交叉口飽和交通狀態下的信號配時研究

宋啟吉，楊濤，李東

（西華大學計算機與軟件工程學院，成都　610039）

交叉口飽和交通狀態下的信號配時研究

宋啟吉，楊濤，李東

（西華大學計算機與軟件工程學院，成都610039）

0　引言

隨著城市的發展以及機動車保有量的增長，交通需求急劇增加。在城市交通網絡中，交叉口是網絡中的瓶頸，交叉口的暢通將直接決定整個交通交通網絡的暢通。要最大限度地保證交通網的高效運行就必須要根據不同的交通狀況對交叉口進行優化協調，以保證信號交叉口的通行能力。

從交通擁擠角度看，交叉口的交通狀態可分為飽和和非飽和兩種狀態。目前，對于非飽和交叉口的配時研究十分成熟，其中較為典型的有Webster模型。對于總飽和度低于或等于0.6時，應用Webster模型進行信號配時是十分有效的。但是對于飽和交叉口的配時研究相對落后，實踐證明，對于飽和交叉口的配時Webster模型是不適應的。

1　改進Webster模型分析

目前信號配時大多采用Webster或HCM等經典的配時方法。采用Webster配時方法，在信號周期確定以后，各相位的綠燈時間是按照各相位臨界車道的交通流量比進行比例分配的，其分配方法按gi=（C-L）×Yi/進行。在交通狀態為非飽和的情況下，Webster優化模型對各個方向上的交通需求進行了充分考慮，對各相位分配的綠燈時間合理，能夠有效提高信號交叉口的通信能力。而在交通狀態為飽和的情況下，由于車輛之間的橫向干擾加劇，車道通行能力明顯降低，此時采用Webster綠信比算法分配得到的各相位綠燈時間，往往在車道通行能力即將達到最佳或處于最佳狀態的時候，綠燈信號卻又結束了，從而制約了信號交叉口通信能力的提高，不僅交通擁堵得不到有效減少，而且增加了交通擁堵。因此，在飽和交通狀態下，尋求一種更為適合的優化模型成為亟待解決的問題。目前，國內外諸多學者在這方面進行了研究，并取得了大量優秀成果。本文對Webster優化模型進行深入研究，以此為基礎提出了一種改進的Webster優化模型，優化了飽和交通狀態下的交叉口信號配時模型。

設置一個擁擠度超過閾值Sw，當某個相位的擁擠度Sr＞Sw時，就將一個gmax綠燈時間分配給該相位，以達到盡快消散該相位上車流的目的，從而減少交叉口的擁堵。當同時有多個相位的擁擠度Si，Sj…均超過Sw，即Si＞Sw，Sj＞Sw…時，則選Si，Sj…中的最大者為gmax的分配對象，實際上采用了優先權的分配思想。這樣即可實現最擁堵的相位獲得最長的通行時間，從而盡快實現交叉口車輛的消散。在將gmax分配給擁擠度最大的相位之后，剩余的綠燈時間gl=C-gmax-L則按照Webster模型信號分配方法分配給其他相位。對任意的相位，若擁擠度均沒有超過Sw，則按照Webster模型對各相位進行綠燈時間分配。

2　改進模型的參數確定

擁擠度閾值Sw的確定如下：

其中：d為兩個路面傳感器節點之間的距離，v為擁擠情況下車輛通過路面傳感器的可能速度，Tg信號周期時間，n為相位數。

Sw的值既不能過大，也不能過小。Sw過大可能出現很難有某相位的擁擠度大于或等于它的情況，失去了預防交通擁堵的初衷；Sw過小可能導致不必要的優先通行情況。所以Sw的選取應具備一定的動態性，即Sw的大小能夠根據交叉口的擁擠情況進行自動調整。按照此公式確定擁擠度閾值當某相位擁擠較大時，必然引起v的減小此時計算出的擁擠度閾值較大，從而擁擠嚴重的相位也會得到優先權。反之若某相位擁擠較小時，又會引起v的增大，從而計算出的擁擠度閾值也小，此時該相位的通行優先權得到減弱。

某相位擁擠度確定如下：

Sr=d/vr

式中Sr為某r相位的擁擠度，d為兩個路面傳感器之間的距離，vr為r相位車輛通過路面傳感器的可能速度。

gmax的取值與交叉口的信號燈周期和信號相位的設置有關，較為合適的取值占信號周期的0.5～0.7。不同的相位數和交通狀況，也會引起gmax取值的變動。具體說來，若交叉口的相位數越多，則gmax所占信號周期的比例將會減少；反之，若交叉口的相位數越少，則gmax所占信號周期的比例將會增加。當交叉口飽和度越大，那么gmax的取值也會相應較大，而交叉口的飽和度越少，則gmax的取值會相應較小。

gmax的取值應保證gmax≥gr（gr指按照Webster分配得到的綠燈時間），而且應該保證同方向行人過街的最短時間

式中α為信號相位數，x為相位飽和度，gr為按照Webster方法分配得到的綠燈時間。

3　仿真及分析

本文采用VISSIM交通仿真軟件進行仿真，以交叉口車輛平均停車次數和車輛平均延誤時間為指標，在同一個交叉口相同的過飽和交通狀態下，采用本文提出的方法和Webster方法對其進行仿真，比較兩種方法得出的結果，數據如表1所示。由于此交叉口的東入口南入口的車流量分別遠大于西入口和北入口的車流量，因此在此只列出車流量較大的入口。每一組車流量均對應一個小時的仿真時長。

由表1可以看出，當交叉口飽和度較小時，改進的模型與Webster模型得出各項指標相差不大。而隨著飽和度的增大，改進的方法更具有效性。

表1　兩種方法仿真數據比較

4　結語

在交叉口過飽和情況下，結合車輛檢測器檢測的信息，并通過本文提供的改進方法，相比單純的Webster方法能夠更有效地緩解交通壓力，減少交通擁堵。該方法是建立在Webster模型上的，在交叉口飽和度較小時通過改進的方法計算信號配時的算法與Webster方法相同，并不能反映出改進的方法的優勢。本文是通過仿真的方法得出的結果，且仿真的輸入數據也只是模擬數據，并不是實際測得的數據。因此，還有待對實際交通進行測試。

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Signal Timing；Traffic State；Model；Intersection

Research on Signal Distribution in the Saturated Traffic State of Intersection

SONG Qi-ji，YANG tao，LI Dong

（School of Computer and Software Engineering，Xihua University，Chendu 610039）

1007-1423（2015）26-0010-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.26.003

宋啟吉（1991-），男，四川瀘州人，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統、數字系統及設計方法

楊濤（1988-），男，四川廣元人，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統、數字系統及設計方法

李東（1989-），男，重慶豐都人，碩士研究生，研究方向為嵌入式系統、數字系統及設計方法

2015-08-21

2015-09-11

目前，英國的Webster模型在交叉口的定時信號控制中是應用最為廣泛的模型之一。簡單介紹交叉口常用的信號控制方法，其次對Webster信號優化模型進行了詳細介紹。引進一個擁擠度閾值參數，并在Webster模型的基礎上進行改進，提出一種改進的Webster信號配時方法，通過該方法對飽和交通狀況下的交叉口進行信號配時，最后通過實驗比較改進的方法與Webster方法的有效性。

信號配時；交通狀態；模型；交叉口

At present，the Webster model is one of the most widely used models in the timing signal control of the intersection.Introduces the signal control method，and then introduces the Webster signal optimization model in details.Introduces a congestion threshold parameter.Then proposes an improved Webster signal timing method on the basis of Webster model.By this method，carries out the signal timing of the intersection of the saturated traffic.Finally，compares the effectiveness of the improved method and the Webster method by experiments.