基于安全可靠性的信号配时方法及优化算法研究

The most important goal of signal control is to ensure traffic safety. However, the conventional signal control theory only provides some principles or rules to improve safety, and is unable to quantify safety performance and regard it as a control objective in signal timing methods and optimization algorithms. Furthermore, the existence of heterogeneous traffic as well as complicated and varied road user behavior leads to extremely unstable traffic states at urban signalized intersections in our country. However, the conventional signal control methods based on deterministic traffic flow theory uses means or expected values of parameters to describe traffic states, and thus cannot deal with traffic safety issues which are characterized by small probability events. .Therefore, the objective of this study is to introduce a concept of safety reliability into signal control field and develop signal timing methods and optimization algorithms based on safety reliability. It also aims to explore a theory especially for sophisticated signal control in the context of rich traffic information. This study mainly includes four parts as follows. .?.Part 1: Analysis of random character of road user behavior and its impacts on safety based on empirical and experimental data..?.Part 2: Development of safety reliability evaluation model based on traffic conflict technique and reliability theory..?.Part 3: Establishment safety reliability oriented signal timing methods and optimization algorithms by the use of risk management theory and uncertainty theory..?.Part 4: Development of a reliability analysis and decision-making support system for signalized intersections by integrating the entire research outcome.

传统的信号控制理论存在两大缺陷：①无法把交通安全量化并作为控制目标来进行信号配时计算和优化；②难以分析交通随机性显著情况下以小概率事件为特征的交通安全问题。鉴于此，本研究的目的是在信号控制中引入安全可靠性的概念，开发以安全可靠性为控制目标的信号配时方法及优化算法，对交通信息化环境下的精细化信号控制理论进行探索，主要研究内容包括：①基于车辆和行人轨迹数据的实证分析和基于驾驶模拟器的实验分析相结合的交通行为解析与建模、②基于可靠性理论和交通冲突理论的安全可靠性评价模型、③基于风险控制理论和不确定优化理论的以安全可靠性为导向的信号配时计算及优化方法、④集成以上研究成果的信号控制交叉口可靠性分析与决策支持系统。本研究的成果可以辅助交通工程师以交叉口安全服务水平为依据进行信号控制方案设计与优化，也可以辅助交通管理者分析与识别信号控制交叉口的潜在安全隐患，为交通安全改善方案的评价提供科学依据。

传统的信号控制理论存在两大缺陷：①无法把交通安全量化并作为控制目标来进行信号配时计算和优化；②难以分析交通随机性显著情况下以小概率事件为特征的交通安全问题。鉴于此，本研究的目的是在信号控制中引入安全可靠性的概念，开发以安全可靠性为控制目标的信号配时方法及优化算法，对交通信息化环境下的精细化信号控制理论进行探索，主要研究内容包括：①基于车辆和行人轨迹数据的实证分析和基于驾驶模拟器的实验分析相结合的交通行为解析与建模、②基于可靠性理论和交通冲突理论的安全可靠性评价模型、③基于风险控制理论和不确定优化理论的以安全可靠性为导向的信号配时计算及优化方法、④集成以上研究成果的信号控制交叉口可靠性分析与决策支持系统。本研究的成果可以辅助交通工程师以交叉口安全服务水平为依据进行信号控制方案设计与优化，也可以辅助交通管理者分析与识别信号控制交叉口的潜在安全隐患，为交通安全改善方案的评价提供科学依据。. 本研究首先进行了绿灯间隔时间内驾驶员的风险认知研究，然后进行驾驶行为的随机性特征分析。通过采集城市道路交叉口和郊区道路交叉口的运行录像，提取高精度的车辆运行轨迹等，详细对比和分析了清空车辆与进入车辆的驾驶行为特征。在实证分析的基础上，建立了困境区驾驶行为随机模型和危险驾驶行为随机模型，分别以困境区发生概率和危险行为发生概率为安全可靠性指标，分析了黄灯时长与可靠性指标之间的数学关系。. 本研究提出了基于危险行为随机性模型，该模型能够对黄灯期间驾驶行为做进一步分析，从而实现基于安全可靠性的黄灯时长的求解。针对目前设置有绿闪装置的交叉口，建立了绿闪条件下的驾驶行为模型，为分析绿闪影响下的黄灯时长设置提供了定量分析的依据。在黄灯时长确定的基础上，建立以清空失败发生概率为安全可靠性指标的全红期间的驾驶行为模型，分析全红时长与清空失败发生概率之间的数学关系，提出全红时间的求解方法。. 在完成对绿灯间隔时间的求解基础上，本研究提出以安全可靠性为指标的基于灯组的信号配时优化方法。一方面从安全的角度出发，将平均冲突强度的概念引入信号配时算法当中，并充分考虑了最短绿灯时间、绿灯间隔时间、机非冲突等约束条件。另一方面从效率层面出发，以传统的延误等为优化目标，实现信号配时的效率最优。当使用双目标求解时，则能够实现一定安全可靠性水平下效率最优的配时优化策略。