CN102842238A - 一种城市主干道交通信号动态协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市主干道交通信号动态协调控制方法。针对我国城市主干道交通流特点，通过交通信号的协调，在确保主干道上各路口相位绿灯时间利用率的前提下，实现主干道双向车流不停车通行。本发明根据实时的交通状况，动态计算公共信号周期时间、各路口的相位绿信比和相邻路口间相位差，并在线优化协调相位的启动时间。通过协调相位中左转信号的早断和迟起，避免主干道双向协调相位的绿冲突。本发明能有效降低主干道交通流平均旅行时间和平均停车率，应用效果优于传统单点定时控制方法和静态协调控制方法，为城市主干道交通信号动态协调控制提供了一种有效的控制方法。

Description

一种城市主干道交通信号动态协调控制方法

技术领域

本发明涉及交通信号控制方法，具体地说涉及一种城市主干道交通信号动态协调控制方法。

背景技术

随着我国社会经济的发展和人民生活水平的提高，越来越多的汽车进入了普通家庭，交通事故、交通拥堵、环境污染和能源消耗等问题日趋严重，旅行时间、旅行安全、环境质量和生活质量都受到了交通状况的制约，交通问题成为了我国大多数城市十分严重的问题，已严重影响了城市可持续发展与和谐社会构建。

城市道路交通信号控制是现代城市交通管理的一个极其重要的方面，其管理与控制的优劣将直接影响城市道路交通拥堵或疏通的效果。然而城市主干道承受着巨大的市内交通负荷，因此搞好城市主干道交通信号控制是城市交通畅通化措施的重点。

现代城市交通信号控制理论研究表明，实现城市主干道交通信号动态协调控制，使其在信号配时优化条件下，实现交通流在一系列交叉口处遇到绿灯信号而不在交叉口处停顿，减少主干道上车流的交通延误和停车率，将极大地改善交通主干道本身及周边道路的交通拥堵现象，是城市街交通控制的首要且最佳措施。

作为一种高效的城市交通协调控制方式，城市主干道交通信号动态协调控制方法有以下特点：1.保证整体较高的行驶速度并减少停车次数，从而提供较高水平的交通服务；2.交通流更为平滑，从而提高道路通行能力；3.速度更为统一，过快或过慢的行驶速度均会导致在下一个路口遇到红灯；4.驾驶员和行人都更为遵守交通信号，驾驶员尽量保持在绿灯时间到达路口，行人不会乱穿马路，因为机动车更为紧凑；5.来往的车辆被吸引到主干道上而不是并行的小道上，从而改善整个路网的交通状况。

国外主干道交通信号动态协调控制方法已有研究成果，如：Little首先提出了MAXBAND，针对包括n个路口S1,...,Sn的城市主干道，给出一组优化的相位差，使尽可能多的机动车在设定的速度范围内能够一次不停的通过交通主干道。Gartner在MAXBAND方法的基础上提出了MULTIBAND，许多重要特性都进行了改进，如车辆排队的清空时间，左转车辆，干线中不同路段实现不同带宽。但这些研究成果对交通干线都有严格的物理要求，如路口间距必须相等或成倍数，否则效果就会打折扣，因此很难在实际中推广应用。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足，降低主干道交通流平均旅行时间和平均停车率，提高主干道的交通服务水平，提供一种城市主干道交通信号动态协调控制方法。

.一种城市主干道交通信号动态协调控制方法，步骤如下：

1)公共信号周期时间计算：采用Webster最佳周期时间计算方法确定各路口的信号周期时间C₀：

$C_0=\frac{1.5L+5}{1-Y}$

其中，L为路口一个信号周期内的损失时间，包括黄灯时间和相位的绿灯损失时间；Y为路口交通流量比；取主干道上各路口信号周期时间C₀的最大值作为公共信号周期时间，对应的路口为主干道上的关键路口，该主干道上所有路口统一采用此公共信号周期时间；考虑非机动车、行人和机动车间的相互影响，C₀放大10-15%后得到最终的公共信号周期时间从而使主干道上各路口的车辆总延误时间为最小；

2)绿信比计算：每个路口根据各相位的校正流量分别计算绿信比：

设城市主干道上，各路口交通流相位划分如下：相位1为主干道上行方向左转、直行和右转；相位2为主干道下行方向左转、直行和右转；相位3为支路上双向左转、直行和右转；

校正流量为：

${\stackrel{\‾}{Q}}_i\left(k\right)=\mathrm{\α}{Q}_i(k-1)+\mathrm{\β}{Q}_i\left(k\right)+\mathrm{\γ}{Q}_i^{\′}(k+1)$

式中：i代表某一相位，i∈{1,2,3}；

为相位i在第k个信号周期内的校正流量；Q_i(k+1)和Q_i(k)分别为相位i在第k-1和k个信号周期内的实际流量；Q_i′(k+1)相位i在第k+1个信号周期内的预测流量；正系数α、β、γ满足：α+β+γ=1，β大，实时性好，α和γ大，平稳性好，一般取α=0.3，β=0.5，γ=0.2；

根据校正流量可得绿信比为：

${\mathrm{\λ}}_i=\frac{{\stackrel{\‾}{Q}}_i\left(k\right)}{\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}{\stackrel{\‾}{Q}}_i\left(k\right)}$

式中：λ_i为相位i的绿信比；

3)相位差时间计算：对于主干道协调控制，相位差分为上行相位差和下行相位差

即：

$t_o^{i+1,i}=\frac{d_{i+1,i}}{v_{i+1,i}}$

式中：i＝1,2,…n-1，n为城市主干道上内路口数目，d_i，i+1、v_i，i+1为路口i和i+1之间上行方向的路段长度和平均速度，d_i+1，i、v_i+1，i为路口i+1和i之间的下行方向的路段长度和平均速度，有d_i，i+1=d_i+1，i；

根据实时的交通状况，根据公共信号周期时间、各路口的相位绿信比和相邻路口间相位差时间，实现主干道交通信号动态协调控制。

步骤2）中，所述的绿信比可进一步计算绿灯时间为：

t_i=λ_i(C-Y_all-R_all)

式中：t_i为相位i的绿灯时间；Y_all和R_all分别为一个信号周期内所有的黄灯时间和全红时间。如果t_i<t_i,min，则t_i=t_i,min，t_i，min为相位i的最小绿灯时间，不足的绿灯时间由其它相位按比例补充，其它相位j需减少的绿灯时间t_j，s为：

$t_{j,s}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_j}{\underset{k=\mathrm{1,2,3};k\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&lambda;}}_k}(t_{i,\min }-t_i)$

如果t_i>t_i,max，则t_i=t_i,max，t_i，max为相位i的最大绿灯时间，多余的绿灯时间按比例分配给其它相位，其它相位j额外获得的绿灯时间t_j,a为：

$t_{j,a}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_j}{\underset{k=\mathrm{1,2,3},k\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&lambda;}}_k}(t_{i,\max }-t_i)$

步骤3）中，所述的相位差时间可进一步计算相位的启动时间：

主干道上行方向以第一个路口相位1开始，且启动时间

为第1秒，为了达到协调效果，城市主干道上其它路口相位1的启动时间

依次按相位差错开：

$t_u^i=t_u^{i-1}+t_o^{i-1,i},i=\mathrm{2,3},...n$

如果

则为使

小于信号周期时间C，

m为正整数，得

同样，设主干道下行方以第n个路口相位2开始，且启动时间秒，为了达到协调效果，城市主干道上内其它路口相位2的启动时间

也应按相位差错开：

$t_d^i=t_d^{i+1}+t_o^{t+1,i},i=n-1,...\mathrm{2,1}$

如果

则为使小于信号周期时间C

使得 $t_d^i\&Element;[1,C];$

由于相邻路口间的路段长度和车流平均速度的不同，在协调控制过程中会出现3种情况：①相位1和相位2连续；②相位1和相位2重合；③相位1和相位2离散，启动时间的优化目标要尽量避免第三种情况发生，同时使第二种情况的重合的绿灯时间较小；

设

和

分别为主干道上路口i相位1和相位2的绿灯时间，且第n个路口相位2的启动时间为

寻求一个优化的控制参数t，在约束条件t∈[1,C]下，满足优化性能指标J₁时尽可能满足性能指标J₂：

$J_1=\min \left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\right|t_u^i-t_d^i|>a^i?1:0)\right)$

$J_2=\max \left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\right|t_u^i-t_d^i\left|\right)$

出现相位1和相位2重合时，则可采取如下两种方法：①适当提前终止相位1运行或者延后相位2启动；②通过早断相位1左转和迟起相位2左转来避免左转车辆与对向直行车辆的冲突；当出现相位1和相位2离散时，则可适当延迟相位2的启动，让相位3先于相位2运行。

本发明的有益效果：本发明可以降低主干道交通流平均旅行时间和平均停车率，对交通流协调控制和改善整个城市的交通状况具有重要意义。

附图说明

图1为应用城市主干道交通信号动态协调控制方法的城市主干道示意图；

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，东西向道路为主干道，南北向道路为次干道或支路，东西向流量一般明显大于南北向。定义由西往东为主干道上行方向，由东往西为下行方向。协调控制的目标是保证主干道交通畅通，使东西方向上大多数车辆能不停车地通过主干道上所有路口，且双向都拥有较宽的通过带。

各路口交通流相位划分如下：相位1为东向左转、直行和右转，即上行相位；相位2为西向左转、直行和右转，即下行相位；相位3为南北向左转、直行和右转；上行方向以相位1为协调相位，按照一定的上行相位差进行协调；下行方向以相位2为协调相位，也按照一定的下行相位差进行协调。

城市主干道交通信号动态协调控制方法：根据实时的交通状况，动态计算公共信号周期时间、各路口的相位绿信比和绿灯时间、相邻路口间相位差时间，并在线优化双向协调相位的启动时间，实现主干道交通信号动态协调控制；步骤如下：

1)公共信号周期时间计算：主干道上各路口以车辆总延误时间最小为目标，采用Webster最佳周期时间计算方法确定各路口的信号周期时间C₀：

$C_0=\frac{1.5L+5}{1-Y}$

其中，L为路口一个信号周期内的损失时间，包括黄灯时间和相位的绿灯损失时间；Y为路口交通流量比；取主干道上各路口信号周期时间C₀的最大值作为公共信号周期时间，对应的路口为主干道上的关键路口，该主干道上所有路口统一采用此公共信号周期时间；考虑非机动车、行人和机动车间的相互影响，C₀放大10-15%后得到最终的公共信号周期时间；

2)绿信比和绿灯时间计算

根据路口各相位的校正流量计算相位绿信比，并进一步确定各相位绿灯时间：

各路口各相位的校正流量为：

${\stackrel{\&OverBar;}{Q}}_i\left(k\right)=\mathrm{\&alpha;}{Q}_i(k-1)+\mathrm{\&beta;}{Q}_i\left(k\right)+\mathrm{\&gamma;}{Q}_i^{\&prime;}(k+1)$

式中：i代表某一相位，i∈{1,2,3}；

为相位i在第k个信号周期内的校正流量；Q_i(k+1)和Q_i(k)分别为相位i在第k-1和k个信号周期内的实际流量；Q_i′(k+1)相位i在第k+1个信号周期内的预测流量；正系数α、β、γ满足：α+β+γ=1，β大，实时性好，α和γ大，平稳性好，一般取α=0.3，β=0.5，γ=0.2；

根据校正流量可得绿信比为：

${\mathrm{\&lambda;}}_i=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{Q}}_i\left(k\right)}{\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\stackrel{\&OverBar;}{Q}}_i\left(k\right)}$

式中：λ_i为相位i的绿信比。

t_i=λ_i(C-Y_all-R_all)

式中：t_i为相位i的绿灯时间；Y_all和R_all分别为一个信号周期内所有的黄灯时间和全红时间。如果t_i<t_i,min，则t_i=t_i,min，t_i,min为相位i的最小绿灯时间，不足的绿灯时间由其它相位按比例补充，其它相位j需减少的绿灯时间t_j，s为：

$t_{j,s}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_j}{\underset{k=\mathrm{1,2,3};k\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&lambda;}}_k}(t_{i,\min }-t_i)$

如果t_i>t_i,max，则t_i=t_i,max，t_i，max为相位i的最大绿灯时间，多余的绿灯时间按比例分配给其它相位，其它相位j额外获得的绿灯时间t_j,a为：

$t_{j,a}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_j}{\underset{k=\mathrm{1,2,3},k\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&lambda;}}_k}(t_{i,\max }-t_i)$

3)相位差时间计算

对于主干道协调控制，相位差分为上行相位差

和下行相位差

即：

$t_o^{i+1,i}=\frac{d_{i+1,i}}{v_{i+1,i}}$

式中：i＝1,2,…n-1，n为城市主干道上内路口数目，d_i,i+1、v_i,i+1为路口i和i+1之间上行方向的路段长度和平均速度，d_i+1，i、v_i+1，i为路口i+1和i之间的下行方向的路段长度和平均速度，显然有d_i，i+1=d_i+1，i。

4)启动时间优化：

主干道上行方向以第一个路口相位1开始，且启动时间

为第1秒，为了达到协调效果，城市主干道上其它路口相位1的启动时间

依次按相位差错开：

$t_u^i=t_u^{t-1}+t_o^{i-1,i},i=\mathrm{2,3},...n$

如果

则为使

小于信号周期时间C，

m为正整数，得

同样，设主干道下行方以第n个路口相位2开始，且启动时间

秒，为了达到协调效果，城市主干道上内其它路口相位2的启动时间也应按相位差错开：

$t_d^i=t_d^{i+1}+t_o^{t+1,i},i=n-1,...\mathrm{2,1}$

如果

则为使

小于信号周期时间C

使得 $t_d^i\&Element;[1,C];$

由于相邻路口间的路段长度和车流平均速度的不同，在协调控制过程中会出现3种情况：①相位1和相位2连续；②相位1和相位2重合；③相位1和相位2离散。第一种情况下，相位1(或2)运行完毕后刚好相位2(或1)的启动时刻到，相序为1-2-3或2-1-3，这种情况的效果最好，但由于路口间的路段长度和车速的不均匀，这种情况出现少。第二种情况下，相位1(或2)尚未运行完毕相位2(或1)的启动时刻就到了，由于相位1和相位2的重合，导致两个相位间左转和直行冲突，且会出现多余的绿灯时间；第三种情况下，相位1(或2)运行完毕后相位2(或1)的启动时刻还未到，且这段时间差小于相位3的绿灯时间，导致信号周期内没有合适时间段放行相位3；控制方案的优化目标要避免第三种情况发生，同时使第二种情况的重合的绿灯时间小；

设

和

分别为主干道上路口i相位1和相位2的绿灯时间，且第n个路口相位2的启动时间为寻求一个优化的控制参数t，在约束条件t∈[1,C]下，满足优化性能指标J₁时尽可能满足性能指标J₂：

$J_1=\min \left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\right|t_u^i-t_d^i|>a^i?1:0)\right)$

$J_2=\max \left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\right|t_u^i-t_d^i\left|\right)$

在实际应用时，相位1和相位2重合和离散不可避免会出现；出现相位1和相位2重合时，则可采取如下两种方法：①适当提前终止相位1运行或者延后相位2启动，这样会牺牲上行或下行通过带带宽；②通过“早断”相位1左转和“迟起”相位2左转来避免左转车辆与对向直行车辆的冲突，也就是在相位1和相位2中间插入一个临时相位，即东西向直行和右转；具体采用那种方法需根据实际情况确定；当出现相位1和相位2离散时，则可适当延迟相位2的启动，让相位3先于相位2运行，但是会牺牲一定的相位2通过带带宽。

在实际应用中，主干道交通信号协调控制方案的变换间隔不能太小，否则方案变换产生的集结或消散波有可能造成交通絮流，引起不必要的交通阻塞。因此，在一个阶段内(通常为8个周期左右)，公共信号周期和相位差保持不变，而绿信比可在每个信号周期末实时调整。

实施例

在绍兴市中兴路，绍兴市中兴路是贯穿整个绍兴市区的南北向主要干道，全长约15.9公里，路口间距最长1.71公里，最短0.15公里，双向6车道，目前共有路口26个，其中“T”型路口3个。据2011年3月份统计，高峰时期交通流量情况为：干线最大流量约1767辆/小时，最小流量约789辆/小时，平均流量约1230辆/小时；支路最大流量约1048辆/小时，最小流量约124辆/小时，平均流量约411辆/小时；平峰时期交通流量情况为：干线最大流量1420辆/小时，最小流量325辆/小时，平均流量约839辆/小时；支路最大流量836辆/小时，最小流量78辆/小时，平均流量约315辆/小时。

系统在各个路口每个车道安装感应线圈车辆检测器，在其中关键的13个路段安装视频车辆检测器，对相关交通信息进行实时检测。为了安全起见，中兴路全程限速通行，其中二环北路以北路段限速80公里/小时，二环北路以南北路段限速50公里/小时。

利用本发明取得了明显的效果，与实施前采用的单路口多时段定时控制相比，各项性能指标都得到了提升。表1列举了利用本发明前后实际使用效果，这些数据表明本发明可以有效提高主干道通行效率。

表1实际应用效果

Tab.1 Actual using effect

Claims (3)

1.一种城市主干道交通信号动态协调控制方法，其特征在于，步骤如下：

1)公共信号周期时间计算：采用Webster最佳周期时间计算方法确定各路口的信号周期时间C₀：

$C_0=\frac{1.5L+5}{1-Y}$

其中，L为路口一个信号周期内的损失时间，包括黄灯时间和相位的绿灯损失时间；Y为路口交通流量比；取主干道上各路口信号周期时间C₀的最大值作为公共信号周期时间，对应的路口为主干道上的关键路口，该主干道上所有路口统一采用此公共信号周期时间；考虑非机动车、行人和机动车间的相互影响，C₀放大10-15%后得到最终的公共信号周期时间从而使主干道上各路口的车辆总延误时间为最小；

2)绿信比计算：每个路口根据各相位的校正流量分别计算绿信比：

设城市主干道上，各路口交通流相位划分如下：相位1为主干道上行方向左转、直行和右转；相位2为主干道下行方向左转、直行和右转；相位3为支路上双向左转、直行和右转；

校正流量为：

${\stackrel{\&OverBar;}{Q}}_i\left(k\right)=\mathrm{\&alpha;}{Q}_i(k-1)+\mathrm{\&beta;}{Q}_i\left(k\right)+\mathrm{\&gamma;}{Q}_i^{\&prime;}(k+1)$

式中：i代表某一相位，i∈{1,2,3}；

为相位i在第k个信号周期内的校正流量；Q_i(k+1)和Q_i(k)分别为相位i在第k-1和k个信号周期内的实际流量；Q_i′(k+1)相位i在第k+1个信号周期内的预测流量；正系数α、β、γ满足：α+β+γ=1，β大，实时性好，α和γ大，平稳性好，一般取α=0.3，β=0.5，γ=0.2；

根据校正流量可得绿信比为：

${\mathrm{\&lambda;}}_i=\frac{{\stackrel{\&OverBar;}{Q}}_i\left(k\right)}{\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\stackrel{\&OverBar;}{Q}}_i\left(k\right)}$

式中：λ_i为相位i的绿信比；

3)相位差时间计算：对于主干道协调控制，相位差分为上行相位差

和下行相位差

即：

$t_o^{i,i+1}=\frac{d_{i,i+1}}{v_{i,i+1}}$

$t_o^{i+1,i}=\frac{d_{i+1,i}}{v_{i+1,i}}$

式中：i＝1,2,…n-1，n为城市主干道上内路口数目，d_i，i+1、v_i，i+1为路口i和i+1之间上行方向的路段长度和平均速度，d_i+1，i、v_i+1，i为路口i+1和i之间的下行方向的路段长度和平均速度，有d_i，i+1=d_i+1，i；

根据实时的交通状况，根据公共信号周期时间、各路口的相位绿信比和相邻路口间相位差时间，实现主干道交通信号动态协调控制。

2.如权利要求1所述的一种中小城市主干道动态协调控制方法，其特征在于，步骤2）中，所述的绿信比可进一步计算绿灯时间为：

t_i=λ_i(C-Y_all-R_all)

式中：t_i为相位i的绿灯时间；Y_all和R_all分别为一个信号周期内所有的黄灯时间和全红时间。如果t_i<t_i,min，则t_i=t_i,min，t_i，min为相位i的最小绿灯时间，不足的绿灯时间由其它相位按比例补充，其它相位j需减少的绿灯时间t_j，s为：

$t_{j,s}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_j}{\underset{k=\mathrm{1,2,3};k\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&lambda;}}_k}(t_{i,\min }-t_i)$

如果t_i>t_i,max，则t_i=t_i,max，t_i,max为相位i的最大绿灯时间，多余的绿灯时间按比例分配给其它相位，其它相位j额外获得的绿灯时间t_j,a为：

$t_{j,a}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_j}{\underset{k=\mathrm{1,2,3},k\&NotEqual;i}{\mathrm{\&Sigma;}}{\mathrm{\&lambda;}}_k}(t_{i,\max }-t_i)$

3.如权利要求1所述的一种中小城市主干道动态协调控制方法，其特征在于，步骤3）中，所述的相位差时间可进一步计算相位的启动时间：

主干道上行方向以第一个路口相位1开始，且启动时间

为第1秒，为了达到协调效果，城市主干道上其它路口相位1的启动时间

依次按相位差错开：

$t_u^i=t_u^{i-1}+t_o^{i-1,i},i=\mathrm{2,3},...n$

如果

则为使

小于信号周期时间C，

m为正整数，得

同样，设主干道下行方以第n个路口相位2开始，且启动时间

秒，为了达到协调效果，城市主干道上内其它路口相位2的启动时间

也应按相位差错开：

$t_d^i=t_d^{i+1}+t_o^{i+1,i},i=n-1,...\mathrm{2,1}$

如果

则为使小于信号周期时间C

使得 $t_d^i\&Element;[1,C];$

由于相邻路口间的路段长度和车流平均速度的不同，在协调控制过程中会出现3种情况：①相位1和相位2连续；②相位1和相位2重合；③相位1和相位2离散，启动时间的优化目标要尽量避免第三种情况发生，同时使第二种情况的重合的绿灯时间较小；

设

和

分别为主干道上路口i相位1和相位2的绿灯时间，且第n个路口相位2的启动时间为

寻求一个优化的控制参数t，在约束条件t∈[1,C]下，满足优化性能指标J₁时尽可能满足性能指标J₂：

$J_1=\min \left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left(\right|t_u^i-t_d^i|>a^i?1:0)\right)$

$J_2=\max \left(\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\right|t_u^i-t_d^i\left|\right)$

出现相位1和相位2重合时，则可采取如下两种方法：①适当提前终止相位1运行或者延后相位2启动；②通过早断相位1左转和迟起相位2左转来避免左转车辆与对向直行车辆的冲突；当出现相位1和相位2离散时，则可适当延迟相位2的启动，让相位3先于相位2运行。

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