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1、第四章 感应信号控制思考与讨论1、感应信号控制适用条件？2、感应信号控制效率问题：存在什么弊端？3、信号控制参数如何确定及优化？4、不同感应控制方式是否有必要转换？目 录第一节感应信号控制定义与设计内容第二节感应信号控制基本参数第三节感应信号控制工作原理第四节感应信号控制延误第五节路段感应信号控制行人过街系统第六节感应信号控制目标及优缺点(一)定义 感应信号控制是指以获取车辆检测器检测到的车辆到达信息为基础，通过调整信号灯时长以适应检测到的交通需求的一种交通信号控制方式。组成：信号控制器、车辆检测器。参数：各相位的初期绿灯时间、单位绿灯延长时间、绿灯极限延长时间、检测器的设置位置。第一节感应信
2、号控制定义与设计内容(二)设计内容u感应信号控制方式：半感应/全感应。u检测器设置位置：距离异相的黄灯时间(s)接近路口的车速(m/s)，一般距停车线30-60米。为什么？u感应信号工作逻辑：相交道路通行权优先问题。u感应信号控制效益评价：延误、排队长度、通行能力等。第一节感应信号控制定义与设计内容1、交通流参数主要包括交通流量、车头时距、饱和流量等。各自用来干什么？第二节感应信号控制基本参数交通流参数和信号控制参数2、信号控制参数主要包括初期绿灯时间、单位绿灯延长时间、最小绿灯时间、绿灯极限延长时间和相位绿灯时间等。第二节感应信号控制基本参数l初期绿灯时间停在停车线和检测器之间的车辆全部驶出
3、停车线所需的绿灯时间保证行人安全过街所需的最短绿灯时间，通常为713s保证红灯时停在停车线前的非机动车安全过街所需的时间第二节感应信号控制基本参数l单位绿灯延长时间(判断车流是否中断的重要参数)保证车辆从检测器驶出停车线时长恰当，尽量不产生绿灯损失注意被检测的车道数l绿灯极限延长时间(判断车流是否中断的重要参数)信号到达绿灯极限延长时间时，强制结束绿灯并切换相位，一般为3060s；改进的感应信号控制中，采用可变绿灯极限延长时间。第三节感应信号控制工作原理一、工作原理第三节感应信号控制工作原理二、感应信号控制方式半感应信号控制、全感应信号控制和优化的感应信号控制。半感应信号控制：适用于主、次道路
4、相交且交通量变化较大的交叉口上。检测器设在次要道路上主要道路上总显示绿灯，次要道路预置最短绿灯时间。实质：次路优先，即只要次路上有车辆到达就会中断主路交通流。检测器设在主要道路上改进之处：避免主路车流被次路车辆打断，有利于次路上自行车和行人的通行。次路检测半感应信号控制执行流程主路检测半感应信号控制执行流程第三节感应信号控制工作原理全感应信号控制：适用于同等级道路相交或不同等级道路相交但交通负荷相当、且交通量变化较大的交叉口。基本全感应信号控制原理：当某一方向检测到有车辆达到时，则对来车方向给予通行权；此后就按感应信号的基本原理运行，其执行流程见下图。特殊感应信号控制原理：在基本感应信号控制的
5、基础上，按特殊需求，增加特殊感应装置。基本全感应信号控制执行流程第三节感应信号控制工作原理优化的感应信号控制原理：在交叉口的每一进口道上设两个检测器，如一个在停车线前30m，一个在停车线前90m；给每个相位配以足够的绿灯时间，把30m检测器到停车线间的车辆先放完；而在两个检测器之间的这一段时间间隔内，用来检测何时产生饱和交通流；最后用一个优化程序，把这一相位延长绿灯时间能取到的交通效益和另一相位车辆因延长红灯所产生的损失加以比较，确定相位转换时间，从而降低感应信号控制中的绿灯损失时间，提高交通运行效益。第三节感应信号控制工作原理优化感应信号控制执行流程第三节感应信号控制工作原理第三节感应信号控
6、制工作原理第三节感应信号控制工作原理第三节感应信号控制工作原理最短绿灯时间求解示意第三节感应信号控制工作原理第三节感应信号控制工作原理第三节感应信号控制工作原理u单位绿灯延长时间（）法一：单位绿灯延长时间保证能使车辆从检测器位置开出停车线所需的时间 式中：为检测器与停车线之间的距离，m；车辆平均速度，Km/h。法二：单位绿灯延长时间应满足车辆从检测器安全驶出交叉口或抵达下一检测器的时间要求。第三节感应信号控制工作原理 单检测器交叉口单检测器单位绿灯延长时间计算示意第三节感应信号控制工作原理满足通过停车线需求的绿灯延长时间式中：目标检测器至进口道停车线的距离，m；平均行驶速度，m/s。满足车辆通
7、过冲突区的绿灯延长时间式中:目标检测器至冲突点的距离，m；本相位最后通过停车线的车辆到达冲突点所行驶的距离与下一相位首辆车到达冲突点所行驶距离的最大值，m；下一相位冲突流向头车的行驶速度，m/s；绿灯间隔时间，s。第三节感应信号控制工作原理双检测器交叉口双检测器单位绿灯延长时间计算示意第三节感应信号控制工作原理单位绿灯延长时间在保证车辆通过交叉口的同时，还要保证能使车辆行驶完检测器之间的距离。车辆从上游检测器至下游检测器的时间为：式中：检测器之间的距离，m；车辆在检测器之间的行驶平均速度，m/s。下游检测器触发的单位绿灯延长时间为 ，参照单检测器的计算过程。综上：单位绿灯延长时间应该取上、下游
8、检测器触发时间的较大值，即 第三节感应信号控制工作原理u绿灯极限延长时间()半感应信号控制法一：按照对交叉口进行定时信号控制计算得到的绿灯时间法二：主次相交两相位交叉口在信号周期确定的情况下，给次路最小绿灯时间，来保障主路的最大绿灯时间次路最短绿灯时间式中：周期到达车辆数；无实测数据时，前4辆车车头时距经验取值。第三节感应信号控制工作原理主路最大绿灯时间式中：绿灯间隔时间，s。全感应信号控制利用韦伯斯特最佳周期时长计算模型计算得到最佳周期时长，然后把分配到各相位的绿灯时间再乘以1.251.50的系数即可得到绿灯极限延长时间。绿灯极限延长时间一般为3060s。第三节感应信号控制工作原理u感应信号
9、控制周期时长最小周期时长最短周期时长应当恰好等于一个周期内相位总损失时间加全部车辆以饱和流率通过交叉口需要的时间，即：式中:第i相位最大流量比；周期内的相位数；信号总损失时间，s；总流量比。第三节感应信号控制工作原理最大周期时长经验值：最大周期时长的确定视各地具体交通条件及特点而定，国外通常以120s作为的值；我国，两相位单点信号交叉口可取120s；多相位时，尽量控制在150s以内。第四节感应信号控制延误一、感应信号控制原理 控制对象为机动车：在交叉口，根据检测到的车辆信息显示不同灯色组合，指示着各个方向车辆的运行，行人信号灯色与机动车信号灯色保持同步。感应信号控制交叉口示意图第四节感应信号控
10、制延误 控制对象为行人：系统根据检测到的行人过街请求信息，交替给机动车和行人分配通行权。路段行人过街感应信号控制示意图第四节感应信号控制延误二、车辆延误形成过程车辆运行速度v随时间t的变化类型：若车辆到达交叉口时，信号灯为绿灯，前方无车辆或前方车辆对本车的运行不产生影响，则车辆运行速度基本保持不变，见上图(a)；若在前方排队车辆疏散过程中到达，车辆减低车速行驶一段时间后，重新加速行驶，在此过程中并未停车，见上图(b)；若到达时信号灯显示红灯或前方车辆处于排队等待状态，则车辆需减速停车等待一段时间，排队车辆开始消散或绿灯信号开始后，车辆将加速行驶通过交叉口，见上图(c)。第四节感应信号控制延误二
11、、车辆延误形成过程 受阻过程的形成：上述的三种情况中，后两种情况车辆为受阻状态，产生受阻过程如下图：第四节感应信号控制延误当车辆到达观测线A时，由于前面有车辆排队或信号灯为红灯，车辆会逐渐减速，以低于路段上正常行驶的速度进入交叉口，减速过程为；若排队车辆较多或红灯持续时间较长，车辆要停止，等候前面车辆通过，此过程为；当前方车辆陆续离开，该车加速越过停车线，并在观测线B处达到期望速度，加速过程为。对应的车辆延误形成过程如图所示：第四节感应信号控制延误从机动车绿灯开启时刻计起，排队车辆开始疏散，为红灯期间及绿灯初期到达车辆的疏散时间，图中为疏散延误，即车辆以正常车速运行通过交叉口时间与实际疏散时间
12、的差值；排队车辆疏散后到达的机动车不需要排队，直接驶过交叉口，不产生延误；在绿灯末期(或黄灯时间)到达的机动车根据实际情况判断是否过街，在红灯期间内到达的机动车需要排队等待，产生等待延误，图中部分。则平均延误的计算如下：第四节感应信号控制延误式中：交叉口车辆平均延误，s；分别为疏散延误与停车等待延误，s；车辆疏散时间，s，；机动车饱和流率，pcu/s；机动车到达率，pcu/s；分别为车辆绿灯损失时间及红灯期间等待时间，s；信号周期时长，s，感应信号控制方式下周期时长不为定值。第四节感应信号控制延误美国学者Newell就两条单行道相交路口下的感应信号控制行为进行了研究。假设：系统不饱和，但交通流
13、量足够大；无转向交通，忽略最短绿灯时间；最大绿灯时间为无限大。交叉口车辆排队的演变过程第四节感应信号控制延误进口(相位)1的到达率记为，进口(相位)2的到达率记为，、和分别代表周期内的有效红灯时间、绿灯时间和黄灯时间。这里信号时间是随机变量，可以随着周期循环而变化。任何特定周期内所有车辆的总延迟是三角形所围的面积，可近似计算为：第四节感应信号控制延误 式中:进口1和进口2在周期 内的车辆总延误，s；进口1、进口2的饱和流率，pcu/h；有效红灯时间和有效绿灯时间的期望值；有效红灯时间和有效绿灯时间的方差；进口1、进口2车辆平均到达率的方差；进口1、进口2车辆离开率中的常数部分。第四节感应信号控
14、制延误基于Markov特性可推导出和：车辆到达过程被假定为稳定过程，因此有：式中:周期内的黄灯时间之和，s。第四节感应信号控制延误Dunne提出了车辆到达过程服从二项分布时的延误计算模型。假设：车辆离开率为常数；信号控制策略当排队长度为0时转换相位；交叉口各进口道的饱和流率假定相同任意时间间隔内车辆到达进口1、2的概率分别用表示，没有车辆到达的概率则为，表示进口2在一个有效红灯时间为的周期内总延误，则延误的计算式如下：第四节感应信号控制延误式中：周期长度，s；周期初始和末端的延误增长量，s。特别是，当车辆在相位初始单位延长时间内到达时，则有：从上式可知，相位初始单位延长时间内若无车辆到达，否则
15、，第四节感应信号控制延误对 的表达式取期望并对 进行替代，可以得到:对于初始条件 ，则有：求上式对 的期望，得到：第四节感应信号控制延误二、行人延误形成过程形成机理：当行人流较大时，因人行横道通行能力有限，行人绿灯开启后，无法在短时间内将所有行人疏散，产生疏散延误；若到达时信号灯为红灯，则需停下等候，行人等待时间即为行人等待延误。行人延误形成过程如图：第四节感应信号控制延误感应信号控制下行人延误形成过程第四节感应信号控制延误 行人过街绿灯启亮时刻计起，人行横道位置等待的行人开始疏散。为在红灯期间以及绿灯初期排队等待过街的行人的疏散时间，图中 为疏散延误；在绿灯末期到达行人根据实际情况判断是否过
16、街，表示绿灯损失时间，在红灯期间 内到达的行人需要排队等待，图中 表示行人等待延误。则有：式中：交叉口行人平均延误，s；行人疏散时间，s，；行人饱和流率，人/s；行人到达率，人/s；第五节路段感应信号控制行人过街系统一、系统框架路段感应信号控制行人过街系统由信息采集系统、过街信号控制系统、过街辅助设施3个子系统组成路段感应式行人安全过街系统设计实施框架第五节路段感应信号控制行人过街系统二、信息采集系统行人检测采用视频检测方法可自动获取行人图像，因此将摄像机垂直架设在检测区域上方可最大限度地减少行人的遮挡和行人轮廓特征不易提取的不利因素，摄像机的设置见图：第五节路段感应信号控制行人过街系统用梯度
17、直方图(histogramsoforientedgradient，HOG)进行统计分类，步骤如下：Step1:将图片分成多个块，每个块分成多个单元格，在每个单元格中，计算梯度的方向分布直方图作为特征向量；Step2:把每个块的特征向量串联起来构成整个图片的特征向量；Step3:对于大量的特征，求出正样本(行人特征)的概率，联合GentleAdaboost算法创建的分类器实现行人的快速检测。PS:GentleAdaboost算法具有较高处理精度与速度，算法简单，计算速度快第五节路段感应信号控制行人过街系统机动车检测原理：在人行横道两侧的停车线上游车道设置机动车检测器，负责机动车空档检测。检测器距
18、离停车线的距离应满足3个要求：保证车辆在单位绿灯延时内顺利通过人行横道：机动车行驶方向上检测器与停车线的距离，m；机动车单位绿灯延长时间最小值，s；路段机动车车速，m/s。第五节路段感应信号控制行人过街系统 满足车辆在人行横道前安全刹车的要求：机动车在停车线前安全停车时检测器与停车线 的距离，m；机动车减速度，；驾驶员反应时间，s；路段机动车车速，m/s。第五节路段感应信号控制行人过街系统在最小流量时车辆排队不超越检测器：受车辆排队约束时检测器与停车线的距离，m；最小流量时的最大排队车辆数，辆；排队车辆的平均车头间距，m。综合以上3个要求，机动车检测器感应线圈与停车线之间的距离取三者中的最大值
19、，即。第五节路段感应信号控制行人过街系统三、路段行人过街感应信号控制系统1、路段行人过街感应信号基本原理当行人检测器未检测到行人时，机动车将一直绿灯放行；当视频拍摄到有过街行人时，先判断机动车绿灯时间是否超过极限绿灯时间，超过则转换为行人相位，未超过，则判断是否满足机动车初期绿灯时间，不满足则继续给予剩余的初期绿灯时间，如满足，控制系统将根据行人的等待时间，给予机动车单位延长时间或者切换行人相位。行人过街感应信号工作流程第五节路段感应信号控制行人过街系统2、信号控制参数计算(5个重要控制参数)u行人绿灯时间取固定值，满足预置行人一次过街的时间需求：为平均过街行人数；为绿灯期间人行道行人的饱和过
20、街流率人/(sm)；为人行横道宽度，m；为人行横道长度；为行人的速度，m/s；为行人损失时间(s)第五节路段感应信号控制行人过街系统u机动车初期绿灯时间保证停在检测器和停车线之间的车辆，全部驶出停车线所需的最短时间。美国交通信号设计手册推荐了随检测器位置而定的初期绿灯时间。u机动车绿灯极限时间根据经验选取极限绿灯时间在3060s之间。在本控制系统中，需考虑行人过街需求，机动车绿灯极限时间应小于行人过街极限忍耐时间90s。第五节路段感应信号控制行人过街系统u机动车单位绿灯延长时间和的大小必须保证车辆从检测器开出停车线，并尽可能不产生绿灯损失时间，在的基础上适当延长。车辆空档短于时，为提高通车效益
21、，绿灯时间延长；反之，给予较小的延长时间，降低延误。第五节路段感应信号控制行人过街系统四、行人过街安全辅助设施1、“减速带式”人行横道设置方法为将绘有人行横道标线的路段抬高4cm，与原路面以1:4的坡面连接，如图所示：减速带式人行横道和通道灯第五节路段感应信号控制行人过街系统2、路段行人通道灯系统路段行人通道灯铺设于“减速带式”人行横道的坡面上，由信号控制机来控制其开关：只当行人信号绿灯时，跑道灯发出红光。警示驾驶员停车，在夜晚使用效果尤为明显。3、智能人行道护栏护栏由控制立柱、启闭门和三辊闸护栏组成，在行人绿灯相位时开启。护栏一侧设置三辊闸式护栏，只允许行人从路段到人行道的单向通行。第五节路
22、段感应信号控制行人过街系统智能人行道护栏第六节感应信号控制目标及优缺点一、控制目标1、主路相交的城市道路交叉口满足高峰时段交通需求，提高通行能力，保障交通安全有序；适应不同时段交通量的变化；降低交叉口停车次数，减少延误和排队。第六节感应信号控制目标及优缺点2、主路与次路相交的城市道路交叉口满足主路交通流不同时段变化的需求；尽可能保证主路交通流的畅通;在保障主路交通效益的前提下，尽量满足次路交通流需求；提高通行能力，保障交通安全，特别是对于主路交通流；降低次路停车次数，减少停车延误。第六节感应信号控制目标及优缺点3、次路与次路相交的城市道路交叉口满足交通量随机变化的需求，提高交通效益；避免任何流
23、向产生较大的交通延误；保障交叉口的安全通畅；降低停车次数及排队长度。第六节感应信号控制目标及优缺点二、适用条件及优缺点1、适用条件及优越性交通量变化大而不规则、难于用定时信号控制处置的交叉口，以及必须降低对主要干道干扰的交叉口上，用感应信号控制效益更大；不适宜处于联动定时系统中的交叉口，宜用感应信号控制；适用于交通只在一天的部分时间里需要信号控制的地方；在轻交通交叉口使主要道路上的交通不产生不必要的延误；在有几个流向的交通量时有时无或多变的复杂交叉口，可得到最大效益。第六节感应信号控制目标及优缺点2、局限性感应信号控制只适用于非饱和交叉口，如果交叉口的交通流量已经达到饱和状态，则感应信号控制无意义；饱和度高时，绿灯时间分配策略与定时信号控制无异；为检测各进口道需安装检测器，投资多、维护费用高。