CN101447131A - 一种进口单独放行方式下的干道双向绿波协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种进口单独放行方式下的干道双向绿波协调控制方法，该方法包括：确定公共信号周期的允许变化范围、计算不同公共信号周期取值与不同信号相序设置方式下的理想交叉口间距、确定干道交叉口的理想相序组合与理想公共信号周期以及根据各交叉口相对于理想交叉口位置所处的方位确定其相位差大小四个步骤，其中计算不同公共信号周期取值与不同信号相序设置方式下的理想交叉口间距是针对各个交叉口与基准交叉口之间的不同相序组合，利用时距图分别计算出理想交叉口间距a；各交叉口相邻理想交叉口位置之间的距离d均为1/2v·C。本发明能使理想交叉口间距取值具有更大的选取空间，更适合于对交叉口间距不齐的多个干道交叉口进行绿波协调控制。

Description

一种进口单独放行方式下的干道双向绿波协调控制方法

技术领域

本发明涉及车流信息控制，特别是涉及一种进口单独放行方式下的干道双向绿波协调控制方法。

背景技术

干道绿波协调控制是将干道上的多个交叉口以一定方式联结起来作为研究对象，同时对各个交叉口进行相互协调的配时方案设计，使得尽可能多的干道行驶车辆可以获得不停顿的通行权。干道绿波带设计方法将通过寻求绿波通行时间与公共信号周期比值的最大化，从而确定干道协调控制系统的信号配时参数，即以车辆获得的绿波带宽(车辆在协调的各交叉口间连续获得通行的最小绿灯时间长度)作为评价指标来研究干道配时方案的协调控制效果。

目前常用的干道绿波协调控制方法有：图解法、数解法、MAXBAND法、以及MULTIBAND法等。其中，图解法是通过作图的方法，确定协调控制系统的公共信号周期与相位差等控制参量；数解法是通过数值计算，寻求最小损失绿信比，求解协调控制配时参数；MAXBAND法与MULTIBAND法均是通过建立绿波带宽度的线性规划模型，利用混合整数线性规划方法实现信号配时参数的优化求解。但上述现有绿波协调控制方法均只适用于采用进口对称放行方式的干道交叉口群(即所有干道交叉口的主干道放行方向均采用直行车辆对称放行的信号相位设计方式)，对于采用进口单独放行方式的干道交叉口群(即所有干道交叉口的主干道放行方向均采用各进口直左车辆同时放行的信号相位设计方式)，以上绿波协调控制方法将无能为力。

与进口对称放行方式相比，进口单独放行方式可以最大限度地均衡各流向车道的利用率、饱和度与停车延误，能够利用左直合用车道实时调整直行流向与左转流向的通行能力以适应不同流向的实时交通需求，特别适用于几何条件不对称、左转车流量较大、对向流向不均衡的信号交叉口，因此研究进口单独放行方式下的干道双向绿波协调控制方法意义重大。然而目前有关进口单独放行方式下的干道绿波协调控制研究甚少，仅有的一种控制设计方法也只是通过作图方式粗略求解协调控制配时参数，对于进口单独放行方式下的相序组合也考虑得不够全面细致。

发明内容

本发明针对进口单独放行相位设计方式的特点，提出一种进口单独放行方式下的干道双向绿波协调控制方法，使得采用进口单独放行相位设计方式的干道交叉口也能实现双向绿波协调控制。

本发明通过以下技术方案实现：

1.确定公共信号周期的允许变化范围：对于干道上的N个交叉口，假设第i个交叉口的信号周期变化范围为[C_imin，C_imax]，则干道协调控制系统的公共信号周期允许变化范围[C_min，C_max]应取为[max{C_1min，C_2min，…C_Nmin}，min{C_1max，C_2max，…C_Nmax}]，其中，C_imin表示第i个交叉口允许的信号周期最小取值，C_imax表示第i个交叉口允许的信号周期最大取值，i为小于或等于N的正整数。C_min表示公共信号周期的最小取值，C_max表示公共信号周期的最大取值，max表示取大运算，min表示取小运算。

2.计算不同公共信号周期取值与不同信号相序设置方式下的理想交叉口间距

针对各个交叉口与基准交叉口之间的不同相序组合，利用如图1所示的“时距图”分别计算出相应的理想交叉口间距。图1中，A点表示基准交叉口A的实际所在位置，B_{北南东 西①}点表示交叉口B相序设置为北南东西时的第1个可选理想位置，B_{北南东西②}点表示交叉口B相序设置为北南东西时的第2个可选理想位置，B_{北南东西③}点表示交叉口B相序设置为北南东西时的第3个可选理想位置，B_南北东西点表示交叉口B相序设置为南北东西时的一个可选理想位置，相邻理想交叉口位置之间的距离为d。假设交叉口A(基准交叉口)与交叉口B为南北向干道相邻交叉口，交叉口A位于交叉口B以南；交叉口A与交叉口B均采用进口单独放行的相位设计方式，对于东、南、西、北四个进口放行相位无相序限制要求；公共信号周期取为C，交叉口A与交叉口B的东、南、西、北四个进口放行绿灯时间分别为G_A东、G_A南、G_A西、G_A北、G_B东、G_B南、G_B西、G_B北，各信号相位之间的绿灯间隔时间均取为I；通过带速度取为v。根据双向车流获得理想绿波通行效果时所要求的行驶时间与信号参数要求，当交叉口A的相序取为南北东西或南北西东时，对应交叉口B的相序分别取南北东西/南北西东、北南东西/北南西东、南东北西、南西北东的理想交叉口间距a计算分析如附图1所示。

I.交叉口B的相序取南北东西/南北西东时，理想交叉口间距a满足关系式：

其中，n表示任意整数。

II.交叉口B的相序取北南东西/北南西东时，理想交叉口间距a满足关系式：

其中，n表示任意整数。

III.交叉口B的相序取南东北西时，理想交叉口间距a满足关系式：

其中，n表示任意整数。

IV.交叉口B的相序取南西北东时，理想交叉口间距a满足关系式：

其中，n表示任意整数。

利用“时距图”同样可以针对交叉口A的相序取为北南东西/北南西东、南东北西、南西北东的三种情况，分别推导当交叉口B的相序取为南北东西/南北西东、北南东西/北南西东、南东北西、南西北东时理想交叉口间距a的计算公式。

由上述理想交叉口间距a的计算公式可知，对于任意一种固定相序组合，各交叉口可取的相邻理想交叉口位置之间的距离d均为

3.确定干道交叉口的理想相序组合与理想公共信号周期

求取干道交叉口的理想相序组合与理想公共信号周期，保证对应理想交叉口位置与实际交叉口位置匹配，即实际交叉口位置将最为集中地处在理想交叉口位置附近，因实际交叉口位置与理想交叉口位置不一致所造成的最大偏移绿信比最小，从而确保协调控制系统获得尽可能宽的绿波带。其中，偏移绿信比是指由于实际交叉口位置偏离理想交叉口位置而造成的实际交叉口绿灯中心时刻点相对于理想交叉口绿灯中心时刻线的上下偏移量。

选取基准交叉口，针对每一种公共信号周期取值，分别计算出各个交叉口不同信号相序设置情况下的偏移绿信比，对应偏移绿信比最小的一组交叉口信号相位组合即为该公共信号周期取值情况下的理想相序组合；再比较不同公共信号周期取值情况下理想相序组合所对应的最大偏移绿信比之差，对应最大偏移绿信比之差最小的公共信号周期取值即为理想公共信号周期。

偏移绿信比的分析计算如附图2所示。图中，A点表示基准交叉口A的实际所在位置，B_{北南东西①}点表示交叉口B相序设置为北南东西时的第1个可选理想位置，B_{北南东西②}点表示交叉口B相序设置为北南东西时的第2个可选理想位置，B_{北南东西③}点表示交叉口B相序设置为北南东西时的第3个可选理想位置，B点表示交叉口B的实际所在位置，表示干道上行方向，

表示干道下行方向。三角形ΔOPQ相似于三角形ΔOXY，即 $\frac{\mathrm{PQ}}{\mathrm{OQ}}=\frac{\mathrm{XY}}{\mathrm{OY}}$ (线段PQ为交叉口B的偏移绿灯时间，OQ为交叉口B偏离理想交叉口位置①的距离，XY为公共信号周期的一半，OY为相邻理想交叉口位置之间的距离)，交叉口B的偏移绿信比

${\mathrm{\Δ\λ}}_B=\frac{\mathrm{PQ}}{C}=\frac{1}{2}\·\frac{\mathrm{OQ}}{\mathrm{OY}},$ 因此对于任意交叉口i的偏移绿信比Δλ_i可由下式表示：

${\mathrm{\Δ\λ}}_i=\frac{1}{2}\·\frac{{\mathrm{\Δd}}_i}{d}$

式中，Δd_i为交叉口i偏离最近理想交叉口位置的距离，d为相邻理想交叉口位置之间的距离。

4.根据各交叉口相对于理想交叉口位置所处的方位，确定其相位差大小选取干道上行方向

以基准交叉口的

向放行相位绿灯中心时刻作为相位差基准点，根据各交叉口的信号相序设置、最近理想交叉口位置以及

向放行相位的绿信比大小，计算各交叉口的相位差大小。

交叉口i的相位差O_i(

向放行相位绿灯启亮时刻)可由下式计算决定：

$O_i=\frac{S_i}{v}-\frac{1}{2}\·C\·{\mathrm{\λ}}_i$

式中，S_i为与交叉口i的信号相序相同且距其最近的理想交叉口位置与基准交叉口之间的距离；λ_i为交叉口i的

向放行相位绿信比。

5.根据各交叉口的偏移绿信比，求取双向通过带宽度

针对干道行驶方向

与

根据各交叉口的偏移绿信比分别计算其绿灯中心时刻线上方绿信比与下方绿信比，将绿灯中心时刻线上方最小绿信比与下方最小绿信比相加即为通过带宽度。

由附图2可知，当实际交叉口位置位于相应最近理想交叉口位置的下游时，其绿灯中心时刻线的上方绿信比减少一个偏移绿信比、下方绿信比增加一个偏移绿信比；当实际交叉口位置位于相应最近理想交叉口位置的上游时，其绿灯中心时刻线的上方绿信比增加一个偏移绿信比、下方绿信比减少一个偏移绿信比。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明给出的干道双向绿波协调控制方法能使采用进口单独放行相位设计方式的干道交叉口也能实现双向绿波协调控制。与进口对称放行的绿波协调控制方法相比，本发明能使理想交叉口间距取值具有更大的选取空间，更适合于对交叉口间距不齐的多个干道交叉口进行绿波协调控制。理论分析与算例验证可以表明，进口单独放行方式下的干道双向绿波协调控制方法能通过优化交叉口的信号相序组合，选取协调控制的理想信号配时参数，实现通过带宽度的最大化，为干道协调控制设计提供了一套切实可行、完整可靠的新方法。

附图说明

图1是不同信号相序设置方式下的理想交叉口间距分析计算原理图。

图2是偏移绿信比的分析计算原理图。

图3是算例时距分析图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施方式表述的范围。

实施例

已知某一南北向主干道上有由南往北的A、B、C、D、E共5个交叉口，相邻交叉口间距依次为500米、380米、420米、140米，通过带速度为10米/秒，各单交叉口信号配时设计的计算结果如表1所示。

表1 各单交叉口信号配时设计的计算结果

利用进口单独放行方式下的干道双向绿波协调控制设计如下：

第一步，确定公共信号周期的允许变化范围

根据各单交叉口信号周期变化范围可知，公共信号周期的允许变化范围为[90，110]秒。

第二步，计算不同公共信号周期取值与不同信号相序设置方式下的理想交叉口间距；

选取交叉口A作为基准交叉口，公共信号周期取值的变化步长取为2秒，针对交叉口A的四种信号相序设置方式，分别计算交叉口B、C、D、E在不同相序设置情况下的理想位置(与左侧最近基准交叉口位置的间距)。例如，当交叉口A的相序取为南北东西时，不同公共信号周期取值对应交叉口B、C、D、E在不同相序设置情况下的理想位置如表2所示。

表2 交叉口A相序取为南北东西情况下的其它交叉口理想位置取值

第三步，确定干道交叉口的理想相序组合与理想公共信号周期

在不同公共信号周期取值情况下，交叉口B、C、D、E的实际位置与左侧最近基准交叉口位置的间距如表3所示。

表3 交叉口实际位置与左侧最近基准交叉口位置的间距

根据各交叉口实际位置偏离理想位置的距离，计算各交叉口的偏移绿信比，确定优选相序与最大偏移绿信比之差；依据最大偏移绿信比最小化原则，求取理想相序组合与理想公共信号周期。

利用表2与表3中的相应数据可以求出交叉口A相序取为南北东西情况下的其它交叉口偏移绿信比、优选相序组合与最大偏移绿信比之差，如表4所示。其中，正的偏移绿信比表明实际位置位于最近理想位置的右边，负的偏移绿信比表明实际位置位于最近理想位置的左边，交叉口A作为基准交叉口其偏移绿信比为0。最大偏移绿信比之差的计算是对于不同公共信号周期，在各交叉口最小偏移绿信比取值集合中，选取一个最大值与最小值进行相减，例如当公共信号周期取为90秒时，交叉口A、B、C、D、E的最小偏移绿信比取值集合为{0、0.046、-0.017、0.025、0.12}，对应最大偏移绿信比之差为0.12-(-0.017)＝0.137。

表4 交叉口A相序取为南北东西情况下的其它交叉口偏移绿信比

同样可以针对交叉口A的其它三种信号相序设置方式，分别计算出相应的优选相序组合、最大偏移绿信比之差与公共信号周期，总的计算结果如表5所示。

表5 理想公共信号周期与理想相序组合的确定

可以确定，理想公共信号周期取值为98秒，交叉口A、B、C、D、E的理想相序组合为南北东西、南北东西、南东北西、北南东西、南北东西。

第四步，确定各交叉口的相位差

选取干道由南往北行驶方向作为参考方向，以基准交叉口A的南进口放行相位绿灯中心时刻作为相位差基准点。根据各交叉口的信号相序寻找相序相同且距其最近的理想交叉口位置，确定理想交叉口位置与基准交叉口位置之间的间距S_i，计算各交叉口的绝对相位差O_i，计算过程如表6所示。

表6 交叉口相位差计算过程

第五步，求取双向通过带宽度

对于干道由南往北行驶方向，交叉口B、C、D位于相应最近理想交叉口位置的下游，交叉口E位于相应最近理想交叉口位置的上游，通过带宽度计算如表7所示。

表7 由南往北行驶方向通过带宽度计算

对于干道由北往南行驶方向，交叉口B、C、D位于相应最近理想交叉口位置的上游，交叉口E位于相应最近理想交叉口位置的下游，通过带宽度计算如表8所示。

表8 由北往南行驶方向通过带宽度计算

第六步，画出时距图

利用确定好的公共信号周期、相序组合与相位差，可以画出干道协调控制时距图，如附图3所示。图3中，A、B、C、D、E点分别表示交叉口A、B、C、D、E的实际所在位置，从左往右向上倾斜的两条斜线段之间的垂直距离与公共信号周期(98秒)之比表示由南往北的通过带宽度(29.3％)，从右往左向上倾斜的两条斜线段之间的垂直距离与公共信号周期(98秒)之比表示由北往南的通过带宽度(28％)。可以看出，作图得到干道由南往北行驶方向通过带宽度为29.3％，干道由北往南行驶方向通过带宽度为28％，作图得到的通过带宽度与计算结果完全吻合。本例同时表明，即便干道交叉口间距参差不齐，采用进口单独放行方式下的干道双向绿波协调控制方法也能对公共信号周期、相序组合与相位差进行优化设计，以保证不同干道行驶方向均可获取较为理想的通过带宽度。

本发明专利方法已在虎门连升路干道协调控制系统中得以应用，系统实际运行效果良好，能够确保虎门连升路干道上的9个交叉口达到双向绿波协调控制功能。

Claims (3)

1、一种进口单独放行方式下的干道双向绿波协调控制方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)确定公共信号周期的允许变化范围：对于干道上的多个交叉口，干道协调控制系统的公共信号周期允许范围[C_min，C_max]，C_min表示公共信号周期的最小取值，C_max表示公共信号周期的最大取值；

(2)计算不同公共信号周期取值与不同信号相序设置方式下的理想交叉口间距：针对各个交叉口与基准交叉口之间的不同相序组合，利用时距图分别计算出理想交叉口间距a；对于任意一种固定相序组合，各交叉口相邻理想交叉口位置之间的距离d均为其中，v表示通过带速度，C表示公共信号周期取值；

(3)确定干道交叉口的理想相序组合与理想公共信号周期：针对每一种公共信号周期取值，分别计算出各个交叉口不同信号相序设置情况下的偏移绿信比，对应偏移绿信比最小的一组交叉口信号相位组合为该公共信号周期取值情况下的理想相序组合；再比较不同公共信号周期取值情况下理想相序组合所对应的最大偏移绿信比之差，对应最大偏移绿信比之差最小的公共信号周期取值即为理想公共信号周期，其中，对于任意交叉口i的偏移绿信比Δλ_i可由下式表示： $\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_i=\frac{1}{2}\·\frac{\mathrm{\Δ}{d}_i}{d};$ 式中，Δd_i为交叉口i偏离最近理想交叉口位置的距离，d为相邻理想交叉口位置之间的距离；

(4)根据各交叉口相对于理想交叉口位置所处的方位，确定其相位差大小：选取干道上行方向

以基准交叉口的

向放行相位绿灯中心时刻作为相位差基准点，交叉口i的相位差O_i可由下式计算决定：

$O_i=\frac{S_i}{v}-\frac{1}{2}\·C\·{\mathrm{\λ}}_i$

式中，S_i为与交叉口i的信号相序相同且距其最近的理想交叉口位置与基准交叉口之间的距离；λ_i为交叉口i的

向放行相位绿信比。

2、根据权利要求1所述的协调控制方法，其特征在于，所述步骤(1)干道协调控制系统的公共信号周期允许范围[C_min，C_max]通过如下方式确定：对于干道上的N个交叉口，假设第i个交叉口的信号周期变化范围为[C_imin，C_imax]，则[C_min，C_max]＝[max{C_1min，C_2min，…CN_min}，min{C_1max，C_2max，…C_Nmax}]，其中，C_imin表示第i个交叉口允许的信号周期最小取值，C_imax表示第i个交叉口允许的信号周期最大取值，i为小于或等于N的正整数。

3、根据权利要求1所述的协调控制方法，其特征在于，所述步骤(2)理想交叉口间距a为能够获得最佳绿波协调控制效果所对应的交叉口之间距离。

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