實現雙向綠波信號控制的方法及其應用實現

隨著社會和經濟的發(fā)展，城市中的交通工具日益增多，城市干道的交通壓力也隨之增大。要緩解這一壓力，提高交通流量，防止出現交通堵塞，一種方法是把干道上若干連續(xù)交叉口的交通信號通過一定的方式連接起來，并對各交叉口的信號燈設計一種相互協(xié)調的配時方案，各交叉口的信號燈按此協(xié)調方案聯合運行，使車輛通過這些交叉口時不會經常遇到紅燈，減少大量車輛的停車次數與延誤。這種方法稱為“綠波信號控制”。下面介紹一種基于兩相位實現雙向綠波信號控制的方法。

1 設計思想及相關公式

如圖1所示，某輛車在干道上由西向東行駛至r1交叉口，當r1交叉口干道方向信號燈為綠時，該車通過r1交叉口，經過一定的時間到達r2交叉口。如果r2交叉口干道方向信號燈也為綠通行狀態(tài)時，該車將無須停留就可繼續(xù)通過r2交叉口，再經過一段時間后到達r3交叉口。如果該干道無論對由西向東還是由東向西行駛的車輛來說，在各個交叉口都不需停留就可連續(xù)通過，則該干道就實現了“綠波”信號控制或綠波帶。這只是一種理想狀態(tài)，實際應用中將受到多種因素的制約。本文只就車速、相鄰交叉口間距離和信號周期幾個方面來建立實現干道雙向綠波信號控制的相關公式

以圖1的三個交叉口為例，設交叉口r1至r2路段的平均車速為v1，交叉口r2至r3路段的平均車速為v2，r1、r2和r3交叉口的信號周期分別為t1、t2和t3。l1和l2分別為相鄰交叉口間距離，y1、y2和y3分別為r1、r2和r3交叉口的車輛延誤時間。設r1交叉口的信號控制機為控制主機，為了使通過r1交叉口的車輛分別按車速v1和v2行駛到達r2、r3交叉口時無需停留就可連續(xù)通過，各交叉口干道方向綠燈啟亮時間的關系必須如表1(正向）所示。同樣，為了能保證分別按車速v2和v1反向行駛而來的車輛到達r2、r1交叉口時也無需停留就可連續(xù)通過，各交叉口干道方向綠燈的啟亮時間的關系必須如表1（反向）所示。

由表1可求得各相鄰交叉口的正向綠時差分別為：

其中，δt12和δt23分別為r1、r2交叉口之間和r2、r3交叉口之間的綠時差。δy1和δy2分別為r1、r2交叉口和r2、r3交叉口的平均車輛延誤時間。

由于r2交叉口在t+l1/ v1和t+(l1/v1+2l2/ v2) 時刻綠燈啟亮，則r2交叉口信號周期必須滿足公式

其中，m取正整數。 每次以三個交叉口類推，即可求出各個交叉口的最佳信號周期t以及本交叉口到下一交叉口的綠時差δt分別為：

其中，m取正整數，l為本交叉口到下一個交叉口的距離，v為車輛從本交叉口行駛到下一個交叉口的平均車速，ys為本交叉口的車輛延誤時間，yn為下一交叉口的車輛延誤時間，δy為本交叉口與下一交叉口的平均車輛延誤時間。

綠時差δt為相鄰兩交叉口的綠燈時間中點時刻的差值，ys和yn的值可采用webster公式進行計算，其具體實現方法請參見文獻〔1〕。

由上面的公式(4)可推知，當各交叉口間的距離相等且各路段的車速都為v時，各個交叉口的信號周期就相同。此時，如果按車速v行駛的車輛從上一個交叉口行駛到下一個交叉口所需的時間正好是信號周期一半的整數倍時，雙向綠波信號控制可獲得理想的效果。下面討論幾種各交叉口間距離不相等時的情況。

（1） 相鄰兩交叉口間的距離很小時，可把相鄰兩交叉口看作一個交叉口，采用相同的配時方案，綠燈亮滅時刻相同。
（2） 各相鄰交叉口間距離雖然不等，但相差也不大。這時，可將它們看作近似相等來處理，各交叉口采用相同的信號周期，各路段采用相同的車速。?
（3） 各相鄰交叉口間距離相差很大。這種情況下，各交叉口可分別按公式
（4）求出本交叉口的信號周期（其中m選取合適的正整數），各交叉口信號配時方案遵循有效綠燈時間相匹配的原則，各路段采用不同的車速。 （4） 各相鄰交叉口間距離介于上述（2）和（3）情況之間時，在公式（4）和公式
（5）的基礎上，可采用f.webster-b.cobber法來確定各交叉口的配時方案，以期達到最好的效果。 綠波信號配時方案在實施之后，應當經常檢測各項交通指標（如平均延誤時間、車輛排隊長度等）是否達到了預期的效果，如果效果不理想，應根據現場調查的各項交通數據（如平均車速、干道交通流量等）重新設計配時方案和綠時差。

2 雙向綠波信號控制的實現方式

為了使干道上各個交叉口的配時方案取得協(xié)調，實現雙向綠波信號控制，必須把各個交叉口的信號控制機用一定的方式連接起來，這種連接的實現方式有多種多樣。下面介紹一種針對jr-xhj-b型信號控制機的實現方式。

jr-xhj-b型信號控制機的核心部件是pc104主板，主板上帶有一個rs-232串口(com1)和一個rs-485通訊接口(com2)。其中，rs-485通訊接口帶載能力強，可同時掛接多達32個終端；傳輸距離遠，有效傳輸距離達1200m；抗共模干擾能力強，只需兩線等。通過訂立合理的通訊協(xié)議，各終端可實現半雙工數字通訊。在雙向綠波信號控制系統(tǒng)中，控制主機與各終端之間需相互傳輸的數據量很小，而且傳輸速率要求也不高，投資少。因此，對那些還未建立光纖網的城市或距離光纖網比較遠的干道，采用rs-485總線式的結構也是一種解決方法。

各信號控制機的聯網方式有以下兩種。

(1) 第一臺信號控制機設置為控制主機。其它信號控制機都為從機，各信號控制機的連接示意圖見圖2。從機m的com1通訊口上接一個rs-232/rs-485轉換器,使從機m同時兼有rs-485中繼器的功能，從機m的com2通訊口在接收數據的同時將數據按原樣從com1通訊口發(fā)送出去，或者，從機m的com1通訊口在接收數據同時在com2口按原樣把數據發(fā)送出去，從而延長了rs-485總線的傳輸距離。

(2) 控制主機設在控制中心。所有信號控制機都為從機，各信號機的連接示意圖見圖3。這種情況下，控制主機除對前端各信號控制機進行綠波信號控制外，還可對它們進行其它的控制。例如，對前端各信號機進行狀態(tài)查詢、故障檢測、校時、方案設置或修改等。

由于通訊數據量較小，因而采用異步通訊方式。

3.1 通訊格式

1位起始位，8位數據位，1位停止位，波特率為19200/9600/4800，奇偶校驗：偶校驗。

3.2 指令格式

通訊指令分三種: 讀寫指令、控制指令、特殊指令，所有指令長度都為一字節(jié)。各指令格式如下： (1) 讀寫指令

d7 ： 指令方向 d7=0為上行指令，d7=1為下行指令
d6 ： 讀寫控制 d6=0為寫指令，d6=1為讀指令
d5?d4：讀寫指令標識位，固定為00。
d3d0：指令功能號
其中，下行：控制主機控制前端信號機。上行：前端信號機主動向控制主機發(fā)送。

（2）控制指令

d7： 指令方向 d7=0為上行指令，d7=1為下行指令；
d6d4：控制指令標識位，固定為011；
d3d0：指令功能號。

d7： 指令方向 d7=0為上行指令，d7=1為下行指令；
d6d4：特殊指令標識位，固定為011；
d3d0：指令功能號。

3.3 報文格式

4 協(xié)調過程

按信號傳遞方式的不同，可分為兩種協(xié)調過程。

（1） 主從式協(xié)調過程?？刂浦鳈C通過rs-485總線或電話線操縱與之相連接的各臺信號控制機，每隔一定數量的信號周期，控制主機就發(fā)送一個同步信號給各臺信號控制機。時差被預先設置在各臺信號控制機內，每臺信號控制機都保持在這個時差點上轉換信號周期。這樣，相鄰信號控制機間正確的時差關系就得到了保持。

（2） 級聯式協(xié)調過程。各臺信號控制機分別預先設置好各自的配時方案和時差。當第一個交叉口干道方向的綠燈啟亮時，發(fā)一個信號給下一個交叉口的信號控制機，第二個交叉口信號控制機接收到信號后，按預先設置的時差推遲相應的時長改亮綠燈，同時向它的下一個交叉口的信號控制機發(fā)一個信號，這樣依次把信號傳遞到最后一臺信號控制機。每隔一定數量的信號周期后，控制主機再重新進行協(xié)調，以保持各臺信號控制機間正確的時差關系。 jr-xhj-b型信號控制機具有多時段設置功能，可同時配置多達20個時段?？刂浦鳈C可設置幾個由內部時鐘控制的配時方案轉換點，在時鐘到達這些轉換點時，控制主機發(fā)出信號使各下位信號控制機相應地改變配時方案。這樣，可根據各時段干道交通流量的不同，設置不同的配時方案，實現對干道交通更靈活的控制。

5 結束語

本文介紹的雙向綠波信號控制的方法簡便易行，所需設施簡單，安裝維護費用低，在幾個城市的實際應用中收到了較好的效果。本方法雖然并不能保證車輛到達所有交叉口時都不會遇上紅燈，但是，它可以做到使沿路車輛少遇幾次紅燈，減少大量車輛的停車次數和延誤，這對于加大城市干道的交通流量，提高交通運行效率來說具有重要意義。