GPS校时技术在单点信号机中的应用研究

梁凌宇等

【摘要】随着城市机动车保有量的增长，城市的交通拥堵越来越严重，为了进一步提高交通干道的通行能力，缓解交通拥堵，干道绿波带得到越来越广泛的应用。但在城市早期的建设中，信号控制机基本没有联网，处于单点控制状态。为了在单点信号机上同样能实现绿波协调控制，本文提出了利用GPS校时技术实现单点信号机的时间同步，以实现绿波协调控制，最后通过实际案例验证说明了该方法能取得良好的绿波协调控制效果。

【关键词】城市交通；绿波带； GPS时间同步；单点信号机；信號控制

文献标识码：A 中图分类号：U491.1

正文：

近几年，随着国民经济的快速发展，机动车拥有量越来越多，城市交通出行从以前的非机动车出行、摩托车出行渐渐转变为私家车出行，交通需求量的增加，需要进一步加强交通管理与控制，确保日常交通出行的健康成长。而信号控制作为城市交通出行最直接的管理方式，其管理水平的高低直接影响着整个道路交通的畅通效果。为进一步提高交通管控水平，交通信号协调控制应运而生，其中绿波带（干道协调控制）成为交通信号协调控制中的一大最重要应用方式。

现有的绿波带研究主要集中在对信号协调控制方案的设计上，方法上只要集中在图解法、数解法和模型法，其中卢凯对传统的数解法和模型法进行了改进[1]，周君运用图解法对干道的配时方案进行了设计[2]，王殿海对经典的数解法进行了优化[3]，别一鸣考虑了城市干道的车队运行特点对信号的协调控制进行了研究[4]。总的来看，在交通协调控制的理论和方法研究上已经比较成熟，但从信号控制机对方案的实施应用上的研究则相对较少，特别是在单点信号控制机上如何实现设计好的协调控制方案以保障良好的绿波效果的研究基本上没有。本文对单点信号控制机上如何实现绿波带进行研究，提出在信号控制机上加载GPS授时模块实现干道的绿波控制。

1.绿波带概述

1.1 绿波带定义

绿波带，是对干道上多个路口进行相互协调控制的配时方案设计，使得干道上按规定车速行驶的车辆获得尽可能不停顿的通行权[5]。绿波带是应目前大力提倡的城市交通可持续发展趋势而出现的，它以注重以人为本、人与自然和谐的思想为指导。通过绿波带方案设置，可尽量减少干线方向车辆的停车次数，减少路段通行时间及延误时间，大大提高了路段的通行能力。

1.2 绿波带控制参数

路段绿波带的设置，对路口来讲，由多方面因素影响，在干道信号协调控制中要考虑三个最基本的参数：公用周期时长、绿信比和相位差。

（1）公用周期时长：在信号控系统中，为使各交叉口的交通信号取得协调，各交叉口的周期时长必须相等，公用同一周期，这样才能协调好不同路口之间的关系。

（2）绿信比：在干道协调中，各个方向的绿信比是根据各交叉口各方向的交通流量比来确定，因此，各交叉口信号的绿信比不一定相同。但在干道协调设计时为增加绿波带宽度要对绿信比进行调整。

（3）相位差：相位差又叫时差或绿时差，以其中一个路口主要车流方向的绿灯起始时间作为基准，来确定其它路口相同方向车流绿灯时刻。

2.信号控制类型

当前城市交通的信号控制主要由两种形式的交通信号控制机构成，一种是单点信号机，也就是交通信号的运行只是由单个路口的信号机控制，具体方案实施的指令来自于路口信号机；而另外一种为联网信号机，各个路口的交通信号机通过光纤、宽带、3G或其他专用通信网络，将路口的信号机与上位机进行连接，通过控制平台下发指令进行路口方案控制。

在联网信号控制机中，路口时钟的校准，主要以指挥中心服务器或区域服务器对各路口机进行统一的时间设置，保证各个路口的时间一致，以确保交通方案的运行正确无误。而考虑到“绿波带”最主要的参数是相对相位差，只要各路口是用同一个时钟源进行校对就可以了，对于时间的精度并未有很高的要求，但必须具备比较高的稳定性。

而对于单点信号机，由于我国城市发展水平差异较大，许多城市不具备在路口实现光纤、宽带或其他专用通信网络组网的条件，或是由于设备相对落后，未具有统一的平台进行联网控制，因此，如何实现各个路口时间点校时成为绿波带效果好坏的重要因素。

3.单点信号机校时技术分析

（1）靠同步电动机或电源频率连接

从第一个控制机开始，按先后次序逐一把各机的配时方案，由人工根据各控制机间的计算时差，设置到信号控制机中。设定的各控制机间的时差关系，靠控制机中的同步电动机或电源的频率来保持。这是协调控制各信号控制机间在时间上取得协调的一种最简单的连接方式。其设施简单，安装维护费用低；但这样的连接方式，无法在各控制机中设置分时段的不同配时方案，只能限用于只有一种配时方案的系统，而且当有信号失调，或电源频率不稳定时，很容易导致整个系统失调。系统失调后，就必须由人工到现场重新调整，所以这种方法只能是没有其它方法可用时的一种权宜措施。

（2）用时基协调器联结

用一个叫做时基协调器（Time-based coordinator）的十分精确的数字计时和控制设施，把各控制机的配时方案连接起来，实现各机间的时间上的协调。系统中每个控制机的机箱内，都需装一个时基协调器，保持系统中各交叉口之间的正确时差关系。时基协调器本身也需与当地电源连接，但在供电发生问题时，自备电池可使它继续保持精确的时间。时基协调器可执行每天各时段和每周各天的不同配时方案，所以可用在多时段配时的协调控制中。用时基协调器的连接方式，也不必使用电缆。在配时方案有改变时，也必须由人工到现场逐一对各控制机进行调整。

综上所述，无论是用电动机、电源频率，还是时基协调器，在实际应用中都存在严重的不足。本文提出了采用GPS授时模块应用于单点信号机以实现协调控制。

4.GPS校时技术在单点信号机中的应用