實地交通信號燈調整研究
——以樂山市市中區為例

2021-05-06 11:19:36樂山師范學院數學與信息科學學院范政鍇彭佳雯潘姝芹陳茜莉牟谷芳

內江科技 2021年4期

◇樂山師范學院數學與信息科學學院張樂范政鍇彭佳雯潘姝芹陳茜莉牟谷芳

本文基于一種以總計車輛等待時間作為評價標準的方法來進行研究，考慮到實地交通路段較窄的情況，通過加大道路因素在算法中的權重，來實現方法的改進，在此基礎上結合實地交通數據，優化了具體道路的信號燈配時，減少了車輛在具體路段的等待時間。

1 引言

城市發展中的交通問題是每個國家都需要經歷的部分。國外的研究早于國內，在接近50年的國外研究過程中，研究內容逐漸由單項指標過渡到多項指標，如Webster和MillerA.J.提出的以車輛的平均延誤為最小值的控制算法，以及ParkB.等提出了一種以超過一個指標同時進行優化的方法。當然也有考慮人工智能對交通問題解決的學習和進化的研究，如LiuY.等人提出了采用分布式多智能體Q學習的智能交通燈控制解決方案，考慮鄰近交叉口交通信息以及本地機動和非機動交通，以提高整個控制系統的整體性能。之后的研究不再局限于對單個交通信號燈的研究，城市交通網絡的研究逐漸出現，如GrandinettiP.提出基于信元傳模型的信號交通網絡模型，用來解決大規模城市網絡中交通燈動態配時問題。

國內的研究是在近代逐漸出現的，也是從單個交叉路口的研究出發，在已有的基礎上，通過對一些算法進行改良以及對交通問題的現狀研究也得到了很多的成果。如徐東玲等學者從智能算法中引入了模糊神經網絡算法，針對孤立的單個交叉路口提出了基于模糊神經網絡的配時優化算法。并根據交通問題的最大特點不確定性為出發點，以此得到交通信號燈控制的方法和結論，如朱勁、劉志勇等利用模糊控制原理可以處理交通的不確定性這一最大優勢，提出了一種基于模糊控制器的多相位交叉口信號配時優化算法。徐建閩等研究了交通車流量的隨機性特征和交通調查數據統計方法的不完全確定性，針對城市道路交叉口設計了一種基于模糊理論的信號配時方法。武建國等為解決交叉路口的多相位和車流量實時變化的問題，提出了模糊控制與感應相結合的信號配時方法，有效解決了問題[1]。

以上的研究對于城市交通的改善有著極大的作用，也在慢慢的影響城市交通未來的形成與發展。基于以上研究成果為基礎，本文研究了一種適合于樂山市（以市中區為例）的信號燈配時方案，再結合實地的情況進行調整，以達到緩解樂山市交通壓力。

2 現實情況簡析

2.1 車輛信息采集系統的應用與前景

車輛信息采集系統，是停車場專用車牌識別軟件，通過針對停車場車輛信息需求而開發研制的特用軟件。該軟件以專用車輛信息采集器獲得視頻信號，通過車牌識別算法來實時獲取機動車號牌信息，并與公安交管部門對應管理中心同步信息。

根據樂山市近期開展的關于《四川省國土空間規劃（2019-2035年）大綱報告》的會議，“成渝地區雙城經濟圈”上升為國家戰略，為樂山發展帶來了機遇和挑戰。隨著《樂山港總體規劃》修編工作會的召開，樂山市的水運方面開始了一系列的規劃與設計，可以預見到陸運的有關會議也即將提上議程。

這一點也在《全市重大交通項目推進工作專題會》上有所涉及，在會議材料的附件中，有一份包含交通信號燈改造建設的文件，文件內指出對交通運輸的配套設施的改造內容。結合文件內容以及樂山市交通運輸局2020年的預算編制和近期樂山市的交通規劃，我們小組認為在交通管制方面會采用一種視頻監測技術。

這種監測技術的采集方式是通過攝像頭進行路段的拍攝，拍攝出來的圖像中蘊含著許多重要的參數信息，并通過適當的圖像處理技術以得到我們所需要的參數信息，切要保證參數信息的準確性。這是目前流行且適用性良好的一種車流量的采集方式，本文也將采用此類方式進行相應參數的采集[2]。

2.2 行人行為的影響

在樂山道路交通系統中，步行是人們最基本的交通行為方式，但行人的出行廣泛且不安全。在出行方式中，步行占據很大比例，尤其在市中區交通復雜的街道上，人車搶行的狀況時常發生，加上缺乏有效安全管理設施，導致行人過街問題日益突出。但行人通過馬路時處于相對弱勢的一方，稍有不慎就可能會造成車禍。這阻礙了交通的流暢程度，同時不合理通過路口的行人極有可能造成交通堵塞，降低了路口的通行能力，使道路的利用率降低。

3 主要工作

本節基于一種以總計車輛等待時間作為評價標準的方法，考慮到實地交通路段較窄的情況，通過加大道路因素在算法中的權重并結合實地交通數據，優化了具體道路的信號燈配時，減少了車輛在具體路段的等待時間。首先介紹一些有關交通方面的概念。

3.1 路網

路網，指在一定區域內，由各種道路組成的相互聯絡、交織成網狀分布的道路系統。本文對交通信號燈的配時主要方式為單交通信號燈配時方案，市中區的道路雖然因為建筑設施以及道路擴建等原因而顯得錯綜復雜，但依然以單交通信號燈為主，通過對單點交叉路口（包括但不限于T字路口，十字路口，Y字路口，大字路口）進行配時。由《道路安全法》中的車輛行駛速度部分規定，在市中區范圍之內，車輛的行駛速度不允許超過50 km/h，再考慮到這是理論上的最大速度，在城市中實際行駛速度會遠遠低于這個速度，表1是樂山市市中區不同時段幾個地點的平均車輛行駛速度。

表1 部分地段車輛速度

大多數車輛的行駛速度不會超過30 km/h，對于一段1 km長的路段而言，多數的車輛行駛時間會在2分鐘左右，我們這樣認為對于長度間隔大于1 km的兩個交通信號燈來說，可以認為前一個交通信號燈的控制對后一個交通信號燈造成的影響很弱，在這里不予考慮。

3.2 模型建立有關定義

通過對樂山實地的考察我們還發現按照正確合法的交通規則行駛時，可以看到，在任何時候車輛想要右轉都是可以做到的[3]。

定義1 對于右轉方向的車流，認為其對于其他方向的交通流沒有影響。相位設計方案，在傳統路口四相位中，左轉方向的交通流，其對于整個交通流的影響相對較大。而影響四相位模式優缺點的原因就是交通流量的多少，這里給出交通流密度W的定義：當前交通流量L對于總共交通流量的占比。公式為。對于每一個交通流來說，至少有一個交通流與其互不干擾，即是說每一個交通流都有與其不沖突的交通流。

定義2 在任何時刻，只允許不互相沖突的交通流同時行駛。當一個交通流行駛的時候，我們稱這一個交通流為上交通流，如果有與之不沖突的交通流，我們將這些交通流稱為下交通流。在一個十字路口，在一個信號燈周期內，一個綠色信號燈相位允許兩個方向的交通流同時行駛。

定義3 在一個時間周期內，所有方向的交通流都會擁有綠燈次數。每一個時間周期里面，每一個方向的交通流都會有通行的權利，雖然綠燈時間不同，但綠燈時間一定存在。

車輛等待時間，是指所有車輛在一個路口的平均等待時間，這個時間主要由紅燈等待時間及交通流啟動時間（指車輛完全駛出路口所用的時間）。

排隊長度，是指一個方向的交通流的車輛滯留長度。排隊長度與車流量的多少成正相關，不同體積權重的車輛對于排隊長度的貢獻是沒有太大區別的，這是由于樂山市市中區的交通網絡沒有出現過多的立體結構，車輛的寬度和高度對于交通而言影響不大。

停車導致的延誤時間，在上文中我們所提到的都是基于車輛的平均行駛速度，但聯系生活實際，車輛在紅燈時停車以及綠燈時啟動時，需要將車輛的速度在0到正常行駛速度之間改變，而在這個過程中的平均速度是遠低于其他時間段的平均速度，這也就導致了時間上的浪費。

定義4 在一個時間周期內，一個綠燈相位的綠燈時間有一個規定的最小值和最大值，公式為：

定義5 車流量的監測早于交叉路口兩個時間周期。在配時中，對于這一個交通信號燈，車輛在經過上一個交通信號燈后所需要的時間是會達到兩個時間周期的。一個時間周期是。

定義6 將黃燈時間計入綠燈時間[4]。這里給出以下所用到的參數：表示第i交通流a周期檢測時車流量，表示T內第交通流最大通行能力，表示T內最大通行能力，表示最終通過路口的車流量。

當第a周期監測的交通流的車流量總和超過了路口總的通行能力后，就按照車流量比例來安排對應的路口的通過車流量，否則就正常運行。其中的是表示前一個時間周期時沒有通過路口的車流量，這些車流量會在下一次綠燈時間首先通過路口。

3.3 綠燈時間算法

場景的假設：此時是車流量監測的第a個周期，此時通過十字路口的是第a-2個周期的交通流以及第a-3個周期剩余的交通流，在此交通流前方是第a-1周期的交通流以及在第a-2周期時會余下的交通流。此時針對于當前十字路口的綠燈時間以及（對應第a-2與第a-1周期監測的車流量）已經給出，此時需要給出，即當前監測的交通流需要的綠燈時間。對于綠燈時間的更新，給出以下算法：

定義7 更換通行次序后的共計等待時間與更換前至少減少20%。

3.4 算法檢驗

在樂山市市中區肖壩路的一個十字路口處，經過長期實地記錄測算取得平均值（我們將一天中的7:00-22:00內每一個小時分為一個時間段，再記錄一個時間段中每一分鐘通過這個路口的汽車數量，為方便計算，將60個數據取平均值后取整十值，作為該時間段內通過這個路口的汽車數量）。

表2 肖壩路口通行車輛數目表

通過分析表格可以看到，在人們上下班（學）時段的車流量最為龐大，且在實地記錄中也出現了一定的堵車情況，初步認為此時已經超過了最大的通行能力，在以下的計算中，將以200（輛）作為正常行駛的車輛正常行駛而不會引起的最大通行能力。但現實情況下，由于駕駛技術等原因使得通過測量而得出的最大通行能力要低于上文提到的最大通行能力，故將設置為300。

初步給定參數值為0.6與0.8，以一個時間段作為一個周期，通過隨機數表生成各個相位上的通過車輛，如下所示。

前文提到過，部分路段狹窄的因素會影響算法結果的有效性，對此在具體路段的配時中需要對控制參數進行相應的修正。在統計路段中，第四相位的出口較其他出口狹窄，所以在計算時間時，將參數各提高0.1，以及最大通行能力減半。

以時間段1為例，得到四個相位的綠燈時間分別為0.19，0.24，0.41，0.29個周期，可以發現時間不足以通過所有車輛，所以有一部分車輛需要等待下一個周期時通過，并且計算共計等待時間得到通行順序（三→四→二→一），以此往復，得到整天的綠燈時間表如右表所示。右表較為明顯的體現出時間段不同帶來的擁擠程度以及受到道路狹窄引起的通行不便，在獲得算法計算下的綠燈時間后，繪制不同時間段累計的共計等待時間如下圖所示。