一種信號(hào)燈優(yōu)化配時(shí)算法

紀(jì)祥龍，石 爽，曹 歡，苗秋鳳，江雪強(qiáng)，祁華菊

(安徽三聯(lián)學(xué)院 交通工程學(xué)院，合肥 230601)

1 城市交通行車道與人行道交通現(xiàn)狀

我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的同時(shí)，交通擁堵現(xiàn)象也日益嚴(yán)重。交通行業(yè)這一因素在拉動(dòng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的眾多因素中起到了重要的作用，因此改善現(xiàn)有交通的運(yùn)行狀況具有重大的價(jià)值。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)單個(gè)交叉口的信號(hào)燈配時(shí)進(jìn)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(dòng)態(tài)車輛路由和交通配時(shí)策略統(tǒng)一起來(lái)。黃輝先[2]通過(guò)建立雙目標(biāo)模型來(lái)對(duì)總延誤與最優(yōu)速度進(jìn)行雙重限定。利用單片機(jī)編程、MATLAB編程控制等實(shí)現(xiàn)紅綠燈自適應(yīng)控制[3]。吳艷蘭[4]綜合車流量、信號(hào)燈優(yōu)化配時(shí)、道路使用情況等因素建立數(shù)學(xué)模型來(lái)分析其定量的關(guān)系，來(lái)緩解交通擁堵。雷代文[5]針對(duì)不定周期信號(hào)燈配時(shí)策略的研究針對(duì)如今的信號(hào)燈配時(shí)具有較大的借鑒意義。李長(zhǎng)光[6]綜合行程時(shí)間及空間范圍的特點(diǎn)，建立緩沖時(shí)間指數(shù)均值為目標(biāo)函數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)空范圍的優(yōu)化。盧凱[7]等通過(guò)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(guó)內(nèi)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(wèn)題不全面等缺點(diǎn)。為此本研究設(shè)計(jì)了綜合行人與車輛視覺盲區(qū)、交通量與行人量的信號(hào)優(yōu)化配時(shí)設(shè)計(jì)。

以合肥市的金寨路與錦繡大道的交叉路口為例來(lái)說(shuō)明，金寨路為橫貫合肥主城區(qū)與肥西縣之間經(jīng)濟(jì)聯(lián)系的一條主動(dòng)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(xué)城方向的重要通道，則該交叉路口的研究設(shè)計(jì)對(duì)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(jìn)行為期一個(gè)月的調(diào)研數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該交叉口的暢通度較小，存在著當(dāng)行人走至人行道時(shí)由于道路橫截面較寬而致使行人不得不進(jìn)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(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)原道路的信號(hào)配時(shí)相位借助優(yōu)化算法公式進(jìn)行優(yōu)化配時(shí)并加入行人與駕駛員視覺盲區(qū)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(zhì)人群的出行效率。

2 交叉口的配時(shí)參數(shù)

2.1 交叉口平面圖

調(diào)研路口金寨路與錦繡大道，該路口的交通情況較為復(fù)雜。金寨路南、北進(jìn)口斷面為四幅路，東西方向進(jìn)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(huì)造成行人過(guò)街需二次等待才能完成過(guò)街。且該情況下車流基本已經(jīng)放完不存在放車情況，會(huì)產(chǎn)生空放增加出行的總延誤時(shí)間。

圖1 交叉路口平面圖

2.2 交叉口的信號(hào)參數(shù)

2.2.1信號(hào)周期

信號(hào)周期是指不同相位獲得通行權(quán)循環(huán)一周所需要的時(shí)間。該典型交叉口的信號(hào)周期為129 s。交叉口的相關(guān)信號(hào)配時(shí)參數(shù)見圖2、3。

圖2 相位信號(hào)配時(shí)

圖3 道路口的相位圖

經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)研后得出該路口每相位每輛車的停車延誤與啟動(dòng)損耗時(shí)間為3 s，則有效綠燈時(shí)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(shí)間即為顯示綠燈時(shí)間?？汕蟪銎渚G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(duì)道路寬度、坡度、大車率等因素對(duì)基本飽和流量進(jìn)行修正，求其實(shí)際飽和流量如表1所示：

表1 交叉口飽和流量表 pcu/h

通過(guò)飽和流量與綠信比可以進(jìn)一步求出該交叉口所在道路的通行能力：

CAPi=Si*λi

(2)

通過(guò)上述公式進(jìn)行計(jì)算可得出各進(jìn)口道的通行能力如表2所示：

表2 各進(jìn)口道直行、左轉(zhuǎn)通行能力(pcu/h)

飽和度也是反映道路通行狀況的又一指標(biāo)，飽和度為道路在一個(gè)小時(shí)內(nèi)實(shí)際交通量與通行能力之間的比值。

調(diào)研路口各進(jìn)口道直行、左轉(zhuǎn)飽和度見表3。

表3 各進(jìn)口道直行、左轉(zhuǎn)飽和度

根據(jù)以上數(shù)據(jù)我們通過(guò)延誤這一指標(biāo)來(lái)對(duì)該交叉口的服務(wù)水平進(jìn)行評(píng)價(jià)。

D=d1+d2

(3)

經(jīng)過(guò)分析與計(jì)算相關(guān)信號(hào)參數(shù)后容易知，南北進(jìn)口直行方向的服務(wù)水平為F級(jí)別，南、西東進(jìn)口道左轉(zhuǎn)服務(wù)水平為E級(jí)別，北進(jìn)口左轉(zhuǎn)、西進(jìn)口直行與東進(jìn)口直行服務(wù)水平為D級(jí)別。

3 優(yōu)化方案

3.1 交叉口停車線設(shè)計(jì)

根據(jù)圖4、5可知，優(yōu)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(qū)，車輛停止方向與之前相比的反應(yīng)時(shí)間與制動(dòng)時(shí)間有了一定的加長(zhǎng)。通過(guò)公式：

(4)

當(dāng)車速一定時(shí)，制動(dòng)距離一定。但當(dāng)應(yīng)用圖4停車線時(shí)便極有可能發(fā)生交通事故；圖5中的制動(dòng)距離變長(zhǎng)，則發(fā)生交通事故的概率也會(huì)隨之下降。

3.2 交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)

從上述所求相關(guān)參數(shù)知，該路口的服務(wù)水平較為低下，需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。利用韋伯斯特模型對(duì)該信號(hào)配時(shí)進(jìn)行優(yōu)化，最終通過(guò)延誤、通行能力指標(biāo)對(duì)其優(yōu)化效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

首先計(jì)算各進(jìn)口車道的流率比：

圖4 道路停車線現(xiàn)狀圖

表4 各進(jìn)口道流率比與主要方向的選擇

由表4可知各進(jìn)口道最大流率比，借助該流率比可進(jìn)一步求出其最佳周期。其最佳周期與有效信號(hào)燈時(shí)長(zhǎng)如下：

有效綠燈時(shí)間：

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

南北直行綠燈時(shí)間：

南北左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)間：

東西直行綠燈時(shí)間：

東西左轉(zhuǎn)綠燈時(shí)間：

又因?yàn)槠饎?dòng)與停車延誤時(shí)間與黃燈時(shí)間相同，則各相位有效綠燈時(shí)間即為綠燈顯示時(shí)間。

信號(hào)配時(shí)優(yōu)化后的配時(shí)參數(shù)見表5。

表5信號(hào)配時(shí)優(yōu)化后的配時(shí)參數(shù)

(s)

4 交叉口延誤狀況與評(píng)價(jià)

4.1 均衡延誤計(jì)算：

根據(jù)以下公式可以計(jì)算出該交叉口不同進(jìn)口道直行、左轉(zhuǎn)的均衡延誤指標(biāo)：

各進(jìn)口道直行、左轉(zhuǎn)均衡延誤均小于30 s，見表6。

表6 各進(jìn)口道直行、左轉(zhuǎn)均衡延誤 (s)

4.2 總延誤計(jì)算與通行能力的比較

結(jié)合上述計(jì)算得到的均衡延誤，以及車輛在行駛過(guò)程中所產(chǎn)生的運(yùn)行延誤這兩個(gè)方面來(lái)考慮，將其視為該交叉口各進(jìn)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(yàn)優(yōu)化配時(shí)的指標(biāo)。計(jì)算結(jié)果列出如表7、8所示。

根據(jù)美國(guó)《通行能力手冊(cè)》中對(duì)交叉口延誤服務(wù)水平的標(biāo)準(zhǔn)為：

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

表7 各進(jìn)口道直行、左轉(zhuǎn)總延誤 (s)

表8各進(jìn)口道直行、左轉(zhuǎn)通行能力 (pcu/h)

進(jìn)口道直行通行能力左轉(zhuǎn)通行能力南進(jìn)口道2516356北進(jìn)口道2634360東進(jìn)口道460355西進(jìn)口道349695

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

5 研究結(jié)果

針對(duì)典型交叉口研究車輛通行能力、行人過(guò)人行橫道二次過(guò)街與視野盲區(qū)問(wèn)題得出以下結(jié)論：

第一，利用韋伯斯特模型結(jié)合對(duì)該交叉口數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)研、對(duì)數(shù)據(jù)采用多因素處理可以有效提高交通流獲取的一般性。通過(guò)不同相位的最大流率來(lái)共同確定優(yōu)化后的信號(hào)配時(shí)，進(jìn)而來(lái)改變各相位的綠信比，能夠更好地適應(yīng)不同進(jìn)口道來(lái)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(xù)將針對(duì)其他交通參與者進(jìn)行進(jìn)一步的研究。不僅可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)交叉口的時(shí)間特性優(yōu)化，也從空間上對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，做到時(shí)空協(xié)調(diào)優(yōu)化，是今后智慧交通發(fā)展的一大趨勢(shì)。