CN100570665C - 城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用计算机程序的城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法。解决现有技术存在的配时方案变化时信号灯混乱显示灯色、信号配时方案突变，两个协调方案过渡时间过短或过长所导致的控制效果下降，交叉口拥堵的缺陷。其步骤是：1)安装检测器、信号机、信号灯及服务器，并用光缆、无线和电线依次将他们连接起来；2)信号机判别干线协调控制方式；3)信号机读取干线协调控制相邻两个时段的配时方案；4)信号机进行过渡周期方案的优化；5)确定交叉口各个相位绿灯时间。所述的干线协调控制方式包括有：1)无电缆干线协调控制方式；2)有电缆干线协调控制方式；3)主从式干线协调控制方式；4)系统干线协调控制方式。

Description

城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法

技术领域

本发明涉及一种用于城市交通管理控制系统中信号配时的方法，具体的说是涉及一种城市交通控制系统中信号配时方案的平滑过渡方法。

背景技术

由于一天中交通流存在差异，因此在干线控制中多采用多时段固定式或实时线控方式。也就是说，由交通工程师根据实际检测数据对各时段采用不同的配时方案。其关键技术是如何确定各配时参数，即相位相序、周期时长、各相位绿信比和各交叉口相位差，从而实现交通流的最优控制。当系统协调的周期和相位差发生变化时，就需要方案的平滑过渡，方案的平滑过渡即是指系统从一个控制方案到另一个控制方案的转换过程，在其转化的过程中并不考虑实际的交通需求情况。当平滑过渡方案执行完后，被协调的交叉口群就可以执行新优化的协调控制方案。在干线信号协调控制中，为了防止信号配时方案的突然、快速地变化，两个协调方案的过渡时间不易过短。因为短的过渡时间扰乱了交通流的稳定性，从而降低系统控制效果；另一方面，由于过长地运行非最佳控制效果的方案，也使得整个协调系统的控制效果降低。因此合适的过渡信号配时方案对干线协调控制效果起着重要作用。

传统的协调控制平滑过渡方法很少考虑到协调控制方式对平滑过渡方法的要求，从而造成在一个控制系统中，平滑过渡方法单一，不适用于实际的交通状况和控制方式的变化，进而造成实际的交通控制效果不理想，甚至发生交通拥堵现象。传统的协调控制平滑过渡方法，并未考虑方案过渡期间的交通需求，往往会出现过渡周期时间过长或过短的现象，从而造成绿灯时间的利用率较低或局部时间出现交通拥堵现象，这就严重影响了交叉口运行效率。在控制系统中，协调控制配时方案的平滑过渡时间过短，易造成在此期间生发生交通事故，严重影响控制系统运行效果。在传统的控制系统中，协调相位方案的转换时间需要5min-10min，这对自适应控制系统来说，每一个方案的执行时间一般在5min-15min，显然，这种平滑过渡时间不满足实时信号控制的需求。随着城市交通拥挤的加剧，信号配时方案的频繁过渡以及交通信号优先技术的推广应用，深入研究配时方案的过渡算法，对于促进交通流的有序运行，提高系统运行效率是十分必要的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的信号配时方案的突然变化而扰乱交通流稳定性的不足，采用计算机程序，提供一种城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是安装检测器、信号机、服务器、信号灯，并用光缆、无线和电线依次将他们连接起来，还包括采用下列步骤：

1)信号机判别干线协调控制方式。

2)信号机读取干线协调控制相邻两个时段的配时方案。

3)信号机进行过渡周期方案的优化。

技术方案中所述的干线协调控制方式包括有：1)无电缆干线协调控制方式，2)有电缆干线协调控制方式，3)主从式干线协调控制方式，4)系统干线协调控制方式；所述的信号机读取干线协调控制相邻两个时段的配时方案是判别相邻两个时段的方案是否属于系统干线协调控制方式下的内部控制方案；是否属于主从式干线协调控制方式下的内部控制方案；或者是否属于主从式干线协调控制、有缆干线协调控制、无缆干线协调控制、系统干线协调控制方式间的控制方案中的一个；所述的信号机进行过渡周期方案的优化还包括下列步骤：1)判别是否符合第一种平滑过渡的方法，2)如果是，计算周期漂移值c′，3)判别是否满足0≤c′＜0.5c_新的条件，4)如果是，确定平滑过渡周期时长c_过1、c_过2及c_过3，5)如果不满足0≤c′＜0.5c_新的条件，判别是否满足0.5c_新≤c′＜1.5c_新的条件，6)如果是，确定平滑过渡周期时长c_过1、c_过2及c_过3，7)如果不满足0.5c_新≤c′＜1.5c_新的条件，确定满足1.5c_新≤c′＜2c_新条件下的平滑过渡周期时长c_过1、c_过2及c_过3，8)如果不符合第一种平滑过渡的方法，执行第二种平滑过渡的方法，读取拟实施协调控制方式的开始时刻，9)计算周期调整因子t值，10)判别是否满足0≤t＜c_新/2的条件，11)如果是，确定平滑过渡周期时长c_过1、c_过2及c_过3，12)如果不满足0≤t＜c_新/2的条件，确定满足t≥c_新/2条件下的平滑过渡周期时长c_过1、c_过2及c_过3。

本发明的有益效果：

1.城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法根据控制系统中多种协调控制方式，因地制宜地设计了各种情况下的平滑过渡方法，确保了方法的实用性和可行性，从而解决了实际控制系统中方案变化时，信号灯混乱显示灯色的实际问题。

2.城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法给出了在不同交通协调控制方式下，配时方案的平滑过渡方法。该方法避免了以往国内外控制系统中平滑过渡算法不适应各种交通状况的不足，提高了控制系统的通用性，为实现最优的控制效果奠定基础。

3.城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法给出了两种配时方案的平滑过渡方法。该方法使得信号机根据不同的控制方式自动执行最优的协调方案的平滑过渡方法，不仅避免由于信号配时方案的突然地变化，两个协调方案的过渡时间过短的缺陷；另一方面又避免了由于过长的运行过渡方案，使得整个协调系统控制效果降低的弊端。因此本发明提出的协调配时方案的平滑过渡方法对城市控制系统中干线协调控制效果起着重要作用。

4.城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法均在三个周期过渡完后执行新的协调方案，而传统的控制系统中，协调方案的过渡转换时间需要5-10min，这对自适应控制系统来说，每一个方案的执行时间一般在5-15min，是不满足现代控制系统实时控制的需求。

5.城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法不仅使得较快地执行最优协调方案，而且算法在设计过程中充分考虑到方案过渡期间的实际交通需求，从而避免了以往控制系统的过渡方案不满足实际的交通需求造成过渡期车辆延误时间增加，甚至导致交叉口拥堵现象的发生。

6.城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法不仅适用于一般协调控制交叉口，还适用于双周期交叉口，避免了控制系统中双周期交叉口无法实现平滑过渡的情况。

7.城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法可以避免控制方案的突变而造成驾驶员不适应新环境的现象，提高了交叉口安全性。

8.城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法充分考虑了交叉口的需求，可以避免了周期方案的过短或过长现象的出现，提高交叉口的运行效率。

附图说明

图1是城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法第一种平滑过渡方法技术方案的过渡示意图；

图2(a)是城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法第二种平滑过渡方法技术方案的经过了3个新的周期时长过渡完毕的过渡示意图；

图2(b)是城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法第二种平滑过渡方法技术方案的经过了4个新的周期时长过渡完毕的过渡示意图；

图3是城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法技术方案流程示意框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述：

I.本发明设计构思及主要技术特征

本发明涉及一种采用自编计算机程序的城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法。自编的计算机程序装入信号机中，信号机运行该自编计算机程序得以实现城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法。

本发明提出的城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法是通过分析城市控制系统中多种干线协调控制方式的区别，确定了不同的平滑过渡方法。在执行下一协调控制方案时，为了能够较快实现非关键交叉口相对于关键交叉口的最优相位差方案，同时又要保证控制方案变化平稳性，需要建立前后两方案间的信号过渡方案，并充分考虑了配时方案的波动性对交通流的影响。提出了包括双周期交叉口的平滑过渡方法在内的新型的平滑过渡方法。该方法既满足方案间平稳过渡的要求，又避免了以往过渡控制方案不满足交通需求的弊端，为交通信号协调控制方案达到最优效果发挥了重要作用。

编制计算机程序涉及到四种协调控制方式和两种配时方案的平滑过渡方法。现将编制计算机程序所涉及到的四种协调控制方式和两种配时方案的平滑过渡方法介绍如下：

四种协调控制方式是无电缆干线协调控制方式、有电缆干线协调控制方式、主从式干线协调控制方式及系统干线协调控制方式。

无电缆干线协调控制方式是固定式线协调控制的一种，信号机之间没有通信链路，根据时钟同步，通过设定相位差来实现各交叉口交通信号协调的控制方式。

有电缆干线协调控制方式是一种固定式线协调控制方式，每周期通过通信链路发来同步脉冲信号，根据预先设定在各信号机内的时差，确定周期起步时间，实现时间上的协调。

主从式干线协调控制方式是通过集中协调式信号机(集中协调式信号机除具备单点多时段控制、单点优化控制、单点感应控制功能外，还能接收和处理检测器数据，并给区域服务器上载数据，且还能为控制区域内其他信号机下载协调控制方案，从而实现区域内协调控制。)对其他信号机进行协调控制的控制方式。

系统干线协调控制方式是通过区域控制服务器协调各个路口的控制方式。

本发明针对不同干线协调控制方式，建立了两种配时方案的平滑过渡方法：

第一种配时方案的平滑过渡方法适用于以下几种情况：

(1)系统干线协调控制方式下的内部方案间的平滑过渡；

(2)主从式干线协调控制方式下的内部方案间平滑过渡；

(3)主从式干线协调控制方式、有缆干线协调控制方式、无缆干线协调控制方式、系统干线协调控制方式间的平滑过渡。

一般情况下，系统干线协调控制方式、主从式干线协调控制方式是每15分钟更新一次方案，短时间内交通状态变化一般不大，因此相邻两个控制方案的配时参数(周期时长、相位差)变化较小，可通过执行3次过渡方案达到平稳过渡。对于干线协调交叉口中的关键交叉口(在参加线控的交叉口中，周期最大的那个交叉口称为“关键交叉口”)，在执行完旧方案后，立即执行新的控制方案。对于其他交叉口，中间执行3次过渡方案，然后更换为新的配时方案。过渡方案由信号机根据区域控制服务器下载的新方案来确定，参阅图1，过渡方案的周期时长计算步骤及其与新周期时长大小比较如下(周期时长需要取整)：

1.计算过渡方案的周期时长漂移值c′

根据区域控制服务器下载的下一个协调时段的控制配时方案(新周期时长c_新、相位差o_新)与当前执行的控制方案(周期时长c_旧、相位差o_旧)值，根据c′＝c_新+o_新-o_旧确定周期时长漂移值c′，若计算得到的c′＜0，则另c′＝c′+c_新，否则，c′＝c′。

2.计算过渡方案的3个周期的周期时长c_过1、c_过2及c_过3

根据周期漂移值大小，确定了方案过渡期的周期时长方案

(1)当0≤c′＜0.5c_新时，c_过1＝c_过2＝c_新+int(c′/3)，c_过3＝c_新+c′-2int(c′/3)

此时c_新≤c_过＜1.16c_新

(2)当0.5c_新≤c′＜1.5c_新时，c_过1＝c_过2＝int[(2c_新+c′)/3]，

c_过3＝2c_新+c′-2int[(2c_新+c′)/3]

此时0.5c_新≤c′＜c_新时，0.83c_新≤c_过＜c_新；c_新≤c′＜1.5c_新时，c_新≤c_过＜1.18c_新

(3)当1.5c_新≤c′＜2c_新时，c_过1＝c_过2＝int[(c_新+c′)/3]，c_过3＝c_新+c′-2int[(c_新+c′)/3]

此时0.83c_新≤c_过＜c_新

式中：c_过1——非关键交叉口第一次过渡方案周期时长(s)

      c_过2——非关键交叉口第二次过渡方案周期时长(s)

c_过3——非关键交叉口第三次过渡方案周期时长(s)

c_新——下移时段的交叉口周期时长(s)

o_旧、o_新——上、下15分钟相位差(s)

第二种配时方案的平滑过渡方法适用于以下几种情况：

(1)单点控制方案升级到协调控制方案(系统干线协调控制、主从式干线协调控制、有缆干线协调控制、无缆干线协调控制)的平滑过渡；

(2)有缆(或无缆)干线控制方案与另一有缆(或无缆)干线控制方案间的平滑过渡。

参阅图2，过渡方案的周期时长计算步骤如下：

1.计算上一方案结束时刻与下一控制方案开始时刻差，即某一控制方式最后一个周期多占用的长度，记作过渡周期调整因子，用t表示。

2.计算过渡方案的3个周期的周期时长c_过1、c_过2及c_过3

(1)当0≤t＜c_新/2时，c_过1＝c_过2＝int[(3c_新-t)/3]，c_过3＝3c_新-t-2int[(3c_新-t)/3]

此时，0.83c_新＜c_过≤c_新

(2)当t≥c_新/2时，c_过1＝c_过2＝int[(4c_新-t)/3]，c_过3＝4c_新-t-2int[(4c_新-t)/3]

此时，c_过≤1.16c_新

式中：c_过1，2——交叉口过渡方案第一次周期时长、第二次周期时长(s)

      c_过3——交叉口过渡方案第三次周期时长(s)

      c_新——干线控方式新方案的周期时长(s)

      t——某一控制方式最后一个周期多占用的需计算得到的时间长度(s)

图2是第二种平滑过渡方法技术方案的过渡示意图，其中在(a)图中，经过了3个新的周期时长过渡完毕，在(b)图中，经过了4个新的周期时长过渡完毕。

图2中的t₁是新方案为有缆干线控制、无缆干线控制时，干线控制方案开始时刻在信号机中的设置(起始时刻体现出交叉口间的相位差，如：关键交叉口为8:00:00，某一非关键交叉口为8:00:25，这一非关键交叉口相对于关键交叉口的相位差为25s)；新方案为系统干线控制、主从式干线控制时，则干线控制方案开始时刻为第一个方案的下载时刻与相位差之和(关键交叉口相位差为0)。

对于存在双周期交叉口的协调控制中的周期过渡问题可按上述的两种情况处理。公式中使用的周期时长是公用周期时长，并非双周期交叉口的周期时长，计算得到的过渡周期时长再分配给双周期交叉口。下面以实例进行解释说明。

协调子区周期时长80s，某一非关键交叉口相对于关键交叉口的旧相位差o_旧为78s，即滞后78s或提前2s亮绿灯；新方案的公用周期时长c_新为90s(双周期交叉口的周期为45s)，新的相位差o_新为1s，即滞后1s亮绿灯。计算可得：c′＝13s，由于0≤c′＜0.5c_新，所以c_过1，2＝c_新+int(c′/3)＝90+int(13/3)＝94，c_过3＝c_新+c′-2int(c′/3)＝90+13-2×4＝95。但对于双周期交叉口的过渡周期时长分别为：47，47，47，47，47，48s，此后双周期交叉口的周期时长是45s，双周期交叉口要执行6个过渡周期，非双周期交叉口则要执行3个过渡周期而已。

II.实施城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法

参阅图3，在编制计算机程序所涉及到的四种协调控制方式和两种配时方案的平滑过渡方法介绍清楚的基础之上，我们对实施城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法的实施作进一步描述。城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法是由硬件和程序软件两部分组成，即由检测器、信号机、服务器、信号灯及传输设备的硬件部分和计算机程序软件两部分组成。城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法是在现有硬件设备的基础上，在信号机里装入自编的计算机程序而实现城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法，完整的说其包括如下步骤：安装硬件设备、信号机判别干线协调控制方式、信号机读取干线协调控制相邻两个时段的配时方案、信号机进行过渡周期方案的优化和确定交叉口相位绿灯时间并使其在具体交叉口运行，使得车流有序、安全地通过干线交叉口。现按时间顺序详细描述如下：

1.安装检测器、信号机、信号灯及服务器，并用光缆、无线和电线依次将他们连接起来，为城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法的实现提供硬件设备支持(本发明所用的硬件设备现成的)。

2.信号机判别干线协调控制方式

本发明根据实际控制系统的功能需求，设计了四种协调控制方式：无电缆干线协调控制方式、有电缆干线协调控制方式、主从式干线协调控制方式及系统干线协调控制方式。这四种控制方式是事先确定在系统中的或由中央服务器将控制方式下载给信号机。因此在判别干线协调控制方式时，只需从信号机读取就可以了。

3.信号机读取干线协调控制相邻两个时段的配时方案

信号机读取干线协调控制相邻两个时段的配时方案就是判别相邻两个时段的方案是否属于系统干线协调控制方式下的内部控制方案；是否属于主从式干线协调控制方式下的内部控制方案；或者是否属于主从式干线协调控制控制方式、有缆干线协调控制方式、无缆干线协调控制方式、系统干线协调控制方式间的控制方案中的一个，是，就执行第一种平滑过渡方法程序，否则执行第二种平滑过渡方法程序。

4.信号机进行过渡周期方案的优化

所述的信号机进行过渡周期方案的优化还包括下列步骤：

1)判别是否符合第一种平滑过渡方法的他条件；

2)如果是，计算周期漂移值c′；

根据上级信号机或中央控制服务器下载给本信号机的相邻两个时段的控制方案，程序依据模型c′＝c_新+o_新-o_旧确定周期时长漂移值c′，若计算得到的c′＜0，则另c′＝c′+c_新，否则，c′＝c′，其中控制系统规定交叉口相位差o的取值范围在[0，c)之间，即0≤o＜c，由此可以看出，周期漂移植c′在[0，2c)之间。

3)判别是否满足0≤c′＜0.5c_新的条件；

4)如果是，确定平滑过渡周期时长c_过1、c_过2及c_过3；

根据模型c_过1＝c_过2＝c_新+int(c′/3)，c_过3＝c_新+c′-2int(c′/3)。、确定平滑过渡周期c_过1、c_过2及c_过3。

5)如果不满足0≤c′＜0.5c_新的条件，判别是否满足0.5c_新≤c′＜1.5c_新的条件；

6)如果是，确定平滑过渡周期时长c_过1、c_过2及c_过3；

根据模型c_过1＝c_过2＝int[(2c_新+c′)/3]，c_过3＝2c_新+c′-2int[(2c_新+c′)/3]确定平滑过渡周期c_过1、c_过2及c_过3。

7)如果不满足0.5c_新≤c′＜1.5c_新的条件，确定满足1.5c_新≤c′＜2c_新条件下的平滑过渡周期时长c_过1、c_过2及c_过3；

根据模型c_过1＝c_过2＝int[(c_新+c′)/3]，c_过3＝c_新+c′-2int[(c_新+c′)/3]确定平滑过渡周期c_过1、c_过2及c_过3。

8)如果不符合第一种平滑过渡方法的条件，执行第二种平滑过渡方法，读取拟实施协调控制方式的开始时刻；

9)计算周期调整因子t值；

根据上一方案结束时刻与下一控制方案开始时刻差确定周期调整因子t值；

10)判别是否满足0≤t＜c_新/2的条件；

11)如果是，确定平滑过渡周期时长c_过1、c_过2及c_过3；

根据模型c_过1＝c_过2＝int[(3c_新-t)/3]，c_过3＝3c_新-t-2int[(3c_新-t)/3]确定平滑过渡周期c_过1、c_过2及c_过3；

12)如果不满足0≤t＜c_新/2的条件，确定满足t≥c_新/2条件下的平滑过渡周期时长c_过1、c_过2及c_过3；

根据模型，c_过1＝c_过2＝int[(4c_新-t)/3]，c_过3＝4c_新-t-2int[(4c_新-t)/3]确定平滑过渡周期c_过1、c_过2及c_过3。

5.确定交叉口各个相位绿灯时间

首先依据y_i＝q_i/S_i关系确定各个相位流量比，其中q_i为相位i的流量值，S_i相位i的饱和流率(即为饱和流量)及Y＝∑y_i确定交叉口总流量比Y。然后，从信号机内读取交叉口相位损失时间l_i、交叉口总损失时间L及相位绿灯间隔时间I_i，根据g_i＝y_i(c-L)/Y及G_i＝g_i+l_i-I_i关系确定相位i的有效绿灯时间及绿灯显示时间(s)，其中c为交叉口的周期时长。

至此，协调控制的过渡方案(交叉口的周期时长和相位绿灯时间)就确定下来，并把该控制方案通过信号灯显示绿黄红来指示车流的运行。

Claims (3)

1.一种采用计算机程序的城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法，该方法包括有下列步骤：安装检测器、信号机、服务器、信号灯，并用光缆、无线和电线依次将他们连接起来，其特征在于所述的城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法还采用下列步骤：

1)信号机判别干线协调控制方式；

2)信号机读取干线协调控制相邻两个时段的配时方案；

3)信号机进行过渡周期方案的优化，包括下列步骤：

(1)判别是否符合第一种平滑过渡的方法；

(2)如果是，计算周期漂移值c′；

(3)判别是否满足0≤c′＜0.5c_新的条件，其中：c_新.新周期时长；

(4)如果是，确定平滑过渡周期时长c_过1、c_过2及c_过3，其中：c_过1.过渡第一周期时长，c_过2.过渡第二周期时长，c_过3.过渡第三周期时长；

(5)如果不满足0≤c′＜0.5c_新的条件，判别是否满足0.5c_新≤c′＜1.5c_新的条件；

(6)如果是，确定平滑过渡周期时长c_过1、c_过2及c_过3；

(7)如果不满足0.5c_新≤c′＜1.5c_新的条件，确定满足1.5c_新≤c′＜2c_新条件下的平滑过渡周期时长c_过1、c_过2及c_过3；

(8)如果不符合第一种平滑过渡的方法，执行第二种平滑过渡的方法，读取拟实施协调控制方式的开始时刻；

(9)计算周期调整因子t值；

(10)判别是否满足0≤t＜c_新/2的条件；

(11)如果是，确定平滑过渡周期时长c_过1、c_过2及c_过3；

(12)如果不满足0≤t＜c_新/2的条件，确定满足t≥c_新/2条件下的平滑过渡周期时长c_过1、c_过2及c_过3。

2.按照权利要求1所述的城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法，其特征在于所述的干线协调控制方式包括有：

1)无缆干线协调控制方式；

2)有缆干线协调控制方式；

3)主从式干线协调控制方式；

4)系统干线协调控制方式。

3.按照权利要求2所述的城市交通控制系统中协调信号配时方案的平滑过渡方法，其特征在于所述的信号机读取干线协调控制相邻两个时段的配时方案是判别相邻两个时段的方案是否属于系统干线协调控制方式下的内部控制方案；是否属于主从式干线协调控制方式下的内部控制方案；或者是否属于主从式干线协调控制、有缆干线协调控制、无缆干线协调控制、系统干线协调控制方式间的控制方案中的一个。

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