CN102622899A - 一种绿波协调系统中瓶颈交叉口的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绿波协调系统中瓶颈交叉口的确定方法，为监控干线绿波协调控制系统的运行状态及控制效果，以确定干线不同交通信号控制方案的切换时点，首先给出了有效协调时间的定义及计算方法，对当前绿波协调控制系统的运行状态进行动态监控，并通过累计惩罚分值的方式确定绿波协调系统中的瓶颈交叉口，最后讨论了有效协调时间对信号控制方案切换时点的影响。模拟试验结果表明，采用有效协调时间能够有效地监控绿波协调控制系统的运行状态，准确地发现系统中的瓶颈交叉口，可以为改善干线交通组织及完善干线控制方案提供技术支持。

Description

一种绿波协调系统中瓶颈交叉口的确定方法

技术领域

本发明涉及交通中绿波系统控制领域，特别是涉及一种绿波系统运行状态的动态监控方法。

背景技术

所谓“绿波”，是指车流沿某条主要路线行进过程中，连续得到一个接一个的绿灯放行信号，畅通无阻地通过沿途所有交叉口。已有的绿波协调控制方法，从不同角度选择优化目标，寻求单向或双向绿波协调控制系统的最优带宽。实践应用表明，绿波协调控制在低流量或非饱和情况下效果较好，车流能够以一定的速度连续通过几个信号交叉口，但是在高流量或拥堵情况下则效果较差，高峰时段甚至出现下游路段排队车辆溢出至上游交叉口的“死锁”现象。然而，由于缺乏对干线系统运行状态的监控评价技术，导致干线实施的绿波协调控制方法不能根据整个系统的运行状况而及时地调整相应信号控制方案，因此难以对干线上拥挤的交通流及时地进行控制和疏导。实际上，如果某一交通条件下，绿波协调控制系统可以利用的带宽较小，则应该切换执行其他利于疏导当前拥挤交通流的干线控制方案。但是，现有的干线协调控制方法尚不能实现上述功能。虽然已相对成熟的城市道路交通状态判别方法可以判别道路交通状态，但是方法中需要的交通数据在现实状况下还很难获得，此外，对于干线协调控制系统而言，某一路段或某一交叉口发生拥挤，未必会立即导致干线协调控制失效，若以此为依据切换信号控制方案可能会使控制效果不理想。为提高干线协调控制系统的控制效果，增强其鲁棒性，需要一种对干线协调控制效果进行实时监控评价的方法，为确定不同干线交通信号控制方案的切换时点提供技术支持。

发明内容

本发明以道路上交通检测器采集到的实时交通数据为基础，设计一种有效协调时间的计算方法，监控绿波协调系统的运行状态，并以VISSIM为工具通过编程对上述方法进行模拟验证。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种绿波系统运行状态的动态监控方法，主要包括以下步骤：

(1)定义有效协调时间；

(2)累计惩罚分值的方式确定绿波协调系统中的瓶颈交叉口；

(3)结合瓶颈交叉口获得的绿灯剩余时间与有效协调时间的算法公式，计算有效协调时间；

(4)根据计算系统的有效协调时间对绿波控系统运行状态进行动态监。

所述的有效协调时间是指绿波协调控制过程中能够真正起到绿波通行作用的那部分时间。

所述有效协调时间计算方法：

(1)计算G_loc和G_rem参数；

(2)确定绿波系统的瓶颈交叉口；

(3)根据算法公式，计算有效协调时间；

计算有效协调时间的过程如下：

(1)监测交叉口i绿波方向红灯时间是否结束，如果是则转向(2)，否则继续监测，i＝1，2，…，N；

(2)获得当前信号周期交叉口i绿波方向的绿灯时间G(i)，i＝1，2，…，N；

(3)计算交叉口i的本地时间G_loc(i)，i＝1，2，……，N；

(4)计算交叉口i的剩余时间G_rem(i)，i＝1，2，……，N；

(5)计算N个交叉口的最小剩余时间min{G_rem(i)}，即有效协调时间ACT；

(6)输出当前信号周期绿波协调控制系统的有效协调时间，并对min{G_rem(i)}所属的交叉口i给予1分惩罚，即punish(i)＝punish(i)+1；

(7)如果ACT小于阈值δ，则当前绿波协调控制失效，输出max{punish(i)，i＝1，...，N}所属的交叉口Int(i)；否则转步骤(1)，对下一信号周期进行监测。

本发明中瓶颈交叉口的确定方法：

(1)计算弹性时间G_rem(i)；

(2)当前绿波协调控制系统的每个信号周期结束，选取G_rem(i)最小的交叉口，并给予其数值为1分的惩罚；

(3)当绿波协调控制系统的有效协调时间低于某一阈值时，获得惩罚分数最大的交叉口，即为系统的瓶颈交叉口。

所述的计算弹性时间的方法：G_rem(i)＝G(i)-G_loc(i)，其中G(i)为某交叉口绿波方向所在相位绿灯时间，G_loc(i)为本地时间。

由以上本发明提供的技术方案可见，本发明确定的瓶颈交叉口，有利于对拥堵的成因进行深入分析，进一步提高干线系统的通行能力，利用有效协调时间计算方法，能够对绿波协调控制系统的运行状态进行实时监控，为确定不同干线交通信号控制方式的切换时点提供技术支持。

附图说明

图1是本发明提供的一种绿波系统运行状态的动态监控方法中确定绿波协调控制系统瓶颈交叉口流程图；

图2是本发明提供的一种绿波系统运行状态的动态监控方法在理想情况下绿波协调控制系统时-空图；

图3是本发明提供的一种绿波系统运行状态的动态监控方法在拥堵情况下绿波协调控制系统时-空图；

图4是本发明提供的一种绿波系统运行状态的动态监控方法的饱和车头时距分布图；

图5是本发明提供的一种绿波系统运行状态的动态监控方法中交叉口的渠化结构示意图；

图6是本发明提供的一种绿波系统运行状态的动态监控方法中绿波协调控制系统有效协调时间图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面对技术方案的具体实施方法作进一步的详细说明。

结合附图2分析，理论上，进行绿波协调控制时能够计算出在既定交通条件下系统的带宽，但是，实际运行中当协调控制的交叉口中某一个交叉口发生拥挤时，该交叉口便成为整个系统的瓶颈点，设计的带宽只有一部分用于放行上游驶来的车流，另一部分则用于放行绿灯起始时刻停车线前的排队车辆，导致设计带宽在实际交通运行中会有所折扣，如附图3所示。

由附图2、附图3可以看出，设计带宽是一个理论值，适合低流量情况。在高流量及饱和情况下，实际运行中各交叉口绿灯前段时间通常先放行停车线前的排队车辆，绿灯后段时间才参与绿波协调放行上游驶来的车流。如果交叉口绿波方向排队车辆数较多，将导致该交叉口参与绿波协调的时间较少，即占用了设计带宽的一部分时间用于放行绿灯起始时刻停车线前的排队车辆。由此可见，各交叉口有效协调时间越小，意味着从上游驶出的车流能连续通过下游交叉口的概率越小，当有效协调时间低于某一阈值时，绿波协调将难以实现，因此，有必要实时计算有效协调时间的数值。

在发明中，有效协调时间(Available Coordinated Time，ACT)是指绿波协调控制过程中能够真正起到绿波通行作用的那部分时间。

由附图2、附图3及前述分析可知，某一个相位的绿灯时间可分为两部分，一部分用于释放停车线前的排队车辆，另一部分释放上游交叉口当前绿灯放行过来的车辆，使其无阻滞地通过交叉口。

在某一信号周期内，各交叉口绿波方向的弹性时间G_rem(i)越多，系统获得的有效协调时间越多。整个系统的有效协调时间受各交叉口中最小的弹性时间制约，即若某个交叉口的弹性时间G_rem(i)较小，则会影响当前信号周期整个系统运行的有效协调时间，成为系统的瓶颈点。

计算G_loc和G_rem：

考虑现有交通信号控制系统的实际情况，以SCATS系统为例，SCATS系统停车线前各车道布设有检测器，能够实时计算出相邻两辆车通过检测器的时间间隔。饱和情况下，绿灯开始的前期阶段，排队车辆以车队的形式通过检测器，饱和车头时距通常为1.5～3.5秒，本发明并不仅局限于SCATS系统。

本地时间

T_gap(j)＜4，弹性时间G_rem(i)＝G(i)-G_loc(i)，其中T_gap(j)为检测到的第j个间隔时间，当T_gap(j)小于4秒时，认为释放的是排队车辆；一旦T_gap(j)大于4秒，则后续再检测到的车辆认为是上游交叉口刚放行驶来的车辆，G_waste为绿灯初始损失时间。

显然，0≤G_rem(i)≤G(i)，即若绿灯起始时刻，停车线前排队车辆数为0，则当前交叉口的绿灯时间可全部用于绿波协调；若当前交叉口绿灯起始时刻停车线前排队车辆数较多，则G_rem(i)将趋于0，即交叉口用于绿波协调的时间为0。

计算有效协调时间：

由前述分析可知，绿波协调控制系统当前信号周期的有效协调时间ACT＝min{G_rem(i)}。

有效协调时间的计算过程如下：

(1)监测交叉口i绿波方向红灯时间是否结束，如果是则转向(2)，否则继续监测，i＝1，2，…，N；

(2)获得当前信号周期交叉口i绿波方向的绿灯时间G(i)，i＝1，2，…，N；

(3)计算交叉口i的本地时间G_loc(i)，i＝1，2，……，N；

(4)计算交叉口i的剩余时间G_rem(i)，i＝1，2，……，N；

(5)计算N个交叉口的最小剩余时间min{G_rem(i)}，即有效协调时间ACT。

(6)输出当前信号周期绿波协调控制系统的有效协调时间，并对min{G_rem(i)}所属的交叉口i给予1分惩罚，即punish(i)＝punish(i)+1；

(7)如果ACT小于阈值δ，则当前绿波协调控制失效，输出max{punish(i)，i＝1，...，N}所属的交叉口Int(i)；否则转步骤(1)，对下一信号周期进行监测。

确定瓶颈交叉口：

结合附图1分析，本发明以当前绿波协调控制系统的信号周期为时间间隔，在每个信号周期结束时，选取G_rem(i)最小的交叉口，并给予其数值为1分的惩罚。当绿波协调控制系统的有效协调时间低于某一阈值时，则表明当前的绿波协调控制失效，此时获得惩罚分数最大的交叉口即为该系统的瓶颈交叉口。

由木桶理论可知，实际运行中绿波协调控制系统的有效协调时间受系统中瓶颈交叉口的影响较大，系统实际执行的有效协调时间取决于该瓶颈交叉口所能获得的绿灯剩余时间。

结合模拟实验进行验证：

1)方案设计

本发明以连续的五个交叉口为研究对象，交叉口的进口渠化结构如附图5所示。五个交叉口所在的道路为城市主干路，各交叉口间距离约为600米。在实验中以VISSIM模拟软件为工具，利用VB调用VISSIM的COM接口，读取检测器数据及信号控制机参数，模拟时间为3600秒，设置的交通流量随仿真时间的增加而逐渐增大。各交叉口东西方向进行绿波协调控制，共用信号周期时长为100秒，系统设计的带宽为25秒，即理论上在带宽所辖25秒时间范围内，自交叉口E驶出的车辆能够无阻滞地顺利通过交叉口A。

2)绿波协调控制系统的运行状态

为了分析绿波协调控制系统的执行效果，在模拟期间通过计算系统的有效协调时间对其进行全程监控，模拟期间有效协调时间的变化见附图6所示。图中，横轴为绿波协调控制系统的共用信号周期，纵轴为每一信号周期干线系统的有效协调时间。从附图6中可以看出，模拟期间绿波协调控制系统的有效协调时间随着交通流量的增大而逐渐减小。因此，可以通过监测有效协调时间的动态变化对绿波协调控制系统的运行状态进行动态监控。

模拟结果表明，拥堵状况下绿波协调控制既不能实现理论上的“绿波”通行，又不能对拥挤的车流给予及时疏导。因此，出现拥堵时应及时切换信号控制方案。

3)有效协调时间阈值分析

有效协调时间阈值δ的确定直接影响干线不同信号控制方案的切换时机。为了确定最优δ值，本发明采用试探的方法对δ分别取值为3、4、5、6、7，当有效协调时间小于δ时，则将信号控制方案切换为已有文献所采用的TSS-CAI控制方案，并对不同取值的实验结果进行了对比分析，见表1所示。

表1不同有效协调时间阈值δ的对比分析结果

实验表明，当δ＝5时，模拟期间系统的性能指标最优，即当有效协调时间小于等于5秒时已有的绿波协调控制系统应该切断绿波，而改用其他有利于疏导拥挤交通流的信号控制方案，以便及时地对拥挤的车流进行疏导。

需要说明的是：在不脱离本发明技术原理的前提下，可以做若干改进，这些改进也可以视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种绿波协调系统中瓶颈交叉口的确定方法，包括以下步骤：

(1)当前绿波协调控制系统的每个信号周期结束，计算绿波协调控制系统中各交叉口的弹性时间G_rem(i)；

(2)当前绿波协调控制系统的每个信号周期结束，选取G_rem(i)最小的交叉口，并给予其数值为1分的惩罚；

(3)当绿波协调控制系统的有效协调时间低于某一阈值时，获得惩罚分数最大的交叉口，即为系统的瓶颈交叉口。

2.根据权利要求1所述的一种绿波协调系统中瓶颈交叉口的确定方法，其特征在于，所述弹性时间的计算方法：

G_rem(i)＝G(i)-G_loc(i)，其中G_rem(i)为弹性时间，G(i)为某交叉口绿波方向所在相位绿灯时间，G_loc(i)为本地时间。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种绿波协调系统中瓶颈交叉口的确定方法，其特征在于，所述本地时间的计算方法：

T_gap(j)＜4，其中T_gap(j)为相邻车辆通过检测器的间隔时间长度，当T_gap(j)小于4秒时，认为释放的是排队车辆；一旦T_gap(j)大于4秒，则后续再检测到的车辆认为是上游交叉口刚放行驶来的车辆，间隔时间不再参与计算，G_waste为绿灯初始损失时间。

4.根据权利要求1所述的一种绿波协调系统中瓶颈交叉口的确定方法，其特征在于，所述有效协调时间是指绿波协调控制过程中能够真正起到绿波通行作用的那部分时间。

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