一種信號燈優化配時算法

紀祥龍，石 爽，曹 歡，苗秋鳳，江雪強，祁華菊

(安徽三聯學院 交通工程學院，合肥 230601)

1 城市交通行車道與人行道交通現狀

我國經濟不斷發展的同時，交通擁堵現象也日益嚴重。交通行業這一因素在拉動國家經濟發展的眾多因素中起到了重要的作用，因此改善現有交通的運行狀況具有重大的價值。

目前國內外學者針對單個交叉口的信號燈配時進行深入的研究，Cao[1]提出一種基于信息素的交通管理框架，用于減少交通擁堵，將動態車輛路由和交通配時策略統一起來。黃輝先[2]通過建立雙目標模型來對總延誤與最優速度進行雙重限定。利用單片機編程、MATLAB編程控制等實現紅綠燈自適應控制[3]。吳艷蘭[4]綜合車流量、信號燈優化配時、道路使用情況等因素建立數學模型來分析其定量的關系，來緩解交通擁堵。雷代文[5]針對不定周期信號燈配時策略的研究針對如今的信號燈配時具有較大的借鑒意義。李長光[6]綜合行程時間及空間范圍的特點，建立緩沖時間指數均值為目標函數，來實現時空范圍的優化。盧凱[7]等通過建立基于綠信比變化的分配模型，在一定程度上緩解了交通擁堵。以上國內外研究方法均在一定程度上減少了擁堵，但也存在著考慮問題不全面等缺點。為此本研究設計了綜合行人與車輛視覺盲區、交通量與行人量的信號優化配時設計。

以合肥市的金寨路與錦繡大道的交叉路口為例來說明，金寨路為橫貫合肥主城區與肥西縣之間經濟聯系的一條主動脈，而錦繡大道為金寨路繞城高速高架在從北向南方向上的主要道路分流口與大學城方向的重要通道，則該交叉路口的研究設計對于其他主要城市或者類似交叉路口具有借鑒意義。

在金寨路與錦繡大道交叉路口進行為期一個月的調研數據發現，該交叉口的暢通度較小，存在著當行人走至人行道時由于道路橫截面較寬而致使行人不得不進行二次等待，從而在一定程度上限制了車輛的通行能力。該設計通過對原道路的信號配時相位借助優化算法公式進行優化配時并加入行人與駕駛員視覺盲區因素，在一定程度上提高車輛行駛的通暢度，并且提高行人、自行車等交通性質人群的出行效率。

2 交叉口的配時參數

2.1 交叉口平面圖

調研路口金寨路與錦繡大道，該路口的交通情況較為復雜。金寨路南、北進口斷面為四幅路，東西方向進口道分別為兩幅路和三幅路，見圖1。道路的橫斷面寬度大，金寨路路口橫斷面寬度為50 m、紫云路路口橫斷面為40 m，基本會造成行人過街需二次等待才能完成過街。且該情況下車流基本已經放完不存在放車情況，會產生空放增加出行的總延誤時間。

圖1 交叉路口平面圖

2.2 交叉口的信號參數

2.2.1信號周期

信號周期是指不同相位獲得通行權循環一周所需要的時間。該典型交叉口的信號周期為129 s。交叉口的相關信號配時參數見圖2、3。

圖2 相位信號配時

圖3 道路口的相位圖

經過實地調研后得出該路口每相位每輛車的停車延誤與啟動損耗時間為3 s，則有效綠燈時間：

Ge=g+L-A=g+3-3=g

(1)

由公式1可知該四相位的有效綠燈時間即為顯示綠燈時間。可求出其綠信比分別為：

λ1=0.3489，λ2=0.1705，

λ3=0.1938，λ4=0.2171。

2.2.2飽和流量、通行能力與飽和度

針對道路寬度、坡度、大車率等因素對基本飽和流量進行修正，求其實際飽和流量如表1所示：

表1 交叉口飽和流量表 pcu/h

通過飽和流量與綠信比可以進一步求出該交叉口所在道路的通行能力：

CAPi=Si*λi

(2)

通過上述公式進行計算可得出各進口道的通行能力如表2所示：

表2 各進口道直行、左轉通行能力(pcu/h)

飽和度也是反映道路通行狀況的又一指標，飽和度為道路在一個小時內實際交通量與通行能力之間的比值。

調研路口各進口道直行、左轉飽和度見表3。

表3 各進口道直行、左轉飽和度

根據以上數據我們通過延誤這一指標來對該交叉口的服務水平進行評價。

D=d1+d2

(3)

經過分析與計算相關信號參數后容易知，南北進口直行方向的服務水平為F級別，南、西東進口道左轉服務水平為E級別，北進口左轉、西進口直行與東進口直行服務水平為D級別。

3 優化方案

3.1 交叉口停車線設計

根據圖4、5可知，優化后的道路停止線在很大程度上減少了行人與車輛之間的視覺盲區，車輛停止方向與之前相比的反應時間與制動時間有了一定的加長。通過公式：

(4)

當車速一定時，制動距離一定。但當應用圖4停車線時便極有可能發生交通事故；圖5中的制動距離變長，則發生交通事故的概率也會隨之下降。

3.2 交叉口信號配時優化設計

從上述所求相關參數知，該路口的服務水平較為低下，需要對其進行優化改進。利用韋伯斯特模型對該信號配時進行優化，最終通過延誤、通行能力指標對其優化效果進行檢驗。

首先計算各進口車道的流率比：

圖4 道路停車線現狀圖

表4 各進口道流率比與主要方向的選擇

由表4可知各進口道最大流率比，借助該流率比可進一步求出其最佳周期。其最佳周期與有效信號燈時長如下：

有效綠燈時間：

c1=c0-l=82-12=70(s)

南北直行綠燈時間：

南北左轉綠燈時間：

東西直行綠燈時間：

東西左轉綠燈時間：

又因為起動與停車延誤時間與黃燈時間相同，則各相位有效綠燈時間即為綠燈顯示時間。

信號配時優化后的配時參數見表5。

表5信號配時優化后的配時參數

(s)

4 交叉口延誤狀況與評價

4.1 均衡延誤計算：

根據以下公式可以計算出該交叉口不同進口道直行、左轉的均衡延誤指標：

各進口道直行、左轉均衡延誤均小于30 s，見表6。

表6 各進口道直行、左轉均衡延誤 (s)

4.2 總延誤計算與通行能力的比較

結合上述計算得到的均衡延誤，以及車輛在行駛過程中所產生的運行延誤這兩個方面來考慮，將其視為該交叉口各進口道的總延誤。并利用該交叉口的延誤與通行能力作為檢驗優化配時的指標。計算結果列出如表7、8所示。

根據美國《通行能力手冊》中對交叉口延誤服務水平的標準為：

A等級：車輛延誤時間≤10 s;B等級：車輛延誤時間11～20 s;C等級：車輛延誤時間21～35 s;D等級：車輛延誤時間36～55 s; E等級：車輛延誤時間56～82 s;F等級：車輛延誤時間>80s。

表7 各進口道直行、左轉總延誤 (s)

表8各進口道直行、左轉通行能力 (pcu/h)

進口道直行通行能力左轉通行能力南進口道2516356北進口道2634360東進口道460355西進口道349695

利用韋伯斯特算法進行優化后，通過比較延誤與通行能力指標，與原信號燈比較得出優化后的信號配時與通行能力更加符合行人與交通流的定周期性變化。通過表7、8直觀看出南北、東西進口道直行與左轉車道的總延誤均得到有效減少，且各進口道的通行能力也更加符合該典型路口的交通流波動特性。

5 研究結果

針對典型交叉口研究車輛通行能力、行人過人行橫道二次過街與視野盲區問題得出以下結論：

第一，利用韋伯斯特模型結合對該交叉口數據長時間的調研、對數據采用多因素處理可以有效提高交通流獲取的一般性。通過不同相位的最大流率來共同確定優化后的信號配時，進而來改變各相位的綠信比，能夠更好地適應不同進口道來車率變化與行人不同的情況。

第二，該研究模型未將其它交通參與者加入，后續將針對其他交通參與者進行進一步的研究。不僅可以實現單個交叉口的時間特性優化，也從空間上對其進行優化，做到時空協調優化，是今后智慧交通發展的一大趨勢。