交叉口信號控制與設施優化

摘 要：從交叉口設施優化和信號控制兩方面入手對交叉口交通組織進行分析與闡述。強調在現有交通設施的前提下色彩化、人性化的重要性。同時成功引入博弈論，并在此基礎上，以四相位為例建立單點交叉口信號控制模型。

關鍵詞：交通設施；信號控制；博弈論

中圖分類號：F290 文獻標志碼：A 文章編號：1673-291X（2013）12-0176-02

目前，混合交通是中國城市道路交通的顯著特征之一，這使得中國交通組織相對較為復雜。而交叉口是交通流反復分流、合流及交叉之處，更容易受到混合交通的影響，致使平面交叉口成為制約城市路網容量的瓶頸。因此對交叉口的設施及信號控制進行研究、設計、優化，提高交叉口通行能力是十分必要的。

一、交叉口交通設施優化

交通設施是傳遞交通管理信息的道路語言，是確保交通安全、有序、暢通的重要手段。近年來，隨著市政府對交通設施投入的增大，交通設施在完整性、連續性、鮮明性方面有了很大改善。為進一步滿足人們的出行需求，提高交通安全，豐富交通文化，可以從色彩化、人性化方面進行探討研究，對交通設施進行進一步的優化和完善。

（一）色彩化

色彩不僅給人的印象迅速，更有使人增加識別記憶的作用，所以在交通管理設施設計中色彩恰到好處地處理能起到融合表達功能和情感的作用，具有豐富的表現力和感染力?？梢試L試從以下方面做起：（1）在行人較多的地方可以運用彩色斑馬線，斑馬線還是白色基本色的，只是在底下鋪一層黃色的材料，這層材料覆蓋的范圍比斑馬線略大，斑馬線便可從“黑白”相間變成“黃白”相間?！包S色”斑馬線要比一般黑白相間的斑馬線醒目，因此會有很好警示的作用。司機從很遠就可以看到并開始減速，行人過街也會比較從容。（2）嘗試統一將南北方向（或者東西方向）的護欄上部刷成綠色，這對于外地駕駛員或者不了解當地狀況的司機來講，具有很好的指示作用。

交通管理設施的系統用色往往更能體現所在城市的獨特性，可以代表當地獨特的人文地域文化，但若缺乏系統管理，就會出現用色混亂狀況。這就要求相關設計部門從城市的整體色彩環境出發，考慮大眾審美，建立健全交通管理設施用色管理機制，對交通管理設施用色進行科學、合理的設計和改善。

（二）人性化

交叉口設施優化除考慮車輛行駛所需的必要信息外，對行人的道路信息指引也是十分必要的。其設計原則應該是在簡潔明了的基礎上傳達盡可能多的信息[2]。在情況允許的條件下可嘗試以下方法：（1）可在路側指示標志上添加門牌號信息，如在“南”的下方加上“21+”，則表明人們沿著指示方向向南走，遇見的第一個門牌號就是21，繼續向前走的話，門牌號依次增大。這樣就可以在不用很大變動的情況下，為行人提供更多指示信息，進一步體現交通管理設施設計和應用的人性化。（2）做到“警”必“禁”，有“禁”必“指”，在禁令標志上游一般設立指示標志，提示下游禁限內容，從而減少違法行為的發生。真正做到交通管理標志內部管理與服務相協調，彌補道路建設中留下的安全隱患[3]。

二、交叉口信號控制——博弈論

當前，許多新理論被運用到交通分析與管理中，如熵理論、流體力學、層次分析、模糊數學、建模仿真等，這些理論的運用為交通問題分析注入了新的動力，帶來了交通管理的新發展[4]。本文重點介紹的是基于多人合作博弈的單點交叉口信號控制方法。

（一）博弈論的基本要素

博弈論通過使用嚴謹的數學模型來研究沖突、對抗條件下的最優決策。構成一個博弈的基本三要素有：局中人、策略集和支付函數。

局中人集合N={1，2，…n}：局中人即博弈參與人。

（三）多人合作博弈的估值解

合作博弈的求解可通過一套公理化體系，得到唯一的“合理”的分配值，并且其求解方法較簡單。

1.策略集的選取。對交通信號燈來說，可選擇的策略有紅燈或綠燈即（Red，Green）。對單點交叉口四相位信號控制來說只存在4個策略組合的情況下收益大于0即在同一時刻四個相位中有一個相位是綠燈，另外三個相位都為紅燈。其他情況下的相位組合收益均為0。所以，策略集可表示為（Green，Red，Red，Red）（Red，Green，Red，Red）（Red，Red，Green，Red ）（Red，Red，Red，Green）。

2.贏得值的確定。博弈中的贏得值是個預測值，即博弈之初參與人對各種可能的策略組合下收益的一種預測。對信號交叉口控制來說，排隊長度是最直觀的收益值，因此本文中選取排隊長度值最為博弈贏得值[4]。排隊長度值的計算如式（3）所示：

公式中，queue length表示排隊長度值；q為當前相位的排隊長度；t為當前相位的執行時間；car-length為平均車長；average-speed表示當相位保持綠燈信號時，駛離交叉口的所有車輛的平均速度；當信號由紅燈轉換為綠燈或綠燈轉換為紅燈時，公式3中的Z1取0，Z2取0；當信號由綠燈轉換為綠燈時Z1取-1，Z2取0；當信號由紅燈轉為紅燈時，Z1取0，Z2取-1。

3.收益矩陣的建立。對單點交叉口四相位信號控制來說，在某一時刻獲得通行權的相位可能有四種情況，在確定收益矩陣的時候就會存在四種可能情況：

情況一：當前獲得通行權的相位是第一相位，即當前4個參與人的信號燈狀態為（Green，Red，Red，Red），這種情況下4個參與人可以選擇的策略組合（如表1所示）。表中，支付函數（S1n，Pn，Pn，Pn）表示相位1，2，3，4分別選擇策略（Green，Red，Red，Red）時各個相位上的贏得值。

同理，情況二：當前獲得通行權的是第二相位，即當前4個參與人的信號燈狀態為（Red，Green，Red，Red，Red）；情況三：當前獲得通行權的是第三相位，即當前4個參與人的信號燈狀態為（Red，Red，green，Red），和情況四：當前獲得通行權的是第四相位，即當前4個參與人的信號燈狀態為（Red，Red，Red，Green）時對應的博弈的收益矩陣也可獲得。至此單點交叉口四人合作博弈模型確定了。然后，依據式2進行求解即可。

三、小結

管理設施優化和信號控制是交叉口管理的重要手段，本文從這兩方面進行了探討，提出了交叉口交通設施的色彩化與人性化，并引入了博弈論控制算法，具有一定的參考價值。需要指出的是在現代交通管理實踐中，無現成的經驗可遵循。因此，只有時刻以動態的觀點看待交通，不斷挖掘新方法、總結新規律，運用新理論，才能不斷解決交通問題，將交通事業發展推向一個新的臺階。