十字路口交通控制软件设计

祝日星，侯晓青，朱 熹

（长安大学电子与控制工程学院，陕西西安 710064）

作者简介：祝日星（1991－），男，长安大学电子与控制工程学院博士研究生，交通信息工程及控制专业。

侯晓青（1990－），女，长安大学电子与控制工程学院硕士研究生，交通信息工程及控制专业。

朱 熹（1992－），男，长安大学电子与控制工程学院硕士研究生，交通信息工程及控制专业。

摘 要：本文针对日益严重的城市交通拥堵现状，对单十字路口交通信号控制方法进行研究，为解决城市交通问题提供一种有效的方法和途径。本文设计了十字路口交通信号灯的配时控制软件和交通流微观仿真，并把这两系统相结合，实现了固定配时控制、多时段控制和自适应控制，不仅能很好地适应不同十字路口配时的要求，还能很直观地反映当前路况。通过仿真产生的数据，分析当前路况，从而为城市道路交通配时优化提供一定的帮助。

关键词：十字路口；交通控制；信号配时；交通仿真

Abstract：With increasingly serious urban traffic congestion，this design presents an effective method to solve it by researching intersection traffic signal control．In this paper，intersection traffic signal timing control software and traffic flow microscopic simulation are designed．The software was implemented using the MFC programme．Simulation is based on SUMO．Through combining them，it can accomplish fixed timing control，multi－time control and adaptive control，which can adapt to differ－ent timing requirements and response to the current road conditions intuitively．By analyzing simulation result datas，it can be used for urban traffic signal timing optimization．

Key words：intersection；traffic control；signal timing；traffic simulation

1 前言

十字路口交通压力的缓解是提高城市道路的通行能力的关键。在诸多交通控制手段中，优化信号配时是最直接有效的方法之一，合理的交通信号控制才能保证出行的快捷、舒适、安全、环保。因此，交通信号控制方法的研究具有重大意义。然而在现实交通环境中，影响交通改善的相关因素十分多，不仅需要大量资金的投入，还隐含着很多不安全因素。此时，应用计算机技术进行交通仿真和控制就成了一种很有效的技术手段。交通仿真既能非常直观地表现出路网上车辆的运行情况，还可以对各种数据结果比较和评价等，为交通道路的设计规划提供技术支持。于是本设计把十字路口仿真系统与信号配时控制系统相结合，为十字路口信号配时优化设计提供一定的决策依据［1］。

2 十字路口交通信号灯配时软件设计

本设计运用MFC编程设计完成的单十字路口信号配时控制软件，提供了人机交互界面，并可以与仿真软件交互相关数据完成信号配时方案制作。其流程如图1所示。

2．1定时信号控制

本配时控制软件按照十字路口的需求，既可以实行固定配时（只用一个配时方案），也可以按不同的交通流量时段划分信号配时为早上、中午、下午和晚上四个时段（即多段式定时控制）。本文中，单段式定时控制和多段式定时控制的算法相同，只是后者各时段参数不同，所以只做了一次介绍。配时计算流程如图2所示。

首先计算出十字路口4个方向上进口道的车流量、饱和车流量、绿灯间隔时间和起动损失时间等交通数据［2］。然后利用TRRL信号配时优化公式计算得到配时方案。

图1 配时控制流程图

图2 定时控制配时计算流程图

2．2 自适应信号控制

定时控制适用于十字路口交通流量变化比较有规律的交通情况，有着一定的局限性。交通情况会发生一定的变化，这时需要进行交通调查重新确定配时方案，比较费时费力。而且当某些交通情况变化没有规律且受随机因素影响较大时，定时控制的方案会导致停车次数和延误概率的增加。而自适应控制则能够连续测量路况，可实时改变系统的可调参数，从而保证不论环境如何变化，均可使交通控制达到较理想的效果。

本设计中，自适应控制即是在同一次仿真实验过程中，系统按照一定的间隔时长，根据仿真软件发送来的实时车流量而自动进行多次配时方案制定，其配时参数计算方法仍为TRRL配时方法，但实时的车流量信息更新使其能很好地适应不断变化的交通流。考虑到信号控制系统的稳定性，数据发送的间隔时长至少为一个信号周期，且新的配时方案也是在一个信号周期结束后才更新的。

2．3 信号配时控制软件操作

运用MFC编程完成十字路口信号配时控制软件的人机交互主界面，根据提示手动配合十字路口信号配时控制，如图3所示：

首先在信号配时控制软件的人机界面填写十字路口4个方向上进口道的车流量、饱和车流量、绿灯间隔时间和起动损失时间等信息。然后点击配时按钮得到该十字路口的配时方案。也可以直接填写配时方案。接着信号配时控制软件将配时参数和时序号发送给十字路口微观仿真软件，从而控制十字路口的交通仿真，直至收到十字路口仿真软件的结束信号。

若十字路口要进行自适应控制时，则开始以一定的间隔时长接收微观仿真软件发送来的车流量数据，实时计算得到新的配时参数［3］。然后自动进行多个配时方案控制。

3 十字路口交通流仿真设计

与配时控制软件结合，利用SUMO仿真软件完成十字路口交通流仿真，可用于提供计算机进行十字路口仿真的人机交互界面，根据信号配时控制软件计算出的配时参数模拟十字路的交通情况，并在自适应控制时向信号配时控制软件发送实时的车流量信息［4］。通过仿真产生的车流信息数据计算延误，然后评估其服务水平。其流程图如图4所示：

图3 信号配时控制软件操作界面

图4 十字路口交通车流仿真流程图

3．1 十字路口交通流仿真具体实现

首先编写路网文件。本十字路口仿真所建立的路网是通过XML文档构造实现的，由点文档、边文档和连接文档通过NETCONVERT应用命令生成。这样便确定了车辆行驶路径，即十字路口的路网结构。然后编辑车流文档，即交通需求，定义车流的类型、所走路径等信息。仿真程序通过该文档计算插入车辆间隔时间以完成整个行程。

有了车流文档，再加上路网文档，使用DU－AROUTER应用命令生成路径文档。最后编辑配置文件，用SUMO打开，根据配时软件界面所填写数据部署仿真软件参数，便可开始仿真实验。在车流仿真的同时还可实时跟踪当前红绿灯状态信息。仿真运行如图5所示：

图5 车流仿真及信号灯状态跟踪

3．2 仿真结果分析

仿真运行结束后会输出三个文档，分别为vehroutes．xml（车辆路径文档）、tripinfos．xml （行程信息文档）和emissions．xml（发车信息文档）。其中，车辆路径文档包含了每辆车的编号、车辆类型、开始时刻、结束时刻以及所走的路径；行程信息文档，包含了每一辆车的编号、车辆类型、开始时刻、开始车道、结束时刻、结束车道、开始位置、结束位置、开始时刻的速度、结束时刻的速度、车辆离开起点前需要等待的时间、车辆行驶时间、行驶长度、车辆速度低于0．1m／s的次数、车辆改道次数以及车辆的设备列表；发车信息文档，包含了每一时刻载入仿真的车辆数、发出的车辆数、正在行驶的车辆数、等待出发的车辆数、已经完成行程的车辆数、平均等待发车时间以及平均行驶时间。对这些信息进行分析计算，便可以得出许多有用的信息。

利用以上信息中每辆车的行驶时间、行驶长度、仿真车辆数，便可求出车辆以路段平均速度通过十字路口所需的时间［5］。所以车辆通过十字路口的交通延误为：

式中：tdi表示车辆在十字路口的交通延误，ti表示车辆通过十字路口所需时间，n表示仿真车辆数，Si表示车辆行驶长度。

由上式计算出车辆通过十字路口的交通延误后，便可利用HCM2000评估出该次仿真中十字路口的服务水平，进而分析总结完成信号配时优化，然后反复实验直至获得最优配时方案。

4 结语

在交通信号控制理论的基础上，本文运用MFC编程完成的单十字路口信号配时控制软件，可以实现固定的配时控制、全天不同时间段分别对应的多时段控制和实时性较好的自适应控制，能很好地适应不同十字路口的配时要求。通过与SUMO仿真软件完成的十字路口交通流微观仿真相结合，可以较好的描述十字路口的实际交通状况［6］。并能产生详细的车流信息，用于在现有交通控制方案下交通延误和道路服务水平等信息的评估分析。这不仅可在计算机上进行仿真实验研究，也能将优化的研究结果应用到实际中，从而在一定程度上帮助缓解十字路口的交通压力。

参考文献

［1］ 杨峰．城市信号交叉口评价体系研究［D］．北京：北京工业大学，2010．

［2］ 刘改红．单交叉口信号配时软件设计［J］．长沙大学学报，2012．

［3］ 彭飞．城市道路平面交叉口信号配时优化与仿真研究［D］．北京：北京交通大学，2012．

［4］ 吴瑶．平面信号交叉口优化设计与效果评价研究［D］．西安：长安大学，2013．

［5］ 王聪．基于微观仿真的交通信号优化控制研究［D］．昆明：昆明理工大学，2012．

［6］ 韩光辉．基于SUMO平台的微观交通仿真研究［J］．计算机工程与科学，2012．