一种基于可移动虚拟信号的交通溢流预协调方法与流程

本发明涉及城市智能交通控制领域，尤其涉及一种基于可移动虚拟信号的交通溢流预协调方法。

背景技术：

随着国家经济的快速发展，人民生活水平得到改善，人们的出行次数与机动车拥有量大幅度增长，给城市交通系统带来巨大的压力，随之衍生出来的交通拥堵、交通事故、环境污染等问题，给人民的生产与生活造成严重的不良影响。

交通溢流是指由于交叉路口的瓶颈影响，使得驶入路段的车辆数量大于驶出路段的车辆数量而形成排队，随着时间的演化，滞留在路段上的车辆数逐渐增多，当车辆排队超出路段长度时，部分车辆占据上游交叉口，形成交通溢流现象。交通溢流是引发城市交通拥堵的罪魁祸首之一，如果没有快速解决，溢流就会沿着各个方向迅速蔓延，使大范围路网的道路都处于拥堵状态，甚至会造成城市交通系统的大面积瘫痪，严重影响城市居民的日常生活。因此，合理有效地解决交通溢流，缓解城市交通拥堵，成为城市交通发展变革的首要目标。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于可移动虚拟信号的交通溢流预协调方法，本发明通过在上游路段布设可移动虚拟预信号的方式，结合本发明提供的虚拟信号控制方法，充分发挥虚拟投影信号优势，动态调整上游路段流入下游路段的车流量与车流流速，在保证实施效果与较低延误的条件下，高效完成交通溢流的预协调，最大限度地降低交叉口锁死的概率，提高交通运行水平，缓解交通拥堵，促进整个城市交通系统的和谐畅通。

为了更清楚的说明技术方案，进行如下的解释和说明：

虚拟信号投影装置包括信号控制器、灯杆、可灵活转动的投影器以及设置在路侧的轨道，信号控制器与溢流检测器连接，灯杆与投影器在装有步进电机的轨道上行驶；投影器投影形式为3d全息投影，此投影器形成立体的“减速”、“停”与“行”三种虚拟信号图像，利用人双眼的视觉差达到所需效果。需要实施拦行指令时，按一定间隔投影“减速”与“停”两种红色虚拟信号图像，警示驾驶员在“减速”信号前开始减速，在“停”信号前停滞等待；需要实施放行指令时，单独投影“行”绿色虚拟信号图像，提醒驾驶员启动车辆，此放行指令投影在“停”虚拟信号投影位置。

“减速”与“停”虚拟信号投影间距由下式获得：

式中：la为“减速”与“停”虚拟信号投影间距；为路段3车辆的平均行驶车速；ai,min为车辆安全制动的最小减速度。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于可移动虚拟信号的交通溢流预协调方法，包括以下步骤：

(1)采集道路和信号配时数据，布设溢流检测器与虚拟信号投影装置，检测上下游路段车流排队波到达检测器的时刻以及波速，预测车流最大排队长度；

(2)判断最大排队长度是否会达到溢流排队长度阈值，若预测会达到溢流状态，根据采集的信号配时数据判断溢流检测器检测时上游路段的车流状态，确定虚拟投影装置停滞位置；

(3)计算并调整虚拟信号装置投影放行信号时刻，以投影拦行信号的状态，以一定速度在轨道上沿着车辆行进方向行驶至停车线处，使车流以相同速度跟随行驶。

所述步骤(1)中，采集数据包括道路平面设计、信号配时数据，以及上下游路段多时段车流排队波、释放波和离去波波速数据。

所述步骤(1)中个，溢流检测器用于检测上下游路段车流排队波到达检测器的时刻以及波速，预测车流最大排队长度，溢流检测器安装位置需在保证检测精度的原则上尽量靠近停车线，以便有充分时间实现溢流的预协调。

所述步骤(1)中，溢流检测器预测下游路段第n个信号周期的车流最大排队长度lmax，设置路段长度l为溢流阈值，若lmax＞l，则视为会发生溢流，需要启用虚拟信号投影装置进行溢流预协调，若lmax≤l，则视为不会发生溢流，无需进行溢流的预协调。

所述步骤(2)中，根据采集的信号配时数据判断溢流检测器检测时上游路段的车流状态，若检测时刻对应上游交叉口信号灯色为红，对应车流为排队波，虚拟信号投影器停滞位置与交叉口停车线的距离由下式获得：

lc＝l-lb-ld

式中：lc为虚拟信号投影器停滞位置与交叉口停车线的距离；l为路段长度；ld为虚拟信号投影器灯杆与“停”虚拟信号投影字幕间隔。

所述步骤(2)中，若溢流检测器检测时刻对应交叉口信号灯色为绿，对应车流为排队波与释放波，虚拟信号投影器停滞位置与交叉口停车线的距离由下式获得：

式中：ω5为上游路段车流释放波波速；为上游交叉口第n个信号周期信号灯绿灯启亮时刻。

所述步骤(3)中，虚拟信号控制放行至第n+1个周期红灯启亮时间间隔内的放行车流需要满足，既不会因为车流时距过短在造成停车延误，也不会因为车流时距过长造成交叉口时空资源的浪费，使溢流预协调后车流运行整体延误达到最小；同时需满足上游交叉口第n+1个信号周期红灯启亮前在下游路段有足够的空间停滞，否则仍然会造成溢流；还需满足溢流协调后的上游路段车流最大排队长度不大于路段长度，防止溢流预协调实施后上游路段溢流。

进一步的，若虚拟信号投影放行信号图像时刻无法满足上述任意一项条件，则需调整虚拟信号放行信号投影时刻，以避免溢流的发生。

所述步骤(3)中，虚拟信号投影放行信号图像时刻由下式获得：

式中：为虚拟信号装置投影放行信号图像时刻；为下游交叉口第n+1个信号周期信号灯红灯启亮时刻；为下游路段车流由释放波转变为离去波的临界时刻；ω3为下游路段车流离去波波速，为下游交叉口第n个信号周期信号灯绿灯启亮时刻；为下游交叉口第n个信号周期信号灯红灯启亮时刻；为上游交叉口第n个信号周期信号灯绿灯启亮时刻。

所述步骤(3)中，为保证溢流预协调后上游路段不会发生溢流，上游路段的最大排队长度需满足下式：

式中：lmax2为第n+1信号周期的上游路段车流最大排队长度；le为溢流检测器距上游交叉口停车线距离；为溢流检测器检测到车流排队波到达检测器的时刻；为溢流检测器检测到车流释放波到达检测器的时刻；s为上游路段长度，为车流释放波传到虚拟信号投影装置时刻。

所述步骤(3)中，虚拟信号装置以投影拦行信号的状态，以一定速度在轨道上沿着车辆行进方向行驶至停车线处，使车流以相同速度跟随行驶，虚拟信号装置在延长后的放行信号投影时刻释放车流。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)相比于改变信号配时与上下游交叉口相位差的的传统溢流协调方式，本发明的新增预信号可在不影响交叉口主信号正常运行的基础上，有效避免溢流的产生；

2)本发明借鉴冲击波理论，采用虚拟信号灯，动态控制上游车流流速与输入量，可以有效防止路口进入过饱和状态，缓解交通拥堵；

3)可移动的虚拟信号灯消除了增设预信号后造成的车流二次启动延误，大大减少了新增信号带来的不利影响，保证了溢流协调的高效性；

4)虚拟信号灯采用3d全息投影技术，相比于传统实体信号灯，警示效果更为强烈，并且对色盲色弱等视障碍人群有极大的益处。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为溢流预协调方法流程图；

图2为溢流预协调实施方式示意图；

图3(a)为未实施溢流预协调的单一信号周期内相邻交叉口冲击波形图；

图3(b)-图3(f)为溢流预协调后不同情况下单一信号周期内相邻交叉口冲击波形图；

图4(a)、图4(b)为交叉口溢流预协调前后延误变化示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不能缓解城市交通拥堵的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于可移动虚拟信号的交通溢流预协调方法，通过在上游路段布设可移动虚拟预信号的方式，结合本发明提供的虚拟信号控制方法，充分发挥虚拟投影信号优势，动态调整上游路段流入下游路段的车流量与车流流速，在保证实施效果与较低延误的条件下，高效完成交通溢流的预协调，最大限度地降低交叉口锁死的概率，提高交通运行水平，缓解交通拥堵，促进整个城市交通系统的和谐畅通。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示.，一种基于可移动虚拟信号的交通溢流预协调方法，包括以下步骤：

步骤1：获取交叉口1与交叉口2的道路平面设计、信号配时数据，以及上下游路段多时段车流排队波、释放波、离去波波速数据；如图2所示，在路段3安装溢流检测器6，在路段7安装溢流检测器8，在路段3安装虚拟信号投影装置5；

溢流检测器6，用于检测图3(a)中路段3的车流排队波到达检测器的时刻以及波速ω4，结合等时刻平均释放波波速数据计算路段3的车流最大排队长度；溢流检测器8用于检测图3(a)中路段7的车流排队波与释放波到达检测器的时刻以及波速ω1，结合等时刻平均释放波波速数据计算路段7的车流最大排队长度并判断其是否大于溢流排队长度阈值，若大于阈值，则需进行溢流协调，若小于阈值，则无需进行溢流协调。溢流检测器6与溢流检测器8安装位置需在保证检测精度的原则上尽量靠近停车线，以便有充分时间实现溢流的预协调，路段7为上游路段，路段3为下游路段。

所述虚拟信号投影装置5由信号控制器、灯杆、可灵活转动的投影器以及设置在路侧的轨道组成，信号控制器与溢流检测器6、8连接，灯杆与投影器在装有步进电机的轨道上行驶；投影器投影形式为3d全息投影，此投影器形成立体的“减速”、“停”与“行”三种虚拟信号图像，利用人双眼的视觉差达到所需效果。需要实施拦行指令时，按一定间隔投影“减速”与“停”两种红色虚拟信号图像，警示驾驶员在“减速”信号前开始减速，在“停”信号前停滞等待；需要实施放行指令时，单独投影“行”绿色虚拟信号图像，提醒驾驶员启动车辆，此放行指令投影在“停”虚拟信号投影位置。相比于普通实体信号灯，本发明的3d虚拟信号有更强的警示效果。

“减速”与“停”虚拟信号投影间距由下式获得：

式中：la为“减速”与“停”虚拟信号投影间距；为路段3车辆的平均行驶车速；ai,min为车辆安全制动的最小减速度，通常取2m/s²。

步骤2：控制溢流检测器8检测路段7交通流状态值，判断路段7最大排队长度是否会达到溢流排队长度阈值；

如图3(b)所示，溢流检测器8距交叉口1停车线距离为lb，溢流监测器8预测第n个信号周期的车流最大排队长度lmax。在本发明中，设置路段7长度l为溢流阈值。若lmax＞l，则视为交叉口2会发生溢流，需要启用虚拟信号投影装置进行溢流预协调，若lmax≤l，则视为交叉口2不会发生溢流，无需进行溢流的预协调。

所述第n个信号周期内的路段7车流最大排队长度由下式获得：

式中：lmax为第n个信号周期路段7车流最大排队长度；lb为溢流检测器8距交叉口1停车线距离；为溢流检测器8检测到车流排队波到达检测器的时刻；为溢流检测器8检测到车流释放波到达检测器的时刻；ω1为路段7车流排队波波速；ω2为路段7车流释放波波速。

步骤3：若溢流检测器8确认上游交叉口-交叉口2会达到溢流状态，则计算虚拟投影装置停滞位置；若溢流检测器确认交叉口2不会达到溢流状态，则按照原信号状态放行；

根据采集的交叉口2配时方案判断路段7溢流检测器检测时路段3的车流状态，如图3(b)、图3(c)所示，若检测时刻对应交叉口2信号灯色为红，对应路段3车流为排队波，虚拟信号投影器停滞位置与交叉口2停车线的距离由下式获得：

lc＝l-lb-ld

式中：lc为虚拟信号投影器停滞位置与交叉口2停车线的距离；l为路段7长度；ld为虚拟信号投影器灯杆与“停”虚拟信号投影字幕间隔。

如图3(d)、图3(e)所示，若溢流检测器检测时刻对应交叉口2信号灯色为绿，对应车流为排队波与释放波，虚拟信号投影器停滞位置与交叉口2停车线的距离由下式获得：

式中：ω5为上游路段-路段3车流释放波波速；为上游交叉口-交叉口2第n个信号周期信号灯绿灯启亮时刻。

步骤4：计算虚拟信号装置投影放行信号时刻；

为保证溢流预协调的实施效果，需满足虚拟信号控制放行至第n+1个周期红灯启亮时间间隔内的放行车流，既不会因为车流时距过短在下游路段-路段7造成停车延误，也不会因为车流时距过长造成交叉口时空资源的浪费，使溢流预协调后车流运行整体延误达到最小；需满足交叉口2第n+1个信号周期红灯启亮前，在路段7内有足够的空间停滞，否则仍然会造成交叉口2的溢流；还需满足溢流协调后的路段3车流最大排队长度不大于路段3长度，防止溢流预协调实施后路段3溢流。虚拟信号放行后的车流冲突波示意如图3(b)(c)(d)(e)所示，在释放波传到虚拟信号投影装置时，释放波波速会因车流停滞短暂性变为0。虚拟信号投影装置在时刻投影拦行信号图像，时刻车流释放波传到虚拟信号投影装置，时刻投影放行信号图像。

虚拟信号投影放行信号图像时刻由下式获得：

式中：为虚拟信号装置投影放行信号图像时刻；为交叉口1第n+1个信号周期信号灯红灯启亮时刻；为路段7车流由释放波转变为离去波的临界时刻；ω3为路段7车流离去波波速。为交叉口1第n个信号周期信号灯绿灯启亮时刻；为交叉口1第n个信号周期信号灯红灯启亮时刻；为交叉口2第n个信号周期信号灯绿灯启亮时刻；

为满足在交叉口1第n+1个信号周期红灯启亮前虚拟信号放行的车流在路段7内有足够的空间停滞，首先要预测溢流协调后路段3达到最大排队长度的时刻tmax2与交叉口2第n+1个周期信号灯红灯启亮时刻的先后次序，随后判断虚拟信号放行的车流长度是否会超过路段7可容纳长度。

上述路段3的最大排队时刻由下式获得：

式中：tmax2为溢流协调后路段3达到最大排队长度的时刻；tde为车流启动延误；为交叉口2第n个信号周期信号灯红灯启亮时刻；

判断tmax2与的先后次序，若tmax2在之后，则交叉口2第n个信号周期绿灯信号时间内，未放行离去波车流，上述虚拟信号投影放行信号图像时刻应满足下式：

式中：为交叉口2第n+1个周期信号灯红灯启亮时刻。

若tmax2在之前，则交叉口2第n个信号周期绿灯信号时间内，放行部分离去波车流，上述虚拟信号投影放行信号图像时刻应满足下式：

式中：ω6为路段3车流离去波波速。

为保证溢流预协调后交叉口2不会发生溢流，路段3的最大排队长度需满足下式：

式中：lmax2为第n+1信号周期的路段3车流最大排队长度；le为溢流检测器6距交叉口2停车线距离；为溢流检测器6检测到车流排队波到达检测器的时刻；为溢流检测器6检测到车流释放波到达检测器的时刻；s为路段3长度；

若虚拟信号投影放行信号图像时刻无法满足上述任意一项条件，则需调整虚拟信号放行信号投影时刻，以避免溢流的发生。

步骤5：完善虚拟信号放行方案，调整虚拟信号放行信号投影时刻，计算虚拟信号装置移动速度；

如图3(b)-图3(e)所示，虚拟信号放行的车流波如果在时刻由波速为0开始释放，必有一定的启动延误，波速变化初期是类似抛物线的形式。如图3(f)所示，本发明采用的虚拟信号装置在时刻，也就是车流释放波传到虚拟信号投影装置时刻，以投影拦行信号的形状态，以一定速度在轨道上沿着车辆行进方向行驶至停车线处，使车流以相同速度跟随行驶。虚拟信号装置在延长后的放行信号投影时刻释放车流，以此消除车流的启动延误，增强虚拟信号的实施效果。

虚拟信号装置的行驶速度由下式获得：

步骤6：实施上述溢流预协调方案。

从图4(a)和图4(b)的对比来看，本发明的新增预信号可在不影响交叉口主信号正常运行的基础上，有效避免溢流的产生，采用虚拟信号灯，动态控制上游车流流速与输入量，可以有效防止路口进入过饱和状态，缓解交通拥堵，可移动的虚拟信号灯消除了增设预信号后造成的车流二次启动延误，大大减少了新增信号带来的不利影响，保证了溢流协调的高效性。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。