交叉口信号配时优化模型

刘宝鑫+王学桐+邢占龙+龚佃选

摘 要 优化交叉口信号配时已成为解决当今城市交通拥堵问题的关键所在。本文通过建立多目标信号配时优化模型，计算得出信号配时的最优方案并且通过仿真模拟检验来最终确定最优方案以此提高通行效率和道路服务水平。结果表明，方案优化后，有效提高了实际平面交叉口的通行能力和服务水平，减少了城市交通网的交通延误，改善了城市交通现状。

关键词 交叉口信号 多目标信号配时优化模型 仿真模拟 层次分析法

中图分类号：U412. 35 文献标识码：A

0引言

随着我国城市化速度的加快以及城市规模的不断扩大，交通供需矛盾日益突出，在城市交通网络中产生的交通拥堵现象日趋严重，严重影响了社会经济的发展和人民生活水平的提高。为了提高城市道路交通管理水平，改善城市交通秩序，保障公路交通的畅通与安全，当今世界各国普遍使用智能交通系统。在该系统中，核心的问题是交通信号智能控制。平面交叉口是道路交通的主要冲突点，不仅机动车数量多，而且行人和非机动车也在同一平面通过。目前在我国的大、中型城市交通管理中，普遍采用的是单点定时交通信号灯控制。定时控制这种传统信号灯控制方法会造成某些方向绿时浪费，而在有些方向上车辆通行又延误严重。因此，优化交叉口信号配时是提高交叉口运行效率最有效的方法之一。

1多目标信号配时优化模型

1.1交叉口信号优化配时

对于最佳信号配时和相位控制方案，分开考虑相位控制和信号配时。相位控制的优化可以体现为各个流向所属相位的改变。据此设立相位控制矩阵，利用0-1变量表示各个流向是否属于每个相位。分析道路布局和实际交通的运行规则，得到相位控制的约束条件。

对于信号配时的优化，首先考虑每个相位配时的范围，设计算法对配时进行搜索，找出最优配时方案。由于搜索量过大，利用样本法和负荷系数Ei与指标加权值函数关系，将遍历简化，最终找到最优信号配时和相位控制方案。

我们用相位控制矩阵表示流向的分配。定义相位控制矩阵P=（pij），其中0-1变量pij表示第i个流向是否属于第j（j=1，2，3，4）个相位。

对于评价交通状况的四个指标：单方向平均排队长度Li、单流向平均延误Ti、交通负荷系数Ei、单流向受阻车辆率 i，信号周期及配时应该使之达到最小，这样使交叉路口服务水平达到最高。

由于建立的数学模型为多目标优化模型，不能求解出结果。因此将四个目标函数指标标准化后进行加权，模型化简，转化为单目标模型。并设计算法，用Matlab进行求解，得出结果。

1.2层次分析法求权重

在定量评估交叉路口交通状况过程中，考虑的评价指标有：平均排队长度、平均延误、交通负荷系数、受阻车辆率。

为了将四个评价指标综合为一个加权总指标，此处我们利用层次分析法对上述4个因子进行权重分析，分别求出两个路口的最配时方案。各个方向的车辆到达率服从泊松分布。

2仿真检验

判断矩阵A对应于最大特征值 max的特征向量W，经归一化后即为同一层次相应因素对于上一层次某因素相对重要性的排序权值，这一过程称为层次单排序。这里给出一种简单的计算矩阵最大特征根及其对应特征向量的方根法的计算步骤。

最后应用Vissim仿真软件对复合交叉口得交通运行状况进行计算机模拟。

3交叉路口交通服务水平评价模型

信号交叉口服务水平是衡量交叉口运行状态的重要标准， 选取信号交叉口建议评价标准为信号交叉口服务水平指标，将四个指标每个等级的临界值标准化后，得到评价指标临界值矩阵为A=（aij），其中aij为第j项指标第i级与第i+1级的临界值。对评价指标进行加权，得到交叉路口交通分级综合指标。

4结论

针对设计算法来进行信号配时优化这一问题，设计出信号配时的最优方案，我们将服务水平作为衡量交叉口运行状况的指标。将平均排队长度，平均延误时间，交通负荷系数，车辆受阻率定为描述交叉口交通状况的四个子指标，并确定信号交叉口服务水平分级标准。利用层次分析法和熵值取权法得到各个指标的权重矩阵，然后对各个流向的四个指标进行和分级标准进行加权比较，得到个流向服务水平，然后综合对比得到交叉路口的服务水平。信号配时的最优方案可以将问题考虑为相位控制和信号配时两个部分，综合为多目标优化模型。结果表明方案有效改善了城市现状。

参考文献

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