基于合作博弈的城市十字路口通行效率优化方法和设备与流程

本发明涉及一种基于合作博弈的城市十字路口通行效率优化方法和设备，属于智慧交通系统设计技术领域。

背景技术：

现有的城市十字交叉路口的信号灯采用的是传统的固定配时方法。如图2所示,一个周期四个相位(东西方向车辆直行、东西方向车辆左转、南北方向车辆直行、南北方向车辆左转),各个相位信号灯的配时是根据此路口各相位通过车辆数的历史数据平均值进行设置的，这使得各相位分配的绿灯时间只对于各相位历史通过车辆数的均值来说达到了均衡。但是，实时道路交叉口每个周期通过的车辆数并不与历史通过车辆数的均值相同，不同时段、不同周期各个路口车辆到达状况相对于均值存在很大波动。此时，固定配时设置的绿灯时间相对于道路交叉口的实时车辆数会形成不均衡状态，造成了绿灯时间分配不合理的缺点，导致道路交叉口车辆通行效率低下。

虽然有研究表明采用非合作博弈中的斗鸡博弈有利于各路口争取到绿灯的优先权，具有车辆排队长度长的一方先行通过优点，但严重降低了道路通行效率，甚至由于未考虑到每个周期内各相位车辆通行的公平性，而造成某个相位的车辆在多个周期内不能获得通行权，进一步造成了道路的拥堵和通行效率的降低。也有研究(王明月.基于博弈论的道路交叉口信号配时方案研究[d].北京交通大学,2015.)表明采用合作博弈中shapley估值解法兼顾了各相位车辆通行的公平性优点，但是该方法是基于当前排队车辆数进行博弈的配时，没有考虑到排队的车辆通行过程中仍有源源不断的车辆到达，在分配完时间后到达的车辆没有统计在内，导致车辆排队长度与车辆消散数量数据的处理结果与实际存在偏差，导致红绿灯分配时间不准确，十字路口通行效率低的问题。

技术实现要素：

发明目的：为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种基于合作博弈的城市十字路口通行效率优化方法和设备，解决了十字路口绿灯分配时间不准确、通行效率低的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于合作博弈的城市十字路口通行效率优化方法，包括以下步骤：

通过合作博弈中的改进的shapley估值算法计算出四个相位的shapley值；

根据四个相位的shapley值计算各个相位各个周期所需分配的绿灯时间。

进一步的，四个相位分别为：东西方向车辆直行、东西方向车辆左转、南北方向车辆直行、南北方向车辆左转。

进一步的，第a相位的shapley值为：

其中，

wa(i)表示联盟集sa中第i个联盟的加权因子，i＝1,2,…,8，n表示参与者的总个数，|sa,i|表示sa中第i个联盟的参与者的个数；vi(sa)表示联盟集sa中第i个联盟的贡献值，vi(sa\{a})表示联盟集sa中除去a相位参与者以外的第i个联盟的贡献值。

进一步的，有第a相位参与的联盟集sa为：

sa＝{s'a,s'ab,s'abc,s'abcd|a,b,c,d∈[1,4]；a≠b≠c≠d}

其中，s'a,s'ab,s'abc,s'abcd分别表示第a相位参与者的联盟、包括第a相位的两个相位参与者组成的联盟、包括第a相位的三个相位参与者组成的联盟、包括第a相位的四个相位参与者组成的联盟，a,b,c,d均表示相位序号。

进一步的，有第a相位参与者参与的联盟合作后的收益集v(sa)为：

v(sa)＝{la,lab,labc,labcd|a,b,c,d∈[1,4]；a≠b≠c≠d}

其中，la,lab,labc,labcd分别表示第a相位参与者的联盟收益、包括第a相位的两个相位参与者组成的联盟收益、包括第a相位的三个相位参与者组成的联盟收益、包括第a相位的四个相位参与者组成的联盟收益，vi(sa)为v(sa)的第i个元素。

进一步的，除去a相位参与者以外的其他参与者的收益集v(sa\{a})为：

v(sa\{a})＝{0,lb,lbc,lbcd|a,b,c,d∈[1,4]；a≠b≠c≠d}

其中，0,lb,lbc,lbcd分别表示la除去a相位后其它参与者贡献值为0、lab除去a相位后即b相位参与者的贡献值、labc除去a相位后即bc两个相位参与者组成的联盟贡献值、labcd除去a相位后bcd三个相位参与者组成的联盟贡献值，vi(sa\{a})为v(sa\{a})的第i个元素。

进一步的，各个相位各个周期所需分配的绿灯时间为：

ta＝ra*t,a∈[1,4]

其中，ta表示第a相位所分配绿灯时间值，单位秒(s)，t表示红绿灯的周期；

其中，ra表示第a相位shapley值在四个相位中的权重，q1、q2、q3、q4分别表示第1～4相位的shapley值。

一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行前述的基于合作博弈的城市十字路口通行效率优化方法中的任一方法。

一种计算设备，包括，

一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行前述的基于合作博弈的城市十字路口通行效率优化方法中的任一方法的指令。

本发明的有益效果：本发明改进的shapley估值解法是针对多人合作博弈，其基本思想是参与者所获得的效益等于该参与者对每一个它所参与联盟的边际贡献的期望值，参与者贡献越大，所分配收益越大。相比于传统的固定配时解法和斗鸡博弈方法，本发明解法更适用于解决干路、支路等车流非均衡的道路以及城市十字路口等存在交叉口信号道路的拥堵，提高道路通行效率。

本发明使得车辆排队长度数据处理结果更加贴合实际更加准确，对绿灯时间动态分配进一步优化，提升了单个路口的通行效率，实现路口的智能化，提高道路的利用率。

附图说明

图1为城市十字路口道路的四个相位的划分图；

图2为仿真效果对比图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图，对本发明作进一步说明。

实施例1：

一种基于合作博弈的城市十字路口通行效率优化方法，包括步骤如下：

如图1所示，以a表示为相位序号，a＝{1,2,3,4}分别表示为东西方向车辆直行、东西方向车辆左转、南北方向车辆直行、南北方向车辆左转四个相位。

步骤1，通过合作博弈中的改进的shapley估值算法计算出四个相位的shapley值；

合作博弈需参与者之间通过协商形成联盟，对于四个参与者可能形成的联盟有：四个参与者各自为一个联盟、任意两个参与者组成的联盟、任意三个参与者组成的联盟和四个参与者组成的联盟，所获联盟集s可表示如下：

s＝{s'1,s'2,s'3,s'4}(1)

其中，s'1表示四个相位参与者各自为一个联盟，s'2表示任意两个相位参与者组成的联盟，s'3表示任意三个参与者组成的联盟，s'4表示四个相位参与者组成的一个大联盟。

参与者：为车流行进的四个方向，即四个相位，四个相位分别作为博弈过程中的四个理性参与者，四个相位及其执行的顺序为东西方向车辆直行、东西方向车辆左转、南北方向车辆直行、南北方向车辆左转，四个相位之间存在着竞争路口通行权关系。

各相位的shapley值计算过程如下：

sa＝{s'a,s'ab,s'abc,s'abcd|a,b,c,d∈[1,4]；a≠b≠c≠d}(2)

其中，sa表示的是有第a相位参与的联盟集，s'a,s'ab,s'abc,s'abcd分别表示第a相位参与者的联盟、包括第a相位的两个相位参与者组成的联盟、包括第a相位的三个相位参与者组成的联盟、包括第a相位的四个相位参与者组成的联盟，例如当a＝1时，上式表示第一相位参与的联盟集，包括：第一相位参与者为一个联盟，第一二、一三或一四相位参与者组成一个联盟，第一二三、一二四或一三四相位参与者组成一个联盟，第一二三四相位参与者组成一个联盟。a,b,c,d均表示相位；

v(sa)＝{la,lab,labc,labcd|a,b,c,d∈[1,4]；a≠b≠c≠d}(3)

其中，v(sa)表示有第a相位参与者参与的联盟合作后的收益集，la,lab,labc,labcd分别表示第a相位参与者的联盟收益、包括第a相位的两个相位参与者组成的联盟收益、包括第a相位的三个相位参与者组成的联盟收益、包括第a相位的四个相位参与者组成的联盟收益，例如a＝1，v(sa)表示第一相位参与的联盟收益集，包括：第一相位参与者的联盟收益，第一二、一三、一四相位组成联盟收益，第一二三、一二四、一三四相位组成联盟收益，第一二三四相位组成联盟收益，单位为辆(veh)，收益基于各相位的车辆排队长度之和乘以设定的比例得到。

v(sa\{a})＝{0,lb,lbc,lbcd|a,b,c,d∈[1,4]；a≠b≠c≠d}(4)

其中，v(sa\{a})表示除去a相位参与者以外的其他参与者的收益集，0,lb,lbc,lbcd分别表示la除去a相位后其它参与者贡献值为0、lab除去a相位后即b相位参与者的贡献值、labc除去a相位后即bc两个相位参与者组成的联盟贡献值、labcd除去a相位后bcd三个相位参与者组成的联盟贡献值，例如a＝1时，v(sa\{a})表示除去第一相位外的其他参与者的收益集。

其中，wa(i)表示联盟集sa中第i个联盟的加权因子，i＝1,2,…,8，其中当a＝1，wa(i)为第一相位组成的联盟集中第i个联盟的加权因子。n表示参与者的总个数，本例中n＝4，|sa,i|表示sa中第i个联盟的参与者个数。

其中，qa表示第a相位的shapley值，例如a＝1时，qa表示第一相位的shapley值，而vi(sa)-vi(sa\{a})表示第一相位组成的单个联盟收益在sa中的贡献值，vi(sa)表示联盟集sa中第i个联盟的贡献值，vi(sa\{a}表示联盟集sa中除去a相位参与者以外的第i个联盟的贡献值。

步骤2，根据四个相位的shapley值计算各个相位各个周期所需分配的绿灯时间。

各个相位各个周期所需分配的绿灯时间计算方法如下：

先求得各个相位的shapley值在四个相位中的权重：

其中，qa表示第a相位的shapley值，ra表示第a相位shapley值在四个相位中的权重，q1、q2、q3、q4分别表示第1～4相位的shapley值。

ta＝ra*t,a∈[1,4](8)

其中，ta表示第a相位所分配绿灯时间值，单位秒(s)，t表示红绿灯的周期，一般不是固定值，根据具体路口具体时间段从而确定不同的周期时间，例如60秒、120秒等等。

根据各个相位各个周期所需分配的绿灯时间进行效益评价；

道路利用率效益评价如下：

la(k+1)＝max{0,λa(k)+λa(k+1)-μata(k+1)},a∈[1,4],k＝1,2,...}(9)

其中，la(k+1)表示第(k+1)周期第a相位车辆排队长度，单位辆(veh)，λa(k)表示第k周期第a相位的车辆到达数，单位辆(veh)，μa表示第a相位的车辆消散率，单位辆/秒(veh/s)，ta(k+1)表示第a相位的第(k+1)周期所分配的绿灯时间，单位为秒(s)。

实施例2：本实施例a＝1：

通过合作博弈中的shapley估值算法对城市十字路口车流量博弈模型进行求解，得到四个相位的shapley值；

假设第一、二、三、四相位一个周期排队等待车辆数分别为10,20,30,40辆，首先由式(2)得第一相位参与的联盟集s1，如表1第一行所示。

由式(3)得v(s1)，如表1第二行所示。需要说明的是，多个相位合作的收益并不是简单地相加关系，因为合作后的收益值一般会大于各个参与者单独的收益之和，否则合作将无意义。为简化计算过程，本例设定多个参与者合作收益值比各个参与者单收益值之和高10％。例如1相位组成的联盟收益为10辆，2相位组成的联盟收益为20辆，则1,2相位合作的收益值为(10+20)*1.1＝33辆，同理可计算其它联盟合作后的收益值。

表1，shapley值求解过程中的参数列表

由式(4)得v(s1\{1})，如表1第三行所示，差值也可以计算出来如表1第四行所示。

|s1|即联盟的参与者个数，如表1第五行所示，由式(5)得w1如表1第六行所示。由式(6)得q1的值为138/12即第1相位的shapley值，如表1第七行所示。同理可求得q2、q3、q4的值分别为266/12、394/12、522/12。

由式(7)得r1＝138/(138+266+394+522)＝23/220，同理可得r2、r3、r4值分别为133/660、197/660、87/220。

假设周期t＝120秒，由式(8)得第一相位分配绿灯时间为t1＝(23/220)*120＝138/11秒，同理可得t2、t3、t4分别为266/11秒、394/11秒、522/11秒。

由式(9)可得多个周期迭代后的车辆排队长度，仿真效果图如图2所示，排队长度l1、l2、l3、l4分别是第一、二、三、四相位的车辆排队长度。仿真结果表明改进的shapley估值法可有效处理各相位车辆到达数不均衡状态的能力，并且在各相位车辆到达数越不均衡状态下，本方法效果越好。

综上所述，本发明是对现有的交叉路口采用固定配时所带来的通行效率低下，带来道路拥堵等问题，提出一种基于博弈论动态的、实时的十字路口信号配时解决方案。对单个十字路口的交通信号灯进行优化，提高各个相位的绿灯通行效率，进而提高道路的利用率。其通过博弈分析，和改进的shapley估值算法，求得博弈解，使博弈结果更加准确、公平。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。