智能交通信号灯配时及优化设计

1、红绿灯配时及其优化设计张帅（鲁东大学 交通学院 交通类 0603 班）摘 要 :随着城市车辆数目的急剧增长 ,车辆与路面的矛盾越来越突出 ,增加道路 面积只能治标不治本。实践证明 ,合理地对城市红绿灯进行优化设计 ,将高峰期和缓 峰期分开对待 ,设置合理的配时方案 ,对于改善交通流的质量 ,更好地利用现有运输能 力 ,实现交通流的安全性、 快速性和舒适性都能起到很大作用。 文中根据城市道路的 交通流量及饱和流量结合所提出的算法对单交叉口设计出一种较优的配时方案。关键词 :交通流量 ; 饱和流量 ;信号灯配时 ;信号灯周期 ;相位中图The Time-distributing and Optim

2、ized Design of IntelligentTraffic Signal LightsZhang Shuai(Class0603 of Transportation College of Ludong University)Abstract: With the rapid increase of the number of vehicles in the city ,the contradiction of the vehicles and roads becomes more and more outstanding , increasing the area of roads is

3、 not an essential but a superficial method to resolve this problem .Practices have proved that reasonable controlling on traffic signal lights in the city and separating the fast-igium and normal period of traffic flux can play a significant role in improving the quality of traffic flux , taking mor

4、e advantage of current transport ability, reducing the environment pollution ,implementing the security , speediness and comfort of traffic flux .This paper puts forward a kind of fine time-distributing scheme about single crossroad according to the traffic flux and saturated flux of road in the cit

5、y and the double cycles algorithm advanced .All the algorithms have been turned to the application software .Keywords: traffic flux; approaching flux; traffic light time-distributing;traffic light cycle; direction1 城市交通信号控制的研究意义 城市交通信号控制的研究意义交通是 城市经济活动的命脉 ,对城市经济发展、 人民 生活水平提高起着十分重要的作用。 汽车工 业在给人们带来各种便

6、利的同时 ,也带来了 一系列令人困惑的问题 ,如环境污染、 交通拥 挤、交通事故的频繁发生等 ,给人们的生命财 产带来很大的损失。 城市交通问题是困扰城 市发展、制约城市经济建设的重要因素 ,人们 对交通有效控制的意识越来越强烈了 1 。据有关资料介绍 ,1978 年至 1995年我国 城市机动车的保有量的增长速度是道路增 长速度的 80 倍。 1995年之后车辆速度增加更快,目前 ,北京每百户拥有小汽车 12 辆;10 年来 ,上海道路的长度增长了108%,面积增长了 142%, 但机动车辆却增长了 470%。城 市道路增长有限与车辆增加近似无限这对 矛盾 ,是导致城市交通拥挤的根本原因。

7、为适 应交通量猛增的趋势 ,缓解道路拥挤状况 ,国 内许多城市采取延长道路、加宽路面、建高 架路 （立交桥 ） 等措施 , 收效虽明显 ,但又是有 限的。城市交通信号控制是通过对交通流的 调节、警告和诱导以达到改善人和货物的安 全运输 ,提高运营效率。 其目标在于改善交通流的质量，更好地利用现有运输能力，实现交 通流的安全性、快速性和舒适性2。2单交叉路口交通信号实时优化控制对于不同的交通路口 ，交通车流呈现很 大的随机性，车辆行驶过程也是一种随机过 程,因而实施相位控制应针对不同的车流情 况采取不同的方案。 对交叉路口交通信号优 化控制，通常有以下几种方法：1）针对信号周期进行优化；2）针对

8、相位信号配时（或绿信比）进行优化；3）针对周期和相位信号配时（和绿信比）同 时进行优化，甚至还包括相位信号顺序 的优化；4）综合进行优化（针对交通流高峰期整个 时间段）。一种配时方案的改变，将对各个车道的车流 产生很大影响。目前，对于城市交通网络的优 化控制研究，大多是针对城市交通网络的交 通流分配进行优化，或依据出行者起讫点之 间路径按时间最短优化控制，或是按城市流 通能力最大的交通流分配优化控制等。也有个别文献提出了针对信号周期或信号时间 区间进行优化，而所采取的优化方法大多为 传统的优化方法，如黄金分割法、爬山法、网 格搜索法等3。但对于交叉口多相位交通信 号配时优化控制涉及很少。下面针

9、对单交叉 口多相位的交通信号采用最优化方法配时 进行讨论。2.1 单交叉口交通流动态模型城市单交叉路口的交通流如图1所示。东、南、西、北4个方向，每个方向均存在左转、直行、右转 3个车道流。对路口各 个车道车流量进行实时检测而获得车流量 信息，为优化决策提供必要的数据。由于各个方向的车流是随机变化的，若依据各个车道的车流检测信息，以交叉路口流通能力最大、 平均延误时间最小或排队等候的车辆数最 少为优化目标函数，对交叉路口车流情况进 行综合优化，实时修正各个相位的配时，则有 利于减轻交通拥挤程度，使之获得最佳性能 指标。2.2信号灯周期的确定为了便于理解，先给 出与交通信号控制有关的概念的定义：

10、1）交通流量：单位时间内通过某一位置的 车辆数，单位为辆/小时（或辆/秒）。2）进口道饱和流量：指在一次连续的绿灯时间内，交叉口进车道上车队能够连续 通过停车线的折算为当量的最多车辆数。3）周期时长：指信号灯的各种灯色轮流显 示一次所需要的时间。也即各种显示时 间之总和。周期是决定点控制定时信号 交通效益的关键控制参数。一般信号灯的最短周期时长不少于36秒，否则就不能保证几个方向的车辆顺利通过交叉 口。最长周期时长一般不超过120秒，否则可能引起等待司机的烦躁或误认为 灯色控制已经失灵。但是在实际中交叉 口的信号灯周期一般都大于120秒。周期计算数学基础：设ui表示i方向的车流量，vi表示i方

11、 向的最大通过量（即车辆饱和时该路口单位 时间内所能通过的最大车辆数）。以A表示周期，ai表示i方向的黄灯时间。互为成对的方向为：东西向直行；南北向 直行;东左转，西左转，南右转，北右转；南左转， 北左转，东右转，西右转。在设计过程中，未考虑右转车流量对设 定周期的影响，因为右转车通行的时间比较 宽裕，为右转车配时时只需考虑与它有冲突 的相应方向穿越马路的行人，对整个周期的 确定没有影响。令ci= Aui/vi，其中Aui为某方向在一个 周期内的来车数，该式ci的意义为：一个周期 （时间为A ）内i方向的车流量全部通过该路口所需的时间。令 dj=maxci| i j j=1,2,3,4;d=刀

12、 d, d 表示4个成对方向中车流量十饱和量较大的 那个方向通行所需时间总和。ej= dj/d,ej为每个成对方向中所需通行 时间最大的那一个方向占总时间的比例。e1:e2:e3:e4即为4个方向的绿信比。则计算周期A的公式为：d< A-(a1+ a2+ a3+ a4),每个相位的最大通行时间为：t= A*e- a(i j),该公式的意义为:4个方向中车流量/饱 和量较大的那个方向通行所需时间总和必 须不大于一个周期中的有效时间。若满足此不等式则可保证一个周期内各方向车辆均 能完全顺利通过该路口。取满足上式的最小的A值为周期。在满足所有的车辆在一个周 期内都全部能通行的前提下，周期越小，

13、车辆的等待时间越小，交叉路口的滞留车辆数越 小。当交通需求较小时，信号周期则应较短， 但一般不能少于PX15秒(P为相位数)，以保证某一方向车辆及时安全通过路口；当交通需求较大时，信号周期则应较长，但一般不 能超过120秒,否则某一方向的红灯时间将 超过60秒，驾驶员心理上不能忍受。当交通 需求很小时，一般按最小周期运行；当交通需 求很大时，只能按最大周期控制，此时车辆堵 塞现象已不可避免。2.3为各相位分配通行时间根据上文中计算出来的周期及各相位 的绿信比，对各方向进行配时：ti=(A*ci/d)-a 。 即周期时间乘以它在整个周期中所占时间 的比例再减去黄灯损失时间得每个相位所 需的绿灯通

14、行时间。由此计算出各相位的时 间后，若某方向被分配时间较少，则可能无法 保证该方向车辆全部安全通过，在此我们设 置了一个最短通行时间为15秒，并且还规定某对方向中分配时间最长的相位不得少于 20秒，且最长通行时间不大于50秒。2.3.1 确定各相位绿灯起止时间现有的传统的配时方法是各成对方向 取相同配时，这样有很大的弊端，因为一般情 况下成对方向的相应道路的最大通过量(通 行能力)基本相同，但是它们的车流量却可能 有较大差别，因此它们所应分配的时间应该 根据实际需求而不是笼统地取一样的时间。现在已经得出各相位所需的通行时间配时，下面根据该配时及相位冲突来确定时序,即确定各个相位的绿灯起止时间。

15、 各相位的约束条件见图2。2.3.2 传统配时方法按东直、西直，东左、西左，南直、北直 南左、北左的顺序划出4个时间段，在当前信 号灯的配时下成对的方向时间一样 ，即为每 一相位中各个方向分配相同时间tj (见图3)。图3传统配时相位时间段分配2.3.3 平移法从图3中，可以看出在a3,b3,a4,b4时间 段内，由于它们所需时间比相应的方向要少，因而出现了空余时间不能充分利用，下面用平移法可将这段时间加以利用 ：固定 a1,a3,依次将 b1,b3,a2,a4,b2,b4 向 左平移最大可能距离，以不发生冲突为极限， 即满足图2中有连线的相位不冲突。将b1,的起点移到a3的终点；b3的起点

16、移到a1的终点;a2的起点移到b3的终点;a4 的起点移到b1的终点；b2的起点移到a4的 终点；b4的起点移到a2的终点。图4中红线相接的顺序是 a1,b3,a2,b4, 黑线相接的顺序是：:a3,b1,a4,b2。显然所得的配置是最优配置。至此，单周期的信号灯配置到此结束。在上述的讨论中未考虑道路的车道数问题，在实际中当左转车、右转车、直行车共用一条道路时，由于要争用道路，就会影响行车速度，此时需考虑为某方向延长通行时间。图4平移后所得各相位时间段分布3 实验结果经过对算法的不断改进和优化，利用双周期法，将两个单周期合并为一个双周期，这 样可以节省一定的时间，对设计出来的配时 结果进行了仿

17、真模拟测试，所用的模拟软件 是德国PTV公司的 Vissim交通仿真模拟 软件，我们对合肥市几个车流量较大的交叉 路口(三孝口，四牌楼)进行了模拟，并与当前 这些路口的配时模拟结果进行了比较，选择平均排队长度、平均等待时间和停车次数作 为参数进行比较，仿真时间为9600秒海600 秒统计一次，除去了前600秒与后600秒的数 据，因为开始和结束时的数据不太准确。结果 见表1、表2,其中方案一指我们的配时模拟 结果，方案二指当前配时的模拟结果。从表1、表2可以看出，对平均排队长度、 平均等待时间、停车次数等路口性能参数的 测定，用我们的配时所模拟的结果比当前的 配时模拟结果优化了很多。4 结论及

18、展望这里所用的配时方法是我们提出的双 周期法4，从实验结果中可以看出，这个算法 比传统算法优化很多，但同时也看到，在设计过程中还未考虑非机动车辆和行人的因表1三孝口路口模拟结果比较X1门H曲卜：惟，X)方案二方案一方案二方案方案Kfitr31651-6甌卡鉉7104. M109. 4东九轴4L365.93鼻0M. 672-5Hitr46.342. 158. 540497. S南左翳50.44竄0V. 0帕1Mil33,738. 6'乱1as. 379.4st*su43.646. 74L 1鑫宜打29-446.0血9S2.1100. 4北木样25.4n.4尸h65. 914.1地斗42. i61. 7表2四牌楼路口模拟结果比较平氐反平均誓恃时河