一种城市区域交通信号自适应协调控制方法与流程

本发明公开了一种城市区域交通信号自适应协调控制方法，属于智能交通信号控制技术领域。

背景技术：

近年来，随着机动车保有量的迅猛增长使得城市交通路网的负载越来越重，路网交通流不均衡的现象十分突出，局部区域和路段的交通拥堵又使得交通事故频频出现，极大地影响了市民的出行效率和安全。城市区域主要交通干道早晚高峰期间拥堵严重，车流的潮汐现象明显，而原有的信号控制体系下，智能化控制程度不够，无法适应交通流的变化。因此，对城区内的灯控路口进行统一管理，建立区域交通信号的自适应协调控制体系，提升智能化信号控制水平的工作迫在眉睫。

国外在区域交通信号自适应系统研究方面取得较多成果，且应用成熟广泛，如SCOOT系统、SCAT系统、TRANSYT系统、ACTRA系统等，国内诸多城市也相继引入以提升区域交通运行效率。但是，这些系统引入国内应用后，由于我国混合交通的基本特点、交通基础设施建设落后以及缺乏相关专业运维人员以及系统自身的应用约束等综合因素的制约，产生较多的实际操作难题，不能有效适用于本地交通状况。在上述问题背景下，国内研究人员也针对性的开展了适合我国城市交通特点的区域交通控制系统的研究和开发，如南京NUTCS系统、海信HiCon系统、深圳SMOOTH系统等。但是，这些系统一般只是在少数城市的特定区域进行了较少范围的应用，系统功能和应用场景简单且不够成熟，无法在有效应对国内复杂多变的交通运行状况。

针对国内外现有区域交通信号协调控制系统的不足，与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.发明适用于区域不同交通状态，通过建立包含多模型参考算法的配时模块，如图1所示，集成了多种不同特点的控制优化算法，并根据交通流的实际情况优化区域交叉口的信号配时参数。

2.适用于检测器不同的安装位置，根据交叉口交通流检测器布设位置情况合理地选择控制技术，从而使之能够更广泛地应用到区域信号控制中。在图2中展示了两种检测器安装的方式，一种安装在交叉口的进口处，一种安装在交叉口的出口处。安装在进口处的检测器可以实时地检测到到达交叉口的交通流情况，采用这种检测器安装方式的交叉口比较适合采用感应控制实时控制技术；安装在出口处得检测器可以检测到排队长度，采用这种检测器安装方式的交叉口可以利用模糊控制。

3.考虑交叉口在多个周期内交通需求的基础上，以提升区域整体交通运行效率为目标，综合分析单交叉口的相位需求，制定区域信号自适应协调控制策略，进一步对路段交通流进行溢出(死锁)检测和相位差优化，从而降低实时自适应系统对交通流造成的不稳定性和安全隐患。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，提供一种城市区域交通信号自适应协调控制方法，该方法以区域内交叉口信号相位的交通需求为基础，检测分析多个周期内不同相位交通需求的变化情况，根据多个周期的各相位配时是否满足对应的交通需求，通过配时模块计算在当前交通需求下的理论配时，并与当前运行的相位配时进行对比，进一步分析该交叉口信号方案的合理性。同理计算分析区域内所有信号交叉口配时方案是否满足当前交通运行需求，并根据分析结果进行相应的交叉口绿信比、周期以及相位差等区域协调策略和控制参数的调整。其中，如果分析结果是区域周期长度不变，则包含的交叉口根据各相位的需求调整绿信比，如果分析结构是当前区域周期已经不能满足交通需求，则通过计算各交叉口对周期长度的要求，综合判定区域协调的周期时间，其后进行各交叉口绿信比的分配。在交叉口控制方案确定后，对其进行绿信比调整合理性检测，防止路段溢流现象。技术方案路线图如图3所示。具体采用如下技术方案：

1)初始化信号配时，对各交叉口控制信号参数进行初始化配置；

2)通过高清视频、地磁或者感应线圈对各相位内的交通流进行检测，采集交通流数据；

3)配时模块根据采集的交通流数据计算相位绿灯时间：计算的相位绿灯时间大于实际运行的相位绿灯时间时，对该相位标注“+”；计算的相位绿灯时间小于实际运行的相位绿灯时间时，对该相位标注“-”；计算的相位绿灯时间等于实际运行的相位绿灯时间时，对该相位标注“0”；

4)确定单交叉口周期调整策略：在单一交叉口中，一个周期中各相位全部标记为“0”，或者“+”和“-”同时存在时，将该交叉口标记为“U”，若该交叉口至少连续M个周期标记为“U”，该交叉口确定为周期不变；一个周期各相位全部标记为“+”或“-”，将该交叉口标记为“C”，若该交叉口至少连续M个周期标记为“C”，该交叉口确定为周期调整；

5)确定区域周期调整策略：若区域内部需调整周期的交叉口数量小于全部交叉口数量的一半，该区域确定为周期不变，进入步骤6)；若区域内部需调整周期的交叉口数量不小于全部交叉口数量的一半或者需调整关键交叉口，该区域确定为周期调整，进入步骤7)；

6)周期不变下的绿信比分配策略：交叉口周期各相位标记为“0”时，绿信比方案不需调整；

交叉口周期各相位标记为“+”和“-”同时存在时，在第M+1周期后执行优化的绿信比方案，具体优化调整如下：模型计算的相位绿灯时间为g_m，实际运行相位绿灯时间为g_f，相位需求差异为Δt＝g_m-g_f，当则把各相位的绿灯时间均衡分配；当时，则把标记为“-”的全部相位差异时间和平均分配到标记为“+”的相位中，各相位分配到的绿灯时间为：p⁺为标记为“+”的相位；

7)周期调整下的绿信比分配策略：关键交叉口的周期长度为C_k，最大周期长度为L_max，有C_k≤L_max，相位增加或减少绿灯时间为g_a，最小绿灯时间为g_min；

若全部相位标记为“+”，当则此时关键交叉口周期为当有此时关键交叉口周期为C_{k_new}＝L_max；其余交叉口周期为各相位绿信时间设置如下：

若全部相位标记为“-”，当g_m＜g_min，有当g_m≥g_min，此时关键交叉口周期为其余区域交叉口周期为C_i＝C_{k_new},0＜i＜n,i≠k，各相位绿信时间设置如下：

优选地，还包括如下步骤：

8)防溢出相位绿灯时间检测，上游交叉口任意相位放入下游交叉口的车辆应该不大于下游路段剩余路段容量，对于任意的流入相位需满足如下条件，

s_ik_ig_i(t+1)+N_j(t)≤N_{j_max},0＜i≤p

式中，s_i、k_i、g_i、N_j和N_{j_max}分别为车道饱和流率、车道数、相位有效绿时、路段当前车辆排队长度和最大排队长度；

当不满足上述条件时，则有

9)相位差优化策略，当区域周期和绿信比调整确定后进行相位差优化，根据干线通行状态进行自适应调整，当下游交叉口有车辆排队时，相位差设置条件如下式：

式中，L_j为路段j的长度，v_j为路段j的车辆平均速度，λ为排队车辆的消散波速。

本发明具有如下有益的技术效果：

1.发明适用于区域不同交通状态，通过建立配时模块，如图1所示，集成了多种不同特点的控制优化算法，并根据交通流的实际情况优化区域交叉口的信号配时参数。

2.适用于检测器不同的安装位置，根据交叉口交通流检测器布设位置情况合理地选择控制技术，从而使之能够更广泛地应用到区域信号控制中。在图2中展示了两种检测器安装的方式，一种安装在交叉口的进口处，一种安装在交叉口的出口处。安装在进口处的检测器可以实时地检测到到达交叉口的交通流情况，采用这种检测器安装方式的交叉口比较适合采用感应控制实时控制技术；安装在出口处得检测器可以检测到排队长度，采用这种检测器安装方式的交叉口可以利用模糊控制。

3.考虑交叉口在多个周期内交通需求的基础上，以提升区域整体交通运行效率为目标，综合分析单交叉口的相位需求，制定区域信号自适应协调控制策略，进一步对路段交通流进行溢出(死锁)检测和相位差优化，从而降低实时自适应系统对交通流造成的不稳定性和安全隐患。

附图说明

图1是多模型参考结构图。

图2是检测器不同安装方式示意图。

图3是城市区域交通信号自适应协调控制方法流程图。

图4是交叉口信号相位需求分析及控制优化结构图。

具体实施方式

下面结合附图针对发明内容部分所采用的技术方案进行详细说明，主要步骤如下：

Step 1：初始化信号配时，参照单交叉口Webster配时方法和区域信号协调控制策略或者优化后的信号配时对各交叉口控制信号参数进行初始化配置。

Step 2：各相位交通数据检测，通过高清视频检测、地磁或者感应线圈等检测器对各相位内的交通流进行需求检测，提供各交通流的相位时间供给是否能够满足实际交通流需求的基础判定数据。

Step 3：相位需求分析，基于各相位交通流检测数据，通过配时模块提供符合该交通流情况下的参考信号配时数据，而现场信号控制器直接产生控制信号作用于交叉口的各相位交通流，由于信号控制器一般是采用多时段固定配时或者感应控制方式，多时段固定配时其控制信号在一个时段是固定不变的，不能及时反映实变交通流的变化需求，而感应控制一般用于主次干道交通流差异较大的单点控制，由于其周期变化不定，一般不适用于区域协调控制，多模型参考的主要功能是根据交通流检测数据实时给出理想的配时信息，该该模块集成多种实时控制算法，并根据路口不同交通状态选用最符合的控制算法计算出最佳的配时信息，如图4所示。所以两者的配时信号参数通常是不一致的。

根据交通流的检测数据选定模型算法后，计算出相应的相位配时并与实际运行的信号配时进行对比分析，过程如下：

1)配时模块计算的相位绿灯时间大于实际运行的相位绿灯时间时，则对该相位标注(+)，即该相位的实际绿灯时间不能满足交通流需求，需增加该相位的绿灯时间以提高该相位的通行能力。

2)配时模块计算的相位绿灯时间小于实际运行的相位绿灯时间时，则对该相位标注(-)，即该相位的实际绿灯时间超过了交通流的需求，需减少该相位的绿灯时间以避免可能出现的绿灯空放现象。

3)配时模块计算的相位绿灯时间等于实际运行的相位绿灯时间时，则对该相位标注(0)，即该相位的实际绿灯时间能够满足交通流的需求，不需要调整相位绿灯时间。

Step 4：单交叉口周期调整策略，主要有两种情况：一是不变周期情况，二是调整周期情况。

1)针对不变周期情况需满足的条件如下：一个周期中各相位全部标记为(0)，或者(+)和(-)均存在，则只需在此周期下调整各相位的绿信比，该交叉口标记为(U)，该交叉口至少连续M个周期标记为(U)时，则确定满足此种情况。

2)针对调整周期情况需满足的条件如下：一个周期各相位全部标记为(+)或者(-)，则此周期已经不适用所有相位的交通需求，需要增加或者减少周期时间并分配绿信比，该交叉口标记为(C)，该交叉口至少连续M个周期标记为(C)时，则确定满足此种情况。

Step 5：区域协调策略分析，主要有两种情况：一是区域内部所属交叉口周期不变情况，二是区域内部交叉口周期调整情况。假设区域包含交叉口数量为N，关键交叉口为I_k。

1)周期不变情况满足如下条件：区域内部需调整周期的交叉口数量小于全部交叉口数量的一半，即：

2)周期调整情况满足如下条件：区域内部需调整周期的交叉口数量不小于全部交叉口数量的一半或者需调整关键交叉口，即：

Step 6：周期不变下的绿信比优化策略，

1)针对交叉口周期各相位标记为(0)时，则绿信比方案不需调整。

2)针对交叉口周期各相位标记为(+)或(-)同时存在时，则在第M+1周期后执行新的绿信比方案，具体优化调整如下：假设模型计算的相位绿灯时间为g_m，实际运行相位绿灯时间为g_f，相位需求差异为Δt＝g_m-g_f。当所有相位的需求差异和为零，即则把各相位的绿灯时间均衡分配。当时，则把标记为(-)的全部相位差异时间和平均分配到标记为(+)的相位中，相应减少标记为(-)的相位绿灯时间，各相位分配到的绿灯时间为：p⁺为标记为(+)的相位。

Step 7：周期调整下的绿信比分配策略，假定关键交叉口的周期长度为C_k，最大周期长度为L_max，有C_k≤L_max，相位增加或减少绿灯时间为g_a，最小绿灯时间为g_min。

1)针对全部相位标记为(+)的情况，当则有此时关键交叉口周期为当有此时关键交叉口周期为C_{k_new}＝L_max。其余交叉口周期为C_i＝C_{k_new},0＜i＜n,i≠k，各相位绿信时间设置如下：

2)针对全部相位标记为(-)的情况，当g_m＜g_min，有当g_m≥g_min，此时关键交叉口周期为其余区域交叉口周期为C_i＝C_{k_new},0＜i＜n,i≠k，各相位绿信时间设置如下：

Step 8：防溢出相位绿灯时间检测，上游交叉口任意相位放入下游交叉口的车辆应该不大于下游路段剩余路段容量，对于任意的流入相位需满足如下条件，即

s_ik_ig_i(t+1)+N_j(t)≤N_{j_max},0＜i≤p

式中，s_i、k_i、g_i、N_j和N_{j_max}分别为车道饱和流率、车道数、相位有效绿时、路段当前车辆排队长度和最大排队长度。

当不满足上述条件时，则有

Step 9：相位差优化策略，当区域周期和绿信比调整确定后进行相位差优化，根据干线通行状态进行自适应调整，考虑当下游交叉口有车辆排队时，上游放行的车辆到达下游交叉口排队车辆的时间应于下游排队车辆的消散波到达时刻相一致。据此，相位差设置条件如下式：

式中，L_j为路段j的长度，v_j为路段j的车辆平均速度，λ为排队车辆的消散波速。