基于动态饱和流率的交叉口信号配时优化方法与流程

本发明涉及交通信号控制领域，具体涉及一种交叉口动态饱和流率信号周期计算方法。

背景技术：

传统信号配时模型中，都是假定进口车道组的饱和流率及损失时间为固定值，将交通流量作为输入变量对信号周期及绿灯时间进行优化，从而达到最小延误和饱和度等指标。然而，通过实际观察发现，由于交叉口渠化设计以及交通状态的不同，饱和流率、损失时间等参数会随之变化，这导致了优化目标函数失效和配时方案不合理。为此，本发明通过分析高负荷状态交叉口车流释放特征，提出交叉口释放流率和损失时间的计算模型，并进一步设计高负荷交叉口的信号配时优化模型，以期为过饱和交叉口信号配时设计提供指导。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的不足，提供了一种动态饱和流率信号配时优化计算方法。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

本发明包括以下步骤：

a)首先建立交叉口动态饱和流率车辆释放模型

a)分析交通流特性

当交叉口绿灯启亮后，等候在停车线后的车辆将按照顺序依次通过交叉口，根据释放率的不同将释放过程分为3个阶段5种状态：红灯状态(oa)；渠化段内排队车辆释放状态(ab)；渠化段外排队车辆饱和释放状态(bc)；渠化段外排队车辆非饱和释放状态(cd)；随机到达释放状态(de)。

b)确定交叉口设计参数

实地测量当前交叉口渠化段车流驶离率s，交叉口渠化段长度l1，处于跟随状态的车辆平均加速度a1，非跟驰状态的平均加速度为a2、渠化段外排队车辆即将进入渠化车道时的速度vi,0等交叉口参数。

c)建立交叉口动态饱和流率车辆释放模型

1)渠化段内排队车辆释放模型

绿灯启亮初期，渠化段内等候车辆开始向前运动，流率变化较快，从零逐渐达到饱和流量，并以饱和流量依次通过停车线，根据其释放规律，求出渠化段内排队车辆饱和释放所需要的时间。

2)建立渠化段外排队车辆饱和释放模型

当启动波传递至渠化段的最后一辆车时，该车跟随前车启动加速，仍然以饱和流量释放，此时渠化段外排队车辆逐渐分方向进入渠化车道，此时前方车辆速度较慢，后续进入的车辆能够迅速追赶上并形成跟随状态，交通流仍然按照饱和流量释放，根据其释放规律，求出渠化段外排队车辆饱和释放所需要的时间。

3)确定渠化段外排队车辆非饱和释放模型

当前方车辆速度较快，后车无法在到达设计时速前追上前车时，此时车辆属于非饱和释放状态，根据其释放规律求出渠化段外排队车辆非饱和释放所需要的时间。

b)然后建立交叉口动态饱和流率信号配时优化模型

a)建立基于动态饱和流率的信号周期计算模型

周期内总到达车辆数减去图1中ad段释放的车辆数，剩余车辆在一定时间内按照自由流驶离率释放完毕，既无滞留车辆，也无富余绿灯时间，计算最优周期。

b)计算基于动态饱和流率的最佳绿灯时长。

本发明的有益效果：

本发明能够根据交叉口渠化段长度、交通量、加速度等参数，准确计算交叉口进口道不同时间段的动态饱和流率，真实展现交叉口绿灯期间车辆释放规律，并以此来计算最优周期及最优绿灯时间。本发明能够解决高负荷状态下，传统配时模型计算中采用饱和流率固定值而产生的周期时间盈余问题。

附图说明

图1是本发明交叉口饱和状态车流释放过程图；

图2是本发明红灯期间交叉口运行状态图；

图3是本发明绿灯启亮初期车流运行状态图；

图4是本发明渠化段外排队车辆初期释放状态图；

图5是本发明渠化段外排队车辆行驶过程图；

图6是本发明渠化段外排队车辆后期释放状态图；

图7是本发明车辆自由到达-释放状态图；

图8是本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明；

本发明方法的步骤包括：

a)首先建立交叉口动态饱和流率车辆释放模型

a)分析交通流特性

当交叉口绿灯启亮后，等候在停车线后的车辆将按照顺序依次通过交叉口，根据释放率的不同将释放过程分为3个阶段5种状态：红灯状态(oa)；渠化段内排队车辆释放状态(ab)；渠化段外排队车辆饱和释放状态(bc)；渠化段外排队车辆非饱和释放状态(cd)；随机到达释放状态(de)；如图1、图2和图3所示。下面将对每一种运行状态进行深入分析，以确定状态持续时间和对应参数。

b)确定交叉口设计参数

实地测量当前交叉口渠化段车流驶离率s，交叉口渠化段长度l1，处于跟随状态的车辆平均加速度a1，非跟驰状态的平均加速度为a2、绿灯初始车辆启动损失时间l0和饱和释放车头时距h0等交叉口参数。

c)建立交叉口动态饱和流率车辆释放模型，见图3、图4和图5；

1)渠化段内排队车辆释放模型

这里的计算参数包括：渠化段内排队车辆饱和释放所需要的时间δtab；车流驶离率sab；交叉口渠化段的长度l1；绿灯初期车辆启动损失时间l0。

此时对应图1中ab段，通过下式计算：

δtab＝l1/(6*sab)+l0

2)建立渠化段外排队车辆饱和释放模型

21)渠化段外排队车辆i即将进入渠化车道时的速度

这里的计算参数包括：渠化段外排队车辆i即将进入渠化车道时的速度vi,0；处于跟随状态的车辆平均加速度a1。

渠化段外排队车辆i即将进入渠化车道时的速度为：

vi,0＝(2a1*6(i-1))^1/2

22)渠化段外排队车辆i以跟随状态通过停车线时刻

这里的计算参数包括：排队车辆进入直行车道时的平均车头间距hs，饱和释放车头时距h0，渠化段外排队车辆i以跟随状态通过停车线的时刻ti，渠化段外排队车辆i以自由行驶状态通过停车线的时刻ti'，直行车在车流中所占比重β。

排队车辆进入直行车道时的平均车头间距为：

hs＝h0/β

渠化段外排队车辆i以跟随状态通过停车线时刻为：

ti＝δtab+i*h0

23)渠化段外排队车辆饱和释放所需要的时间

这里的计算参数包括：渠化段外排队车辆i-1以跟随状态通过停车线的时刻ti-1，渠化段内排队车辆消散时间δtbc，渠化段外排队车辆饱和释放车辆数n，渠化段外排队车辆i即将驶出渠化车道时的速度vd，非跟驰状态的平均加速度为a2。

渠化段外排队车辆饱和释放需要满足条件：

ti'-ti-1≥(hs-h0)

渠化段外排队车辆i以自由行驶状态通过停车线的时刻为：

渠化段外排队车辆i-1以跟随状态通过停车线的时刻为：

该状态的持续时间为：

δtbc＝3600n/sbc

3)确定渠化段外排队车辆非饱和释放模型

这里的计算参数包括：红灯时间r,渠化段外排队车辆的释放率scd,车辆到达率q，cd段车辆消散时间δtcd。

排队车辆释放率为：

scd＝1/hs＝β/h0

渠化段外排队车辆非饱和释放时间为：

b)然后建立交叉口动态饱和流率信号配时优化模型，见图7；

建立交叉口动态饱和流率信号配时优化模型的过程包括：

a)建立基于动态饱和流率的信号周期计算模型。

这里的计算参数包括：周期时长cmin；损失时间l。

b)计算基于动态饱和流率的最佳绿灯时长

综上，本发明以交叉口通行效率最高为目标，针对传统配时模型中采用固定参数导致的方案设计不合理问题，在充分考虑交叉口渠化及供需关系的基础上，首先对高负荷交叉口车流释放特征进行精细化解析，确定5个阶段的最大释放流率及持续时间；其次，提出了交叉口总损失时间的计算模型，并将其作为高负荷交叉口信号配时的优化目标；之后，基于优化指标构建了信号周期及绿灯的优化模型，使得该情况下最佳信号周期与最佳绿灯时长更加准确，见图8。