一种提高主干路相邻交叉口通行效率的交通时段控制方法与流程

本发明涉及交通控制和智能交通技术领域，尤其涉及一种提高主干路相邻交叉口通行效率的交通时段控制方法。

背景技术

信号灯管制交叉口交通信号灯管制使右行制时左转车辆和直行车辆，车辆和行人在通行时间上错开，一般用于交通繁忙的城市支路和干道的相交处或干道和干道的相交处。信号灯管制的交叉口扩宽其入口部分，将进口的车道按左转、直行、右转三向分开，增加车道数，能大幅度地提高车辆通行能力。

城市主干路连接城市各主要部分交通的道路，以交通功能为主，担负城市主要客货运任务，是城市道路网的骨架，车行道宽度应根据交通流量大小来设置，线形应顺直因此主干路交叉口宜尽可能少，而城市主干路相邻交叉口的通行效率直接影响着主干路与各个交叉路的交通状况，现有的城市主干路相邻交叉口通行多使用预设的红绿灯控制，不能够预防相邻交叉口通行能力下降的现象，容易在某些时段出现交通拥堵，不能实现交叉口通行效率的最大化。

技术实现要素：

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种提高主干路相邻交叉口通行效率的交通时段控制方法。

本发明提出的一种提高主干路相邻交叉口通行效率的交通时段控制方法，包括如下步骤：

s1：在城市主干路交通需求分布信息的基础上，通过多源数据分析技术获取每天不同时间段的主干路交通需求od信息，得到不同时段主干路需要优化的相邻交叉口各进口道的交通需求量，实时车辆到达率和车辆排队长度，取某一时段内交叉口各进口道各方向的所有od量的和为这一时段该方向的交通需求量；

s2：确定相邻交叉口信号控制约束条件，设定交叉口进口道各方向最大排队长度、各相位最大、最小绿灯时间约束、公共周期约束、通行能力约束、相邻交叉口中间路段最大排队长度以及周期时长约束；

s3：确定不同的控制时段，根据已采集的历史交通数据获取各进口道每天不同时段车辆到达率和车辆排队长度，可将控制时段分为饱和时段和非饱和时段；

s4：确定不同时段两相邻交叉口的公共信号周期；首先根据各进口道获取到的交通流数据及约束条件，确定各交叉口信号控制的周期时长及信号配时，确定两相邻交叉口中的关键交叉口和非关键交叉口，一般以相邻两交叉口中信号周期较大的交叉口作为关键交叉口，并将该交叉口的周期作为两相邻交叉口协调控制的公共周期；

s5：对于饱和时段，以相邻交叉口中间路段的车辆排队长度为控制参数，合理调整相邻交叉口之间的相位差及信号配时，根据已获取的交通需求量，当相邻交叉口中间路段车辆排队长度达到最大排队长度时，采用提前激活绿灯、延长关联相绿灯时间等策略，调整不同相位的信号配时，及时排放相邻交叉口间即将形成拥堵的车辆。

优选地，所述s1中，通过多源数据分析技术获取主干路所要优化的相邻交叉口每天不同时间段交通需求od信息，取某一时段内交叉口各进口道各方向的所有od量的和为这一时段该方向的交通需求量，且多源数据分析技术包括视频数据、手机信令数据等方式。

优选地，所述s2确定相邻交叉口信号控制约束条件，包括以下步骤：

s21：确定相邻交叉口信号控制约束条件：

进口道排队容量约束，为保证相邻交叉口各方向的车流能够正常运行，对于相邻交叉口各方向都设定最大排队长度，即红灯时间各进口道内等待行驶的车辆最大排队长度不超过排队容量；

li＜li，max

其中，li—交叉口i方向车辆排队长度

li，max—交叉口i方向车辆最大排队长度；

s22：绿灯时间约束，所有相位的绿灯时间受最小绿灯时间与最大绿灯时间约束，且相邻交叉口中间路段关联相绿灯时间延长后不能大于其最大绿灯时间，

gi’＜gi，max

gi，min＜gi＜gi，max

其中，gi’—相邻交叉口中间路段关联相绿灯时间延长后的绿灯时间

gi—交叉口i方向有效绿灯时间

gi，max—交叉口i方向最大绿灯时间

gi，min—交叉口i方向最小绿灯时间

为保证各方向行人能够安全过街，对于有行人过街的相位绿灯时间不得小于最小绿灯时间，计算公式为：

gi，max＝c－l－(k-1)gjmin(i＝1，2，...k；j＝1，2，...，i-1)

其中，lp-行人过街横道长度

vp—行人过街步行速度

i—绿灯间隔时间

l—信号周期的总损失时间；

s23：周期时长约束及公共周期约束，周期长度应满足介于最小周期与最大周期之间的约束，公共周期约束即两相邻交叉口的信号周期必须一致，且规定公共周期上限值cmax；

cmin＜c＜cmax

其中，c—周期时长

cmin—最小周期时长

cmax—最大周期时长

周期从(120，150)这一区间开始通行能力随周期变大的增长幅度很微小，因此周期选用的上限即最大周期时长宜限制在(120，150)这一区间内；

交叉口信号控制采用最小周期时，需要满足通行能力的要求，即在一个周期内，到达交叉口的车辆恰好在一个周期内被放行完，既无滞留车辆，也无多余的信号周期时长，最小周期时长应当恰好等于一个周期内关键相位绿灯损失时间总和加上全部到达车辆以饱和流率通过交叉口所需时间，即：

其中，l—信号周期的总损失时间

yi—第i关键相位关键车道的流量比，即该相位的最大流量比

y—所有关键相位关键车道的流量比之和

qij—第i关键相位车道j的车辆到达率

sij—第i关键相位车道j的饱和流率

s24：通行能力相等约束，应保证周期内路段到达交通流量等于离去交通流量。

优选地，所述s3中，包括以下步骤：根据已采集的历史交通数据获取各进口道每天不同时段车辆到达率和车辆排队长度，可将控制时段分为饱和时段和非饱和时段，若某一时段内进口道车辆到达率大于交叉口通行能力或车辆排队长度大于进口道车辆最大排队长度，则该时段为饱和时段；否则，为非饱和时段。

优选地，所述s4中，包括以下步骤：首先根据各进口道获取到的交通流数据及约束条件，确定各交叉口信号控制的周期时长及信号配时，确定两相邻交叉口中的关键交叉口和非关键交叉口，一般以相邻两交叉口中信号周期较大的交叉口作为关键交叉口，并将该交叉口的周期作为两相邻交叉口协调控制的公共周期；

s41：确定各交叉口信号控制的周期时长，计算公式如下:

其中，ci—两相邻交叉口i信号控制周期时长

l相—周期内的相位数

ve—各相位关键方向交通流量的和

phf—高峰小时系数

v/c—饱和流率；

s42：确定两相邻交叉口的公共信号周期，首先确定关键交叉口和非关键交叉口，一般以相邻两交叉口中信号周期较大的交叉口作为关键交叉口，并将该交叉口的周期作为两相邻交叉口协调控制的公共周期，c1、c2分别为两相邻交叉口1、2的信号控制周期时长，则公共信号周期c为：

c＝max{c1，c2}

s43：确定各交叉口各相位有效绿灯时间和实际绿灯时间，将s42步骤中求得的周期时长减去周期总损失时间，即c-l，所得差值再根据各相位关键交通量占ve的比重进行分配，得到各相位的有效绿灯时间，各相位的有效绿灯时间减去黄灯时间，加上各相位的损失时间即为各个相位的实际绿灯时间；

s44：配时完成后，检验步骤s42、s43中求得的各交叉口周期时间和绿灯时间是否满足s4步骤中的约束条件，对于不满足条件的，采用约束条件值代替计算值，其它相位时间，按等比例进行调整；

s45：确定两相邻交叉口之间的相位差，相位差可以由排队长度、交叉口间距及车速确定，即t＝l/v，从而最大限度地减少绿灯时间的浪费与道路排队空间的浪费。

优选地，所述s5中，对于非饱和路段，采用s5中所获得的信号周期和信号配时进行控制；而对于饱和路段，以相邻交叉口中间路段的排队车辆优先为前提，包括以下步骤：

s51：根据实时的交通流数据获取相邻交叉口中间路段的车辆排队长度，且计算方法如下：

对所有车道按照既定规则进行编号，并设在t-δt时段第i号交叉口第j个车道驶入两交叉口中间路段的车辆数为iij(t)，该时段内从两交叉口中间路段驶向第i号交叉口第j个车道的车辆数为oij(t)，i＝1，2；j＝1，2，3…，11，12；

设q12(t)、q21(t)分别表示t时刻后交叉口1驶向交叉口2和交叉口2驶向交叉口1中间路段车辆数，则t时刻进入q12(t)的车辆数q12in(t)和离开q12(t)的车辆数q12out(t)分别为:

q12in(t)＝i16(t)+k14i110(t)+k11i12(t)

q12out(t)＝o21(t)+o22(t)+o23(t)

q12(t)＝q12(t-1)+q12in(t)-q12out(t)

t时刻进入q21(t)的车辆数q21in(t)和离开q21(t)的车辆数q21out(t)分别为:

q21in(t)＝i212(t)+k24i24(t)+k21i28(t)

q12out(t)＝o17(t)+o18(t)+o19(t)

q21(t)＝q21(t-1)+q21in(t)-q21out(t)

其中，

i＝1，2；j＝1，2，3，4

s52：计算两相邻交叉口中间路段每个方向所能容纳的最大车辆数，假设交叉口间距l0，单辆标准小汽车车长h，且单辆标准小汽车车长包含安全间距，单向车道数为n，则两相邻交叉口中间路段中每个车道能容纳的最大车辆数为l0/h，单向所能容纳总的车辆数为l0n/h；

s53：根据实时交通状况，调整协调相位绿灯时长，当两相邻交叉口中间路段某一车道的车辆排队长度达到最大排队长度时，采用提前激活绿灯、延长关联相绿灯时间等策略，调整协调相位的绿灯时长或相序，及时排放相邻交叉口间即将形成拥堵的车辆；

s54：延长关联相绿灯时间的策略，在关键相绿灯结束前最后一个检测时刻，通过检测关键相进口道上排队长度计算通行需求，根据交通需求计算关键相绿灯延长时间并调整当前相绿灯时间，然后再在延长绿灯时间结束前最后一个检测时刻，通过检测排队长度计算交通需求，并相应延长绿灯时间，直至达到该相设置的最大绿灯时间结束，若延长后绿灯时间大于最大绿灯时间，则用最大绿灯时间代替该相绿灯时间计算值，并结束该相绿灯，如果检测进口道无车辆排队，则直接结束该相绿灯；

s55：提前激活绿灯策略，基于视频实时检测两相邻交叉口各进口道的车辆排队情况，中间路段关联相为红灯时，判断中间路段各进口道上车辆排队长度是否超过最大排队长度，如果超过最大排队长度，则当其他相满足最小绿灯时长的约束条件且提前结束绿灯信号的当前相的车辆排队长度小于其最大排队长度时，提前结束当前的红灯信号周期，提前激活中间路段关联相绿灯信号；如果在判断结束时刻仍然无中间路段关联相位超长排队出现，则维持原信号配时方案。

本发明的有益效果为：通过基于历史数据交通信息对相邻交叉口各进口道信号控制进行优化，可以更加有效地预防相邻交叉口通行能力下降现象的出现，避免交通拥堵的产生，实现交叉口通行效率最大化，其控制方法较易实施，具有广泛的应用范围和良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明提出的一种提高主干路相邻交叉口通行效率的交通时段控制方法的两相邻交叉口配套硬件设置示意图。

具体实施方式

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实施例，而不是全部的实施例。

参照图1，一种提高主干路相邻交叉口通行效率的交通时段控制方法，包括以下步骤：

数据收集：在城市主干路交通需求分布信息的基础上，通过多源数据分析技术获取每天不同时间段的主干路交通需求od信息，得到不同时段主干路需要优化的相邻交叉口各进口道的交通需求量，实时车辆到达率和车辆排队长度，取某一时段内交叉口各进口道各方向的所有od量的和为这一时段该方向的交通需求量。

确定相邻交叉口信号控制约束条件：设定交叉口进口道各方向最大排队长度、各相位最大、最小绿灯时间约束、公共周期约束、通行能力约束、相邻交叉口中间路段最大排队长度以及周期时长约束。

确定不同的控制时段：根据已采集的历史交通数据获取各进口道每天不同时段车辆到达率和车辆排队长度，可将控制时段分为饱和时段和非饱和时段。

确定不同时段两相邻交叉口的公共信号周期：首先根据各进口道获取到的交通流数据及约束条件，确定各交叉口信号控制的周期时长及信号配时，确定两相邻交叉口中的关键交叉口和非关键交叉口，一般以相邻两交叉口中信号周期较大的交叉口作为关键交叉口，并将该交叉口的周期作为两相邻交叉口协调控制的公共周期。

对于饱和时段：以相邻交叉口中间路段的车辆排队长度为控制参数，合理调整相邻交叉口之间的相位差及信号配时，根据已获取的交通需求量，当相邻交叉口中间路段车辆排队长度达到最大排队长度时，采用提前激活绿灯、延长关联相绿灯时间等策略，调整不同相位的信号配时，及时排放相邻交叉口间即将形成拥堵的车辆。

本发明中，首先，通过采集的历史交通数据获取各进口道实时车辆到达率和车辆排队长度，将一天划分为若干个控制时段，然后为每个时段选择最佳的控制参数,采用不同的信号配时，判断每个时段交叉口各进口道交通流运行状态是否过饱和，根据交通需求量调整各进口道的信号控制方案，协调控制各进口道车辆通过率，当出现交通需求量大于通行能力时，采用提前激活绿灯、延长关联相绿灯时间等策略，以交叉口通行能力最大为优化目标，及时排放相邻交叉口间即将形成拥堵的车辆，以避免交叉口各方向车辆涌入中间路段导致交通拥堵的生成，避免通行能力下降现象发生并维持交叉口通行能力；基于历史数据的交通时段控制算法可以针对每天的高峰期进行交叉口优化控制，提升相邻交叉口控制系统的反应速度和控制效果。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。