陸岱駿

摘 要：在不良天氣條件下對(duì)單點(diǎn)交叉口的信號(hào)控制優(yōu)化，是能夠使得車輛在不良天氣條件下交叉口延誤降低、降低交通事故率、增大交通安全系數(shù)的重要手段。本文首先通過(guò)對(duì)目標(biāo)城市——柳州市的天氣環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，結(jié)合柳州市氣象局的資料公開(kāi)發(fā)布，將柳州市存在的雨、霧、霾天氣進(jìn)行聚類分析，將各種天氣按照對(duì)交叉口延誤和飽和車頭時(shí)距的影響分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)天氣。然后再對(duì)各級(jí)天氣條件下的交叉口利用Webster法進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)對(duì)黃燈時(shí)長(zhǎng)以及道路交通量的改進(jìn)，提出改進(jìn)的Webster法，重新對(duì)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)天氣條件下的交叉口不良信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的交叉口進(jìn)行延誤分析，結(jié)果表明在各級(jí)不良天氣下采取不同的信號(hào)配時(shí)，可以有效降低行車延誤，提高交叉口通行能力。

關(guān)鍵詞：不良天氣 聚類分析Webster法 信號(hào)優(yōu)化

1 引言

單點(diǎn)信號(hào)控制是道路交通信號(hào)控制最基本的單元。由于在交叉口信號(hào)配時(shí)研究中，大部分的配時(shí)方案都是在假設(shè)正常天氣情況下設(shè)定的，這就使得在不良天氣情況下，交叉口的信號(hào)配時(shí)方案無(wú)法準(zhǔn)確、高效的調(diào)節(jié)車輛的通行，這就使得大部分的交叉口在雨、雪、霧霾、沙塵暴等各種不良天氣中造成車輛擁堵、排隊(duì)、大面積交通癱瘓等現(xiàn)象。可以發(fā)現(xiàn)研究各種不良天氣下交叉口的信號(hào)配時(shí)，制定高效、合理的交叉口單點(diǎn)信號(hào)控制策略，提高交叉口車輛在各類天氣下的通行效率具有重要意義。

基于雪、降雨以及由于霧、霾引起的道路能見(jiàn)度水平高低等氣象條件下道路交叉口車輛通行的交通量、行駛速度、飽和車頭時(shí)距和車流密度等數(shù)據(jù)，深入分析不良天氣對(duì)道路交叉口交通流特征參數(shù)的影響。蔣賢才對(duì)比了國(guó)內(nèi)外在冰雪條件和非冰雪條件下交通道路的交通組織狀況，建立由信息提供、交通控制和冰雪處理三種措施下的冰雪道路交通信號(hào)安全管理體系[1]。杜軼群發(fā)現(xiàn)霧霾的污染程度對(duì)公共交通的增長(zhǎng)有著很大影響，當(dāng)空氣中的霧霾污染越嚴(yán)重，就會(huì)有更多的私家車主轉(zhuǎn)而乘坐公共交通[2]。劉利花針對(duì)惡劣天氣下高速路口交通事故的研究調(diào)查，表明路面抗滑性能的好壞和能見(jiàn)度的高低是影響道路事故率的重要因素之一[3]。建立了HCM信號(hào)配時(shí)算法、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)道路通行能力計(jì)算模型以及Webster信號(hào)配時(shí)算法等等。但以往的研究只是考慮單一的不良天氣，沒(méi)有綜合各類不良天氣條件下交通流特征參數(shù)變化情況。

本文考慮在各類不良天氣條件下交叉口的交通流特征參數(shù)變化情況，并在此數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上用K-means聚類分析建立了不良天氣交通等級(jí)劃分;通過(guò)各級(jí)不良天氣對(duì)各類交通流特征參數(shù)的影響情況研究，對(duì)交叉口的信號(hào)配時(shí)方案進(jìn)行優(yōu)化。

2 不良天氣的聚類分析

所謂聚類算法是指將一堆沒(méi)有標(biāo)簽的數(shù)據(jù)自動(dòng)劃分成幾類的方法，根據(jù)樣本之間的距離或者說(shuō)是相似性（親疏性），把越相似、差異越小的樣本聚成一類（簇），最后形成多個(gè)簇，使同一個(gè)簇內(nèi)部的樣本相似度高，不同簇之間差異性高。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量的研究數(shù)據(jù)，受不良天氣影響較大的交通流特征參數(shù)主要有交通量、車流速度、飽和車頭時(shí)距、交叉口延誤這四類，本文選取飽和車頭時(shí)距和延誤兩個(gè)參數(shù)作為聚類的核心參數(shù)。根據(jù)調(diào)查分析，可計(jì)算飽和車頭時(shí)距的折減系數(shù)和延誤的折減系數(shù)。利用SPSS對(duì)飽和車頭時(shí)距折減系數(shù)和延誤的折減系數(shù)進(jìn)行聚類分析，如圖1所示。

根據(jù)聚類分析結(jié)果顯示，可以把9類不良天氣分為三個(gè)交通等級(jí)，分別是特強(qiáng)濃霧和強(qiáng)濃霧為一級(jí)不良天氣，暴雨、濃霧、大雨、大霧為二級(jí)不良天氣，中雨、小雨、輕霧為三級(jí)不良天氣，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，這三種不良天氣條件存在著顯著不同。

3 不良天氣下改進(jìn)的Webster法信號(hào)配時(shí)

3.1 黃燈時(shí)長(zhǎng)的改進(jìn)

由于在不良天氣條件下，駕駛員的反應(yīng)能力以及車輛的性能受到極大影響，黃燈時(shí)間的計(jì)算公式如下：

其中，δ0為駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，u為車輛進(jìn)入交叉口時(shí)的速度，a為車輛在交叉口的加速度矢量，G為交叉口進(jìn)口道縱坡的坡度。根據(jù)式1中的參數(shù)，在各級(jí)天氣條件下δ0、u、a都是不同的，因此黃燈時(shí)長(zhǎng)也需要因此做出改變。

3.2 非機(jī)動(dòng)車對(duì)信號(hào)配時(shí)的影響

將機(jī)動(dòng)車與非機(jī)動(dòng)車進(jìn)行根據(jù)一定的參數(shù)關(guān)系進(jìn)行混合折算，再利用混合后的交通量帶入Webster法中進(jìn)行信號(hào)配時(shí)，具體的公式如下：

其中，Q'1為第i個(gè)相位的非機(jī)動(dòng)車流量，α為折算系數(shù)。

不良天氣下的周期時(shí)長(zhǎng)計(jì)算公式為：

故修正后的最佳信號(hào)周期和綠燈時(shí)間為：

從上述公式中可以看出，將非機(jī)動(dòng)車與機(jī)動(dòng)車的混合交通量考慮到車流量中，更符合我國(guó)的交通實(shí)際。

4 實(shí)例分析

本文選取柳州市某交叉口為研究對(duì)象，對(duì)7：00-20：00之間對(duì)北進(jìn)口進(jìn)行單雙號(hào)限行，且限制黃牌貨車通行，達(dá)到優(yōu)化交通量的目的。根據(jù)關(guān)數(shù)據(jù)分析，可以得出正常天氣下下優(yōu)化后的信號(hào)配時(shí)圖，如圖2所示。

結(jié)合改進(jìn)的Webster算法以及計(jì)算公式，可以將各級(jí)條件下的信號(hào)配時(shí)參數(shù)計(jì)算出來(lái)，從而可以針對(duì)在不同的天氣條件下采取不同的信號(hào)配時(shí)方案。不同的分級(jí)天氣條件下信號(hào)周期不同，交通量和飽和車頭時(shí)距也隨著不良天氣的改變而改變。因此，在不同天氣條件下，信號(hào)配時(shí)應(yīng)該是動(dòng)態(tài)變化的。可以得到在各級(jí)天氣條件下不良天氣的信號(hào)配時(shí)圖，具體的信號(hào)配時(shí)圖見(jiàn)圖3-5所示。

針對(duì)不良天氣下的交叉口信號(hào)配時(shí)的結(jié)果，對(duì)交叉口信號(hào)配時(shí)進(jìn)行評(píng)價(jià)與分析。由調(diào)查可知，在正常天氣條件下的延誤約為23.07s，屬于C級(jí)指標(biāo)。在不良天氣條件下進(jìn)行信號(hào)配時(shí)后的交叉口延誤評(píng)價(jià)應(yīng)在C級(jí)及以上，交叉口延誤三級(jí)條件下為21.82s，二級(jí)條件下為23.66s，一級(jí)條件下29.12s，都處于C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，因此，該交叉口在不良天氣條件下表現(xiàn)良好。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)聚類分析，將大雨、濃霧和大霧等9類不良天氣劃分為三級(jí)交通等級(jí)不良天氣。（2）根據(jù)不良天氣的持續(xù)時(shí)間，交叉口擁堵情況，確定各級(jí)不良天氣條件下的信號(hào)配時(shí)優(yōu)化策略以及對(duì)原有的信號(hào)配時(shí)方法進(jìn)行改進(jìn)。（3）選取廣西柳州市某交叉口進(jìn)行實(shí)例分析，通過(guò)對(duì)各等級(jí)不良天氣下的交叉口延誤數(shù)據(jù)分析，確定優(yōu)化后的交叉口的服務(wù)水平，驗(yàn)證所制定的信號(hào)配時(shí)方案的合理性。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣賢才，裴玉龍. 冰雪道路交通安全管理措施及其成效分析[J]. 公路交通科技，2008（4）：127-131.

[2]杜軼群.霧霾對(duì)私家車主交通方式選擇行為的影響[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2014，27（7）：105-110.

[3]劉利花，張金喜.高速公路不良天氣交通事故分析[J].道路交通與安全，2006，6（8）：26-29.