- 新技术应用
- 文章编号：1009-6000(2003)S2-0081-04
- 中图分类号：U491 文献标识码：C
- 作者简介：张铁军（1981-），男，南京市规划设计研究院助理工程师。
- 计算机迭代法信号配时优化在城市交通管理中的应用
- Application of Signal Distributed Phase Time Based on Computer Iteration in Urban Traffic Management
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- 张铁军
- ZHANG Tie-jun
- 摘要：
随着城市经济的发展、城市化进程的加快以及小汽车逐步进入家庭，城市交通拥挤现象日趋严重，已经严重影响了城市的可持续发展及人民生活水平的提高。城市交通拥挤和堵塞导致道路的容量和管理效率降低,也是交通污染和事故的间接因素，尽管造成这种现象的原因很多,但各交叉口交通信号的不协调、不优化是主要的技术原因。本文以南京市太平北路与珠江路的十字型典型交叉口为例，结合其他典型交叉口和我国目前的交通状况，提出了计算机迭代优化法，并利用此方法对信号配时方案进行优化设计，取得了较好的交通质量。 - 关键词：
信号交叉口；优化配时；信号相位；信号相序；信号配时； - Abstract: With the progress of urban economic development, urbanization and the small car enters family gradually, the urban transportation congestion are becoming more and more serious, which has affected seriously the urban sustainability and the improvement of people抯 living. The decline of road capacity and managing efficiency due to the congestion is an indirect factor contributing to transportation pollution and accidents. Though there are a lot of reasons contributing to this kind of transportation congestion, main technique reason is that the signal at each cross cannot assort with each other and is not optimized. This paper takes the cross between Taiping North Road and Zhujiang Road in Nanjing city as an example, together with the other typical model cross with current transportation in our country\'s condition, gives an optimization method. The method is applied to the optimization programming of scheme of distributed phase time, and the result is encouraging.
- Key words: signalized intersection; signal phase; phase order; distributed phase time
- 1 单点信号配时优化设计
交通信号控制的目的是为城市道路交叉口（或交通网络）提供安全可靠和有效的交通流，通常最为常用的原则是车辆在交叉口的通过量最大或车辆在交叉口的延误最小。
信号控制是车辆、行人、道路和环境等多个因素互相交织在一起构成的复杂交通流协调系统，交叉口的信号控制系统软件设计主要包括三个方面：
（1）信号相位设计。这决定了如何引导一个信号交叉口各个方向交通流的运行；
（2）信号配时设计。这决定各个相位中各信号灯色（绿、黄、红）的运行；
（3）交叉口交通质量评价设计。对信号交叉口配时后进行交通质量评价。
本文主要根据传统的方法在确定的相位方案和相序下，进行常规的信号配时，计算出每辆车的平均延误，之后对周期和绿信比进行定步长的缩放，重新计算信号配时，得到此时的每辆车平均延误，直至每辆车的平均延误最小时则为优化后的信号配时方案。
2 计算机迭代法配时优化
2.1 优化方法
这里的修正是针对信号周期及绿信比而言，是在前面的计算结果基础上进行的。
本系统采用“瞎子爬山法”对信号周期及绿信比进行修正，即以适当步长调整信号周期和绿信比，然后再计算对应的交叉口车辆延误时间，如果得到的小于初始方案，说明此次调整方向正确，还应当以同样的步长沿同一方向继续对信号周期及绿信比进行调整，直到获得最小的交叉口车辆延误为止。反之，如果第一次调整后的交叉口车辆延误时间比初始方案所对应的值要大，则应朝相反的方向调整信号周期及绿信比，直到获得最小的交叉口车辆延误时间为止，此时即为最优方案。
2.2 具体步骤
利用调查所得的交叉口各个方向的交通量数据，画出交通量－时间图，分析选出使该交叉口车辆延误效益最大的一个时段(比如说选上午的机动车高峰时期7:00~11:00)。同时，运用WEBSTER理论进行多相位配时计算出该交叉口的相位配时方案的初始周期及绿信比。我们假设将此方案分配到此交叉口，由于采用这个方案的各个方向进口道的红绿灯时间是固定的，对于各方向到达的车辆，我们可以算出每辆车在此交叉口的停止时间（即车辆的延误时间）。相加求和得出在选中的时间段内整个交叉口所有进口的车辆的延误时间。对绿信比进行定步长调整，分为正向与反向调整，当向正向以一定步长调整时延误减小，则继续以定步长进行调整，直至得到最小延误为止；如果增加，则停止调整，继续向反向调整。如果反向调整后经计算得到延误值减小，则继续以定步长进行调整，直至得到最小延误为止，反之则停止调整。如果双向调整后均增加，说明调整前已是最小延误；如果双向调整后均减小，则取较小的作为最小延误。得到最小延误下的绿信比，此时的最小延误定为延误初值。以延误为优化目标，同时以一定的步长对周期和绿信比进行调整，分为正向与反向调整。首先对周期进行调整，当周期向正方向以定步长调整一次经过配时后，计算此时的延误值1，此时周期不变，对绿信比进行定步长调整，分为正向与反向调整，当向正向调整计算得到每辆车的平均延误较延误值1减少时，说明在此周期调整方向上绿信比调整方向正确，继续以定步长调整绿信比，直至延误值开始增加，得到最小延误值。比较此时的延误值与延误初值的大小，如果此时延误值较延误初值小，说明此时周期及绿信比调整方向均正确，继续以定步长调整周期和绿信比，重复上面的步骤。如果此时延误值较延误初值大，说明此周期调整方向上绿信比的调整方向不正确，停止调整。继续对绿信比向反向调整，当向反向调整计算每辆车的平均延误较延误值1减小时，说明此时调整方向正确，继续以定步长调整，直至延误值开始增加，得到最小延误值，比较此时的延误值与延误初值的大小，如果此时延误值较延误初值小，说明此时周期及绿信比调整方向正确，继续以定步长调整周期和绿信比，重复上面的步骤。如果此时延误值较初值大，说明周期调整方向不正确，停止调整，对周期进行反向调整，反向调整的思路与正向调整的思路相同。当调整一次周期后，对绿信比进行调整时两向均减小，则取较小值与延误初值比较，如果较延误初值小，则向延误值小的方向继续调整绿信比，直至最佳。如果周期在两向调整后经计算得到的延误值较延误初值均减小，则继续以定步长对周期向延误较小的方向继续调整。当对周期调整一次以后，延误较小，则以目前得到的延误值作为延误初值，继续调整，重复上面的步骤，直到延误值开始增加，确定此时的周期与绿信比即为最佳周期与最佳绿信比。如果对周期进行两方向调整后延误均增加，说明调整前已为最佳周期和最佳绿信比。这样就确定了最佳配时方案（见结构图）。
信号配时优化结构图
3 优化实例
以南京市太平北路-珠江路交叉口为例，该交叉口为一典型的十字型交叉口，该交叉口的计算参数（见表1）。
采用Webster延误公式以延误最小为目标，利用前面所介绍的计算机仿真循环法对该交叉口配时进行优化，并和未优化及现状配时进行比较（见表2）。
由表可以看出，优化后所得的配时方案较现有及未优化前的方案通行能力有所提高，平均车辆延误也有所降低，提高了该交叉口的交通质量，可见该优化方法还是具有一定的实际意义。在计算过程中我们发现，用Webster延误公式进行计算还存在着一些缺点，如果要使延误计算更为精确，该公式中的延误我们可以以每个进口每个车道的延误为基础延误，而不是以每个进口道的延误为基础延误。
实例计算尚有不足之处，如在交叉口相位方案生成过程中，交叉口的交通数据量还不是很充分，主要是利用了以往的调查数据和自己调查的一部分数据。在信号配时优化的过程中，以Webster延误公式进行计算，最优化的方法只是以车辆在交叉口的最小延误为目标，未能考虑其他参数，同时对非机动车、行人与机动车之间的干扰未能更为深入的研究探讨。这些在今后的工作中有待于进一步深入的研究和拓展。
表１ 各进口道流量及饱和度 表２ 通行能力及延误比较
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