一種交叉口信號配時輔助軟件的設計與實現

諶華金，張雷元，樹愛兵

(公安部交通管理科學研究所，江蘇 無錫 214151)

1 概述

20世紀60年代以來，歐美等一些發達國家相繼開發了信號配時輔助軟件，英國交通與道路研究所研制出一種TRANSYT(Traffic Network Study Tool)軟件，其以延誤、停車次數等作為性能指標，根據路網交通流量計算最優的信號周期和綠信比。美國Trafficware公司開發了信號配時仿真軟件Synchro，該軟件是對各種類型的信號控制和信號配時進行建模和優化的完整程序包，其對硬件系統無依賴性。德國、西班牙等國家開發了微觀交通仿真軟件，如 PTV Vissim、TSS Aimsun等，在軟件中集成了交通信號配時模塊，能生成信號配時方案并在仿真路網中運行，輸出排隊長度、停車次數和延誤等性能指標數據。

相比國外成熟的研究，國內對交叉口信號配時輔助軟件的研究尚處在摸索的階段。如同濟大學開發了一套交通信號配時輔助軟件J+SIGNAL，該軟件具有單路口和干線交通信號配時功能。文獻[1]針對我國城市混合交通流的運行特征，主要以交叉口平均延誤作為評價指標，系統功能較為單一，且文中提出的車道組的劃分、交通量、飽和流量的校正操作起來不太容易，文獻[2]研發的軟件功能和操作都相對簡單，但在配時方案的優化中缺乏相位順序的優化。文獻[3]仍然以交叉口平均延誤作為優化目標，目標單一，通過輸入交叉口各個車流的到達量和初始排隊長度等動態參數，計算最優的信號相位配時方案。但系統輸出的主要是最優相位序列，對各相位時間分配的最優化考慮不全面，功能受限。

科學地進行交叉口信號配時要求相關管理人員必須嚴格按照交叉口信號配時設計流程[4-6]進行操作，但從目前城市交通管理部門的科技人才隊伍來看，相關專業技術領域出身的管理人員較少。本文旨在為道路交通管理人員提供一個路口特征形象直觀、配時流程科學簡便的信號配時輔助工具，并且提供多種現有成熟的優化模型及算法，讓用戶根據各階段不同的優化目標進行選擇，從而輸出最優配時方案，使得不具備非常專業的交通信息工程及控制專業知識的人員能夠使用該軟件，進行交叉口的優化配時。

2 術語定義及數據結構

2.1 術語約定

本文設計所采用的交通信號控制基本術語主要參照相關國標[7]、行標[8]及國內外專著[9-12]中的定義，部分術語特別約定如下：

(1)交通流向：交叉口某個進口方向具有相同通行方向或通行權的交通流集合。

(2)關鍵交通流向：指能夠對整個交叉口的通過能力和信號配時設計起決定作用的流向。周期等于關鍵流向有效綠燈時間與損失時間的總和。

(3)疊加交通流向：在多個信號相位中獲得通行權的交通流向。

(4)信號相位：在一個信號周期內分配給一股或多股交通流向通行權的信號狀態。

(5)綠信比：綠信比是一個車道或流向的有效綠燈時長與周期時長之比。

(6)飽和度：

1)交通流向飽和度：交叉口某一交通流向的實際交通量與其通行能力的比值。

2)相位飽和度：相位放行的交通流向飽和度最大值。

3)交叉口總飽和度：飽和程度最高的相位所達到的飽和度值，并非各相位飽和度之和。

2.2 數據結構

通過分析交叉口信號配時數據需求，可將交叉口配時數據定義為輸入數據、輸出數據和系統數據。輸入數據包括交叉口幾何特征、交通流量數據，輸出數據為信號配時數據，而系統數據主要包括約束條件、算法參數、用戶數據及數據字典等。各類數據具體內容如表1所示。

表1 交叉口信號配時的數據分類及內容

需要指出的是一些輸入數據如幾何特征數據、流量數據、交通管制策略及約束條件等需要經過前期對交叉口進行數據調查或通過交通信息采集、感知設備才能獲得，并采用人工方式錄入軟件才能進行配時操作。而輸入數據、輸出數據、系統數據等都可保存為特定編碼規則的XML文件，方便用戶使用軟件重新讀入XML文件，極大地方便修改、保存各種交叉口信號配時參數，避免不必要的重復操作，且軟件的使用實行分級管理，某些重要參數和功能只有一定級別的用戶才可以修改，其他低級別用戶只能瀏覽查看，因而提高了軟件系統安全性。

3 軟件設計與實現

3.1 結構設計

軟件主要由圖形繪制模塊、信號相位模塊、信號配時模塊、數據管理模塊、系統管理模塊、數據庫、用戶界面等組成。

(1)圖形繪制模塊用于繪制和顯示各種交叉口圖形，實現交叉口、路段、交通流和車道等參數設置功能。

(2)信號相位模塊主要實現相位、相位順序設置功能。

(3)信號配時模塊主要實現信號周期、相位配時設置功能。

(4)數據管理模塊主要實現數據調查表生成、導入/導出、數據庫操作、交叉口、車道、相位、配時方案存取等功能。

(5)系統管理模塊實現系統參數管理和用戶管理功能。

(6)模板庫主要存儲交叉口模板，知識庫主要存儲算法參數和推理規則。

(7)圖形庫主要存儲交叉口、路段、車道等幾何圖形。

總體結構如圖1所示。

圖1 軟件架構

3.2 軟件操作流程

交叉口信號配時軟件操作詳細流程如圖2所示。

圖2 信號配時流程

信號配時軟件操作步驟如下：

(1)交叉口生成：如選取交叉口模板類型(三叉、四叉及多叉路口等)，設置交叉口幾何特征參數、約束條件及環境數據等。

(2)設置路段參數：根據步驟(1)中選擇的交叉口模板類型，路段的幾何特征參數已經確定，這里只需要設置約束條件和其他管制措施。

(3)設置交通流向參數：交通流向包括機動車流向和行人流向，須要注意的是在為每個路段(只需考慮進口方向)添加放行的交通流向時，每個路段只能添加一個行人流向。

(4)設置車道、人行橫道參數：為每個交通流向添加車道或人行橫道，并設置車道和人行橫道幾何特征數據，注意機動車流向只能包含車道，行人流向只能包含人行橫道。

(5)設置交通流向沖突距離：為存在嚴重沖突的各交通流向設置沖突距離。

(6)交通流量數據輸入：包括車道、行人流量數據輸入功能。

(7)設置相位方案參數：設置相位放行的交通流向及其他參數，調整相位放行順序等。

(8)設置配時方案參數并作配時效果評價：本文軟件選取配時方法的原則是：在交通流量比較均衡，控制目標追求平均延誤最小時，采用Webster法[11]；在交通流量不均衡，控制目標追求平均延誤和停車次數等綜合指標最小時，采用ARRB法[11]；其他情況參考HCM法[12]。軟件根據上述步驟(1)～步驟(7)中的參數設置情況自動計算出最佳周期及各相位的時間分配情況，并對配時效果做出評價，評價指標包括通行能力、總損失時間、平均延誤、飽和度及服務水平等。用戶可結合實際需求重新調整周期，各相位時間分配也自動重新計算。若仍不能滿足需求，則重復步驟(7)～步驟(8)即可。

(9)結果輸出：包括生成一個動態刷新顯示的配時圖，并可將軟件界面涉及到的所有數據按照一定編碼規則保存為XML文件，方便軟件重新讀入XML文件，修改調整相關參數。

3.3 關鍵技術實現

3.3.1 交叉口參數設置

軟件自動生成的典型四路交叉口如圖 3所示，形象化地顯示每個車道(機動車道、非機動車道)及編號、位置、交通流量，人行橫道的位置、交通流量等相關參數，并根據用戶輸入數據的變化動態刷新顯示。程序實現時主要用到了CBitmap、CDC、CClientDC及CFont類等。

圖3 交叉口生成示意圖

3.3.2 相位方案選擇

以典型四相位放行為例，軟件自動生成的相位放行圖如圖4所示，其中，第1相位放行東西直行(機動車流向)，南北直行(行人流向)，第2相位放行東西左轉(機動車流向)，第3相位放行南北直行(機動車流向)，東西直行(行人流向)，第4相位放行南北左轉(機動車流向)。圖片直觀、清晰地顯示出相位放行順序和相位放行的車道、人行橫道轉向，程序實現時主要用到 CRgn、CPaintDC、CClientDC、CPen等類。

圖4 相位放行圖

3.3.3 配時方案生成

以圖 4所示的典型四相位放行為例，軟件生成的相位配時圖如圖 5所示，且圖形會隨著相位數目及各相位時間參數的變化而動態刷新顯示，圖中黃燈時間均為3 s，紅燈時間均為1 s，程序實現時主要用到CPercentageCtrl、CRect等類。

圖5 相位配時圖

4 技術驗證與示范應用

4.1 交叉口的選取原則

首先是要有典型性：即可代表大多數交叉口，如十字路口和T型三叉路口等，有信號燈進行控制，其次是交通流量要求：交叉口總交通流量達到每小時2000輛以上。

4.2 示范交叉口現狀調查及改進設計

4.2.1 現狀調查

項目組選取的示范交叉口位于無錫市濱湖區，分別為東西向梁清路-公益路、梁清路-景宜路、梁清路-鴻橋路、梁清路-隱秀路，南北向錢榮路-大池路、錢榮路-動物園、錢榮路-錢胡路共7個交叉口。其中，梁清路-景宜路、梁清路-公益路、錢榮路-大池路、錢榮路-錢胡路為 T型三叉路口，其余為十字路口，在信號燈安裝和設置方面，采用機動車信號燈和方向指示信號燈相組合的方式，所有路口的信號燈均符合國標GB14886-2006中的設置規定。

目前十字型交叉口主要采用典型的四相位進行控制，依次為東西直行、東西左轉、南北直行、南北左轉；T型三叉交叉口采取典型的三相位階段進行控制；唯一例外的是錢榮路-動物園這個十字型交叉口由于東西向左、直、右混行，采取的是三相位進行控制。各交叉口的相位順序都采取先直行后左轉的方式。非機動車采取與機動車相同的放行方式，并同時放行，行人隨直行的機動車一起放行。具體信號配時參數如表2所示。

表2 各交叉口相位配時參數1

4.2.2 設計改進

采用本文軟件的理論和操作流程，對示范交叉口重新進行信號配時優化設置(各交叉口的相序方案不變，即仍然采取先直行后左轉的方式，具體為東西直行、東西左轉、南北直行、南北左轉)，得出各個交叉口的周期和相位配時參數如表3所示。

表3 各交叉口相位配時參數2

4.3 效果評價

利用Vissim交通仿真軟件并在未考慮行人、非機動車因素影響情況下進行測試，應用本文研究成果進行配時的7個示范交叉口最終的測試評價數據為平均延誤(s)、最大排隊長度(m)、平均停車次數分別比原來減少21.69%、31.7%、13.10%，說明了本文研究成果的應用價值。但本文測試由于受各種條件限制，對外部的影響因素考慮不太完全，如天氣情況、行人和非機動車干擾等。因此，測試結果具有一定的局限性。下一步還需結合多種因素，選擇更多交叉口進行應用測試，通過測試不斷調整和完善研究成果，使之更適合道路交叉口交通信號配時設計。

5 結束語

作為一種可通用的道路交叉口信號配時輔助軟件，本文提出一種完整簡捷的配時設計流程，給出了系統的數據需求，設計并實現的輔助配時軟件可將各種優化配時參數和相關配置文件保存起來，方便隨時存取、動態調整更新相關配時參數，能較好地滿足城市道路交通管理人員對交叉口信號配時的技術需求。但該軟件目前還是脫機版，需要人工將計算結果錄入交通信號控制系統，也還缺少配時效果動態仿真、最優陒位(陒序)的自動生成以及交叉口渠化與信號配時的協調優化[13-14]等功能，一定程度上影響了軟件的使用效果，下一步將研究軟件的輸出結果與交通信號控制系統自動對接并下發到路口信號控制機執行，以減少操作人員工作量，增加軟件使用友好性。

[1]裴玉龍, 蔣賢才, 劉博航.混合交通條件下的信號交叉口配時設計系統[J].哈爾濱工業大學學報, 2006, 38(4): 585-588.

[2]毛漢穎, 李曉萍.基于VB的道路交叉口定時信號配時軟件設計[J].廣西工學院學報, 2007, 18(2): 62-65.

[3]浙江大學.十字交叉口信號配時優化軟件(1.0版)[EB/OL].(2007-03-26).http://wenku.baidu.com/view/cda0a0a0b0717fd 5360cdc65.html.

[4]Federal Highway Administration.Traffic Signal Timing Manual(TSTM)[EB/OL].(2008-10-21).http://worldcat.org/isbn/9781933452487.

[5](德)道路與交通工程研究學會.交通信號控制指南——德國現行規范(RiLSA)[M].李克平, 譯.北京: 中國建筑工業出版社, 2006.

[6]同濟大學, 上海市公安局交通巡邏警察總隊.城市道路平面交叉口規劃與設計規程[Z].2001.

[7]公安部交通管理科學研究所, 公安部交通安全產品質量監督檢測中心.GB 25280-2010 道路交通信號控制機[S].2010.

[8]公安部交通管理科學研究所.GA/T509-2004 城市交通信號控制系統術語[S].2004.

[9]楊曉光.城市道路交通設計指南[M].北京: 人民交通出版社, 2003.

[10]楊佩昆, 吳 兵.交通管理與控制[M].北京: 人民交通出版社, 2003.

[11]全永燊.城市交通控制[M].北京: 人民交通出版社, 1989.

[12]美國交通研究委員會.道路通行能力手冊[M].任福田,劉小明, 榮 建, 等, 譯.北京: 人民交通出版社, 2007.

[13]劉培華, 于 泉, 劉金廣, 等.信號交叉口渠化與信號配時協調優化研究[J].交通信息與安全, 2009, 27(3): 24-27.

[14]常爭艷, 賈志絢, 武美先.信號配時與交通設計協調優化[J].太原科技大學學報, 2010, 31(1): 39-41.