交叉口信號配時優(yōu)化模型

劉寶鑫+王學(xué)桐+邢占龍+龔佃選

摘 要 優(yōu)化交叉口信號配時已成為解決當(dāng)今城市交通擁堵問題的關(guān)鍵所在。本文通過建立多目標(biāo)信號配時優(yōu)化模型，計算得出信號配時的最優(yōu)方案并且通過仿真模擬檢驗來最終確定最優(yōu)方案以此提高通行效率和道路服務(wù)水平。結(jié)果表明，方案優(yōu)化后，有效提高了實際平面交叉口的通行能力和服務(wù)水平，減少了城市交通網(wǎng)的交通延誤，改善了城市交通現(xiàn)狀。

關(guān)鍵詞 交叉口信號 多目標(biāo)信號配時優(yōu)化模型 仿真模擬 層次分析法

中圖分類號：U412. 35 文獻標(biāo)識碼：A

0引言

隨著我國城市化速度的加快以及城市規(guī)模的不斷擴大，交通供需矛盾日益突出，在城市交通網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的交通擁堵現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了社會經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高。為了提高城市道路交通管理水平，改善城市交通秩序，保障公路交通的暢通與安全，當(dāng)今世界各國普遍使用智能交通系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，核心的問題是交通信號智能控制。平面交叉口是道路交通的主要沖突點，不僅機動車數(shù)量多，而且行人和非機動車也在同一平面通過。目前在我國的大、中型城市交通管理中，普遍采用的是單點定時交通信號燈控制。定時控制這種傳統(tǒng)信號燈控制方法會造成某些方向綠時浪費，而在有些方向上車輛通行又延誤嚴(yán)重。因此，優(yōu)化交叉口信號配時是提高交叉口運行效率最有效的方法之一。

1多目標(biāo)信號配時優(yōu)化模型

1.1交叉口信號優(yōu)化配時

對于最佳信號配時和相位控制方案，分開考慮相位控制和信號配時。相位控制的優(yōu)化可以體現(xiàn)為各個流向所屬相位的改變。據(jù)此設(shè)立相位控制矩陣，利用0-1變量表示各個流向是否屬于每個相位。分析道路布局和實際交通的運行規(guī)則，得到相位控制的約束條件。

對于信號配時的優(yōu)化，首先考慮每個相位配時的范圍，設(shè)計算法對配時進行搜索，找出最優(yōu)配時方案。由于搜索量過大，利用樣本法和負(fù)荷系數(shù)Ei與指標(biāo)加權(quán)值函數(shù)關(guān)系，將遍歷簡化，最終找到最優(yōu)信號配時和相位控制方案。

我們用相位控制矩陣表示流向的分配。定義相位控制矩陣P=（pij），其中0-1變量pij表示第i個流向是否屬于第j（j=1，2，3，4）個相位。

對于評價交通狀況的四個指標(biāo)：單方向平均排隊長度Li、單流向平均延誤Ti、交通負(fù)荷系數(shù)Ei、單流向受阻車輛率 i，信號周期及配時應(yīng)該使之達到最小，這樣使交叉路口服務(wù)水平達到最高。

由于建立的數(shù)學(xué)模型為多目標(biāo)優(yōu)化模型，不能求解出結(jié)果。因此將四個目標(biāo)函數(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后進行加權(quán)，模型化簡，轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)模型。并設(shè)計算法，用Matlab進行求解，得出結(jié)果。

1.2層次分析法求權(quán)重

在定量評估交叉路口交通狀況過程中，考慮的評價指標(biāo)有：平均排隊長度、平均延誤、交通負(fù)荷系數(shù)、受阻車輛率。

為了將四個評價指標(biāo)綜合為一個加權(quán)總指標(biāo)，此處我們利用層次分析法對上述4個因子進行權(quán)重分析，分別求出兩個路口的最配時方案。各個方向的車輛到達率服從泊松分布。

2仿真檢驗

判斷矩陣A對應(yīng)于最大特征值 max的特征向量W，經(jīng)歸一化后即為同一層次相應(yīng)因素對于上一層次某因素相對重要性的排序權(quán)值，這一過程稱為層次單排序。這里給出一種簡單的計算矩陣最大特征根及其對應(yīng)特征向量的方根法的計算步驟。

最后應(yīng)用Vissim仿真軟件對復(fù)合交叉口得交通運行狀況進行計算機模擬。

3交叉路口交通服務(wù)水平評價模型

信號交叉口服務(wù)水平是衡量交叉口運行狀態(tài)的重要標(biāo)準(zhǔn)， 選取信號交叉口建議評價標(biāo)準(zhǔn)為信號交叉口服務(wù)水平指標(biāo)，將四個指標(biāo)每個等級的臨界值標(biāo)準(zhǔn)化后，得到評價指標(biāo)臨界值矩陣為A=（aij），其中aij為第j項指標(biāo)第i級與第i+1級的臨界值。對評價指標(biāo)進行加權(quán)，得到交叉路口交通分級綜合指標(biāo)。

4結(jié)論

針對設(shè)計算法來進行信號配時優(yōu)化這一問題，設(shè)計出信號配時的最優(yōu)方案，我們將服務(wù)水平作為衡量交叉口運行狀況的指標(biāo)。將平均排隊長度，平均延誤時間，交通負(fù)荷系數(shù)，車輛受阻率定為描述交叉口交通狀況的四個子指標(biāo)，并確定信號交叉口服務(wù)水平分級標(biāo)準(zhǔn)。利用層次分析法和熵值取權(quán)法得到各個指標(biāo)的權(quán)重矩陣，然后對各個流向的四個指標(biāo)進行和分級標(biāo)準(zhǔn)進行加權(quán)比較，得到個流向服務(wù)水平，然后綜合對比得到交叉路口的服務(wù)水平。信號配時的最優(yōu)方案可以將問題考慮為相位控制和信號配時兩個部分，綜合為多目標(biāo)優(yōu)化模型。結(jié)果表明方案有效改善了城市現(xiàn)狀。

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