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1.4 交通仿真与信号控制

1.4.1 可检验限行方案的交通仿真

(1)广州亚运车辆限行政策。广州亚运会虽然已经成为过去式,但是亚运时期多姿多彩的生活相信大家还历历在目:精彩的开幕式和闭幕式表演、在赛场上为国争光的中国健儿的英姿、亚运志愿者亲切的微笑……我们是否还对亚运给广州生活带来的变化记忆犹新?例如,是否还记得在亚运期间,广州路上的车比以往少了一些,走起来更顺畅一些。如果大家关心时事或者是一名广州的机动车驾驶员,就肯定会知道那是广州亚运期间实行车辆限行政策的成果。

延伸阅读
车辆限行制度

车辆限行制度是为了缓解城市交通压力而催生的一种交通制度。2007年的“好运北京”奥运测试赛期间,北京开始实施单双号限行。单号的日子,只有车辆号牌末位数字是奇数的私家车可以上路,双号的日子,只能车辆号牌末位数字是偶数的私家车可以上路。措施实施以后对城市交通拥堵起到了缓解作用。

2010年,经过7月和9月分别进行的两次单双号限行演练,广州决定在亚运会(11月1~29日)、亚残运会(12月5~21日)期间,早上7点到晚上8点实行单双号限行制度,保证亚运期间广州市交通服务线路正常运行和路面交通顺畅。

除了单双号限行制度外,广州还启用了15条亚运专用车道,每天06:00~22:00,专用车道将禁止一切社会车辆行驶;此外,每天 06:00~22:00,部分路段禁止一切货车通行。

对于广州亚运限行,有不少人曾提出质疑,究竟交通限行方案是否真的有效?例如,被限车辆的车主为避免挤公交搭地铁上班,选择了提早开车出门,会不会导致在某个时间段单双号车流叠加在一起,使得上班早高峰的车流量猛增,路面更加拥堵?设置了亚运专用道,会不会导致其他车道更加拥堵?

面对这些质疑,广州市政府采用了多次演练的方法,调整限行的路段和时间,希望达到最好的效果。但是,演练过程的时间很长,花费的人力和物力较大,并且没有预测性。因此,广州市政府应用交通仿真技术,针对广州亚运交通状况进行了预测分析。通过交通演练与交通仿真相结合的方法,为亚运时期可能遇到的交通问题做好了最充分的准备。

(2)交通仿真技术。仿真,顾名思义,就是以计算机和各种模拟设备为工具,利用系统模型对真实或设想的情况进行动态模拟。例如,现在最强的中国象棋软件就是模仿最顶尖的象棋大师下棋,许多象棋高手也胜不了它;又例如,利用飞行仿真器可以模拟火箭升空和着陆的情况,在地面上就可以实现航天员失重状态下的体能训练……

交通仿真就是运用现代计算机技术,建立一个能够代替现实的交通系统的计算机模型的过程。这个交通模型能再现实际交通系统的特性,分析交通系统在各种设定条件下的可能行为,通过模型仿真试验的结果,检验各类设计方案的效果。同时,它还可以为各种交通产品的设计开发和性能优化提供直接的技术支持,为说服交通管理决策层采纳新的交通理念提供帮助。

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交通仿真及建模

我们以广州亚运限行为例。假设A路段在亚运期间实行货车限行,A路段06:00~22:00禁止一切货车行驶,那么这种限行方案是否既有利于亚运车辆的畅通运行,也能保证整个路网的运作正常?

显然,当A路段禁止货车行驶时,原来要在A路段行驶的车辆必定要选择其他路。于是,我们可以围绕A路段划定一个区域(将受到车辆限行影响的区域),然后我们对这个区域的交通状况进行仿真。再假设06:00~07:00,A路段原本会有100辆货车经过;限行后这100辆车就会按照一定的比例(需要经过调查和数据处理来确定)添加到其他路段(B路、C路、D路……)上,添加这100辆车到其他路段之后,便得到这个区域路网在限行期间的交通状况了。如此类推地得出其他时间段的路网交通状况后,我们就可以得出关于A路段限行后的一个简单的交通模型。最后就可以根据这个模型来分析这个交通限行方案是否有效——判定添加到其他路段的货车是否对这些路段的通行能力造成很大的影响,再综合分析限行对整个路网的影响,权衡轻重之后我们就可以做出限行方案的最后评价了。

当然,一个交通仿真模型的建立并不是像上述例子讲得这么简单。一个路网仿真模型的建立要考虑很多因素,例如交叉路段之间车流的影响,工作日与周末的区别,不同类别车辆的行驶行为等等。另外,仿真模型建立之后还要通过实验验证,判定这个模型是否与现实交通情况相一致,才能被用于分析交通问题。

交通仿真的应用非常广泛,路网的仿真属于宏观交通仿真,不对单个的车辆行为进行研究。而中、微观的交通仿真研究的对象就比较小了,从一列车队,到具体每个车辆、每个驾驶人,甚至是每个行人。

交通仿真技术的历史可以追溯到20世纪50年代,但在最近20年才得到广泛应用,在这20年里,许多交通仿真软件被开发出来,如Transyt、Vissim、Paramics、Aimsun等等,这些仿真软件为车辆出行状态、出行需求模型分析、交通控制方案、公交系统管理、车辆行驶路线追踪、事故仿真等交通问题的研究提供了良好的平台。

(3)交通仿真优点多。首先,交通仿真可以避免调研和试验所花费的过多的人力物力,也可以避免实地交通调查中可能出现的意外伤害。其次,一旦一个仿真模型建立了,就可以任意重复仿真过程,而且可以通过程序控制某些参数的变化。第三,与实际交通调查相比,交通仿真可以快速获得结果,缩短了数据获取周期,还可避免由于人为因素,如发生交通中断等干扰而造成的数据丟失或失真。最后,由于利用计算机模拟是对一种设想进行验证,它可以使某些参数(如车速、交通流量等)超出实际调查所能得到的范围,利用交通仿真进行模拟预测,还可以再现复杂交通环境条件下的车流运行特性,弥补观测数据的不足。

1.4.2 控制红绿灯工作的城市交通信号控制

(1)你我都熟知的红绿灯。“交叉路口红绿灯,指挥交通显神通;绿灯亮了放心走,红灯亮了别抢行;黄灯亮了要注意,人人遵守红绿灯。”

这首儿歌教育小朋友过马路时一定要遵守交通规则——看红绿灯过马路。这一节介绍的交通信号控制其实就是这个我们每天都见到的红绿灯。

我们在交叉路口设置红绿灯,作用是显而易见的,就是在时间上隔离不同方向的车流和人流,控制交通运行秩序,以获得最大的交通安全,使在交叉道路网络上的人和车的通行效率达到最高。

(2)红绿灯的“点、线、面”控制。按管理范围可以将交通信号控制分为单点交叉路口交通信号控制、干道交通信号协调控制和区域交通信号系统控制3种,也就是所谓的“点、线、面”控制。

首先,我们重点来讲讲红绿灯的“点”控制。单点交叉路口交通信号控制就是以单个交叉路口为控制对象,它是交通信号灯控制的最基本形式。它的控制原理很简单,就是按事先设计好的控制程序,在每个方向上通过红、绿、黄三色灯循环显示,指挥交通流,在时间上实施隔离。道路交通安全法规定:红灯——停止通行,绿灯——放行,黄灯——清尾(即允许已过停车线的车辆继续通行,通过交叉路口)。

我们把每一种控制(即对各进口道不同方向所显示的不同色灯的组合)称为一个信号相位(如图1-15)。一般情况下,信号控制灯多采用两个相位[如图1 15(a)],即两相制,如东西向放行,显绿灯,则南北向禁行,显红灯,这是第一相位。第二相位时,南北向放行,显绿灯,东西向禁行,显红灯。当左转交通量比较大时,可设置左转专用相位,此时,信号控制灯采用三相制[如图1-15(b)]。特殊情况下,例如多路交叉的情况下,还会有四相、五相……

图1-15 信号灯相位

延伸阅读
信号灯时间设置的计算

红绿灯的设置,其中最重要的一点就是确定红灯和绿灯的时间,红绿灯时间的设定并不是任意的,但原理也十分简单,下面就以两相制为例,介绍红绿灯时间是怎么设置的(如图1-16)。

图1-16 红绿灯时间设置计算示意图

第一,要确定一组色灯变换所需的总时间,即周期长度,它等于红灯时间+绿灯时间+黄灯时间。周期长度根据交叉总交通量确定,一般来说,交通量越大,周期长度就越长。

第二,根据两相交道路的交通量比值来计算红灯和绿灯的时间。计算比值时,应取道路上较大的那股车流方向为计算依据,如在十字交叉路口,南北向交通量为400辆/小时,北南向交通量为350辆/小时;东西向交通量为370辆/小时,西东向交通量为450辆/小时。那么我们就应取南北向交通量与西东向交通量的比值为400∶450。假设我们在第一步算出了周期长度为55秒,并且确定了黄灯时间为3秒,就可以算出信号灯时间:总绿灯时间=周期长度-2×黄灯时间=55-6=49秒,则南北相位的绿灯时间为49秒×(400/850)=23秒,东西相位的绿灯时间为49秒×(450/850)=26秒。

红绿灯时间的设置计算,大家明白了吗?

下面再简单介绍红绿灯的“线”控制和“面”控制。

干道交通信号协调控制系统也简称“线控制”,它是把一条主要干道上一批相邻的交通信号灯联动起来,进行协调控制,以便提高整个干道的通行能力。其中,“绿波交通”就是干道交通信号协调控制的最理想状态——车流沿某条主干道行进路程中,连续得到一个接一个的绿灯信号,畅通无阻地通过沿途所有交叉路口。实现“绿波”的关键是精确设置相邻交叉路口之间的相位差。

区域交通信号控制简称“面控制”,它把整个区域中所有信号交叉路口作为协调控制的对象。控制区内各交通信号都受中心控制室的集中控制,使区域内各交叉路口的交通情况处于快速、有效的宏观调控之中。

上面介绍的红绿灯控制都是有固定周期的,而感应式信号控制是没有固定的周期长度的。

(1)工作原理。在感应式信号控制的进口,均设有车辆到达检测器,某一相位起始绿灯,感应信号控制器内设有一个“初始绿灯时间”,到初始绿灯时间结束时,如果在一个预先设置的时间间隔内没有后续车辆到达,则变换相位;如果有车辆到达,则绿灯延长一个预设的“单位绿灯延长时间”,只要不断有车到达,绿灯时间可继续延长,直到预设的“最长绿灯时间”时变换相位。

(2)基本控制参数。初始绿灯时间:给每个相位预先设置的最短绿灯时间,在此时间内,不管是否有来车,本相位必须亮绿灯。初始绿灯时间的长短,取决于检测器的位置及检测器到停车线可停放的车辆数。单位绿灯延长时间:它是初始绿灯时间结束后,在一定时间间隔内测得后续车辆时所延长的绿灯时间。最长绿灯时间:它是为了保持交叉路口信号灯具有较佳的绿信比而设置,一般为30~60秒,当某相位的初始绿灯时间加上后来增加的多个单位绿灯延长时间达到最长绿灯时间时,信号机会强行改变相位,让另一方向的车辆通行。 FZd5kgbMdXbYt5At8QFo6eAkyZsmR7/C71vhXjP7N/hUNM5qOU79nxKeb03EIMsU

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