再认识一位熟悉又陌生的朋友 | 感应控制

发表时间:2019-09-18 17:04

探讨感应控制一直是国内交通信号控制领域里一个“熟悉又陌生”的话题。说“熟悉”,是因为每一本课本,每一套教材,都会提到“感应控制”四个大字并附带许多复杂的定义和阐述,而说“陌生”,恰恰在国内看得到的感应控制实例却少之又少。

在这样既熟悉又陌生的矛盾中,感应控制给我们留下了许多所谓的印象。这里就让我们通过这些印象来重新认识我们这位朋友。



印象感应控制需要检测器多多益善,越准越好

熟悉感应控制原理的朋友一定知道,感应控制与固定配时的最大区别就在于,感应控制下交通信号运行可以根据车辆到达情况作出相应的动态改变,而固定配时只能按照预先设定好的方案运行,无视实际的交通需求波动。“车辆到达情况”信息是感应控制最重要的“输入”且“车辆到达情况”由检测器获得,所以检测器就成为了感应控制的先决条件。

但当我们剖析这个逻辑关系时,应当注意其本质是“检测器—数据—感应控制”,而非简单地推导为检测器的多寡好坏决定感应控制的成败优劣。从逻辑关系中的核心“数据”角度出发,向左看或者向右看都会有全新的认识。

“检测器供给数据”方向来看,关键性的问题在于检测器是否能提供足够且准确的数据。这牵扯到的不仅仅是检测器的维护问题,还包含了检测器产生的数据是否能被信号机恰当的利用问题。就后者而言,大量检测器产生的数据如果不能被合理正确地转化为感应控制所需要的输入信息,反而会因数据之间的冲突、混淆导致感应控制效果的下降。在感应控制较为普及的美国,仍有一部分交叉口将远端进口道检测器与停止线检测器串联使用(绿灯结束应当仅根据远端进口道检测器数据决定),导致绿灯不能及时结束,形成效率损失。

    反过来从“感应控制利用数据”方向来看,感应控制的效果目标是否与其检测器基础相匹配呢?不同的感应控制目标所需要的数据存在差异,而对应的检测器基础也应有所调整。举例而言,当有一条繁忙的主街时,仅在次街上布设检测器和同时在主街、次街上布设检测器达到的最终效果可能相差无几,那么在主街上设置检测器非但不能明显改善交通控制效果,反而增加了项目成本负担。而对于一些检测器布设有限制的路口,也可以仅利用进口道检测器,配合信号机的针对性设定和逻辑编程起到与常规检测器设置条件下相近的控制效果。


图示为典型半感应控制检测器布局方式。次街的绿灯会根据实际交通需求情况而提早结束,剩余的绿灯时间给予主街;相应而言,主街的绿灯时间会保证一个最小值,根据次街绿灯结束的早晚而变化

可以看出感应控制与检测器的关系应当是因地制宜,严谨但不失灵活的。高质量的设计与使用,能够起到事半功倍的效果。

印象感应控制仅适合交通量不太大且车辆达到较波动的情况

首先应当给“适合”一个精确的定义。所谓“适合”,指的是感应控制相对于固定配时的控制效果改善程度。当交通量不大且车辆达到波动明显的条件下,感应控制的改善效果是显著的。当给定一个最保守的假设前提,即每一个周期时间内各个进口方向车辆到达完全一致的时候,感应控制则会“退化”为固定配时,但这绝不意味着感应控制的效果会一定弱于固定配时。合理配置参数的感应控制能够有效地减少交叉口整体运行延误,也在一定条件下能够提高整体交叉口的通行能力。

同时,感应控制条件下依旧可以实现多个交叉口的协调控制,实现“干道绿波带”等优化效果。完全的单点交叉口感应控制不存在周期,或者说不存在“配时方案”的概念,但当进行感应条件下的协调控制时,仍需要对周期、各相位绿时以及相序、相位差等进行设计。配时方案设计需要考量实际交通运行条件,而交叉口进口道的交通到达情况不仅在周期与周期之间存在着波动,同时在较长的时间范围内存在着明显的变化。固定配时条件下,为了达到良好的协调控制效果,需要针对早高峰、午高峰、晚高峰以及日间平峰时段、晚间时段等精细化设计不同的协调方案,而这无疑是件复杂且维护难度较高的“苦差”。感应下的协调控制一般只需要设定合理的周期(不一定非要通过严格计算得到的最优周期)和合理的各相位绿时分配,相比固定配时下的协调控制,所需要的多时段控制方案数可以明显减少,同时方案设计的灵活性也大大增加。这都实质上减少了配时方案的设计支出与维护支出,间接意义上改善了协调控制的效果。

总体而言,按照交通量的大小与波动情况定义感应控制的使用场景是不够恰当的,应当在更广泛和具体的环境中探讨是否采用感应控制。

印象感应控制需要大量的资金投入,收获的效益却不明显

感应控制需要配套的检测器设置投入,也需要日后对检测器运营和配时方案维护的投入,从单次投资和长期运营角度来看都比固定配时要昂贵很多。但当我们探讨“投入产出比”时,往往都是在“固定配时已达到最优状态”的基准上对标感应控制,得出一个“收益不明显”的结论。从这样的对比基础引申去看,若把配时方案设计费用计算在内,得到的结论就可能发生改变。固定配时条件下若想让控制效果达到一个“最优”的状态,需要大量的数据收集并且这些收集的数据需要不断的进行更新。在没有路口检测器的情况下,基本只能依靠人工收集,产生大量的成本。对比固定配时,感应控制虽然也需要在交叉口的数据收集,但在方案设计上相对有所简化,可以大大节约人力收集数据的成本投入,此消彼长之下,感应控制是否真的还那样昂贵?

况且,如今支持感应控制的检测器种类已不再是传统单一的线圈类型,其他的新兴检测器如地磁检测器在造价成本和维护成本上都已经大幅度改善。在未来,随着车联网技术的发展,更多的数据类型也将融入到感应控制中来,而这些数据无疑会更加的廉价且可靠。另外从长远的眼光来看,感应控制虽不能说是“自适应控制”或者“智慧信号灯控制”的“低配版本”,但感应控制的设备基础,特别是检测器基础,一定是实现“自适应”或“智慧”交通控制的必要条件之一。这笔建设感应控制的投资可以为未来奠定基础,物超所值。

在最后的话

站在遥望二十一世纪第三个十年的今天,相信每一个人都可以感觉的到一个智能且互联的时代在向我们走来。所谓智能或者智慧,我想并不单纯指“乱花渐欲迷人眼”中灿烂的未来图景,也有“浅草才能没马蹄”中春意复苏的实在。当我们通过感应控制的三个印象再次审视这位老朋友的时候,是不是感觉他亲近多了呢?


(作者王奥博 美国内华达大学博士生)


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