交叉口可变导向车道与信号配时协同优化模型

64交通信息与安全2023年5期第41卷总246期平行流交叉口延误计算及信号配时鲁棒优化模型*宋浪1,2王健1▲杨滨毓1安实1安文娟2（1.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院哈尔滨150090；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司重庆400067）摘要：为解决平行流交叉口在实际应用中因交通波动导致主预信号协调效果不佳、移位左转车道上车辆排队溢出等问题，研究了基于情景的鲁棒优化控制方法。

通过解析平行流交叉口交通运行机理，确定了交通需求、饱和流率和运行车速的随机波动会影响其运行稳定性，以此关联时变交通供给与平行流交叉口控制的耦合特征。

进而构建了车均延误平均值-标准差目标函数，利用权重系数直观反映决策者对通行效率和稳定性偏好程度。

在此基础上，考虑主预信号协调控制、车道功能划分、车道清空等约束条件，建立了平行流交叉口鲁棒优化模型。

结合移位左转车道上车辆运行规则，基于车辆到达-驶离图式推导给出延误计算模型。

研究结果表明：延误模型仿真验证中，左转和直行车均延误相对误差绝对值的平均值不超过3%，且最大值不超过6%，拟合效果较好。

案例分析中，鲁棒优化相对于确定性优化，在延误均值仅增加2.24%的情况下，延误标准差降低了21.23%，说明鲁棒优化在几乎不损失交叉口通行效率的前提下，提高了平行流交叉口运行稳定性，使信号控制更符合实际交通运行需要。

敏感性分析中，目标函数值随移位左转车道长度、设计速度的增加呈先减后增的变化趋势，故设计阶段移位左转车道长度的取值应与交通需求相匹配，而主预信号直行相位差计算过程中设计速度的取值应比现场调查的实际运行速度平均值略大。

关键词：交通工程；平行流交叉口；信号控制；鲁棒优化；移位左转；延误模型中图分类号：U491.5文献标志码：A doi：10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.05.007A Robust Optimization Model of Delay Estimation and SignalTiming for Parallel Flow IntersectionSONG Lang1,2WANG Jian1▲YANG Binyu1AN Shi1AN Wenjuan2(1.School of Transportation Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin150090,China;2.China Merchants Chongqing Communications Technology Research&Design Institute Co.,Ltd,Chongqing400067,China)Abstract:A robust scenario-based optimization control method is proposed to address poor coordination of the main signal and the pre-signal caused by traffic fluctuations,and the issue of vehicle queue overflows in displacedleft-turn lanes at parallel flow intersections.By analyzing the mechanism of traffic operation of parallel flow inter-sections,it is found that the operational stability is affected by the stochastic fluctuations in traffic demand,satura-tion flow rates,and traffic speeds.Thus,the coupling characteristics between time-varying traffic supply and the control of parallel flow intersection are established.Then,an objective function is defined as the mean and standard deviation of vehicle average delay,which utilizes weighting coefficients to intuitively reflect preferences of deci-sion-makers for traffic efficiency and stability.Moreover,a robust optimization model for parallel flow intersectionsis developed by considering constraints such as the coordinated control of main pre-signals,functional allocation of收稿日期：2022-09-19*重庆市技术创新与应用发展专项重点项目（CSTB2022TIAD-KPX0104）、重庆市自然科学基金项目（CSTB2023NSCQ-MSX0387）、国家重点研发计划项目（2022YFF0604904）资助第一作者简介：宋浪（1996—），博士研究生.研究方向：交通控制、智能交通.E-mail:****************▲通信作者：王健（1974—），博士，教授.研究方向：交通运输规划与管理.E-mail:*****************.cnlanes and clearance of lanes.A delay model is derived by integrating traffic rules for displaced left-turn vehicles from the diagram of vehicle arrivals and departures.The simulation results of the delay model show that the average absolute error of delay for left-turn and through vehicles does not exceed3%,and the maximum error does not ex-ceed6%,which indicates a good fit.In the case study,the proposed optimization method results in a mere2.24%in-crease in the average delay while it achieves a significant21.23%reduction in the standard deviation of delay com-pared to the deterministic optimization.It shows that robust optimization enhances the operational stability of paral-lel flow intersections without sacrificing the throughput efficiency of intersections,which enables signal control more aligned with practical requirements.In the sensitivity analysis,the objective function exhibits an initial de-creasing and then an increasing trend as the length of the displaced left-turn lane and design speed increase.It means the length of the displaced left-turn lane should align with the traffic demand during the design phase.How-ever,the design speed should be slightly higher than the average speed obtained from field surveys when calculating the phase difference of through traffic for the main and pre-signals.Keywords:traffic engineering;parallel flow intersection;signal control;robust optimization;displaced left-turn;de-lay model0引言为提升交叉口通行能力，学者们创新提出了出口道左转[1]、排阵式交叉口[2]、连续流交叉口[3]、菱形互通式立交[4]、钩形转弯[5]、平行流交叉口[6]等一系列非常规交叉口设计方案，有效缓解了城市交通拥堵。

交叉口信号控制周期优化模型对比分析摘要：交通信号灯是非常重要的交通控制措施，合理的信号配时可以缓解交通堵塞问题，而信号周期优化模型在交叉口的设计管理上更起着关键作用。

本文在分析现有信号交叉口周期优化模型的基础上，依照我国交叉口的实际情况，以车辆延误、排队长度、通行能力为指标参数，提出了一种多指标优化的信号周期优化模型并对其进行分析。

关键词：信号周期优化模型；延误；通行能力1研究背景当今我国的道路交通运输量快速增多，城市道路交通存在的缺点也随之显现。

城市道路交叉口是道路交通上的重要关节，它能够影响着车流量的连续性、车辆停驶的时间长短以及交通事故的发生频率。

城市道路交通控制是提高道路通行能力、解决城市交通问题的重要措施之一,而城市交通信号控制的技术关键在于交叉口的信号配时。

2传统的信号周期优化模型2.2 ARRB信号周期模型韦伯斯特模型分析的指标单一，对于许多交通状况不能使用，所以至今有一些研究者多方面的弥补该模型存在的缺陷。

最为交通业熟知的就是澳大利亚的阿克塞立科把“停车补偿系数”加入了韦伯斯特模型中。

另外，他还将这个系数挂钩于车辆延误时间，来评价交叉口信号周期的优化度。

该优化模型的表达式为PI=d+K h公式中，PI——运行指标；d——所有的车辆总延误时间(s)；h——所有的车辆停车率；K——起主要作用的车辆停车数的加权系数。

将上述的运行指标公式对信号周期C求导，并使其一阶导数等于0。

经过大致地推算，最后得出ARRB模型的最佳信号周期理论计算公式，其表达式为其中，C0——最优信号周期(s);L——总损失时间(s)；Y——全部主要作用相位主要车道的流量比总和。

从公式中可以看出，当K=O时，该公式与Webster公式很接近。

因为ARRB模型中只有利于起主要作用的车流，实际信号周期的取值一般比ARRB模型求得的最优周期再小一些。

这样的取值有利于减小行人过路时的延误和不是起主要作用的车流的延误。

2.3传统周期优化模型的对比分析韦伯斯特模型在低饱和度条件尤其是在交叉口饱和度小于0.85下能够较好地测算延误。

摘要：在现有交通资源下，利用交通信号的动态调控缓解交通拥堵是一种行之有效的方式。

首先探讨了道路交叉口信号控制的空间和时间优化思路，在时间优化方面提出基于粒子群算法的信号配时优化模型。

以昆明市学府路为例，在分析大量交通流数据的基础上，根据三相交通流理论，对交通状态进行划分并提出有针对性的控制策略。

将信号配时优化模型应用于学府路3个相邻的关键交叉口。

交通仿真和方案试运行结果显示，优化前后同步流状态下交叉口延误平均降低21.0%，车辆排队长度平均降低12.4%；堵塞状态下交叉口延误平均降低32.0%，车辆排队长度平均降低24.9%。

这一结果表明该模型在道路交叉口信号配时优化中具有合理性和有效性。

Abstract ：Dynamic signal control is an effective method to relief traf-fic congestion,which does not re-quire additional resources.By dis-cussing the signal control improve-ment in space and time,this paper first develops a signal timing mod-el based on Particle Swarm Optimi-zation (PSO).Taking Xuefu Road in Kunming City as an example,the paper classifies different traffic performance and proposes corre-sponding traffic control strategies based on the massive data of traffic flow and three-phase signal timing theory.The traffic simulation re-sults on three adjacent intersections on Xuefu Road show an average 21.0%reduction in intersection de-lay and a 12.4%decrease in queue length under the same flow condi-tion before and after signal timing improvement.Under the traffic con-gestion,the reduction in average de-lay is 32.0%and in average queue length is 24.9%.The results demon-strate the efficiency of the model in improving signal timing.关键词：交通控制；道路交叉口；信号配时；粒子群；优化模型；控制策略；仿真评价Keywords ：traffic control;intersec-tions;signaltiming;particleswarm;optimization models;con-trol strategies;simulation evaluation 中图分类号：U491.5+4文献标识码：A 收稿日期：2012–11–22基金项目：云南省科技厅建设创新型云南行动计划——州市党政“一把手”科技工程基金项目“面向复杂交通的昆明市主城区智能交通综合管理系统研究及示范应用”(2008QA022)作者简介：成卫(1972—)，男，云南宣威人，博士，教授，主要研究方向：交通信息工程及控制。

交叉口新型混合交通流交互机理解析及协同优化设计研究交叉口是城市交通网络中的重要节点，其交通流交互机理及协同优化设计对于提高交通效率、减少交通拥堵和事故具有重要意义。

针对交叉口的新型混合交通流交互机理解析及协同优化设计研究，可以从以下几个方面展开：1. 新型混合交通流交互机理研究：深入研究不同类型交通流（如机动车、非机动车、行人等）的特性、运动规律及相互影响。

利用传感器、视频监控等手段采集交通流数据，通过数据分析揭示交通流的动态变化和交互作用。

建立数学模型或仿真模型，模拟交通流的运行状态和交互过程，为优化设计提供理论支持。

2. 协同优化设计方法研究：基于对交通流交互机理的理解，分析现有交叉口的瓶颈问题和优化潜力。

结合先进的控制算法和智能技术，提出针对性的优化方案，如自适应信号控制、车联网技术、人工智能等。

对提出的优化方案进行仿真模拟和实地测试，评估其可行性和效果。

3. 政策与建议：根据研究结果，提出改善交叉口交通流协同优化的政策建议和实施策略。

倡导多部门协同工作，加强数据共享和信息交流，确保优化方案的有效实施。

4. 技术与开发：针对实际应用需求，开发高效、可靠的交通监控与控制系统。

探索新型技术在交叉口交通流管理中的应用潜力，如物联网、云计算、大数据等。

5. 持续改进与反馈：建立长期监测机制，对优化后的交叉口进行持续观察和数据收集。

基于实时数据和运行状态，对优化方案进行调整和改进，实现动态协同优化。

综上所述，交叉口新型混合交通流交互机理解析及协同优化设计研究是一个涉及多学科、多领域的复杂问题。

需要从多个角度进行深入探讨和实践，以期提高交叉口的通行效率、减少交通拥堵和事故，提升城市交通的运行水平。