一种实现双向绿波信号控制的方法及其应用实现

详细介绍了双向绿波信号控制方法的设计思想，给出了在实际应用中它的具体实现形式, 并描述了其通讯协议的设计及控制过程。?
   关键词：绿波，绿时差，信号控制，通讯协议，交通，RS-485?

    随着社会和经济的发展，城市中的交通工具日益增多，城市干道的交通压力也随之增大。要缓解这一压力，提高交通流量，防止出现交通堵塞，一种方法是把干道上若干连续交叉口的交通信号通过一定的方式连接起来，并对各交叉口的信号灯设计一种相互协调的配时方案，各交叉口的信号灯按此协调方案联合运行，使车辆通过这些交叉口时不会经常遇到红灯，减少大量车辆的停车次数与延误。这种方法称为“绿波信号控制”。下面介绍一种基于两相位实现双向绿波信号控制的方法。
1 设计思想及相关公式
    如图1所示，某辆车在干道上由西向东行驶至R1交叉口，当R1交叉口干道方向信号灯为绿时，该车通过R1交叉口，经过一定的时间到达R2交叉口。如果R2交叉口干道方向信号灯也为绿通行状态时，该车将无须停留就可继续通过R2交叉口，再经过一段时间后到达R3交叉口。如果该干道无论对由西向东还是由东向西行驶的车辆来说，在各个交叉口都不需停留就可连续通过，则该干道就实现了“绿波”信号控制或绿波带。这只是一种理想状态，实际应用中将受到多种因素的制约。本文只就车速、相邻交叉口间距离和信号周期几个方面来建立实现干道双向绿波信号控制的相关公式。

    由于R2交叉口在t+L1/ V1和t+(L1/V1+2L2/ V2) 时刻绿灯启亮，则R2交叉口信号周期必须满足公式

    每次以三个交叉口类推，即可求出各个交叉口的最佳信号周期T以及本交叉口到下一交叉口的绿时差Δt分别为：

    绿时差Δt为相邻两交叉口的绿灯时间中点时刻的差值，Ys和Yn的值可采用Webster公式进行计算，其具体实现方法请参见文献〔1〕。
    由上面的公式(4)可推知，当各交叉口间的距离相等且各路段的车速都为V时，各个交叉口的信号周期就相同。此时，如果按车速V行驶的车辆从上一个交叉口行驶到下一个交叉口所需的时间正好是信号周期一半的整数倍时，双向绿波信号控制可获得理想的效果。下面讨论几种各交叉口间距离不相等时的情况。
    （1） 相邻两交叉口间的距离很小时，可把相邻两交叉口看作一个交叉口，采用相同的配时方案，绿灯亮灭时刻相同。
    （2） 各相邻交叉口间距离虽然不等，但相差也不大。这时，可将它们看作近似相等来处理，各交叉口采用相同的信号周期，各路段采用相同的车速。?
    （3） 各相邻交叉口间距离相差很大。这种情况下，各交叉口可分别按公式（4）求出本交叉口的信号周期（其中m选取合适的正整数），各交叉口信号配时方案遵循有效绿灯时间相匹配的原则，各路段采用不同的车速。
    （4） 各相邻交叉口间距离介于上述（2）和（3）情况之间时，在公式（4）和公式（5）的基础上，可采用F.Webster-B.Cobber法来确定各交叉口的配时方案，以期达到最好的效果。
    绿波信号配时方案在实施之后，应当经常检测各项交通指标（如平均延误时间、车辆排队长度等）是否达到了预期的效果，如果效果不理想，应根据现场调查的各项交通数据（如平均车速、干道交通流量等）重新设计配时方案和绿时差。
2 双向绿波信号控制的实现方式
    为了使干道上各个交叉口的配时方案取得协调，实现双向绿波信号控制，必须把各个交叉口的信号控制机用一定的方式连接起来，这种连接的实现方式有多种多样。下面介绍一种针对JR-XHJ-B型信号控制机的实现方式。
    JR-XHJ-B型信号控制机的核心部件是PC104主板，主板上带有一个RS-232串口(COM1)和一个RS-485通讯接口(COM2)。其中，RS-485通讯接口带载能力强，可同时挂接多达32个终端；传输距离远，有效传输距离达1200m；抗共模干扰能力强，只需两线等。通过订立合理的通讯协议，各终端可实现半双工数字通讯。在双向绿波信号控制系统中，控制主机与各终端之间需相互传输的数据量很小，而且传输速率要求也不高，投资少。因此，对那些还未建立光纤网的城市或距离光纤网比较远的干道，采用RS-485总线式的结构也是一种解决方法。
    各信号控制机的联网方式有以下两种。
    (1) 第一台信号控制机设置为控制主机。其它信号控制机都为从机，各信号控制机的连接示意图见图2。从机m的COM1通讯口上接一个RS-232/RS-485转换器,使从机m同时兼有RS-485中继器的功能，从机m的COM2通讯口在接收数据的同时将数据按原样从COM1通讯口发送出去，或者，从机m的COM1通讯口在接收数据同时在COM2口按原样把数据发送出去，从而延长了RS-485总线的传输距离。

3 数据通讯协议?
    由于通讯数据量较小，因而采用异步通讯方式。?
3.1 通讯格式?
    1位起始位，8位数据位，1位停止位，波特率为19200/9600/4800，奇偶校验：偶校验。
3.2 指令格式?
    通讯指令分三种: 读写指令、控制指令、特殊指令，所有指令长度都为一字节。各指令格式如下：
    (1) 读写指令

    d6 ： 读写控制  d6=0为写指令，d6=1为读指令?
    d5?d4：读写指令标识位，固定为00。?
    d3?d0：指令功能号?
    其中，下行：控制主机控制前端信号机。上行：前端信号机主动向控制主机发送。?
    （2）控制指令

    d6?d4：控制指令标识位，固定为011；?
    d3?d0：指令功能号。?

    d6?d4：特殊指令标识位，固定为011；?
    d3?d0：指令功能号。?
3.3 报文格式?

    按信号传递方式的不同，可分为两种协调过程。?
    （1） 主从式协调过程。控制主机通过RS-485总线或电话线操纵与之相连接的各台信号控制机，每隔一定数量的信号周期，控制主机就发送一个同步信号给各台信号控制机。时差被预先设置在各台信号控制机内，每台信号控制机都保持在这个时差点上转换信号周期。这样，相邻信号控制机间正确的时差关系就得到了保持。
    （2） 级联式协调过程。各台信号控制机分别预先设置好各自的配时方案和时差。当第一个交叉口干道方向的绿灯启亮时，发一个信号给下一个交叉口的信号控制机，第二个交叉口信号控制机接收到信号后，按预先设置的时差推迟相应的时长改亮绿灯，同时向它的下一个交叉口的信号控制机发一个信号，这样依次把信号传递到最后一台信号控制机。每隔一定数量的信号周期后，控制主机再重新进行协调，以保持各台信号控制机间正确的时差关系。
    JR-XHJ-B型信号控制机具有多时段设置功能，可同时配置多达20个时段。控制主机可设置几个由内部时钟控制的配时方案转换点，在时钟到达这些转换点时，控制主机发出信号使各下位信号控制机相应地改变配时方案。这样，可根据各时段干道交通流量的不同，设置不同的配时方案，实现对干道交通更灵活的控制。
5 结束语?
    本文介绍的双向绿波信号控制的方法简便易行，所需设施简单，安装维护费用低，在几个城市的实际应用中收到了较好的效果。本方法虽然并不能保证车辆到达所有交叉口时都不会遇上红灯，但是，它可以做到使沿路车辆少遇几次红灯，减少大量车辆的停车次数和延误，这对于加大城市干道的交通流量，提高交通运行效率来说具有重要意义。

参考文献?

2 杨佩昆, 张树升编著. 交通管理与控制. 北京：人民交通出版社，1995
3 刘灿齐. 车流在交叉口分流向延误的最短路径及算法. 同济大学学报，2002(1)
4 田广，RS485工业现场网络在铁矿选厂中的应用，工业控制计算机.1998(1)

打开APP阅读更多精彩内容

点击阅读全文