智能交通燈控制系統(tǒng)優(yōu)化*

范姝彤，李思思

（四川師范大學(xué)數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，成都610066）

1 引 言

城市交通控制信號(hào)網(wǎng)的基本單位是單叉路口。路口信號(hào)燈配時(shí)不合理是導(dǎo)致交通不便的主要原因之一。優(yōu)化路口信號(hào)燈的配時(shí)可以減少路口擁堵、避免空放，從而提高道路的通行能力。現(xiàn)階段僅考慮機(jī)動(dòng)車因素的單叉路口紅綠燈協(xié)調(diào)配時(shí)方案較多[1-4]。然而，交通的參與形式并非只有機(jī)動(dòng)車一種，僅考慮機(jī)動(dòng)車因素的單叉路口紅綠燈配時(shí)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(hào)燈未考慮行人因素時(shí)，會(huì)發(fā)生諸多違規(guī)行為，阻礙機(jī)動(dòng)車通行，大大降低機(jī)動(dòng)車的通行能力。基于此，綜合考慮機(jī)動(dòng)車及行人的通行能力和等待時(shí)間，建立一個(gè)單叉路口實(shí)時(shí)信號(hào)燈配時(shí)優(yōu)化模型。以成都市內(nèi)靜安路川師段交叉口的數(shù)據(jù)采集為實(shí)例，驗(yàn)證所構(gòu)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(jī)動(dòng)車及行人在單交叉路口的所有交通流動(dòng)狀態(tài)，定義四個(gè)相位如表1 所示。其中機(jī)動(dòng)車涉及四個(gè)相位，不考慮右轉(zhuǎn)車輛；行人涉及兩個(gè)相位，與機(jī)動(dòng)車的相位一、三相同。因此把行人的兩個(gè)相位歸于機(jī)動(dòng)車的相位一、三，提及相位一、三時(shí)，默認(rèn)為機(jī)動(dòng)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(shí)時(shí)配時(shí)算法

與單叉路口紅綠燈實(shí)時(shí)配時(shí)算法有關(guān)的主要概念解釋如下：

機(jī)動(dòng)車等待時(shí)間：一輛機(jī)動(dòng)車從到達(dá)單叉路口停下至再次啟動(dòng)的時(shí)間；

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

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

通人量：在通人時(shí)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(shí)間之比；

通人率：通人量與通人時(shí)間之比。

算法主要采用一級(jí)模糊控制及二級(jí)實(shí)時(shí)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(jìn)入一級(jí)模糊控制，計(jì)算出此相位的預(yù)估模糊通行時(shí)間；然后進(jìn)入二級(jí)實(shí)時(shí)控制，以3s 為一個(gè)周期，精確計(jì)算出通車率與通人率，進(jìn)而比較得出下一個(gè)通行相位。考慮到機(jī)動(dòng)車及行人的通行安全，在每次變換信號(hào)燈前，都設(shè)有3s 綠燈閃爍時(shí)間和3s 黃燈時(shí)間。在3s 黃燈時(shí)間內(nèi)，任何機(jī)動(dòng)車和行人不得進(jìn)入單叉路口?；趯?duì)司機(jī)與行人的心理調(diào)研，綜合設(shè)置機(jī)動(dòng)車等待時(shí)間最大為120s，若相位等待時(shí)間達(dá)到120s，則此后優(yōu)先考慮此相位。

改進(jìn)的單叉路口紅綠燈實(shí)時(shí)配時(shí)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(shí)例?？紤]行人因素對(duì)紅綠燈配時(shí)的影響，在優(yōu)化過程中，具體做了如下工作：首先，針對(duì)川師南門的實(shí)際交通情況，采用抽樣調(diào)查的方法，統(tǒng)計(jì)了一天當(dāng)中四個(gè)時(shí)間段，包括8 點(diǎn)、12 點(diǎn)、17 點(diǎn)和24 點(diǎn)的車流量和人流量，用于量化行人對(duì)紅綠燈配時(shí)的影響。接著計(jì)算通人率所占總通行率的比例：得到行人因素所占的動(dòng)態(tài)權(quán)重系數(shù)。權(quán)重系數(shù)隨人流量實(shí)時(shí)改變，人流量越大，權(quán)重系數(shù)越大。然后加權(quán)計(jì)算出未來10s 的總通行量。為計(jì)算行人最小安全通行時(shí)間，隨之抽樣調(diào)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(quán)計(jì)算出行人平均速度為1.39m/s，進(jìn)而計(jì)算出最短行人通行時(shí)間為15.11s?？紤]到3s 黃燈時(shí)間，將轉(zhuǎn)換相位后的第一次檢測(cè)時(shí)間增至12s，若檢測(cè)后不更換相位，則檢測(cè)時(shí)間仍為3s，以保證行人可以安全通過此路口。

圖1 改進(jìn)的單叉路口紅綠燈實(shí)時(shí)配時(shí)算法流程圖

首先選擇初始通車相位。輪流給予機(jī)動(dòng)車的4個(gè)相位20s 通車時(shí)間，采取視頻監(jiān)控的統(tǒng)計(jì)方式，可得出每個(gè)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(jìn)入一級(jí)模糊配時(shí)。通過長(zhǎng)時(shí)間的視頻監(jiān)測(cè)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(shí)等級(jí)

直至到達(dá)某個(gè)等級(jí)終止，此時(shí)間即為該相位的初始模糊配時(shí)（最長(zhǎng)綠燈時(shí)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(dòng)時(shí)間，單位為s。

然后進(jìn)入二級(jí)實(shí)時(shí)控制。以3s 為周期統(tǒng)計(jì)當(dāng)前相位的通車數(shù)及通人數(shù)，更新該相位這三秒內(nèi)的平均通車率和平均通人率，步驟如下[6-8]：

1)計(jì)算行人因素所占的動(dòng)態(tài)權(quán)重系數(shù)，即通人率所占總通行率的比例pi。

2)預(yù)測(cè)未來10s 各相位的模擬通行率。假設(shè)繼續(xù)給予該相位10s 的綠燈時(shí)間，則可計(jì)算該相位未來10s 內(nèi)的通行率為：

進(jìn)而以同樣方法計(jì)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(shí)間已經(jīng)超過120s 的相位，若有，則將該相位作為下一通車相位。

若當(dāng)前相位的通行率最大，則保持原相位。繼續(xù)監(jiān)測(cè)下一個(gè)3s 周期內(nèi)的通行率，直至一級(jí)模糊配時(shí)結(jié)束，并把綠燈閃爍之前最后一個(gè)周期內(nèi)的通行率作為該相位的實(shí)時(shí)通行率。

若存在其他相位的通行率高于當(dāng)前相位通行率，則將當(dāng)前綠燈設(shè)置為3s 閃爍，再設(shè)置3s 黃燈（安全時(shí)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(shí)間最長(zhǎng)的相位作為下一通車相位。

采用完全通行時(shí)間作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，目的是可以更容易與原始的固時(shí)情況進(jìn)行比較。因此，采用控制變量的方法，在機(jī)動(dòng)車和行人數(shù)量固定的情況下，以兩種配時(shí)模型分別得出改進(jìn)模型和固時(shí)情況的完全通行時(shí)間。完全通行時(shí)間越小，表單通行能力越強(qiáng)，越利于交通通行。

4 模擬結(jié)果

固時(shí)紅綠燈配時(shí)方案由圖2 所示?？芍?，對(duì)于傳統(tǒng)的固定順序輪轉(zhuǎn)相位紅綠燈配時(shí)模型，其輸入的模擬數(shù)據(jù)，在一個(gè)周期即第一、二、三、四相位輪轉(zhuǎn)一次后可使模擬車輛全部通過，共用時(shí)180s。

圖2 固時(shí)紅綠燈配時(shí)方案示意圖

改進(jìn)實(shí)時(shí)紅綠燈配時(shí)方案由圖3 所示。對(duì)于改進(jìn)的非固定相位輪轉(zhuǎn)非固時(shí)紅綠燈配時(shí)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(shí)間，接著轉(zhuǎn)入第三相位并給予該相位18s 綠燈通行時(shí)間，然后轉(zhuǎn)入第二相位并給予該相位24s 綠燈同行時(shí)間，依次按圖3 所示順序及時(shí)間給予四個(gè)相位綠燈通行時(shí)間，直至給予第三相位18s 綠燈通行時(shí)間可使輸入的模擬通車數(shù)據(jù)全部通過，共用時(shí)111s。

圖3 改進(jìn)實(shí)時(shí)紅綠燈配時(shí)方案示意圖

接著用上組測(cè)試數(shù)據(jù)在Vissim 軟件中進(jìn)行模擬，改進(jìn)前后模型的可視化模擬結(jié)果分別如圖4 和圖5 所示。經(jīng)比較可見，改進(jìn)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(shí)單叉路口的通行能力，有效緩解固時(shí)模型的空放問題，提高了通行率。

圖4 固時(shí)模型模擬效果圖

圖5 改進(jìn)實(shí)時(shí)模型模擬效果圖

5 結(jié)束語(yǔ)

改進(jìn)后的智能單叉路口紅綠燈實(shí)時(shí)配時(shí)算法模型，在對(duì)路口交通情況提出合理假設(shè)的前提下，充分考慮了路口機(jī)動(dòng)車與行人的通行能力與實(shí)際等待時(shí)間。故優(yōu)化后的系統(tǒng)對(duì)路口復(fù)雜多變的交通情況有很強(qiáng)的適應(yīng)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(hào)燈控制的實(shí)時(shí)性要求。在此基礎(chǔ)上，還可提出雙叉路口的模型。由于算法僅以單叉路口的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，各相鄰路口之間相互獨(dú)立，對(duì)于雙叉路口的情況，可根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的通行數(shù)據(jù)來智能地調(diào)控紅綠燈配時(shí)。此改進(jìn)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(quán)重，是否存在更為優(yōu)化的方案，還需更多的試驗(yàn)及數(shù)據(jù)來驗(yàn)證。