交叉口饱和交通状态下的信号配时研究

宋启吉，杨涛，李东

（西华大学计算机与软件工程学院，成都　610039）

交叉口饱和交通状态下的信号配时研究

宋启吉，杨涛，李东

（西华大学计算机与软件工程学院，成都610039）

0　引言

随着城市的发展以及机动车保有量的增长，交通需求急剧增加。在城市交通网络中，交叉口是网络中的瓶颈，交叉口的畅通将直接决定整个交通交通网络的畅通。要最大限度地保证交通网的高效运行就必须要根据不同的交通状况对交叉口进行优化协调，以保证信号交叉口的通行能力。

从交通拥挤角度看，交叉口的交通状态可分为饱和和非饱和两种状态。目前，对于非饱和交叉口的配时研究十分成熟，其中较为典型的有Webster模型。对于总饱和度低于或等于0.6时，应用Webster模型进行信号配时是十分有效的。但是对于饱和交叉口的配时研究相对落后，实践证明，对于饱和交叉口的配时Webster模型是不适应的。

1　改进Webster模型分析

目前信号配时大多采用Webster或HCM等经典的配时方法。采用Webster配时方法，在信号周期确定以后，各相位的绿灯时间是按照各相位临界车道的交通流量比进行比例分配的，其分配方法按gi=（C-L）×Yi/进行。在交通状态为非饱和的情况下，Webster优化模型对各个方向上的交通需求进行了充分考虑，对各相位分配的绿灯时间合理，能够有效提高信号交叉口的通信能力。而在交通状态为饱和的情况下，由于车辆之间的横向干扰加剧，车道通行能力明显降低，此时采用Webster绿信比算法分配得到的各相位绿灯时间，往往在车道通行能力即将达到最佳或处于最佳状态的时候，绿灯信号却又结束了，从而制约了信号交叉口通信能力的提高，不仅交通拥堵得不到有效减少，而且增加了交通拥堵。因此，在饱和交通状态下，寻求一种更为适合的优化模型成为亟待解决的问题。目前，国内外诸多学者在这方面进行了研究，并取得了大量优秀成果。本文对Webster优化模型进行深入研究，以此为基础提出了一种改进的Webster优化模型，优化了饱和交通状态下的交叉口信号配时模型。

设置一个拥挤度超过阈值Sw，当某个相位的拥挤度Sr＞Sw时，就将一个gmax绿灯时间分配给该相位，以达到尽快消散该相位上车流的目的，从而减少交叉口的拥堵。当同时有多个相位的拥挤度Si，Sj…均超过Sw，即Si＞Sw，Sj＞Sw…时，则选Si，Sj…中的最大者为gmax的分配对象，实际上采用了优先权的分配思想。这样即可实现最拥堵的相位获得最长的通行时间，从而尽快实现交叉口车辆的消散。在将gmax分配给拥挤度最大的相位之后，剩余的绿灯时间gl=C-gmax-L则按照Webster模型信号分配方法分配给其他相位。对任意的相位，若拥挤度均没有超过Sw，则按照Webster模型对各相位进行绿灯时间分配。

2　改进模型的参数确定

拥挤度阈值Sw的确定如下：

其中：d为两个路面传感器节点之间的距离，v为拥挤情况下车辆通过路面传感器的可能速度，Tg信号周期时间，n为相位数。

Sw的值既不能过大，也不能过小。Sw过大可能出现很难有某相位的拥挤度大于或等于它的情况，失去了预防交通拥堵的初衷；Sw过小可能导致不必要的优先通行情况。所以Sw的选取应具备一定的动态性，即Sw的大小能够根据交叉口的拥挤情况进行自动调整。按照此公式确定拥挤度阈值当某相位拥挤较大时，必然引起v的减小此时计算出的拥挤度阈值较大，从而拥挤严重的相位也会得到优先权。反之若某相位拥挤较小时，又会引起v的增大，从而计算出的拥挤度阈值也小，此时该相位的通行优先权得到减弱。

某相位拥挤度确定如下：

Sr=d/vr

式中Sr为某r相位的拥挤度，d为两个路面传感器之间的距离，vr为r相位车辆通过路面传感器的可能速度。

gmax的取值与交叉口的信号灯周期和信号相位的设置有关，较为合适的取值占信号周期的0.5～0.7。不同的相位数和交通状况，也会引起gmax取值的变动。具体说来，若交叉口的相位数越多，则gmax所占信号周期的比例将会减少；反之，若交叉口的相位数越少，则gmax所占信号周期的比例将会增加。当交叉口饱和度越大，那么gmax的取值也会相应较大，而交叉口的饱和度越少，则gmax的取值会相应较小。

gmax的取值应保证gmax≥gr（gr指按照Webster分配得到的绿灯时间），而且应该保证同方向行人过街的最短时间

式中α为信号相位数，x为相位饱和度，gr为按照Webster方法分配得到的绿灯时间。

3　仿真及分析

本文采用VISSIM交通仿真软件进行仿真，以交叉口车辆平均停车次数和车辆平均延误时间为指标，在同一个交叉口相同的过饱和交通状态下，采用本文提出的方法和Webster方法对其进行仿真，比较两种方法得出的结果，数据如表1所示。由于此交叉口的东入口南入口的车流量分别远大于西入口和北入口的车流量，因此在此只列出车流量较大的入口。每一组车流量均对应一个小时的仿真时长。

由表1可以看出，当交叉口饱和度较小时，改进的模型与Webster模型得出各项指标相差不大。而随着饱和度的增大，改进的方法更具有效性。

表1　两种方法仿真数据比较

4　结语

在交叉口过饱和情况下，结合车辆检测器检测的信息，并通过本文提供的改进方法，相比单纯的Webster方法能够更有效地缓解交通压力，减少交通拥堵。该方法是建立在Webster模型上的，在交叉口饱和度较小时通过改进的方法计算信号配时的算法与Webster方法相同，并不能反映出改进的方法的优势。本文是通过仿真的方法得出的结果，且仿真的输入数据也只是模拟数据，并不是实际测得的数据。因此，还有待对实际交通进行测试。

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Signal Timing；Traffic State；Model；Intersection

Research on Signal Distribution in the Saturated Traffic State of Intersection

SONG Qi-ji，YANG tao，LI Dong

（School of Computer and Software Engineering，Xihua University，Chendu 610039）

1007-1423（2015）26-0010-03

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.26.003

宋启吉（1991-），男，四川泸州人，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统、数字系统及设计方法

杨涛（1988-），男，四川广元人，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统、数字系统及设计方法

李东（1989-），男，重庆丰都人，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统、数字系统及设计方法

2015-08-21

2015-09-11

目前，英国的Webster模型在交叉口的定时信号控制中是应用最为广泛的模型之一。简单介绍交叉口常用的信号控制方法，其次对Webster信号优化模型进行了详细介绍。引进一个拥挤度阈值参数，并在Webster模型的基础上进行改进，提出一种改进的Webster信号配时方法，通过该方法对饱和交通状况下的交叉口进行信号配时，最后通过实验比较改进的方法与Webster方法的有效性。

信号配时；交通状态；模型；交叉口

At present，the Webster model is one of the most widely used models in the timing signal control of the intersection.Introduces the signal control method，and then introduces the Webster signal optimization model in details.Introduces a congestion threshold parameter.Then proposes an improved Webster signal timing method on the basis of Webster model.By this method，carries out the signal timing of the intersection of the saturated traffic.Finally，compares the effectiveness of the improved method and the Webster method by experiments.