一种面向绿波协调控制的路段行驶速度设计方法与流程

本发明涉及智能交通控制技术领域，更具体的，涉及一种面向绿波协调控制的路段行驶速度设计方法。

背景技术：

绿波设计行驶速度是指使协调交叉口获得绿波时所相应行驶车辆的平均速度，是进行绿波协调控制设计时的一个关键参量。正常情况下，在绿波带内以绿波设计行驶速度行驶的干道直行车辆，可以连续不停顿地通过各个干道交叉口。

目前进行绿波协调控制方案设计时，通常是根据驾驶经验、历史数据或者利用抽样采集等方法来确定路段甚至整个干道的绿波设计行驶速度。如此确定的绿波设计行驶速度，不但将会受到人为因素的干扰，而且难以保证绿波带宽和绿波行驶速度同时达到最大，更没有考虑其对驾驶舒适性与安全性的影响，因此绿波设计的整体效果难以取得最佳。

行驶速度诱导是通过道路交通标志标线及诱导屏，使驾驶员获悉道路状况与驾驶信息，从而实现对车辆行驶速度的控制与调节；车联网是一个由车辆位置、速度和路线等信息构成的巨大交互网络，可以完成车辆自身环境和状态信息的采集，并通过对车辆信息的分析与处理，从而实现对车辆运行状态的有效监管，为交通运营管理提供科学决策；自动驾驶则是依靠人工智能、视觉计算、雷达、监控装置和全球定位系统协同合作，让电脑可以在没有任何人类主动的操作下，自动安全地操作机动车辆。以上新技术、新方法、新系统的出现，将使得车辆在道路上的行驶状态可以被更加精准地控制，为城市道路交通的智能管控提供了有力的技术保障。

技术实现要素：

本发明针对当前绿波协调控制方法难以保证绿波带宽和绿波行驶速度同时达到最大的问题，提出了一种面向绿波协调控制的路段行驶速度设计方法，在满足路段行驶速度范围要求和保证干道绿波带宽最大化的前提下，使得车辆在整个干道上的行驶速度最大，并让车辆在不同路段上的行驶速度尽可能地接近，从而可以有效地提高道路的通行效率，减少车辆的行程时间与停车次数，提高驾驶的平稳性和舒适度。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种面向绿波协调控制的路段行驶速度设计方法，所述该方法包括以下步骤：

步骤s1：确定绿波协调设计的已知参数，所述已知参数包括各个交叉口的可选相位设计方案、绿信比分配要求、公共信号周期优化范围、相邻交叉口之间的距离、行驶速度优化范围；

步骤s2：选取干道一端的起始交叉口为基准交叉口，并记为交叉口i1；

步骤s3：根据基准交叉口i1与交叉口ii之间的行驶时间等价关系以及交叉口ii-1与交叉口ii之间路段行驶的行驶速度优化范围v(i-1→i)∈[vmin(i-1→i)，vmax(i-1→i)]，确定基准交叉口i1与交叉口ii之间的行驶速度优化范围；

式中，v(i-1→i)表示交叉口ii-1到交叉口ii的速度，vmin(i-1→i)表示交叉口ii-1到交叉口ii的最小速度，vmax(i-1→i)表示交叉口ii-1到交叉口ii的最大速度；

步骤s4：根据绿波设计行驶速度计算公式和行驶速度优化范围，确定不同公共信号周期与不同相位设计方案下基准交叉口与各交叉口之间的绿波行驶速度设计方案；

步骤s5：根据以上步骤计算得到多套绿波行驶速度设计方案，选出对应干道始末两端交叉口之间绿波行驶速度v(1,n)最大的设计方案放入最优方案备选集合，其中行驶速度计算精度可取为1km/h；

步骤s6：从最优方案备选集合中选出路段行驶速度方差最小的作为绿波行驶速度最优设计方案。

优选地，所述步骤s3，基准交叉口i1与交叉口ii之间的行驶时间等价关系表达式如下：

式中，s(1→i-1)表示交叉口i1到交叉口ii-1的距离，v(1→i-1)表示交叉口i1到交叉口ii-1的行驶速度，s(i-1→i)表示交叉口ii-1到交叉口ii的距离，v(i-1→i)表示交叉口ii-1到交叉口ii的行驶速度，s(1→i)交叉口i1到交叉口ii的距离，v(1→i)表示交叉口i1到交叉口ii的行驶速度。

进一步地，所述步骤s3，基准交叉口i1与交叉口ii之间的行驶速度优化范围的公式表达式如下：

式中，v(1→i)表示基准交叉口i1到交叉口ii的行驶速度；

特别的，对于基准交叉口i1与交叉口i2之间的行驶速度v(1→2)的优化范围为[vmin(1→2)，vmax(1→2)]。

再进一步地，所述步骤s4，具体地，假设干道的双向通行条件相当，即交叉口之间的双向间距相等s(1→i)＝s(i→1)＝s(1,i)、路段双向行驶速度相等v(1→i)＝v(i→1)＝v(1,i)，基准交叉口i1与交叉口ii之间的绿波行驶速度计算步骤包括：

s401：根据不同的公共信号周期、相位设计方案和绿信比分配要求，计算各交叉口ii在协调方向i1→in的相位绿灯中心时刻点超前于其在协调方向in→i1的相位绿灯中心时刻点的时间差，记为δti。

s402：绿波设计行驶速度计算公式如下：

式中，c表示公共信号周期，ki表示某整数；

通过调节整数ki使得基准交叉口i1与交叉口ii之间的行驶速度处于步骤s3计算得到的行驶速度优化范围内；如果找不到整数ki，则说明对应的公共信号周期与相位设计方案不适合进行双向绿波协调控制设计。

再进一步地，所述步骤s6中，所述路段行驶速度方差计算公式如下：

式中，σ²表示路段行驶速度方差，n表示干道交叉口数量。

本发明的有益效果如下：

1.本发明计算得到的绿波设计行驶速度，有利于获得最大绿波带宽度，能够最大程度地减少干道直行车辆的平均停车次数。

2.本发明将根据路段行驶速度范围，选出干道始末两端交叉口之间绿波行驶速度最大的设计方案，能够最大程度地缩短干道直行车辆的平均行程时间。

3.本发明将使得车辆在不同路段上的行驶速度尽可能接近，确保车辆在行驶过程中更加平稳，提高了行车的舒适性与安全性。

附图说明

图1是本实施例路段行驶速度设计方法的步骤流程图。

图2是实施例得到的行驶速度设计方案的时距图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

实施例1

已知在某南北向干道上由南往北依次有交叉口i1、交叉口i2、交叉口i3和交叉口i4共4个信号交叉口，干道的双向通行条件相当，即交叉口之间的双向间距相等s(1→i)＝s(i→1)＝s(1i,)、路段双向行驶速度相等v(1→i)＝v(i→1)＝v(1i,)；交叉口i1和交叉口i2之间的距离s(1,2)为500m；交叉口i2和交叉口i3之间的距离s(2,3)为600m；交叉口i3和交叉口i4之间的距离s(3,4)为550m。

如图1所示，一种面向绿波协调控制的路段行驶速度设计方法，所述该方法包括以下步骤：

步骤s1：确定南北方向为协调方向，各交叉口的可选相位设计方案均包括7种，分别为南北搭接、北南搭接、南北对称、南北东西、南东北西、南西北东、北南西东；各交叉口各进口的绿信比分配要求如表1所示；公共信号周期的优化范围为[90,110]s；相邻交叉口之间的路段行驶速度优化范围均为[50,60]km/h。

表1各交叉口各进口的绿信比分配要求

步骤s2：选取干道一端的起始交叉口为基准交叉口，并记为交叉口i1，并假定公共信号周期的优化精度为4s。

步骤s3：根据基准交叉口i1与交叉口ii之间的行驶时间等价关系，其表达式如下：

式中，s(1→i-1)表示交叉口i1到交叉口ii-1的距离，v(1→i-1)表示交叉口i1到交叉口ii-1的行驶速度，s(i-1→i)表示交叉口ii-1到交叉口ii的距离，v(i-1→i)表示交叉口ii-1到交叉口ii的行驶速度，s(1→i)交叉口i1到交叉口ii的距离，v(1→i)表示交叉口i1到交叉口ii的行驶速度；

以及交叉口ii-1与交叉口ii之间路段行驶的行驶速度优化范围v(i-1→i)∈[vmin(i-1→i)，vmax(i-1→i)]，确定基准交叉口i1与交叉口ii之间的行驶速度优化范围，其公式表达式如下：

式中，v(i-1→i)表示交叉口ii-1到交叉口ii的速度，vmin(i-1→i)表示交叉口ii-1到交叉口ii的最小速度，vmax(i-1→i)表示交叉口ii-1到交叉口ii的最大速度；v(1→i)表示基准交叉口i1到交叉口ii的行驶速度。

步骤s4：假设干道的双向通行条件相当，即交叉口之间的双向间距相等s(1→i)＝s(i→1)＝s(1,i)、路段双向行驶速度相等v(1→i)＝v(i→1)＝v(1,i)，基准交叉口i1与交叉口ii之间的绿波行驶速度计算步骤包括：

s401：根据不同的公共信号周期、相位设计方案和绿信比分配要求，计算各交叉口ii在协调方向i1→in的相位绿灯中心时刻点超前于其在协调方向in→i1的相位绿灯中心时刻点的时间差，记为δti。

s402：绿波设计行驶速度计算公式如下：

式中，c表示公共信号周期，ki表示某整数；

通过调节整数ki使得基准交叉口i1与交叉口ii之间的行驶速度处于步骤s3计算得到的行驶速度优化范围内，确定不同公共信号周期与不同相位设计方案下基准交叉口与各交叉口之间的绿波行驶速度设计方案；如果找不到整数ki，则说明对应的公共信号周期与相位设计方案不适合进行双向绿波协调控制设计。

根据步骤s3与步骤s4可以确定：

(1)当交叉口i1的相位设计方案为南北搭接时

1)交叉口i1与交叉口i2之间的行驶速度优化范围为v(1→2)∈[50,60]km/h，根据不同的公共信号周期、交叉口i2的相位设计方案和绿信比分配要求，分别计算交叉口i1与交叉口i2在协调方向i1→i4的相位绿灯中心时刻点超前于其在协调方向i4→i1的相位绿灯中心时刻点的时间差，记为δt1和δt2，其计算结果如表2与表3所示。

其具体计算如下，由表1可知，交叉口i1的南直左、南北直、北直左的绿信比要求分别为0.28、0.10、0.26，因此交叉口i1在协调方向i1→i4的相位绿灯中心时刻点超前于其在协调方向i4→i1的相位绿灯中心时刻点的时间差为：[0.28+(0.10+0.26)/2-(0.28+0.10)/2]×c＝0.27c，当公共信号周期c取90s时，δt1＝0.27×90＝24.3s；其他计算时间差的方式均与以上计算方式相同。

表2交叉口i1的协调相位绿灯中心时刻点时间差(s)

具体计算，由表1可知，交叉口i2的南直左、南北直、北直左的绿信比要求分别为0.26、0.12、0.24，因此交叉口i2在协调方向i1→i4的相位绿灯中心时刻点超前于其在协调方向i4→i1的相位绿灯中心时刻点的时间差为：[0.26+(0.12+0.24)/2-(0.26+0.12)/2]×c＝0.25c，当公共信号周期c取90s时，δt2＝0.25×90＝22.5s，计算其他时间差的方法与以上方法相同。

表3交叉口i2的协调相位绿灯中心时刻点时间差(s)

根据绿波设计行驶速度计算公式求出不同公共信号周期与不同相位设计方案下的绿波设计行驶速度v(1→2)，如表4所示。如果找不到整数k2使得v(1→2)处于行驶速度优化范围内，则说明对应的公共信号周期与相位设计方案不适合进行双向绿波协调控制设计，在表4中用符号“\”表示。

具体计算，当公共信号周期c取90s、交叉口i1与交叉口i2的相位设计方案均为南北搭接时，δt1＝24.3s、δt2＝22.5s，此时找不到整数k2可以使得处于行驶速度优化范围之内，故不存在对应的绿波设计行驶速度，在表4中用符号“\”表示；又例如，当公共信号周期c取90s、交叉口i1的相位设计方案为南北搭接、交叉口i2的相位设计方案为南东北西时，δt1＝24.3s、δt2＝45.9s，此时整数k2取1可以使得处于行驶速度优化范围之内，故对应绿波设计行驶速度为53km/h，计算其他绿波设计行驶速度与以上计算方法相同。

表4交叉口i1与交叉口i2之间的绿波设计行驶速度(km/h)

2)根据绿波设计行驶速度v(1→2)以及交叉口i2与交叉口i3之间的路段行驶速度优化范围要求v(2→3)∈[50,60]km/h，确定交叉口i1与交叉口i3之间的行驶速度优化范围为：

根据表4中不同的绿波设计行驶速度v(1→2)求出交叉口i1与交叉口i3之间的行驶速度优化范围，如表5所示。

例如，当公共信号周期c取90s时，由s(1→2)＝500m、s(2→3)＝600m、s(1→3)＝1100m、v(1→2)＝53km/h、vmin(2→3)＝50km/h、vmax(2→3)＝60km/h，可以算出v(1→3)的优化范围为v(1→3)∈[51,56]km/h；当公共信号周期c取98s时，由于之前计算发现不存在对应的绿波设计行驶速度v(1→2)，故v1()3→的优化范围也不存在，在表5中用符号“\”表示。

表5交叉口i1与交叉口i3之间的行驶速度优化范围(km/h)

根据不同的公共信号周期与交叉口i3的相位设计方案，计算交叉口i3在协调方向i1→i4的相位绿灯中心时刻点超前于其在协调方向i4→i1的相位绿灯中心时刻点的时间差δt3，其计算结果如表6所示。

其具体计算如下，由表1可知，交叉口i3的南直左、南北直、北直左的绿信比要求分别为0.30、0.10、0.26，因此交叉口i3在协调方向i1→i4的相位绿灯中心时刻点超前于其在协调方向i4→i1的相位绿灯中心时刻点的时间差为：[0.30+(0.10+0.26)/2-(0.30+0.10)/2]×c＝0.28c，当公共信号周期c取90s时，δt3＝0.28×90＝25.2s；其他计算时间差的方式均与以上计算方式相同。

表6交叉口i3的协调相位绿灯中心时刻点时间差(s)

根据绿波设计行驶速度计算公式求出不同公共信号周期与不同相位设计方案下的绿波设计行驶速度v(1→3)，如表7所示。如果找不到整数k3使得v(1→3)处于表5所示的行驶速度优化范围内，则说明对应的公共信号周期与相位设计方案不适合进行双向绿波协调控制设计，在表7中用符号“\”表示。

具体计算，当公共信号周期c取90s、交叉口i1与交叉口i3的相位设计方案均为南北搭接时，δt1＝24.3s、δt3＝25.2s，此时找不到整数k3可以使得处于行驶速度优化范围之内，故不存在对应的绿波设计行驶速度，在表7中用符号“\”表示；又例如，当公共信号周期c取90s、交叉口i1的相位设计方案为南北搭接、交叉口i3的相位设计方案为北南东西时，δt1＝24.3s、δt3＝60.3s，此时整数k3取2可以使得处于行驶速度优化范围之内，故对应绿波设计行驶速度为55km/h，计算其他绿波设计行驶速度与以上计算方法相同。

表7交叉口i1与交叉口i3之间的绿波设计行驶速度(km/h)

3)根据绿波设计行驶速度v(1→3)以及交叉口i3与交叉口i4之间的路段行驶速度优化范围要求v(3→4)∈[50,60]km/h，确定交叉口i1与交叉口i4之间的行驶速度优化范围为：

根据表7中不同的绿波设计行驶速度v(1→3)求出交叉口i1与交叉口i4之间的行驶速度优化范围，如表8所示。

例如，当公共信号周期c取90s时，由s(1→2)＝500m、s(2→3)＝600m、s(3→4)＝550m，s(1→4)＝1650m、v(1→3)＝55km/h、vmin(3→4)＝50km/h、vmax(3→4)＝60km/h，可以算出v(1→4)的优化范围为v(1→4)∈[53,57]km/h；当公共信号周期c取98s时，由于之前计算发现不存在对应的绿波设计行驶速度v(1→3)，故v(1→4)的优化范围也不存在，在表8中用符号“\”表示。

表8交叉口i1与交叉口i4之间的行驶速度优化范围(km/h)

根据不同的公共信号周期与交叉口i4的相位设计方案，计算交叉口i4在协调方向i1→i4的相位绿灯中心时刻点超前于其在协调方向i4→i1的相位绿灯中心时刻点的时间差δt4，其计算结果如表9所示。

其具体计算如下，由表1可知，交叉口i4的南直左、南北直、北直左的绿信比要求分别为0.32、0.12、0.24，因此交叉口i4在协调方向i1→i4的相位绿灯中心时刻点超前于其在协调方向i4→i1的相位绿灯中心时刻点的时间差为：[0.32+(0.12+0.24)/2-(0.32+0.12)/2]×c＝0.28c，当公共信号周期c取90s时，δt4＝0.28×90＝25.2s；其他计算时间差的方式均与以上计算方式相同。

表9交叉口i4的协调相位绿灯中心时刻点时间差(s)

根据绿波设计行驶速度计算公式求出不同公共信号周期与不同相位设计方案下的绿波设计行驶速度v(1→4)，如表10所示。如果找不到整数k4使得v(1→4)处于表8所示的行驶速度优化范围内，则说明对应的公共信号周期与相位设计方案不适合进行双向绿波协调控制设计，在表10中用符号“\”表示。

具体计算，当公共信号周期c取90s、交叉口i1与交叉口i4的相位设计方案均为南北搭接时，δt1＝24.3s、δt4＝25.2s，此时找不到整数k4可以使得处于行驶速度优化范围之内，故不存在对应的绿波设计行驶速度，在表10中用符号“\”表示；又例如，当公共信号周期c取94s、交叉口i1的相位设计方案分别为南北搭接、交叉口i4的相位设计方案为南北对称时，δt1＝25.4s、δt4＝0.0s，此时整数k4取1可以使得处于行驶速度优化范围之内，故对应绿波设计行驶速度为56km/h，计算其他绿波设计行驶速度与以上计算方法相同。

表10交叉口i1与交叉口i4之间的绿波设计行驶速度(km/h)

由以上分析可知，当交叉口i1的相位设计方案为南北搭接时，最佳公共信号周期可取为106s，交叉口i2、交叉口i3与交叉口i4的最佳相位设计方案分别为北南东西、南北对称与南北东西，此时干道始末两端交叉口之间的绿波行驶速度v(1,4)＝58km/h，达到最大值；相邻交叉口之间的绿波行驶速度v(1,2)、v(2,3)、v(3,4)分别为59km/h、59km/h、57km/h。

(2)当交叉口i1的相位设计方案为北南搭接、南北对称、南北东西、南东北西、南西北东、北南西东时

由表4、表7和表10可以看出，当交叉口i1的相位设计方案为南北搭接放行时，交叉口i2、交叉口i3与交叉口i4的最佳相位设计方案分别为北南东西、南北对称与南北东西，最佳公共信号周期为106s，干道始末两端交叉口之间的绿波行驶速度v(1,4)＝58km/h，取到了最大值，此时对应相邻交叉口之间的绿波行驶设计速度v(1,2)、v(2,3)、v(3,4)分别为59km/h、59km/h、57km/h，对应为设计方案1。再针对交叉口i1的相位设计方案为北南搭接、南北对称、南北东西、南东北西、南西北东、北南西东时，可以类似分别计算出其他6种设计方案如表11所示。

表11交叉口信号相位设计和路段与干道绿波行驶速度设计方案

步骤s5：在表11所示的多套绿波行驶速度设计方案中，选出对应干道始末两端交叉口之间绿波行驶速度v(1,4)最大的设计方案1与方案3放入最优方案备选集合，其绿波行驶速度v(1,4)均达到58km/h。

步骤s6：对于最优方案备选集合中的设计方案1与方案3，根据各方案的路段绿波设计行驶速度v(1,2)、v(2,3)、v(3,4)，计算路段行驶速度方差对比设计方案1与方案3的路段行驶速度方差选出设计方案3作为绿波行驶速度最优设计方案。

综上所述，最佳信号协调设计方案是公共信号周期为90s，交叉口i1、i2、i3、i4的信号相位分别为南北对称、南北东西、南东北西与北南搭接。此时干道始末两端交叉口之间的绿波行驶速度v(1,4)达到最大值58km/h，路段行驶速度方差σ²达到最小值0.3。

绘制面向绿波协调控制的路段行驶速度设计方案时距图，如图2所示。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。