CN103544840B - 一种城市信号交叉口协调控制图解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市信号交叉口协调控制图解方法，包括如下步骤：S1根据干道协调方向各个单点交叉口的配时数据、间距及行程速度，设定各个单点交叉口的安全间隔；S2设定干道协调正方向的第一个交叉口为起点交叉口，根据该交叉口的安全间隔，绘制起点交叉口的时间轴；S3根据第二个交叉口的安全间隔，绘制第二个交叉口的时间轴；S4绘制剩余交叉口的时间轴，绘制方法与S3相同；S5运用二阶优化、三阶优化或重复三阶优化进行初步协调优化；S6进行微调后输出包括相位相序、相位差、双向带宽及子区方案的控制图。本发明可以更加直观地再现协调优化的过程，形象地完成协调设计任务。

Description

一种城市信号交叉口协调控制图解方法

技术领域

本发明涉及车流信息控制领域，具体涉及一种城市信号交叉口协调控制图解方法。

背景技术

城市信号交叉口协调控制技术可分为三类，即数解法、模型法以及图解法。数解法与模型法均是通过算术方法获得最优解，与几何作图无关。

图解法是一种传统信号协调控制技术，其基本思路是：通过几何作图的方法，利用车流运动的时间-距离图（简称时距图），初步建立交互式或同步式协调控制系统方案。然后再对正向速度带、逆向速度带及周期时长进行反复调整，从而确定理想的相位差及周期。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的缺点与不足，提供一种城市信号交叉口协调控制图解方法。

本发明采用的技术方案由四个核心步骤构成，分别是安全间隔、协调优化、边界调整及方案微调。

一种城市信号交叉口协调控制图解方法，包括如下步骤：

S1根据干道协调方向各个单点交叉口的配时数据、间距及行程速度，设定各个单点交叉口的安全间隔；所述配时数据包括周期、相位及绿信比。

所述安全间隔将单点交叉口的冲突车流放置在四组间隔中，并由设计者设定各个间隔占据的绿信比；

所述安全间隔应满足如下条件：

（1）各间隔内不存在冲突车流；（2）四组间隔的绿信比（绿灯时间）能够满足本间隔内车流的合理放行，且总和为1（周期）。

所述四组间隔分别为一号间隔、二号间隔、三号间隔及四号间隔，一号间隔放置正协调方向直行车流与逆协调方向直行车流，称为协调方向直行间隔；二号间隔放置正协调方向左转车流与逆协调方向左转车流，称为协调方向左转间隔；三号间隔放置非协调方向中两股直行车流；四号间隔放置非协调方向中两股左转车流。我们重点关注一号间隔与二号间隔，即协调方向上的各股车流，并将3号间隔与4号间隔统称为非协调方向间隔。

假设上述一号间隔与二号间隔的绿信比（绿灯时间）分别是x和y，所述x>0，y>0，x>y，x+y<1，则可得出三种，且只有三种的相位相序及绿信比，分别是：（a）直行对放相位+左转对放相位，对应绿信比分别是x和y；（b）正向左转直行单放相位+直行对放相位+逆向左转直行单放相位，对应绿信比分别是y，x-y及y；（c）逆向左转直行单放相位+直行对放相位+正向左转直行单放相位，对应绿信比分别是y，x-y及y。可以看出，三种相位相序并没有改变一号间隔及二号间隔内各股车流的绿信比，也没有改变一号间隔及二号间隔的总绿信比，进而没有改变三号间隔与四号间隔的绿信比。注意到，当y=0时，2号间隔为空，此时只存在一种相位相序，即直行对放。行人过街式交叉口，或者禁左的交叉口均会出现这类特殊情形。

S2设定干道协调正方向的第一个交叉口为起点交叉口，根据该交叉口的安全间隔，绘制起点交叉口的时间轴；

具体为：

S2.1在时距图中，从水平基准线出发，竖向绘制起点交叉口正向直行绿灯时间轴，长度等于起点交叉口一号间隔的绿信比，所述水平基准线的相位差是0；

S2.2以二号间隔的绿信比为半径，以正向直行绿灯时间轴起点为圆心绘制特征圆，所述该特征圆与逆协调方向（逆向）直行绿灯起点有且只有三个可行交点，称为特征点，所以三个特征点分别对应三种相位相序及绿信比。

如图1（ii）所示，当交点在圆心，称为特征点a，对应相位相序a；所述相位相序a对应：直行对放相位+左转对放相位，对应绿信比分别是x和y；

如图1（i）所示，交点在圆心正上方，称为特征点b，对应相位相序b，所述相位相序b对应：正向左转直行单放相位+直行对放相位+逆向左转直行单放相位，对应绿信比分别是y，x-y及y；；

如图1（iii）所示，交点在圆心正下方，称为特征点c，对应相位相序c，所述相位相序c：逆向左转直行单放相位+直行对放相位+正向左转直行单放相位，对应绿信比分别是y，x-y及y。。

根据上述结论，可以作图实现相位相序的求解。

S3根据第二个交叉口的安全间隔，绘制第二个交叉口的时间轴；

具体为：

S3.1从起点交叉口的正向直行绿灯时间轴起点为起点，绘制正向速度带；

S3.2以正向速度带与第二个交叉口所在距离轴的交点为起点，绘制第二个交叉口正向直行绿灯时间轴，长度等于该交叉口一号间隔绿信比；

S3.3以第二个交叉口的二号间隔的绿信比为半径，以正向直行绿灯时间轴绿灯起点为圆心绘制特征圆，所述该特征圆与逆向直行绿灯起点有三个特征点；所述三个特征点对应S2.2所述的三种相位相序。

S4绘制剩余交叉口的时间轴，绘制方法与S3相同；

S5运用二阶优化、三阶优化或重复三阶优化方法进行初步协调优化；

初步协调优化是以获得逆向滤波带宽为目标，优化单点交叉口的相位相序，然后通过子区划分实现协调。

首先，设置优化目标，如果是双向绿波协调，优化目标为逆向绿波带宽最大；如果只要求设计正方向绿波协调，则优化目标为逆向绿波带宽最小。

其次，优化单点交叉口的相位相序，具体为：

设干道协调方向有n个交叉口，所述n为正整数；

当n=2时，两个交叉口需要进行协调优化时，采用穷举法实现优化目标的相位相序组合；由于每个交叉口有且只有三种相位相序，则可以穷举3*3种相位相序的组合，并选择一种能够得到实现优化目标的相位相序组合，则优化结束。

当n=3时，且三个交叉口是连续的，采用三阶优化法协调优化，包括，确定中间交叉口的相位相序及判断交叉口是否划分同一个子区内；具体为：

S5.2.1假设三个连续交叉口从左至右的顺序放置在时距图，三个交叉口分别为一号交叉口、二号交叉口及三号交叉口；

S5.2.2选择中间交叉口即二号交叉口的一种相位相序，每个单点交叉口共有如S2.2所述三种相位相序可以选择，每种相位相序只能参与一次优化过程；

S5.2.3枚举一号交叉口的相位相序，直到找到满足优化目标的相位相序集合A，A中最多有3个元素，分别对应一号交叉口的3种可能相位相序；

S5.2.4枚举三号交叉口的相位相序集合B，集合B最多有3个元素，分别对应3号交叉口的3种可能相位相序；

S5.2.5如果集合A和B非空，则当前二号交叉口的相位相序是最优相位相序，集合A与集合B中的任何一种相位相序是一号交叉口或三号交叉口的最优相位相序，三个交叉口划分为同一个子区，优化结束；若集合A或集合B为空集，且1号交叉口的相位相序尚未穷举完毕，则返回S5.2.2；

S5.2.6如果集合A为空集或者集合B为空集，且一号交叉口的相位相序已经穷举完毕，则二号交叉口的任一种相位相序及其对应的集合A与集合B均是可行的优化结果，并且优化结果的数量与二号交叉口的可选相位相序数量相同；而子区划分结果视各优化结果中的空集的分布情况而定：当集合A为空集，则一号交叉口与二号交叉口应划分在不同子区内，反之则应划分在同一子区内，且集合A内的任何一种相位相序就是一号交叉口的可行相位相序；当集合B为空集，则三号交叉口与二号交叉口应划分在不同子区内，反之则应划分在同一子区内，且集合B内的任何一种相位相序就是三号交叉口的可行相位相序。

当交叉口n为大于3的整数，则采用重复三阶优化方法，具体为：

S5.3.1构造连贯的n-2个含三个相邻交叉口的单元，称为三阶单元；

S5.3.2对每个三阶单元使用三阶优化法，直到最后一个三阶单元优化完毕，此时除首末两个交叉口以外其余交叉口的优化完成；

S5.3.3构造两个含两个交叉口的单元，称为二阶单元，第一个二阶单元由起始交叉口与其相邻交叉口构成，第二个二阶单元由n-1号交叉口与末尾交叉口；

S5.3.4优化第一个二阶单元，此时起始交叉口有3种相位相序，相邻交叉口相位相序已经固定，如果起始交叉口有一种相位相序满足优化目标，则该相位相序就是最优相位相序，否则应将起始交叉口单独划分为一个子区；

S5.3.5优化第二个二阶单元，此时末尾交叉口有3种相位相序，第n-1号交叉口相位相序已经固定，如果存在末尾交叉口存在一种相位相序满足优化目标，则该相位相序就是最优相位相序，否则应将末尾交叉口单独划分为一个子区，至此优化结束。

若相邻交叉口不属于同一子区，则打断相邻交叉口间所有速度带，所述所有速度带包括1条正向速度带与所有可行逆向速度带（至多3条）。

S6进行微调后输出包括单点配时方案、相位差、双向带宽及双向停车次数的控制图。

所述微调指调动任一交叉口正向或逆向的直行绿灯起点在时间轴上的位置，具体步骤为：

S6.1寻找关键交叉口，关键交叉口指：影响双向绿波带宽进一步增大或者缩小的交叉口；

S6.2寻找微调方向及微调幅度，并用带箭头的线段表示在图纸上，箭头指示微调方向，线段长度指示微调距离。

本发明各个步骤还包括边界调整，用以保证协调方案在固定的图纸空间内表现出来。边界调整算法的核心是运用信号配时的周期性，调整正向（或逆向）直行绿灯起点在时间轴上的位置。

本发明的有益效果：

与数解法、模型法相比，本发明可以更加直观地再现协调优化的过程，形象地辅助设计师完成协调设计任务；相比于现有的图解法，本发明的优势在于可以同时优化相位差、相位相序以及子区方案，而前者只能在固定相位相序及子区方案的条件下完成对相位差的优化。

附图说明

如图1（i）-图1（iii）所示，是本发明单点交叉口逆向直行绿灯起点与特征圆的交点示意图，其中图1（i）是逆向直行绿灯起点与特征圆的交点为b，在圆心正上方，图1（ii）是逆向直行绿灯起点与特征圆的交点为a，a在圆心处，图1（iii）是逆向直行绿灯起点与特征圆的交点为c，c在圆心正下方；

如图2是本发明实施例中第二步的图解法实现图；

如图3是本发明实施例中第三步的图解法实现图；

如图4是本发明实施例中第四步的图解法实现图；

如图5至图8是本发明实施例的第五步的图解法实现图：其中，图5是第一个三阶单元的优化结果，图6是第二个三阶单元的优化结果，图7是第一个二阶单元的优化结果，图8是第二个二阶单元的优化结果；

如图9所示，是本发明实施例的第六步的图解法实现图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

某城市南北方向主干道共包含十个信号控制交叉口（且都是十字型交叉路口），现要求对此干道实施信号协调控制。已知这十个交叉口的信号周期都是120s，各交叉口从南至北编号为1，2，…，10，交叉口间距及各交叉口信号配时参数分别见表1、表2。协调方向（双向）设计车速取为36km/h。

表1交叉口间距

表2信号配时参数

说明：

（1）*处表示1号交叉口南北直行对放相位的绿信比，表中的值为0.4。

（2）**处表示1号交叉口所有相位的绿信比总和，即周期，表中的值为1，实际代表的周期值为120s。

在作图过程中使用圆规与不带刻度的直尺，使用者应具备常规的尺规作图技能，如n等分线段，过一点做任意直线的平行线等等。然后可按如下步骤实施：

第一步，根据干道协调方向内各个单点交叉口的配时数据、间距及行程速度，设定各个单点交叉口的安全间隔，如表3所示。

表3安全间隔

第二步，如图2所示，设定1号交叉口为起点交叉口，根据该交叉口的安全间隔，绘制起点交叉口的时间轴；

第三步，如图3所示，根据2号交叉口的安全间隔，绘制其时间轴；

第四步，绘制剩余交叉口的时间轴，方法同第三步，绘制结果如图4所示；

第五步，如图5至图8所示，运用重复三阶优化方法进行初步协调优化，其中设置优化目标为30s，即要求逆向绿波带带宽不低于30s，其中，图5为第一个三阶单元的优化结果，图6为第二个三阶单元的优化结果，本实施例中的第三个三阶单元至第八个三阶单元的结果与图5或图6具有相同形式，图7是第一个二阶单元的优化结果，图8是第二个二阶单元的优化结果；

第六步，进行微调然后输出包括相位相序、相位差、双向带宽及子区方案的控制图，其中对四个关键交叉口，即2号、7号及9号交叉口均作出了适当微调，微调距离等于箭头长度，如图9所示，1）1号至4号交叉口为一个子区，5号至10号交叉口为第二个子区；2）各个子区内的双向绿波带宽不低于30s；3）各单点交叉口的相位相序可对照安全间隔模块及特征圆的定义读出，比如1号交叉口的协调方向的相位相序就是：正向左转直行单放相位+直行对放相位+逆向左转直行单放相位；4）相位差可以从图中直接测量出来。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种城市信号交叉口协调控制图解方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1根据干道协调方向各个单点交叉口的配时数据、间距及行程速度，设定各个单点交叉口的安全间隔；

S2设定干道协调正方向的第一个交叉口为起点交叉口,根据该交叉口的安全间隔,绘制起点交叉口的时间轴；

S3根据第二个交叉口的安全间隔,绘制第二个交叉口的时间轴；

S4绘制剩余交叉口的时间轴，绘制方法与S3相同；

S5运用二阶优化、三阶优化或重复三阶优化对协调范围内各信号控制交叉口的相位相序进行初步协调优化；

S6进行微调后输出包括相位相序、相位差、双向带宽及子区方案的控制图，所述微调指调动任一交叉口正向或逆向的直行绿灯起点在时间轴上的位置。

2.根据权利要求1所述的一种城市信号交叉口协调控制图解方法，其特征在于，所述S1中安全间隔具体为：将每个单点交叉口内冲突车流放置在四组间隔中，并设定各个间隔占据的绿信比；

所述安全间隔满足如下条件：

(1)各间隔不存在冲突车流；

(2)各个间隔占据的绿信比满足间隔内车流的合理放行，且四个间隔周期总和为1。

3.根据权利要求2所述的一种城市信号交叉口协调控制图解方法，其特征在于，所述四组间隔分别为一号间隔、二号间隔、三号间隔及四号间隔，一号间隔放置正协调方向直行车流与逆协调方向直行车流，称为协调方向直行间隔；二号间隔放置正协调方向左转车流与逆协调方向左转车流，称为协调方向左转间隔；三号间隔放置非协调方向中两股直行车流；四号间隔放置非协调方向中两股左转车流。

4.根据权利要求3所述的一种城市信号交叉口协调控制图解方法，其特征在于，所述S2绘制起点交叉口的时间轴，具体为：

S2.1从水平基准线出发，竖向绘制起点交叉口正向直行绿灯时间轴，长度等于起点交叉口一号间隔的绿信比，所述水平基准线的相位差是0；

S2.2以二号间隔的绿信比为半径，以正向直行绿灯时间轴起点为圆心绘制特征圆，所述特征圆与逆协调方向直行绿灯起点有三个可行交点,称为特征点，则该交叉口的相位相序有且只有3种。

5.根据权利要求1所述的一种城市信号交叉口协调控制图解方法，其特征在于，S3绘制第二个交叉口的时间轴，具体为：

S3.1从起点交叉口的正向直行绿灯时间轴起点为起点，绘制正向速度带；

S3.2以正向速度带与第二个交叉口所在距离轴的交点为起点，绘制第二个交叉口正向直行绿灯时间轴，长度等于该交叉口一号间隔绿信比；

S3.3以第二个交叉口的二号间隔的绿信比为半径，以正向直行绿灯时间轴绿灯起点为圆心绘制特征圆，所述特征圆与逆向直行绿灯起点有三个特征点。

6.根据权利要求4或5所述的一种城市信号交叉口协调控制图解方法，其特征在于，所述特征圆与逆向直行绿灯起点相交得到三个特征点，具体为：

若特征点在圆心，对应相位相序：直行对放相位+左转对放相位；

若特征点在圆心正上方，对应相位相序：正向左转直行单放相位+直行对放相位+逆向左转直行单放相位；

若特征点在圆心正下方，对应相位相序：逆向左转直行单放相位+直行对放相位+正向左转直行单放相位。

7.根据权利要求1所述的一种城市信号交叉口协调控制图解方法，其特征在于，所述S5采用二阶优化、三阶优化或重复三阶优化方法进行初步协调优化，具体为：

设干道协调方向，有n个交叉口，所述n为正整数；

当n＝2时，两个交叉口需要进行协调优化时，采用穷举法实现优化目标的相位相序组合；

当n＝3时，且三个交叉口是连续的，采用三阶优化法协调优化；

当交叉口n为大于3的整数，则采用重复三阶优化方法；

若相邻交叉口不属于同一子区，则打断相邻交叉口间所有速度带，所述所有速度带包括1条正向速度带与所有可行逆向速度带。

8.根据权利要求7所述的一种城市信号交叉口协调控制图解方法，其特征在于，当有三个连续交叉口需要协调时，采用三阶优化法，具体为：

S5.2.1假设三个交叉口按从左至右的顺序放置在时距图中，分别称为1号交叉口，2号交叉口及3号交叉口；

S5.2.2选择2号交叉口的相位相序，所述相位相序包括三种，分别为正向左转直行单放相位+直行对放相位+逆向左转直行单放相位或直行对放相位+左转对放相位或逆向左转直行单放相位+直行对放相位+正向左转直行单放相位，且每种相位相序只能参与一次优化过程；

S5.2.3枚举1号交叉口的相位相序，直到找到满足优化目标的相位相序集合A，集合A最多有3个元素，分别对应1号交叉口的3种可能相位相序；

S5.2.4枚举3号交叉口的相位相序，直到找到满足优化目标的相位相序集合B，集合B最多有3个元素，分别对应3号交叉口的3种可能相位相序；

S5.2.5判断：如果集合A非空且集合B非空，则当前2号交叉口的相位相序就是最优相位相序，而集合A与集合B中的任何一种相位相序就是1号交叉口或者3号交叉口的最优相位相序，且此3个交叉口可划分为同一个子区，优化结束；如果集合A为空集或者集合B为空集，且1号交叉口的相位相序尚未穷举完毕，则返回S5.2.2；

S5.2.6如果集合A为空集或者集合B为空集，且1号交叉口的相位相序已经穷举完毕，则2号交叉口的任一种相位相序及其对应的集合A与集合B均是可行的优化结果，并且优化结果的数量与2号交叉口的可选相位相序数量相同；此时进一步判断：当集合A为空集，则1号交叉口与2号交叉口应划分在不同子区内，反之则应划分在同一子区内，且集合A内的任何一种相位相序就是1号交叉口的可行相位相序；当集合B为空集，则3号交叉口与2号交叉口应划分在不同子区内，反之则应划分在同一子区内，且集合B内的任何一种相位相序就是3号交叉口的可行相位相序。

9.根据权利要求7所述的图解方法，其特征在于，当交叉口n为大于3的整数，则采用重复三阶优化方法，具体为：

S5.3.1构造连贯的n-2个含三个相邻交叉口的单元，称为三阶单元；

S5.3.2从左至右依次对每个三阶单元使用三阶优化法，直到最后一个三阶单元优化完毕，此时除首末两个交叉口以外其余交叉口的优化完成；

S5.3.3构造两个含两个交叉口的单元，称为二阶单元，第一个二阶单元由起始交叉口与其相邻交叉口构成，第二个二阶单元由n-1号交叉口与末尾交叉口；

S5.3.4优化第一个二阶单元，此时起始交叉口有3种相位相序，相邻交叉口相位相序已经固定，如果起始交叉口有一种相位相序满足优化目标，则该相位相序就是最优相位相序，否则应将起始交叉口单独划分为一个子区；

S5.3.5优化第二个二阶单元，此时末尾交叉口有3种相位相序，第n-1号交叉口相位相序已经固定，如果存在末尾交叉口存在一种相位相序满足优化目标，则该相位相序就是最优相位相序，否则应将末尾交叉口单独划分为一个子区，至此优化结束。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微调指调动任一交叉口正向或逆向的直行绿灯起点在时间轴上的位置，具体步骤为：

S6.1寻找关键交叉口，关键交叉口指：影响双向绿波带宽进一步增大或者缩小的交叉口；

S6.2寻找微调方向及微调幅度，并用带箭头的线段表示在图纸上，箭头指示方向，线段长度指示移动距离。