一种自动调整周期和绿信比的交通信号协调控制方法与流程

本专利属于交通信号控制技术领域。

背景技术：

随着机动车保有量的激增，道路拥堵日趋严重，交通信号控制面临巨大挑战。为有效提升交通信号控制水平和加快信号控制智能化建设步伐，提升路网交通运行效率，缓解“空等空放”、路段拥堵、车辆积压等现象，基于路口交通需求的信号智能控制已成为当前热点研究问题。

交通信号控制通常可按控制范围划分为单点控制、干线协调控制和区域协调控制三类，按控制方式划分可分为定时控制和感应控制两类。而当前在全国各地应用较广泛的主要是单点定时控制、单点感应控制和干线协调控制(“绿波”控制)三种控制方式。其中单点定时控制，主要是依据人工经验制定多时段、定周期信号控制方案，没有全面考虑实际的交通需求，没有协调控制；单点感应控制，也不能从路口各方向交通需求出发，动态调整控制方案，而是依靠预设规则进行路口交通流放行；干线协调控制，是依据主要行驶方向的交通流量、路段长度和平均车速设置相位时长、相位差和带宽，并根据经验选取主要路口，估算公共周期，制定多时段，定周期的协调控制方案，无法兼顾其他路口的交通需求和需求变化情况。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供一种自动调整周期和绿信比的交通信号协调控制方法，以实现在满足协调方向的车流一次通过交叉口的情况下信号周期时长，相位时长自主调整的干线协调协调控制。充分提高交叉口绿灯利用率，提高交叉口通行效率。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明可采用以下技术方案：

一种自动调整周期和绿信比的交通信号协调控制方法，包括以下步骤：

(1)、建立交通信号协调控制模型，包括

交通需求：单位时间内期望通过道路某一截面的交通流量；

流量区段方案：包含信号协调控制方案中默认的主路口、主方向、公共周期、相位差和带宽等信号控制参数的方案；

主路口：根据干线中各路口交通需求的时空变化规律、地理位置条件分析得到的关键路口；

主方向：定义为干线协调控制路口的“绿波”通行方向；

协调方案公共周期：流量区段方案中依据交通需求、延误、排队长度计算的，作为各协调路口放行依据的信号周期时长；

协调方案相位差：流量区段方案中依据路段距离、车流量、车辆平均旅行时间计算的主路口与协调路口放行相位的起始时间之差；

协调方案带宽：车辆在协调路口间连续获得通行的最小绿灯时间长度；

交通信号协调控制方案：定义该信号协调控制方案是在流量区段方案基础上根据当前交通需求计算而得的协调控制方案，包含各路口的信号控制方案周期时长、相位时长、相位差、通行带宽等信号控制参数；

(2)、交通信号协调控制方案实施；

(3)、流量区段方案设计；

(4)、周期时长自动调整方法设计；

(5)、绿信比自动调整方法设计。

进一步的，步骤(2)中，交通信号协调控制方案实施包括以下步骤：

(2a)根据交叉口所在区位、通行需求以及历史流量特征等因素综合分析确定协调方案的主路口，并根据协调方向依次给协调路口编号，并根据实际交通需求赋予权重系数；

(2b)根据各路口流量变化规律，分别制定工作日、节假日的流量区段方案，各流量区段方案中根据主路口的流量变化规律计算公共周期时长，根据路口间距、平均行程车速、非协调方向道路等级等因素制定相位差和绿波协调带宽，编号存入方案库；

(2c)实时采集干线协调方案各路口交通流参数，动态分析当前信号控制周期的交通需求，基于方案库的流量区段方案计算干线协调控制的最佳方案，即协调控制最佳周期、各路口最佳相位时长以及路口间相位差；

(2d)最佳方案执行过程中，在保证协调相位时长、协调放行带宽和相位差的基础上，各路口根据各流向的实际交通需求，以平均等待时间、绿灯利用率、延误多参数建立绿信比分析模型，动态分析各相位的相位时长需求，实时调整各相位的相位时长。

进一步的，步骤(3)流量区段方案设计中，包括以下步骤：

(3a)、实时交通流数据采集；

(3b)、实时信号控制参数采集；

(3c)、输入影响因子，影响因子包括空间区位系数、气候环境系数、道路环境系数、路口结构系数、方案时间系数、方案时段系数；

(3d)、结合影响因子进行信号控制仿真；

(3e)、对信号控制效益进行评价；

(3f)、判断效益是否最优，如是，进入下一步，如否，优化控制方案后回到步骤(3d)重新仿真；

(3g)、计算流量区段参数；

(3h)、输出存储流量区段方案。

进一步的，步骤(4)的周期时长自动调整方法设计包括以下步骤：

(4a)、实时交通流数据采集；

(4b)、分析主路口当前交通需求；

(4c)、分析非协调路口交通需求；

(4d)、分析各路口通行效率；

(4e)、匹配流量区段方案；

(4f)、计算最佳方案。

进一步的，步骤(5)中绿信比自动调整方法设计包括以下步骤：

(5a)、执行步骤(4f)中的最佳方案；

(5b)、采集各路口各流向交通需求；

(5c)、判断当前相位交通是否超出阈值，如超出，则进入步骤(5d)，如未超出，则判断下一相位是否超出阈值，如下一相位同样未超出阈值，则按照当前相位执行最佳方案绿信比；如下一相位超出阈值，则进入步骤(5e)；

(5d)、判断当前相位是否为协调相位，如是，则进入步骤(5f)；如否，则进入步骤(5g)；

(5e)、下一相位是否为协调相位，如是，则进入步骤(5h)；如否，则进入步骤(5g)；

(5f)、根据实时交通需求优化绿信比，直至协调相位绿信比超出调整阈值，然后以当前相位执行优化后绿信比；

(5g)、判断协调相位是否已经放行，如是则根据实时交通需求优化绿信比后，以当前相位执行优化后绿信比；如否，则进入步骤(5i)；

(5h)、根据实时交通需求优化绿信比，直至协调相位绿信比满足带宽需求，然后以当前相位执行优化后绿信比；

(5i)、根据实时交通需求优化绿信比，直至协调相位绿信比满足通行需求，然后以当前相位执行优化后绿信比。

有益效果：本发明应用于交通信号控制系统后，体现了如下优点：

1、能够根据流量区段方案和实际路网交通流运行规律，动态切换路口信号控制方式，提高路口管控能力。

2、协调控制方案能够根据各路口的需求变化情况，实时调整路口的信号控制方案，在实现协调控制的基础上，动态调整各路口的绿信比，能够最大化的保证各路口信号控制方案适应实际交通需求，提高路口信号管控效能。

附图说明

图1为本发明中交通信号协调控制模型示意图。

图2为本发明中流量区段方案的流程图。

图3为本发明中最佳方案生成方法的流程图。

图4为本发明中绿信比自动调整方法的流程图。

具体实施方式

本发明公开一种自动调整周期和绿信比的交通信号协调控制方法，包括以下步骤：

(1)、请结合图1所示，建立交通信号协调控制模型，包括

交通需求：单位时间内期望通过道路某一截面的交通流量；

流量区段方案：包含信号协调控制方案中默认的主路口、主方向、公共周期、相位差和带宽等信号控制参数的方案；

主路口：根据干线中各路口交通需求的时空变化规律、地理位置条件分析得到的关键路口；

主方向：定义为干线协调控制路口的“绿波”通行方向；

协调方案公共周期：流量区段方案中依据交通需求、延误、排队长度计算的，作为各协调路口放行依据的信号周期时长；

协调方案相位差：流量区段方案中依据路段距离、车流量、车辆平均旅行时间计算的主路口与协调路口放行相位的起始时间之差；

协调方案带宽：车辆在协调路口间连续获得通行的最小绿灯时间长度；

交通信号协调控制方案：定义该信号协调控制方案是在流量区段方案基础上根据当前交通需求计算而得的协调控制方案，包含各路口的信号控制方案周期时长、相位时长、相位差、通行带宽等信号控制参数；

(2)、交通信号协调控制方案实施；包括以下步骤：

(2a)根据交叉口所在区位、通行需求以及历史流量特征等因素综合分析确定协调方案的主路口，并根据协调方向依次给协调路口编号，并根据实际交通需求赋予权重系数；

(2b)根据各路口流量变化规律，分别制定工作日、节假日的流量区段方案，各流量区段方案中根据主路口的流量变化规律计算公共周期时长，根据路口间距、平均行程车速、非协调方向道路等级等因素制定相位差和绿波协调带宽，编号存入方案库；

(2c)实时采集干线协调方案各路口交通流参数，动态分析当前信号控制周期的交通需求，基于方案库的流量区段方案计算干线协调控制的最佳方案，即协调控制最佳周期、各路口最佳相位时长以及路口间相位差；

(2d)最佳方案执行过程中，在保证协调相位时长、协调放行带宽和相位差的基础上，各路口根据各流向的实际交通需求，以平均等待时间、绿灯利用率、延误多参数建立绿信比分析模型，动态分析各相位的相位时长需求，实时调整各相位的相位时长。

(3)、流量区段方案设计；城市路网内交通流运行规律与空间用地、气候环境、道路环境、路口结构、信号控制方案时间时段等因素有诸多关联，本发明在传统的交通流和信号控制参数分析的基础上融入影响因子，构建复合目标函数进行控制效益评价，将最优方案输出存储。

具体的，请结合图2所示，流量区段方案设计中，包括以下步骤：

(3a)、实时交通流数据采集；

(3b)、实时信号控制参数采集；

(3c)、输入影响因子，影响因子包括空间区位系数、气候环境系数、道路环境系数、路口结构系数、方案时间系数、方案时段系数；

(3d)、结合影响因子进行信号控制仿真；

(3e)、对信号控制效益进行评价；

(3f)、判断效益是否最优，如是，进入下一步，如否，优化控制方案后回到步骤(3d)重新仿真；

(3g)、计算流量区段参数；

(3h)、输出存储流量区段方案。

(4)、周期时长自动调整方法设计；周期时长自动调整，即最佳方案生成是指在实时采集干线协调控制路口的交通流数据基础上，根据主路口和非协调路口的权重系数、协调方向通行效率需求以及当前15分钟各路口的交通需求综合计算分析匹配方案库中流量区段方案，并根据当前3个信号周期内交通流实际需求计算最佳信号控制方案。从而实现干线协调控制方案中每个方案的公共周期时长自动调整，且不会随某个交叉口交通流骤变而变化。

具体的，请结合图3所示，周期时长自动调整方法设计包括以下步骤：

(4a)、实时交通流数据采集；

(4b)、分析主路口当前交通需求；

(4c)、分析非协调路口交通需求；

(4d)、分析各路口通行效率；

(4e)、匹配流量区段方案；

(4f)、计算最佳方案。

(5)、绿信比自动调整方法设计：根据交通流的实际运行规律，相邻相位的交通需求变化情况能够直观的表明当前相位切换的需求，故本发明的绿信比自动调整方法，根据相邻相位的需求变化情况进行设计。其中为了保障协调方向的交通流通行能力，在相位变化过程中协调相位的绿信比设计，各相位的最大最小绿信比设计均以协调方向带宽为基准，保证协调方向的通行需求。

具体的，请结合图4所示，绿信比自动调整方法设计包括以下步骤：

(5a)、执行步骤(4f)中的最佳方案；

(5b)、采集各路口各流向交通需求；

(5c)、判断当前相位交通是否超出阈值，如超出，则进入步骤(5d)，如未超出，则判断下一相位是否超出阈值，如下一相位同样未超出阈值，则按照当前相位执行最佳方案绿信比；如下一相位超出阈值，则进入步骤(5e)；

(5d)、判断当前相位是否为协调相位，如是，则进入步骤(5f)；如否，则进入步骤(5g)；

(5e)、下一相位是否为协调相位，如是，则进入步骤(5h)；如否，则进入步骤(5g)；

(5f)、根据实时交通需求优化绿信比，直至协调相位绿信比超出调整阈值，然后以当前相位执行优化后绿信比；

(5g)、判断协调相位是否已经放行，如是则根据实时交通需求优化绿信比后，以当前相位执行优化后绿信比；如否，则进入步骤(5i)；

(5h)、根据实时交通需求优化绿信比，直至协调相位绿信比满足带宽需求，然后以当前相位执行优化后绿信比；

(5i)、根据实时交通需求优化绿信比，直至协调相位绿信比满足通行需求，然后以当前相位执行优化后绿信比。

本发明的关键点是根据路网交通流的变化规律设置干线协调控制的流量区段方案，并基于流量区段方案根据当前的交通需求动态调整协调控制方案和基于各路口的实时交通需求需求调整各相位的相位时长，从而实现在协调控制基础上各路口智能的自适应控制。

本发明应用于交通信号控制系统后，体现了如下优点：

能够根据流量区段方案和实际路网交通流运行规律，动态切换路口信号控制方式，提高路口管控能力。

协调控制方案能够根据各路口的需求变化情况，实时调整路口的信号控制方案，在实现协调控制的基础上，动态调整各路口的绿信比，能够最大化的保证各路口信号控制方案适应实际交通需求，提高路口信号管控效能。