CN103021195B - 一种相邻交叉口协调控制相位差的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种相邻交叉口协调控制相位差的优化方法，该方法建立了考虑交叉口信号相位方案和道路几何尺寸的协调绿波带带宽和相位差之间的关系模型，依据协调车流确定协调距离和协调相位绿灯时间，并根据三种不同的协调策略确定相应的相位差。本发明有效考虑了正反向协调距离不同、协调速度不同等情况，方法对于协调控制更具有普遍适用性。

Description

一种相邻交叉口协调控制相位差的优化方法

技术领域

本发明涉及一种协调控制优化方法，特别是涉及一种相邻交叉口协调控制相位差优化方法。

背景技术

信号交叉口作为城市交通网络中的关键节点，其通畅性、安全性对城市路网运行至关重要。实现交叉口交通流的协调控制可以极大减少交通延误、缓解交通拥堵。相位差是指两个协调控制交叉口协调相位的绿灯起始时刻之差，是协调控制的核心参数。不同相位差取值影响双向协调绿波带的宽度，进而影响协调控制效果。

协调控制的研究始于20世纪50年代，经过几十年的发展，目前常用的协调控制相位差优化方法有图解法、数解法、MAXBAN法等。图解法是通过直观的绿波带对应，不断调整通过带速度和周期时长，从而确定相位差，获得理想的绿波带带宽；数解法是通过寻找系统中各实际信号距离理想信号的最大挪移量最小来获得最优相位差；MAXBAND法则是通过建立绿波带宽度的线性规划求解。上述现有协调控制相位差优化方法一般只适用于主干道对称放行方式下对主干道直行车流的协调，且没有考虑交叉口尺寸对协调交通流运行距离的影响。随着交叉口相位结构及放行方式的多样化与精细化，需要建立一种能够适应复杂相位结构与放行方式，同时考虑交叉口几何尺寸、适应不同方向协调车流的相位差优化方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种相邻交叉口协调控制相位差的优化方法。本发明建立双向协调相位绿波带带宽和相位差之间的关系模型，通过确定不同的绿波带带宽选择策略，进而得到不同策略下的最优相位差。

本发明所采用的技术方案是：

一种相邻交叉口协调控制相位差的优化方法，该方法的前提是相邻协调控制路口的单点方案确定，具体包括以下步骤：

（1）确定协调相位绿灯时间和协调距离；

（2）构建相邻交叉口协调模型；

（3）建立正、反向绿波带带宽与相位差之间的关系模型；

（4）计算得到绿波带带宽与相位差的数值对应关系；

（5）确定最优相位差。

本发明通过对相邻交叉口协调控制的建模求解得到相位差与绿波带之间的关系，并有效考虑了正反向协调距离不同、协调速度不同等情况，方法对于协调控制更具有普遍适用性。

附图说明

图1是相邻交叉口双向绿波协调算法流程图；

图2是待选协调车流示意图；

图3是绿波协调控制参数含义示意图；

图4是协调车流在交叉口内行驶距离示意图；

图5是案例相邻交叉口协调距离示意图；

图6是案例相邻交叉口信号方案；

图7是案例绿波带求解结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明，但本发明要求保护的范围并不局限于案例实施方式表述的范围。

本发明的前提是相邻交叉口单点方案已经优化完毕，具体是相邻交叉口相位相序、绿信比均已确定，且周期时长相等，案例给出相邻交叉口A、B的信号方案，如图6。

如图1所示，本发明方法具体是：

（1）确定协调相位绿灯时间和协调距离

定义i到i+1路口方向为正向，i+1到i路口为反向，根据协调车流确定协调相位绿灯时间和协调距离。

正向协调的上游绿灯时间可以是上游交叉口驶入协调路段的任意受信号控制的车流对应的相位绿灯时间，下游协调绿灯时间可以是下游交叉口的驶出协调路段的任意受信号控制的车流对应的相位绿灯时间。待选协调车流示意图如图2，以正向协调为例，若上下游左直右车流均受信号控制，则正向协调车流组合方式有①④、①⑤、①⑥、②④、②⑤、②⑥、③④、③⑤、③⑥共9种，根据协调控制需求确定正向协调车流，其对应的相位绿灯时间为正向协调绿灯时间。反向协调绿灯时间的选取方式同上。

C——协调交叉口公共周期，单位秒(s)；

g_i——路口i的正向协调车流对应的绿灯时间，单位秒(s)；

g_i’——路口i的反向协调车流对应的绿灯时间，单位秒(s)；

r_i——路口i的正向协调车流对应的红灯时间，单位秒(s)；

r_i’——路口i的反向协调车流对应的红灯时间，单位秒(s)，以上参数具体见图3。

相邻交叉口正向协调距离为S_i+L_i,i+1，反向协调距离为S_i+1+L_i+1,i。

S_i——路口i的交叉口尺寸，单位米(m)，具体指协调车流在交叉口行驶的距离，即从车辆驶入交叉口方向的停车线到车辆驶入协调路段的行驶轨迹长度，其长度应随协调车流的不同而不同，具体见图4；

L_i,j——路口i与路口j之间路段长度，单位米(m)，相邻协调路口L_i,i+1，根据道路实际情况，L_i,i+1与L_i+1,i可以不相等。

依据控制需求确定协调车流，本案例确定正向直行和反向直行到左转为协调车流，由此确定协调绿灯时间，分别为交叉口A正向绿灯时间为38s、反向绿灯为32s，交叉口B正向绿灯为47s、反向绿灯为43s。并有协调车流实测得到车辆在交叉口行驶的距离S_A=80m、S_B=35m，正向协调距离为80+480=560m，反向协调距离为35+480=515m，具体见图5。

（2）本发明提出信号交叉口单点方案内部相位差概念，根据单个交叉口方案和正反方向协调绿灯时间确定内部相位差，并以此建立可描述单点方案的双向绿波协调模型。

Oⁱ——路口i的正向协调绿灯起点和反向协调绿灯起点的时间差，单位秒(s)，定义为单点信号相位内部相位差，简称内部相位差，该值与相位相序设置和待协调相位绿灯时间有关，具体含义见图3。

案例中由协调绿灯时间和方案知两交叉口内部相位差为：O^A=38s，O^B=27s。

（3）正、反向绿波带带宽模型

正、反向绿波带带宽仅与两路口相位差ΔO有关，绿波带带宽与相位差之间的关系如下：

w=w_i,i+1+w_i+1,i

$w_{i,i+1}=\underset{m=M-1}{\overset{M+1}{\mathrm{\Σ}}}\max (0,\min (g_i+O_{i,i+1},\mathrm{\ΔO}+g_{i+1}+\mathrm{mC})-\max (O_{i,i+1},\mathrm{\ΔO}+\mathrm{mC}))$

$w_{i+1,i}=\underset{n=N-1}{\overset{N+1}{\mathrm{\Σ}}}\max (0,\min (\mathrm{\ΔO}+O^{i+1}+O_{i+1,i}+g_{i+1}^{\′},O^i+g_i^{\′}+\mathrm{nC})-\max (\mathrm{\ΔO}+O^{i+1}+O_{i+1,i},O^i+\mathrm{nC}))$

式中：w——双向绿波带带宽，单位秒(s)

w_i,i+1——正向绿波带带宽，单位秒(s)

w_i+1,i——反向绿波带带宽，单位秒(s)

其中：M=int(O_i,i+1/C)，N=int((ΔO+Oⁱ⁺¹+O_i+1,i)/C)，为绿波带在时空图上跨越的周期个数，为中间变量；

正向协调车流以正向协调期望速度v_i,i+1在协调距离L_i,i+1+S_i上行驶所用的时间；

反向协调车流以反向协调期望速度v_i+1,i在协调距离L_i+1,i+S_i+1上行驶所用的时间。

（4）计算得到绿波带带宽与相位差的数值关系

绿波带带宽与相位差关系w(ΔO)是以信号周期C为最小周期的周期函数，对ΔO在[0,C)进行计算得到绿波带带宽与相位差的数值对应关系，并得到w-ΔO图。

考虑实际情况，信号方案中时间均是以1s为步长，依据模型计算得到具体数值对应关系，见表1；相应绿波带和相位差关系w-ΔO图见图7。

表1案例求解得到绿波带随相位差变化结果

相对相位差△O	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19
																					正向绿波带带宽	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21
反向绿波带带宽	2	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
																					双向绿波带带宽	4	4	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21
相对相位差△O	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31	32	33	34	35	36	37	38	39
																					正向绿波带带宽	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31	32	33	34	35	36	37	38	38	38	38
反向绿波带带宽	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
																					双向绿波带带宽	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31	32	33	34	35	36	37	38	38	38	38
相对相位差△O	40	41	42	43	44	45	46	47	48	49	50	51	52	53	54	55	56	57	58	59
																					正向绿波带带宽	38	38	38	38	38	38	37	36	35	34	33	32	31	30	29	28	27	26	25	24
反向绿波带带宽	0	0	0	0	0	0	0	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
																					双向绿波带带宽	38	38	38	38	38	38	37	36	36	36	36	36	36	36	36	36	36	36	36	36
相对相位差△O	60	61	62	63	64	65	66	67	68	69	70	71	72	73	74	75	76	77	78	79
																					正向绿波带带宽	23	22	21	20	19	18	17	16	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4
反向绿波带带宽	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31	32
																					双向绿波带带宽	36	36	36	36	36	36	36	36	36	36	36	36	36	36	36	36	36	36	36	36
相对相位差△O	80	81	82	83	84	85	86	87	88	89	90	91	92	93	94	95	96	97	98	99
																					正向绿波带带宽	3	2	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
反向绿波带带宽	32	32	32	32	32	32	32	32	32	32	32	31	30	29	28	27	26	25	24	23
																					双向绿波带带宽	35	34	33	32	32	32	32	32	32	32	32	31	30	29	28	27	26	25	24	23
相对相位差△O	100	101	102	103	104	105	106	107	108	109	110	111	112	113	114	115	116	117	118	119
																					正向绿波带带宽	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1
反向绿波带带宽	22	21	20	19	18	17	16	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3
																					双向绿波带带宽	22	21	20	19	18	17	16	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	4

（6）确定最优相位差

1，双向绿波带最宽：选取绿波带最宽对应的相位差区间[a,b]，最优相位差ΔO=int((a+b)/2)；2，正（反）向绿波带最宽：选取正（反）向绿波带最宽对应的相位差区间[c,d]（[e,f]），最优相位差ΔO=int((c+d)/2)（ΔO=int((e+f)/2)）。

依据本实施例，可以确定：

1，双向绿波带最宽：双向绿波带最宽为38s，对应的相位差区间为[36s,45s]，确定最优相位差ΔO=int((36+45)/2)=40s；

2，正向绿波带最宽：正向绿波带最宽为38s，对应的相位差区间为[36s,45s]，确定最优相位差ΔO=int((36+45)/2)=40s；

3，反向绿波带最宽：反向绿波带最宽为32s，对应的相位差区间为[79s,90s]，确定最优相位差ΔO=int((79+90)/2)=84s。

Claims (3)

1.一种相邻交叉口协调控制相位差的优化方法，其特征在于：该方法的前提是相邻协调控制路口的单点方案确定，具体包括以下步骤：

（1）确定协调相位绿灯时间和协调距离；

（2）构建相邻交叉口协调模型；

（3）建立正、反向绿波带带宽与相位差之间的关系模型；

（4）计算得到绿波带带宽与相位差的数值对应关系；

（5）确定最优相位差；

所述的正、反向绿波带带宽与相位差之间的关系模型为：w=w_i,i+1+w_i+1,i

$w_{i,i+1}=\underset{m=M-1}{\overset{M+1}{\mathrm{\Σ}}}\max (0,\min (g_i+O_{i,i+1},\mathrm{\ΔO}+g_{i+1}+\mathrm{mC})-\max (O_{i,i+1},\mathrm{\ΔO}+\mathrm{mC}))$

$w_{i+1,i}=\underset{n=N-1}{\overset{N+1}{\mathrm{\Σ}}}\max (0,\min (\mathrm{\ΔO}+O^{i+1}+O_{i+1,i}+g_{i+1}^{\′},O^i+g_i^{\′}+\mathrm{nC})-\max (\mathrm{\ΔO}+O^{i+1}+O_{i+1,i},O^i+\mathrm{nC}))$

其中：w表示双向绿波带带宽，wi,i+1为正向绿波带带宽，w_i+1,i为反向绿波带带宽，M为正向绿波带跨越的周期数，M=int(O_i,i+1/C)、N为反向绿波带跨越的周期数，N=int((ΔO+Oⁱ⁺¹+O_i+1,i)/C)，g_i为第i交叉口正向协调相位绿灯时间，g′_i为第i交叉口反向协调相位绿灯时间，C为协调控制公共周期，

为正向协调车流以正向协调期望速度v_i,i+1在协调距离L_i,i+1+S_i上行驶所用的时间，

为反向协调车流以反向协调期望速度v_i+1,i在协调距离L_i+1,i+S_i+1上行驶所用的时间，L_i,i+1是从i交叉口到i+1交叉口协调路段长度，S_i是正向协调车流在i交叉口行驶的距离，Oⁱ是交叉口i的信号方案内部相位差，ΔO为两路口相位差。

2.依据权利要求1所述的一种相邻交叉口协调控制相位差的优化方法，其特征在于：依据协调车流确定协调相位绿灯时间和协调距离。

3.依据权利要求1所述的一种相邻交叉口协调控制相位差的优化方法，其特征在于：通过计算得到双向协调绿波带带宽和相位差数值对应关系，依据不同协调策略优选相位差，具体是：

双向绿波带最宽：选取绿波带最宽对应的相位差区间[a,b]，最优相位差ΔO=int((a+b)/2)；

正向绿波带最宽：选取正向绿波带最宽对应的相位差区间[c,d]，最优相位差ΔO=int((c+d)/2)；

反向绿波带最宽：选取反向绿波带最宽对应的相位差区间[e,f]，最优相位差ΔO=int((e+f)/2)。

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