交通信号协调控制算法研究

高 双

（晋中学院 机械学院，山西 晋中 030619）

交通信号协调控制算法研究

高 双

（晋中学院 机械学院，山西 晋中 030619）

随着城市建设的不断加快，交通运输设施尤其是道路交通面临的压力日益增大。在城市路网中，对交通拥堵等状态进行信号调整，对于城市路网提高系统控制和运行效率具有非常重要的意义。

交通信号；协调控制；算法研究

1 交通信号协调控制概述

交通信号包括指挥灯、车道灯、行人灯、手势信号灯，作为疏导交通的重要交通工具，在交叉路口等位置对道路交通秩序进行控制，保证车辆和行人的安全出行。

交通信号协调控制的优劣决定了城市交通的通行能力，是缓解城市拥堵，解决城市交通压力的重要措施。因此，对交叉路口等通行能力的设计、组织和管理，是交通信号协调控制的重要目的。

2 交通性能评价指标

针对我国具体的交通运输国情，应进一步加强城市交通信号控制系统的研究工作，在交通信号协调控制算法上加以改进，通过合理地给交通流分配通行权，有效分离交通流，提高通行率，保障出行安全。

信号控制指数主要包括周期、相位、相位差、饱和度、流量、速度等，对这些任务进行合理配置是为了保证交叉路口车流通行能力的提升。如信号周期为红绿黄3种信号灯在一定时间内依次闪亮的循环时间周期C，适当的周期对舒缓交通流和减少车辆等待时间起着决定性作用。

信号相位是交叉路口某个方向或者几个方向的交通流。当这些通行权被分配得当时，不论何时都能获得完整的信号灯色显示，不同等色的连续时序就是一个相位。一般的相位为每个交叉路口二、三、四相。相位增多表明交通安全系数高。相位差包括绝对相位差和相对相位差。指的是信号绿灯、红灯从起点到终点的时间差。

排队长度分为非饱和条件下车辆在交叉口停车线后的排队长度、饱和条件下车辆排队长度、过饱和条件下，车辆排队长度。

在实际道路、交通、信号控制条件下，通过进口道停车线的最大车辆数，被称为通行量。通行量的整体性、相关性等要素表示了交叉路口的系统的运转情况。掌握交通量、车辆延误时间、运行速度等参数变量，就能对系统的动态特性进行掌控，减少交通事故的发生。

3 固定周期配时算法

通过交叉路口信号灯的灯色顺序和持续时间，可以有效控制交通信号系统协调行使功能。

3.1 按照响应方式进行分类

根据交叉路口历史交通量数据确定控制参数，一天一种的配时方案为单时段定时控制，这种方式简单、投资较少、维护方便，但是不能适应变化的交通条件；不同时段的交通量执行不同配时方案为多时段定时控制。一天可分为几个时段，根据不通的周期时长选择不同的控制方式变换参数。

根据交叉路口设置的车辆到达检测器，对交通量变动实行实时控制，分为半感应式控制和全感应控制，优势在于检测到的车辆信息可以随时改变信号灯配时方案，但是难以用数学模式描述交通流变化大的情况。

优化控制是对城市路网调度和管理。工作原理为交通信号机上传到上位机交通数据，由上位机对交通量信息进行控制参数的自动调节，形成最优控制的配时方案。

3.2 按照控制范围来分类

单点控制是根据路口的实际情况进行独立运行的控制，适用于相邻信号机间距远、线控没有效果、交通需求变动大的情况，目前在我国大多数交叉路口使用。

对干道交通信号进行协调控制的方式，将主干道上的若干连续交通信号进行联系，设计协调调配的方案，实现信号灯的联合运行，达到减少车辆停车次数的目的。此为干线控制，具有设定公用的周期时长，提高道路通行能力的特点，可以使相邻的交叉路口具有相同的信号控制周期，使各相位的绿灯开启时间错开一定的时间。根据道路交叉路口的信号灯控制方式的不同，可以划分为定时式协调控制和干道信号感应式控制。

网络控制是将整个区域内的信号交叉路口作为协调控制对象，控制区域内信号交叉路口的集中控制，由中央控制室统一协调交叉路口信号机，将区域内的交叉路口联合起来进行统一协调控制。

3.3 按照控制策略分类

适应交通量变化的自适应控制系统，在区域交通网中设置检测器，采集交通数据进行联机控制，适应控制系统投资高、结构复杂[1]。

3.3.1 按照控制方式不同

（1）对应交通流状况，按照事先做好的交通控制方案和控制参数对交通实行动态管制。（2）根据实时交通流数据，计算最佳交通控制参数，设施动态交通控制。

3.3.2 按照控制结构分类

（1）分散控制是将大系统进行分散控制，每个分散控制的机构对局部进行控制，设备费用低，维护方便。（2）集中控制是由中央控制结构对整个过程和对象进行集中检测与控制，将信号集中传递到中央控制机构，对所控区域内的交叉路口进行统一的交通流数据采集和优化。（3）协调控制多个分散协调机构，将被控对象进行局部控制，作出下级决策，完成相应的局部控制任务和全局性的控制任务。

4 改进的交通信号协调控制算法

关于交通信号协调控制算法，国内外学者提出了很多方案。涉及的关键问题都是对交通系能评价指标的选取。通过改进的交通系能评价指标，具有实用性和有效性。

改进的交通信号协调控制涉及的关键问题有：（1）交通信号系协调控制系统的设计总体方案；（2）交通系能评价的指标确定；（3）交通信号协调控制算法的研究。

相位相序设计是对一个或者几个车流在一个信号周期内获得完全相同的信号灯色显示，包括相位相序设计和配时设计。相序方案涉及轮流给车辆和行人分配通行权的问题，在改进方案中根据较常见的三相位和四相位交叉路口进行了相位和相序的方案设计。

（1）四相位交叉路口在4个方向设立直行、左转、右转车道，第一个相位运行东西方向直行和右转车辆行驶，第二相位运行东西方向左转，第三相位允许南北直行和右转，第四相位允许南北向车辆左转。（2）三相位交叉路口设立了3个方向的两个车道，第一个相位允许南向右转，东向左转和右转，第二相位允许东向右转，南向右转，第三相位允许东向右转，北向直行，南向直行和右转。（3）信号配时算法，协调了交通信号的控制问题，首先通过修建立交桥、专用车道、行人天桥等分流车辆、行人，其次设置交通信号灯和控制机，按照交通通行权需求在时间上将车流分开。信号配时设计从相位相序的基础上，根据车道、车辆、车速等情况进行方案的最优配置，以提高交叉路口通行能力和减少交叉路口延误的时间为目标。实现交通信号配时协调控制的方式，包括：一是优化参数，针对实际要求进行校核，优化调整配时参数；二是先列出实际约束条件，结合条件进行参数优化；第三是进行科学运算，使用计算机软件对信号配时参数进行计算，包括交通信号相位、相序、周期、绿信比[2]。

使用固定周期配时算法，用于夜间等时段交通量稳定的情况，计算交通车流量和饱和流量，寻找最佳信号配时方案。

5 结语

本文谈及的交通信号协调控制算法融入了计算机技术，能够合理解决统计以及计算复杂等问题，解决了点与面的配合关系：用固定周期配时算法解决交通量稳定的情况，用改进的交通信号协调控制算法和采取人工干预的方法，解决突发事件。

[1]别一鸣，李轶舜，王琳虹，等.考虑城市干道车队运行特点的交通信号协调控制算法[J].西南交通大学学报，2013（2）：357-367.

[2]王雪茹，高婷婷，李萌，等.一种改进的基于合作调停的交通协调控制算法[J].哈尔滨理工大学学报，2014（1）：59-63.

Research on traffic signal coordinated control algorithm

Gao Shuang
（Mechanical Engineering School of Jinzhong University, Jinzhong 030619, China）

With the rapid development of the construction of city, transportation facilities, especially the road traffic, traffic pressure it faced with is increasing. In the city road network, signal adjustment to traffic congestion state has very important significance for the city road network system control and improving operating efficiency.

traffic signal; coordinated control; algorithm research

高双（1991— ），女，山西吕梁，硕士研究生，助教；研究方向：控制科学与工程。