城市主干道紅綠燈配時(shí)優(yōu)化與仿真程序

黃亞坤 丁潤(rùn)澤 趙治文 吳鐵鷹

（南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院 江蘇 南京 210016）

1.研制背景及意義

城市交通管理要比航空和鐵路運(yùn)輸管理復(fù)雜得多。因?yàn)楹桨唷⒘熊嚨倪\(yùn)行時(shí)間、出發(fā)地、終點(diǎn)、甚至當(dāng)前位置都可以知道，而城市交通，被管理的目標(biāo)有各種機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車、還有行人，關(guān)鍵是他們個(gè)體的出行精確數(shù)據(jù)無法得到，這就給準(zhǔn)確的數(shù)值模擬帶來了很大的困難。大部分研究中都采用了連續(xù)數(shù)學(xué)函數(shù)建模的方式，甚至用于規(guī)劃模擬整個(gè)城市的交通管理。目前，世界上有一些相關(guān)模擬軟件，如美國(guó)的schwerdtfeger。國(guó)內(nèi)交警部門引進(jìn)后發(fā)現(xiàn)完全不適用于國(guó)內(nèi)情況。在說中國(guó)所有大城市的車輛擁有量過大，任何全城模擬管理算法都很難有較好的效果。所以，我們認(rèn)為：應(yīng)該綜合治理城市中的主干道的交通，主干道流量大，如果通暢，車輛無用排放總量就小。

本項(xiàng)目基于主干道承擔(dān)城市主要交通流量的原則，針對(duì)城市的主干道建立交通流量模型，通過主干道交通流量調(diào)節(jié)支路交通流量；同時(shí)采用各個(gè)十字路口紅綠燈錯(cuò)時(shí)算法和設(shè)置單行道配合主干道，使所有參與該干道的車輛遇紅燈等待的時(shí)間總和較小，并提高道路利用率。配合計(jì)算機(jī)科學(xué)理論，形成市內(nèi)主干道交通管理、錯(cuò)時(shí)紅綠燈、單行道合理設(shè)置等理論，通過對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析建立面向?qū)ο笪⒂^仿真模型，從而編寫出相應(yīng)的仿真程序，進(jìn)而驗(yàn)證了該方案具有減少等待時(shí)間、使流通量最大化的效果。

2.設(shè)計(jì)方案

將一個(gè)城市分成n個(gè)模塊，分別用主干道和單行道進(jìn)行連接。通過設(shè)計(jì)錯(cuò)時(shí)紅綠燈配時(shí)，達(dá)到城市主干道不間斷通行的目標(biāo)。以主干道為核心，提高主干道的通流量，從而緩解整個(gè)城市的交通擁堵問題。主要實(shí)施手段是軟件模擬：通過對(duì)主干道的調(diào)研、優(yōu)化，采用微觀交通仿真模型，以車輛為點(diǎn)、道路為軸，進(jìn)行算法設(shè)計(jì)及軟件編寫。

圖2.1 n個(gè)模塊井字形分布

2.1 道路說明

程序中的道路為城市主干道。此類道路多為雙向多車道（上下行道路間有較寬的隔離帶），在此等價(jià)于平行但方向相反的兩個(gè)單行道。

單行道有多個(gè)十字交叉路口，主干道上的車流量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于的支路車流量。

以南京市仙林大道為例，建立如圖2.1所示坐標(biāo)系：

2.2 車輛簡(jiǎn)化

程序會(huì)在各路口按規(guī)定時(shí)間生成車輛；由支路駛出和駛?cè)胫鞲傻赖能嚵髁拷葡嗟龋虼撕雎赞D(zhuǎn)彎。

2.3 主干道

設(shè)計(jì)時(shí)主干道按井字形分布。針對(duì)同一條主干道，對(duì)比紅綠燈錯(cuò)時(shí)和同步時(shí)的車輛等待時(shí)間。下圖所示為主干道紅綠燈示意圖，各紅綠燈分別控制不同方向的車流。

2.4 延遲時(shí)間

以兩條主干道相交的十字路口為起點(diǎn)，即不同模塊的交點(diǎn)處，設(shè)此處紅綠燈同步且紅綠燈的時(shí)間比為a0:b0=1，然后分別根據(jù)雙向車流量以及到該路口到下個(gè)路口的距離進(jìn)行錯(cuò)時(shí)調(diào)節(jié)：到達(dá)第一個(gè)紅綠燈H1時(shí)，假設(shè)其紅綠燈的時(shí)間比為a1:b1，一次進(jìn)行推算，直到第n個(gè)紅綠燈Hn的時(shí)間比再次恢復(fù)同步，即an：bn=1。這樣做可以實(shí)現(xiàn)不間斷通行（即“綠波原理”），以達(dá)到使車流量最大的目的。詳細(xì)計(jì)算過程如下：

我們假設(shè)每一個(gè)路口距起點(diǎn)路口距離分別為X1、X2、X3……Xn；車輛恒定速度v；車輛到達(dá)各路口耗時(shí)依次為ΔT1、ΔT2、ΔT3……ΔTn，

則車輛到達(dá)第一個(gè)路口耗時(shí)ΔT1=X1v；

車輛到達(dá)第二個(gè)路口耗時(shí)ΔT2=X2-X1v；

以此類推，車輛到達(dá)第n個(gè)路口耗時(shí)ΔTn=Xn-Xn-1v；

總計(jì)ΔT=ΔTi=Xnv。

因?yàn)橥档那闆r相同，可知當(dāng)距離為2Xn時(shí)，往返正好同步，即模塊交點(diǎn)處同步。

以仙林大道為例，我們對(duì)道路以及現(xiàn)行交規(guī)進(jìn)行改善。在模塊交點(diǎn)處十字路口的紅綠燈同步計(jì)時(shí)，而其間所有的十字路口上下行紅綠燈錯(cuò)時(shí)。由于上下行車輛到達(dá)同一路口所走的路程不相同，但主干道車速均勻且相等，故上下行車輛到達(dá)同一個(gè)十字路口所經(jīng)歷的時(shí)間不同，從而產(chǎn)生時(shí)間差ΔT。利用這時(shí)間差ΔT，實(shí)現(xiàn)支路車輛進(jìn)入和駛出路口隔離帶處的等待區(qū)，使支路車輛分步穿過主干道，犧牲支路車輛的通暢，借此保證主干道的暢通，從而實(shí)現(xiàn)主干道通流最大化和等待時(shí)間最小化。

2.5 支路調(diào)節(jié)模式

2.5.1 支路車輛過多

針對(duì)上下班高峰期和周末道路車輛過多的情況：在上下班以及周末時(shí)間，直接設(shè)置管理支路橫穿的兩個(gè)紅綠燈為永久紅燈，禁止通行。使支路車輛混入主干道并在下一個(gè)十字路口左轉(zhuǎn)通行，從而錯(cuò)十字路口穿過主干道。

2.5.2 支路車輛少

當(dāng)車輛少的時(shí)候，支路車輛主要利用主干道綠波通行的車流間隔通行。即主干道為不間斷通行，支路車輛依靠主干道紅燈時(shí)間分兩次通行。

3.軟件設(shè)計(jì)與工作原理

面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)思想比較適合我們的現(xiàn)實(shí)世界，我們的世界就是由各種實(shí)際的或抽象對(duì)象（Objects）組成的，因此面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言被廣泛地用于軟件開發(fā)。

在本項(xiàng)目的軟件設(shè)計(jì)中我們根據(jù)對(duì)實(shí)際情況的觀察、分析，用類（Class）較真實(shí)地描述了城市道路交通的各個(gè)單元。

3.1 類的設(shè)計(jì)

3.1.1 路CRoad

也就是所要研究的主干道，它由若干個(gè)路口組成，每個(gè)路口有它的坐標(biāo)（圖3.1）。這些坐標(biāo)值也就定義了該干道的長(zhǎng)度，同時(shí)坐標(biāo)系也用于給車輛定位。雖然，從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)，這只是一維坐標(biāo)，但它可以模擬彎曲的主干道，也就是坐標(biāo)指標(biāo)是相對(duì)于干道上基準(zhǔn)點(diǎn)的距離。

3.1.2 路口CIntersection

路口的紅綠燈可以設(shè)置為圖2.3的形式，也可以改為4組（無中間等待區(qū)）或3組（單行主干道）。由于數(shù)據(jù)較為簡(jiǎn)單，紅綠燈的描述就直接在路口類內(nèi)。

路口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)除了含有多組紅綠燈外，還定義了路口的車道數(shù)。根據(jù)我們的觀察，一般正常行駛的情況下，每秒鐘每條道平均只能過1輛車。因此，路口就可以模擬道路的通量。如果進(jìn)入路口的車輛太多，以至于綠燈時(shí)無法全部通過，有些車輛只好原地等待，等待時(shí)間將被加入最后結(jié)果。

3.1.3 車輛CVehicle

車輛在模擬中主要的數(shù)據(jù)為位置、行駛方向、進(jìn)出路口，當(dāng)然，還可以車輛的紅燈等待時(shí)間，最后這個(gè)數(shù)字被累積到該干道總的車輛紅燈等待時(shí)間中，并用于判斷配時(shí)方案的好壞。

3.2 道路信息的輸入形式：從文件中提取。Road.cpp中BOOL CRoad::Construct(CStringstrInputFile)讀取。輸入文件

圖3.2為輸入文件格式。其中第一列為十字路口名；第二列為坐標(biāo)；第三列為上行方向路口綠燈開啟時(shí)間與坐標(biāo)原點(diǎn)（學(xué)海路）綠燈開啟時(shí)間的延遲；第四列為下行方向路口綠燈開啟時(shí)間與坐標(biāo)原點(diǎn)（學(xué)海路）綠燈開啟時(shí)間的延遲；第五列為主方向紅綠燈周期時(shí)間；第六列為主方向綠燈時(shí)間；第七列為該路口主干到車輛進(jìn)入時(shí)間間隔；第八列該路口次干道車輛進(jìn)入間隔時(shí)間；第九列為路口主方向車道數(shù)，也是每秒鐘的通量，用于在綠燈亮?xí)r，最多可以過多少輛車；第十列是橫向路的道數(shù)。

坐標(biāo)原點(diǎn)（學(xué)海路）是主要交叉路口，也就是說，上下行紅綠燈在這一點(diǎn)是同步的。從理論上，存在下一個(gè)同步路口，是的紅綠燈再次同步。這個(gè)路口就是圖2.1中的另一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。

城市里車流量隨時(shí)間段可分為高峰低谷，在星期里還有周末工作日之分。不同時(shí)間段，流量不同，最佳配時(shí)方案也應(yīng)該不同。

3.3 算法設(shè)計(jì)

從現(xiàn)實(shí)世界中，車輛、行人和紅綠燈的運(yùn)行基本上是相互獨(dú)立的，每個(gè)個(gè)體有他的思維，理論上軟件模擬應(yīng)該用多線程（Multi-threading）的方法。計(jì)算機(jī)將這些對(duì)象獨(dú)立模擬，它們按照自己的規(guī)律運(yùn)行，同時(shí)要考慮之間的關(guān)系，而這些關(guān)系是隨機(jī)的。從此可見，多線程軟件編寫難度非常大。

本項(xiàng)目考慮到實(shí)際情況，選用了單線程方法。但是在計(jì)算過程中，每個(gè)對(duì)象也是按自己的規(guī)律單獨(dú)模擬，當(dāng)然也要考慮它們之間的關(guān)系，如紅燈停綠燈行。程序中這些對(duì)象的動(dòng)作是靠秒觸發(fā)來進(jìn)行的，也就是通過時(shí)間秒的循環(huán)，對(duì)所有對(duì)象觸發(fā)計(jì)算，使其能夠在這一秒正確地完成自己該做的動(dòng)作。

程序從數(shù)據(jù)文件讀入數(shù)據(jù)，在建立了道路后，通過模擬一大批車（算例中為1千輛），根據(jù)設(shè)定的各路口流量，逐輛進(jìn)行模擬，當(dāng)所有車輛都駛出路口時(shí)，計(jì)算結(jié)束，從而得到總紅燈等待時(shí)間。

這一算法，沒有復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，只有上述簡(jiǎn)單公式。這些公式完全可以近似描述我們?nèi)粘＝煌ǜ鲗?duì)象的行為。編程難度也大大減小，計(jì)算結(jié)果具有統(tǒng)計(jì)意義。

3.4 程序模擬

3.4.1 將輸入文件第三、四列按行車速度和路段距離配時(shí)，程序中的行車速度是m_nMPerS = 14，約50km/h。目前全0的設(shè)置意味著個(gè)路口紅綠燈是同時(shí)的。

3.4.2 最后兩列數(shù)據(jù)可以調(diào)整主干道和單行次干道流量比值。注意：同一橫道上的綠燈可能不同時(shí)亮，所以穿越車輛只能在中間隔離帶路口停下等待另一邊綠燈。一次橫穿車輛不宜過多，以免造成路口堆積。

3.4.3 現(xiàn)在程序模擬總共1000輛車進(jìn)入，后駛出該路段的情況。當(dāng)所有的車都駛離時(shí)，模擬結(jié)束。

3.4.4 程序還考慮了控制流量。實(shí)際上每分鐘通過的車輛是有限的，路越寬、可通過的車越多。通量代表了道路在單位時(shí)間可通過車的最大輛數(shù)，當(dāng)車流量大于該值時(shí)，意味著堵車了。程序中用車道數(shù)來代表通量，也就是說，通量為1輛/秒/道。

3.5 輸出信息：輸出總等待時(shí)間和，為屏幕輸出

采用控制變量的方法對(duì)紅綠燈的配時(shí)比例與主干道車流量做了一系列模擬，通過程序在南京仙林大道進(jìn)行1000輛車，在各路口按規(guī)定時(shí)間生成車輛，對(duì)等的拐彎用直行等價(jià)，得出模擬結(jié)果如下：

表3.3車輛進(jìn)入主干道時(shí)間間隔2s/輛，紅綠燈周期120s，配時(shí)比例變化

結(jié)論：車輛進(jìn)入主干道時(shí)間間隔/紅綠燈周期不變，配時(shí)比例（綠/紅）越大，該方案的減少等待時(shí)間效果降低。說明此優(yōu)化設(shè)計(jì)當(dāng)主干道車輛流暢時(shí)，方案效果降低，符合實(shí)際道路情況。

表3.4車輛進(jìn)入主干道時(shí)間間隔變化，紅綠燈周期120s，配時(shí)比例1/1

結(jié)論：紅綠燈周期、配時(shí)比例不變，車輛進(jìn)入主干道時(shí)間間隔越大，該方案的減少等待時(shí)間效果降低。說明此優(yōu)化設(shè)計(jì)隨著主干道車輛減少，即當(dāng)主干道車輛流暢時(shí)，方案效果降低，符合實(shí)際道路情況。

綜述：由上述仿真數(shù)據(jù)可知，在一定范圍內(nèi)，交通越擁堵，此方案越有效。但當(dāng)車輛少到一定程度時(shí)，仿真出的等待時(shí)間差趨近于定值，說明當(dāng)主干道通暢的情況下，我們方案效果存在極限值。由模擬結(jié)果看出，本仿真程序基本符合實(shí)際情況。

4.創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

4.1 創(chuàng)新點(diǎn)

1.考慮到我國(guó)大城市的車輛數(shù)量大等特點(diǎn)，我們提出通過主干道紅綠燈配時(shí)方案，來減少車輛的遇紅燈等待總時(shí)間，達(dá)到減少無用的汽車排放，同時(shí)也是整個(gè)城市交通較通常。

2.提供了一面向?qū)ο筌浖捎糜诔鞘兄鞲傻兰t綠燈配時(shí)模擬，以確定較好的配時(shí)方案。算例證明，改程序模型與算法較符合實(shí)際實(shí)際情況，有較好的實(shí)用性。

4.2 應(yīng)用前景

由于采用了面向?qū)ο缶幊蹋撥浖苋菀走M(jìn)一步改進(jìn)，以更適合現(xiàn)實(shí)的交通實(shí)際情況，提高模擬精度。另外，使用該軟件，幾乎無需在路上改變或添加任何硬件，只需變換各路口的配時(shí)時(shí)間。而且還可以做到按日、按時(shí)間段配時(shí)，優(yōu)化城市交通，減少無用的汽車排放污染。另外，復(fù)雜的城市交通網(wǎng)絡(luò)可以簡(jiǎn)化成圖2.1的主干道和支路，一個(gè)城市只要主干道通暢（大流量），那么整個(gè)城市交通就通暢，總體無用汽車排放就少。本軟件可以用于反覆地分別模擬調(diào)整各主干道配時(shí)，以達(dá)到較好地治理整個(gè)城市交通的目的。

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黃亞坤（1992年9月--）男 籍貫:寧夏中衛(wèi)市 學(xué)歷：本科在讀 專業(yè)：飛行器動(dòng)力工程