大數據時代下城市交通網絡智能算法研究?

滕 文

（陜西國際商貿學院信息與工程學院 西安 712046）

1 引言

交通擁堵問題一直是阻礙我國城市化進程的問題之一。城市交叉路口是交通擁堵發生的主要地點，尤其是在車流量較大，交通還未足夠發達的二線城市，很多平面交叉口的通行能力不足相關路段平均通行能力的50%［1］。西安市的道路交通就很具有代表性，流動人口車輛眾多，道路縱橫交錯，有些施工路段較亂，即使地鐵緩解了市民通行壓力，在每日上下班高峰以及節假日高峰時段，交通堵塞問題仍時有出現。近些年來，西安市政府一直致力于改善交通狀況，除了改善市民的出行方式外，也對交叉口信號進行控制，這些都對緩解交通擁堵起到了一定的作用。傳統控制系統顯然不能滿足城市交通的要求，因此開發者需充分利用系統工程的思想和方法，學習更為先進的交通控制理論，只有軟硬件相結合才能更好地完善交通系統的控制。

2 基于韋伯斯特算法的配時設計

2.1 韋伯斯特配時法

韋伯斯特配時法是以車輛延誤時間最小為目標來進行信號配時計算，其主要通過對車輛延誤和最佳周期時長的計算來實現，這里的周期時長是建立在車輛延誤的計算基礎之上，是目前交通信號控制中較為常用的計算方式，設計步驟如下：

1）計算計算交通量，計算每個入車道的流量比。如式（1）所示：

q 為配時時段中，某入道口的設計交通量，Q5為某入口道某流向的高峰小時中最高5min 內的車輛流率。

2）選取每個相位中最大的流量比進行加法計算，如式（2）所示：

其中C =信號周期（s），L=周期損失時間（s），Ge=周期有效綠燈時間（s），Gei=相位有效綠燈時間（s）。若其結果大于0.9，根據近似配時法可計算出最佳周期至少為200s，即超過3min，此時交叉口車輛等待時間過長，反而會給過往的車輛增加不必要的等待。此時應重新選取方案，如選取增加專用相位的方案。當滿足流量比和小于等于0.9，則可確定該相位方案可用。

3）分別求出該相位方案下各個相位的配時，最佳周期與損失時間，然后再次利用每個相位比占相位比之和的比重來確認各相位綠燈時間來完成配時初步設計。最佳周期的計算如式（3）所示：

接下來將要完成的內容就是如何利用這些步驟和公式系統的對某街道交叉口進行仿真。

2.2 交叉口仿真設計

此次仿真是利用現有數據對某街道交叉口的信號控制進行模擬仿真，通過該仿真實例可以將該信號配時的方法應用在其他交叉口上，本仿真數據來源均取自西安市交管所，數據真實可靠。數據記錄西安18 年4 月份在某街道交叉口的車輛通行數據。本次仿真實驗由理論與實踐結合，從中抽取部分數據進行仿真。其中區域號路口號是確定交叉口位置，車道口分別與圖中標識對應。以5min 時間為間隔進行數據采集，通過得到的車輛統計數據接下來就可以采用韋伯斯特配時法進行該交叉口的配時。

1）由于該交叉口是個典型的多車道交叉口，首先假定了四相位的分配方案，由于未能獲得該交叉口入道口的飽和流量數據，本文將采用基本標準的道路飽和流量，如表1所示。

表1 道路飽和流量表

2）開始計算某一高峰時段路道的交通量，本文隨機抽取4 月25 日某街道交叉口早高峰8 時～9 時的車道數據，并從中選取其中車流量較大的8點05分的車輛數據作為計算交通量。并將其他車型換算成小型車來進行統計。并且按照以下比例來進行換算：一輛微型車=1/3 輛小型車，中型車=1.75輛，大型車=2.25輛，特大型車輛不計入統計。下面對7號車道進行統計，統計結果如表2所示。

3）獲得道口設計的交通量，然后依據得到的數據列出表格進行流量比計算，由于通過對車輛通行數據觀測發現0、1、2 三個入口道并沒有車輛通行數據，可以認為此時北入口道已關閉，即此時可以用三相位模型來布置相位，此時的入道口變成8個，如圖1所示。

4）取得每個流向的交通量進行流量比計算，流量比此時約等于交通量與車道數和飽和流量乘積的比值。完成上述步驟，選取普遍黃燈時間3s，則可得到周期損失時間為9s（3×3），算得總流量比Y=0.21+0.4+0.28=0.89=0.9，考慮到選取的時段是全天高峰時段，則此時根據韋伯斯特算法得出的結果得出此時的最佳周期168s，有效綠燈時間Ge=168-9=159s。接下來可以根據有效綠燈時間分別求出三個相位的有效綠燈時間分別是：

通過以上步驟，基本的配時方案已經達成，接著進行方案的可行性判斷，接下來的步驟將對方案進行檢測。

5）進行行人通行約束檢測，行人通行檢測即檢查每個相位是否滿足在紅燈時間足夠行人通過人行道，因為每個相位紅燈必然對應相對相位綠燈，所以可以通過綠燈與黃燈時間合來檢測行人是否能在時間內同行，通過列表來計算每個相位下的通行時間得出的結果，最短行人過街時間超過40s 顯然滿足行人約束。

6）根據各個車道的車輛延誤情況，對每個入口道車輛的平均延誤進行計算，然后再繼續加權延誤來對平均延誤進行估算，從而也能對服務水平做出判斷。車輛延誤是指車輛因交通受阻或其他設施影響通行所損失的時間，這里不做深入分析，服務水平又叫服務等級，是衡量道路或交叉口為駕駛員和乘客所提供服務質量的等級，分為A～F級。平均延誤越低服務等級越高，A級最高，F級時為阻塞狀態。

7）最后一步畫出信號相位相序圖。相序圖即是每個相位時，交通流的通行順序，可看出三個相序時的交談流的通行。圖2 相序圖，東西方向入口道左轉顯示綠色通行信號，直行與右行方向為紅色禁止信號。南北方向為紅色禁止通行信號。圖3相序圖，東西方向直行右轉顯示綠色通行信號，左行變紅色禁止信號，南北方向同樣顯示紅色禁止通行信號。圖4 相序圖，南入口道開通，顯示綠色信號允許直行與右轉，東西方向顯示紅色信號禁止通行。

圖1 修改過后的交叉口圖

圖2 第一相位相序圖

圖3 第二相位相序圖圖

圖4 第三相位相序圖

3 交叉口仿真模擬實驗設計

3.1 系統設計

本章通過編寫一個交叉系統來模擬交叉口的車輛通行。交叉口系統由三個模塊組成，第一模塊是車輛通行模塊，仿真采用在給定范圍內隨機生的車輛信息。第二個是交通信號燈控制模塊，車輛每次經過交叉口遵從交通燈信號的引導。三是數據庫模塊，數據庫主要負責記錄車輛通行的數據，并且提供給信號控制模塊韋伯斯特算法所需要的參數。交叉口車輛通行流程中的交叉口的信號由交通信號控制模塊根據已有的交通量進行配時生成的。當該流向信號顯示為紅燈將等待，若為綠燈則同行，若為黃燈，已進入交叉口的車輛繼續通行，未進入交叉口的車輛進行等待，暫不考慮出交叉口后的車輛情況。

3.2 仿真結果

仿真結果如圖5 和6 所示，仿真圖為未加界面的十字路口界面，左上角為交通燈的信號，此時即為東西方向通行。仿真實驗根據庫中預先存入的數據完成配時，綠燈時間10s，黃燈時間3s，配時最佳周期23s，此時為東西方向黃燈時刻的交通情況。ABCD 分別代表四種車型和數量（不考慮車的真實位置）。

圖5 橫向綠燈截圖

圖6 橫向黃燈截圖

4 結語

本次仿真實驗將理論與程序實踐相結合，學習并實現了韋伯斯特配時法在城市交叉口信號控制上的應用，并通過仿真實驗證實其可行性。實驗采用的交叉口和選取的數據都真實可信，仿真結果也證明了利用該算法配時的可行性。該仿真實驗的創新點在于實現了交叉口信號的動態控制，因為韋伯斯特配時法需要計算出最佳相位周期，當一個完整的相位周期結束時，可以重新進行配時計算，這樣一來可以通過采用若干個鄰居周期內的交通量作為下一周期配時的參考，這樣一來只要交通流的變化趨于穩定，動態配時能夠最優地保證在最佳周期較短的情況下交叉口的有序通行。