面向交通溢流的瓶颈交叉口群信号控制优化方法

本发明属于计算、推算或计数的，更具体地说，涉及一种面向交通溢流的瓶颈交叉口群信号控制优化方法。

背景技术：

1、造成交通拥堵的本质原因是交通供给与交通需求不平衡，即路网承担的流量超过了道路提供的通行能力，从而发生路网溢流现象。溢流原指液体超过容器容积发生溢出的现象，类比在道路上则为交通流量超过路段通行能力就会发生交通溢流。在空间上表现为道路上的车辆排队长度过长，堵塞了上游交叉口的正常通行空间，使得各转向的车流无法通过交叉口。在时间上表现为通行高峰期间的交通需求在短时间内聚集，大于路网的承载能力，使得上游的交叉口拥堵，信号灯的控制失效，即使在绿灯时间内上游交叉口进口道的车辆也无法通过交叉口。

2、出现路段溢流的情况使得上游交叉口内部拥堵对整个路网的交通运行效率影响并不大。但如果局部拥堵得不到疏散清除，将会通过路段和交叉口的拓扑连接关系，从上游交叉口的进口道开始在路段上形成排队，拥堵迅速沿上游交叉口四向蔓延。在道路网络结构里，关键少数的瓶颈交叉口群或路段的拥堵失效，会通过节点之间的邻接关系引发其他相关的交叉口群也功能失效，进而产生级联效应，最终造成整个交通系统的瘫痪，引发严重后果。

3、当前在针对通过交叉口信号配时优化的时空资源优化配置方法解决交叉口溢流的研究中，主要从单信号配时和协调信号控制两个方向进行探讨。其中单信号配时优化的对象主要聚焦于发生溢流路段的上下游交叉口，优化方法通常以建立优化目标或策略的方式对单个交叉口的信号配时改变，去适应过饱和的溢流相位。然而现实情况下单个交叉口的通行能力已经较难满足溢流状态下的交通需求，研究的视野也有着向上下游交叉口延伸，因此需要从系统优化的范围内考虑溢流控制优化。

4、而针对协调信号控制的研究主要围绕着干线控制和区域控制理论基础对拥堵交通流的控制，但是在控制方案设计与实施过程中仍存在一些问题，例如信号配时自适应调控与实践操作的匹配不够，理论模型的复杂度较高，需要的控制参数较多，在现有工程条件中的实施可行性不足，且没有对溢流的不同状态场景进行差异化控制响应。

5、总体上，当前有关溢流信号控制策略的研究针对性不强，缺乏差异化响应。现有对交通信号配时优化的研究从点控、线控、面控的理论方法都相对丰富，但多针对于过饱和的交通状态进行建模优化，理论模型的复杂度较高，需要的控制参数较多，在解决溢流现实问题上适用性不佳。因此，本发明聚焦较为严重的交通溢场景，着眼于溢流路段关联的瓶颈交叉口群的协同控制，建立一种区域型的交通信号配时方法，以实现较为严重的交通溢流的清除目的。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题至少之一，根据本发明的一方面，提供了一种面向交通溢流的瓶颈交叉口群信号控制优化方法，包括如下步骤：

2、s1、计算溢流安全距离。溢流安全距离是为了使得溢流控制能起到预警性，设定从下游交叉口停车线开始，路段内相对安全不发生溢流风险的可容许排队长度。

3、s2、根据各交叉口连接路段与溢流路段的关联程度和剩余排队长度进行可控节点的判断与分级。可控节点连接的路段j与溢流路段i的交通负荷的关联度需大于一定阈值，同时可控节点的连接上剩余排队长度需满足一定的容量空间阈值。确当可控节点后根据节点与溢流路段的空间邻接关系进行可控节点的分级。

4、s3、计算溢流路段排队拥堵需调节交通量并根据各级路段的剩余容量进行流量分配。对溢流路段的排队拥堵进行疏散，首先需要确定调节总量，然后根据各级路段的剩余容量进行流量分配，优先从靠近溢流路段的可控交叉口进行调节，实现分级分散溢流路段的流量。

5、s4、执行调整绿信比算法或跳跃式相位算法以有优化相位差。当控制单元内的交叉口驶出至可控路段的流量小于可控路段的剩余排队空间分配流量时，需要增大相关相位的绿信比以充分利用可控路段的空间资源。当控制单元内的交叉口驶出至可控路段的流量大于等于可控路段的剩余排队空间分配流量时，需要压缩相关相位的绿信比以避免出现新的溢流。当出口道路路段发生溢流拥堵时，采用跳跃式相位以避免加剧溢流现象同时减少对向车流的同行延误时间。

6、进一步的，计算溢流安全距离。溢流安全距离是为了使得溢流控制能够起到预警性，设定从下游交叉口停车线开始，路段内相对安全不发生溢流风险的可容许排队长度。一般根据工程经验控制在路段长度减去距离上游交叉口30-80m，或者长度是为路段的某一比例 (0.8-1.0)。考虑到观察到溢流状态需要持续一定的周期后启动切换方案的过渡时间内，周期内的滞留车辆会持续累计排队，需要保证这段时期内的累计排队在容许范围内。因此，有如下流安全距离计算公式：

7、lsafe＝min[ηl,l-n·hd·(qa·c-qm·g)]  (1)

8、其中：

9、l表示路段的长度，单位m。

10、η表示安全系数，工程实际上通常取值为0.8-1.0。

11、n表示切换控制方案时的过渡周期个数。

12、hd表示停车状态的车头间距，包括车身距离和安全停车间距，一般小汽车取7m，大货车取17m。

13、c表示信号周期时长，单位s。

14、g表示该相位下的绿灯时长，单位s。

15、进一步的，根据各交叉口连接路段与溢流路段的关联程度和剩余排队长度进行可控节点的判断与分级。可控节点的选择需要满足以下条件：

16、①可控节点连接的路段j的流量与溢流路段i的交通负荷的关联度大于一定阈值。具体表现在溢流路段上游的路段是溢流交通的主要来源，下游路段是溢流交通流的主要去向。根据卡口数据可以提取车辆的行驶路径，获得到途径路段i和路段j的关联路段交通流量 q(i,j)，同时采集溢流路段i的交通流量q(i)，判断条件为：

17、

18、式中符号说明：

19、q(i,j)表示出行路径中经过路段i和路段j的关联交通量，其中上游路径为路段j→i，下游路径为路段i→j。

20、q(i)表示溢流路段i上的交通流量，单位pcu/h。

21、α表示流量关联度的阈值参数，即最小支持度系数。

22、②可控节点的连接路段上剩余排队长度满足一定的容量空间阈值。具体表现在调节周期k时路段j上的滞留排队长度在溢流安全距离之内，同时有一定的道路空间为溢流路段进行扩容疏导，判断条件为：

23、

24、式中符号说明：

25、β表示为最少的容量空间阈值参数，根据调控需要取值，单位pcu。

26、满足以上条件的节点即为可控节点，根据节点与溢流路段的空间邻接关系进行分级。直接与溢流路段相连的交叉口为一级节点，其他可控节点与溢流路段按照最短路经过的节点数依次划分为二级节点、三级节点……n级节点。

27、进一步的，计算溢流路段排队拥堵需调节交通量并根据各级路段的剩余容量进行流量分配。对溢流路段的排队拥堵进行疏散，首先需要确定调节总量，然后根据各级路段的剩余容量进行流量分配，优先从靠近溢流路段的可控交叉口进行调节，实现分级分散溢流路段的流量。

28、溢流路段需要调节的总需求量包括两部分，第一部分是溢流排队压缩量，等于上一周期的排队滞留长度到溢流安全距离间的各车道的车辆数之和。第二部分是驶入驶离流量差，等于当前周期内的驶入车辆和绿灯期间驶离车辆的流量差值，该值在交通运行效率较好时可能为负数，不形成下一周期的排队滞留，此时可以取值为零。因此，有溢流路段需要调节的总需求量计算公式如下：

29、

30、式中符号说明：

31、n1表示溢流排队压缩需求量，单位m。

32、n表示左转、直行各车道组的数量。

33、n2表示驶入驶离的交通流量差值，单位m。

34、表示i路段的信号相位f的绿灯时间，单位s。

35、表示信号相位f的绿灯驶离流率，单位pcu/h。

36、可控节点oj的可扩容供给量为：

37、

38、各级的可控节点按照从第一级开始逐级分配调节总需求量，当第一级的可扩容供给量之和满足总调节量时，则按照各节点路段流量的关联度等比例分配调节量。因此，有各级路段分配到的调节量计算公式如下：

39、

40、执行调整绿信比算法或跳跃式相位算法以有优化相位差。当控制单元内的交叉口驶出至可控路段的流量qf小于可控路段的剩余排队空间分配流量qj时，需要增大相关相位的绿信比以充分利用可控路段的空间资源。为尽快消除溢流，需要将绿灯时间延长，增大交叉口释放的交通量，因此，有绿信比增加量计算公式如下：

41、

42、

43、

44、式中符号说明：

45、qf表示交叉口出口道上关联相位f绿灯时间内的驶出量，单位pcu。

46、hs表示关联相位f的车流驶出车辆时距，一般为2s。

47、gf表示关联相位f的绿灯时间，单位s。

48、nf表示关联相位f的车道组的车道数量。

49、l表示启动损失时间，一般取2s。

50、hd表示停车车辆的车头间距，可以取7.5m。

51、qj表示可控路段j的剩余排队空间分配量，单位pcu。

52、δλf表示绿信比的增加量。

53、当控制单元内的交叉口驶出至可控路段的流量qf大于等于可控路段的剩余排队空间分配流量qj时，即qf≥qj。此时需要压缩相关相位的绿信比，否则交叉口释放的车辆数大于出口道可容纳的车辆数，会使得可控路段上的排队长度增大甚至超过溢流安全距离，导致新的溢流产生。因此，有绿信比的压缩量计算公式如下：

54、

55、同时，被压缩的绿信比用来等比例调整其他非关联相位的绿信比，根据调整以后的绿信比对各相位的绿灯时间进行划分。分配的绿灯时间同时需要约束最小绿灯时间，进行行人过街时间的检验，有满足行人过街的需求的最小绿灯时间计算公式如下：

56、

57、式中符号说明：

58、gmin表示满足行人过街要求的最短绿灯时间，单位s。

59、lp表示行人过街的宽度，即人行横道的距离，单位m。

60、vp表示行人过街的步行速度，一般取15％分位的行人速度，缺省值可用1.2m/s。

61、i表示绿灯间隔时间，缺省值可用7s。

62、6、根据权利要求4所描述的一种面向交通溢流的交通溢流的瓶颈交叉口群信号控制优化方法，其特征在于当出口道路路段发生溢流拥堵时，采用跳跃式相位以避免加剧溢流现象同时减少对向车流的同行延误时间。即当剩余排队空间分配流量qj＝0或者上游排队长度小于溢流安全距离时，可以启动跳跃式相位信控方法进行调节。有判断公式如下：

63、q(k)＝q(k-1)+qa(k)·c·hd＜lsafe(k)          (8)

64、式中符号说明：

65、q(k)表示第k个周期的排队长度，单位m。

66、qa(k)表示第k个周期的驶入流量，单位pcu/h。

67、c表示周期时长，单位s。

68、hd表示停车间距，缺省值取7.5m。

69、lsafe(k)表示第k个周期的溢流安全距离，单位m。

70、根据本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明的面向交通溢流的瓶颈交叉口群信号控制优化方法中的步骤。

71、根据本发明的又一方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现本发明的面向交通溢流的瓶颈交叉口群信号控制优化方法中的步骤。

72、相比于现有技术，本发明至少具有如下有益效果：本发明面向交通溢流场景，综合考虑瓶颈交叉口群与交通溢流路段的交通情况与关联程度，进行可控节点的判断与分级，得出相关可控节点的信号调控方案，最终实现溢流路段的疏解，提高交通效率。