CN101980318A - 交通信号多控制目标复合优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及道路路口交通信号控制，具体地说是一种应用在道路路口的交通信号多控制目标复合优化方法。该方法包括：1、把受控路口交通信号控制目标定义成由平均停车次数、平均延误和排队长度三个单一控制目标构成的复合控制目标，通过优化使控制目标值最小。2、当受控路口处于轻交通状态或中交通状态时，复合控制目标同时考虑平均停车次数、平均延误和排队长度三个单一控制目标，通过优化使复合目标值最小。3、当受控路口处于重交通状态时，排队长度单一控制目标占全部权重，复合控制目标等同于排队长度单一控制目标。本发明采用控制目标优化组合、适用性强，能够提高交通控制效率；优化控制目标能自动响应实时交通的快速变化。

Description

交通信号多控制目标复合优化方法

技术领域

本发明涉及应用在道路路口的交通信号多控制目标复合优化方法，用于道路路口交通信号优化控制。

背景技术

交通信号优化控制是根据车辆检测器提供的实时交通信息，基于某种优化算法自动计算得到最优的红绿灯配时方案(包括周期长度、红灯时长、绿灯时长)，实现对道路路口交通运行的优化控制。目前，交通信号优化控制是在选定某单一控制目标的基础上，运行基于对应的某种优化算法计得出的最优的红绿灯配时方案。

常用的道路路口交通信号控制目标包括平次停车次数、平均延误和排队长度三种，优化的目的是使其中之一达到最小值。通常是根据预设时间表或某一时段的路口实时交通状态选择控制目标之一。可基于交通饱和度确定路口实时交通状态：轻交通、中交通或重交通三种状态。路口交通饱和度(X)是指在单位时间内通过受控路口停车线的实时交通流量(q)与允许通过的最大交通流量(Q)的比率，即X＝q/Q。当交通饱和度低于设定值X₁时为轻交通状态，高于设定值X₂时为重交通状态，高于设定值X₁、低于设定值X₂时为中交通状态，其中0≤X₁＜X₂＜1。

根据预设时间表自动选择优化控制目标时，一般在白天高峰时段选择排队长度最短优化控制目标；在夜间时段则选择平均停车次数最小优化控制目标，在其它时段则选择平均延误最小优化控制目标。根据实时交通状态自动选择优化控制目标时，一般当受控路口处于轻交通状态时选择平均停车次数最小优化控制目标；当处于中交通状态时选择平均延误最小优化控制目标；当处于重交通状态时选择排队长度最短优化控制目标。对于上述两种选择方式，前者是一个时间段对应一个优化控制目标，后者是一种交通状态对应一个优化控制目标，一旦选择了某一种优化控制目标，只要所处时间段或交通状态未发生改变，优化控制目标也不会改变，优化控制目标不能根据实时交通情况进行优化组合，存在对实时交通变化的适应性差，控制效率不高等问题。在实际信号控制中，当受控路口虽处于轻交通状态、但已接近中交通状态时，若仍以停车次数最小为唯一优化控制目标，会引起平均延误时间明显增加，车辆排队也会越积越长甚至引起路口交通拥堵；当受控路口虽处于中交通状态、但已接近重交通状态时，若仍以平均延误最小为唯一优化控制目标，会引起车辆排队长度明显增加甚至造成路口堵死。反之亦然。

发明内容

本发明的目的在于寻求一种适用于对道路路口进行多控制目标复合优化的方法，解决当前交通信号单优化控制目标方法存在的对交通实时变化适应性差、控制效率不高问题。

本发明提供的交通信号多控制目标复合优化方法为：

把受控路口交通信号控制目标定义成由平均停车次数、平均延误和排队长度三个单一控制目标组成的复合控制目标，根据交通状态、交通饱和度分别对三个单一控制目标进行加权，通过优化计算实现其综合值最小；

所述交通状态分成轻交通、中交通和重交通三种状态；所述交通饱和度是指在路口信号控制条件下，单位时间内车辆通过路口停车线的车辆实时流量与允许通过的车辆最大流量的比值；

1、复合控制目标公式

PI＝A₁×PI₁+A₂×PI₂+A₃×PI₃     (1)

公式(1)中：

PI指复合控制目标；

PI₁指平均停车次数控制目标；

PI₂指平均延误控制目标；

PI₃指排队长度控制目标；

A₁指PI₁的权重因子；

A₂指PI₂的权重因子；

A₃指PI₃的权重因子；

2、控制目标权重因子公式

A₁+A₂+A₃＝1      (2)

公式(2)中：

0≤A₁或A₂或A₃≤1

当受控路口处于轻交通状态即当0≤X≤X₁时：

$A_1=1-\frac{X}{X_2}-\frac{X}{X_2}(X_2-X_1),$

$A_2=\frac{X}{X_2},$

$A_3=\frac{X}{X_2}(X_2-X_1),$

当受控路口处于中交通状态即当X₁＜X＜X₂时：

$A_1=1-\frac{X}{X_2}-\frac{X_1}{X_2}(X_2-X),$

$A_2=\frac{X_1}{X_2}-\frac{X-X_1}{X_2},$

$A_3=\frac{X}{X_2}+\frac{X_1}{X_2}(X_2-X)-\frac{X_1}{X_2}+\frac{X-X_1}{X_2},$

当处于重交通状态即当X≥X₂时：

A₁＝0、A₂＝0、A₃＝1.00。

在公式(2)中，将受控路口控制目标的权重因子取值与实时交通饱和度、交通状态相结合，进行自动、即时调整。

当受控路口处于轻交通状态中，当路口交通饱和度逐渐增加时，复合控制目标中平均停车次数单一控制目标所占权重逐渐减少，而平均延误、排队长度两个单一控制目标所占权重逐渐增加；当路口交通饱和度逐渐减少时，复合控制目标中平均停车次数单一控制目标所占权重逐渐增加，而平均延误、排队长度控制目标所占权重逐渐减少。

当受控路口处于中交通状态中，当路口交通饱和度逐渐增加时，复合控制目标中平均停车次数、平均延误控制目标两个单一控制目标所占权重逐渐减少，而排队长度单一控制目标所占权重逐渐增加；当路口交通饱和度逐渐减少时，复合控制目标中平均延误控制目标、停车次数两个单一控制目标所占权重逐渐增加，而排队长度单一控制目标所占权重逐渐减少。

当受控路口处于重交通状态中，无论路口交通饱和度增加或减少，交通复合控制目标中排队长度单一控制目标都占全部权重，而平均延误、停车次数两个单一控制目标占零权重，此时复合控制目标等同于排队长度单一控制目标。

本发明具有以下优点：

1、控制目标优化组合、适用性强，能够提高交通控制效率；

2、优化控制目标能自动响应实时交通的快速变化。

具体实施方式

本发明交通信号多控制目标复合优化方法的基本思想如下：一是把受控路口交通信号控制目标定义成由平均停车次数、平均延误和排队长度三个单一控制目标构成的复合控制目标，PI＝A₁×PI₁+A₂×PI₂+A₃×PI₃，通过优化使PI值最小，PI值取整数，小数四舍五入。将复合控制目标权重因子A₁、A₂、A₃的取值与受控路口某时间段(1-10分钟)的实时交通饱和度X(该时间段内的交通饱和度均值)、交通状态相结合，进行自动、即时调整。A₁+A₂+A₃＝1，0≤A₁，A₂，A₃≤1，A₁，A₂，A₃取二位小数，第三位小数四舍五入。

二是当受控路口某时间段(1-10分钟)处于轻交通状态即当0≤X≤X₁时，

$A_1=1-\frac{X}{X_2}-\frac{X}{X_2}(X_2-X_1),$ $A_2=\frac{X}{X_2},$ $A_3=\frac{X}{X_2}(X_2-X_1)$

三是当受控路口某时间段(1-10分钟)处于中交通状态即当X₁＜X＜X₂时，

$A_1=1-\frac{X}{X_2}-\frac{X_1}{X_2}(X_2-X),$ $A_2=\frac{X_1}{X_2}-\frac{X-X_1}{X_2},$ $A_3=\frac{X}{X_2}+\frac{X_1}{X_2}(X_2-X)-\frac{X_1}{X_2}+\frac{X-X_1}{X_2}$

四是当受控路口某时间段(1-10分钟)处于重交通状态即当X≥X₂时，

A₁＝0、A₂＝0、A₃＝1.00。

上述排队长度控制目标也可以换为使用单位时间内通过路口停车线的车辆实时流量为控制目标。

下面根据附表来描述一个具体的操作过程。

使用一个受控路口单控制目标以及多控制目标复合优化案例来阐述本发明。假定受控路口的交通饱和度阈值x₁＝0.70，x₂＝0.90。

假定在三个时间段，受控路口的实时交通饱和度、对应的单控制目标的最优结果(最小值)以及此最优结果时其它二个控制目标的优化结果，如表1所示。

在同样的时段、相同的实时交通饱和度条件下，多控制目标复合优化的最优结果(最小值)以及此最优结果时的三个单控制目标优化结果如表2所示。

表1交通饱和度与单控制目标优化结果对应表

表2交通饱和度与多控制目标复合优化结果对应表

由上表1可知，在时间段1内：受控路口处于重交通状态，对应的优化目标是排队长度，通过优化是使排队长度达到最优值(最小值)38，此时，平均停车次数的优化值是42，平均延误时间的优化值是46，后二者均非最优值(最小值)，三个控制目标的优化均值是42；在时间段2内，受控路口处于中交通状态，对应的优化目标是平均延误时间，通过优化是使平均延误时间达到最优值(最小值)35，此时，平均停车次数的优化值是35，排队长度的优化值是33，后二者均非最优值(最小值)，三个单控制目标的优化均值是35；在时间段3内，受控路口处于轻交通状态，对应的优化目标是平均停车次数，通过优化是使平均停车次数达到最优值(最小值)23，此时，平均延误时间的优化值是30，排队长度的优化值是21，后二者均非最优值(最小值)，三个单控制目标的优化均值是25。

由上表2可知，在时间段1内：受控路口处于重交通状态，对应的复合优化值即排队长度最优值(最小值)是38，此时，平均停车次数的优化值是42，平均延误时间的优化值是46，后二者均非最优值(最小值)；在时间段2内，受控路口处于中交通状态，对应的复合优化值是34，此时，平均停车次数的优化值是35，平均延误时间的优化值36，排队长度的优化值是31，三个控制目标均未达到最优值(最小值)；在时间段3内，受控路口处于轻交通状态，对应的复合优化值是24，此时，平均停车次数的优化值是24，平均延误时间的优化值25，排队长度的优化值是19，三个控制目标均未达到最优值(最小值)。

比较表1和表2，在时间段1内：在重交通状态下，多目标复合优化实际上已转化为单目标优化，多目标复合优化较之单目标优化，平均停车次数、平均延误时间、排队长度的优化值均保持不变，没有劣化或改善；在时间段2内：在中交通状态下，多目标复合优化较之单目标优化，平均停车次数、平均延误时间、排队长度的优化值依次是35∶38、36∶35、31∶33，分别有+8％、-3％、6％的改善，三者综合改善11％；在时间段3内：在轻交通状态下，多目标复合优化较之单目标优化，平均停车次数、平均延误时间、排队长度的优化值依次是24∶23、25∶30、19∶21，分别有-4％、17％、10％的改善，三者综合改善23％。

综上所述，在轻交通状态和中交通状态下，多目标复合优化的控制效率都要比单控制目标的控制效率有一定程度的改善。在重交通状态下，前后两者的控制效率是一样的。

Claims (4)

1.交通信号多控制目标复合优化方法，其特征是：

把受控路口交通信号控制目标定义成由平均停车次数、平均延误和排队长度三个单一控制目标组成的复合控制目标，根据交通状态、交通饱和度分别对三个单一控制目标进行加权，通过优化计算实现复合控制目标的最小化；

所述交通状态分成轻交通、中交通和重交通三种状态；所述交通饱和度是指在路口信号控制条件下，单位时间内车辆通过路口停车线的车辆实时流量与允许通过的车辆最大流量的比值；

复合控制目标PI＝A₁×PI₁+A₂×PI₂+A₃×PI₃             I

公式I中：

PI₁指平均停车次数控制目标；

PI₂指平均延误控制目标；

PI₃指排队长度控制目标；

A₁指PI₁的权重因子；

A₂指PI₂的权重因子；

A₃指PI₃的权重因子；

A₁+A₂+A₃＝1                   II

公式II中：0≤A₁、A₂、A₃≤1；

设受控路口实时交通饱和度X，0≤X≤X₁表示受控路口处于轻交通状态，X₁＜X＜X₂表示受控路口处于中交通状态，X≥X₂表示受控路口处于重交通状态；X₁，X₂为交通饱和度阈值，0≤X₁＜X₂＜1；

当0≤X≤X₁时：

$A_1=1-\frac{X}{X_2}-\frac{X}{X_2}(X_2-X_1),$ $A_2=\frac{X}{X_2},$ $A_3=\frac{X}{X_2}(X_2-X_1),$

当X₁＜X＜X₂时：

$A_1=1-\frac{X}{X_2}-\frac{X_1}{X_2}(X_2-X),$ $A_2=\frac{X_1}{X_2}-\frac{X-X_1}{X_2},$ $A_3=\frac{X}{X_2}+\frac{X_1}{X_2}(X_2-X)-\frac{X_1}{X_2}+\frac{X-X_1}{X_2},$

当X≥X₂时：

A₁＝0、A₂＝0、A₃＝1.00。

2.如权利1所述交通信号多控制目标复合优化方法，其特征是所述受控路口实时交通饱和度为受控路口设定时间段内的平均交通饱和度。

3.如权利2所述交通信号多控制目标复合优化方法，其特征是所述设定时间段采用1-10分钟内的时间段。

4.如权利2所述交通信号多控制目标复合优化方法，其特征是受控路口测得的交通饱和度为0≤交通饱和度取值≤1，精确到两位小数。