單交叉口信號配時軟件設計*

劉改紅，方承林

(1.長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙 410004;2.中鐵八局三公司，貴州 貴陽 550000)

單交叉口控制作為城市整個區域交通控制中的一個基本的交通控制單元，是干線協調控制盒系統實時優化控制的基礎，也是城市交通管理與控制的關鍵.隨著城市內交通量的增加，多數交叉口都是通過信號燈來進行控制和管理，而信號配時需要采集大量的數據并進行計算，配時過程很繁瑣.除了大量的計算還要編制相位圖、信號控制參數、信號配時圖等相關技術文件.傳統的配時都采用的是手工配時，繁瑣的計算過程浪費時間且很容易導致計算錯誤.現今計算機技術快速發展，如果將交通信號配時與計算機技術相結合，開發出一種信號配時軟件，就能極大地提高工作效率，起到事半功倍的效果.本項目研究的目的是通過計算機交通信號控制實驗平臺，運用VB軟件來設計單交叉口交通信號配時方案，從而達到優化交通運行的目的.

目前常用的定周期信號配時方法主要有英國的Webster法、TRRL法、澳大利亞的ARRB方法、美國的HCM方法以及停車線法和沖突點法等［1，2］.近年來，交通工程學者越來越重視利用計算機來解決交通問題.毛漢穎和李曉萍設計了基于TRRL方法的信號配時系統［3］，該系統能完成交叉口各種相位的定時信號配時設計，極大地簡化了配時工作.本文主要采用Webster方法利用VB軟件進行信號配時軟件的設計.

1 信號配時參數分析及確定

信號配時采用的參數主要有兩類，分別為信號控制參數和交通流參數.信號控制參數是設置信號燈采用的參數，交通流參數是描述交叉口交通流量的參數.

描述交通流狀態的參數主要有飽和流量、通行能力和飽和度.飽和流量是綠燈時間內連續車隊通過停車線能通過的最大車輛數.交叉口的通行能力等于各進口道設計通行能力之和，進口道通行能力受交叉口渠化方式的影響.飽和度為實際到達交通量與通行能力之比，通常用飽和度來評價交叉口的運行效率.飽和度越低，表明交叉口服務水平越高;飽和度越高，表明交叉口車輛到達量接近交叉口設計通行能力，交叉口服務水平降低.

定時信號配時中，信號控制參數主要包括周期時長、綠信比、綠燈顯示時間、綠燈間隔時間和最短綠燈時間.周期時長為各個流向車流完成一組色燈變換所需要的時間，等于紅燈時間+綠燈時間+黃燈時間.通常，采用Webster配時方法來確定最佳周期時長，以使交叉口的整體效益最大.周期長度確定后，按比例分配各相位綠燈時間，即綠燈顯示時間.綠信比是一個相位內某一方向有效綠燈時間與周期長度之比，是表示通行效率的指標.綠燈間隔時間是某個相位綠燈結束時間到另一相位綠燈開始時間的間隔，包括黃燈時間和全紅時間.綠燈間隔時間的作用是清空綠末時間進入交叉口還未來得及出交叉口的車輛，綠燈間隔時間的設置關系到交叉口的運行效率及行車安全，因此交通工程學者更重視對綠燈間隔時間設置的研究.目前主要用沖突點來確定和計算綠燈間隔時間，如圖1所示，楊曉光教授［4］用機動車－機動車(C)和機動車－行人(D、E)的安全交叉理論來確定信號控制的綠燈間隔時間.最短綠燈時間是為了保障交叉口交通安全設置的最短綠燈顯示時間.最短綠燈時間要充分保障行人過街安全和排隊車輛的消散.

圖1 兩相位交叉口沖突點示意圖

2 信號配時軟件功能實現

2.1 軟件設計采用方法

此軟件采用的是Webster算法來對交叉口進行信號配時.該方法以車輛通過交叉口的延誤時間作為評價指標，通過求的延誤時間最小時的周期時長為最佳周期時長，得出周期時長后以各相位的最大流量比所占的比例來分配各相位綠燈顯示時間.

Webster算法的延誤公式如下:

Webster算法的中心思想是使所有隨機到達信號交叉口的車輛延誤時間最小.根據延誤公式，運用數學方法對平均延誤求導數并使導數為零可求得最佳周期，此時交叉口的延誤最小.Webster經反復驗算，給出了最佳周期近似公式:

其中k1和k2與交叉口具體條件、交通條件有關，是可變的，通常取值為k1=1.5，k2=5;C0—最佳周期(s);L—總延誤(s);Y—交叉口全部相位的最大流率比之和.

L值計算公式如下:

式中，I為綠燈間隔時間，A為黃燈時間，l為啟動損失時間.

Y值計算公式如下:

其中，i=1，2…n，n代表相位數，Yi代表第i相位下最

從而得到交叉口信號配時所需要的各參數.

2.2 軟件設計原理

(1)對此單交叉口進行渠化調查，確定其相位數.

(2)估算各進口道設計飽和流量，及各類車道設計交通量，計算流量比和交叉口飽和度.

(3)計算交叉口綠燈間隔時間及信號總損失時間.

(4)計算飽和度并與0.9進行比較，當大于0.9，則返回，對交叉口重新進行渠化，小于0.9則進行后續計算.

(5)計算交叉口總有效綠燈時間、各相有效綠燈時間、各相綠信比及綠燈顯示時間，再與最短綠燈時間進行比較.

(6)計算交叉口延誤，確定其服務水平等級.當其服務水平達到A、B級則，交叉口服務水平滿足要求，當服務水平低于B級，則交叉口服務水平不滿足新建交叉口服務水平，再返回到對交叉口車道設計交通量處，對車道設計交通量進行重新確定.流程圖見圖2.大的流量比，最后計算得到每一相位的有效綠燈時間:

圖2 交叉口信號配時流程圖

2.3 VB系統軟件設計

2.3.1 數據輸入及計算原理

(1)在VB軟件中建立一個工程，在窗體1中設置進口道、車型、車流流向及修正系數，加入一些文本框分別與之對應，計算出各向車輛換算后總量.

(2)在窗體2中建立數個文本框，根據交叉口各車道、各流向流量確定交叉口渠化方案，分別有兩相位、三相位、四相位.

①當交叉口確定為兩相位，則進入窗體3根據窗體1中所計算出來的流量，以及設置的飽和流量(需根據車道數自己輸入，直行按每條車道1650，左轉1550輸入)來計算交叉口各向流量比(Z)，從而得出交叉口飽和度(Y).根據交叉口飽和度、黃燈時間(A)、啟動損失時間(T)及綠燈間隔時間(P)計算交叉口最佳周期，黃燈時間、啟動損失時間及綠燈間隔時間需手動輸入.然后分別計算交叉口總有效綠燈時間(G)，東西相、南北相有效綠燈時間(J)，綠信比(L)及綠燈顯示時間(H).根據人行橫道長度(Lp)、行人過街速度(Vp)計算出行人過街的最短綠燈時間Gmin，然后與綠燈顯示時間比較;當各相最大綠燈顯示時間滿足最小綠燈時間，則計算交叉口延誤，判斷其服務水平，當各相最大綠燈顯示時間不滿足最小綠燈時間，則需對交叉口重新渠化.當最后服務水平滿足要求，畫出配時圖，不滿足則對交叉口重新進行渠化.

②當交叉口確定為三相位，則又需要區分是東西左轉還是南北左轉.當是南北左轉時，則進入窗體4，其計算原理跟兩相位相似，但是其飽和流量的輸入需要注意具體區分;當確定為東西左轉時，則進入窗體6，計算原理與跟兩相位相似.

③當交叉口確定為四相位，其計算原理跟三相位相似，不過其飽和流量輸入更加繁瑣一點.

2.3.2 信號配時的優化

經運算初步確定信號控制參數后，此時的結果不一定是最優的結果，需要對參數進行優化，以保證信號配時的最優結果;本系統配時方案的優化包括配時參數的優化和對方案的總體優化兩部分，優化過程根據初步運行結果來調整.

2.3.2.1 信號配時參數的優化

信號配時參數的優化主要是周期長度和信號相位的優化.本系統中周期長度的優化采用插值法進行優化，使延誤值最小.相位數根據流量比確定關鍵進口道，進而決定信號相位數，本系統的相位數控制在2～4個.

2.3.2.2 方案的總體優化

方案的總體優化主要為服務水平分析.根據系統初步得出的結果運用Webster方法計算交叉口整體延誤，根據表1得出交叉口的服務水平.

本系統保證信號交叉口的服務求平至少B級以上，如果服務水平不合要求，則通過人工輸入來修改各進口道設計或信號相位方案，重新配時.本文優化主要體現在以下幾個方面:

(1)周期優化

當信號配時出現問題時，則優先考慮對交叉口周期的優化，通過適當改變周期來達到對交叉口信號配時的優化.

表1 信號交叉口機動車服務水平

(2)綠燈間隔時間優化

對綠燈間隔時間優化主要參考圖2來優化，適當改變交叉口綠燈間隔時間，從而改變周期，達到對交叉口信號配時的優化.

(3)飽和流量的優化

飽和流量的優化主要體現在對車道數的優化.當各方向的車輛數比較多，且交叉口服務水平不滿足新建交叉口要求，則可以考慮對車輛數較多進口道適當增加車道數，改變交叉口進口道飽和流量來改變交叉口飽和度，從而改變交叉口服務水平，達到對交叉口信號配時優化的目的.

3 實例分析

下面選用長沙市芙蓉路上神農交叉口各交通流量數據來對軟件進行測試.

3.1 神農路口各進口道流量調查表

神農路口各進口道原始流量調查表如表2所示.

表2 神農路口交通流量數據

3.2 應用VB軟件對交叉口進行配時

3.2.1 VB軟件計算出的各向交通總量

VB軟件所計算出來的各向交通總量如圖3.

3.2.2 渠化方案及相位確定

應用VB軟件對各進口道進行渠化及相位確定如圖4所示.

圖3 神農路口各向交通總量

圖4 渠化相位確定

在對交叉口進行渠化過程中，當東西南北都不設置專左車道，則選擇兩相位;當東西南北方向都需設置專左車道，則選擇四相位;當東西方向設置專左車道，南北方向不設置專左車道或者東西方向不設置專左車道，南北方向設置專左車道，則選擇三相位.

3.2.3 交叉口服務水平判定

計算交叉口飽和度、周期、有效綠燈時間、綠燈顯示時間、判斷延誤及服務水平，其運行結果如圖5所示.

圖5 交叉口服務水平判定

在飽和流量的輸入過程中，按照此方向上有多少條車道來計算飽和流量.燈時間、啟動損失時間、綠燈間隔時間人行道長度及行人過街速度通過人工輸入.當最后輸出的服務水平低于B級時，則根據流量對各進口道車道進行調整(即對飽和流量進行調整)，從而使交叉口信號配時達到最優狀態.

4 結論

本文運用VB軟件對單交叉口進行信號配時，并分別設置了兩相位、三相位、四相位進行研究比較，來對交叉口進行配時優化，對提高交叉口運行效率具有重要意義.本文的創新和優點有:能夠將方案運用到所有十字交叉口，即運用范圍比較廣，能夠快速對交叉口進行配時，不像人工配時那么麻煩，大大縮短了配時時間.針對信號控制過程中涉及到的參數，在給出參考資料的同時給出了部分參數的準確計算及確定方法，并且與實際交叉口結合起來，證明了軟件的實用價值.

［1］楊佩昆.交通管理與控制［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］陸化普.城市交通現代化管理［M］.北京:人民交通出版社，1998.

［3］毛漢穎，李曉萍.基于VB的道路交叉口定時信號配時軟件設計［J］.廣西工學院學報，2007，(2):62 －65.

［4］楊曉光，陳白磊，彭國雄，行人交通控制信號設置方法研究［J］.中國公路學報，2001，(1):73 －80.