城市快速路入匝道与主线协同信号控制系统及方法
【专利摘要】本发明涉及一种快速路入匝道与主线协同信号控制系统及方法。该系统包括：入匝道上、下游检测器、主线上、下游检测器；入匝道及主线信号灯；处理控制中心。处理控制中心根据主线上、下游检测器检测的速度和时间占有率，判断主线是否堵塞，主线堵塞启动入匝道与主线的协同信号控制；处理控制中心根据匝道检测器检测的流量和主线及匝道需求量，确定控制的配时方案；周期结束后，处理控制中心根据主线上游检测器检测的速度和时间占有率，判断主线堵塞是否结束，若堵塞，则继续信号控制；否则关闭。本发明在快速路堵塞时段通过协同信号轮流放行主线和匝道车辆，将两股无序的冲突流变成有序的饱和流，提高了主线瓶颈点通行能力，大大改善了汇入安全性。
【专利说明】城市快速路入匝道与主线协同信号控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于快速路交通控制领域，具体涉及一种城市快速路入匝道与主线协同信 号控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 快速路系统在大城市交通中起着主骨架路网的作用，承担了城市大量的机动车出 行，保障快速路系统的高效运行一直是交通管理部门重中之重的工作。
[0003] 入匝道是城市快速路连续流和地面道路间断流转换的通道。在快速路主线位于入 匝道汇入点的下游，由于匝道车流的汇入，而主线车道数没有相应增加，因此成为了制约快 速路通行能力的瓶颈，在高峰时段，常常会诱发快速路堵塞；同时由于匝道车辆汇入造成车 辆之间的相互抢道和互不让行行为，引起大量事故。
[0004] 目前，对于快速路主线汇入瓶颈点的管理，主要是采取入口匝道控制的方法。快速 路入口匝道控制是指通过对入匝道上行驶的车辆采取一系列的控制措施，如限速、信号控 制等，从而调节汇入主线的车流量，以达到减少快速路主线交通拥堵、提升整体使用性能的 目的，目前上海、北京等大城市陆续实施了快速路入口匝道控制。然而，随着我国大、中城市 机动车保有量不断增加，快速路车流量激增，特别是在早、晚高峰时段，快速路路网已经呈 现出饱和或接近饱和的状态，在这样的情况下，单一的入口匝道控制主要存在以下问题： 1. 主线汇入瓶颈点通行能力利用不足 在堵塞时段，主线流量很大，此时入匝道车辆的汇入会对主线车流产生严重干扰。相关 实证研究表明，在主线堵塞时段，入匝道车辆的汇入会造成主线汇入瓶颈点单车道的通行 能力损失约16%-25% ; 2. 入匝道车辆汇入发生事故可能性大 在堵塞时段，主线车流车头空距较小，入匝道车辆汇入时需小心翼翼，极易造成车辆之 间的相互碰撞。
[0005] 本发明针对上述存在的问题，提出一种快速路入匝道与主线协同信号控制系统及 方法，来具体解决堵塞时段快速路主线汇入瓶颈点管理中的实际问题。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是克服快速路主线汇入瓶颈点在堵塞时段通行能力 利用不足、汇入安全性差的问题，提供一种城市快速路入匝道与主线协同信号控制系统及 方法。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现。技术方案中的城市快 速路入匝道与主线协同信号控制系统，由以下部分组成： 1) 在快速路汇流处设置主线停车线和入匝道停车线； 2) 在主线设置上游检测器和下游检测器，下游检测器设置于主线停车线附近；上游检 测器和下游检测器之间的距离根据协同信号控制系统的最大周期时间C max、主线和入匝道 的平均需求量之比进行确定；同时考虑匝道排队长度对主线信号控制的影响，一般取200 米以内为宜； 3) 在入匝道设置入匝道上游检测器和入匝道下游检测器，其中下游检测器设置在入匝 道停车线附近；入匝道上游检测器设置在入匝道所能允许的最大排队位置处； 4) 在主线停车线下游设置主线信号灯及信号机，在入匝道停车线下游设置匝道信号 灯及信号机； 5) 处理控制中心，它包括根据主线下游检测器和入匝道下游检测器检测的流量数据所 建立的历史流量数据库，处理控制中心具备如下功能： (1) 根据主线下游检测器所检测的平均速度和时间占有率数据，判断主线当前是否处 于堵塞状态，并在主线处于堵塞状态时启动主线和入匝道的协同信号控制； (2) 根据入匝道下游检测器所检测的流量，并结合从历史流量数据库所获取的主线 和入匝道需求量数据，确定信号控制的配时方案，包括周期时间和主线及入匝道的绿灯时 间； (3) 根据主线上游检测器所检测的平均速度和时间占有率数据，判断主线堵塞是否结 束，并在主线堵塞结束时关闭信号控制； 6) 将所述主线上游检测器、主线下游检测器、匝道上游检测器、匝道下游检测器、主线 信号机及信号灯、入匝道信号灯及信号机分别通过光缆和/或电线和/或无线等通信系统 与处理控制中心相连接。
[0008] 本发明提出一种快速路入匝道与主线协同信号控制方法，包括以下步骤： 1) 获取当前时刻主线上游检测器和主线下游检测器所检测到的平均速度和时间占有 率数据，并将该数据传输给处理控制中心； 2) 处理控制中心根据两个不等式K*和况Γ >况?来判断当前时刻主线是否处于 堵塞状态，其中Κ和况Γ分别是主线上游检测器/主线下游检测器当前时刻检测的平均速 度和时间占有率，和分别是堵塞状态下速度和时间占有率的临界值。若从步骤1) 中获取的主线上游检测器和主线下游检测器的数据都能使这两个不等式同时成立，则处理 控制中心判断当前时刻主线处于堵塞状态；否则判断当前时刻主线处于非堵塞状态； 3) 若当前时刻主线处于堵塞状态，处理控制中心则立即启动对入匝道和主线的协同信 号控制，转入步骤4);否则不启动信号控制，返回步骤1); 4) 处理控制中心确定协同信号控制的配时方案，将配时方案传输给信号机，信号机根 据配时方案指挥信号灯工作，配时方案的确定包括如下步骤： (1) 根据入匝道检测器检测的流量和查询历史流量数据库所确定的当前时刻主线需求 量和匝道需求量，计算主线排队车辆和入匝道排队车辆以饱和流量消散所需的时间，同时 考虑最大、最小周期时间的约束，确定一个合适的周期时间； (2) 根据所确定的周期时间和当前时刻的主线需求量和匝道需求量，采取按需求量 均分绿灯时间的原则，同时考虑入匝道最大排队车辆数的约束，确定主线和入匝道绿灯时 间； 5) 周期时间结束后，处理控制中心根据当前时刻主线上游检测器检测的平均速度和时 间占有率数据，判断主线堵塞是否结束，从而决定是否继续实施协同信号控制： (1)若当前时刻主线上游检测器的检测数据能够使得两个不等式Κ*和况Γ >况? 同时成立，则判定主线仍处于堵塞中，继续实施协同信号控制，返回步骤4); (2)若当前时刻主线上游检测器的检测数据不能够使得两个不等式K*和 ?同时成立，则判定主线堵塞结束，关闭入匝道和主线的协同信号控制，返回步骤 1)。
[0009] 本发明中，所述的确定周期时间，具体计算步骤如下： 1) 数据采集 (1) 查询主线和入匝道历史流量数据库，确定当前时刻的主线需求量Α (辆Α)和匝道 需求量久（辆/s); (2) 采取实际观测或理论模型计算或微观仿真的方法确定入匝道的通行能力0 (辆/ s); (3) 根据入匝道上游检测器和入匝道下游检测器所检测的流量数据，利用排队长度计 算方法，例如利用流量累计变形曲线法，确定当前时刻处在这两个检测器之间的匝道排队 车辆数7 (辆）； 2) 计算周期时间 (1) 根据相关设计规范和实际操作经验，确定周期时间的最大值Cmax (s)和最小值Cmin (s)，以及绿灯间隔时间（或黄灯时间）J (s); (2) 根据入匝道排队车辆数/和通行能力仏按公式（7 /仍计算得到入匝道车辆消散 所需绿灯时间G (s);根据匕及主线与入匝道的需求量之比A /久，按公式（G* A /久） 可计算得到主线绿灯时间i2 (s);根据匕、?2和/，按公式（6+^+2/)计算得到周期时间C (s)； (3) 为了使绿灯时间能够充分利用，此时要求周期时间不能大于G同时考虑到最大周 期时间的约束，取（为（和Cmax中的较小者，更新（的值； (4) 为了保证周期时间不小于最小值，取C为C和Cmin中的较大者，更新C的值，将此时 的C值作为最终确定的周期时间G
[0010] 本发明中，所述的确定主线及入匝道绿灯时间，具体计算步骤如下： 1) 数据采集 (1) 获取当前时刻的主线需求量A (辆/s)和匝道需求量A (辆/s); (2) 获取入匝道的通行能力0 (辆/s)，同时根据入匝道的实际几何条件确定入匝道所 能容纳的最大排队车辆数Z (辆）； 2) 计算主线和入匝道的绿灯时间 (1) 根据计算得到的周期时间^判断下列不等式是否成立： C-D2-(C-2I)·D2/CA + 4) ρ <￡ 式中：〃入匝道排队最大容忍度系数，取值范围为[0，1]，其值越大，表明所容忍的最 大匝道排队长度越长，当其取值为1时，表示容忍匝道车辆排队到最大排队位置处； 若不等式成立转入步骤（2)，否则转入步骤（3); (2) 在此种情况下，若根据主线和入匝道需求量按比例均分绿灯时间，不会致使入匝道 上的排队车辆数在周期时间内超过所设定的最大容忍值，此时按照以下公式计算主线和匝 道上的绿灯时间：
【权利要求】
1. 城市快速路入匝道与主线协同信号控制系统，其特征在于系统组成包括如下部分： 1) 在快速路汇流处设置主线停车线和入匝道停车线； 2) 在主线设置上游检测器和下游检测器，下游检测器设置于主线停车线附近；上游检 测器和下游检测器之间的距离根据协同信号控制系统的最大周期时间C max、主线和入匝道 的平均需求量之比进行确定； 3) 在入匝道设置入匝道上游检测器和入匝道下游检测器，其中下游检测器设置在入匝 道停车线附近，入匝道上游检测器设置在入匝道所能允许的最大排队位置处； 4) 在主线停车线下游设置主线信号灯及信号机，在入匝道停车线下游设置匝道信号灯 及信号机； 5) 处理控制中心，它包括根据主线下游检测器和入匝道下游检测器检测的流量数据所 建立的历史流量数据库，处理控制中心具备如下功能： (1) 根据主线下游检测器所检测的平均速度和时间占有率数据，判断主线当前是否处 于堵塞状态，并在主线处于堵塞状态时启动主线和入匝道的协同信号控制； (2) 根据入匝道下游检测器所检测的流量，并结合从历史流量数据库所获取的主线 和入匝道需求量数据，确定信号控制的配时方案，包括周期时间和主线及入匝道的绿灯时 间； (3) 根据主线上游检测器所检测的平均速度和时间占有率数据，判断主线堵塞是否结 束，并在主线堵塞结束时关闭信号控制； 6) 将所述主线上游检测器、主线下游检测器、匝道上游检测器、匝道下游检测器、主线 信号机及信号灯、入匝道信号灯及信号机分别通过光缆和/或电线和/或无线等通信系统 与处理控制中心相连接。
2. -种如权利要求1所述的城市快速路入匝道与主线协同信号控制系统的控制方法， 其特征在于具体步骤如下： 1) 获取当前时刻主线上游检测器和主线下游检测器所检测到的平均速度和时间占有 率数据，并将该数据传输给处理控制中心； 2) 处理控制中心根据两个不等式K*和况Γ >况?来判断当前时刻主线是否处 于堵塞状态，其中Κ和况Γ分别是主线上游检测器/主线下游检测器当前时刻检测的平均 速度和时间占有率，和分别是堵塞状态下速度和时间占有率的临界值；若从步骤1) 中获取的主线上游检测器和主线下游检测器的数据都能使这两个不等式同时成立，则处理 控制中心判断当前时刻主线处于堵塞状态；否则判断当前时刻主线处于非堵塞状态； 3) 若当前时刻主线处于堵塞状态，处理控制中心则立即启动对入匝道和主线的协同信 号控制，转入步骤4);否则不启动信号控制，返回步骤1); 4) 处理控制中心确定协同信号控制的配时方案，将配时方案传输给信号机，信号机根 据配时方案指挥信号灯工作，配时方案的确定包括如下步骤： (1) 根据入匝道检测器检测的流量和查询历史流量数据库所确定的当前时刻主线需求 量和匝道需求量，计算主线排队车辆和入匝道排队车辆以饱和流量消散所需的时间，同时 考虑最大、最小周期时间的约束，确定一个合适的周期时间； (2) 根据所确定的周期时间和当前时刻的主线需求量和匝道需求量，采取按需求量 均分绿灯时间的原则，同时考虑入匝道最大排队车辆数的约束，确定主线和入匝道绿灯时 间； 5)周期时间结束后，处理控制中心根据当前时刻主线上游检测器检测的平均速度和时 间占有率数据，判断主线堵塞是否结束，从而决定是否继续实施协同信号控制： (1) 若当前时刻主线上游检测器的检测数据能够使得两个不等式K*和况Γ >况? 同时成立，则判定主线仍处于堵塞中，继续实施协同信号控制，返回步骤4); (2) 若当前时刻主线上游检测器的检测数据不能够使得两个不等式Κ*和 ?同时成立，则判定主线堵塞结束，关闭入匝道和主线的协同信号控制，返回步骤 1)。
3. 根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于所述的确定周期时间，具体计算步骤 如下： 1) 数据采集 (1) 查询主线和入匝道历史流量数据库，确定当前时刻的主线需求量Α (辆Α)和匝道 需求量久（辆/s); (2) 采取实际观测或理论模型计算或微观仿真的方法确定入匝道的通行能力0 (辆/ s); (3) 根据入匝道上游检测器和入匝道下游检测器所检测的流量数据，利用排队长度计 算方法，确定当前时刻处在这两个检测器之间的匝道排队车辆数7 (辆）； 2) 计算周期时间 (1) 根据相关设计规范和实际操作经验，确定周期时间的最大值Cmax (s)和最小值Cmin (s)，以及绿灯间隔时间或黄灯时间J (s); (2) 根据入匝道排队车辆数/和通行能力仏按公式（7 /仍计算得到入匝道车辆消散 所需绿灯时间G (s);根据入匝道车辆消散所需绿灯时间匕及主线与入匝道的需求量之比 A / Α，按公式（G* A / Α)计算得到主线绿灯时间h(s);根据入匝道车辆消散所需绿灯 时间G、主线绿灯时间?2和绿灯间隔时间/，按公式Ui+h+2/)计算得到周期时间C (s); (3) 为使绿灯时间能够充分利用，要求周期时间不能大于G同时考虑到最大周期时间 的约束，取C为C和Cmax中的较小者，更新C的值； (4) 为保证周期时间C不小于最小值，取C为C和Cmin中的较大者，更新C的值，将此时 的C值作为最终确定的周期时间G
4. 根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于所述的确定主线及入匝道绿灯时间， 具体计算步骤如下： 1) 数据采集 (1) 获取当前时刻的主线需求量A (辆/s)和匝道需求量A (辆/s); (2) 获取入匝道的通行能力0 (辆/s)，同时根据入匝道的实际几何条件确定入匝道所 能容纳的最大排队车辆数Z (辆）； 2) 计算主线和入匝道的绿灯时间 (1)根据计算得到的周期时间^判断下列不等式是否成立： σ·Α-(σ-2/)·Α/(Α + Α)·β 式中：〃入匝道排队最大容忍度系数，取值范围为[ο，ι]，其值越大，表示所容忍的最 大匝道排队长度越长，当其取值为1时，表示容忍匝道车辆排队到最大排队位置处； 若不等式成立转入步骤（2)，否则转入步骤（3); (2) 若根据主线和入匝道需求量按比例均分绿灯时间，不会致使入匝道上的排队车辆 数在周期时间内超过所设定的最大容忍值，按照以下公式计算主线和匝道上的绿灯时间：
式中：g±主线绿灯时间； 入匝道绿灯时间； (3) 若根据主线和入匝道需求量按比例均分绿灯时间，入匝道所分配得到的绿灯时间 不足，会造成入匝道上的排队车辆数在周期时间内超过所设定的最大容忍值，因此需要给 予入匝道车辆更多的绿灯时间，按照以下公式计算主线和匝道上的绿灯时间：
【文档编号】G08G1/08GK104103180SQ201410333667
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月15日 优先权日:2014年7月15日
【发明者】孙剑, 李宙峰, 李克平 申请人:同济大学