一種交叉口信號配時輔助軟件的設計與實現(xiàn)

諶華金，張雷元，樹愛兵

(公安部交通管理科學研究所，江蘇 無錫 214151)

1 概述

20世紀60年代以來，歐美等一些發(fā)達國家相繼開發(fā)了信號配時輔助軟件，英國交通與道路研究所研制出一種TRANSYT(Traffic Network Study Tool)軟件，其以延誤、停車次數(shù)等作為性能指標，根據(jù)路網(wǎng)交通流量計算最優(yōu)的信號周期和綠信比。美國Trafficware公司開發(fā)了信號配時仿真軟件Synchro，該軟件是對各種類型的信號控制和信號配時進行建模和優(yōu)化的完整程序包，其對硬件系統(tǒng)無依賴性。德國、西班牙等國家開發(fā)了微觀交通仿真軟件，如 PTV Vissim、TSS Aimsun等，在軟件中集成了交通信號配時模塊，能生成信號配時方案并在仿真路網(wǎng)中運行，輸出排隊長度、停車次數(shù)和延誤等性能指標數(shù)據(jù)。

相比國外成熟的研究，國內(nèi)對交叉口信號配時輔助軟件的研究尚處在摸索的階段。如同濟大學開發(fā)了一套交通信號配時輔助軟件J+SIGNAL，該軟件具有單路口和干線交通信號配時功能。文獻[1]針對我國城市混合交通流的運行特征，主要以交叉口平均延誤作為評價指標，系統(tǒng)功能較為單一，且文中提出的車道組的劃分、交通量、飽和流量的校正操作起來不太容易，文獻[2]研發(fā)的軟件功能和操作都相對簡單，但在配時方案的優(yōu)化中缺乏相位順序的優(yōu)化。文獻[3]仍然以交叉口平均延誤作為優(yōu)化目標，目標單一，通過輸入交叉口各個車流的到達量和初始排隊長度等動態(tài)參數(shù)，計算最優(yōu)的信號相位配時方案。但系統(tǒng)輸出的主要是最優(yōu)相位序列，對各相位時間分配的最優(yōu)化考慮不全面，功能受限。

科學地進行交叉口信號配時要求相關(guān)管理人員必須嚴格按照交叉口信號配時設計流程[4-6]進行操作，但從目前城市交通管理部門的科技人才隊伍來看，相關(guān)專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域出身的管理人員較少。本文旨在為道路交通管理人員提供一個路口特征形象直觀、配時流程科學簡便的信號配時輔助工具，并且提供多種現(xiàn)有成熟的優(yōu)化模型及算法，讓用戶根據(jù)各階段不同的優(yōu)化目標進行選擇，從而輸出最優(yōu)配時方案，使得不具備非常專業(yè)的交通信息工程及控制專業(yè)知識的人員能夠使用該軟件，進行交叉口的優(yōu)化配時。

2 術(shù)語定義及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.1 術(shù)語約定

本文設計所采用的交通信號控制基本術(shù)語主要參照相關(guān)國標[7]、行標[8]及國內(nèi)外專著[9-12]中的定義，部分術(shù)語特別約定如下：

(1)交通流向：交叉口某個進口方向具有相同通行方向或通行權(quán)的交通流集合。

(2)關(guān)鍵交通流向：指能夠?qū)φ麄€交叉口的通過能力和信號配時設計起決定作用的流向。周期等于關(guān)鍵流向有效綠燈時間與損失時間的總和。

(3)疊加交通流向：在多個信號相位中獲得通行權(quán)的交通流向。

(4)信號相位：在一個信號周期內(nèi)分配給一股或多股交通流向通行權(quán)的信號狀態(tài)。

(5)綠信比：綠信比是一個車道或流向的有效綠燈時長與周期時長之比。

(6)飽和度：

1)交通流向飽和度：交叉口某一交通流向的實際交通量與其通行能力的比值。

2)相位飽和度：相位放行的交通流向飽和度最大值。

3)交叉口總飽和度：飽和程度最高的相位所達到的飽和度值，并非各相位飽和度之和。

2.2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

通過分析交叉口信號配時數(shù)據(jù)需求，可將交叉口配時數(shù)據(jù)定義為輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)。輸入數(shù)據(jù)包括交叉口幾何特征、交通流量數(shù)據(jù)，輸出數(shù)據(jù)為信號配時數(shù)據(jù)，而系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括約束條件、算法參數(shù)、用戶數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)字典等。各類數(shù)據(jù)具體內(nèi)容如表1所示。

表1 交叉口信號配時的數(shù)據(jù)分類及內(nèi)容

需要指出的是一些輸入數(shù)據(jù)如幾何特征數(shù)據(jù)、流量數(shù)據(jù)、交通管制策略及約束條件等需要經(jīng)過前期對交叉口進行數(shù)據(jù)調(diào)查或通過交通信息采集、感知設備才能獲得，并采用人工方式錄入軟件才能進行配時操作。而輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)等都可保存為特定編碼規(guī)則的XML文件，方便用戶使用軟件重新讀入XML文件，極大地方便修改、保存各種交叉口信號配時參數(shù)，避免不必要的重復操作，且軟件的使用實行分級管理，某些重要參數(shù)和功能只有一定級別的用戶才可以修改，其他低級別用戶只能瀏覽查看，因而提高了軟件系統(tǒng)安全性。

3 軟件設計與實現(xiàn)

3.1 結(jié)構(gòu)設計

軟件主要由圖形繪制模塊、信號相位模塊、信號配時模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)庫、用戶界面等組成。

(1)圖形繪制模塊用于繪制和顯示各種交叉口圖形，實現(xiàn)交叉口、路段、交通流和車道等參數(shù)設置功能。

(2)信號相位模塊主要實現(xiàn)相位、相位順序設置功能。

(3)信號配時模塊主要實現(xiàn)信號周期、相位配時設置功能。

(4)數(shù)據(jù)管理模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)查表生成、導入/導出、數(shù)據(jù)庫操作、交叉口、車道、相位、配時方案存取等功能。

(5)系統(tǒng)管理模塊實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)管理和用戶管理功能。

(6)模板庫主要存儲交叉口模板，知識庫主要存儲算法參數(shù)和推理規(guī)則。

(7)圖形庫主要存儲交叉口、路段、車道等幾何圖形。

總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟件架構(gòu)

3.2 軟件操作流程

交叉口信號配時軟件操作詳細流程如圖2所示。

圖2 信號配時流程

信號配時軟件操作步驟如下：

(1)交叉口生成：如選取交叉口模板類型(三叉、四叉及多叉路口等)，設置交叉口幾何特征參數(shù)、約束條件及環(huán)境數(shù)據(jù)等。

(2)設置路段參數(shù)：根據(jù)步驟(1)中選擇的交叉口模板類型，路段的幾何特征參數(shù)已經(jīng)確定，這里只需要設置約束條件和其他管制措施。

(3)設置交通流向參數(shù)：交通流向包括機動車流向和行人流向，須要注意的是在為每個路段(只需考慮進口方向)添加放行的交通流向時，每個路段只能添加一個行人流向。

(4)設置車道、人行橫道參數(shù)：為每個交通流向添加車道或人行橫道，并設置車道和人行橫道幾何特征數(shù)據(jù)，注意機動車流向只能包含車道，行人流向只能包含人行橫道。

(5)設置交通流向沖突距離：為存在嚴重沖突的各交通流向設置沖突距離。

(6)交通流量數(shù)據(jù)輸入：包括車道、行人流量數(shù)據(jù)輸入功能。

(7)設置相位方案參數(shù)：設置相位放行的交通流向及其他參數(shù)，調(diào)整相位放行順序等。

(8)設置配時方案參數(shù)并作配時效果評價：本文軟件選取配時方法的原則是：在交通流量比較均衡，控制目標追求平均延誤最小時，采用Webster法[11]；在交通流量不均衡，控制目標追求平均延誤和停車次數(shù)等綜合指標最小時，采用ARRB法[11]；其他情況參考HCM法[12]。軟件根據(jù)上述步驟(1)～步驟(7)中的參數(shù)設置情況自動計算出最佳周期及各相位的時間分配情況，并對配時效果做出評價，評價指標包括通行能力、總損失時間、平均延誤、飽和度及服務水平等。用戶可結(jié)合實際需求重新調(diào)整周期，各相位時間分配也自動重新計算。若仍不能滿足需求，則重復步驟(7)～步驟(8)即可。

(9)結(jié)果輸出：包括生成一個動態(tài)刷新顯示的配時圖，并可將軟件界面涉及到的所有數(shù)據(jù)按照一定編碼規(guī)則保存為XML文件，方便軟件重新讀入XML文件，修改調(diào)整相關(guān)參數(shù)。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

3.3.1 交叉口參數(shù)設置

軟件自動生成的典型四路交叉口如圖 3所示，形象化地顯示每個車道(機動車道、非機動車道)及編號、位置、交通流量，人行橫道的位置、交通流量等相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)用戶輸入數(shù)據(jù)的變化動態(tài)刷新顯示。程序?qū)崿F(xiàn)時主要用到了CBitmap、CDC、CClientDC及CFont類等。

圖3 交叉口生成示意圖

3.3.2 相位方案選擇

以典型四相位放行為例，軟件自動生成的相位放行圖如圖4所示，其中，第1相位放行東西直行(機動車流向)，南北直行(行人流向)，第2相位放行東西左轉(zhuǎn)(機動車流向)，第3相位放行南北直行(機動車流向)，東西直行(行人流向)，第4相位放行南北左轉(zhuǎn)(機動車流向)。圖片直觀、清晰地顯示出相位放行順序和相位放行的車道、人行橫道轉(zhuǎn)向，程序?qū)崿F(xiàn)時主要用到 CRgn、CPaintDC、CClientDC、CPen等類。

圖4 相位放行圖

3.3.3 配時方案生成

以圖 4所示的典型四相位放行為例，軟件生成的相位配時圖如圖 5所示，且圖形會隨著相位數(shù)目及各相位時間參數(shù)的變化而動態(tài)刷新顯示，圖中黃燈時間均為3 s，紅燈時間均為1 s，程序?qū)崿F(xiàn)時主要用到CPercentageCtrl、CRect等類。

圖5 相位配時圖

4 技術(shù)驗證與示范應用

4.1 交叉口的選取原則

首先是要有典型性：即可代表大多數(shù)交叉口，如十字路口和T型三叉路口等，有信號燈進行控制，其次是交通流量要求：交叉口總交通流量達到每小時2000輛以上。

4.2 示范交叉口現(xiàn)狀調(diào)查及改進設計

4.2.1 現(xiàn)狀調(diào)查

項目組選取的示范交叉口位于無錫市濱湖區(qū)，分別為東西向梁清路-公益路、梁清路-景宜路、梁清路-鴻橋路、梁清路-隱秀路，南北向錢榮路-大池路、錢榮路-動物園、錢榮路-錢胡路共7個交叉口。其中，梁清路-景宜路、梁清路-公益路、錢榮路-大池路、錢榮路-錢胡路為 T型三叉路口，其余為十字路口，在信號燈安裝和設置方面，采用機動車信號燈和方向指示信號燈相組合的方式，所有路口的信號燈均符合國標GB14886-2006中的設置規(guī)定。

目前十字型交叉口主要采用典型的四相位進行控制，依次為東西直行、東西左轉(zhuǎn)、南北直行、南北左轉(zhuǎn)；T型三叉交叉口采取典型的三相位階段進行控制；唯一例外的是錢榮路-動物園這個十字型交叉口由于東西向左、直、右混行，采取的是三相位進行控制。各交叉口的相位順序都采取先直行后左轉(zhuǎn)的方式。非機動車采取與機動車相同的放行方式，并同時放行，行人隨直行的機動車一起放行。具體信號配時參數(shù)如表2所示。

表2 各交叉口相位配時參數(shù)1

4.2.2 設計改進

采用本文軟件的理論和操作流程，對示范交叉口重新進行信號配時優(yōu)化設置(各交叉口的相序方案不變，即仍然采取先直行后左轉(zhuǎn)的方式，具體為東西直行、東西左轉(zhuǎn)、南北直行、南北左轉(zhuǎn))，得出各個交叉口的周期和相位配時參數(shù)如表3所示。

表3 各交叉口相位配時參數(shù)2

4.3 效果評價

利用Vissim交通仿真軟件并在未考慮行人、非機動車因素影響情況下進行測試，應用本文研究成果進行配時的7個示范交叉口最終的測試評價數(shù)據(jù)為平均延誤(s)、最大排隊長度(m)、平均停車次數(shù)分別比原來減少21.69%、31.7%、13.10%，說明了本文研究成果的應用價值。但本文測試由于受各種條件限制，對外部的影響因素考慮不太完全，如天氣情況、行人和非機動車干擾等。因此，測試結(jié)果具有一定的局限性。下一步還需結(jié)合多種因素，選擇更多交叉口進行應用測試，通過測試不斷調(diào)整和完善研究成果，使之更適合道路交叉口交通信號配時設計。

5 結(jié)束語

作為一種可通用的道路交叉口信號配時輔助軟件，本文提出一種完整簡捷的配時設計流程，給出了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求，設計并實現(xiàn)的輔助配時軟件可將各種優(yōu)化配時參數(shù)和相關(guān)配置文件保存起來，方便隨時存取、動態(tài)調(diào)整更新相關(guān)配時參數(shù)，能較好地滿足城市道路交通管理人員對交叉口信號配時的技術(shù)需求。但該軟件目前還是脫機版，需要人工將計算結(jié)果錄入交通信號控制系統(tǒng)，也還缺少配時效果動態(tài)仿真、最優(yōu)陒位(陒序)的自動生成以及交叉口渠化與信號配時的協(xié)調(diào)優(yōu)化[13-14]等功能，一定程度上影響了軟件的使用效果，下一步將研究軟件的輸出結(jié)果與交通信號控制系統(tǒng)自動對接并下發(fā)到路口信號控制機執(zhí)行，以減少操作人員工作量，增加軟件使用友好性。

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