基于车辆排队长度的交叉口信号配时优化方法与流程

本发明属于智能交通控制领域，涉及一种在交叉口利用车辆排队长度来进行交叉口信号配时的优化算法。

背景技术：

随着我国城镇化建设的不断深化，大中城市的建设规模及交通压力也逐渐变大。信号交叉口作为城市道路的咽喉，是城市交通高效稳定的关键。在我国，现有交通信号控制系统均是利用“流量检测器”，检测一段时间内集计的车流量数据，从而利用流量数据对信号交叉口进行信号配时优化。

现有的利用“流量检测器”进行信号配时优化的手段存在检测误差较大，优化效果不佳，以及布设在地面下的“流量检测器”设备损坏率高，后期维护困难等问题。而随着“互联网+”时代的到来，我们利用城市交通出行者的轨迹大数据，可以分析得到在每个交叉口车辆实时的排队状况数据，如每个进口道排队车辆数，车辆排队长度等数据。

针对上述问题及行业发展趋势，本发明提出了一种基于车辆排队长度的交叉口信号配时优化方法，即最大可能排队压力控制算法。它改变以往利用流量检测器进行感应式信号控制的常规做法，利用排队长度进行感应式信号控制，具体方法为利用红灯末尾车辆排队长度推算最大排队长度，根据最大排队长度计算本相位所需要的绿灯时间，根据此相位的绿灯时间优化信号配时双环结构，做出嵌套相位；取得了比经典的基于车头时距的感应式控制更好的效果。这种方法对排队长度误差估计不敏感，在一定的误差下仍能取得比较好的控制效果。

技术实现要素：

1、本发明的目的。

本发明为了解决现有技术中信号配时检测误差较大、设备损坏率高的问题，而提出了一种基于车辆排队长度的交叉口信号配时优化方法，利用交叉口的车辆排队长度进行交叉口信号配时优化。

2、本发明技术方案。

本发明提出的一种基于车辆排队长度的交叉口信号配时优化方法，按照如下步骤进行：

(1)根据交叉口的渠化和控制方案实际情况，定义双环结构；

(2)双环结构中，环结构采用矩形表示，其中双环横向从左至右矩形按照时间顺序排序，矩形长度代表该流向绿灯时长，矩形左或右边界代表绿灯开始或结束的时刻；

(3)双环反映信号配时情况，确定双环包括两个方面：确定环内流向的排列以及确定流向通行的持续时间；

(4)确定环内流向的排列即每个环内的流向的放行顺序，从而确定环间两个流向的组合，其原则包括：第一，同一环内所有流向都是两两冲突，且环间对应位置的流向不冲突，第二，同一道路上的流向相邻放行；

(5)计算绿灯时间，根据绿灯约束调整理论绿灯时间得到实际绿灯时间，从而确定矩形长度。

更进一步具体实施方式中，所述的步骤2中，具体定义方法为：双环结构中，代表第j个环，编号i为流向。

更进一步具体实施方式中，所述的步骤(5)计算绿灯时间按照如下方式进行：

5.1：设fi^(j)对应车道组的单车道饱和流率为si^(j)，单位为pcu/h；

5.2：计算fi^(j)对应车道组的饱和车头时距hi^(j)，hi^(j)单位为s；

5.3：计算流向fi^(j)对应车道组的消散波速vdi^(j)，单位为m/s；

5.4：计算fi^(j)第t个周期的集结波速vai^(j)(t)，单位为m/s；

5.5：计算fi^(j)第t个周期队尾车从队尾启动到其到达停车线所需时间βi^(j)(t)，单位为s；

5.6：计算fi^(j)第t个周期消散波从停车线传到队尾所需时间αi^(j)(t)，单位为s；

5.7：计算fi^(j)第t个周期的理论绿灯时长gi^(j)(t)，单位为s；

5.8:根据双环边界约束条件；

5.9：根据双边约束条件得到实际绿灯时间。

更进一步具体实施方式中，所述的步骤5.8中：双环边界约束包括外约束，外约束是指通行权切换至某条道路时，双环的第一个流向绿灯的开始时刻相同，外约束只对每条道路双环的第一个流向起作用。

更进一步具体实施方式中，所述的步骤5.8中双环边界约束还包括内约束：内约束是指通行权在同一道路不同流向间切换时，内约束存在时，环间对应下标的流向必须同时开始，从信号控制相位的角度即两个流向的绿灯视为同一个相位。

更进一步具体实施方式中，不同车道饱和流率取值范围为：400～2000pcu/h。

更进一步具体实施方式中，不同车道饱和流率优选取值1600pcu/h。

3、本发明的有益效果。

本发明利用车辆排队长度进行交叉口信号配时优化，与现有的信号配时优化方法相比，存在以下3点优势：

第1，本方法利用排队长度估计所需绿灯时间是对传统的以延误最小估计信号即首先通过红灯期间的车辆排队长度，计算理论绿灯时间，再根据绿灯约束进行最大、最小绿灯时间约束的调整，从而得到实际绿灯时间。

第2，本发明方法中的红灯结束时刻排队长度的估计仅需要gps的抽样数据进行排队长度的估算，取代了传统的“流量检测器”硬件设备，节省了信号控制优化系统的大量硬件建设成本和后期维护成本。

第3，本发明提出的信号配时方法利用了最大绿灯约束、最小绿灯约束以及双环边界约束。最大绿灯约束和最小绿灯约束用以避免某个流向的绿灯过大或过小，双环边界约束保证了某些流向绿灯的开始时刻相同，避免冲突以及提高信号控制的灵活程度。这种方法对排队长度估计误差不敏感，即在排队长度估算稍微存在误差的情况下，本信号配时方法依然可以体现出较好的信号控制效果。

综上所述，本发明利用排队长度进行感应式信号控制，通过红灯末尾车辆排队长度推算最大排队长度，根据最大排队长度计算本相位所需要的绿灯时间，根据此相位的绿灯时间优化信号配时双环结构，做出嵌套相位；取得了比经典的基于车头时距的感应式控制更好的效果，这种方法对排队长度误差估计不敏感，在一定的误差下仍能取得比较好的控制效果。

附图说明

图1有内约束的双环结构示意。

图2无内约束的双环结构示意。

图3理论绿灯时长计算示意。

图4具体实施方式中交叉口渠化、c点和m点的位置示意。

图5具体实施方式中双环结构示意。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施案例作详细的说明，本实施案例在本发明技术方案为前提下进行实施，给出了的计算过程，但本发明的保护范围不限于下述实施的案例。

实施例1

双环结构中，fi^(j)代表第j个环，编号为i的流向，以矩形表示。双环横向从左至右矩形的下标依次增大，代表时间顺序，矩形长度代表该流向绿灯时长，矩形左边界代表绿灯开始时刻，矩形右边界代表绿灯结束时刻。

双环直观反映了信号配时情况，信号配时方案的确定即双环的确定。确定双环包括两个方面：确定环内流向的排列以及确定流向通行的持续时间。

确定环内流向的排列也就是确定每个环内的流向的放行顺序，也间接确定了环间两个流向的组合。这一步需要在应用本发明方法前事先确定。确定环内流向的排列有以下两个原则：

第一，必须保证同一环内所有流向都是两两冲突，且环间对应位置的流向不冲突。例如图1中，北左转f1⁽¹⁾对应南左转f1⁽²⁾，南直行f2⁽¹⁾对应北直行f2⁽²⁾，都是非冲突流向。下标代表流向顺序，上标代表环号。

第二，为了提高效率，同一道路上的流向相邻放行，以减少通行权在不同道路间的切换次数，例如图1中，南北向左转f1⁽¹⁾、f1⁽²⁾与南北向直行f2⁽¹⁾、f2⁽²⁾相邻。

在流向排列确定好的基础上，应用本发明方法确定流向通行的持续时间。

本发明方法的主要技术路线为：计算理论绿灯时间，再根据绿灯约束调整理论绿灯时间得到实际绿灯时间。

理论绿灯时间计算方法如下：

针对双环结构内第j环、i个流向fi^(j)进行研究。

5.1：设fi^(j)对应车道组的单车道饱和流率为si^(j)，单位为pcu/h，不同车道饱和流率有所差异，取值范围为：1400～2000pcu/h，一般取1600pcu/h。

5.2：按式(1)计算fi^(j)对应车道组的饱和车头时距hi^(j)，hi^(j)单位为s。

5.3：按式(2)计算流向fi^(j)对应车道组的消散波速vdi^(j)，单位为m/s。

式(2)中，d表示交叉口的平均停车车头间距，d单位为m，vi^(j)表示fi^(j)的期望车速，单位为m/s。

5.4：计算fi^(j)第t个周期的集结波速vai^(j)(t)，单位为m/s。vai^(j)(t)计算公式如式(3)。

式(3)中，ri^(j)(t)为fi^(j)第t周期的红灯时长，单位为s，qli^(j)(t)为fi^(j)第t周期红灯末尾的排队长度，当fi^(j)包含多车道时，qli^(j)(t)取各车道排队长度平均值。

5.5：计算fi^(j)第t个周期队尾车从队尾启动到其到达停车线所需时间βi^(j)(t)，单位为s。βi^(j)(t)的计算公式如式(4)，式(4)各参量含义见5.3和5.4。

5.6：计算fi^(j)第t个周期消散波从停车线传到队尾所需时间αi^(j)(t)，单位为s。αi^(j)(t)的计算公式如式(5)，式(5)各参量含义见5.3和5.4。

5.7：计算fi^(j)第t个周期的理论绿灯时长gi^(j)(t)，单位为s。gi^(j)(t)的计算公式如式(6)，式(6)各参量含义见5.4和5.5。

gi^(j)(t)＝αi^(j)(t)+βi^(j)(t)(6)

绿灯约束包括：最大绿灯约束、最小绿灯约束以及双环边界约束。

最大绿灯约束和最小绿灯约束用以避免某个流向的绿灯过大或过小。约束的表达式见式(7)。式中xi^(j)(t)为fi^(j)第t周期的绿灯时长。

xi^(j)(t)≤gmaxi^(j),

xi^(j)(t)≥gmini^(j),

i＝1,2,...,n,(7)

j＝1,2,

t＝1,2,...,n

式(7)中，gmaxi^(j)和gmini^(j)分别是fi^(j)的最大、最小绿灯。

双环边界约束保证了某些流向绿灯的开始时刻相同，避免冲突以及提高信号控制的灵活程度。双环边界约束包括外约束和内约束。

外约束是指通行权切换至某条道路时，双环的第一个流向绿灯的开始时刻相同。该约束保证了不同道路上的流向不冲突，例如图1中，东西向双环的第一个流向分别是东左转f3⁽¹⁾和西左转f3⁽²⁾，在外约束1下，每个周期t内，这两个流向绿灯开始时刻相同，即gs3⁽¹⁾(t)＝gs3⁽²⁾(t)，也就保证了通行权从南北向道路切换至东西向时两条道路的流向不发生冲突，外约束2同理。交叉口是不同道路的交汇点，必然存在外约束，但外约束只对每条道路双环的第一个流向起作用。外约束的表达式如式(8)。

gsi⁽¹⁾(t)＝gsi⁽²⁾(t),

t＝1,2,...n,(8)

i＝每条道路第一个放行流向的下标

内约束是指通行权在同一道路不同流向间切换时，双环的绿灯开始时刻相同。由于双环结构本身就避免了同一道路内不同流向的冲突，见[0010]。内约束并不起保护作用，因此，内约束可以存在或不存在，取决于控制方案的灵活程度。内约束存在时，控制方案简单，环间对应下标的流向必须同时开始，从信号控制相位的角度理解即可以把两个流向的绿灯视为同一个相位，例如图1中，内约束1存在，则f2⁽¹⁾、f2⁽²⁾的绿灯开始时刻相同，可将f2⁽¹⁾和f2⁽²⁾的绿灯视为同一个相位，即南北直行。内约束2同理。内约束不存在时，控制方案灵活，环间对应下标的流向可以不同时开始，从信号控制相位的角度理解即可以存在相位搭接，例如图2中，内约束1不存在，则f2⁽¹⁾、f2⁽²⁾的绿灯开始时刻可以不同，南北左转和南北直行的两个相位存在搭接。内约束2同理。

内约束存在时，其表达式如式(9)，

gsi⁽¹⁾(t)＝gsi⁽²⁾(t),

t＝1,2,...n,(9)

i＝每条道路除第一个放行流向的下标

综合外约束与内约束，双环边界约束可写作式(10)，

gsi⁽¹⁾(t)＝gsi⁽²⁾(t),

t＝1,2,...n,

根据绿灯约束调整理论绿灯时间得到实际绿灯时间的方法如下：

针对fi⁽¹⁾和fi⁽²⁾进行研究。根据[0015]～[0028]，已知gi⁽¹⁾(t)，gi⁽²⁾(t)，先进行双环边界约束的调整。令p计算式如式(11)：

式(11)中，ii⁽¹⁾(t)是fi⁽¹⁾绿灯切换至fi+1⁽¹⁾绿灯的时间间隔，单位为s；ii⁽²⁾(t)是fi⁽²⁾绿灯切换至fi+1⁽²⁾绿灯的时间间隔，单位为s；qi⁽¹⁾(t)和qi⁽²⁾(t)分别是fi⁽¹⁾和fi⁽²⁾第t周期经过双环边界约束调整后的绿灯时间。

在qi⁽¹⁾(t)和qi⁽²⁾(t)的基础上进行最大、最小绿灯时间约束的调整，如式(12)

得到实际应该分配给fi^(j)的绿灯时长gi^(j)(t)，表达式为式(13)

gi^(j)(t)＝qi^(j)(t)-max{δqi⁽¹⁾(t),δqi⁽²⁾(t)},j＝1,2(13)

得到fi^(j)的实际绿灯时长后，就可以计算下一个流向绿灯开始的时刻gsi+1^(j)(t)，再重复[0015]～[0041]。

理论绿灯时长的计算示意如图3。

具体应用验证：

本案例为深圳市某交叉口，交叉口中心点c的经纬度坐标为(113.88389,22.55776)。基于新湖路各流向的排队长度和初始信号配时，从某一时刻起应用本发明技术方案对交叉口进行信号控制。此车道停车线中点m的经纬度坐标为(113.88411,22.55763)，交叉口的渠化及c点和m点的位置如图4。

交叉口原为4相位交叉口，相位初始配时为：①南、北直行，绿灯时长为38s；②南、北左转，绿灯时长为15s；③东、西直行，绿灯时长为20s；④东、西左转，绿灯时长为15s。各相位黄灯均为3s，全红2s，因此绿灯间隔均为5s。相位顺序为①—②—③—④，周期运行。右转不设信号控制。

交叉口各进口道的期望车速为36km/h(10m/s)。

交叉口进口各车道的饱和流率为1600pcu/h。

交叉口进口道的平均停车间距为6.5m。

从108s起，应用本发明技术方案进行信号控制。

定义双环结构，如图5。该案例采用无内约束的双环结构。有内约束的双环结构相当于原有的4相位控制，情况更加简单，可类比该案例。

抽取应用本发明技术方案后的前2个周期内的配时结果，如表1：

表1信号配时结果

根据式(1)和(2)，饱和车头时距hi＝2.25s，消散波速vdi＝4.0625m/s，i＝1,2,3,4。

时刻108s，南、北直行红灯结束，即绿灯启亮，gs1⁽¹⁾(1)＝gs1⁽²⁾(1)＝108s，此时北直行的最大排队长度为77.69m，南直行最大排队长度为89.21m，即ql1⁽¹⁾(1)＝77.69m，ql1⁽²⁾(1)＝89.21m。南、北直行红灯时间为r1⁽¹⁾(1)＝r1⁽²⁾(1)＝67s。根据式(3)，集结波速va1⁽¹⁾(1)＝1.1596m/s,va1⁽²⁾(1)＝1.3315m/s。根据式(4)，队尾车从启动到停车线所需时间β1⁽¹⁾(1)＝7.769s，β1⁽²⁾(1)＝8.921s。根据式(5)，消散波传到队尾所需时间α1⁽¹⁾(1)＝26.76s，α1⁽²⁾(1)＝32.67s。根据式(6)，该周期北、南直行的理论绿灯分别为g1⁽¹⁾(1)＝35s，g1⁽²⁾(1)＝42s，经绿灯约束调整后，实际绿灯为g1⁽¹⁾(1)＝35s，g1⁽²⁾(1)＝42s。因此，该周期南、北左转红灯结束即绿灯启亮时刻分别为gs2⁽¹⁾(1)＝148s，gs2⁽²⁾(1)＝155s。

每个流向绿灯开始时，进行与[0036]类似操作，就能使系统周期运行。