基于聚类分析的信号交叉口相位组合优化方法研究

基于聚类分析的信号交叉口相位组合优化方法研究

康睿蒋雨洋张康宇

济南市公安局交通警察支队山东济南250000

摘要：人们常说的使用信号机控制交通流称为交通信号控制。交通信号控制的目的是与交通量相适应,用时间比分配给相互交错的交通流通行权,以形成畅通且有秩序的交通流。为此,交通信号控制的工作为显示及控制参数的决定。交叉口作为城市交通网络的关键节点，是不同部分的连接器，使车辆和行人连续运行。随着城市交通发展的不断完善，人们逐渐意识到交叉路口交通设计的重要性。信号相位设计作为信号交叉口交通设计的核心问题，虽然已经在某些方面进行了研究，但仍然缺乏。

关键词：相位结构设计流程；相位组合优化；相位切换优化

1交叉口信号相位相序设置分析

在交叉口的信号配时过程中，将信号相位引入的主要目的是把交叉口内可能会存在着相互冲撞或互相干扰行驶的交通流适当隔离，使其达到交叉口交通冲突和干扰的最小化。信号配时的关键之处则是信号相位设计，其不仅影响了配时方案的准确性，并直接影响道路交叉口的交通安全和通行能力。

交通灯相位是信号灯控制的一个主要特征，即在信号相位的设置下，对不同方向的交通流按照次序分别给予交通控制绿灯—黄灯—红灯信号。定义如下：在一个信号周期内每个相位的时段，一股或几股车流，在同一个时间获得完全相同的交通灯色指示，这个连续：“绿—黄—红”时间段称作一个信号相位。在每一个信号相位，灯色显示时序都是“绿—黄—红”的循环。一个信号周期可以分别对不同方向交通流分配不同的相位，根据交叉口的交通流状况，可以设计成2相位、3相位、4相位、6相位和8相位等。各个信号相位周期性交替获得绿灯显示，即通过交叉口的“通行权”。“通行权”的每一次转换就称为一个信号相位阶段。一个信号周期则由按照预先设置的所有相位时间段之各构成。

当交叉口的左转车流较大时，应该设置专用左转车道，每个周期内平均到达3辆以上时，应该考虑左转专用相位。交叉口需要划分相位的主要是各条道路的直行交通和左转车道交通。由于右转交通通常是允许的，因此一般情况下右转不单独考虑相位，但是当行人自行车等交通与右转交通流冲突严重时，需要考虑设置单独的右转相位。

一个标准的十字路口有十二种车辆运动方式，分别是直行（东-西，西-东，南-北，北-南），小转（东-北，西-南，北-西，南-东），大转（东-南，西-北，北-东，南-西）。这十二种运动可以分为四组：          

1）东西直行：东-西，西-东，东-北，西-南           

2）南北直行：南-北，北-南，南-东，北-西           

3）东南西北：东-南，西-北          

4）北东南西：北-东，南-西

四组信号灯需要不同的信号控制，也就是四个不同的相位，不同的相位批次独立，互不干扰。相位设置信息主要是信号周期、红灯时间、绿灯时间，绿灯时间最后2-3秒为黄灯。           各相位的周期相等，需要单独设置。此外为了让前一个相位清空车辆，在前一个相位亮红灯后2秒后一个相位才能亮绿灯。交叉口信号相位的设置是需要根据每个交叉口的具体情况来考虑的。一般情况下，相位数越少，整体交通延误会越小。然而，当交叉口的各个方向交通流都很大时，在同一个相位内部产生过多交通流质检的冲突，则必须设置更多相位才能够给各个方向交通流分配合理“路权通行”绿灯，减少在相位时间段内的冲突，增加交通安全和通行效率。

2信号搭接相序优化

搭接相位是采用对称放行且直行左转分属不同相位的路口，在该相位放行期间，某进口左转和直行同时放行，而对向进口左转和直行均停车等待的情形。如在南北直行和南北左转之间，设置了北口单放的搭接相位。

搭接相位主要适用于进口道交通流不对称的情形；另外，在协调控制中，搭接相位的合理设置在一定程度上对双向绿波的设置能够起到积极作用。

以济宁市崇文大道与东外环交叉口为例，早高峰信号现状其中东西南北四向进口的右转信号灯常亮，黄灯时间为3s，信号周期总长为151s。现状交叉口信号配时方案如下：第一相位南北直行47s；第二相位南北左转22s；第三相位东西直行45s；第四相位东西左转25s。

根据调查可得到交叉口各车道的流量流向.为了便于衡量转向车流和直行车流的流向，需要将转向车流量当量化为等效的直行车流量以统一标准。

东向：直行944；左转48；右转78

南向：直行686；左转219；右转86

西向：直行1654；左转177；右转69

北向：直行975；左转249；右转95

通过本次交叉口的渠化设计，根据空间渠化方案确定崇文大道与东外环交叉口的信号相序图如。方案采用五相位的信号配时，分别为第一相位：东西向直行和右转，第二相位：西向直行、左转和右转，第三相位：东西向左转，第四相位：南北向直行和右转，第五项位：南北向左转和右转。

1）交叉口参数

东向直行4车道，左转1车道；西向直行4车道，左转1车道；南向直行左转均为2车道；北向直行左转均为2车道。

2）标准车道通行能力计算

东向直行和左转还原标准车道通行能力分别为1927.71pcu/h和888.89pcu/h；

西向直行和左转还原标准车道通行能力分别为2141.90pcu/h和1391.30pcu/h；

南向直行和左转还原标准车道通行能力分别为2236.02pcu/h和2424.24pcu/h；

北向直行和左转还原标准车道通行能力分别为2236.02pcu/h和2424.24pcu/h。

3）设计通行能力计算

东向直行和左转设计车道通行能力分别为1627pcu/h和889pcu/h；

西向直行和左转设计车道通行能力分别为1606pcu/h和1043pcu/h；

南向直行和左转设计车道通行能力分别为1642pcu/h和1952pcu/h；

北向直行和左转设计车道通行能力分别为1624pcu/h和1952pcu/h；

4）项位优化

东向直行和左转车道交通流量比分别为0.15和0.05；

西向直行和左转车道交通流量比分别为0.26和0.17；

南向直行和左转车道交通流量比分别为0.21和0.06；

北向直行和左转车道交通流量比分别为0.30和0.06

最终方案确定为五相位，分别是：第一相位东西直行30s；第二相位西口单方25s；第三项位东西左转20

参考文献：

[1]赵靖,付晶燕,杨晓光信号控制交叉口动态车道功能优化方法同济大学学报:自然科学版,2013,41(7):996-1001.

[2]赖进恒,陈小鸿交叉口进口车道功能动态划分的实现方法研究]交通标准化,2012(5):53-58

[3]道路与交通工程研究学会,交通信号控制指南国现行规范出与李克平,译北录:中国速筑工业出社,20