CN101968929A - 一种饱和交通状态下单路口信号优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种饱和交通状态下单路口信号优化控制方法，属于城市道路交通检测和交通控制领域。本发明方法通过高清视频检测识别路口上游、下游车辆排队设定区域、路口中央区域交通事件，并对所检测的交通数据进行分析处理，通过基于设定区域与规则相结合的方式，从路口中央区域事件判断、相位阶段下游交通流排队检测及相应控制处理、相位阶段上游交通流排队检测及相应控制处理等几方面对饱和交通状态下单路口的交通进行优化控制，进而使得饱和交通状态下的路口交通有序运行，并提高路口的通行能力。本发明方法能够进一步预防饱和交通下路口的交通拥挤，尽快消散交通拥挤，避免路口交通“死锁”现象发生，从而缓解城市交通拥堵问题，提高城市交通运营效率。

Description

一种饱和交通状态下单路口信号优化控制方法

技术领域

本发明设计一种交叉口交通信号控制方法，特别是涉及一种饱和交通状态下单路口交通信号控制方法，属于智能交通控制领域。

背景技术

随着城市机动车数量的急剧增加，饱和交通已成为一种常见的现象。特别是在高峰期，交通拥挤、堵塞越发严重。交通信号控制是提高城市道路交通通行能力的一种有效方式，优化的交通信号控制能最大限度地提高交叉口的使用效率。目前，对非饱和交通下信号交叉口的控制方法研究已很成熟，像Webster、HCM等经典的信号控制理论和方法对非饱和交通状态下的路口信号控制能起到很好的效果。但这些理论和方法对饱和交通环境下的路口信号控制却不是很理想。饱和交通状态下的路口控制方式的失效不仅影响到本路口，还会逐渐波及到周边区域，进而导致某一区域的交通瘫痪。因此，深入研究饱和交通状态下的交叉口信号控制策略及方法已成为急需解决的一个重要问题。

饱和交通状态下的路口控制在控制目标方面较非饱和交通状态下有了较大变化，为防止交通拥挤的进一步加剧，路口交通“死锁”是饱和交通状态下的路口控制首先要避免的问题，因而在进行控制时，路口各相位阶段下游车辆排队长度是需要关注的一个重要因素。

本发明以单路口为对象，以保证饱和交通下路口运行状态的有序性、避免交通“死锁”现象的发生为出发点，通过阈值规则结合的方法，对饱和交通状态下的单路口交通信号进行优化控制。

发明内容

为了克服现有控制方法的不足，本发明提出一种饱和状态下单路口交通信号优化控制方法，其目的在于以单路口为对象，以保证饱和交通下路口运行状态的有序性、避免交通“死锁”现象的发生为出发点，通过设定区域与规则结合的方法，对饱和交通状态下的单路口交通信号进行优化控制。本发明为提高路口的通行能力具体采用方法如下：

路口示意图见附图1以WE相位为例，L_d为该相位下游设定未排队区域长度，L_u为该相位上游设定未排队区域长度，

高清视频检测器安装及检测区域见附图2，图中每个路口四个进口道均安装一个高清摄像机(A1、B1、C1、D1；A2、B2、C2、D2)，检测内容包括路口中央区域发生的事件(如非正常车辆停车等)、上下游车辆排队长度进入设定区域事件等，安装位置及检测设定区域最近边缘将根据路口实际情况进行标定。各路口上游(进口道)车辆排队长度进入设定区域事件的检测将由上游路口安装的高清视频检测器同时提供。

对应附图1、附图2，对控制方法描述如下：

(1)路口中央区域事件判断

判断路口中央区域是否有交通事件发生，如有则路口交通控制信号进行全红控制，并将事件信号上传；

所述的交通事件主要指能通过高清视频检测器检测到的如路口中央区域非正常停车等阻碍交通正常运行情况的事件，高清视频检测器检测区域示意图见附图1。

所述的路口交通信号控制由安装在路口的交通信号控制器执行，高清视频检测器将检测数据通过串口或网口等物理接口及通过串口通信或网络通信方式传送到交通信号控制器中。

所述的交通事件上传可通过高清视频检测器主机或交通信号控制器通过串口通信或网络通信的方式上传至中心。

(2)相位阶段下游交通流排队检测及相应处理过程

假如路口中央区域未检测到事件发生，则判断各相位阶段下游交通流排队是否延伸至设定区域，即车辆排队是否进入L_d所标定区域设定区域，L_d随不同路口状况及同一路口不同相位阶段会有变化)，具体如下：

①假如某相位阶段下游车辆排队长度延伸至设定区域：

I假如此时该相位阶段对应灯色为绿灯，且该相位阶段绿灯持续时间已满足g_c＞g_min(g_c为该相位阶段绿灯持续时间，g_min为最小绿灯时间)，则控制该相位阶段灯色由绿灯转变为红灯，具体哪一个相位阶段灯色变换为绿灯按其他相位阶段的重要程度确定；

II假如此时该相位阶段对应灯色为绿灯，但g_c＜g_min，则该相位阶段灯色仍保持绿灯，并按前面的条件继续判断；

III假如此时该相位阶段对应灯色为红灯，则保持红灯不变；

②当所有相位阶段下游车辆排队长度均延伸至各自对应的设定区域，且通行相位绿灯持续时间已满足g_c＞g_min，则此时路口交通控制信号进行全红控制；

③当所有相位阶段下游车辆排队长度均未满足延伸至各自对应的设定区域的条件，则进入步骤(3)；

所述的下游交通流排队是否延伸至设定区域是指在L_d所包括的路段内是否有车辆排队；

所述相位阶段的重要程度是指相位阶段执行绿灯放行的紧迫程度，可从相位阶段的排队长度、相位阶段的车辆到达率、相位阶段已执行的红灯时间进行加权判断。

上述过程对应附图3。

(3)相位阶段上游交通流排队检测及相应处理过程

判断各相位阶段上游车辆排队长度是否进入阈值L_u所标识的区域；

①当仅某一相位阶段上游车辆排队长度进入设定的阈值L_u区域，且此时该相位阶段对应灯色为红灯，而被放行相位阶段绿灯持续时间已超过g_min(g_c＞g_min)，则该相位阶段灯色由红灯转为绿灯控制；

②当多于一个相位阶段上游车辆排队长度进入设定的阈值L_u区域，则此时按相位阶段的重要程度确定放行的相位；

③如所有相位阶段上游车辆排队长度均未进入设定的阈值L_u区域，则进入步骤(4)；

所述的上游交通流排队是否延伸至设定区域是指在L_u所包括的路段内是否有车辆排队；

所述相位阶段的重要程度是指相位阶段执行绿灯放行的紧迫程度，可从相位阶段的排队长度、相位阶段的车辆到达率、相位阶段已执行的红灯时间进行加权判断。

上述过程对应附图4、附图5。

(4)以步骤(3)中满足条件③的时刻为起点，按普通路口交通控制优化方式进行绿信比优化，本文采用的优化方法为Webster法：

延误时间计算公式：

$d=0.38C\frac{{(1-g/C)}^2}{[1-(g/\mathrm{CX})]}+173X^2$

$[(X-1)+\sqrt{{(X-1)}^2+16X/c}]$

其中，d表示车辆平均延误时间，C表示信号周期，g表示有效绿灯时间，X表示流量比，c表示通行能力。根据上式可以计算出最佳信号周期和绿灯时间。

在确定某相位阶段下游车辆排队设定区域时，应考虑到当该相位阶段下游车辆排队未延伸至对应设定区域时，该相位阶段灯色有可能转换为绿灯，而为保证路口行车的安全性，被放行相位阶段绿灯持续时间应大于最小绿灯时间g_min，因此，为避免该相位阶段绿灯时间内的车辆放行导致的下游车辆排队延伸至路口中央，从而可能引起的“死锁”现象，所以下游车辆排队队尾至路口的距离L_d应至少大于最小绿灯时间内该相位阶段所包含的各方向进入车辆的排队长度，即：

$L_d^t>f(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i,t)$

其中：L_d表示该相位阶段对应下游车辆排队队尾至路口的距离，f表示车辆排队长度计算函数，C_i表示该相位阶段在最小绿灯时间内方向i流入车流饱和流率，N表示该相位阶段包含的流入车流方向数。

由于各流入车流到达率的预测值很难到达与实际车流到达率完全一致，因此，为保证算法中排队长度阈值的最大冗余，此处C_i取方向i流入车流的饱和流率(折合成pch/s)。

在确定某相位阶段对应上游车辆排队设定区域时，其计算方法为将设定区域取为上游路口对应相位阶段的下游车辆排队设定区域，这样虽然是进行单路口控制，由于取值考虑到了上游路口，因此相当于同时兼顾了相邻路口的交通控制。

本发明的有益效果：

本方法通过使用相位阶段上游、下游路段车辆排队是否进行设定区域范围内，并根据路口中央事件、下游车辆排队长度、上游车辆排队长度的判断，进而形成饱和交通状态下单路口交通控制规则，应用该方法能够使相位阶段绿灯时间得到有效分配，使其周期绿灯时间得到较大效率的应用，避免了由于冲突相位阶段交通流互锁导致的绿灯时间的无谓损耗。

附图说明

图1应用本发明所述的饱和交通状态下单路口信号优化控制方法的路口示意图；

图2本发明实施例中高清视频检测器安装及检测区域示意图；

图3本发明所述方法中路口各相位阶段下游交通流排队检测及相应处理流程图；

图4和图5本发明所述方法中路口各相位阶段上游交通流排队检测及相应处理流程图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员对本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

在本实施例中，如附图1、附图2所示，单路口交通通过高清视频检测获得三方面的内容：一是路口中央是否有车辆非正常停车等交通事件发生；二是各相位阶段下游路段排队长度是否进入对应设定区域；三是各相位阶段的上游路段车辆排队是否进入设定对应区域。

本实施例中，高清视频检测数据将通过串口通信或网络通信传输给现场的交通信号控制器，现场交通信号控制器交通根据得到的检测数据对单路口饱和交通进行控制。

现场交通信号控制器内部执行本发明中所述的控制方法原理如下：

路口中央区域交通事件信息的上传，中心得到交通事件信息后可进行相应处理；

饱和交通下相位阶段配时对策1：根据相位阶段下游交通流排队检测结果执行相应处理过程：

判断各相位阶段下游交通流排队是否延伸至设定区域，即车辆排队是否进入L_d所标定区域设定区域，L_d随不同路口状况及同一路口不同相位阶段会有变化)，具体如下：

①假如某相位阶段下游车辆排队长度延伸至设定区域：

I假如此时该相位阶段对应灯色为绿灯，且该相位阶段绿灯持续时间已满足g_c＞g_min(g_c为该相位阶段绿灯持续时间，g_min为最小绿灯时间)，则控制该相位阶段灯色由绿灯转变为红灯，具体哪一个相位阶段灯色切换为绿灯按其他相位阶段的重要程度确定；

II假如此时该相位阶段对应灯色为绿灯，但g_c＜g_min，则该相位阶段灯色仍保持绿灯，并按前面的条件继续判断；

III假如此时该相位阶段对应灯色为红灯，则保持红灯不变；

②当所有相位阶段下游车辆排队长度均延伸至各自对应的设定区域，且被放行相位阶段绿灯持续时间已满足g_c＞g_min，则此时路口交通控制信号进行全红控制；

③当所有相位阶段下游车辆排队长度均未满足延伸至各自对应的设定区域的条件，则判断各相位阶段下游交通流排队是否延伸至设定区域；

饱和交通下相位阶段配时对策2：根据相位阶段上游交通流排队检测结果执行相应处理过程：

判断各相位阶段上游车辆排队长度是否进入阈值L_u所标识的区域；

①当仅某一相位阶段上游车辆排队长度进入设定的阈值L_u区域，且此时该相位阶段对应灯色为红灯，而目前被放行相位阶段绿灯持续时间已超过g_min(g_c＞g_min)，则该相位阶段灯色由红灯转为绿灯控制；

②当多于一个相位阶段上游车辆排队长度进入设定的阈值L_u区域，则此时按相位阶段的重要程度确定放行的相位；

③如所有相位阶段上游车辆排队长度均未进入设定的阈值L_u区域，则进入已有成熟的非饱和控制方法；

采用的已有的非饱和交通控制方法：

以饱和交通下相位阶段配时对策2中满足条件③的时刻为起点，按普通路口交通控制优化方式进行绿信比优化，采用的优化方法为Webster法：

延误时间计算公式：

$d=0.38C\frac{{(1-g/C)}^2}{[1-(g/\mathrm{CX})]}+173X^2$

$[(X-1)+\sqrt{{(X-1)}^2+16X/c}]$

其中，d表示车辆平均延误时间，C表示信号周期，g表示有效绿灯时间，X表示流量比，c表示通行能力。根据上式可以计算出最佳信号周期和绿灯时间。

在本实施例中，为避免该相位阶段绿灯时间内的车辆放行导致的下游车辆排队延伸至路口中央，从而可能引起的“死锁”现象，所以下游车辆排队队尾至路口的距离

应至少大于最小绿灯时间内该相位阶段所包含的各方向进入车辆的排队长度，即：

$L_d^t>f(\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_i,t)$

其中：

表示该相位阶段对应下游车辆排队队尾至路口的距离，f表示车辆排队长度计算函数，C_i表示该相位阶段在最小绿灯时间内方向i流入车流饱和流率，N表示该相位阶段包含的流入车流方向数。

由于各流入车流到达率的预测值很难到达与实际车流到达率完全一致，因此，为保证算法中排队长度阈值的最大冗余，此处C_i取方向i流入车流的饱和流率(折合成pch/s)。

在确定某相位阶段对应上游车辆排队设定区域时，其计算方法为将设定区域取为上游路口对应相位阶段的下游车辆排队设定区域，这样虽然是进行单路口控制，由于取值考虑到了上游路口，因此相当于同时兼顾了相邻路口的交通控制。

在本实施例中，对一个WE，NS两相位阶段的路口进行交通饱和状况下的仿真试验，此处用仿真软件中车辆排队长度计算来模拟视频检测到的实际路口车辆排队长度，试验中每相位最短绿灯时间为15S，每周期总的损失时间为10S，每次仿真时间为200个周期，两个方向的饱和流量均为2300pcu/h，无转向车流。

从仿真结果来看，本方法在交通饱和状态下的控制效果与Webster法对比有较明显提高，分析其主要原因，本方法的使用能够通过绿灯时间的有效分配，使其周期绿灯时间得到较大效率的应用，避免了由于冲突相位阶段交通流互锁导致的绿灯时间的无谓损耗。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.饱和交通状态下单路口交通信号优化控制方法，其特征在于：利用高清视频检测器对路口的上游、下游车辆排队长度进行检测，对路口中央区域交通事件进行检测，并在上述检测数据的基础上进行如下步骤：

(1)判断路口中央区域是否有交通事件发生，如有则路口交通控制信号进行全红控制，并将事件信号上传交通指挥中心；

(2)判断各相位阶段下游车辆排队是否延伸至各自对应的设定区域，具体如下：

①假如某相位阶段下游车辆排队长度延伸至其对应的设定区域：

I若此时该相位阶段对应灯色为绿灯，且该相位阶段绿灯持续时间已满足g_c＞g_min，其中，g_c为该相位阶段绿灯持续时间，g_min为最小绿灯时间，则控制该相位阶段灯色由绿灯转变为红灯；

II若此时该相位阶段对应灯色为绿灯，但g_c＜g_min，则该相位阶段灯色仍保持绿灯；

III若此时该相位阶段对应灯色为红灯，则保持红灯不变；

②当所有相位阶段下游车辆排队长度均延伸至各自对应的设定区域，且通行相位绿灯持续时间已满足g_c＞g_min，则此时路口交通控制信号进行全红控制；

(3)当所有相位阶段下游车辆排队长度均未延伸至各自对应的设定区域，则判断各相位阶段上游车辆排队长度是否延伸至各自对应的设定区域；

①当仅某一相位阶段上游车辆排队长度延伸至其对应的设定区域，且此时该相位对应灯色为红灯，相位阶段绿灯持续时间已超过g_min(g_c＞g_min)，则该相位阶段灯色转为绿灯控制；

②当多于一个相位阶段上游车辆排队长度延伸至各自对应的设定区域，则此时按相位的重要程度确定放行的相位；

③如所有相位阶段上游车辆排队长度均未延伸至各自对应的设定区域，则此时按Webster信号配时方法进行绿信比优化；

2.根据权利要求1所述的饱和交通状态下单路口交通信号优化控制方法，其特征在于，在检测上游、下游各相位阶段车辆排队是否进入各自对应的设定区域时，该检测过程由高清视频检测器来完成。

3.根据权利要求1所述的饱和交通状态下单路口交通信号优化控制方法，其特征在于，在确定各相位阶段下游设定区域时，考虑到当某相位阶段下游车辆排队长度未延伸至下游设定区域时，该相位阶段灯色有可能转换为绿灯，而为保证路口行车的安全性，被放行相位阶段绿灯持续时间应大于最小绿灯时间g_min，因此，为避免该相位阶段绿灯时间内的车辆放行导致的下游车辆排队延伸至路口中央，从而可能引起的“死锁”现象，所以下游车辆排队队尾至路口的距离(设定区域)应至少大于最小绿灯时间内该相位阶段包含的各流入车流排队长度之和，包括不受控制的流入车流按时段流量预测计算，受控制车流流入按该流向饱和交通流入率计算。

4.根据权利要求1所述的饱和交通状态下单路口交通信号优化控制方法，其特征在于，在确定各相位阶段上游设定区域时，根据该相位阶段车流流入数，包括不受控制的流入车流按时段流量预测计算，受控制车流流入按该流向饱和交通流入率计算，上游车辆排队队尾到路口距离(设定区域)应至少大于最小绿灯时间内该相位阶段包含的各流入车流排队长度之和。

5.根据权利要求1所述的饱和交通状态下单路口交通信号优化控制方法，其特征在于，各相位阶段绿灯持续时间应大于等于最小绿灯时间，在此前提下，当检测到的各相位阶段排队特征有变化时(排队特征指各相位阶段对应上、下游设定区域是否有车辆排队)，进行相应的相位阶段灯色切换；而当某相位阶段绿灯持续过程中，其他各相位阶段排队特征无变化，且该相位阶段绿灯放行过程中对应的上游、下游设定区域内均无车辆排队，则此时控制策略将变换为Webster信号配时方法，并按此方法计算应放行的相位阶段及对应的绿灯分配时间。

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