交叉口信号控制与设施优化
时间：2021-05-12 20:00:44 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：从交叉口设施优化和信号控制两方面入手对交叉口交通组织进行分析与阐述。强调在现有交通设施的前提下色彩化、人性化的重要性。同时成功引入博弈论，并在此基础上，以四相位为例建立单点交叉口信号控制模型。
关键词：交通设施；信号控制；博弈论
中图分类号：F290 文献标志码：A 文章编号：1673-291X（2013）12-0176-02
目前，混合交通是中国城市道路交通的显著特征之一，这使得中国交通组织相对较为复杂。而交叉口是交通流反复分流、合流及交叉之处，更容易受到混合交通的影响，致使平面交叉口成为制约城市路网容量的瓶颈。因此对交叉口的设施及信号控制进行研究、设计、优化，提高交叉口通行能力是十分必要的。
一、交叉口交通设施优化
交通设施是传递交通管理信息的道路语言，是确保交通安全、有序、畅通的重要手段。近年来，随着市政府对交通设施投入的增大，交通设施在完整性、连续性、鲜明性方面有了很大改善。为进一步满足人们的出行需求，提高交通安全，丰富交通文化，可以从色彩化、人性化方面进行探讨研究，对交通设施进行进一步的优化和完善。
（一）色彩化
色彩不仅给人的印象迅速，更有使人增加识别记忆的作用，所以在交通管理设施设计中色彩恰到好处地处理能起到融合表达功能和情感的作用，具有丰富的表现力和感染力。可以尝试从以下方面做起：（1）在行人较多的地方可以运用彩色斑马线，斑马线还是白色基本色的，只是在底下铺一层黄色的材料，这层材料覆盖的范围比斑马线略大，斑马线便可从“黑白”相间变成“黄白”相间。“黄色”斑马线要比一般黑白相间的斑马线醒目，因此会有很好警示的作用。司机从很远就可以看到并开始减速，行人过街也会比较从容。（2）尝试统一将南北方向（或者东西方向）的护栏上部刷成绿色，这对于外地驾驶员或者不了解当地状况的司机来讲，具有很好的指示作用。
交通管理设施的系统用色往往更能体现所在城市的独特性，可以代表当地独特的人文地域文化，但若缺乏系统管理，就会出现用色混乱状况。这就要求相关设计部门从城市的整体色彩环境出发，考虑大众审美，建立健全交通管理设施用色管理机制，对交通管理设施用色进行科学、合理的设计和改善。
（二）人性化
交叉口设施优化除考虑车辆行驶所需的必要信息外，对行人的道路信息指引也是十分必要的。其设计原则应该是在简洁明了的基础上传达尽可能多的信息[2]。在情况允许的条件下可尝试以下方法：（1）可在路侧指示标志上添加门牌号信息，如在“南”的下方加上“21+”，则表明人们沿着指示方向向南走，遇见的第一个门牌号就是21，继续向前走的话，门牌号依次增大。这样就可以在不用很大变动的情况下，为行人提供更多指示信息，进一步体现交通管理设施设计和应用的人性化。（2）做到“警”必“禁”，有“禁”必“指”，在禁令标志上游一般设立指示标志，提示下游禁限内容，从而减少违法行为的发生。真正做到交通管理标志内部管理与服务相协调，弥补道路建设中留下的安全隐患[3]。
二、交叉口信号控制——博弈论
当前，许多新理论被运用到交通分析与管理中，如熵理论、流体力学、层次分析、模糊数学、建模仿真等，这些理论的运用为交通问题分析注入了新的动力，带来了交通管理的新发展[4]。本文重点介绍的是基于多人合作博弈的单点交叉口信号控制方法。
（一）博弈论的基本要素
博弈论通过使用严谨的数学模型来研究冲突、对抗条件下的最优决策。构成一个博弈的基本三要素有：局中人、策略集和支付函数。
局中人集合N={1，2，…n}：局中人即博弈参与人。
（三）多人合作博弈的估值解
合作博弈的求解可通过一套公理化体系，得到唯一的“合理”的分配值，并且其求解方法较简单。
1.策略集的选取。对交通信号灯来说，可选择的策略有红灯或绿灯即（Red，Green）。对单点交叉口四相位信号控制来说只存在4个策略组合的情况下收益大于0即在同一时刻四个相位中有一个相位是绿灯，另外三个相位都为红灯。其他情况下的相位组合收益均为0。所以，策略集可表示为（Green，Red，Red，Red）（Red，Green，Red，Red）（Red，Red，Green，Red ）（Red，Red，Red，Green）。
2.赢得值的确定。博弈中的赢得值是个预测值，即博弈之初参与人对各种可能的策略组合下收益的一种预测。对信号交叉口控制来说，排队长度是最直观的收益值，因此本文中选取排队长度值最为博弈赢得值[4]。排队长度值的计算如式（3）所示：
公式中，queue length表示排队长度值；q为当前相位的排队长度；t为当前相位的执行时间；car-length为平均车长；average-speed表示当相位保持绿灯信号时，驶离交叉口的所有车辆的平均速度；当信号由红灯转换为绿灯或绿灯转换为红灯时，公式3中的Z1取0，Z2取0；当信号由绿灯转换为绿灯时Z1取-1，Z2取0；当信号由红灯转为红灯时，Z1取0，Z2取-1。
3.收益矩阵的建立。对单点交叉口四相位信号控制来说，在某一时刻获得通行权的相位可能有四种情况，在确定收益矩阵的时候就会存在四种可能情况：
情况一：当前获得通行权的相位是第一相位，即当前4个参与人的信号灯状态为（Green，Red，Red，Red），这种情况下4个参与人可以选择的策略组合（如表1所示）。表中，支付函数（S1n，Pn，Pn，Pn）表示相位1，2，3，4分别选择策略（Green，Red，Red，Red）时各个相位上的赢得值。
同理，情况二：当前获得通行权的是第二相位，即当前4个参与人的信号灯状态为（Red，Green，Red，Red，Red）；情况三：当前获得通行权的是第三相位，即当前4个参与人的信号灯状态为（Red，Red，green，Red），和情况四：当前获得通行权的是第四相位，即当前4个参与人的信号灯状态为（Red，Red，Red，Green）时对应的博弈的收益矩阵也可获得。至此单点交叉口四人合作博弈模型确定了。然后，依据式2进行求解即可。
三、小结
管理设施优化和信号控制是交叉口管理的重要手段，本文从这两方面进行了探讨，提出了交叉口交通设施的色彩化与人性化，并引入了博弈论控制算法，具有一定的参考价值。需要指出的是在现代交通管理实践中，无现成的经验可遵循。因此，只有时刻以动态的观点看待交通，不断挖掘新方法、总结新规律，运用新理论，才能不断解决交通问题，将交通事业发展推向一个新的台阶。
