范姝彤，李思思

（四川師范大學數(shù)學科學學院，成都610066）

1 引 言

城市交通控制信號網的基本單位是單叉路口。路口信號燈配時不合理是導致交通不便的主要原因之一。優(yōu)化路口信號燈的配時可以減少路口擁堵、避免空放，從而提高道路的通行能力?，F(xiàn)階段僅考慮機動車因素的單叉路口紅綠燈協(xié)調配時方案較多[1-4]。然而，交通的參與形式并非只有機動車一種，僅考慮機動車因素的單叉路口紅綠燈配時方案已不能滿足人們提升出行效率的要求，尤其在一些行人流量較大的路口，信號燈未考慮行人因素時，會發(fā)生諸多違規(guī)行為，阻礙機動車通行，大大降低機動車的通行能力。基于此，綜合考慮機動車及行人的通行能力和等待時間，建立一個單叉路口實時信號燈配時優(yōu)化模型。以成都市內靜安路川師段交叉口的數(shù)據(jù)采集為實例，驗證所構建模型與算法的有效性。

2 單叉路口車人相位說明

根據(jù)機動車及行人在單交叉路口的所有交通流動狀態(tài)，定義四個相位如表1 所示。其中機動車涉及四個相位，不考慮右轉車輛；行人涉及兩個相位，與機動車的相位一、三相同。因此把行人的兩個相位歸于機動車的相位一、三，提及相位一、三時，默認為機動車與人的共同相位。剩余的交通流互相不影響整體的交通情況。

表1 車輛與行人相位說明

3 單叉路口紅綠燈實時配時算法

與單叉路口紅綠燈實時配時算法有關的主要概念解釋如下：

機動車等待時間：一輛機動車從到達單叉路口停下至再次啟動的時間；

完全通行時間：在機動車和行人數(shù)量一定的情況下，全部機動車和行人通過單叉路口的累積時間；

通車量：在通車時間一定的情況下，通過單叉路口紅綠燈的機動車的總數(shù)量。

通人量：在通人時間一定的情況下，通過單叉路口紅綠燈行人的總數(shù)量。

通車率：通車量與通車時間之比；

通人率：通人量與通人時間之比。

算法主要采用一級模糊控制及二級實時控制。首先，根據(jù)初始通車率判斷選擇初始通車相位，接著進入一級模糊控制，計算出此相位的預估模糊通行時間；然后進入二級實時控制，以3s 為一個周期，精確計算出通車率與通人率，進而比較得出下一個通行相位?？紤]到機動車及行人的通行安全，在每次變換信號燈前，都設有3s 綠燈閃爍時間和3s 黃燈時間。在3s 黃燈時間內，任何機動車和行人不得進入單叉路口?；趯λ緳C與行人的心理調研，綜合設置機動車等待時間最大為120s，若相位等待時間達到120s，則此后優(yōu)先考慮此相位。

改進的單叉路口紅綠燈實時配時算法流程圖如圖1。在此，選用靜安路川師段作為具體討論的單叉路口實例。考慮行人因素對紅綠燈配時的影響，在優(yōu)化過程中，具體做了如下工作：首先，針對川師南門的實際交通情況，采用抽樣調查的方法，統(tǒng)計了一天當中四個時間段，包括8 點、12 點、17 點和24 點的車流量和人流量，用于量化行人對紅綠燈配時的影響。接著計算通人率所占總通行率的比例：得到行人因素所占的動態(tài)權重系數(shù)。權重系數(shù)隨人流量實時改變，人流量越大，權重系數(shù)越大。然后加權計算出未來10s 的總通行量。為計算行人最小安全通行時間，隨之抽樣調查了靜安路川師段老年、青年、少年在行人中所占的比例，加權計算出行人平均速度為1.39m/s，進而計算出最短行人通行時間為15.11s?？紤]到3s 黃燈時間，將轉換相位后的第一次檢測時間增至12s，若檢測后不更換相位，則檢測時間仍為3s，以保證行人可以安全通過此路口。

圖1 改進的單叉路口紅綠燈實時配時算法流程圖

首先選擇初始通車相位。輪流給予機動車的4個相位20s 通車時間，采取視頻監(jiān)控的統(tǒng)計方式，可得出每個相位的初始通車率。從中選擇初始通車率最大的相位作為初始通車相位。若存在通車率相同的相位，則任選其一。

接著進入一級模糊配時。通過長時間的視頻監(jiān)測可得到路口各相位的最大通車率及最大通人率通車率最大的相位即為初始通車相位。

表2 初始模糊配時等級

直至到達某個等級終止，此時間即為該相位的初始模糊配時（最長綠燈時間）。其中：Vi表示該相位上一周期通車率；數(shù)字3 表示車輛平均啟動時間，單位為s。

然后進入二級實時控制。以3s 為周期統(tǒng)計當前相位的通車數(shù)及通人數(shù)，更新該相位這三秒內的平均通車率和平均通人率，步驟如下[6-8]：

1)計算行人因素所占的動態(tài)權重系數(shù)，即通人率所占總通行率的比例pi。

2)預測未來10s 各相位的模擬通行率。假設繼續(xù)給予該相位10s 的綠燈時間，則可計算該相位未來10s 內的通行率為：

進而以同樣方法計算其他相位未來10s 通行率Fj。

3)比較Fi和Fj，首先考慮是否有等待時間已經超過120s 的相位，若有，則將該相位作為下一通車相位。

若當前相位的通行率最大，則保持原相位。繼續(xù)監(jiān)測下一個3s 周期內的通行率，直至一級模糊配時結束，并把綠燈閃爍之前最后一個周期內的通行率作為該相位的實時通行率。

若存在其他相位的通行率高于當前相位通行率，則將當前綠燈設置為3s 閃爍，再設置3s 黃燈（安全時間），并將模糊通行率最大的相位作為下一通車相位。

若存在通行率相同的相位，則選擇等待時間最長的相位作為下一通車相位。

采用完全通行時間作為評價指標，目的是可以更容易與原始的固時情況進行比較。因此，采用控制變量的方法，在機動車和行人數(shù)量固定的情況下，以兩種配時模型分別得出改進模型和固時情況的完全通行時間。完全通行時間越小，表單通行能力越強，越利于交通通行。

4 模擬結果

固時紅綠燈配時方案由圖2 所示?？芍瑢τ趥鹘y(tǒng)的固定順序輪轉相位紅綠燈配時模型，其輸入的模擬數(shù)據(jù)，在一個周期即第一、二、三、四相位輪轉一次后可使模擬車輛全部通過，共用時180s。

圖2 固時紅綠燈配時方案示意圖

改進實時紅綠燈配時方案由圖3 所示。對于改進的非固定相位輪轉非固時紅綠燈配時模型，輸入同樣的數(shù)據(jù)，觀察其效果變化。

首先給予第一相位15s 通車時間，接著轉入第三相位并給予該相位18s 綠燈通行時間，然后轉入第二相位并給予該相位24s 綠燈同行時間，依次按圖3 所示順序及時間給予四個相位綠燈通行時間，直至給予第三相位18s 綠燈通行時間可使輸入的模擬通車數(shù)據(jù)全部通過，共用時111s。

圖3 改進實時紅綠燈配時方案示意圖

接著用上組測試數(shù)據(jù)在Vissim 軟件中進行模擬，改進前后模型的可視化模擬結果分別如圖4 和圖5 所示。經比較可見，改進模型下，交通擁堵情況有了明顯的改善，表明該模型可改善傳統(tǒng)固定配時單叉路口的通行能力，有效緩解固時模型的空放問題，提高了通行率。

圖4 固時模型模擬效果圖

圖5 改進實時模型模擬效果圖

5 結束語

改進后的智能單叉路口紅綠燈實時配時算法模型，在對路口交通情況提出合理假設的前提下，充分考慮了路口機動車與行人的通行能力與實際等待時間。故優(yōu)化后的系統(tǒng)對路口復雜多變的交通情況有很強的適應性，能有效平衡車輛與行人之間的通行需求，更好地滿足路口交通信號燈控制的實時性要求。在此基礎上，還可提出雙叉路口的模型。由于算法僅以單叉路口的實時數(shù)據(jù)作為依據(jù)，各相鄰路口之間相互獨立，對于雙叉路口的情況，可根據(jù)實時監(jiān)測到的通行數(shù)據(jù)來智能地調控紅綠燈配時。此改進算法及模型只是將通人率占總通行率的比例作為行人因素的權重，是否存在更為優(yōu)化的方案，還需更多的試驗及數(shù)據(jù)來驗證。