，建立起了全方位的信号优化管理体系，提升了城区交通信号控制精细化、智能化水平。本文介绍了长沙市信号控制路口建设状况、感应控制应用与效果，并对优化感应控制进行了思考。

一、信号控制路口建设状况

目前，长沙市城区智能联网信号机控制路口为1294个。现有智能联网信控路口中，已进行协调优化控制的主次干道接近100条，协调控制路口760个。截至2022年2月，在城区1294个智能联网信控路口中，已有330个地磁流量检测器路口，但由于地磁检测器建设时间久，维护成本高，目前数据完好的地磁检测器路口仅剩9个。面对地磁检测器覆盖率和完好率低的困局，长沙市结合正在建设中的长沙市智能交通管理系统（第三期续建）项目，开展电子警察IO转换器的建设和应用，复用电子警察的数据，可将路口实时的过车数据进行转换接入智能交通信号机，在车流量非饱和状态下，以“有车多放，没车少放”的优化目标自动调整绿灯时间，路口根据车辆的实际到达情况调整绿灯时间，减少车辆的等待时间，降低交通延误，有效提升路口绿灯利用效率。相较于地磁检测器，电子警察IO转换器节约了建设和维护成本，复用的电警数据更准确，置信度更高。为及时应对交通流量波动带来的绿灯损失，长沙市已对54个装有IO转换器的路口分单点、干线场景，分感应、绿损模式开展感应控制实践应用，提升城市交通通行效率。

二、感应控制实践应用

（一） 单点路口感应控制。感应控制的基本原理是：在信号灯配时运行到设定最小绿灯时间后，结合路口实时感应检测到的机动车的请求，决定是否延长绿灯时间，若机动车没有感应需求，会结束当前相位的绿灯；若机动车有需求，会延长绿灯时间，并判断其是否达到最大绿。当一个方向无机动车请求后，还会继续判断是否有同断相位，再决定是否放行下一相位。感应控制包括全感应控制和半感应控制两种。全感应控制适用于车辆到达不均匀，各进口道均布设检测器的路口，每个相位在最小绿灯末尾，若检测到有来车，则延长绿灯，若一定时间间隔内没有检测到来车，则切换至下一个相位放行；半感应控制适用于相交道路等级相差较大时，只在支路上埋设检测器，对支路相位进行感应控制。正常情况下主路常绿，支路为红灯。当支路检测到有车辆到达或行人请求时，给支路放行一次绿灯，放行结束后恢复主路常绿。

对于车流量随机性较大，没有固定的规律，与上下游路口关联性低的路口，若采用定周期控制，出现“时段多、方案多、人工多”三多复杂场面，存在绿灯时间浪费严重，使得整个路口机动车延误增加、服务水平低。信号调优专班通过对路口交通流的调查，结合路口的渠化以及特殊需求，综合分析，设置基本的配时方案，根据路口设备以及路口实际道路交通情况，已对城区34个路口选择性实施全感应或者半感应控制。

以长沙市滨河路双河路口为例，该路口东西方向为主干道，南北方向为次干道，东向西方向车流量较大，其他方向车流量较少，且车流量随机性较大，没有固定的规律，与上下游路口关联性低，采用定周期控制，造成了绿灯时间浪费严重，使得整个路口延误增加、服务水平较低。在实施单点路口全感应控制后，根据车辆的实际到达情况，该路口实时调整绿灯时间，减少了车辆等待时间和交通延误，提高了路口的通行效率。根据第三方高德数据平台的路口评价数据对比，优化后的延误指数、排队长度、停车次数平均下降5%至20%。根据交通信号控制系统平台交通评价数据，优化后的早高峰、平峰和晚高峰各时段因车头时距过大而产生的周期绿灯时间损失时间平均减少50%至60%。

（二）干线协调路口感应控制。干线协调控制下各路口采用相同周期，流量较小的路口经常会出现绿灯空放现象。干线协调路口感应控制是指在干线上各信号控制路口根据交通流信息实时自动调整信号控制参数的控制方式，采用动态补偿机制，最大限度减少路口停车延误和绿损时长，又不破坏绿波协调。优化模式分为两种：一是感应模式，在一些交通流条件满足设置感应的干线协调路口，对绿损较大的非协调相位进行感应，将损失的时间分配给协调相位和主要交通流方向；二是绿损模式，通过上一周期的绿损数据，压缩非协调相位的时间给到协调相位，应用到下一周期的模式。

长沙市岳华路含光路口南北方向为主干道，东西方向为次干道，南北直行车流量较大、左转车流量较少。经过前期优化发现，采用定周期南北直行向协调控制的方式，南北左转车流量波动较大，部分时段绿损较大，使得整个路口延误增加、服务水平较低。应用上述两种优化模式后，绿损数据均有显著下降，同时两种模式应用效果有所差异：在绿损优化模式下，会将本周期的一个绿损的数据进行分析，在下一个周期进行方案调整，由于每周期交通流量到达不规律，该模式在此路口运行效果欠佳；感应优化模式可以实时调整绿灯时间，通过对比发现，该模式下的晚高峰时段，平均绿损时间降幅9.7%，其应用效果优于绿损优化模式。

（三）自适应控制路口的感应控制。即利用历史的15分钟数据进行宏观交通规律的预测，根据预测数据采用交通强度模型优化路口下一个5分钟的周期和绿灯时间，生成优化方案后对路口进行实时感应，以弥补自适应生成方案可能产生的绿损情况。

长沙市黄桥大道泉水路口为主干道交叉路口，大型车辆占比高，定周期控制下工作日早晚高峰南口左转车流量较大，二次排队现象严重。通过黄桥大道泉水路口信号周期绿灯流量对比图可知，单点自适应优化开启时段，信号周期的变化趋势和交通流量变化趋势一致，即信号周期随车流到达实际情况实时变化，信号周期与车辆到达情况匹配度得到极大提升，减少绿灯空放和二次排队现象，提高路口通行效率。

据高德平台延误指数和拥堵状态数据显示，分类统计三种不同控制模式的工作日早高峰和晚高峰路口延误指数以及路口拥堵状态，采用定周期和平台中心优化方式，延误指数相对较高，同时拥堵状态异常且均是失衡状况；采用路口单点自适应控制方式，工作日早高峰和晚高峰延误指数均有下降，虽然存在个别失衡的情况，但整体状态正常。

高德平台数据对比3种控制模式下，工作日早高峰、晚高峰的路口延误指数，由对比图可知，路口单点自适应的早高峰和晚高峰延误指数均低于其他两种控制模式。

三、提升感应控制优化效果思考

（一）每一种感应控制策略都有一定的适用场景。并不是所有的路口的所有时段都适用感应控制，根据适用的条件，合理选择路口，并选择合适的开启时段。一是针对相对孤立的与其他路口关联不是特别强的路口，应用单点路口感应控制，在确保行人过街和非机动车安全的前提下，有效减少了绿灯损失，提高路口运行效率，特别是在某个方向流量集中、交通流量不均衡的路口，应用效果较好。二是在协调干线上，非协调方向流量到达不规律的不饱和路口，应用干线协调感应控制策略，提升干线协调效果。三是在大货车集中的路口，在单点自适应的基础上应用感应控制，减少随机延误。

（二）关键参数的设计、好的效果是调试出来的。路口和交通情况的千差万别，并没有一劳永逸的方案，需要不断优化、调试。一是感应相位的选择。并不是所有的相位均设置感应，当某些相位方向受违法停车干扰或车道方向未设置检测器等，这些相位不宜设置。二是最小绿灯时间的配置。除满足行人过街需求之外，根据实际运行过程中，是否满足进口车辆的通行而又不产生额外的绿灯损失，对于存在车辆掉头和左转的车道，若因干扰导致车头时距过大，相位放行时间远远不能满足通行需求时，应适当调大最小绿灯时间。三是最大绿灯时间的配置。最大绿灯时间保证各相位绿灯时间延长的限度，当达到最大绿灯时间时，为避免其他相位排队长度过长，则强制切换下一相位。一般依据固定配时方案的周期时长和绿信比分配至各个相位。四是单位绿灯延长时间必须确保被检测车辆从感应检测器位置驶离停车线，且尽量不产生绿灯损失时间，一般取3至5秒，长沙市感应控制路口默认为3秒，若路口干扰因素繁多导致连续车流的车头时距较大，应根据实际情况调大。五是同断相位。考虑非机动车辆通行、路口存在辅道车辆左转的情况，是否设置相位同断也是感应控制需要考虑的因素。

（三）检测器异常情况处置。检测器存在异常时，会严重影响感应控制的正常运行。长沙市通过降级机制和日常巡检维护，减少异常检测器数据对感应控制路口正常交通的影响。降级机制，即在检测器故障不足以支撑感应控制正常运行时，系统自动降级为定周期方案。而日常巡检维护，即在特殊气候条件下，核实检测数据的准确性，及时发现运行异常路口。

（四）信号控制并不能解决所有问题。长沙信号配时优化工作围绕全市整体信号控制策略开展，针对区域、干线和单点路口进行综合优化。感应控制增加了优化的手段，减少了以往重复优化工作，在应用感应控制之后，开展“回头看”工作，能够直观有效评价基础方案合理性，确保周期、相位、相序等参数设置更加科学，提升优化效果。感应控制是众多信号控制方式的一种，在实际应用中，并不一定能够完美地解决交通安全和效率的问题，同样信号控制本身也有一定的局限性。良好的交通出行环境，需要合理的交通渠化设计、规范的交通设施、良好的交通秩序共同创造，并根据实际的交通问题，综合施策，缺一不可。