城市交叉口信号配时控制系统的软件设计与实现

城市交叉口信号配时控制系统的软件设计与实现

张石，张鹏，张博

黑龙江工程学院,汽车与交通工程学院,哈尔滨,150000

摘要：伴随经济发展，城市规模不断扩大，交通流量也随之增加，交通拥挤现象渐渐的变得严重，甚至影响到人们的出行和生活，因此道路交通安全问题开始越来越受到人们的关注。日益增多的汽车拥有量容易引起交通阻塞从而在各领域引发恶性事件。由于交叉口是城市道路的主要设施之一，而且交叉口的通行效率还会影响城市的道路整体服务水平，所以想要减轻城市的道路交通压力可以把提高城市交叉口的通行效率作为有效措施之一，而想要改善城市交叉口的通行效率，可以拓宽交叉口面积和对交叉口的信号配时研究，但由于城市道路资源的限制无法拓宽交叉口面积，故必须对交叉口的信号配时开展研究。本文基于 Webster算法设计的城市交叉口配时软件，旨在缓解交叉口的交通拥堵，使城市更好地发展。

关键词：交叉口、配时研究、软件设计

中图分类号：U491                                      文献标识码：A

文章编号：

0引言

随城市经济发展使公民汽车拥有量逐年增加，但因为城市道路的设施没能跟上城市发展以及城市原有的道路利用率不高导致交通堵塞情况逐渐严重，造成了交通事故频发和环境恶化等一系列的恶性结果，对社会也有较深的影响如GDP、土地资源、能源及环境等领域。所以解决城市交通拥堵的情况至关重要，以下两方面是主导交通拥堵的原因：

（1）城市道路时空资源限制

通过对世界交通和机动化发达国家交通用地的分析，得出这些国家的城市道路面积率一般为18%-35%，而我国城市道路平均面积率仅为8.5%左右，北京市也仅为11%；国际上规定道路利用率不低于20%，但我国《城市土地分类与规划建设地标GBJ137-90》中城市道路面积率仅为8%-15%。正是由于信号交叉口用地面积的限制，拓宽交叉口面积可以解决信号交叉口的交通效率问题，因为没有多余的可用空间，所以无法解决[1]；

（2）城市汽车保有量增长迅猛

随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，城市汽车保有量和交通量逐年增加。当某段城市道路长期处于交通拥堵状态时，在时空资源和扩张成本的约束下，为了提高城市道路的交通效率，交通研究者将研究重点转向城市道路节点信号交叉口，从提高交叉口的交通效率入手，进而提高区域乃至整个城市交通网络的运行能力。利用信号交叉口理论，对运行效率较低的交叉口进行更新分配或改变控制方式，使交通控制由定时控制向高效智能控制转变[2]。

1国内外研究情况

1.1国外研究情况

1950年以来，美国出版的《公路通行能力手册》（HCM）经过多次修订，成为涵盖多模式交通系统的较为完整的专业技术手册，世界各国对能力的研究大多以美国的研究标准和方法为基础，并在此基础上开展了基于国情的能力分析方法研究。加拿大、德国等发达国家根据本国交通实际情况，组织专业研究团队开展实地调查研究，并制定出版了符合本国国情的道路通行能力研究方法。20世纪80年代至90年代，一些发展中国家在本国政府的支持下，也对道路通行能力进行了研究，制定了适合中国国情的通行能力手册。

1868年，英国在伦敦威斯敏斯特大街安装了红绿灯，标志着城市开始使用交通信号灯；1918年，在纽约街角安装了手动三色信号灯，标志着历史上真正意义上的信号灯的诞生；20世纪初，国外对交叉口信号控制进行了较为深入的研究。

2007年，Ghassan Abu-lebdeh等人提出了一种交通信号控制方法。这些研究方法在一定程度上提高了交通信号控制优化的效果；

2010年，佛罗里达学者史蒂夫奇瑞指出，传统的解决方案很难满足日益增长的交通需求。他提出了“交叉”模式对常用的交叉口进行改进，并在美国各大网站上展示了aimsun60和VISSIM设计的一些仿真平台，展示了无交通信号的连续流交叉口和平行流交叉口，在控制参数方面，取得了很好的控制效果[3]；

2013年，葡萄牙交通研究人员采用Java语言结合TraSMAPI算法，通过单点信号控制交叉口软件编程，完成与Aimsun API函数的动态连接，实现交叉口动态配时和实时交通信息采集，这也是交叉口研究的大趋势和研究热点。

1.2国内研究情况

目前，国内道路通行能力研究尚未形成统一的方法，缺乏适合我国国情的通行能力分析体系，相关研究一直处于薄弱环节，不能真实反映我国道路交通运行的特点。正因为如此，与国外一些国家相比，我国道路通行能力的研究还存在较大差距。

国内早期的信号交叉口配时控制技术主要是引进和借鉴国外相关技术，而我国智能交通技术的研究和应用起步较晚。目前，澳大利亚的SCATS系统仍在天津、宁波、上海等中国城市使用[4]。

近年来，随着智能交通的不断探索和研究，一些基于我国国情的交通评价分析方法被提出。

1999年，刘志勇等人在研究多相位单交叉口交通指挥决策过程的基础上，设计了模糊诱导控制器

[5]。

2004年，张莉等人提出了分形几何控制理论用于交通流控制。无序交通流似乎隐藏着非线性和可控的几何规律。车辆的几何要素与信号灯前的车辆布置图形经过单元划分后，形成相似的几何图形。本文提出了一种分形理论来揭示这些几何规律。该理论对我国城市道路混合交通现状具有较强的适应性；

2006年，王秋平、谭学龙等人通过分析单点信号交叉口的交通流特性和通行能力，建立了以平均延误时间和平均停车次数最小为目标，以有效绿灯时间、饱和度和周期长度为约束条件的城市单点信号交叉口信号配时优化模型，并用遗传算法求解；

2010年，公安部交通管理科学研究院树爱兵在《信号交叉口渠化与信号配时协调优化研究综述》中详细分析了渠化设计与信号配时设计的有机结合共同决定交叉口的运行效率，指出信号交叉口“时空一体化”协调优化的发展趋势；

2010年，太原科技大学的常争艳等人提出了信号配时、交通几何设计和相序设计的协调优化思想。以太原市桃园路口为例，建立了以停车延误、停车次数和通行能力为目标的信号配时优化模型。采用罚函数粒子群优化算法同时优化绿灯时间和信号周期，控制效果是两者达到最佳匹配[5]；

2013年，公安部交通管理科学研究院谌华金在《交叉口信号配时辅助软件的设计与实现》一文中设计了交叉口信号配时辅助软件。结果表明，该软件用于道路交叉口信号配时是有效可行的[6]。

2020年，长安大学孙港通过分析西安市翠华路育才路道路交叉口拥堵的原因，得到了从改善信号配时方案角度对交叉口进行优化的可行性,并相应地进行仿真评估,以出行时间、平均排队长度为指标对现状配时方案比较,说明优化效果[7]。

2信号配时软件功能的实现

2.1软件设计采用的方法

到目前为止，国际上对定时信号的定时方法主要有TRRL方法（又称Webster方法）、澳大利亚的ARRB方法和美国的HCM方法。在我国，有“停车线法”和“冲突点法”。本软件采用韦伯斯特算法进行交叉口信号配时。该方法以车辆通过交叉口的延误时间作为评价指标。延迟时间最小的周期长度是最佳周期长度。得到循环长度后，根据各相最大流量比的比例分配各相绿灯显示时间[8]。

Webster算法的延误公式如下：

式中：平均延误（s）;

周期长（s）；

绿信比；

实际到达交通量；

饱和度。

Webster算法的最佳周期近似公式：

式中：­­­­­­­--最佳周期（s）；

L--总延误(s)；

Y--交叉口全部相位的最大流率比之和。

L值计算公式如下：

式中：I为绿灯间隔时间；

A为黄灯时间；

为启动损失时间。

Y值计算公式如下：

式中：i=1,2…n（n代表相位数）；

代表第i相位下最大的流量比；

每一相位的有效绿灯时间：

从而得到交叉口配时所需要的各参数。

2.2软件设计原理

在为单交叉口设计交通信号配时，则必须根据不同的流量时段划分信号配时时段，并在同一时段内确定相应的配时方案。利用各流向的设计交通量数据对交叉口进行改造和管理时，信号配时设计流程如图1所示[9]。

图1改建、治理交叉口时信号配时设计流程

2.3软件功能的实现

信号交叉口配时软件的设计过程如图2所示，主要用于定义交叉口信息数据处理和信息流形成的运行分析方法的整体运行和数据传输过程，从而使基于可视化软件的交叉口配时控制过程更加清晰易懂。

图2设计流程及模块设计简图

软件登入系统需输入用户注册的账号、密码才能进入系统使用软件，如图3所示；进入软件系统后，用户需手动将交叉口基本信息输入，如图4所示。

图3系统登入                

图4基本参数输入

用户输入基本参数后软件系统将会自动对交通量进行校正，如图5所示；校正后软件系统将会对绿灯时间进行分配，如图6所示。

图5交通量校正

图6绿灯时间分配

分配后软件系统将开始对绿灯时间进行定时控制，如图7所示。

图7定时控制

3结论与展望

本文采用VB软件对交叉口的信号配时进行了研究，设置了四相，对交叉口配时进行了研究和比较，对提高交叉口的运行效率具有重要意义，它应用范围广，能够快速分配交叉口的时间，不像人工时间分配那样麻烦，大大缩短了时间分配。根据信号控制过程中涉及的参数。城市交叉口配时软件的开发必须越来越合理、越来越先进，这样才能有效减少城市交通拥堵引发的恶性事件，使城市各个领域的发展越来越好。

参考文献

[1]刘金明.基于多目标规划的城市道路信号交叉口配时研究[D].北京交通大学硕士学位论文,2011.

[2]胡桂戎.城市道路交叉口的实时交通信号控制研究[J].控制理论与应用,2020,39（2）:5-8.

[3]张骥,汤元会.城市路网交叉口信号预测及配时控制[J].西安工业大学学报,2015,35（8）:672-677.

[4]刘改红,方承林.单交叉口信号配时软件设计[J].长沙大学学报,2012,26（5）:93-96.

[5]常争艳,贾志绚,武美先.信号配时与交通设计协同优化[J].太原科技大学学报,2010,31(1):38-41.

[6]谌华金,张雷元,树爱兵.一种交叉口信号配时辅助软件的设计与实现[J].计算机工程,2013,39（6）:72-75.

[7]孙港.城市信号控制交叉口仿真研究和优化设计[J].设计研究,2020（2）:111-113.

[8]杨佩昆.交通管理与控制[M].北京:人民交通出版社,2014.

[9]王娜.信号交叉口配时研究及软件设计[D].辽宁工业大学硕士学位论文,2015.

作者简介：张石（2001-）男 本科在读，研究方向交通工程；

张鹏(1979-)，男，工学博士，主要研究方向为交通管理与控制，交通运输规划与管理

基金项目：黑龙江工程学院大学生创新训练项目（202111802099），黑龙江工程学院大学生创新训练项目（202111802125）；