CN103106801A - 一种自组织的交通信号协调控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自组织的交通信号协调控制方法，定义相临两个信号控制交叉口及它们所包含的路段为一个基本协调单元，基本协调单元中的两个交叉口互为上下游，将网络优化分解到相互叠加的基本协调单元之间的互动优化，通过基本协调单元的相互耦合完成整个路网的优化，建立了交通信号控制交叉口之间的预测模型与互动模型，交叉口之间既考虑自身的效益，又考虑下游交叉口效益，解决传统模式下基于共同周期的协调控制方案子区相对固定、方案切换困难，对于交通问题反应慢的问题，实现整个路网的自组织协调，不需要强制的共同周期与相位差，反应更加迅速。

Description

一种自组织的交通信号协调控制方法
技术领域
本发明涉及一种交通信号控制技术，特别涉及一种自组织的交通信号协调控制方法。
背景技术
交通信号控制是提高道路资源利用率最为有效经济的手段，随着信息技术的发展，交叉口之间的信息交互逐渐快速而稳定，为实现交叉口之间的互动式、分布式协调控制提供了条件。传统协调控制根据交叉口之间的关联，将交叉口划分成若干子区，子区内交叉口使用共同周期（或双周期）和固定的相位差，为某些方向提供较好的绿波，多沿干道设置。此种控制方式主要有以下两个缺点：
（1）、子区形状大小各异，整体寻优求解复杂，
（2）、子区协调方案调整，涉及到多个交叉口的同步动作，切换速度慢，对交通影响大，对交通问题的反应迟缓。
因此，需要有更加简单化、模块化的子区划分方法，将复杂的区域优化问题分解到互相作用的子问题的集合，通过子问题的解决，达到整体问题解决的目的。子区需要有更迅速的反应能力，应对突发交通问题，迅速发现或预见问题，在短时间内集中网络资源来解决局部节点的交通问题，使系统抵抗住干扰，并重新回到稳定状态。
交叉口之间是相互作用的，每个交叉口的变动都会影响周围交叉口，而周围路口的变动也会反过来影响自身。在新的通信与控制技术的支持下，交叉口之间可以进行实时信息交流，滚动预测使每个交叉口能够了解周围交叉口的未来决策。需要建立一个互动互利的协调机制，每个路口优化时不仅考虑自身的效益，同时还要考虑对下游交叉口的影响。在交互过程中能够达到动态的、稳定的、有益的协调。
本发明就是在此基础上建立起交叉口之间互动机制与行为准则，设计与实现一个有用的、实用的动态协调控制模型。
发明内容
本发明是针对传统模式下基于共同周期的协调控制方案子区相对固定、方案切换困难，对于交通问题反应慢的问题，提出了一种自组织的交通信号协调控制方法，致力建立起交叉口之间互动机制与行为准则，设计与实现一个有用的、实用的动态协调控制模型。
本发明的技术方案为：一种自组织的交通信号协调控制方法，具体包括如下步骤：
1）建立基本协调单元模型，定义相临两个信号控制交叉口及它们所包含的路段为一个基本协调单元，进入交叉口的路段属于该交叉口，而流出的路段不属于该路口，基本协调单元中的两个交叉口互为上下游，采集基本协调单元中各交叉口实际检测流量信息；
2）设定预测时间k，对于基本协调单元的上游交叉口，在预测时间内的对车辆到达和车辆排队预测进行计算，进一步对预测时间内该交叉口向下游交叉口的排放进行预测；
3）基于步骤2）预测结果，进一步计算车辆在该交叉口的延误时间
Figure 2013100118653100002DEST_PATH_IMAGE001
；
4）对于基本协调单元的下游交叉口进行排放预测q(k)，结合上游交叉口的排放预测，预测时间内的车辆到达与排队进行预测计算，进一步计算车辆在下游交叉口的延误时间
Figure 974518DEST_PATH_IMAGE002
；
5）计算基本协调单元的网络延误，即上游交叉口延误与下游交叉口延误之和；
6）采用滚动时间窗方法，考虑网络延误最小和排队约束条件，对基本协调单元的动态进行优化；
7）寻优策略，循环各个基本协调单元，实现区域网络交通信号协调控制。
所述步骤2）中对车辆到达和车辆排队预测进行计算可以利用垂直排队进行计算，
Figure 2013100118653100002DEST_PATH_IMAGE003
，
其中：
K为设定预测时间，可选120秒，
Figure 626079DEST_PATH_IMAGE004
为k间隔内的垂直排队，
为k间隔内加入垂直排队的数量，
Figure 484445DEST_PATH_IMAGE006
为k间隔内的车辆排放，
Figure 879654DEST_PATH_IMAGE006
可以通过停车线检测器实测，
如果没有停车线检测器或者需要预测，根据以下原则计算：
Figure 2013100118653100002DEST_PATH_IMAGE007
上式中：
Figure 428447DEST_PATH_IMAGE008
为k间隔内的剩余排队；
Figure 2013100118653100002DEST_PATH_IMAGE009
为k间隔内的饱和流量。所述上游交叉口延误时间
Figure 578806DEST_PATH_IMAGE001
=Vqi(k)×step：
Figure 845839DEST_PATH_IMAGE010
为k间隔内的在本交叉口增加的延误时间（s），
Vqi(k)为k间隔内本交叉口的垂直排队，
step为优化间隔（秒），本方法取优化间隔为2秒。
所述步骤4）中所述下游交叉口排放预测q(k) ,设定
Figure 2013100118653100002DEST_PATH_IMAGE011
,
Figure 44739DEST_PATH_IMAGE006
为k间隔内的车辆排放，
Figure 255229DEST_PATH_IMAGE006
可以通过停车线检测器实测。步骤4）中所述下游交叉口的延误时间
Figure 514172DEST_PATH_IMAGE002
，按照以下公式计算：
Figure 268501DEST_PATH_IMAGE012
，
其中：
Figure 2013100118653100002DEST_PATH_IMAGE013
为排放的车辆在下游交叉口的等待时间，由红灯等待时间
Figure 67830DEST_PATH_IMAGE014
与剩余排队清空时间
Figure 2013100118653100002DEST_PATH_IMAGE015
两部分组成，
Figure 591215DEST_PATH_IMAGE016
，
Figure 21059DEST_PATH_IMAGE014
计算：
Figure 2013100118653100002DEST_PATH_IMAGE017
式中：
Figure 810155DEST_PATH_IMAGE020
为车辆进入下游交叉口垂直排队的时刻；
Figure 2013100118653100002DEST_PATH_IMAGE021
为若车辆进入下游交叉口垂直排队时，下游交叉口该车流为红灯，为下一个绿灯开始的时刻；
Figure 350858DEST_PATH_IMAGE022
为t时刻下游交叉口的通行情况；
Figure 2013100118653100002DEST_PATH_IMAGE023
计算：
Figure 56646DEST_PATH_IMAGE024
式中：
Figure 2013100118653100002DEST_PATH_IMAGE025
为k间隔时下游交叉口的汇入排队；
Figure 391812DEST_PATH_IMAGE009
为下游交叉口的饱和流量；
Figure 120734DEST_PATH_IMAGE026
为下游交叉口的有效绿灯；
Figure 2013100118653100002DEST_PATH_IMAGE027
为在加入垂直排队时间内，下游交叉口排放的车辆；
Figure 12597DEST_PATH_IMAGE028
为下游交叉口的周期；
Figure 2013100118653100002DEST_PATH_IMAGE029
为取整函数；
Figure 510575DEST_PATH_IMAGE030
为余数函数。
所述步骤5）中网络延误，按照以下公式计算：
Figure 2013100118653100002DEST_PATH_IMAGE031
其中Dn为车辆网络延误，Di为车辆在本交叉口的延误，Dd为车辆在下游交叉口的延误，a为下游影响因子，下游考虑因子决定了下游延误在优化中的重要程度，即本交叉口对下游交叉口的考虑程度。
所述步骤6）中网络延误最小条件，按协调路径分别计算，整体延误公式为：
式中
Figure 2013100118653100002DEST_PATH_IMAGE033
为车辆在本交叉口延误，
Figure 295177DEST_PATH_IMAGE034
为车辆在下游交叉口的延误，为下游考虑因子，考虑排放对下游交叉口影响的程度，Oriz为时间窗间隔数，coor——协调路径数量。
本发明的有益效果在于：本发明自组织的交通信号协调控制方法，将网络优化分解到相互叠加的基本协调单元之间的互动优化，通过基本协调单元的相互耦合完成整个路网的优化，建立了交通信号控制交叉口之间的预测模型与互动模型，交叉口之间既考虑自身的效益，又考虑下游交叉口效益，实现整个路网的自组织协调，不需要强制的共同周期与相位差，反应更加迅速。
附图说明
图1为本发明基本协调单元及信息交互图；
图2为本发明基本协调单元示意图；
图3为本发明交叉口检测线圈布设方案图；
图4为本发明基于自组织的交通信号协调控制方法的流程图；
图5为本发明排队约束的筛选流程图；
图6为本发明交叉口通过协调单元与周围路口建立联系图；
图7为本发明基本协调单元相互叠加扩展图。
具体实施方式
本发明的核心思想在于，从实际的应用需求和现存的理论问题入手，扩展了协调控制的定义与内涵，提出了基于基本协调单元的动态优化方法，动态协调是一个整体的指导思想，它认为交叉口之间相互协作，方案调整时互相考虑与对方的相对关系，能够更有效的利用交叉口的通行权资源以及交叉口之间的协调权资源。该方法可增加子区划分及控制方案切换的灵活性，并提高了交通控制系统的效益。
所谓基本协调单元是由相临两个信号控制交叉口及它们所包含的路段构成的一个子区。为了保证路段归属的唯一性，本发明定义进入交叉口的路段属于该交叉口，而流出的路段不属于该路口。基本协调单元中的两个交叉口互为上下游，如图1、2所示基本协调单元及信息交互图、基本协调单元示意图。
本方法是一个基于实际检测数据，并对未来一段时间（120秒）的流量、排队、排放方案等进行预测，利用滚动时间窗方法对基本协调单元的交叉口进行动态协调优化的方法。本方法的一个前提是在各交叉口进口道和出口道位置埋设检测线圈，能够检测实际的车辆到达和车辆排放，检测线圈布设方案如图3所示，包括停车线检测器与出口道检测器两种，停车线检测器布设在停车线后1～3米范围，出口道检测器布设在出口道下游15～30米范围内。另一个前提是交叉口之间可以正常相互通讯。
现结合图4流程图说明基于自组织的交通信号协调控制方法：
（1） 建立基本协调单元模型，获取各交叉口实际检测流量信息，将区域协调问题分解成简单化、模块化、相互关联的子问题；
（2） 对于基本协调单元的上游交叉口，计算未来一段时间（设定为120秒）的车辆到达和车辆排队预测，进一步对未来一段时间该交叉口向下游交叉口的排放进行预测，
可以利用垂直排队进行计算，，
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE037
——k间隔内的垂直排队，[veh]
Figure 343216DEST_PATH_IMAGE038
——k间隔内加入垂直排队的数量，[veh]
Figure DEST_PATH_IMAGE039
——k间隔内的车辆排放，[veh]
Figure 285764DEST_PATH_IMAGE039
可以通过停车线检测器实测，[veh]
如果没有停车线检测器或者需要预测，根据以下原则计算：
上式中：
Figure DEST_PATH_IMAGE041
——k间隔内的剩余排队，[veh]；
Figure 206632DEST_PATH_IMAGE009
——k间隔内的饱和流量。
（3） 基于预测结果，进一步计算车辆在该交叉口的延误
Figure 679202DEST_PATH_IMAGE042
，
按照以下公式计算：
Figure 340122DEST_PATH_IMAGE042
=Vqi(k)×step，其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
Figure 265352DEST_PATH_IMAGE044
为k间隔内的在本交叉口增加的延误（s），
Vqi(k)为k间隔内本交叉口的垂直排队（veh），
step为优化间隔（秒），本方法取优化间隔为2秒。饱和流量一般的范围为1500-2000辆/小时，2秒的优化间隔基本可以做到车辆的实时控制，并可以充分的借鉴感应控制的策略与方法，让系统的算法结构更加可靠。
（4） 对于基本协调单元的下游交叉口排放预测q(k),设定
Figure DEST_PATH_IMAGE045
，结合上游交叉口的排放预测，计算未来一段时间（120秒）的车辆到达与排队预测，进一步计算车辆在下游交叉口的延误
Figure 489660DEST_PATH_IMAGE046
，按照以下公式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE047
，
其中：
Figure 879053DEST_PATH_IMAGE013
为排放的车辆在下游交叉口的等待时间，由红灯等待时间
Figure 163404DEST_PATH_IMAGE014
与剩余排队清空时间
Figure 388980DEST_PATH_IMAGE015
两部分组成，
Figure 151400DEST_PATH_IMAGE048
Figure 332982DEST_PATH_IMAGE014
计算：
Figure 788235DEST_PATH_IMAGE017
Figure DEST_PATH_IMAGE049
式中：
Figure 750374DEST_PATH_IMAGE020
为车辆进入下游交叉口垂直排队的时刻；
Figure 316485DEST_PATH_IMAGE021
为若车辆进入下游交叉口垂直排队时，下游交叉口该车流为红灯，为下一个绿灯开始的时刻；
Figure 352574DEST_PATH_IMAGE022
为t时刻下游交叉口的通行情况。
计算：
Figure 178896DEST_PATH_IMAGE024
式中：
Figure 283118DEST_PATH_IMAGE025
为k间隔时下游交叉口的汇入排队；
Figure 439293DEST_PATH_IMAGE009
为下游交叉口的饱和流量；
Figure 236348DEST_PATH_IMAGE026
为下游交叉口的有效绿灯；
Figure 907500DEST_PATH_IMAGE027
为在加入垂直排队时间内，下游交叉口排放的车辆；
Figure 80993DEST_PATH_IMAGE028
为下游交叉口的周期；为取整函数；为余数函数。
（5） 计算基本协调单元的网络延误，即上游交叉口延误与下游交叉口延误之和，按照以下公式计算：
Figure 155762DEST_PATH_IMAGE031
其中Dn为车辆网络延误，Di为车辆在本交叉口的延误，Dd为车辆在下游交叉口的延误，a为下游影响因子，下游考虑因子决定了下游延误在优化中的重要程度，即本交叉口对下游交叉口的考虑程度。
取值为零时，表示不考虑自身排放对下游的影响，而采取完全利己的方案。随着该值的增加，对下游考虑的程度逐步提高。
当本交叉口出现较为严重的交通问题时，如排队超长或拥挤持续时，会降低该因子，在不造成下游排队溢出的前提下，首先解决自身问题。
该因子一般由交叉口群提供参考值，当出现交通问题时，交叉口可以根据自身的情况，对自身值进行微调，并在交通问题解决后逐步恢复。
（6） 采用滚动时间窗方法，考虑网络延误最小和排队约束条件，实现基本协调单元的动态优化：滚动时间窗（rolling horizon）是一个解决长时间、不确定性计划安排的系统策略。它根据预测，作出对未来一段时间（时间窗）的计划安排。滚动时间窗的预测与动态更新的优化方式，适合动态协调优化的要求。
优化以网络延误最小为目标，延误计算按协调路径分别计算。整体延误公式为：
Figure 414836DEST_PATH_IMAGE032
式中
Figure 545603DEST_PATH_IMAGE033
为车辆在本交叉口延误，
Figure 684461DEST_PATH_IMAGE034
为车辆在下游交叉口的延误，
Figure 267889DEST_PATH_IMAGE035
为下游考虑因子，考虑排放对下游交叉口影响的程度，Oriz为时间窗间隔数。coor——协调路径数量。
排队约束判断：
排队约束的的筛选流程遵循以下原则，流程如图5所示。
Ø 尽量避免出现排队溢出现象；
Ø 当排队溢出不可避免时，首先考虑避免下游交叉口的排队溢出；
Ø 当排队溢出 不可避免时，选择本向绿灯排队溢出形式。
（7） 寻优策略，循环各个基本协调单元，实现区域网络交通信号协调控制。
将网络优化分解到相互叠加的基本协调单元之间的互动优化，通过基本协调单元的相互耦合完成整个路网的优化，如图6、图7。建立了交通信号控制交叉口之间的预测模型与互动模型，交叉口之间既考虑自身的效益，又考虑下游交叉口效益，实现整个路网的自组织协调，不需要强制的共同周期与相位差，反应更加迅速。
本方法中采用穷举方法进行寻优。交叉口间不受共同周期的限制，动态的调整交叉口方案，获取更有利的交叉口控制方案之间的相对关系，使得交叉口的通行权以及交叉口之间的协调权得到最大化的利用。动态协调实际上是试图动态的分配协调权。
动态协调优化交叉口之间不采用通常意义的相位差概念。每个路口都能提前获取周围交叉口的未来方案动态，两交叉口的周期、绿信比有目的的调整，形成交叉口之间更为有利的相对关系，使得交叉口之间能够产生更多的协调机会，从而使交叉口的网络延误达到最小，实现交叉口的信号协调优化控制。

Claims (7)

1.一种自组织的交通信号协调控制方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
1）建立基本协调单元模型，定义相临两个信号控制交叉口及它们所包含的路段为一个基本协调单元，进入交叉口的路段属于该交叉口，而流出的路段不属于该路口，基本协调单元中的两个交叉口互为上下游，采集基本协调单元中各交叉口实际检测流量信息；
2）设定预测时间k，对于基本协调单元的上游交叉口，在预测时间内对车辆到达和车辆排队预测进行计算，进一步对预测时间内该交叉口向下游交叉口的排放进行预测；
3）基于步骤2）预测结果，进一步计算车辆在该交叉口的延误时间
Figure 2013100118653100001DEST_PATH_IMAGE001
；
4）对于基本协调单元的下游交叉口进行排放预测q(k)，结合上游交叉口的排放预测，预测时间内的车辆到达与排队进行预测计算，进一步计算车辆在下游交叉口的延误时间
Figure 830075DEST_PATH_IMAGE002
；
5）计算基本协调单元的网络延误，即上游交叉口延误与下游交叉口延误之和；
6）采用滚动时间窗方法，考虑网络延误最小和排队约束条件，对基本协调单元的动态进行优化；
7）寻优策略，循环各个基本协调单元，实现区域网络交通信号协调控制。
2.根据权利要求1所述自组织的交通信号协调控制方法，其特征在于，所述步骤2）中对车辆到达和车辆排队预测进行计算可以利用垂直排队进行计算，
Figure 2013100118653100001DEST_PATH_IMAGE003
，
其中：
K为设定预测时间，可选120秒，
为k间隔内的垂直排队，
为k间隔内加入垂直排队的数量，
Figure 180733DEST_PATH_IMAGE006
为k间隔内的车辆排放，
Figure 935062DEST_PATH_IMAGE006
可以通过停车线检测器实测，
如果没有停车线检测器或者需要预测，根据以下原则计算：
上式中：
Figure 609757DEST_PATH_IMAGE008
为k间隔内的剩余排队；
Figure 2013100118653100001DEST_PATH_IMAGE009
为k间隔内的饱和流量。
3.根据权利要求2所述自组织的交通信号协调控制方法，其特征在于，所述上游交叉口延误时间
Figure 133142DEST_PATH_IMAGE001
=Vqi(k)×step：
Figure 562987DEST_PATH_IMAGE010
为k间隔内的在本交叉口增加的延误时间（s），
Vqi(k)为k间隔内本交叉口的垂直排队，
step为优化间隔（秒），本方法取优化间隔为2秒。
4.根据权利要求1所述自组织的交通信号协调控制方法，其特征在于，所述步骤4）中所述下游交叉口排放预测q(k) ,设定
Figure DEST_PATH_IMAGE011
,
Figure 991563DEST_PATH_IMAGE006
为k间隔内的车辆排放，
Figure 266686DEST_PATH_IMAGE006
可以通过停车线检测器实测。
5.根据权利要求4所述自组织的交通信号协调控制方法，其特征在于，所述步骤4）中所述下游交叉口的延误时间
Figure 910157DEST_PATH_IMAGE002
，按照以下公式计算：
Figure 245324DEST_PATH_IMAGE012
，
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为排放的车辆在下游交叉口的等待时间，由红灯等待时间
Figure 911928DEST_PATH_IMAGE014
与剩余排队清空时间
Figure DEST_PATH_IMAGE015
两部分组成，
Figure 990743DEST_PATH_IMAGE016
，
①
Figure 488720DEST_PATH_IMAGE014
计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
Figure DEST_PATH_IMAGE019
式中：为车辆进入下游交叉口垂直排队的时刻；为若车辆进入下游交叉口垂直排队时，下游交叉口该车流为红灯，为下一个绿灯开始的时刻；
Figure 837104DEST_PATH_IMAGE022
为t时刻下游交叉口的通行情况；
②
Figure DEST_PATH_IMAGE023
计算：
Figure 719610DEST_PATH_IMAGE024
式中：为k间隔时下游交叉口的汇入排队；
Figure 72094DEST_PATH_IMAGE009
为下游交叉口的饱和流量；
Figure 201593DEST_PATH_IMAGE026
为下游交叉口的有效绿灯；
Figure DEST_PATH_IMAGE027
为在加入垂直排队时间内，下游交叉口排放的车辆；
Figure 639527DEST_PATH_IMAGE028
为下游交叉口的周期；为取整函数；
Figure 60144DEST_PATH_IMAGE030
为余数函数。
6.根据权利要求1所述自组织的交通信号协调控制方法，其特征在于，所述步骤5）中网络延误，按照以下公式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE031
其中Dn为车辆网络延误，Di为车辆在本交叉口的延误，Dd为车辆在下游交叉口的延误，a为下游影响因子，下游考虑因子决定了下游延误在优化中的重要程度，即本交叉口对下游交叉口的考虑程度。
7.根据权利要求1所述自组织的交通信号协调控制方法，其特征在于，所述步骤6）中网络延误最小条件，按协调路径分别计算，整体延误公式为：
Figure 470397DEST_PATH_IMAGE032
式中
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为车辆在本交叉口延误，
Figure 583846DEST_PATH_IMAGE034
为车辆在下游交叉口的延误，
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为下游考虑因子，考虑排放对下游交叉口影响的程度，Oriz为时间窗间隔数，coor——协调路径数量。
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