一种交叉口信号配时辅助软件的设计与实现

谌华金，张雷元，树爱兵

(公安部交通管理科学研究所，江苏 无锡 214151)

1 概述

20世纪60年代以来，欧美等一些发达国家相继开发了信号配时辅助软件，英国交通与道路研究所研制出一种TRANSYT(Traffic Network Study Tool)软件，其以延误、停车次数等作为性能指标，根据路网交通流量计算最优的信号周期和绿信比。美国Trafficware公司开发了信号配时仿真软件Synchro，该软件是对各种类型的信号控制和信号配时进行建模和优化的完整程序包，其对硬件系统无依赖性。德国、西班牙等国家开发了微观交通仿真软件，如 PTV Vissim、TSS Aimsun等，在软件中集成了交通信号配时模块，能生成信号配时方案并在仿真路网中运行，输出排队长度、停车次数和延误等性能指标数据。

相比国外成熟的研究，国内对交叉口信号配时辅助软件的研究尚处在摸索的阶段。如同济大学开发了一套交通信号配时辅助软件J+SIGNAL，该软件具有单路口和干线交通信号配时功能。文献[1]针对我国城市混合交通流的运行特征，主要以交叉口平均延误作为评价指标，系统功能较为单一，且文中提出的车道组的划分、交通量、饱和流量的校正操作起来不太容易，文献[2]研发的软件功能和操作都相对简单，但在配时方案的优化中缺乏相位顺序的优化。文献[3]仍然以交叉口平均延误作为优化目标，目标单一，通过输入交叉口各个车流的到达量和初始排队长度等动态参数，计算最优的信号相位配时方案。但系统输出的主要是最优相位序列，对各相位时间分配的最优化考虑不全面，功能受限。

科学地进行交叉口信号配时要求相关管理人员必须严格按照交叉口信号配时设计流程[4-6]进行操作，但从目前城市交通管理部门的科技人才队伍来看，相关专业技术领域出身的管理人员较少。本文旨在为道路交通管理人员提供一个路口特征形象直观、配时流程科学简便的信号配时辅助工具，并且提供多种现有成熟的优化模型及算法，让用户根据各阶段不同的优化目标进行选择，从而输出最优配时方案，使得不具备非常专业的交通信息工程及控制专业知识的人员能够使用该软件，进行交叉口的优化配时。

2 术语定义及数据结构

2.1 术语约定

本文设计所采用的交通信号控制基本术语主要参照相关国标[7]、行标[8]及国内外专著[9-12]中的定义，部分术语特别约定如下：

(1)交通流向：交叉口某个进口方向具有相同通行方向或通行权的交通流集合。

(2)关键交通流向：指能够对整个交叉口的通过能力和信号配时设计起决定作用的流向。周期等于关键流向有效绿灯时间与损失时间的总和。

(3)叠加交通流向：在多个信号相位中获得通行权的交通流向。

(4)信号相位：在一个信号周期内分配给一股或多股交通流向通行权的信号状态。

(5)绿信比：绿信比是一个车道或流向的有效绿灯时长与周期时长之比。

(6)饱和度：

1)交通流向饱和度：交叉口某一交通流向的实际交通量与其通行能力的比值。

2)相位饱和度：相位放行的交通流向饱和度最大值。

3)交叉口总饱和度：饱和程度最高的相位所达到的饱和度值，并非各相位饱和度之和。

2.2 数据结构

通过分析交叉口信号配时数据需求，可将交叉口配时数据定义为输入数据、输出数据和系统数据。输入数据包括交叉口几何特征、交通流量数据，输出数据为信号配时数据，而系统数据主要包括约束条件、算法参数、用户数据及数据字典等。各类数据具体内容如表1所示。

表1 交叉口信号配时的数据分类及内容

需要指出的是一些输入数据如几何特征数据、流量数据、交通管制策略及约束条件等需要经过前期对交叉口进行数据调查或通过交通信息采集、感知设备才能获得，并采用人工方式录入软件才能进行配时操作。而输入数据、输出数据、系统数据等都可保存为特定编码规则的XML文件，方便用户使用软件重新读入XML文件，极大地方便修改、保存各种交叉口信号配时参数，避免不必要的重复操作，且软件的使用实行分级管理，某些重要参数和功能只有一定级别的用户才可以修改，其他低级别用户只能浏览查看，因而提高了软件系统安全性。

3 软件设计与实现

3.1 结构设计

软件主要由图形绘制模块、信号相位模块、信号配时模块、数据管理模块、系统管理模块、数据库、用户界面等组成。

(1)图形绘制模块用于绘制和显示各种交叉口图形，实现交叉口、路段、交通流和车道等参数设置功能。

(2)信号相位模块主要实现相位、相位顺序设置功能。

(3)信号配时模块主要实现信号周期、相位配时设置功能。

(4)数据管理模块主要实现数据调查表生成、导入/导出、数据库操作、交叉口、车道、相位、配时方案存取等功能。

(5)系统管理模块实现系统参数管理和用户管理功能。

(6)模板库主要存储交叉口模板，知识库主要存储算法参数和推理规则。

(7)图形库主要存储交叉口、路段、车道等几何图形。

总体结构如图1所示。

图1 软件架构

3.2 软件操作流程

交叉口信号配时软件操作详细流程如图2所示。

图2 信号配时流程

信号配时软件操作步骤如下：

(1)交叉口生成：如选取交叉口模板类型(三叉、四叉及多叉路口等)，设置交叉口几何特征参数、约束条件及环境数据等。

(2)设置路段参数：根据步骤(1)中选择的交叉口模板类型，路段的几何特征参数已经确定，这里只需要设置约束条件和其他管制措施。

(3)设置交通流向参数：交通流向包括机动车流向和行人流向，须要注意的是在为每个路段(只需考虑进口方向)添加放行的交通流向时，每个路段只能添加一个行人流向。

(4)设置车道、人行横道参数：为每个交通流向添加车道或人行横道，并设置车道和人行横道几何特征数据，注意机动车流向只能包含车道，行人流向只能包含人行横道。

(5)设置交通流向冲突距离：为存在严重冲突的各交通流向设置冲突距离。

(6)交通流量数据输入：包括车道、行人流量数据输入功能。

(7)设置相位方案参数：设置相位放行的交通流向及其他参数，调整相位放行顺序等。

(8)设置配时方案参数并作配时效果评价：本文软件选取配时方法的原则是：在交通流量比较均衡，控制目标追求平均延误最小时，采用Webster法[11]；在交通流量不均衡，控制目标追求平均延误和停车次数等综合指标最小时，采用ARRB法[11]；其他情况参考HCM法[12]。软件根据上述步骤(1)～步骤(7)中的参数设置情况自动计算出最佳周期及各相位的时间分配情况，并对配时效果做出评价，评价指标包括通行能力、总损失时间、平均延误、饱和度及服务水平等。用户可结合实际需求重新调整周期，各相位时间分配也自动重新计算。若仍不能满足需求，则重复步骤(7)～步骤(8)即可。

(9)结果输出：包括生成一个动态刷新显示的配时图，并可将软件界面涉及到的所有数据按照一定编码规则保存为XML文件，方便软件重新读入XML文件，修改调整相关参数。

3.3 关键技术实现

3.3.1 交叉口参数设置

软件自动生成的典型四路交叉口如图 3所示，形象化地显示每个车道(机动车道、非机动车道)及编号、位置、交通流量，人行横道的位置、交通流量等相关参数，并根据用户输入数据的变化动态刷新显示。程序实现时主要用到了CBitmap、CDC、CClientDC及CFont类等。

图3 交叉口生成示意图

3.3.2 相位方案选择

以典型四相位放行为例，软件自动生成的相位放行图如图4所示，其中，第1相位放行东西直行(机动车流向)，南北直行(行人流向)，第2相位放行东西左转(机动车流向)，第3相位放行南北直行(机动车流向)，东西直行(行人流向)，第4相位放行南北左转(机动车流向)。图片直观、清晰地显示出相位放行顺序和相位放行的车道、人行横道转向，程序实现时主要用到 CRgn、CPaintDC、CClientDC、CPen等类。

图4 相位放行图

3.3.3 配时方案生成

以图 4所示的典型四相位放行为例，软件生成的相位配时图如图 5所示，且图形会随着相位数目及各相位时间参数的变化而动态刷新显示，图中黄灯时间均为3 s，红灯时间均为1 s，程序实现时主要用到CPercentageCtrl、CRect等类。

图5 相位配时图

4 技术验证与示范应用

4.1 交叉口的选取原则

首先是要有典型性：即可代表大多数交叉口，如十字路口和T型三叉路口等，有信号灯进行控制，其次是交通流量要求：交叉口总交通流量达到每小时2000辆以上。

4.2 示范交叉口现状调查及改进设计

4.2.1 现状调查

项目组选取的示范交叉口位于无锡市滨湖区，分别为东西向梁清路-公益路、梁清路-景宜路、梁清路-鸿桥路、梁清路-隐秀路，南北向钱荣路-大池路、钱荣路-动物园、钱荣路-钱胡路共7个交叉口。其中，梁清路-景宜路、梁清路-公益路、钱荣路-大池路、钱荣路-钱胡路为 T型三叉路口，其余为十字路口，在信号灯安装和设置方面，采用机动车信号灯和方向指示信号灯相组合的方式，所有路口的信号灯均符合国标GB14886-2006中的设置规定。

目前十字型交叉口主要采用典型的四相位进行控制，依次为东西直行、东西左转、南北直行、南北左转；T型三叉交叉口采取典型的三相位阶段进行控制；唯一例外的是钱荣路-动物园这个十字型交叉口由于东西向左、直、右混行，采取的是三相位进行控制。各交叉口的相位顺序都采取先直行后左转的方式。非机动车采取与机动车相同的放行方式，并同时放行，行人随直行的机动车一起放行。具体信号配时参数如表2所示。

表2 各交叉口相位配时参数1

4.2.2 设计改进

采用本文软件的理论和操作流程，对示范交叉口重新进行信号配时优化设置(各交叉口的相序方案不变，即仍然采取先直行后左转的方式，具体为东西直行、东西左转、南北直行、南北左转)，得出各个交叉口的周期和相位配时参数如表3所示。

表3 各交叉口相位配时参数2

4.3 效果评价

利用Vissim交通仿真软件并在未考虑行人、非机动车因素影响情况下进行测试，应用本文研究成果进行配时的7个示范交叉口最终的测试评价数据为平均延误(s)、最大排队长度(m)、平均停车次数分别比原来减少21.69%、31.7%、13.10%，说明了本文研究成果的应用价值。但本文测试由于受各种条件限制，对外部的影响因素考虑不太完全，如天气情况、行人和非机动车干扰等。因此，测试结果具有一定的局限性。下一步还需结合多种因素，选择更多交叉口进行应用测试，通过测试不断调整和完善研究成果，使之更适合道路交叉口交通信号配时设计。

5 结束语

作为一种可通用的道路交叉口信号配时辅助软件，本文提出一种完整简捷的配时设计流程，给出了系统的数据需求，设计并实现的辅助配时软件可将各种优化配时参数和相关配置文件保存起来，方便随时存取、动态调整更新相关配时参数，能较好地满足城市道路交通管理人员对交叉口信号配时的技术需求。但该软件目前还是脱机版，需要人工将计算结果录入交通信号控制系统，也还缺少配时效果动态仿真、最优陒位(陒序)的自动生成以及交叉口渠化与信号配时的协调优化[13-14]等功能，一定程度上影响了软件的使用效果，下一步将研究软件的输出结果与交通信号控制系统自动对接并下发到路口信号控制机执行，以减少操作人员工作量，增加软件使用友好性。

[1]裴玉龙, 蒋贤才, 刘博航.混合交通条件下的信号交叉口配时设计系统[J].哈尔滨工业大学学报, 2006, 38(4): 585-588.

[2]毛汉颖, 李晓萍.基于VB的道路交叉口定时信号配时软件设计[J].广西工学院学报, 2007, 18(2): 62-65.

[3]浙江大学.十字交叉口信号配时优化软件(1.0版)[EB/OL].(2007-03-26).http://wenku.baidu.com/view/cda0a0a0b0717fd 5360cdc65.html.

[4]Federal Highway Administration.Traffic Signal Timing Manual(TSTM)[EB/OL].(2008-10-21).http://worldcat.org/isbn/9781933452487.

[5](德)道路与交通工程研究学会.交通信号控制指南——德国现行规范(RiLSA)[M].李克平, 译.北京: 中国建筑工业出版社, 2006.

[6]同济大学, 上海市公安局交通巡逻警察总队.城市道路平面交叉口规划与设计规程[Z].2001.

[7]公安部交通管理科学研究所, 公安部交通安全产品质量监督检测中心.GB 25280-2010 道路交通信号控制机[S].2010.

[8]公安部交通管理科学研究所.GA/T509-2004 城市交通信号控制系统术语[S].2004.

[9]杨晓光.城市道路交通设计指南[M].北京: 人民交通出版社, 2003.

[10]杨佩昆, 吴 兵.交通管理与控制[M].北京: 人民交通出版社, 2003.

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[13]刘培华, 于 泉, 刘金广, 等.信号交叉口渠化与信号配时协调优化研究[J].交通信息与安全, 2009, 27(3): 24-27.

[14]常争艳, 贾志绚, 武美先.信号配时与交通设计协调优化[J].太原科技大学学报, 2010, 31(1): 39-41.