交叉口信號配時優化模型

劉寶鑫+王學桐+邢占龍+龔佃選

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

關鍵詞 交叉口信號 多目標信號配時優化模型 仿真模擬 層次分析法

中圖分類號：U412. 35 文獻標識碼：A

0引言

隨著我國城市化速度的加快以及城市規模的不斷擴大，交通供需矛盾日益突出，在城市交通網絡中產生的交通擁堵現象日趨嚴重，嚴重影響了社會經濟的發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，當今世界各國普遍使用智能交通系統。在該系統中，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重。因此，優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多目標信號配時優化模型

1.1交叉口信號優化配時

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。相位控制的優化可以體現為各個流向所屬相位的改變。據此設立相位控制矩陣，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則，得到相位控制的約束條件。

對于信號配時的優化，首先考慮每個相位配時的范圍，設計算法對配時進行搜索，找出最優配時方案。由于搜索量過大，利用樣本法和負荷系數Ei與指標加權值函數關系，將遍歷簡化，最終找到最優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：單方向平均排隊長度Li、單流向平均延誤Ti、交通負荷系數Ei、單流向受阻車輛率 i，信號周期及配時應該使之達到最小，這樣使交叉路口服務水平達到最高。

由于建立的數學模型為多目標優化模型，不能求解出結果。因此將四個目標函數指標標準化后進行加權，模型化簡，轉化為單目標模型。并設計算法，用Matlab進行求解，得出結果。

1.2層次分析法求權重

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

為了將四個評價指標綜合為一個加權總指標，此處我們利用層次分析法對上述4個因子進行權重分析，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對應于最大特征值 max的特征向量W，經歸一化后即為同一層次相應因素對于上一層次某因素相對重要性的排序權值，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特征向量的方根法的計算步驟。

最后應用Vissim仿真軟件對復合交叉口得交通運行狀況進行計算機模擬。

3交叉路口交通服務水平評價模型

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

4結論

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

參考文獻

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