本发明属于交通控制和智能交通技术领域，具体涉及一种旨在避免快速路多线交汇区交通拥堵的智能信号灯优化控制方法。
背景技术：
随着我国经济高速增长，快速道路经历了跨越式迅猛发展，城市内及城市间快速道路里程数迅速增加。近年来，随着我国高速公路建设里程的迅猛增加和机动车保有量的快速增长，快速路交通需求和交通流量激增，加大了快速路的通行压力，快速路网部分路段通行能力已经不能满足现有需求，交通需求与交通供给矛盾日益突出，城市快速路的交通安全和交通拥挤问题日益严重。快速道路交通瓶颈路段在占有率较高时存在通行能力瞬时下降的现象，加剧了瓶颈交通拥堵严重程度，成为制约整条道路通行效率的关键。尤其是快速路分合流区缺乏合理的交通控制技术，快速路匝道及其分合流区交通运行效率低下，导致城市快速路主线及其与城市路网关联节点的拥堵问题越来越严重，已成为各国亟待解决的一个难题。
随着当前智能交通系统和先进的交通管理系统的应用，交通控制中心可以通过视频检测器等设备获得实时准确的交通流数据。视频检测器能够以1s或者更高的精度实时检测交通流特征参数，例如交通流量、车辆速度和占有率等等。城市快速路是城市道路交通网络的大动脉，是城市交通运输的重要支撑和保障；进出匝道分合流区作为快速路系统内部车流和外部车流相互作用的联系纽带，是快速路主线和城市路网关联交叉的关键节点，该区域的交通运行状况直接影响着快速路系统功能的有效发挥和城市路网交通的运行状态。
技术实现要素：
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种旨在避免快速路多线交汇区交通拥堵的智能信号灯优化控制方法，通过基于视频实时交通信息对多线交汇各进口道信号控制进行优化，可以更加有效地预防交汇区通行能力下降现象的出现，避免交通拥堵的产生，实现多线交汇通行效率最大化。
技术方案：
一种快速路多线交汇区智能信号灯优化控制方法，包括如下步骤：
(1)在各进口道上、交汇区处的各进口道口位置以及所述交汇区下游路段口位置设置视频检测器；在所述交汇区处的各进口道口位置上设置信号控制灯；通过视频检测器对交汇区域的交通流进行实时摄像，获取道路交通流数据信息；所述交通流数据信息包括交汇区各进口道车辆排队长度和车辆到达率及交通流运行速度；所述交通流运行速度为各进口道交通流汇入交汇区的车流速度；
(2)设置交汇瓶颈区两检测断面，所述交汇瓶颈区是指各进口道交汇口到通行能力不受交汇车辆影响的路段范围；将各进口道交汇口设为断面a，将通行能力不受交汇车辆影响的路段断面设为断面b；通过视频检测器获取每秒内通过断面a和断面b的车辆数，分别绘制两个断面的累积车辆数曲线图和斜累积车辆数曲线图；根据斜累积车辆数曲线，通过分析通行能力下降时刻前后的斜率，计算交汇瓶颈区通行能力以及通行能力下降幅度，得到交汇区下游路段的通行能力；所述通行能力指的是在一定的道路和交通条件下，道路上某一路段或某交叉口单位时间内通过某一断面的最大车辆数；
(3)判断交汇区各进口道总的车辆到达率是否小于交汇区下游路段的通行能力，若车辆到达率小于交汇区下游路段通行能力，则控制各进口道信号灯全为绿灯，各进口道到达车辆可直接汇入交汇区主线路段；若车辆到达率大于交汇区下游路段的通行能力，则转到步骤(4)；
(4)对各进口道设置不同的放行次序与车辆通过率：
(41)通过视频检测器获取交汇区各进口道实时的车辆排队长度，以排队长度最大的进口道为主要道路，车辆到达率较少的进口道为协调道路；如果多于2条线路交汇，则另排在第二位进口道为协调道路1，排在第三位的为协调道路2，……，车辆到达率排在第n位的进口道为协调道路n-1；
(42)若主要道路上的车辆到达率大于交汇区下游路段的通行能力，则设置主要道路信号灯根据调节率进行调节，协调道路道路为红灯；以交汇区下游路段的通行能力为基准，获得主要道路的车辆通过率，计算该进口道的信号灯调节率，所述信号灯调节率用于调节主要道路单位时间内进入交汇区的车辆数：
r(k)＝q
其中，r(k)为第k个控制周期主要道路信号控制调节率；q为交汇区下游路段的通行能力；
(43)若主要道路上的车辆到达率小于交汇区下游路段的通行能力，主要道路与协调道路1、协调道路2...,协调道路i的交通到达率的和大于交汇区下游路段的通行能力，且主要道路与协调道路1、协调道路2...,协调道路i-1的交通到达率的和小于交汇区下游路段的通行能力，则设置主要道路、协调道路1，2，…，i-1信号灯为绿灯，协调道路i的信号灯根据调节率进行调节，其余道路为红灯；其中，i≤n-1；协调道路i的信号灯调节率计算公式为：
rj(k)＝qj
其中，ri(k)为第k个控制周期协调道路i信号灯调节率；rj(k)为第k个控制周期协调道路j信号灯调节率，1≤j≤i-1；qj为协调道路j的车辆到达率，
(5)主要道路或协调道路i控制的信号配时使得一次绿灯和黄灯时间只有一辆车能够通过停车线进入快速路；根据主要道路或协调道路i的信号灯调节率确定信号灯的配时方案，包括红灯、绿灯和黄灯时间及信号周期tk；计算公式如下：
t绿＝2s
t黄＝1s
t红＝tk－t绿－t黄
其中，tk为第k个控制周期主要道路或协调道路i的信号灯控制周期；t绿、t黄、t红分别为第k个控制周期内绿灯、黄灯、红灯时间；
(6)通过视频检测器获取当前控制周期内最后一个检测时刻各进口道的排队长度，在下一个周期内重复步骤(3)～(5)，确定主要道路与协调道路，动态调整各进口道信号灯的配时方案。
进入下一控制周期后，重复步骤(1)～(6)，调整下一控制周期内各进口道的放行次序，计算交汇区各进口道信号灯调节率，确定各进口道信号灯的配时方案，从而完成下一个周期的交汇区车辆通过率的优化控制。
在步骤(5)之后对视频数据采集周期和交汇区进口道信号控制周期进行协同优化：
第k个周期内视频检测与信号控制同步进行，视频数据采集周期时长为当前进口道控制周期内所有检测周期时长之和，数值上等于当前进口道信号控制周期时长，且控制周期为检测周期的整数倍，该控制周期内采集到的视频数据计算得到下一控制周期的控制参数；
tk＝nkt＝tck
其中，tk为第k个控制周期；t为检测周期；tck为第k个数据采集周期；nk为第k个控制周期内的检测周期数，为整数；
若对于采集到的视频信息，视频处理时间为t0；则第k个周期对应的数据采集周期时长仍与控制周期时长仍相等，tck数据采集周期起始时间为上一检测周期的截止时刻，控制周期与数据采集周期起始时间差为t0。
有益效果：本发明通过分析交汇区下游路段的通行能力，对多线交汇各进口道信号控制进行优化，通过视频检测器获取各进口道实时的车辆排队长度，根据排队长度动态调整各进口道信号控制方案，协调各进口道车辆通过率，可以更加有效地预防交汇区通行能力下降现象的出现，避免交通拥堵的产生，实现多线交汇通行效率最大化。该技术对于快速路多线交汇路段频繁出现交通拥堵情况下的拥堵预防和流量控制具有良好效果。
附图说明
图1为本发明的信号灯流量优化控制方法流程图。
图2为两条线路交汇区域配套硬件设置示意图。
图3为瓶颈路段通行能力分析示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
图1为本发明的信号灯流量优化控制方法流程图。如图1所示，本发明旨在避免快速路多线交汇区交通拥堵的智能信号灯优化控制方法，包括步骤如下：
(1)在各进口道和交汇区设置视频检测器，视频检测器采用摄像头；在本发明中，所述视频检测器设在各进口道上、交汇区处的各进口道口位置以及所述交汇区下游路段口位置；在所述交汇区处的各进口道口位置上设置信号控制灯，所述信号控制灯为红绿灯；通过视频检测器对交汇区的交通流进行实时摄像，然后经数据传输设备传给视频处理器，将摄像机拍摄到的实时交通流图像进行数字化处理，运用图像处理的知识对数字化后的图像进行包括滤波降噪、阈值分割，目标提取，区域融合等处理，然后进行交通流数据的提取，从而获取道路交通流数据信息。具体交通流数据信息包括交汇区各进口道车辆排队长度和车辆到达率，及交通流运行速度(即各进口道交通流汇入交汇区的车流速度)，来判断不同时刻当前交汇区交通流运行状态。视频检测器每1s上传一组数据至处理器。
(2)设置交汇瓶颈区两检测断面，所述交汇瓶颈区指的是各进口道交汇口到通行能力不受交汇车辆影响的路段范围；将各进口道交汇口设为断面a，将通行能力不受交汇车辆影响的路段断面设为断面b；如图2所示，图2为两条线路交汇区域配套硬件设置示意图。通过视频检测器获取每秒内通过断面a和断面b的车辆数，分别绘制两个断面的累积车辆数曲线图和斜累积车辆数曲线图；从累积车辆数曲线中对交通流参数信息进行提取：某个时间段δt内累积车辆数曲线的斜率即为通过断面a和断面b的流率，某时刻t所对应的两条累积车辆数曲线纵坐标差值即断面a和断面b间的车辆数；
根据斜累积车辆数曲线，通过分析通行能力下降时刻前后的斜率，计算交汇瓶颈区通行能力以及通行能力下降幅度，从而得到交汇区下游路段的通行能力；如图3所示。通行能力指的是在一定的道路和交通条件下，道路上某一路段或某交叉口单位时间内通过某一断面的最大车辆数；
(3)根据排队长度动态调整各进口道信号控制方案，协调各进口道车辆通过率，保证各进口道车辆排队长度大致相同：判断交汇区各进口道总的车辆到达率是否小于交汇区下游路段的通行能力，若车辆到达率小于交汇区下游路段的通行能力，则控制各进口道信号灯全为绿灯，各进口道到达车辆可直接汇入交汇区主线路段；若车辆到达率大于交汇区下游路段的通行能力，则转到步骤(4)；
(4)当各进口道总的车辆到达率大于交汇区下游路段的通行能力时，对各进口道设置不同的放行次序与车辆通过率，包括以下步骤：
(41)通过视频检测器获取交汇区各进口道实时的车辆排队长度，以排队长度最大的进口道为主要道路，车辆到达率较少的进口道为协调道路；如果多于2条线路交汇，则另排在第二位进口道为协调道路1，排在第三位的为协调道路2，……，车辆到达率排在第n位的进口道为协调道路n-1；
(42)若主要道路上的车辆到达率大于交汇区下游路段的通行能力，则主要道路信号灯根据调节率进行调节，协调道路道路为红灯；以交汇区下游路段的通行能力为基准，获得主要道路的车辆通过率，计算该进口道的信号灯调节率，所述信号灯调节率用于调节主要道路单位时间内进入交汇区的车辆数：
r(k)＝q
其中，r(k)为第k个控制周期主要道路信号控制调节率；q为交汇区下游路段的通行能力；
(43)若主要道路上的车辆到达率小于交汇区下游路段的通行能力，主要道路与协调道路1、协调道路2...,协调道路i(i≤n-1)的交通到达率的和大于交汇区下游路段的通行能力，且主要道路与协调道路1、协调道路2...,协调道路i-1(i≤n-1)的交通到达率的和小于交汇区下游路段的通行能力，则设置主要道路、协调道路1，2，…，i-1信号灯为绿灯，协调道路i信号灯根据调节率进行调节，其余道路为红灯；协调道路i的信号灯调节率计算公式为：
rj(k)＝qj(1≤j≤i-1)
其中，ri(k)为第k个控制周期协调道路i信号灯调节率；rj(k)为第k个控制周期协调道路j(1≤j≤i-1)信号灯调节率；qj为协调道路j的车辆到达率，
(5)计算各进口道信号灯控制周期及信号配时：确定匝道的信号灯的配时方案，包括红灯、绿灯和黄灯时间及信号周期，将所得的配时方案反馈给匝道的信号灯上，用于对各交汇道路下一周期通过车辆的控制；
具体为：
(51)主要道路或协调道路i控制的信号配时使得一次绿灯和黄灯时间只有一辆车能够通过停车线进入快速路；一个信号周期为了保证只有一辆车通过停车线，绿灯加黄灯时间一般为3s；当采用绿灯加黄灯时间为3s，最小红灯时间为1s的单车放行方式时，即通过一辆车的最短时间为4秒，1h中协调道路i的最大调节量为900veh/h；
(52)根据步骤(4)所获得的主要道路或协调道路i的信号灯调节率，信号灯控制系统确定信号灯的配时方案，包括红灯、绿灯和黄灯时间及信号周期tk；计算公式如下：
t绿＝2s
t黄＝1s
t红＝tk－t绿－t黄
其中，tk为第k个控制周期主要道路或协调道路i的信号灯控制周期；t绿、t黄、t红分别为第k个控制周期内绿灯、黄灯、红灯时间；
(53)将所述步骤5及步骤(52)计算得到的信号灯控制参数反馈给交汇区进口道信号控制系统用于对下一周期各进口道通过车辆的控制；
(54)通过视频检测器获取当前控制周期内最后一个检测时刻各进口道的排队长度，在下一个周期内重复步骤(3)～(4)，确定主要道路与协调道路，动态调整各进口道信号控制方案，协调各进口道车辆通过率，保证各进口道车辆排队长度大致相同；
(6)对视频数据采集周期和交汇区进口道信号控制周期进行协同优化；第k个周期内视频检测与信号控制同步进行，视频数据采集周期时长为当前进口道控制周期内所有检测周期时长之和，数值上等于当前进口道信号控制周期时长，且控制周期为检测周期的整数倍，该控制周期内采集到的视频数据经控制算法自动计算得到下一控制周期的控制参数；
tk＝nkt＝tck
其中，tk为第k个控制周期；t为检测周期(t＝1s)；tck为第k个数据采集周期；nk为第k个控制周期内的检测周期数，为整数；
若对于采集到的视频信息，视频处理需要一定的时间，该处理时间记为t0；则第k个周期对应的数据采集周期时长仍与控制周期时长仍相等，tck数据采集周期起始时间为上一检测周期的截止时刻，控制周期与数据采集周期起始时间差为t0。
(7)进入下一控制周期；重复步骤(1)～(6)，调整下一控制周期内各进口道的放行次序，计算交汇区各进口道信号灯调节率，协调各进口道车辆通过率，从而完成下一个周期的交汇区车辆通过率的优化控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。