基于不良天气下的单点信号灯控制优化

陆岱骏

摘 要：在不良天气条件下对单点交叉口的信号控制优化，是能够使得车辆在不良天气条件下交叉口延误降低、降低交通事故率、增大交通安全系数的重要手段。本文首先通过对目标城市——柳州市的天气环境进行调查，结合柳州市气象局的资料公开发布，将柳州市存在的雨、雾、霾天气进行聚类分析，将各种天气按照对交叉口延误和饱和车头时距的影响分为一级、二级和三级天气。然后再对各级天气条件下的交叉口利用Webster法进行优化，通过对黄灯时长以及道路交通量的改进，提出改进的Webster法，重新对一级、二级、三级天气条件下的交叉口不良信号进行优化。通过对优化后的交叉口进行延误分析，结果表明在各级不良天气下采取不同的信号配时，可以有效降低行车延误，提高交叉口通行能力。

关键词：不良天气 聚类分析Webster法 信号优化

1 引言

单点信号控制是道路交通信号控制最基本的单元。由于在交叉口信号配时研究中，大部分的配时方案都是在假设正常天气情况下设定的，这就使得在不良天气情况下，交叉口的信号配时方案无法准确、高效的调节车辆的通行，这就使得大部分的交叉口在雨、雪、雾霾、沙尘暴等各种不良天气中造成车辆拥堵、排队、大面积交通瘫痪等现象。可以发现研究各种不良天气下交叉口的信号配时，制定高效、合理的交叉口单点信号控制策略，提高交叉口车辆在各类天气下的通行效率具有重要意义。

基于雪、降雨以及由于雾、霾引起的道路能见度水平高低等气象条件下道路交叉口车辆通行的交通量、行驶速度、饱和车头时距和车流密度等数据，深入分析不良天气对道路交叉口交通流特征参数的影响。蒋贤才对比了国内外在冰雪条件和非冰雪条件下交通道路的交通组织状况，建立由信息提供、交通控制和冰雪处理三种措施下的冰雪道路交通信号安全管理体系[1]。杜轶群发现雾霾的污染程度对公共交通的增长有着很大影响，当空气中的雾霾污染越严重，就会有更多的私家车主转而乘坐公共交通[2]。刘利花针对恶劣天气下高速路口交通事故的研究调查，表明路面抗滑性能的好坏和能见度的高低是影响道路事故率的重要因素之一[3]。建立了HCM信号配时算法、RBF神经网络道路通行能力计算模型以及Webster信号配时算法等等。但以往的研究只是考虑单一的不良天气，没有综合各类不良天气条件下交通流特征参数变化情况。

本文考虑在各类不良天气条件下交叉口的交通流特征参数变化情况，并在此数据基础上用K-means聚类分析建立了不良天气交通等级划分;通过各级不良天气对各类交通流特征参数的影响情况研究，对交叉口的信号配时方案进行优化。

2 不良天气的聚类分析

所谓聚类算法是指将一堆没有标签的数据自动划分成几类的方法，根据样本之间的距离或者说是相似性（亲疏性），把越相似、差异越小的样本聚成一类（簇），最后形成多个簇，使同一个簇内部的样本相似度高，不同簇之间差异性高。

根据国内外大量的研究数据，受不良天气影响较大的交通流特征参数主要有交通量、车流速度、饱和车头时距、交叉口延误这四类，本文选取饱和车头时距和延误两个参数作为聚类的核心参数。根据调查分析，可计算饱和车头时距的折减系数和延误的折减系数。利用SPSS对饱和车头时距折减系数和延误的折减系数进行聚类分析，如图1所示。

根据聚类分析结果显示，可以把9类不良天气分为三个交通等级，分别是特强浓雾和强浓雾为一级不良天气，暴雨、浓雾、大雨、大雾为二级不良天气，中雨、小雨、轻雾为三级不良天气，从图中可以发现，这三种不良天气条件存在着显著不同。

3 不良天气下改进的Webster法信号配时

3.1 黄灯时长的改进

由于在不良天气条件下，驾驶员的反应能力以及车辆的性能受到极大影响，黄灯时间的计算公式如下：

其中，δ0为驾驶员的反应时间，u为车辆进入交叉口时的速度，a为车辆在交叉口的加速度矢量，G为交叉口进口道纵坡的坡度。根据式1中的参数，在各级天气条件下δ0、u、a都是不同的，因此黄灯时长也需要因此做出改变。

3.2 非机动车对信号配时的影响

将机动车与非机动车进行根据一定的参数关系进行混合折算，再利用混合后的交通量带入Webster法中进行信号配时，具体的公式如下：

其中，Q'1为第i个相位的非机动车流量，α为折算系数。

不良天气下的周期时长计算公式为：

故修正后的最佳信号周期和绿灯时间为：

从上述公式中可以看出，将非机动车与机动车的混合交通量考虑到车流量中，更符合我国的交通实际。

4 实例分析

本文选取柳州市某交叉口為研究对象，对7：00-20：00之间对北进口进行单双号限行，且限制黄牌货车通行，达到优化交通量的目的。根据关数据分析，可以得出正常天气下下优化后的信号配时图，如图2所示。

结合改进的Webster算法以及计算公式，可以将各级条件下的信号配时参数计算出来，从而可以针对在不同的天气条件下采取不同的信号配时方案。不同的分级天气条件下信号周期不同，交通量和饱和车头时距也随着不良天气的改变而改变。因此，在不同天气条件下，信号配时应该是动态变化的。可以得到在各级天气条件下不良天气的信号配时图，具体的信号配时图见图3-5所示。

针对不良天气下的交叉口信号配时的结果，对交叉口信号配时进行评价与分析。由调查可知，在正常天气条件下的延误约为23.07s，属于C级指标。在不良天气条件下进行信号配时后的交叉口延误评价应在C级及以上，交叉口延误三级条件下为21.82s，二级条件下为23.66s，一级条件下29.12s，都处于C级标准，因此，该交叉口在不良天气条件下表现良好。

5 结语

（1）通过聚类分析，将大雨、浓雾和大雾等9类不良天气划分为三级交通等级不良天气。（2）根据不良天气的持续时间，交叉口拥堵情况，确定各级不良天气条件下的信号配时优化策略以及对原有的信号配时方法进行改进。（3）选取广西柳州市某交叉口进行实例分析，通过对各等级不良天气下的交叉口延误数据分析，确定优化后的交叉口的服务水平，验证所制定的信号配时方案的合理性。

参考文献：

[1]蒋贤才，裴玉龙. 冰雪道路交通安全管理措施及其成效分析[J]. 公路交通科技，2008（4）：127-131.

[2]杜轶群.雾霾对私家车主交通方式选择行为的影响[J].中国公路学报，2014，27（7）：105-110.

[3]刘利花，张金喜.高速公路不良天气交通事故分析[J].道路交通与安全，2006，6（8）：26-29.