信号平面图（精选6篇）
信号平面图 篇1
1 概述
铁路信号平面布置图包括车站信号平面布置图和区间信号平面布置图, 车站设有进站信号机和出发信号机。城市轨道交通线路及车站的布置与铁路有所区别, 多数车站没有咽喉区, 也无到发线, 因此信号平面布置与铁路也有区别。
城市轨道交通信号系统几乎都采用基于通信的列车自动控制系统CBTC, 地铁设计规范中只强调设置道岔防护信号机, 工程应用中结合CBTC系统的特点和保障模式下的降级运营要求, 设置了出发信号机和区间通过信号机。
由于不同类型CBTC系统的设计理念不同, 业主和设计院对轨道交通运营及设计规范的理解程度不同, 导致各条线路的信号平面布置不尽相同。下面分析几个城市轨道交通信号平面布置的案例, 意在提出比较合理的轨道交通信号系统设计方案。
2 道岔防护信号机
2.1 单渡线区域的信号机布置分析
地铁设计规范中规定ATC控制区的线路上应设置道岔防护信号机, 因此, 在单渡线区段的信号机多采用图1 (a) 的布置。
图1 (a) 是典型的带有单渡线道岔的车站信号平面布置图, S101、S102、S202、S301、S302为两灯位出发信号机, S201为出发兼道岔防护信号机, S204为区间通过信号机, S203、S205、S207为道岔防护信号机。带有道岔防护性质的信号机采用三灯位信号机, 三灯位信号机定位显示为红灯, 两灯位信号定位显示绿灯。
现行的和即将颁布的地铁设计规范中都没有信号机显示速度的规定, 多数轨道交通线路信号系统的设计文件中也没有规定信号机显示速度的含义, 只说明:出发信号机和区间信号机开放显示绿灯时表明进路开放至下一信号机;道岔防护性质的信号机开放绿灯时表明进路开放至下一信号机, 且进路中的所有道岔都开通直向;道岔防护性质的信号机显示黄灯时表明进路开放至下一信号机, 且进路中至少有一组道岔开通侧向;道岔防护性质的信号机采用绿黄显示时, 表示开放引导信号。
也有的线路将两灯位信号机设置成三灯位信号机, 都具备开放绿黄引导信号的功能, 其余显示意义相同, 其线路布置见图1 (b) 。
图1 (a) 、 (b) 的布置方式都是将每组渡线道岔采用4个信号机进行防护, 信号机的显示都是开放至下一架信号机。
根据城市轨道交通CBTC系统对列车进路的控制方式, 出发信号机和道岔防护信号机作为进路的终端时, 需要设置保护区段 (Overlap) 。
根据运营经验, 将岔前和岔后都设置道岔防护信号机, 对城市轨道交通列车的运行不太合适, 下面分析S201和S205信号机的显示 (见图2) 。
S205信号机开放绿灯的条件是:进路方向正确、T201道岔区段空闲并锁闭、T0201站台区段空闲、T202保护区段空闲。
如果是6辆编组列车, 站台区段长度为120 m, 保护区段长度一般为50 m, 道岔防护信号机S205内方的道岔区段长度约为60 m, 则S205信号机开放绿灯, 而防护的距离为230 m, 按线路最高运行速度为80 km/h, 且制动加速度按1.0 m/s2计算, 制动距离为247 m, S202和S205两个信号机间的距离小于紧急制动距离。而这2个信号机间的显示没有关系, 即S202信号机显示红灯时S205信号机可以点绿灯。
虽然城市轨道交通在正常运营模式下为车载设备自动控制列车运行, 但车载设备故障时应以地面信号显示行车, 而绿灯的速度含义又不明确, 这就有可能通过绿灯信号机的速度比较高, 那么S205信号机的设置有潜在的不安全因素。另一方面, 根据城市轨道交通联锁设备的进路设置原则, 当开放S201至S205信号机的进路时, T201道岔区段要作为该进路的保护区段, 201道岔锁闭, T201区段空闲, 并不能达到开放S201信号机进路的同时能利用201/203道岔反位的进路而提高效率的目的。
由于S201信号机的开放并不能表明列车是运行到下一站还是到区间下一架信号机前停车, 所以在车载设备故障情况下, 司机要么询问调度员, 要么只能低速行车, 严重影响了故障情况下的行车效率。为解决这一矛盾, 有些轨道交通线路增加了闪光显示, 即出发信号机闪绿灯时提示司机开到下一站停车, 只开绿灯时是开到区间下一架信号机前停车。
综上所述, D205信号机的设置是没有意义的, 不能提高行车效率, 而且按信号显示行车时有潜在的不安全因素。由于在平面设计中布置了D205信号机, 信号供货商就要求在CBTC设备故障时列车只能按25 km/h的速度限速运行, 在信号系统的安全证书中增加了安全限制条件, 而在ATP设备故障的情况下, 按25 km/h的速度行车没有效率保障, 所以应取消D205信号机设置。
针对地铁平均站间距短和站台是运营目标停车点的线路及运营特点, 司机在出发信号机开放后将列车开到下一站停车是安全且运行效率最高的行车方式, 故障模式下采用站间行车的模式是合适的。由于站间距短, 站间行车也能做到3 min的行车间隔而旅行速度不受影响。若在点式模式下行车, 区间不设置信号机, 在出发信号机开放的情况下, 列车经过出发信号机后就按完整的区间行车曲线运行到下一站, 更是最安全和最优化的行车方式。
取消道岔前后的信号机, 利用出发信号机防护道岔, 当信号机开放时检查道岔的状态, 待锁闭道岔并开放信号后将道岔锁在规定的位置, 能够保证道岔的安全, 且与设计规范也不矛盾。
为尽可能在区间不设置信号机, 信号设计者与线路设计配合, 将201/203道岔的布置方式改变, 合理的线路配置和信号机平面布置见图3。
城市轨道交通的车站站台是运营的目标停车点, 无论列车在点式ATP模式下运行还是在联锁模式下运行, 列车自本站出发至下一站台停车的站间运行方式总是安全和高效的运行模式, 对于城市轨道交通平均1.2 km/h的站间距来说, 行车间隔是能够达到3 min的, 而且不影响旅行速度。
采用图3的道岔和信号机布置方式, 信号机统一采用三灯位, 只布置出发信号机, 定位为红灯显示, 能够防护道岔, 也具备引导信号的显示。信号机开放指示列车开到下一站, 绿灯表示进路中如果有道岔, 则所有道岔都在开通直向的位置, 黄灯表示进路中至少有一组道岔在开通侧向的位置。
2.2 停车线区域的信号机布置分析
在城市轨道交通线路设计中, 每隔几个车站就会设置故障列车停留线, 且停车线的设计会根据车辆段和停车场的位置来配线, 典型的停车线布置见图4。
按照地铁设计规范在停车线区域设置道岔设防护信号机, 有些项目采用了图4所示的信号平面设计, 各个道岔采用道岔防护信号机包围。这样的布置在按照信号机行车时是没有行车效率的。首先S106、S111信号机没有任何用处。即便是以S106和S111信号机为终端的进路不设置保护区段, 在地铁运营中也不会使用在以这2个信号机为终端进路的同时, 应用其防护道岔反位同时作业进路。如果这样作业, 在同一个区间存在同时相向运行的列车, 冒进信号就会有发生正面冲突的可能。
对于S108信号机, 由于离站台较近, 同样存在S102信号机为红灯时该信号机显示绿灯, 而两信号机间的距离满足不了制动距离要求的问题;同时受停车线长度的限制, S108与S104信号机间的距离较近, 约190 m, 在点式ATP降级模式下, S108信号机预告信标的设置必须让列车在接近S104信号机前就降速, 这样在区间没有追踪的情况下也需低速运行, 降低了运行效率, 因此, S108信号机也不应设置。同样, S105信号机也影响区间在点式ATP降级模式下的运行效率。
由于202/204道岔的设置是让停车线的列车按正向运行返回停车场或车辆段, 所以S103反向信号机的设置也完全没有必要。停车线区域合理的信号机设置见图5。
3尽头线信号机
城市轨道交通信号设备平面布置图设计中, 为提醒司机在降级及后备运行模式下人工驾驶列车折返作业时不让列车撞上滑动车挡, 在尽头线的车挡处设置了常点红灯的尽头信号机, 然而有些线路的信号平面布置图中将安全线的车挡处布置了常点红灯的尽头信号机 (见图6) 。
由于联锁进路中不存在开放S101信号机至安全线的进路, 在安全线处设置红灯尽头信号机, 不能也没有必要提醒司机在安全线的滑动车挡前停车。如果列车使往安全线, 那么列车已经撞过了S101的红灯信号, 在安全线前也是无法停车的。安全线实际上也是避难线, 在安全线处设置红灯尽头信号机完全是概念不清, 应将其取消, 正确布置见图7。
4 城市轨道交通信号平面布置图设计建议
我国的城市轨道交通建设已经走向了成熟阶段, 信号平面布置图的设计应结合CBTC系统的应用情况, 在CBTC模式下是以车载设备控制列车自动运行, CBTC模式下行车是主要运行模式, 设置信号机只是为降级及后备运营模式服务。因此不要尽可能多的考虑后备运营而布置过多的信号机, 特别是用道岔防护信号机将每组道岔包围起来, 是硬套规范的表现。地铁设计规范中要求设置道岔防护信号机, 但并不是要求在岔前和岔后都设置信号机, 应根据城市轨道交通线路的运营特点布置信号机, 简化信号机的布置, 使进路简单, 符合移动闭塞的设计理念。过多设置信号机, 进路过多, 使整个CBTC系统结构复杂, 影响CBTC系统的可靠性。
综上所述, 城市轨道交通信号平面布置图设计, 应以城市轨道交通车站间距短、站台是运营目标停车点、信号机是满足降级及后备运营功能的特点为理念, 站间行车是最安全、最合理和最有效的降级及后备运营方式。
信号平面图 篇2
文中介绍了一种非制冷焦平面信号处理系统, 由FPGA实现时序控制及非均匀算法;而CY7C68013负责系统控制及采集的数据传输给上位机, 在软件上算出校正因子和偏置系数后, 把计算后的数据下发存储在Flash内供非均匀校正使用。通过对实验中系统采集生成的原始图像和校正图像进行比较, 可以明显看出该系统工作性能稳定, 处理效果良好, 完全能够满足实际应用需求。
1 系统设计原理
非制冷红外焦平面信号处理系统硬件框图, 如图1所示。该系统以FPGA和CY7C68013A为核心, 外接A/D和视频转换电路及外部数据存储器, 在驱动时序的控制下, IRFPA的信号被读出, 经A/D转化为数字信号, 供后续处理。
正常工作情况下, 系统有两种工作模式:标准模式和校正模式。整个系统的工作状态由上位机软件选择控制。在标准模式下, 根据两点校正算法, 在任意照度Φ下, 第 (i, j) 探测单元的输出Sij (Φ) 与校正值S′ij (Φ) 之间的关系为:S′ij (Φ) = Gij×Sij (Φ) +Qij, 其中Gij为偏置系数, Qij为校正因子[2]。所以, 要求对外置标准黑体面源在高、低两个温度下的图像数据传输给上位机保存。上位机计算出IRFPA每个像素的偏置系数Gij和校正因子Oij, 同时计算出盲元位置, 把带有盲元标志的校正系数下发存入Flash中。这时, FPGA不进行信号处理, 直接把未处理的原始图像发送给视频D/A, 通过监视器显示出来。在校正模式下, FPGA通过查找Flash中的校正因子和偏置系数, 对原始图像信号进行两点非均匀校正和盲元补偿;校正后的图像通过USB和视频D/A分别传输给上位机和监视器显示出来。
2 系统构成
2.1 IRFPA时序控制
红外焦平面阵列正常工作需要相关的偏置电压信号及控制逻辑时序。产生逻辑时序控制的传统方法是采用数字逻辑电路实现, 有很多不足之处, 如体积大、功耗高、可靠性差, 尤其缺乏灵活性。本系统采用FPGA设计红外焦平面器件的驱动控制时序, 时序信号主要有主时钟信号MC、积分信号int和复位信号reset。IRFPA输出数据的速率与主时钟的速率相等, 主时钟可以随需要的帧频来调整。主时钟频率为了与标准的PAL制视频兼容, 经计算近似为5.5 MHz。复位信号强制使IRFPA探测器从第一行开始积分, 从而使内部的读出电路复位。reset应该在主时钟的上升沿时改变状态, 每帧信号中不应该复位两次。当积分信号为高电平时, 允许对探测器的一行像元信号进行积分, 帧频为25～60 Hz时, 行最佳积分时间是63.6 ms。由于探测器工作的要求, int信号应该在每行积分时发送 (240 次/s) 。图2是IRFPA时序控制的仿真图, 可以看出完全符合要求。
2.2 数字信号处理
数字信号处理部分由Altera公司生产的Cyclone II系列EP2C8Q208实现。主要实现的功能是对探测器的固有盲元替换和非均匀性校正[2]。如图3所示, 实际工作时, FPGA先将带有盲元标志的校正因子Oij和偏置系数Gij从Flash中读出, 和从AD采集的数据进行乘法和加法运算进行校正, 校正后的数据就可供后端使用了。由于乘加运算都是比较大的组合逻辑, 所以非线性校正单元采用三级流水线结构。数据输出延迟3个时钟周期, 流水线建立和排空时间也是3个时钟周期, 但是提高了非均匀性校正单元的处理速度。
2.3 USB接口
USB接口芯片选用Cypress公司的EZ-USB FX2系列中CY7C68013[3], 芯片集成一个增强型的8051微处理器, 负责对整个USB总线的通信过程进行控制以及通信中的任务调度;一个USB串行接口引擎SIE (Serial Interface Engine) , 负责按照USB协议规定进行数据传输。另外芯片还有高速I2C总线控制接口用于对SAA7121的配置。
CY7C68013的接口采用从属FIFO模式, 将FIFO的逻辑控制权交予外部控制逻辑。外部逻辑控制在本系统中由FPGA完成。与FPGA的接口原理框图, 如图4所示。
2.4 视频接口
视频编码芯片采用Philips公司的视频编码芯片SAA7121, 该芯片支持PAL/NTSC两种编码方式, 有一个高速I2C控制端口 (400 kHz) 。系统工作时, 其输入为标准的8位BT.656格式的数字视频流, 输出为PAL制视频信号。SAA7121通过CY7C68013的I2C控制器对内部寄存器进行配置。
3 实验结果
将本设计和由法国Sofradir公司生产的320×240非致冷焦平面阵列组成热成像系统, 实验取得了良好的效果。图5为系统在两种工作模式下采集的图像, 其中图5 (a) 为标准模式未处理的原始图像, 图5 (b) 为校正模式经过非均匀校正后的图像。可以看出处理后的图像有了很大的改善, 成像质量得到了很大的提高。
4 结束语
文中提出的基于FPGA+CY7C68013A的非制冷焦平面阵列信号处理系统, 具有实时性好、功耗低、处理容量大、结构简单灵活等特点, 适于模块化设计, 其软硬件结合的算法方式为红外图像处理系统发展提供一个重要方向。
摘要：介绍了一种高速实时的非制冷红外焦平面信号处理系统, 系统采用FPGA+CY7C68013的结构, FPGA完成系统的时序控制及非均匀校正算法, 而CY7C68013实现系统的控制及数据传输。实验表明整个系统具有实时性好、稳定性高、体积小、功耗低的优点, 在红外系统成像系统中有着广泛的应用前景。
关键词：光学工程,非制冷,红外焦平面阵列,信号处理系统,时序控制,非均匀校正算法
参考文献
[1]邢素霞, 张俊举, 常本康, 等.非致冷红外成像技术的发展与现状[J].红外与激光工程, 2004, 33 (5) :441-444.
[2]王炳健, 刘上乾, 李庆.基于FPGA的红外焦平面阵列实时非均匀性校正[J].半导体光电, 2006, 27 (1) :79-82.
信号平面图 篇3
近几十年来, 世界经济的迅速发展和城市化进程的加快, 随之引发汽车保有量日益剧增以及城市交通的快速发展。尤其在道路交叉口处, 不同车型组成的混合车流, 即行人、非机动车、机动车形成的混合交通流以及交叉口几何空间等相互交叉、相互影响。在已经发展的ITS (智能运输系统) 的基础上, 结合交通信号控制与优化, 能够有效地缓解交通拥堵、交通事故一系列交通问题。F.V.Webster和B.M.Cobbe于1958年提出基于最小延误的TRRL法 (同样称为Webster法) 。这种方法是建立在延误基础上, 即先以停车延误最小为目标来确定周期时长, 再确定其它各参数。此外, 国外应用更多的是美国的HCM法和澳大利亚的ARRB法。国内一般是将研究信号配时的考察断面从停车线转移到冲突点来。因此, 本文针对上述现象, 结合镇江市谷阳路-禹山路交叉口的调查数据, 分析该交叉口存在的渠化问题, 提出改善措施。基于VISSIM仿真平台, 建立该交叉口的仿真模型, 对比分析改善前后的交通运行参数指标, 最终评价交叉口优化前后的交通运行质量。
二、禹山路-谷阳路交叉口信号优化
2.1信号配时
信号配时的主要过程:确定信号周期时长、给各个相位合理分配绿灯时间。常用的信号配时方法是依据饱和流率比对绿信比进行优化, 基于平均的准则按照各相位最大车流量比来分配各个相位的绿灯时间[3]。结合实地调研, 以及询问交警, 发现该交叉口存在以下交通问题:1、西进口右转车与南进口左转车流存在明显冲突, 很容易在西进口和东出口处发生交通拥堵问题。2、西出口仅有两条车道, 存在东进口车流量排队过长, 并且容易与东进口直行车辆在西出口处汇合时造成拥堵。3、东西方向在早晚高峰车流量较大, 呈现“潮汐”车流现象。4、交叉口空间内的出行车辆不能充分利用交叉口内部空间, 交叉口易产生二次排队的现象。
2.2改善方案
(1) 交通岛布置。布置交通岛并将所有停车线提前, 优化禹山路的进口处车辆的行驶轨迹, 缩短右转车辆的行驶时间, 并将流量大的直行车流和流量较小右转车流分隔开。
(2) 道路改造。将西进口的禹山路由现在的双向四车道改为双向六车道, 并设置公交专用道。
(3) 车道渠化方案。调整东西方向车道功能, 重新分配交叉口空间资源, 提高交叉口空间利用率。
三、VISSIM仿真平台
(1) 延误对比。图2显示交叉口的车辆延误由现状的31.6s减少到18.8s, 所有进口道的延误均有所降低。交叉口的平均排队长度由现状的7.4m减少到3.2m, 所有进口道平均排队长度均有降低, 其中东进口直行由现状的29.7m减少到13m。
(2) 服务水平。表2显示实施交叉口的交通工程措施后, 交叉口的信控延误由现状的31.6s减少到18.8s, 服务水平由C级提升到B级。
四、结论
改善城市道路网络中交叉口交通运行环境, 提高通行能力及效率, 有利于缓解城市道路交通拥堵现状。仿真结果表明, 通过合理地布置交叉口的车道组, 并重新规划机动车在交叉口内的行车轨迹, 充分利用交叉口几何空间, 能够达到较少交叉口平均延误, 缩短排队长度的效果, 最终提高交叉口的运行质量。
摘要：通过对平面交叉口交通信号控制系统进行优化设计, 达到减少交叉口车辆延误和提高交叉口通行能力的目的。根据实时交通调查数据以保证交通安全和车流均衡对交叉口进行渠化设计, 以减少车辆在交叉口内的通行时间为目的进行交通信号配时, 最终利用VISSIM软件对交叉口的运行进行仿真。经过本文优化控制信号作用下的每车平均延误减少至18.8s, 交叉口的服务水平由C级提升到B级。优化机动车在交叉口内部的行驶路线, 提高交叉口的服务水平。
关键词：平面交叉口,交通信号,优化,VISSIM
参考文献
[1]王炜.交通工程学[M].南京:东南大学出版社, 2002.248-252.
信号平面图 篇4
1 在复平面图中分析离散傅里叶变换
对于数字频率, 很多电子设计师只有一个模糊的概念, 或者说只是简单知道它与2π有关系。而对数字频率和模拟频率的关系并不太了解, 或者只是简单的知道存在下面的关系[1]
式中, f表示模拟频率;Ω表示数字频率;fs表示采样频率。
为了说明数字频率与模拟频率之间的关系, 引入序列x (n) 的离散傅里叶变换[2]X (k)
将上式展开成矩阵形式[3], 即
例如取k=1, X (1) 就是图2中N个复向量叠加;而k=2, X (2) 就是图3中N个复向量叠加。以此类推, 图2和图3中向量的模值为x (n) 的大小。为了方便, 在图2和图3中不予表示模值大小, 而只是显示在复平面内的方向
X (1) =a0x (0) +a1x (1) +, …, +aN-1x (N-1)(4)
X (2) =a0x (0) +a2x (1) +, …, +a2N-2x (N-1)(5)
2 数字频率与模拟频率之间的关系
基于以上的分析, 现在讨论数字频率与模拟频率之间的关系。
当x (n) 为实序列方波信号时, 则x (n) 的功率谱
根据傅里叶变换的共轭对称性
通过以上分析, 再回到式 (1) , 并将它变成如下形式
式 (5) 中K是比值。为分析二者的关系, 将数字频率Ωs置于图4中分析, 并作出Ωs的位置分布, 如图5所示, 可得出两点结论:
(1) Ωs可在圆周上任意位置, 而由于圆的2π周期性, Ωs的实际处理范围限制在[0, 2π]。
(2) 由于傅里叶变换的共轭对称性, 当对未知信号x (n) 进行离散傅里叶变换后, 得到当频率Ωσ分布在实轴下方时, 则它与关于实轴对称分布的频率为Ω′s=2π-Ωs的信号的采样效果是一样的。因此有实际意义的Ωs范围就只在[0, π]范围内了。
这样一来, 比值K的范围就限制在[0, 0.5]内了。因此对任何模拟频率为f的未知信号以采样频率fs采样后, 有意义的
可见经过离散傅里叶变换后得到的频率Ωs是如何反过来得到模拟频率的了, 所以在一定意义上说
3 图形法分析频谱混叠现象
频谱混叠应该包含两层含义: (1) 是频谱混淆; (2) 是频谱重叠。先看频谱混淆, 例如用采样频率为fs=80 Hz的信号对频率为f=50 Hz的信号进行采样, 这时
再看频谱重叠现象, 即分析采样频率fs在条件0<fs<f下会出现的情况。这时, 由
而且当频率Ωs继续旋转增大, 它又回到了实轴以下的平面, 这时既会出现频谱重叠现象又会出现频谱混淆现象。例如, 当采样频率fs为1 kHz, 信号频率变为1.6 kHz时, 重叠频率为 (1.6-1) kHz=0.6 kHz, 对应的频率为
4 结束语
通过在复平面内用图形分析的方法对信号频谱进行分析, 清晰地得出数字频率与模拟频率之间的关系, 并对频谱混叠现象进行了深入的了解。
摘要：给出了一种在复平面内, 用图形分析进行信号频谱分析的方法, 详细地分析了数字频率与模拟频率之间的关系, 同时准确地解释了频谱混叠现象。
关键词：数字频率,模拟频率,频谱混叠,信号处理
参考文献
[1]Champeney D C.傅里叶变?及其物理应用[M].陈难先, 何晓民, 译.北京:科学出版社, 1980.
[2]丁玉美, 高西全.数字信号处理[M].2版.西安:西安电子科技大学出版社, 2000.
[3]布雷斯韦尔.傅里叶变换及其应用[M].殷勤业, 张建国, 译.西安:西安交通大学出版社, 2005.
[4]Rodger E Ziemer, William H Tranter, Ronald Fannin D.信号与系统:连续与离散[M].肖志涛, 译.北京:电子工业出版社, 2005.
信号平面图 篇5
高速公路出口匝道是连接高速公路与地方道路的重要通道, 是道路系统中的重要组成部分。沪宁高速马群互通连接太阳城路出口匝道是一个典型的高速公路连接城市道路区域, 该区域以东连接江苏省内流量最大的沪宁高速, 以西是南京主城区。作为外地进入南京城区的东大门, 马群枢纽区域的交通需求十分巨大, 在上下午高峰时期, 车流在匝道口出现拥堵, 并且排队车辆蔓延至高速主路上, 严重影响主路上车辆的正常行驶。自适应信号控制策略能够实现车辆运行效率的最大化, 提高道路的通行能力, 在一定程度上能够缓解交通拥堵, 因此对该区域 (如图1所示) 进行自适应信号控制策略缓解交通拥堵的研究具有重要意义。
交通仿真技术是研究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[1], 该模型能够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, 以寻求交通问题的最优解, 评价各类设计方案的效果。本文通过提出的自适应信号控制策略来缓解马群区域的交通拥堵, 并通过仿真软件Aimsun的输出指标 (排队长度和延误时间) 对缓堵效果进行评价。
2 拥堵成因分析
通过对现场车辆运行情况的观测, 发现该区域交通的主要问题集中在沪宁高速马群互通由东向西至太阳城路下匝道出口。现场观测结果显示, 高峰时期下匝道拥堵的车辆发生排队回溯并蔓延至主线上, 且最大排队长度超过了140辆车, 排队长度蔓延至高速公路主路上游450 m以上。通过调查人员的多次踏勘, 深入挖掘和分析拥堵产生的原因, 总结归纳为3个方面:道路条件、车流组成和信号配时。
2.1 道路条件
根据马群互通所处的地理位置可以发现, 在拥堵区域上游 (不足50 m处) 存在交织区域 (宁洛高速公路至沪宁高速公路行驶车辆与沪宁高速主路上的车辆在此交汇) , 如图2所示。且马群枢纽下匝道几何线性为小半径圆曲线, 纵向上坡单车道, 车辆经过此匝道区域时, 行驶缓慢, 造成车辆在匝道出口产生拥堵和排队。
2.2 车流组成
通过观测数据可知, 在下匝道车流组成中, 货车所占比例较大, 高峰时期货车一直保持在一个很高的比例 (约18%) 。由于大型货车本身体积较大, 机动性差, 会严重干扰小车的正常行驶, 车辆经过此匝道时, 造成车流无法正常有序消散。
2.3 信号配时
通过现场采集的信号配时数据可知, 由北向南的绿灯信号时长为45 s, 由西向北的绿灯信号时长为48 s, 较大流量的两个方向目前使用了大部分的绿灯信号时长。但是从现场观测的实际的路口排队情况来看, 由北向南的绿灯时长还存在一定的富余, 上下午高峰时期由西向北绿灯信号时长严重不足, 因此易造成车辆在匝道口拥堵。如图3所示。
3 自适应信号控制方案
通过对关键交叉口实施自适应信号控制, 增加出口匝道所在相位的绿灯时间, 可以改善交叉口的通行能力, 起到缓解交通拥堵的作用[2,3,4]。实施自适应信号控制方案需要分析合理的配时方案选取依据和转换时机, 通过设置车辆检测器对交通条件进行检测, 并与信号控制机联动, 对信号配时进行实时调整。
应用车辆探测技术, 在关键出口匝道安装车辆检测器, 并实现与相连交叉口信号控制器的联动控制, 在检测到出口匝道交通拥堵严重的情况下 (即当排队车辆延伸至主线上时) , 对该交叉口的信号相位进行自适应控制, 优先排放出口匝道上的车流。拥堵监测点 (速度和占有率检测) 和实施交通信号自适应控制的交叉口 (交叉口1) 位置如图4所示。
交叉口1的信号相位如图5所示。从控制目的而言, 该交叉口的关键相位为相位3, 而对于其他两个相位, 根据交通流量, 相位1为重要相位 (对应交通流量较大) , 相位2为一般相位 (对应交通流量较小) 。
以检测器检测到的速度和占有率表征出口匝道拥堵情况, 当出口匝道拥堵严重时, 对交叉口1进行自适应控制。具体方案为交叉口周期长度不变, 适当增加相位3的绿灯时间, 压缩相位1和相位2的绿灯时间。
设交叉口2的周期长度为C, 相位1的绿灯时间为t1, 定时控制时的绿灯时间为t'1, 相位2的绿灯时间为t2, 定时控制时的绿灯时间为t'2, 相位3的绿灯时间为t3, 定时控制时的绿灯时间为t'3, 设置最小绿灯时间为tmin, 最大绿灯时间为tmax。
v (T) 为T时段检测器采集到的速度数据, o (T) 为T时段检测器采集到的占有率数据, 当v (T) <α1vf, 且o (T) <β1of时, 匝道严重拥堵, 激活信号配时方案A;而当v (T) <α2vf, 且o (T) <β2of时, 交通恢复到可接受范围, 激活信号配时方案B, 为了避免信号配时过于频繁波动, 对于除此之外的其他情况, 维持与上一周期相同的信号配时方案。其中vf和of分别表示平峰时期的速度平均值和占有率平均值, 系数α1、β1、α2、β2可以通过在仿真中采取参数回归的方式获取, 实际应用中也可以根据工程经验适当调整。配时方案A和配时方案B的设置情况如表1所示。
表1中, △t表示绿灯增加时长, 可预先设置不同的△t, 通过仿真观察其实施效果, △t设置时需满足的限制条件为t'3+△t≤tmax。
自适应控制流程图如图6所示:
4 微观交通仿真
微观交通仿真建模分析能够为交通分析人员提供交通系统的现状, 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。
本文基于Aimsun仿真软件进行微观交通仿真主要分为以下几个步骤[5]:首先是通过搭建路网, 交通流特性的输入及交通规则、信号控制方案的设置进行仿真建模, 其次是对仿真模型进行校准、验证及测试, 最后是对自适应信号控制方案在校正后的模型中进行实现, 并评价方案实施的效果。
4.1 仿真建模
对于交通流的仿真研究而言, 模型是仿真的基础, 仿真是模型的实现[6]。通过现场观测马群枢纽地区的道路条件和几何线性, 参照百度地图的实景图进行原始路网的搭建。同时工作人员于2015-11-12~2015-11-16在马群枢纽处进行了为期一周的交通调查。在上下午高峰时期对该区域的交通数据进行采集 (包括交通量、信号配时等) , 将采集到的原始数据进行清洗和处理后录入到仿真平台中, 马群的测试平台如图7所示。
4.2 模型校准
仿真平台的校验是确保仿真有效性、可靠性的关键。仿真平台校准是根据实地交通运行状况, 对仿真平台进行调整, 使模型能够准确模拟仿真对象的交通运行特征及过程。主要分为建模检查和仿真动画检查。
(1) 建模检查
通过采集到的交通流量数据, 对整个仿真模型的各个节点输出交通流量进行核对, 确保仿真路网各个区域的流量和运行情况与实际路网基本吻合。出口匝道北向南直行实际车流量和仿真车流量的对比结果如图8所示。
(2) 动画检查
通过现场实际观测确定两个特征区域如下:仙林大街由东向南往太阳城路方向车辆, 高峰时期车辆排队现象明显;沪宁高速由东向西下匝道往太阳城路方向, 车辆在下匝道出现较长排队, 特征比较明显, 作为校对区域。仿真结果如图9所示。由图可知仿真动画与实际观测情况基本吻合, 可作为方案实施的平台。
4.3 方案实现
应用搭建好的仿真路网进行自适应交通控制策略研究, 包括在监测路段布设检测器, 设计自动化信号控制配时, 并实现监测点和控制点关联。监测和控制关系如图10所示。
信号配时的调整采用由西向北方向绿灯信号分别增加5 s、10 s、15 s的时间且其他方向绿灯时长相应减少, 保持整个信号相位的周期不变, 以此观测车流的行驶状态, 筛选出效果最优的方案, 方案实施细则如表2、图11所示。
4.4 仿真输出与评价
选取同一时刻 (2015-11-16T8:45) , 对实施方案2前后的车辆运行状态进行仿真动画可视化对比, 以此来观测所提方案的缓堵效果, 缓解拥堵效果如图12所示。
车辆在交叉口的延误时间和排队长度是评价拥堵程度的两个重要参数[7], 本文通过选取排队长度和延误时间作为仿真的输出指标。排队长度为单车道一个信号周期内 (2 min) 最大排队车辆数, 延误时间是指车辆由于正常行驶受阻所损失的时间, 输出指标为十次仿真随机种子的平均值。选取2015-11-16上午高峰时期的数据进行仿真, 仿真输出指标如表3所示。
通过输出结果可知, 在车流行驶高峰时期, 地点1下匝道出口处平均延误时间为164 s, 排队长度为54辆车, 实施策略后, 排队长度和延误时间都有明显的减少, 排队长度和延误时间平均减少了35%。由此可知所提方案对缓解该地区的交通拥堵是有效的。
同时对方案实施的经济效益进行了定量评估, 按照高峰时期90 min内该下匝道经过1 500辆车计算, 每天约3 000辆车在此发生拥堵, 并产生时间延误。由国家统计局2015年上半年发布的人均GDP的产值, 以通过实施自适应信号控制策略后每辆车平均减少30 s的延误时间计算, 带来的年经济效益约为32万元。
5结论
本文通过对南京马群枢纽处高速公路出口匝道拥堵原因进行分析, 应用Aimsun仿真软件再现现场实际路况, 仿真运行道路条件、交通流量和信号配时输入与实际情况相符, 验证了自适应信号控制策略的有效性, 目标是辅助交通管理策略的实施, 为交通管理部门的决策提供了参考和依据。
本文从交通信号控制的角度提出了拥堵缓解方案并通过仿真验证了其在短期内的有效性。但是从本质来看, 造成马群枢纽出口匝道交通拥堵的最主要原因是地区经济的快速发展以及道路供给的严重不足。因此, 下一步将结合相关的交通规划政策等, 研究如何借助仿真手段实施新增互通等长远发展策略, 从根本上解决马群枢纽处的交通拥堵问题。
摘要：针对沪宁高速公路G42马群互通出口匝道拥堵蔓延至高速主线上的问题, 提出了基于Aimsun仿真的自适应信号控制策略。通过数据的采集、拥堵原因分析、提出缓堵策略, 在关键监测点布设检测器检测速度和占有率, 并实现与相连交叉口信号控制器的联动控制, 达到对交叉口的自适应控制, 基于仿真软件Aimsun对方案实施的效果作了评价研究, 结果表明文中提出的自适应信号控制策略, 可以有效地降低车辆的延误时间和排队长度, 提高道路的通行能力。
关键词：交通仿真,自适应信号控制,Aimsun,交叉口优化
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[6]申丽君.基于AIMSUN的城市交通流的仿真研究[D].西安:长安大学, 2007.
信号平面图 篇6
关键词：交通组织,平面交叉口,非机动车流,通行能力
道路与道路在同一平面上相交的地方称为平面交叉。机动车与非机动车之间的混合交通是城市交叉口交通拥挤的重要原因之一。尽管信号交叉口通过交通信号从时间上将相互冲突的交通流予以分离, 使相互冲突的混合交通流在不同的时间通过交叉口, 进而确保各向混合交通流的安全。但是, 若是将机动车、非机动车在流向上均采取时间上的分离, 将会增大交叉口的延误, 降低交叉口的通行能力。本文将以西安市太白北路和友谊西路相交的边家村十字交叉口作为实例, 分析该交叉口非机动车流存在的问题, 提出交通组织和渠化的方案, 减少非机动车和机动车的冲突, 在不损害机动车和非机动车通行利益的同时, 最大限度地减小延误、提高通行能力。
1 西安市边家村十字
1.1 边家村十字交叉口地理位置
边家村十字是友谊西路与太白北路的交叉口, 位于南二环内, 明城墙西南方向, 临近西安市高新技术产业开发区, 是高新区通往其他区域的一个主要的道路节点, 设置有专供行人通行的人行天桥。
1.2 边家村十字现状分析
1.2.1 道路几何特征
边家村十字交叉口友谊西路 (东西向) 三块板, 双向八车道, 机非分离, 道路状况良好, 道路红线50米;太白北路 (南北向) 三块板, 双向六车道, 机非分离, 道路状况良好, 道路红线42米。友谊西路在接近交叉口处利用隔离栏将一个出口车道变为入口车道, 出入车道数不相等。在交叉口附近, 太白北路 (南段) 东侧压缩绿化带增加了一条入口车道, 利用隔离栏将一个出口车道变为一条专用左转入口车道;西侧压缩人行横道增加了一条出口车道, 出入口车道数也是不相等的。
1.2.2 边家村十字交通特征
(1) 交叉口信号配时。经调查发现, 太白北路-友谊西路交叉口信号周期长达210秒, 信号配时如表1。
(2) 交叉口各进口分方向交通量。边家村十字交叉口各进口到分方向交通量如表2。
从表中数据可以看出, 边家村十字交叉口机非混行严重, 非机动车所占比例大。其中, 东进口, 左转46.81%, 直行44.05%, 右转40%;西进口, 左转10.64%, 直行45.91%, 右转17.91%;南进口, 左转0%, 直行28.97%, 右转26.67%;北进口, 左转29.51%, 直行48.82%, 右转14.10%。合计非机动车交通量占边家村十字交叉口总交通量的34.51%。
(3) 各进口道服务水平。道路服务水平V/C是道路最大服务交通量与通行能力之比。v/c小于0.75, 服务水平属于A、B、C级, 比较畅通;v/c介于0.75-0.9, 服务水平为D车辆可通过但有延误;v/c大于0.9, 服务水平为E、F车辆出现拥堵。
对调查数据处理分析后, 得到边家村十字各进口道的高峰小时交通量和服务水平如表3。
调查发现, 四个进口的直行车流量均很大, 特别是南进口的直行已突破2000PCU/H。通过该交叉口的非机动车流量也比较大。
参照城市道路路段及交叉口服务水平划分标准, 通过对原始数据的分析可以得出以下结论:北进口处于B级服务水平, 其余三个进口均为D级服务水平。
1.3 边家村十字非机动车流主要问题
(1) 非机动车随意停车, 影响另一方向直行车辆的正常通行。 (2) 非机动车在交叉口内行驶灵活, 行驶轨迹不固定, 尤其是左转非机动车流存在跟随左转机动车过街或二次过街的现象, 影响同向直行车辆的行驶。 (3) 各进口道非机动车占比大, 容易和左转、直行机动车流发生冲突, 造成交通事故, 影响交叉口通行能力。
2 边家村十字非机动车流交通组织
2.1 左转非机动车流冲突交通组织对策
(1) 该交叉口属于“直行—左转—停车等候”相位组织方案的交叉口, 可设左转等待区, 有效地消除左转非机动车流与本向、对向直行机动车流的冲突, 及左转非机动车流与对向直行非机动车流的冲突。
(2) 对于左转非机动车流与垂直方向上的直行机动车流的冲突, 可采取非机动车的“早断”技术, 对非机动车的绿灯信号提早截断。对于由于交通违章造成的交通冲突, 要加大交叉口区域的交通管制力度, 定期进行整治。
2.2 直行非机动车流冲突交通组织对策
(1) 对于直行非机动车流与本向右转机动车流的冲突可以利用交通标志提醒右转机动车让行, 或将右转信号调整至与左转信号处于同一相位, 避开直行非机动车。
(2) 对于直行非机动车流与对向左转机动车的冲突, 应将非机动车信号与机动车信号分离, 并进行非机动车信号的“早断”。
(3) 对于由于交通违章造成的直行非机动车流冲突严重的交叉口, 需安排管制人员位于非机动车进口道处, 杜绝此类“钻空子”交通违章行为的发生, 保障交通安全。
3 结论
本文主要分析了非机动车流对城市道路交叉口的影响, 并以西安市边家村十字为例, 提出改善措施, 得出以下结论: (1) 在机非混行的城市道路交叉口, 由于非机动车流的摇摆性、成群性、多变性、违章性和机动车与非机动车的不对等性与不融合性等交通流特性, 非机动车流与机动车流、非机动车流之间存在冲突。 (2) 通过对边家村十字交通口进行调查分析, 可知该交叉口是典型的十字型四相位控制交叉口, 通行车种复杂, 机非混行, 并且非机动车所占比例高, 道路服务水平为D级。同时依据交通组织理论, 得到左转非机动车流冲突、直行非机动车流冲突的改进措施。
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