一种面向互联网数据的路口信号动态优化方法与流程

本发明涉及城市智能交通系统技术领域，特别涉及一种面向互联网数据的路口信号动态优化方法。

背景技术

面对急剧增长的城市机动车保有量和居民出行需求，城市交通供给能力远小于交通需求增长，加之意外事件频发，中小型城市的交通拥堵也逐渐开始加剧，部分核心片区也极易引发区域拥堵或局部交通瘫痪，尤其是早晚高峰期、节假日放假前一天下午、大型活动等。当城市道路网络建设、交通工程设计和基础设施建设趋于稳定后，进一步提升交通运行效率的首选应对措施就集中于信号控制优化。当前，受城市经济和社会等因素的影响，中小型城市交通信息检测还存在检测点位少、信息不全、数据质量难以控制等特点，因此路口信号配时方案动态优化还存在诸多困难。

现有城市路口信号动态优化方法主要归纳为以下几类：(1)定时控制，主要是采用预先设定的周期和绿信比，适应于交通流比较稳定、有规律的情况，而且多以交通流量为模型优化输入参数，按照预先估计的车辆平均延误为控制目标求解，例如webster法和miller法是最为常用的优化方法。该类方法主要依赖于获取到的历史交通流量信息，而且不考虑车流需求的波动情况。(2)感应控制，通常在路口的半数或全部方向上安装检测器，实时检测车辆到达情况，以此为依据判断当前相位的绿灯时间是否延长一个步长或终止。该类方法主要适应于路口各方向交通流量差异较大的情况，而且需要实时检测交通流量信息，单方向上绿灯时间的延长并未考虑其他方向的车流到达、延误和排队情况，同时没有固定周期的概念无法适应于协调控制场景。(3)自适应控制，是将交通系统看作为一个不确定性系统，通过实时检测流量、延误、排队长度、停车次数等多元交通参数，建立各类参数与信号配时方案之间的关系，以期求解最优或次优的控制方案的动态优化调整，例如transyt、scoot、scats、synchro、opac等控制系统或方法。该方法能够比较好的适应交通需求的波动情况，按照预期的控制目标计算较好的配时方案，但需要安装的检测器和数据源较多，模型也比较复杂、需要较多的计算和时间资源，使用范围受到诸多限制。

随着“互联网+”技术的快速发展和大力普及，为城市交通路网提供了丰富全面、时空连续、个体化的交通运行状态信息，同时也是路口信号配时优化的重要基础。传统的信号配时优化方法大多依赖于路口的交通流量信息，而无法直接应用互联网提供的交通运行状态。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种面向互联网数据的路口信号动态优化方法，研究路口信号配时特点，在没有其他额外检测信息的情况下，仅依赖于互联网提供的有限、且不完全准确的数据资源下，建立一种基于规则的单路口信号动态控制方法，实现快速求解，进一步提升路口时空资源的利用效率，应对交通需求变动以及意外交通事件，一定程度上减缓城市交通拥堵，降低出行成本。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种面向互联网数据的路口信号动态优化方法，包括以下步骤：

s1、基本配时原则设计，以满足路口信号控制时减少时空冲突以及保障行人过街安全；

s2、判断当前时刻是否为信号优化间隔的整数倍，如果是则将获取到的互联网数据处理成信号优化所需要的数据格式，计算交通运行指数和运行状况等级；否则，直接跳转到步骤s3；

s3、根据约定条件判断当前时刻是否需要进行信号优化，如果需要则转入步骤s4；否则跳转到步骤s6；

s4、信号周期的动态优化，在路口现状信号配时的基础上，根据计算的交通运行指数和运行状况等级进行周期优化；

s5、在周期设定后，根据交通运行指数的波动和运行状况等级优化各个相位的绿信比，形成完整的信号配时方案；

s6、更新时间，将原信号配时方案或新生成的配时方案下发到信号机实施。

优选的，步骤s2中，将获取到的互联网数据处理成信号优化所需要的数据格式，具体包括以下步骤：

首先，定义信号优化间隔为动态优化一次信号配时方案的时间间隔，不包括相位和相序设计，记为t1，且是周期的整数倍；并以信号优化间隔为基础，计算存储当前间隔内的平均行程速度；

其次，对于当前信号优化间隔的平均行程速度，进行数据预处理，包括数据修复和平滑处理。

最后，根据处理后的路口各进口方向和转向类型的平均行程速度定义交通运行状况等级，并划分为畅通，缓慢和拥堵三级；

所述交通运行状况等级划分的基本原则如下：

[4]当v(k)≥0.67vf时，交通运行状况等级为畅通，记为0；其中，v(k)表示第k个信号优化间隔采集的平均行程速度，如果没有采集到数据则用代替，代表当前第k个信号优化间隔的预测平均行程速度；vf表示路段上自由流状态下的车流行程速度；

[5]当0.33vf≤v(k)＜0.67vf时，交通运行状况等级为缓慢，记为1；

[6]当v(k)＜0.33vf时，交通运行状况等级为拥堵，记为2；

同时，计算交通运行指数，其定义为自由流速度与实际平均行程速度的比值。

具体的，所述数据修复是当前信号优化间隔内没有收集到数据时，需采用历史数据进行平滑处理，其修复的当前信号优化间隔的平均行程速度计算法方法为：

式中，代表当前第k个信号优化间隔的预测平均行程速度；v(k-1)为第k-1时刻实际采集的平均行程速度；代表第k-1个信号优化间隔内平均行程速度预测值；α代表平滑系数，可通过最小二乘法进行参数校准。

具体的，所述平滑处理是指当前信号优化间隔的平均行程速度超出了实际可能的速度范围时，需要用最大自由流速度代替。

优选的，步骤s3中，若同时满足以下规则，即需要启动信号优化：

[4]当前时刻时；

[5]当各个相位对应的交通运行状况等级不完全相同；

[6]当时；

式中，n为整数；mod(nt1,tc)表示括号中第一项除以第二项得到数值的余数部分；tc代表当前时刻路口采用的信号周期；tti(k)表示当前信号优化间隔的所有相位的交通运行指数平均值；β表示用户对运行指数的控制期望。

具体的，β≤0.2。

优选的，步骤s4中，信号周期的动态优化依赖于当前时刻的信号周期、交通运行指数和运行状况等级，具体计算如下：

[1]在高峰期，其周期更新公式如下：

tc(k+1)＝max(min(t′c(k+1),tmax),tmin)(2)

式中，tc(k+1)表示第k+1个信号优化间隔的信号周期值；为第k个间隔第i个相位的运行状况等级为畅通时的标识位，若为畅通则取值为1，否则为0；tδ为每个相位一次调整的步长值；为第k个间隔第i个相位的运行状况等级为拥堵时的标识位，若为拥堵则取值为1，否则为0；i表示相位个数；η表示各相位运行状况等级全部为缓慢且时则为1，否则为0；max(,)表示取两者最大值函数；min(,)表示取两者最小值函数；tmax和tmin分别代表路口允许采用的信号周期的最大值和最小值；早高峰期是指当地人民政府规定的上班时间往前和往后各推迟一个小时；晚高峰期是指当地人民政府规定的下班时间往前和往后各推迟一个小时；

[2]在非高峰期，其周期更新公式如下：

tc(k+1)＝max(min(tc″(k+1),tmax),tmin)(4)

式中，为第k个间隔、第i个相位的运行状况等级为缓慢的标识位，若为缓慢则为1，否则为0；表示各相位运行状况等级全部为畅通且满足时则为1，否则为0。

优选的，所述步骤s5中，在周期设定后，形成完整的信号配时方案，其中，黄灯时间依据城市驾驶员特征与路口特性而定；全红时间依据路口的形状和驾驶员路口处驾驶速度而定；

优化各个相位的绿灯时间，具体计算方法如下：

[1]在高峰期，第i个相位的绿灯时间如下：

[2]在非高峰期，第i个相位的绿灯时间如下：

根据公式(6-7)优化后绿灯时间进行核查，确保周期、绿灯时间、黄灯时间和全红时间的等价关系。

进一步的，针对最后一个相位i的绿灯时间进行修正，具体公式如下：

式中，表示第i个相位的黄灯时间，取各个相位相同、且不少于3s；表示第i个相位的全灯时间。

优选的，所述步骤s1中，信号配时的基本原则包括以下内容：

(4)左转专用相位设计的前提，有专用左转车道，且满足以下任意一个条件；

a)当左转单车道流量为100-200pcu/h，且与对向直行单车道流量的乘积大于50000；

b)当左转单车道流量超过200pcu/h；

c)三年内平均每年发生5次及以上交通事故，且事故原因分析通过设置专用左转相位可以避免发生事故的路口；

d)三年内平均每年发生1次及以上死亡交通事故，且事故原因分析通过设置专用左转相位可以避免发生事故的路口；

(5)采用单进口放行的前提是满足以下任意一个条件：

a)对向方向上直行和左转的单车道流量差异均不小于100-200pcu/h；且同方向上直行和左转的单车道流量差异不超过100-200pcu/h；

b)对于没有左转专用道的路口，三年内平均每年发生5次及以上交通事故，且事故原因分析通过设置单进口放行相位可以避免发生事故的路口；或者三年内平均每年发生1次及以上死亡交通事故，且事故原因分析通过设置单进口放行相位可以避免发生事故的路口；

(6)周期上下限设置原则，参考如下要求：

a)最大周期考虑因素包括驾驶员心里承受能力、上下游路段间的距离，防止周期过大导致路段溢流；

b)最小周期需要满足各方向上行人安全过街时间；

对于没有安装检测器的路口，而互联网又无法提供上述过程中涉及到的交通流量，可以通过人工调查获得，作为历史经验信息设计相位和相序。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明是在路口缺少传统检测信息的前提下，提出的一种面向互联网数据应用的方法，提高了交叉口信号灯实时配时方案的效率，有效地应对交通需求的波动和意外情况。

(2)本发明针对高峰期和非高峰期差异化的交通需求和拥堵情况，分别提出了定制化的优化目标，分别实现高峰期和非高峰路口各方向运行状况等级的均衡性，最大化降低方向时空资源的浪费。

(3)本发明提出的路口动态优化方法不依赖于传统配时方法所需要的交通流量数据，而又能及时、准确、可靠的根据数据处理算法获得的交通运行指数和运行状况等级快速估计出信号配时方案，能够为交通管理与控制、交通诱导及出行规划提供有益帮助。

附图说明

图1是实施例方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

在路口上仅有互联网交通运行状态信息的前提下，针对传统信号配时策略无法直接应用此类数据的场景下，提出一种面向互联网数据(平均行程速度)的单路口信号实时优化方法，该方法综合考虑单路口传统信号配时的方法的不足后，引入实时的互联网交通运行状态数据，提高了交叉口信号灯配时方案的效率。本路口信号动态优化方法采用的是周期式优化法，既满足于路口本身的信号配时优化要求，又可以考虑到未来需要进行干道或区域协调控制时，相邻路口间周期保持一致的约束要求。在初始条件设置中，对任意给定的优化路口，提出了信号配时优化的基本准则和参数要求；在周期优化中，区分于路口是协调网络中的路口还是独立路口，并在现有信号周期的基础上进行步进式动态优化；在相位优化中，基于同向和对向交通运行状态的差异性，设计对称放行或进口单放；在相位绿灯时间优化中，基于当前相位的交通运行状态以及其他相位的状态，实时的动态优化每个相位的绿灯时间，减少空放和拥堵失衡。

一种面向互联网数据的路口信号动态优化方法，主要包括基本配时原则设计、互联网数据处理和配时方案生成三个阶段：基本配时原则设计主要是给定相位划分原则、行人最短时间等基础参数；互联网数据处理主要是在仅有互联网提供的路口各方向平均行程速度的前提下，通过数据粗大误差消除、缺失数据修复，并计算出用于信号优化的交通运行指数和运行状态等级；配时方案生成则是基于设定的基本原则和估计的交通运行状态，进行周期计算和相位时间设计，最终得到路口的完整信号配时方案，并不断的根据新数据进行动态优化。

具体包括以下步骤：

s1、基本配时原则设计，主要是满足路口信号控制时减少时空冲突以及保障行人过街安全。

s2、判断当前时刻是否为信号优化间隔的整数倍，如果是则将获取到的互联网数据处理成信号优化所需要的数据格式，计算交通运行指数和运行状况等级；否则，直接跳转到步骤s3；

国内主流的互联网可以提供的交通数据主要是平均行程速度，以及根据速度演变出来的交通运行指数、拥堵等级等指标。因缺乏对在途所有车辆的信息获取，所以无法提供准确的样本率信息。本实施例优选互联网提供的路口平均行程速度作为唯一的可靠数据源进行后续的信号配时优化。

首先，定义信号优化间隔为动态优化一次信号配时方案(不包括相位和相序设计)的时间间隔，记为t1，以秒为单位、且是周期的整数倍。并以信号优化间隔为基础，计算存储当前间隔内的平均行程速度。

其次，对于当前信号优化间隔的平均行程速度，进行数据预处理，包括数据修复和平滑处理。

所述数据修复是当前信号优化间隔内没有收集到数据时，需采用历史数据进行平滑处理，其修复的当前信号优化间隔的平均行程速度计算法方法为：

式中，代表当前第k个信号优化间隔的预测平均行程速度(单位：km/h)；v(k-1)为第k-1时刻实际采集的平均行程速度(单位：km/h)；代表第k-1个信号优化间隔内平均行程速度预测值(单位：km/h)；α代表平滑系数，可通过最小二乘法进行参数校准。

所述平滑处理是指当前信号优化间隔的平均行程速度超出了实际可能的速度范围时，需要用最大自由流速度代替。

最后，根据处理后的路口各进口方向和转向类型的平均行程速度定义交通运行状况等级，并划分为畅通，缓慢和拥堵三级。同时，计算交通运行指数，定义为自由流速度与实际平均行程速度的比值。

所述交通运行状况等级划分的基本原则如下：

[7]当v(k)≥0.67vf时，交通运行状况等级为畅通，记为0。其中，v(k)表示第k个信号优化间隔采集的平均行程速度(单位：km/h)，如果没有采集到数据则用代替；

[8]当0.33vf≤v(k)＜0.67vf时，交通运行状况等级为缓慢，记为1。其中，vf表示路段上自由流状态下的车流行程速度(单位：km/h)；

[9]当v(k)＜0.33vf时，交通运行状况等级为拥堵，记为2；

s3、判断当前时刻是否需要进行信号优化，如果需要则转入步骤s4；否则跳转到步骤s6。

若同时满足以下规则，即需要启动信号优化：

[7]当前时刻时；

[8]当各个相位对应的交通运行状况等级不完全相同；

[9]当时；

式中，n为整数；mod(nt1,tc)表示括号中第一项除以第二项得到数值的余数部分；tc代表当前时刻路口采用的信号周期；tti(k)表示当前信号优化间隔的所有相位的交通运行指数平均值；β表示用户对运行指数的控制期望，通常β≤0.2。

s4、信号周期的动态优化，在路口现状信号配时的基础上，根据计算的交通运行指数和运行状况等级进行周期优化。

步骤s4中，信号周期的动态优化主要依赖于当前时刻的信号周期、交通运行指数和运行状况等级，具体计算如下：

[1]在高峰期，其周期更新公式如下：

tc(k+1)＝max(min(t′c(k+1),tmax),tmin)(2)

式中，tc(k+1)表示第k+1个信号优化间隔的信号周期值(单位：s)；为第k个间隔第i个相位的运行状况等级为畅通时的标识位，若为畅通则取值为1，否则为0；tδ为每个相位一次调整的步长值，以秒为单位；为第k个间隔第i个相位的运行状况等级为拥堵时的标识位，若为拥堵则取值为1，否则为0；i表示相位个数；η表示各相位运行状况等级全部为缓慢且时则为1，否则为0；max(,)表示取两者最大值函数；min(,)表示取两者最小值函数；tmax和tmin分别代表路口允许采用的信号周期的最大值和最小值。早高峰期是指当地人民政府规定的上班时间往前和往后各推迟一个小时；晚高峰期是指当地人民政府规定的下班时间往前和往后各推迟一个小时。

[2]在非高峰期，其周期更新公式如下：

tc(k+1)＝max(min(tc″(k+1),tmax),tmin)(4)

式中，为第k个间隔、第i个相位的运行状况等级为缓慢的标识位，若为缓慢则为1，否则为0；表示各相位运行状况等级全部为畅通且满足时则为1，否则为0。

s5、在周期设定后，根据交通运行指数的波动和运行状况等级优化各个相位的绿信比，形成完整的信号配时方案。

所述步骤s5中，在周期优化的前提下，进行每个相位绿信比优化，主要依赖于交通运行指数的波动和运行状况等级优化各个相位的绿信比。其中，黄灯时间依据城市驾驶员特征与路口特性而定，通常不少于3s；全红时间依据路口的形状和驾驶员路口处通常驾驶速度而定。

在周期设定后，形成完整的信号配时方案。

本发明优化的时间主要是各个相位的绿灯时间，具体计算方法如下：

[1]在高峰期，第i个相位的绿灯时间如下：

[2]在非高峰期，第i个相位的绿灯时间如下：

所述步骤s5中，根据公式(6-7)优化后绿灯时间进行核查，确保周期、绿灯时间、黄灯时间和全红时间的等价关系。本发明中，针对最后一个相位i的绿灯时间进行修正，具体公式如下：

式中，表示第i个相位的黄灯时间，取各个相位相同、且不少于3s；表示第i个相位的全灯时间。

s6、更新时间，将原信号配时方案或新生成的配时方案下发到信号机实施。

所述步骤s1中，信号配时的基本原则重点包括以下内容：

(7)左转专用相位设计的前提，有专用左转车道，且满足以下任意一个条件；

a)当左转单车道流量为100-200pcu/h，且与对向直行单车道流量的乘积大于50000；

b)当左转单车道流量超过200pcu/h；

c)三年内平均每年发生5次及以上交通事故，且事故原因分析通过设置专用左转相位可以避免发生事故的路口；

d)三年内平均每年发生1次及以上死亡交通事故，且事故原因分析通过设置专用左转相位可以避免发生事故的路口。

(8)采用单进口放行的前提是满足以下任意一个条件：

a)对向方向上直行和左转的单车道流量差异均不小于100-200pcu/h；且同方向上直行和左转的单车道流量差异不超过100-200pcu/h；

b)对于没有左转专用道的路口，三年内平均每年发生5次及以上交通事故，且事故原因分析通过设置单进口放行相位可以避免发生事故的路口；或者三年内平均每年发生1次及以上死亡交通事故，且事故原因分析通过设置单进口放行相位可以避免发生事故的路口。

(9)周期上下限设置原则，建议参考如下要求：

a)最大周期主要是考虑驾驶员心里承受能力、上下游路段间的距离(防止周期过大导致路段溢流)等因素，建议中小型城市最大周期不超过180s；

b)最小周期主要是满足各方向上行人安全过街时间。

对于没有安装检测器的路口，而互联网又无法提供上述过程中涉及到的交通流量，通常可以通过人工调查获得，作为历史经验信息设计相位和相序。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。