交叉口信號控制與設(shè)施優(yōu)化

摘 要：從交叉口設(shè)施優(yōu)化和信號控制兩方面入手對交叉口交通組織進行分析與闡述。強調(diào)在現(xiàn)有交通設(shè)施的前提下色彩化、人性化的重要性。同時成功引入博弈論，并在此基礎(chǔ)上，以四相位為例建立單點交叉口信號控制模型。

關(guān)鍵詞：交通設(shè)施；信號控制；博弈論

中圖分類號：F290 文獻標志碼：A 文章編號：1673-291X（2013）12-0176-02

目前，混合交通是中國城市道路交通的顯著特征之一，這使得中國交通組織相對較為復(fù)雜。而交叉口是交通流反復(fù)分流、合流及交叉之處，更容易受到混合交通的影響，致使平面交叉口成為制約城市路網(wǎng)容量的瓶頸。因此對交叉口的設(shè)施及信號控制進行研究、設(shè)計、優(yōu)化，提高交叉口通行能力是十分必要的。

一、交叉口交通設(shè)施優(yōu)化

交通設(shè)施是傳遞交通管理信息的道路語言，是確保交通安全、有序、暢通的重要手段。近年來，隨著市政府對交通設(shè)施投入的增大，交通設(shè)施在完整性、連續(xù)性、鮮明性方面有了很大改善。為進一步滿足人們的出行需求，提高交通安全，豐富交通文化，可以從色彩化、人性化方面進行探討研究，對交通設(shè)施進行進一步的優(yōu)化和完善。

（一）色彩化

色彩不僅給人的印象迅速，更有使人增加識別記憶的作用，所以在交通管理設(shè)施設(shè)計中色彩恰到好處地處理能起到融合表達功能和情感的作用，具有豐富的表現(xiàn)力和感染力?？梢試L試從以下方面做起：（1）在行人較多的地方可以運用彩色斑馬線，斑馬線還是白色基本色的，只是在底下鋪一層黃色的材料，這層材料覆蓋的范圍比斑馬線略大，斑馬線便可從“黑白”相間變成“黃白”相間。“黃色”斑馬線要比一般黑白相間的斑馬線醒目，因此會有很好警示的作用。司機從很遠就可以看到并開始減速，行人過街也會比較從容。（2）嘗試統(tǒng)一將南北方向（或者東西方向）的護欄上部刷成綠色，這對于外地駕駛員或者不了解當?shù)貭顩r的司機來講，具有很好的指示作用。

交通管理設(shè)施的系統(tǒng)用色往往更能體現(xiàn)所在城市的獨特性，可以代表當?shù)鬲毺氐娜宋牡赜蛭幕?，但若缺乏系統(tǒng)管理，就會出現(xiàn)用色混亂狀況。這就要求相關(guān)設(shè)計部門從城市的整體色彩環(huán)境出發(fā)，考慮大眾審美，建立健全交通管理設(shè)施用色管理機制，對交通管理設(shè)施用色進行科學(xué)、合理的設(shè)計和改善。

（二）人性化

交叉口設(shè)施優(yōu)化除考慮車輛行駛所需的必要信息外，對行人的道路信息指引也是十分必要的。其設(shè)計原則應(yīng)該是在簡潔明了的基礎(chǔ)上傳達盡可能多的信息[2]。在情況允許的條件下可嘗試以下方法：（1）可在路側(cè)指示標志上添加門牌號信息，如在“南”的下方加上“21+”，則表明人們沿著指示方向向南走，遇見的第一個門牌號就是21，繼續(xù)向前走的話，門牌號依次增大。這樣就可以在不用很大變動的情況下，為行人提供更多指示信息，進一步體現(xiàn)交通管理設(shè)施設(shè)計和應(yīng)用的人性化。（2）做到“警”必“禁”，有“禁”必“指”，在禁令標志上游一般設(shè)立指示標志，提示下游禁限內(nèi)容，從而減少違法行為的發(fā)生。真正做到交通管理標志內(nèi)部管理與服務(wù)相協(xié)調(diào)，彌補道路建設(shè)中留下的安全隱患[3]。

二、交叉口信號控制——博弈論

當前，許多新理論被運用到交通分析與管理中，如熵理論、流體力學(xué)、層次分析、模糊數(shù)學(xué)、建模仿真等，這些理論的運用為交通問題分析注入了新的動力，帶來了交通管理的新發(fā)展[4]。本文重點介紹的是基于多人合作博弈的單點交叉口信號控制方法。

（一）博弈論的基本要素

博弈論通過使用嚴謹?shù)臄?shù)學(xué)模型來研究沖突、對抗條件下的最優(yōu)決策。構(gòu)成一個博弈的基本三要素有：局中人、策略集和支付函數(shù)。

局中人集合N={1，2，…n}：局中人即博弈參與人。

（三）多人合作博弈的估值解

合作博弈的求解可通過一套公理化體系，得到唯一的“合理”的分配值，并且其求解方法較簡單。

1.策略集的選取。對交通信號燈來說，可選擇的策略有紅燈或綠燈即（Red，Green）。對單點交叉口四相位信號控制來說只存在4個策略組合的情況下收益大于0即在同一時刻四個相位中有一個相位是綠燈，另外三個相位都為紅燈。其他情況下的相位組合收益均為0。所以，策略集可表示為（Green，Red，Red，Red）（Red，Green，Red，Red）（Red，Red，Green，Red ）（Red，Red，Red，Green）。

2.贏得值的確定。博弈中的贏得值是個預(yù)測值，即博弈之初參與人對各種可能的策略組合下收益的一種預(yù)測。對信號交叉口控制來說，排隊長度是最直觀的收益值，因此本文中選取排隊長度值最為博弈贏得值[4]。排隊長度值的計算如式（3）所示：

公式中，queue length表示排隊長度值；q為當前相位的排隊長度；t為當前相位的執(zhí)行時間；car-length為平均車長；average-speed表示當相位保持綠燈信號時，駛離交叉口的所有車輛的平均速度；當信號由紅燈轉(zhuǎn)換為綠燈或綠燈轉(zhuǎn)換為紅燈時，公式3中的Z1取0，Z2取0；當信號由綠燈轉(zhuǎn)換為綠燈時Z1取-1，Z2取0；當信號由紅燈轉(zhuǎn)為紅燈時，Z1取0，Z2取-1。

3.收益矩陣的建立。對單點交叉口四相位信號控制來說，在某一時刻獲得通行權(quán)的相位可能有四種情況，在確定收益矩陣的時候就會存在四種可能情況：

情況一：當前獲得通行權(quán)的相位是第一相位，即當前4個參與人的信號燈狀態(tài)為（Green，Red，Red，Red），這種情況下4個參與人可以選擇的策略組合（如表1所示）。表中，支付函數(shù)（S1n，Pn，Pn，Pn）表示相位1，2，3，4分別選擇策略（Green，Red，Red，Red）時各個相位上的贏得值。

同理，情況二：當前獲得通行權(quán)的是第二相位，即當前4個參與人的信號燈狀態(tài)為（Red，Green，Red，Red，Red）；情況三：當前獲得通行權(quán)的是第三相位，即當前4個參與人的信號燈狀態(tài)為（Red，Red，green，Red），和情況四：當前獲得通行權(quán)的是第四相位，即當前4個參與人的信號燈狀態(tài)為（Red，Red，Red，Green）時對應(yīng)的博弈的收益矩陣也可獲得。至此單點交叉口四人合作博弈模型確定了。然后，依據(jù)式2進行求解即可。

三、小結(jié)

管理設(shè)施優(yōu)化和信號控制是交叉口管理的重要手段，本文從這兩方面進行了探討，提出了交叉口交通設(shè)施的色彩化與人性化，并引入了博弈論控制算法，具有一定的參考價值。需要指出的是在現(xiàn)代交通管理實踐中，無現(xiàn)成的經(jīng)驗可遵循。因此，只有時刻以動態(tài)的觀點看待交通，不斷挖掘新方法、總結(jié)新規(guī)律，運用新理論，才能不斷解決交通問題，將交通事業(yè)發(fā)展推向一個新的臺階。