单点交叉口交通信号控制方法

1.本发明涉及智能交通控制技术领域，尤其是涉及单点交叉口交通信号控制方法。


背景技术：

2.交叉口是一个复杂的系统，有各个方向交通流的交织与分流，交叉口区域内车辆的启动、停车、加减速等行为的发生率明显高于其他路网区域，对车流运行的整体连贯性造成负面影响，从而产生交通延误。交叉口处通常设置有交通信号灯，合理控制交叉口处交通信号，可以提升交叉口通行能力，减少交叉口车辆延误，有效缓解城市拥堵。
3.目前的交通信号控制大致分为三类：
4.(1)定时控制。定时控制主要是将一天分为若干控制时段，根据每个控制时段的交通量设置不同的信号控制方式，定时控制无法根据交叉口的流量动态和实时地调整信号控制参数，存在时效性差的问题，通常需要在一定的时间间隔内对现有的信号控制方案进行调整。
5.(2)感应式控制。感应式控制要求采集交叉口各条导向车道内的交通流数据，自机动车相位的最小绿灯时长结束时刻开始，评估机动车相位的交通需求，决定是否切断机动车相位的绿灯。该控制方式无法精准评估机动车相位的交通需求，很可能生成不合理的绿灯切断决定，拉低交叉口的整体性能，而且配时存在延迟，无法满足交通配时实时性要求。
6.(3)自适应控制。自适应控制方式监测并预测交叉口的车辆到达规律和(或)车辆消散规律；建立以最小化车辆总延误、车辆平均延误、车辆总停车次数、车辆总排队长度等为目标的优化模型，在线生成交叉口的相位显示顺序、机动车相位的绿灯时长等；但是很多模型较为复杂，很难求解。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提出一种单点交叉口交通信号控制方法，采用以精准测量数据为基础，多角度多维度评估交叉口交通通行状态，迭代计算给出通行相位，以降低交叉口车辆最大延误，同时避免浪费车道占有率。
8.为此，本发明提供了以下技术方案：
9.本发明提供了一种单点交叉口交通信号控制方法，所述单点交叉口的东西车道的入口处设置有第一信号灯和第一停止线，南北车道的入口处设置有第二信号灯和第二停止线；所述方法包括：
10.分别获取所述东西车道和所述南北车道的车道交通状态信息；所述车道交通状态信息包括：当前时刻任一辆车的行驶速度、平均车头间距、任一车辆距离相应停止线的距离、任一车辆前方的等待车辆数、车辆排队数量以及车流量；
11.确定所述第一信号灯和所述第二信号灯的信号切换周期；
12.在每个切换周期，根据所述车道交通状态信息确定所述东西车道的入口和所述南北车道的入口是否有等待车辆；
13.当所述东西车道的入口和所述南北车道的入口均有等待车辆时，根据车道的等待时间代价函数和车辆排队数量分别计算所述东西车道和所述南北车道的通行适合度函数；所述车道的通行适合度函数采用如下方式计算：
14.j＝f(wtim,h)＝ω1×
wtim+ω2×
h；
15.其中，ω1，ω2为权重系数；h为所述车道的排队车辆数；wtim为由车道的等待时间代价函数计算出的所述车道的停止线后检测区域内每台车辆需要等待时长的总和；所述车道的等待时间代价函数如下：
16.其中：wtim为所述车道的停止线后检测区域内每台车辆需要等待时长的总和；i代表第i时刻；j代表车道上第j辆车；δ为信号灯转换时间常数；λ
gap
为绿间隔；n为所述车道的停止线后检测区域内所有等待通行车辆的总数；gi为第i时刻所述车道对应的信号灯绿灯时长，gi根据第i时刻所述第一信号灯和所述第二信号灯的信号切换周期、所述车道的车流量比以及所述东西车道和所述南北车道的车流量比之和计算得到；t
ij
表示当红灯亮启时，第i时刻车辆j到达停车线时红灯已亮的时间；t
ij
根据第i时刻车辆j的行驶速度、平均车头间距、车辆j距离相应停止线的距离以及车辆j前方的等待车辆数计算得到；
17.根据所述东西车道和所述南北车道的通行适合度函数，控制所述第一信号灯和所述第二信号灯的相位。
18.进一步地，t
ij
由公式计算：
19.其中：vj为辆车j的行驶速度，d为平均车头间距；sj为车辆j距离停止线的距离；lj为车辆j前方的等待车辆数。
20.进一步地，确定当前时刻所述第一信号灯和所述第二信号灯的信号切换周期，包括：
21.根据韦伯斯特配时法，第i时刻信号周期为：
22.其中，λi为第i时刻车辆启动损失时间；ηi为第i时刻所述东西车道车流量比η
1i
和所述南北车道车流量比η
2i
之和，即ηi＝η
1i
+η
2i
；；q
1i
为第i时刻所述东西车道的车流量；q
1i
为第i时刻所述南北车道的车流量；s为车道饱和车流量。
23.进一步地，所述东西车道上自所述第一停止线起沿车辆行驶方向反方向每隔第一预设距离设置有一个车道雷达传感器；所述南北车道上自所述第一停止线起沿车辆行驶方向反方向每隔第一预设距离设置有一个雷达传感器；所述东西车道上沿行驶方向反方向距离所述第一停止线第二预设距离处设置有一个磁感线圈；所述南北车道上沿行驶方向反方向距离所述第二停止线第二预设距离处设置有一个磁感线圈；
24.相应地，分别获取所述东西车道和所述南北车道的车道交通状态信息，包括：
25.利用设置的雷达传感器分别获取所述东西车道和所述南北车道中当前时刻任一车辆的行驶速度、平均车头间距和任一车辆距离相应停止线的距离；
26.利用磁感线圈获取两个车道的车流量。
27.进一步地，在根据所述车道交通状态信息确定所述东西车道的入口和所述南北车
道的入口是否有等待车辆之前，还包括：
28.获取所述东西车道出口和所述南北车道出口车流的平均车速；
29.根据所述车流的平均车速确定拥堵状态；
30.当所述东西车道出口处于拥堵状态时，将所述第一信号灯设置为红灯；
31.当所述南北车道出口处于拥堵状态时，将所述第二信号灯设置为红灯；
32.当所述东西车道出口和所述南北车道出口处于非拥堵状态时，根据所述车道交通状态信息确定所述东西车道的入口和所述南北车道的入口是否有等待车辆。
33.进一步地，根据所述东西车道和所述南北车道的通行适合度函数，控制所述第一信号灯和所述第二信号灯的相位，包括：
34.设所述第一信号灯当前相位为绿灯，在经过所述第一信号灯的最小绿灯时长之后，比较所述东西车道的通行适合度函数值和所述南北车道的通行适合度函数值；
35.若所述东西车道的通行适合度函数值小于所述南北车道的通行适合度函数值，则控制所述第一信号灯和所述第二信号灯切换相位；
36.若所述东西车道的通行适合度函数值大于等于所述南北车道的通行适合度函数值，则保持所述第一信号灯和所述第二信号灯的不变；
37.若所述第一信号灯绿灯时长达到最大时长或所述第二信号灯绿灯时长达到最大时长，则控制所述第一信号灯和所述第二信号灯切换相位。
38.进一步地，当所述东西车道和所述南北车道上均没有等待车辆时：
39.根据所述车道交通状态信息确定车辆先到达对应停止线的车道，控制所述车道对应的信号灯为绿灯。
40.进一步地，当所述东西车道绿灯时间达到最大时长仍有车辆等待通行且所述南北车道没有车辆等待时，控制所述第一信号灯保持绿灯，重新统计所述第一信号灯的绿灯持续时间，并更新所述东西车道绿灯时间最大时长；
41.所述南北车道绿灯时间达到最大时长仍有车辆等待通行且所述东西车道没有车辆等待时，控制所述第二信号灯保持绿灯，重新统计所述第二信号灯的绿灯持续时间，并更新所述南北车道绿灯时间最大时长。
42.本发明的优点和积极效果：
43.本发明提供的单点交叉口交通信号控制方法，以降低最大延误为目标，通过精准计算交叉口路段每辆车等待时间和排队长度，综合分析交叉口道路通行状况控制路口通行，极大地降低了交叉口车辆最大延误，同时由于考虑了排队长度，有效避免单纯考虑总体延误而浪费下游车道占有率，提高道路通行效率。
44.另外，本发明基于韦伯斯特公式，将信号控制影响因素，增加了损失时间、车流量因素，全面掌握考虑单点交叉口运行状态，最大限度更好更精确减少单点交叉口车道总体延误时间，实现单点交叉口交替通行效率的提升。
附图说明
45.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
46.图1为本发明实施例中单点交叉口全息感知自适应控制模式示意图；
47.图2为本发明实施例中单点交叉口交通信号控制方法的流程图。
具体实施方式
48.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
49.如图1所示，其示出了本发明实施例中单点交叉口全息感知自适应控制模式示意图，在单点交叉口，包括东西方向和南北方向两个方向的车道，在东西车道上，车道2、6为入口，入口的两个车道上分别设置有一个信号灯和一个停止线，这两个信号灯相位时序一致，下文统称为第一信号灯和第一停止线；车道1、5为出口；在南北车道上，车道4、8为入口，入口的两个车道上分别设置有一个信号灯和一个停止线，这两个信号灯相位时序一致，下文统称为第二信号灯和第二停止线；车道3、7为出口。
50.东西车道上自第一停止线起沿车辆行驶方向反方向每隔第一预设距离设置有一个车道雷达传感器；南北车道上自所述第一停止线起沿车辆行驶方向反方向每隔第一预设距离设置有一个雷达传感器；第一预设距离通常为100m-120m，检测区域为从车道停止线起至行驶方向反方向1350米的区域内，相应地，雷达传感器的感知区域长度为1350米。东西车道上沿行驶方向反方向距离第一停止线第二预设距离处设置有一个磁感线圈；南北车道上沿行驶方向反方向距离第二停止线第二预设距离处设置有一个磁感线圈，第二预设距离为检测区域的边界点，也为1350米。基于雷达传感器、磁感线圈可以获取车道2、4、6以及8上游停止线之后检测区域内每台机动车的实时速度、位置、车辆排队数量以及车流量信息。建立东西车道和南北车道给出等待时间代价函数，根据等待时间代价函数计算出该车道的停止线后检测区域内每台车辆需要等待时长的总和，根据该车道的停止线后检测区域内每台车辆需要等待时长的总和和车辆排队数量确定车道通行适合度函数，根据车道通行适合度函数控制第一信号灯和第二信号灯的相位。
51.如图2所示，其示出了本发明实施例中一种单点交叉口交通信号控制方法的流程图，该方法包括以下步骤：
52.s1、实时获取雷达传感器和磁感线圈采集的信息，并计算得到单点交叉口各个车道的车道交通状态信息；
53.基于雷达传感器以及磁感线圈可以获取单点交叉口各个车道停止线后检测区域内任意车辆的实时速度、位置、车辆排队数量、车流量等信息，根据实时速度和位置等信息计算出如平均车头间距、车辆距离相应停止线的距离、车辆前方的等待车辆数等反映车道交通状态的信息。
54.s2、判断车道1或5出口是否拥堵；
55.通过雷达传感器监测车道1或5出口车流平均速度，通过判断平均速度是否小于或等于阈值来确定车道1或5出口是否拥堵；通常阈值设为15公里/小时，如平均速度小于等于
阈值，则视为拥堵。
56.s3、当1或5车道出口拥堵时(即通过雷达传感器监测下游车流平均速度小于等于15公里/小时)，将车道2和6的信号灯(第一信号灯)设为禁行状态，防止车辆跟进塞死；
57.s4、当3或7车道出口拥堵时(即通过雷达传感器监测下游车流平均速度小于等于15公里/小时)，将车道4和8的信号灯(第二信号灯)设为禁行状态，防止车辆跟进塞死；
58.s5、当东西车道的出口和南北车道的出口(1、3、5、7车道出口)不拥堵时(即通过雷达传感器监测下游车流平均速度大于15公里/小时)，分三种情形对单点交叉口的交通信号进行控制：
59.设定两车道信号灯绿灯时间最小时长和最大时长；两车道信号灯绿灯时间设定最小和最大时长分别为和最小时长通常设置为2s(为固定值，一般为2s；会在实际运行过程中进行更新)。
60.(1)当东西车道(2和6车道)和南北车道(4和8车道)都没有车辆等待时：
61.基于雷达传感器检测到的实时速度、位置信息，哪条车道的车辆先到停止线，先让其车道为绿灯。
62.(2)当东西车道绿灯时间达到最大时长仍有车辆等待通行且南北车道无车辆等待时：
63.东西车道信号保持绿灯，绿灯时间持续时间重新统计，并更新
64.当南北车道绿灯时间达到最大时长仍有车辆等待通行且东西车道无车辆等待时：
65.南北车道信号保持绿灯，绿灯时间持续时间重新统计，并更新
66.(3)当东西车道和南北车道均有车辆等待时：
67.设东西车道此时为绿灯，在经过最小绿灯时长(一般设为2s)之后，需要不断比较通行适合度函数值j1和j2，判断是否变换信号相位。
[0068][0069][0070]
其中，ω1，ω2为权重系数，ω1+ω2＝1。ω1，ω2可以根据现场实际测试及专家经验得到，具体地，
[0071]
车道排队车辆总数为1-5时，ω2设为0；
[0072]
车道排队车辆总数为5-10时，ω2设为0.1；
[0073]
车道排队车辆总数为10-15时，ω2设为0.2；
[0074]
车道排队车辆总数为15-20时，ω2设为0.3；
[0075]
车道排队车辆总数为20-25时，ω2设为0.4；
[0076]
车道排队车辆总数为25-30时，ω2设为0.5；
[0077]
车道排队车辆总数为30-35时，ω2设为0.6；
[0078]
车道排队车辆总数为35-40时，ω2设为0.7；
[0079]
车道排队车辆总数为40-45时，ω2设为0.8；
[0080]
车道排队车辆总数为45-50时，ω2设为0.9；
[0081]
车道排队车辆总数为50以上时，ω2设为1。
[0082]
h1、h2为东西车道和南北车道排队车辆数，通过雷达传感器测量排队车辆数，等信号灯按照速度为0或车间距(2m以内)进行计算排队车辆数量；通行车道排队车辆数通过车间距(2m以内)进行计算排队车辆数量。
[0083]
wtim1和wtim2分别为两条车道的等待时间代价函数，函数值非负，初始值设定为0。等待时间代价函数：准确的反应两条车道每台车辆等待时间的集合，可以准确反映两条车道总体延误时间。引入韦伯斯特法，使得等待时间代价函数考虑更多影响车道交通状况的因素，如损失时间、车流量、车道饱和流量，从而使等待时间代价函数更好的反映车道交通运行状态，更好的控制交通信号灯。具体地：等待时间代价函数wtim1和wtim2的计算方式如下所示：
[0084][0085][0086]
其中：
[0087]
wtim1为东西车道(单车道)停止线后检测区域内每台车辆需要等待时长的总和；
[0088]
wtim2为南北车道(单车道)停止线后检测区域内每台车辆需要等待时长的总和；
[0089]
i代表第i时刻；
[0090]
j代表车道上第j辆车；
[0091]
δ为信号灯转换时间常数，也就是信号灯黄灯时长，通常为3s；
[0092]
λ
gap
为绿间隔，根据路口车流量预设，通常设为2s；
[0093]
n1为东西车道停止线后检测区域内所有等待通行车辆的总数；
[0094]
n2为南北车道停止线后检测区域内所有等待通行车辆的总数；
[0095]g1i
为理论计算的第i时刻第一信号灯绿灯时长，当g
1i
取进行计算。
[0096]g2i
为理论计算的第i时刻第二信号灯绿灯时长，当g
2i
取进行计算。
[0097]
根据韦伯斯特配时法，第i时刻信号周期为：
[0098]
其中，λi为第i时刻车辆启动损失时间(雷达传感器测量停止线后第一辆车的启动时间)；ηi为第i时刻东西车道车流量比η
1i
和南北车道车流量比η
2i
之和，即ηi＝η
1i
+η
2i
；q1i
为第i时刻东西车道车流量，由东西车道上布置的磁感线圈测量得到；q
1i
为第i时刻南北车道车流量，由南北车道上布置的磁感线圈测量得到；s为南北车道饱和车流量，在设计道路时给定数值，为常数；
[0099]
t
ij
表示当红灯亮启时，第i时刻车辆j到达停车等待点时，红灯已亮的时间；根据停车等待点位于车辆遇红灯停车位置，它是停止线或紧邻遇红灯已停车的后面；t
ij
可由公式计算：其中：vj为第i时刻车辆j的行驶速度，d为平均车头间距；sj为车辆j距离停止线的距离；lj为车辆j前方的等待车辆数，d、sj、lj均可由车道上安装的雷达传感器测量得到。
[0100]
公式(3)和(4)的含义是：先求得每条车道上每辆车的等待时间，准确反应两条车道每台车辆等待时间的集合，再对每条车道上所有车辆的等待时间进行求和，以准确反应两条车道总体延误时间。
[0101]
若j1＜j2，则东西车道变为红灯，南北车道变为绿灯。
[0102]
若j1≥j2，则保持信号灯不变。
[0103]
若信号灯绿灯时长达到最大时长或则东西车道和南北车道信号灯将进行切换。
[0104]
通行适合度函数，综合考虑了交叉口路段的时间等待代价函数和排队长度，综合分析交叉口道路通行状况控制路口通行，极大地降低了交叉口车辆最大延误，同时由于考虑了排队长度，有效避免单纯考虑总体延误而浪费下游车道占有率，提高道路通行效率。
[0105]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。