城市道路信号控制交叉口周期优化模型研究

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1、中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn城市道路信号控制交叉口周期优化模型研究∗林瑜；杨晓光（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海200092）Email：0310120020@smail.tongji.edu.cn摘要：周期是交通信号配时的关键参数之一，因此周期优化模型是信号配时模型的关键组成部分。传统的周期优化模型主要从单纯数学优化的角度进行考虑，不能很好适用于中国城市道路复杂的道路条件与交通流形态。本论文基于中国城市特有的道路交通情况，提出了交通信号周期的优化模型，详细地阐述了信号周期优化的目标函数与约束条件。相对于以往的周期优化模型而

2、言，本论文提出的周期优化模型更具有通用性，而且在也是容易实现计算的。关键词：信号控制交叉口，信号周期，优化模型1.引言对于单点交叉口固定配时而言，主要参数为：周期、相位、相序、绿信比。周期是影响信号控制方案效果的关键参数，因此，周期优化模型是信号配时模型的关键部分。周期优化模型应确定信号控制的目标函数，并且指出交叉口在特定的道路条件与流量条件下周期的取值范围（即最大周期和最小周期）。此外，要使得交通信号控制方案在实际应用中能取得良好的效果，必须考虑各种实际条件的约束。在中国的城市道路系统中，特别在一些城市的中心老城区，路网密度比较大而交通量同时也很大。传统的信号配时优化模

3、型主要从单纯数学优化的角度进行考虑，不能很好适用于中国城市道路复杂的道路条件与交通流形态。本论文基于中国城市特有的道路交通情况，提出交通信号周期的优化模型，详细地阐述信号周期优化的目标函数与约束条件。2.传统的单点交叉口固定配时周期优化模型[2][3]传统的做法，倾向于寻找一个比较简便的解析公式计算最优周期（实际上是近似最优周期），比较著名的有F·韦伯斯特最优周期公式、R·阿克塞立科最优周期公式等。单点交叉口固定配时信号的设计，大多采用英国学者F.Webster-B.Cobber理论和他们所提出的方法（以下简称F-B法）。该法的考察断面是停车线，认为车辆通过停车线就算是通

4、过了交叉口，计算参数都是以停车线断面为准，其基本出发点是使交叉口通行车辆总延误时间为最小。F-B法得出的周期优化模型见式1。C=01.51L−+Y5（式1）澳大利亚学者R·阿克塞立科引入“停车补偿系数”，并将它与车辆延误时间合在一起，用以评价信号配时方案的优化程度，可认为是对F-B法的一个修正和补充。该法得出的周期优化模型见式2。 (1.4+K)L+6C=（式2）01-Y上海市工程建设规范《城市道路平面交叉口规划与设计规程》（以下简称《规程》）是国∗高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20020247036)-1-中国科技论文在线http://www.paper.ed

5、u.cn内第一部指导城市道路平面交叉口规划与设计的工程规范。《规程》中推荐的交通信号周期计算模型实际上得到的是最小周期值，见式3。LC=0（式3）1−Y3.单点交叉口固定配时周期优化模型解析公式有其概念清晰且计算方便的优点，但是在很多情况下并不能保证计算结果最优。因此，基于实际的交通管理工作需求与现有的实现条件，本文提出了计算最优周期的非线性规划模型。该模型综合考虑信号交叉口交通质量、燃料消耗、尾气污染为目标函数，并且考虑安全性约束、服务水平约束、可靠性约束、物理条件约束。3.1目标函数常用的评价指标如下：通行能力、延误最小、废气排放、燃料消耗。通行能力与延误的关系很复杂

6、，通行能力最大，要求信号周期尽可能长，这往往伴随着延误的增长，而且，当周期长度增大到一定的数值后，通行能力随延误增长十分缓慢，这时延误却增长很快，这样，增大周期长度得不偿失。因此，在正常情况下，应该选择延误为信号配时的优化目标。随着人类社会的文明进步，城市环境污染问题已经引起社会各方面的重视，而车辆在信号控制交叉口排放的废气是城市大气的重要污染源之一。另外，由于上世纪几次“石油危机”的产生，降低交通系统的燃料消耗也成为一个热门的研究课题。近年来，随着可持续发展的概念在全球的推广，“绿色交通”的理念已经在交通工程界占据主导地位。因此，在信号控制模型中，周期优化的目标函数应考

7、虑环境污染因素与燃料消耗因素。本文提出的单点信号控制交叉口的整体最佳周期的性能指标函数是综合考虑信号交叉口交通质量、燃料消耗、尾气污染整体最优配时及评价模型函数。运用权重的方法，同时由于这三个指标的单位各不相同，建议根据社会经济发展水平将这三个指标统一换算成货币单 位。[4]PI=α∗D+β∗AFC+γ∗P（式4）式中：PI——周期优化的目标函数；D、α——分别为交叉口车辆平均延误时间及其权重；AFC、β——分别为交叉口机动车燃料消耗量及其权重；P、γ——分别为机动车尾气排放量及其权重。在本文提出的最佳周期的目标函数的三个部分