基于道路聯網的動態信號燈配時模型

袁普 唐子堅 張琦 馬繼豐

摘要：在擁堵交通狀態下，目前的信號燈配時算法僅限于處理單個路段的擁堵狀況，忽視了致使擁堵的原因是由于未限制過多的匯入車輛而造成的。本文選取當下使用較為普遍的一種算法——Webster綠信比優化模型，在原有模型基礎上，將每個信號燈關聯，使每一個信號燈時長的分配不再僅取決于單個路段交通流特征，還受限于與其關聯的其余信號燈的分配時長，以達到一處擁堵，多處聯合調節的優化模式。經仿真實驗所證實，本優化算法在處理擁堵，尤其是多處擁堵同時發生的情況，較之傳統配時模型更為有效。

Abstract： Under congested traffic conditions， the current signal timing algorithm is limited to dealing with congestion on a single road segment， ignoring the cause of congestion due to not restricting too many incoming vehicles. This paper selects the Webster green letter ratio optimization model， which is currently used more generally， and on the basis of the original model， associates each signal lamp， so that the allocation of the duration of each signal lamp no longer depends only on the traffic characteristics of a single road section. Limited by the duration of the distribution of the remaining semaphores associated with it， to achieve a congestion， multiple joint optimization of the optimization mode. The simulation experiments confirmed that this optimization algorithm is more effective than traditional time-matching models in dealing with congestion， especially when multiple congestions occur at the same time.

關鍵詞：擁擠交通；信號燈配時；道路聯網

Key words： crowded traffic；signal timing；road network

中圖分類號：U463.7+9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）26-0176-02

0 引言

城市擁堵中，以大型交叉口擁堵最為典型，當前大多信號燈配時系統盡管在少量擁堵狀態下表現良好，但當一個區域整體出現大規模交通擁堵時，其控制能力便下降，對整體的擁堵疏散并無多大幫助。這是受限于傳統信號燈配時模型，其優化部分僅限于局部的交通狀態，要解決局部擁堵問題，不僅是對單個路口的信號燈優化，更應對其余路口對本路口輸送的車輛數予以限制。因此本文將擁堵歸結于兩個因素：①由于車輛補充過快所致使的道路流入車輛數大于流出車輛數；②由于信號燈實際配時與道路車輛數所需配時不相匹配。

在擁堵交通狀態下，信號燈聯網可監測并及時處理每一處發生的擁堵，可繼續在目前的配時系統下，將每個獨立的信號燈相關聯，使其彼此制約，動態去調節每一個綠燈時長以及總周期時長的分配，從而達到針對局部的全局優化，以確保可以從根源及預防解決擁堵。

1 模型的建立

1.1 傳統配時算法及Webster綠信比算法

選取Webster信號燈配時算法[1-3]進行討論，即在信號周期確定后，各信號相位的綠燈時間是按各相位臨界車道的交通流量比進行比例分配的，其分配方法按式（1）進行：

式中：gi—第i相位的有效綠燈時間；（v/s）i—第i相位關鍵車道的流量比；C—周期時長；L—周期損失時間。

1.2交叉口網格化

模型從宏觀出發，將城市所有大型交叉口抽象為網格圖，每一個交叉口即對應圖中各自節點。如圖1所示。

每個節點分為兩類（左轉和直行）8個相位，以圖1為例，即M（1，0），M（-1，0），M（0，1），M（0，-1）分別到M（0，0）的直行和左轉。若M（0，0）處擁堵，與其相同相位的節點為M（1，0），M（-1，0），M（2，0），或者M（0，1），M（0，-1），若M（0，0）處需最大化排出車輛，根據具體相位而選擇M（0，1），M（1，0），M（0，-1），M（-1，0）減少涌入車輛，再以M（1，0）處為例，與其直接相關路口為M（1，1），M（-1，-1）， M（2，0），而相應地M（1，1）與M（0，1）相關聯，即M（1，1）向M（0，1）和M（1，0）兩處分配車輛數應減少，以此類推，M（0，0）處的擁堵壓力分擔到道路網絡中的每一處節點。

1.3 信號燈網絡模型

Webster配時模型的一個明顯的缺陷是，若道路流量比無約束的增加，則對應相位的綠燈時長也隨之無限增加，這顯然是不現實的。因此在實際中，需設定一個上限值。現對上述每個節點定義擁堵閾值PM （i，j）。在M′（k，j）處閾值PM′ （k，j）以確定情況下，若要使Webster配時模型行之有效，即有（1）始終成立。因此，若在某一相位有gM′ （k，j）？叟PM′ （k，j），則應在下一周期中取PM′ （k，j）代替gM′ （k，j），那么相應地在下一周期中PM′ （k，j）所對應的車流量y′M′ （k，j）也應取代目前gM′ （k，j）所對應的車流量數yM′ （k，j），即上一個向其注入車輛的路口所對應的車流量yi，M （k，j）也應減少，且分別對應的綠燈時長gi，M （k，j）相應減少，同樣的，致使與M′（k，j）相通的另外三個節點的綠燈分配時長和車流量減少，以此類推，即實現了一處擁堵，全城調控的緩堵模型，根據Webster模型，即得到：

式中：v—節點處單一相位車流量；i—相位序數（交叉口各個左轉，直行）；s—道路最大飽和量；y—臨界車道車流量比；Y—交叉口交通流量比；n—信號相位數；l—相位信號損失時間；AR—周期紅燈時間。

2 案例分析

本文選取西安市五路口十字及其東西北共4個交叉口的交通調查數據，結合本優化模型，使用MATLAB進行數據仿真得到表1中的結果。表中列出了優化后各個路段通過的車輛數。從仿真結果可以看出，該模型優化后每個交叉口的車輛數出現變換并趨于一致，車輛在各個路段的分配不再集中，而較為均勻地分配到其他的路段，使擁擠路段進行了合理高效的疏散，緩解了交通壓力。有效解決了交通擁擠狀態。其中分別代表第x個交叉口的東西南北4個路段方向。

3 結束語

本文通過對國內城市交通信號控制現狀研究分析，針對當下信號燈配時模型所存在問題，提出基于道路聯網的交通信號控制模型，該模型較之傳統的經典配時算法有以下兩方面改善：一、保留了經典配時算法的優點，并在其基礎上，針對單個路口簡化了相位的設置，在實際應用時耗時更少；二、提出了城市道路聯網系統以解決擁堵問題，將單個路口所有相位的擁堵壓力均衡的向周圍路口分壓，使整個配時系統實現動態化，智能化。經仿真實驗驗證，在擁擠交通狀態下，本模型有更好的優化結果，因此在實際應用中具有更強的操作性。

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