基于不良天氣下的單點信號燈控制優化

陸岱駿

摘 要：在不良天氣條件下對單點交叉口的信號控制優化，是能夠使得車輛在不良天氣條件下交叉口延誤降低、降低交通事故率、增大交通安全系數的重要手段。本文首先通過對目標城市——柳州市的天氣環境進行調查，結合柳州市氣象局的資料公開發布，將柳州市存在的雨、霧、霾天氣進行聚類分析，將各種天氣按照對交叉口延誤和飽和車頭時距的影響分為一級、二級和三級天氣。然后再對各級天氣條件下的交叉口利用Webster法進行優化，通過對黃燈時長以及道路交通量的改進，提出改進的Webster法，重新對一級、二級、三級天氣條件下的交叉口不良信號進行優化。通過對優化后的交叉口進行延誤分析，結果表明在各級不良天氣下采取不同的信號配時，可以有效降低行車延誤，提高交叉口通行能力。

關鍵詞：不良天氣 聚類分析Webster法 信號優化

1 引言

單點信號控制是道路交通信號控制最基本的單元。由于在交叉口信號配時研究中，大部分的配時方案都是在假設正常天氣情況下設定的，這就使得在不良天氣情況下，交叉口的信號配時方案無法準確、高效的調節車輛的通行，這就使得大部分的交叉口在雨、雪、霧霾、沙塵暴等各種不良天氣中造成車輛擁堵、排隊、大面積交通癱瘓等現象。可以發現研究各種不良天氣下交叉口的信號配時，制定高效、合理的交叉口單點信號控制策略，提高交叉口車輛在各類天氣下的通行效率具有重要意義。

基于雪、降雨以及由于霧、霾引起的道路能見度水平高低等氣象條件下道路交叉口車輛通行的交通量、行駛速度、飽和車頭時距和車流密度等數據，深入分析不良天氣對道路交叉口交通流特征參數的影響。蔣賢才對比了國內外在冰雪條件和非冰雪條件下交通道路的交通組織狀況，建立由信息提供、交通控制和冰雪處理三種措施下的冰雪道路交通信號安全管理體系[1]。杜軼群發現霧霾的污染程度對公共交通的增長有著很大影響，當空氣中的霧霾污染越嚴重，就會有更多的私家車主轉而乘坐公共交通[2]。劉利花針對惡劣天氣下高速路口交通事故的研究調查，表明路面抗滑性能的好壞和能見度的高低是影響道路事故率的重要因素之一[3]。建立了HCM信號配時算法、RBF神經網絡道路通行能力計算模型以及Webster信號配時算法等等。但以往的研究只是考慮單一的不良天氣，沒有綜合各類不良天氣條件下交通流特征參數變化情況。

本文考慮在各類不良天氣條件下交叉口的交通流特征參數變化情況，并在此數據基礎上用K-means聚類分析建立了不良天氣交通等級劃分;通過各級不良天氣對各類交通流特征參數的影響情況研究，對交叉口的信號配時方案進行優化。

2 不良天氣的聚類分析

所謂聚類算法是指將一堆沒有標簽的數據自動劃分成幾類的方法，根據樣本之間的距離或者說是相似性（親疏性），把越相似、差異越小的樣本聚成一類（簇），最后形成多個簇，使同一個簇內部的樣本相似度高，不同簇之間差異性高。

根據國內外大量的研究數據，受不良天氣影響較大的交通流特征參數主要有交通量、車流速度、飽和車頭時距、交叉口延誤這四類，本文選取飽和車頭時距和延誤兩個參數作為聚類的核心參數。根據調查分析，可計算飽和車頭時距的折減系數和延誤的折減系數。利用SPSS對飽和車頭時距折減系數和延誤的折減系數進行聚類分析，如圖1所示。

根據聚類分析結果顯示，可以把9類不良天氣分為三個交通等級，分別是特強濃霧和強濃霧為一級不良天氣，暴雨、濃霧、大雨、大霧為二級不良天氣，中雨、小雨、輕霧為三級不良天氣，從圖中可以發現，這三種不良天氣條件存在著顯著不同。

3 不良天氣下改進的Webster法信號配時

3.1 黃燈時長的改進

由于在不良天氣條件下，駕駛員的反應能力以及車輛的性能受到極大影響，黃燈時間的計算公式如下：

其中，δ0為駕駛員的反應時間，u為車輛進入交叉口時的速度，a為車輛在交叉口的加速度矢量，G為交叉口進口道縱坡的坡度。根據式1中的參數，在各級天氣條件下δ0、u、a都是不同的，因此黃燈時長也需要因此做出改變。

3.2 非機動車對信號配時的影響

將機動車與非機動車進行根據一定的參數關系進行混合折算，再利用混合后的交通量帶入Webster法中進行信號配時，具體的公式如下：

其中，Q'1為第i個相位的非機動車流量，α為折算系數。

不良天氣下的周期時長計算公式為：

故修正后的最佳信號周期和綠燈時間為：

從上述公式中可以看出，將非機動車與機動車的混合交通量考慮到車流量中，更符合我國的交通實際。

4 實例分析

本文選取柳州市某交叉口為研究對象，對7：00-20：00之間對北進口進行單雙號限行，且限制黃牌貨車通行，達到優化交通量的目的。根據關數據分析，可以得出正常天氣下下優化后的信號配時圖，如圖2所示。

結合改進的Webster算法以及計算公式，可以將各級條件下的信號配時參數計算出來，從而可以針對在不同的天氣條件下采取不同的信號配時方案。不同的分級天氣條件下信號周期不同，交通量和飽和車頭時距也隨著不良天氣的改變而改變。因此，在不同天氣條件下，信號配時應該是動態變化的。可以得到在各級天氣條件下不良天氣的信號配時圖，具體的信號配時圖見圖3-5所示。

針對不良天氣下的交叉口信號配時的結果，對交叉口信號配時進行評價與分析。由調查可知，在正常天氣條件下的延誤約為23.07s，屬于C級指標。在不良天氣條件下進行信號配時后的交叉口延誤評價應在C級及以上，交叉口延誤三級條件下為21.82s，二級條件下為23.66s，一級條件下29.12s，都處于C級標準，因此，該交叉口在不良天氣條件下表現良好。

5 結語

（1）通過聚類分析，將大雨、濃霧和大霧等9類不良天氣劃分為三級交通等級不良天氣。（2）根據不良天氣的持續時間，交叉口擁堵情況，確定各級不良天氣條件下的信號配時優化策略以及對原有的信號配時方法進行改進。（3）選取廣西柳州市某交叉口進行實例分析，通過對各等級不良天氣下的交叉口延誤數據分析，確定優化后的交叉口的服務水平，驗證所制定的信號配時方案的合理性。

參考文獻：

[1]蔣賢才，裴玉龍. 冰雪道路交通安全管理措施及其成效分析[J]. 公路交通科技，2008（4）：127-131.

[2]杜軼群.霧霾對私家車主交通方式選擇行為的影響[J].中國公路學報，2014，27（7）：105-110.

[3]劉利花，張金喜.高速公路不良天氣交通事故分析[J].道路交通與安全，2006，6（8）：26-29.