CN102915643B - 一种信号交叉口各相位绿灯时间计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种信号交叉口各相位绿灯时间计算方法及系统，该方法包括以下步骤：设定信号交叉口的服务流量目标函数；设定周期内每个相位绿灯的最大绿灯时间和最小绿灯时间，每个相位的绿灯时间小于等于最大绿灯时间并大于等于最小绿灯时间；每个相位的绿灯时间总和为周期时长；设定比例系数，使当前周期内任意两个相位的绿灯时间之比小于等于比例系数与上一周期内对应相位的流率之比的乘积；在这些约束条件下，通过遍历比例系数，计算出信号交叉口各相位的绿灯时间，使得该交叉口的服务流量最大。本方法能很好的处理空放以及渐变的交通流，并能快速的应对突变的交通流，能够使尽可能多的车辆通过交叉口，提高信号交叉口的服务水平。

Description

一种信号交叉口各相位绿灯时间计算方法及系统

技术领域

本发明涉及城市交通信号控制领域，尤其是涉及一种对应渐变及突变的交通状况能做出较好调整的信号交叉口各相位绿灯时间计算方法及系统。

背景技术

近年来，随着社会经济的发展、城市化进程的加快和机动车辆的迅猛增加，城市交通问题日益严重，城市交通压力越来越大，尤其在信号交叉口处的交通压力更大。因此，在信号交叉口已选定的周期条件下，能够更加合理的分配各个相位的绿灯时间，使得交叉口的服务流量最大，并尽可能的通过自适应调节，减少空放，提高绿灯时间利用率，提升道路交叉口的交通服务水平，使得机动车能够更加顺畅的通过交叉口。

目前的信号配时大多采用Webster或HCM等经典的配时算法，或者是在这些算法的基础上进行一些改进。在交叉口的信号周期确定后，各信号相位的绿灯时间是按各相位临界车道的交通流量比进行比例分配的。其分配方法按 $t_i=(T-L)*(q_i/s_i)/{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n(q_i/s_i),$ 式中下标i表示第i相位，T表示周期时长，L表示周期损失时间，q_i和s_i分别表示第i相信号临界车道的交通流量和饱和流量。

由上可知，现有技术中的交叉口各相位的绿灯时间分配方法，依据的是各相位临界车道的流量比。那么当出现高密度、低流量的交通状况时，车辆之间的横向干扰加剧，现有的各相位绿灯时间计算方法，往往使得车道在刚处于最佳通行状态时，绿灯时间却又结束了，从而制约了信号交叉口服务能力的提高。

发明内容

本发明主要是解决现有技术中信号灯时间分配法对突发或拥堵交通情况存在时间分配不合理及有缺陷的问题，提供了一种对渐变及突变的交通状况能做出较好调整的信号交叉口各相位绿灯时间计算方法。

本发明还提供了一种结构简单、成本低的信号交叉口各相位绿灯时间计算系统。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种信号交叉口各相位绿灯时间计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

a．设定信号交叉口的服务流量目标函数，该目标函数等于各相位上一周期流量与绿灯时间之比和本周期绿灯时间的乘积之和；

设定周期内每个相位的绿灯时间需满足的条件如下，

第一条件：设定周期内每个相位绿灯的最大绿灯时间和最小绿灯时间，每个相位的绿灯时间小于等于最大绿灯时间并大于等于最小绿灯时间；该相位的绿灯时间取值限于自然数。

第二条件：每个相位的绿灯时间总和为周期时长；每个周期内各相位的绿灯时间总和等于周期时间减去周期内全红及全黄的时间，在一般的情况下，周期内全红及全黄时间为0，所以每个相位的绿灯时间总和为周期时长。

第三条件：设定比例系数，使当前周期内任意两个相位的绿灯时间之比小于或等于比例系数与上一周期内对应相位的流率之比的乘积；

b．读取上一周期内每个相位的流率，根据第三条件建立当前周期任意两个相位的绿灯时间之比的关系式；

c．设定比例系数的取值范围，由比例系数从1开始遍历，找出满足三个条件的各相位的绿灯时间，将该各相位的绿灯时间作为当前周期各相位的绿灯时间。

本发明不需要考虑信号交叉口具体的车道数，不需要考虑路口的几何形状，也不需要判别关键车道，只需统计上个周期内各个相位的车流量以及各个相位的绿灯时间，绿灯时间计算操作过程简单方便，有效的避免了空放，提高了绿灯时间的利用率，并在拥堵状态下，也能较合理的分配绿灯时间，提高了信号交叉口的交通服务水平。且本发明采用上一周期各个相位的流率计算得出本周期各个相位绿灯时间，对于渐变的交通流能取得了很好的效果，对于突变的交通流也能够很快的根据交通状况对绿灯时间予以相应的调整。

作为一种优选方案，所述步骤c中遍历过程为：由比例系数从1开始，选出所有满足第一条件和第二条件的相位绿灯时间组合，然后将每个组合依次代入步骤b中建立的关系式中，得出所有满足三个条件的相位绿灯时间组合，将满足三个条件的各相位的绿灯时间代入目标函数计算，将使目标函数最大的各相位的绿灯时间作为当前周期各相位的绿灯时间；若当前的比例系数遍历不能得到满足三个条件的相位绿灯时间组合，则令比例系数加1，如此循环遍历比例系数，直到得出有满足三个条件的相位绿灯时间组合为止。对应一个特定的遍历比例系数，这样的时间组合可能有多组，在组合有多组情况下，则选出其中使目标函数最大的各相位的绿灯时间作为当前周期各相位的绿灯时间。异常状况下遍历所有比例系数也可能不存在能满足三个条件的相位绿灯时间组合。

作为一种优选方案，若遍历比例系数的值后仍未得出满足三个条件的各相位绿灯时间，则采用上一周期的各相位绿灯时间作为当前周期的各相位绿灯时间。这样的处理增加了本方法的容错能力。

作为一种优选方案，若检测到上一周期内存在流率为零的相位，则将这些相位在当前周期内的绿灯时间设成最小绿灯时间，同时将信号交叉口的总相位数减去这些流率为零的相位的数量作为新的总相位数，将周期时长减去相应流率为零的相位的绿灯时间作为新的周期时长，然后将上一周期的流量非零相位根据新的总相位数和周期时长进行步骤b和步骤c，直到得出流量非零相位的绿灯时间。对上一周期流率为零的相位的以上操作，能较好的处理车道空放的情况，使得各相位都能充分利用所分配的绿灯时间。有效的避免了空放，提高了绿灯时间的利用率。在当前周期运行完毕后，进行下周期计算时，总相位数和周期时长依然重新使用原先设定的值进行计算。

作为一种优选方案，所述各相位分别设置单独的最大绿灯时间和最小绿灯时间，或是各相位设置统一的最大绿灯时间和最小绿灯时间。最大绿灯时间和最小绿灯时间可以分成两种方案，具体选用哪一种方案，可以根据实际路口的不同需求予以灵活决定。

一种信号交叉口各相位绿灯时间计算系统，包括设置在各相位路口的用于检测相位绿灯时间内通过的车辆数的检测单元、记录相位绿灯时长的计时单元和处理单元，所述检测单元和计时单元分别连接在处理单元上，处理单元与各相位红绿灯信号控制相连。检测单元检测出相位绿灯时长内通过的车辆数，计时单元记录相位绿灯时长，这样通过处理单元计算就能得出该相位的流率，然后处理器根据这些数据进行方法的有关步骤操作，得出下周期的各相位绿灯时间，系统结构简单，节省了成本。

作为一种优选方案，所述检测单元为线圈检测器，线圈检测器分别设置在各相位路口的停车线后方处。

因此，本发明具有的优点是：不需要考虑信号交叉口具体的车道数，不需要考虑路口的形状，也不需要判别关键车道，只需统计上个周期内各个相位的车流量以及各个相位的绿灯时间，计算方法简洁，系统结构简单；有效的避免车道空放，提高了绿灯时间的利用率，并在拥堵状态下，也能合理的分配绿灯时间，提高了信号交叉口的服务总体交通水平。

附图说明

附图1是本发明的一种工作流程示意图；

附图2是本发明的一种结构框示图。

1-检测单元    2-计时单元    3-处理单元

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本实施例一种信号交叉口各相位绿灯时间计算方法及系统，如图2所示，该系统包括交通信号灯、若干用于检测相位绿灯时间内通过的车辆数的检测单元1、记录各相位绿灯时长的计时单元2和处理单元3，检测单元分别连接到处理单元上，这些检测单元为线圈检测器，分别设置在各个相位道路口上，一般设置在道路口停车线后方处，这样就可以统计一个绿灯时间内通过的车辆数量。计时单元2设在信号灯上，计时单元一端与信号灯连接，另一端连接在处理单元上，计时单元记录绿灯的时间并将数据发送给处理单元。处理单元根据计时单元和检测单元发送来的数据计算出各相位的流率，并根据上一周期各相位的流量和绿灯时间计算出下一周期各相位的绿灯时间。

如图1所示，该系统的信号交叉口各相位绿灯时间计算方法包括以下步骤：

步骤1．设定信号交叉口的服务流量目标函数，该目标函数等于各相位上一周期流量与绿灯时间之比和本周期绿灯时间的乘积之和，即

n为交叉口的相位数，m为该交叉口的第m相位，为上周期第m相位通过的车辆数，为上周期第m相位的绿灯时间；

设定周期内每个相位的绿灯时间需要满足的条件，

第一条件：周期内每个相位绿灯的最大绿灯时间t_gmax和最小绿灯时间t_gmin，每个相位的绿灯时间小于等于最大绿灯时间并大于等于最小绿灯时间，即t_gmin≤t_m≤t_gmax，其中t_m∈N，本实施例中假设为三相交通信号灯，n=3，周期为T=60s，设定最大绿灯时间为50s，最小绿灯时间为10s，三个相位的绿灯时间分别为t₁、t₂、t₃，则10≤t₁≤50、10≤t₂≤50、10≤t₃≤50。

第二条件：每个相位的绿灯时间总和为周期时长，各相位绿灯时间总和公式为其中L为周期内全红及全黄时间，并不包括周期内的其他损失时间，一般情况下，L=0，因此各相位绿灯时间之和等于周期时长，即t₁+t₂+t₃=60。

第三条件：使当前周期内任意两个相位的绿灯时间之比与上一周期内对应相位的流率比大致成正比，即当前周期内任意两个相位的绿灯时间之比小于等于比例系数与上一周期内对应相位的流率之比的乘积，这里i和j为任意两个相位，K为比例系数。

步骤2．处理器读取上一周期内各相位的流率，首先判断上一周期是否有相位没有车辆通过，即若否则进入步骤4，若是则进入步骤3。这里我们先假设上一周期各相位都有车辆通过，假设各相位的流率比为1∶2∶3，然后进入步骤4。

步骤3．若上一周期内有相位的流率为零，则将这些相位在当前周期内的绿灯时间设成最小绿灯时间，同时将信号交叉口的总相位数减去这些流率为零的相位的数量，将当前周期时长减去这些流率为零的相位的绿灯时间，然后将剩下的相位根据新的总相位数和周期时长，进入下一步骤进行操作。

假设上一周期中有一相位流率为零，这将该相位在本周期内的绿灯时间设成10秒，也就是最小绿灯时间，同时将相位n减去1作为新的相位数，相位周期T减轻10秒作为新的周期时长。

步骤4．根据第三条件建立当前周期任意两个相位的绿灯时间的关系式，即

(t₁/t₂)≤K·(1/2)、(t₁/t₃)≤K·(1/3)、(t₂/t₃)≤K·(2/3)

(t₂/t₁)≤K·(2/1)、(t₃/t₁)≤K·(3/1)、(t₃/t₂)≤K·(3/2)

，

然后进入下一步骤；

步骤5．设定比例系数K的取值范围，这里设定K的初值为1，并设定K的上限值为500，由K=1开始，进入下一步骤。

步骤6．将比例系数代入根据第三条件建立的关系式中，对各个相位的绿灯时间在最大绿灯时间和最小绿灯之间进行遍历，找出所有满足三个条件的相位绿灯时间组合。

本实施例中由比例系数K=1开始，代入步骤4建立的关系式中，并整合公式得到

$\frac{1}{1}*(1/2)\≤(t_1/t_2)\≤1*(1/2)$

$\frac{1}{1}*(1/3)\≤(t_1/t_3)\≤1*(1/3)$

$\frac{1}{1}*(2/3)\≤(t_2/t_3)\≤1*(2/3)$

同时处理器遍历所有满足第一条件和第二条件的相位绿灯时间组合，如（t₁=10、t₂=20、t₃=30）、（t₁=20、t₂=20、t₃=20）、（t₁=15、t₂=20、t₃＝25）等等，依次将这些组合代入到关系式内，判断是否满足步骤1的三个条件；这里经过判断后得到在K=1时，唯一满足三个条件的相位绿灯时间组合，即t₁=10、t₂=20、t₃=30，进入下一步骤。

步骤7．判断是否存在满足三个条件的相位绿灯时间组合，若是则结束遍历进入步骤9；若否则进入步骤8。

步骤8：将比例系数加1。然后检查该比例系数是否小于比例系数取值范围的上限值，若否则返回步骤6进行重复遍历；若是则结束比例系数递增进入步骤10。

步骤9．得出所有满足三个条件的相位绿灯时间组合，将这些相位绿灯时间组合依次代入目标函数内计算，将得出Q值最大的那组相位绿灯时间组合作为当前周期各相位的绿灯时间，然后进入步骤11；

本例子中经过计算后最终得出，当相位绿灯时间组合为t₁=10、t₂=20、t₃=30时，目标函数Q最大，则将该相位绿灯时间组合作为当前周期各相位的绿灯时间；然后进入下一步骤11。

步骤10．遍历比例系数也没有得出满足三个条件的相位绿灯时间组合，则采用上一周期的各相位绿灯时间作为当前周期的各相位绿灯时间，然后进入下一步骤；

步骤11．将相位数和周期都恢复到原先设定的值，然后进入下一周期相位绿灯信号时间计算的重复操作。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了检测单元、计时单元、处理单元等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (5)

1.一种信号交叉口各相位绿灯时间计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

a.设定信号交叉口的服务流量目标函数，该目标函数等于各相位上一周期流率与绿灯时间之比和本周期绿灯时间的乘积之和，即n为交叉口的相位数，m为该交叉口的第m相位，为上周期第m相位通过的车辆数，为上周期第m相位的绿灯时间；

设定周期内每个相位的绿灯时间需满足的条件如下，

第一条件：设定周期内每个相位绿灯的最大绿灯时间和最小绿灯时间，每个相位的绿灯时间小于等于最大绿灯时间并大于等于最小绿灯时间；

第二条件：每个相位的绿灯时间总和为周期时长；

第三条件：设定比例系数，使当前周期内任意两个相位的绿灯时间之比小于或等于比例系数与上一周期内对应相位的流率之比的乘积；

b.读取上一周期内每个相位的流率，根据第三条件建立当前周期任意两个相位的绿灯时间之比的关系式；

c.设定比例系数的取值范围，比例系数从1开始遍历，找出满足三个条件的各相位的绿灯时间，将该各相位的绿灯时间作为当前周期各相位的绿灯时间。

2.根据权利要求1所述的一种信号交叉口各相位绿灯时间计算方法，其特征是所述步骤c中遍历过程为：由比例系数从1开始，遍历所有满足第一条件和第二条件的相位绿灯时间组合，然后将每个组合依次代入步骤b中建立的关系式中，得出所有满足三个条件的相位绿灯时间组合，将满足三个条件的各相位的绿灯时间代入目标函数计算，将使目标函数最大的各相位的绿灯时间作为当前周期各相位的绿灯时间；若当前的比例系数遍历不能得到满足三个条件的相位绿灯时间组合，则令比例系数加1，如此循环遍历比例系数，直到得出有满足三个条件的相位绿灯时间组合为止。

3.根据权利要求1所述的一种信号交叉口各相位绿灯时间计算方法，其特征是若遍历比例系数的值后仍未得出满足三个条件的各相位绿灯时间，则采用上一周期的各相位绿灯时间作为当前周期的各相位绿灯时间。

4.根据权利要求1所述的一种信号交叉口各相位绿灯时间计算方法，其特征是若检测到上一周期内存在流率为零的相位，则将这些相位在当前周期内的绿灯时间设成最小绿灯时间，同时将信号交叉口的总相位数减去这些流率为零的相位的数量作为新的总相位数，将当前周期时长减去相应流率为零的相位的绿灯时间作为新的周期时长，然后将上一周期的流率非零相位进行步骤b和步骤c的操作，得出流率非零相位的绿灯时间。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种信号交叉口各相位绿灯时间计算方法，其特征是所述各相位分别设置单独的最大绿灯时间和最小绿灯时间，或是各相位设置统一的最大绿灯时间和最小绿灯时间。