刘改红，方承林

(1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004;2.中铁八局三公司，贵州 贵阳 550000)

单交叉口控制作为城市整个区域交通控制中的一个基本的交通控制单元，是干线协调控制盒系统实时优化控制的基础，也是城市交通管理与控制的关键.随着城市内交通量的增加，多数交叉口都是通过信号灯来进行控制和管理，而信号配时需要采集大量的数据并进行计算，配时过程很繁琐.除了大量的计算还要编制相位图、信号控制参数、信号配时图等相关技术文件.传统的配时都采用的是手工配时，繁琐的计算过程浪费时间且很容易导致计算错误.现今计算机技术快速发展，如果将交通信号配时与计算机技术相结合，开发出一种信号配时软件，就能极大地提高工作效率，起到事半功倍的效果.本项目研究的目的是通过计算机交通信号控制实验平台，运用VB软件来设计单交叉口交通信号配时方案，从而达到优化交通运行的目的.

目前常用的定周期信号配时方法主要有英国的Webster法、TRRL法、澳大利亚的ARRB方法、美国的HCM方法以及停车线法和冲突点法等［1，2］.近年来，交通工程学者越来越重视利用计算机来解决交通问题.毛汉颖和李晓萍设计了基于TRRL方法的信号配时系统［3］，该系统能完成交叉口各种相位的定时信号配时设计，极大地简化了配时工作.本文主要采用Webster方法利用VB软件进行信号配时软件的设计.

1 信号配时参数分析及确定

信号配时采用的参数主要有两类，分别为信号控制参数和交通流参数.信号控制参数是设置信号灯采用的参数，交通流参数是描述交叉口交通流量的参数.

描述交通流状态的参数主要有饱和流量、通行能力和饱和度.饱和流量是绿灯时间内连续车队通过停车线能通过的最大车辆数.交叉口的通行能力等于各进口道设计通行能力之和，进口道通行能力受交叉口渠化方式的影响.饱和度为实际到达交通量与通行能力之比，通常用饱和度来评价交叉口的运行效率.饱和度越低，表明交叉口服务水平越高;饱和度越高，表明交叉口车辆到达量接近交叉口设计通行能力，交叉口服务水平降低.

定时信号配时中，信号控制参数主要包括周期时长、绿信比、绿灯显示时间、绿灯间隔时间和最短绿灯时间.周期时长为各个流向车流完成一组色灯变换所需要的时间，等于红灯时间+绿灯时间+黄灯时间.通常，采用Webster配时方法来确定最佳周期时长，以使交叉口的整体效益最大.周期长度确定后，按比例分配各相位绿灯时间，即绿灯显示时间.绿信比是一个相位内某一方向有效绿灯时间与周期长度之比，是表示通行效率的指标.绿灯间隔时间是某个相位绿灯结束时间到另一相位绿灯开始时间的间隔，包括黄灯时间和全红时间.绿灯间隔时间的作用是清空绿末时间进入交叉口还未来得及出交叉口的车辆，绿灯间隔时间的设置关系到交叉口的运行效率及行车安全，因此交通工程学者更重视对绿灯间隔时间设置的研究.目前主要用冲突点来确定和计算绿灯间隔时间，如图1所示，杨晓光教授［4］用机动车－机动车(C)和机动车－行人(D、E)的安全交叉理论来确定信号控制的绿灯间隔时间.最短绿灯时间是为了保障交叉口交通安全设置的最短绿灯显示时间.最短绿灯时间要充分保障行人过街安全和排队车辆的消散.

图1 两相位交叉口冲突点示意图

2 信号配时软件功能实现

2.1 软件设计采用方法

此软件采用的是Webster算法来对交叉口进行信号配时.该方法以车辆通过交叉口的延误时间作为评价指标，通过求的延误时间最小时的周期时长为最佳周期时长，得出周期时长后以各相位的最大流量比所占的比例来分配各相位绿灯显示时间.

Webster算法的延误公式如下:

Webster算法的中心思想是使所有随机到达信号交叉口的车辆延误时间最小.根据延误公式，运用数学方法对平均延误求导数并使导数为零可求得最佳周期，此时交叉口的延误最小.Webster经反复验算，给出了最佳周期近似公式:

其中k1和k2与交叉口具体条件、交通条件有关，是可变的，通常取值为k1=1.5，k2=5;C0—最佳周期(s);L—总延误(s);Y—交叉口全部相位的最大流率比之和.

L值计算公式如下:

式中，I为绿灯间隔时间，A为黄灯时间，l为启动损失时间.

Y值计算公式如下:

其中，i=1，2…n，n代表相位数，Yi代表第i相位下最

从而得到交叉口信号配时所需要的各参数.

2.2 软件设计原理

(1)对此单交叉口进行渠化调查，确定其相位数.

(2)估算各进口道设计饱和流量，及各类车道设计交通量，计算流量比和交叉口饱和度.

(3)计算交叉口绿灯间隔时间及信号总损失时间.

(4)计算饱和度并与0.9进行比较，当大于0.9，则返回，对交叉口重新进行渠化，小于0.9则进行后续计算.

(5)计算交叉口总有效绿灯时间、各相有效绿灯时间、各相绿信比及绿灯显示时间，再与最短绿灯时间进行比较.

(6)计算交叉口延误，确定其服务水平等级.当其服务水平达到A、B级则，交叉口服务水平满足要求，当服务水平低于B级，则交叉口服务水平不满足新建交叉口服务水平，再返回到对交叉口车道设计交通量处，对车道设计交通量进行重新确定.流程图见图2.大的流量比，最后计算得到每一相位的有效绿灯时间:

图2 交叉口信号配时流程图

2.3 VB系统软件设计

2.3.1 数据输入及计算原理

(1)在VB软件中建立一个工程，在窗体1中设置进口道、车型、车流流向及修正系数，加入一些文本框分别与之对应，计算出各向车辆换算后总量.

(2)在窗体2中建立数个文本框，根据交叉口各车道、各流向流量确定交叉口渠化方案，分别有两相位、三相位、四相位.

①当交叉口确定为两相位，则进入窗体3根据窗体1中所计算出来的流量，以及设置的饱和流量(需根据车道数自己输入，直行按每条车道1650，左转1550输入)来计算交叉口各向流量比(Z)，从而得出交叉口饱和度(Y).根据交叉口饱和度、黄灯时间(A)、启动损失时间(T)及绿灯间隔时间(P)计算交叉口最佳周期，黄灯时间、启动损失时间及绿灯间隔时间需手动输入.然后分别计算交叉口总有效绿灯时间(G)，东西相、南北相有效绿灯时间(J)，绿信比(L)及绿灯显示时间(H).根据人行横道长度(Lp)、行人过街速度(Vp)计算出行人过街的最短绿灯时间Gmin，然后与绿灯显示时间比较;当各相最大绿灯显示时间满足最小绿灯时间，则计算交叉口延误，判断其服务水平，当各相最大绿灯显示时间不满足最小绿灯时间，则需对交叉口重新渠化.当最后服务水平满足要求，画出配时图，不满足则对交叉口重新进行渠化.

②当交叉口确定为三相位，则又需要区分是东西左转还是南北左转.当是南北左转时，则进入窗体4，其计算原理跟两相位相似，但是其饱和流量的输入需要注意具体区分;当确定为东西左转时，则进入窗体6，计算原理与跟两相位相似.

③当交叉口确定为四相位，其计算原理跟三相位相似，不过其饱和流量输入更加繁琐一点.

2.3.2 信号配时的优化

经运算初步确定信号控制参数后，此时的结果不一定是最优的结果，需要对参数进行优化，以保证信号配时的最优结果;本系统配时方案的优化包括配时参数的优化和对方案的总体优化两部分，优化过程根据初步运行结果来调整.

2.3.2.1 信号配时参数的优化

信号配时参数的优化主要是周期长度和信号相位的优化.本系统中周期长度的优化采用插值法进行优化，使延误值最小.相位数根据流量比确定关键进口道，进而决定信号相位数，本系统的相位数控制在2～4个.

2.3.2.2 方案的总体优化

方案的总体优化主要为服务水平分析.根据系统初步得出的结果运用Webster方法计算交叉口整体延误，根据表1得出交叉口的服务水平.

本系统保证信号交叉口的服务求平至少B级以上，如果服务水平不合要求，则通过人工输入来修改各进口道设计或信号相位方案，重新配时.本文优化主要体现在以下几个方面:

(1)周期优化

当信号配时出现问题时，则优先考虑对交叉口周期的优化，通过适当改变周期来达到对交叉口信号配时的优化.

表1 信号交叉口机动车服务水平

(2)绿灯间隔时间优化

对绿灯间隔时间优化主要参考图2来优化，适当改变交叉口绿灯间隔时间，从而改变周期，达到对交叉口信号配时的优化.

(3)饱和流量的优化

饱和流量的优化主要体现在对车道数的优化.当各方向的车辆数比较多，且交叉口服务水平不满足新建交叉口要求，则可以考虑对车辆数较多进口道适当增加车道数，改变交叉口进口道饱和流量来改变交叉口饱和度，从而改变交叉口服务水平，达到对交叉口信号配时优化的目的.

3 实例分析

下面选用长沙市芙蓉路上神农交叉口各交通流量数据来对软件进行测试.

3.1 神农路口各进口道流量调查表

神农路口各进口道原始流量调查表如表2所示.

表2 神农路口交通流量数据

3.2 应用VB软件对交叉口进行配时

3.2.1 VB软件计算出的各向交通总量

VB软件所计算出来的各向交通总量如图3.

3.2.2 渠化方案及相位确定

应用VB软件对各进口道进行渠化及相位确定如图4所示.

图3 神农路口各向交通总量

图4 渠化相位确定

在对交叉口进行渠化过程中，当东西南北都不设置专左车道，则选择两相位;当东西南北方向都需设置专左车道，则选择四相位;当东西方向设置专左车道，南北方向不设置专左车道或者东西方向不设置专左车道，南北方向设置专左车道，则选择三相位.

3.2.3 交叉口服务水平判定

计算交叉口饱和度、周期、有效绿灯时间、绿灯显示时间、判断延误及服务水平，其运行结果如图5所示.

图5 交叉口服务水平判定

在饱和流量的输入过程中，按照此方向上有多少条车道来计算饱和流量.灯时间、启动损失时间、绿灯间隔时间人行道长度及行人过街速度通过人工输入.当最后输出的服务水平低于B级时，则根据流量对各进口道车道进行调整(即对饱和流量进行调整)，从而使交叉口信号配时达到最优状态.

4 结论

本文运用VB软件对单交叉口进行信号配时，并分别设置了两相位、三相位、四相位进行研究比较，来对交叉口进行配时优化，对提高交叉口运行效率具有重要意义.本文的创新和优点有:能够将方案运用到所有十字交叉口，即运用范围比较广，能够快速对交叉口进行配时，不像人工配时那么麻烦，大大缩短了配时时间.针对信号控制过程中涉及到的参数，在给出参考资料的同时给出了部分参数的准确计算及确定方法，并且与实际交叉口结合起来，证明了软件的实用价值.

［1］杨佩昆.交通管理与控制［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］陆化普.城市交通现代化管理［M］.北京:人民交通出版社，1998.

［3］毛汉颖，李晓萍.基于VB的道路交叉口定时信号配时软件设计［J］.广西工学院学报，2007，(2):62 －65.

［4］杨晓光，陈白磊，彭国雄，行人交通控制信号设置方法研究［J］.中国公路学报，2001，(1):73 －80.