CN103927892B - 一种交通溢流协调控制优化模型的建立方法及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交通溢流协调控制优化模型的建立方法及其工作方法；所述建立方法包括如下步骤：建立排队长度限制条件模型，得出能避免交通溢流发生的相位差范围；建立基于最小延误的相位差优化方法，得出相位差与延误时间的函数关系；根据排队长度限制条件模型和最小延误相位差优化方法分别对相位差的不同约束，两者相结合取交集中的最小值即得到既能避免溢流发生又使车辆延误时间最小的交通溢流协调控制优化模型。本发明的有益效果：有效避免城市主干路早晚高峰时段“交通溢流”现象的发生。

Description

一种交通溢流协调控制优化模型的建立方法及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种交通溢流协调控制优化模型的建立方法及其工作方法。

背景技术

经济的快速发展促进了城市现代化的步伐，使人们的出行方式变得更加多样化、快捷化。自上世纪80年代我国开始出现私人汽车，截止2003年小汽车保有量突破千万辆，而突破两千万辆仅仅用了三年时间，目前我国的小汽车保有量已过亿。这个庞大的数字，不单纯的意味着人们出行更加便捷了，随之衍生出的很多问题诸如交通拥堵、事故多发、环境污染、噪声加剧等，已经使人们的生活质量严重下降。

城市主干路作为城市道路网的骨架和城市交通的大动脉，承担了巨大的交通压力，交通流量大、选择路径多、信号控制主导、混行现象严重等，这都导致了主干路更加容易发生交通拥堵。而近年来，拥堵程度愈发严重，“交通溢流”现象频频出现。“交通溢流”现象是交通供需矛盾加剧导致的严重后果，是道路交通流过饱和状态的负面效应在空间维度的表现，表现在空间上是下游交叉口产生的排队占用了下游交叉口到上游交叉口所有的道路空间，表现在时间上是上游交叉口车辆无法在绿灯时间驶入下游交叉口，造成了绿灯时间的浪费。这种效应如果持续下去，会像水流一样在道路这条管道中蔓延开来，从一个交叉口的锁死逐渐扩散到周围交叉口的锁死直至整个交通路网的瘫痪，这种后果是极其恶劣也是我们最不愿看到的。因此，对于交通溢流的发生机理和控制策略研究具有非常大的现实意义。

交通控制方法有很多，根据控制范围不同又可分为点控、线控和面控。点控即单点信号控制，研究对象为单个交叉口，但随着城市主干路道路交通流量的加大，线控即干路协调控制已成为专家学者的研究热点。通过查阅大量中英文参考文献发现，协调控制方法的研究主要集中在未饱和协调路径的控制方法建模上，而针对过饱和协调路径的文献很少，交通溢流作为一种特殊的过饱和形态，这方面的文献几乎没有。

此外，通过对现有发明专利和技术进行检索发现，有关“路段交通溢流控制方法”的报道在国内外还是个空白。

中国发明专利“基于视频反馈的交通溢流控制方法(201210062524.4)”通过视频信息反馈路段车辆排队情况，溢流发生前提前启动上游红灯信号阻止车辆进入路段，这种方法虽然创新性很强，但只适用于局部交叉口饱和度较高或某一路段易发生交通溢流的情况，像济南市东西向主干路，早晚高峰时段很多相邻的交叉口饱和度都很高，如果单纯为了避免某路段发生交通溢流而提前启动上游红灯，会打破主干路的协调控制规律，导致上游交叉口排队车辆增多，从而继续往上游传播发生交通溢流，而本专利通过优化各相邻交叉口间的相位差来避免溢流发生可弥补这一不足。

中国发明专利“一种饱和交通状态下单路口信号优化控制方法(201010510785.9)”提出的是一种针对饱和交通流状态下的单点信号控制方法，而本专利提出的是一种协调控制方法。

中国发明专利“一种基于交通干线软封闭区视频检测识别实现绿波带通行控制的研究(201310047477.0)”提出了一种新颖的方法实现协调控制路径上的绿波带通行控制，绿波协调控制作为研究最广泛的传统协调控制方法，适应于饱和度较低的协调路径，而本专利针对的是饱和度较高的协调路径。

总而言之，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题是：如何在交通溢流的形成机理、识别及交通信号的协调控制策略方面形成一套较为完善的理论指导体系，为从根本上解决交通溢流现象引起的严重拥堵问题提供理论依据。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种交通溢流协调控制优化模型的建立方法及其工作方法，它具有针对性强、实用价值高、模型效率高、算法简单等优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种交通溢流协调控制优化模型的建立方法，包括如下步骤：

步骤(1)和步骤(2)是并列进行的；

步骤(1)：建立排队长度限制条件模型，得出能避免交通溢流发生的相位差范围；

步骤(2)：建立基于最小延误的相位差优化方法，得出相位差与延误时间的函数关系；

步骤(3)：根据步骤(2)的排队长度限制条件模型和步骤(3)的最小延误相位差优化方法分别对相位差的不同约束，两者相结合取交集中的最小值即得到既能避免溢流发生又使车辆延误时间最小的交通溢流协调控制优化模型，如下：

情况一：如果则

情况二：如果则

其中：

各参数含义为：

——交叉口i与下游交叉口i+1间的相位差；

——路段i上的停车车辆排队长度；

——路段i上的停车车辆排队长度上限值；

L_i——路段i的长度；

p_i——路段i的最大交通压缩比，均取为0.8；

v_i——路段i的车辆期望行驶速度；

μ_i——路段i的起动波波速；λ_i——路段i的停车波波速；

C——公共信号周期时长；

g_i——交叉口i协调相位的绿灯时长；

r_i——交叉口i协调相位的红灯时长；

t_T——车队从上游交叉口驶入下游交叉口的持续时长，由路段长度和平均行驶速度决定；

n——满足不等式条件的整数解。

所述步骤(1)的建立排队长度限制条件模型的具体步骤为：

步骤(1-1)：结合改进的交通波模型，得出滞留排队长度和停车排队长度的计算公式(各参数含义同上)：

步骤(1-2)：不考虑车队到达下游交叉口时间的不同这一因素，将滞留排队长度和停车排队长度相加得到路段最大车辆排队长度的计算公式：

步骤(1-3)：将得到的最大车辆排队长度限制在路段长度范围内，得到排队长度限制条件模型：

所述步骤(2)的基于最小延误的相位差优化方法的具体步骤为：

步骤(2-1)：在定数理论的基础上，分析过饱和交叉口的停车延误情况，得出延误时间的计算公式：其中x为过饱和交叉口的饱和度，C为信号周期时长，t_R为红灯时长，n₁为交叉口从未饱和状态到饱和状态所持续的周期数；

步骤(2-2)：从过饱和交叉口扩展到两相邻交叉口组成的过饱和协调路径，并给出相位差与延误时间的函数关系其中d_LA为车辆平均延误时间，为相位差，s为路段长度，v为车辆期望行驶速度，n为二次排队车辆开始出现到消失所持续的周期数，其他含义不变，从而建立基于最小延误的相位差优化方法。

一种交通溢流协调控制优化模型的工作方法，包括如下步骤：

步骤a)：计算协调路径上各交叉口的饱和度，将饱和度与设定阈值进行比较，如果饱和度大于等于设定阈值就利用改进的F-B法进行信号配时，计算得到各交叉口的信号周期时长；如果饱和度小于设定阈值就利用F-B法进行信号配时，计算得到各交叉口的信号周期时长；

步骤b)：将步骤a)中得到信号周期时长中的最大周期时长作为公共信号周期时长；

步骤c)：将协调路径上的所有交叉口利用步骤b)的公共信号周期时长按照流量比y_i重新分配绿灯时间，其中i相位的流量比q_i为i相位的最大小时交通量，S_i为饱和流量；

步骤d)：利用交通溢流协调控制优化模型计算两个相邻交叉口的最优相位差；

步骤e)：从排队长度和延误时间两个方面输出实施效果。

所述步骤a)的计算协调路径上各交叉口的饱和度步骤为：

步骤a-1)：采集交叉口各进口道的车流量，计算各进口道饱和度(进口道的流量/该进口道的通行能力)；

步骤a-2)：取进口道饱和度最大者作为该交叉口的饱和度。

所述步骤a)的改进的F-B法的步骤为：

a-31)确定交叉口的相位和相序；

a-32)采集各进口道的实际小时车流量和小时滞留排队车辆数，计算得到压缩车流量(实际车流量-小时滞留排队车辆数)；

a-33)计算总损失时间L和各相位流量比之和Y，进而得出交叉口的最佳周期时长 $C_0=\frac{1.5L+5}{1-Y};$

a-34)分配各相位的绿灯时长其中y_i为i相位的流量比，Y为各相位的流量比之和。

所述步骤a)的F-B法的步骤为：

a-41)确定交叉口的相位和相序；

a-42)调查各进口道的实际小时车流量；

a-43)计算总损失时间L和各相位流量比之和Y，进而得出交叉口的最佳周期时长 $C_0=\frac{1.5L+5}{1-Y};;$

a-44)分配各相位的绿灯时长其中y_i为i相位的流量比，Y为各相位的流量比之和。

所述步骤c)的步骤为：

将协调路径上的所有交叉口利用步骤b)的公共信号周期时长按照流量比y_i重新分配绿灯时间，其中i相位的流量比q_i为i相位的最大小时交通量，S_i为饱和流量。

所述步骤d)的步骤为：

步骤d-1)：将两相邻信号控制交叉口的各个参数(如路段长度、期望速度、信号周期、协调相位绿灯时长等)输入交通溢流协调控制优化模型；

步骤d-2)：通过数值计算得出两相邻交叉口的最优相位差值；

步骤d-3)：依此类推，直至得到协调路径上所有两相邻交叉口的相位差值。

所述步骤e)的步骤为：

步骤e-1)：利用微观仿真VISSIM平台建立协调路径的仿真路网，配置好各参数(车流量、选择路径、信号相位及时长、输出文件等)；

步骤e-2)：通过仿真输出现状方案的延误时间和排队长度值；

步骤e-3)：通过仿真输出优化方案的延误时间和排队长度值；

步骤e-4)：对比现状方案和优化方案的各输出数据，得出交通溢流协调控制优化模型的实施效果。

本发明的有益效果:

1、有效避免城市主干路早晚高峰时段“交通溢流”现象的发生；

2、减小主干路的平均车辆延误时间，提高路网整体性能；

3、改善道路拥堵状况，一定程度上较少尾气排放，减小对环境的污染。

附图说明：

图1为本发明的模型建立方法流程图；

图2为溢流发生前路段排队过程时空图；

图3(a)和图3(b)停车延误分析图；

图4为济南市经十路三个交叉口(舜耕路，千佛山路和历山路)优化前后平均车辆排队长度仿真对比直方图，仿真软件为微观交通仿真软件VISSIM。

图5为为济南市经十路三个交叉口(舜耕路，千佛山路和历山路)优化前后平均车辆延误时间仿真对比直方图，仿真软件为微观交通仿真软件VISSIM。

其中，为方便辨认检测器的放置位置，对三交叉口各进口道进行编号，编号规则为：百位数字：代表交叉口名称，其中，100-经十路-舜耕路交叉口，200-经十路-千佛山路交叉口，300-经十路-历山路交叉口；十位数字：代表进口道方位，其中，010-东，020-西，030-南，040-北；个位数字：代表进口道功能，其中，001-直行，002-左转。

图6为本发明的模型工作方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施实例对本发明作进一步说明。

1.改进的交通波模型

传统的交通波模型适用于交通流密度不大的情况下，针对“交通溢流”这种特殊的过饱和形态，运用适合拥挤交通流的格林伯速度-密度函数重新对交通波模型进行推导。推导公式为：

1)格林伯交通波模型

$u_w=\frac{\left[k_2{u}_m\ln (k_j.k_2)\right]-[k_1{u}_m\ln (k_j/k_1)}{k_2-k_1}---(1-1)$

其中，u_m为车流流量达到最大时的临界速度，k_j为阻塞车流密度，k_i为i车流的密度。

2)停车波波速

现假定车队以平均行驶速度u₁在路段上行驶，遇红灯在交叉口停车线处停车。此时，k₁为自由行驶车流密度，k₂为停止车流密度，且k₂＝k_j。根据格林伯交通波模型可得停车波波速计算公式为：

3)起动波波速

当车队起动时，k₁为停止车流密度，且k₁＝k_j，k₂为起动车流密度。根据格林伯交通波模型可得起动波波速计算公式为：

2.改进的F-B信号配时方法

在F-B法的基础上进行改进，提出一种适用于过饱和交叉口的配时方法，其基本思想和模型与F-B法大致相同，区别在于：在过饱和交叉口分配各相位绿灯时间时考虑各进口道红灯结束时的滞留排队车辆数，利用实际小时交通量减去小时滞留排队车辆总数得到的“压缩交通量”输入模型，即

q_j＝Q_j-V_j(1-4)

其中：q_j为j相位的压缩交通量，Q_j为实际小时交通量，V_j为小时滞留排队车辆总数。

3.排队长度限制条件模型

如图2所示，上游交叉口i和下游交叉口j为两个相邻的信号控制交叉口，路段上车流量较大，早晚高峰时段交叉口j处的排队车辆较多，容易导致交叉口i发生交通溢流。假设路段长度为L_i，公共信号周期长度为C，上游路口绿灯和红灯时长分别为g_i和r_i，下游路口绿灯和红灯时长分别为g_j和r_j，相位差为相邻两交叉口绿灯启亮时刻的偏移量路段上的车辆期望速度为v_i，停车波波速为λ_i，起动波波速为μ_i。

根据前面对相邻信号控制交叉口车辆排队生成机理的分析，上游红灯信号启亮，绿灯结束前释放的最后一辆车以速度v_i在路段上行驶，经过时间t₁后到达排队队尾；经过时间后，下游红灯信号启亮，未通过停车线或刚到达停车线的车辆开始以λ_i的停车波波速向后排队，经过时间t₂后形成了剩余排队长度，记为根据图中的时间关系可得：

上游绿灯信号启亮，在停止线处等待的车队开始释放，以速度v_i在路段上行驶，经过时间t₁后队首车辆到达压缩排队队尾；首车受阻后开始以λ_i的停车波波速向后排队，经过时间t₃后停车排队长度形成，记为下游绿灯信号启亮，起动波以速度μ_i向后传播，经过时间t₄后传到最大排队队尾；此时，停车波与起动波正好相遇。根据图中的时间关系可得：

上游绿灯信号启亮期间，当驶出交叉口的第一辆车和最后一辆车均由于遇到压缩排队而受阻停车时，此时形成的停车排队达到最大值

经过以上分析和计算，可得信号控制交叉口i和j之间的路段上在一个信号控制周期内可能出现的最大车辆排队长度计算公式为：

为了绝对控制交通溢流现象的发生，最直接的办法就是控制路段上的最大车辆排队长度不超过路段长度，为此，根据前面分析得出的最大车辆排队长度计算公式，可建立主协调方向排队长度限制条件模型如下：

L_i——路段i的长度；

p_i——路段i的最大交通压缩比，均取为0.8；

4.基于最小延误的相位差优化方法

图3为交叉口的车辆延误分析图。两相邻交叉口之间的相对相位差将直接决定车队头车到达下游交叉口的时刻，对行驶车队的平均延误产生相应影响。假如两交叉口间路段长度为s，车队平均行驶速度为v，当相位差满足等式时，车队头车到达下游交叉口时刻恰为T₀，车队受阻停车延误为图(a)所示；当相位差满足等式时，车队头车到达下游交叉口时刻恰为T₁，车队受阻停车延误为图(b)所示；当相位差满足不等式时，车队头车到达下游交叉口的时刻介于T₀与T₁之间，车队平均延误时间d_LA的计算公式为：

式中：

——车队头车到达下游交叉口的时刻恰为T₀时所对应的相位差，即

——车队头车到达下游交叉口的时刻恰为T₁时所对应的相位差，即

n——满足不等式条件的整数解。

由可以看出，在相位差满足不等式 的前提下，延误时间与相位差成正相关关系，即相位差越小，延误时间越小。

既要避免交通溢流现象的发生，又要使得车辆的平均延误时间尽量小，提高路网的整体性能，则需要将三个对相位差的约束条件结合在一起取其交集中的最小值，这样得到的相位差是能达到预期目的的最优相位差值，求解结果如下：

1)如果则

2)如果则

如图6所示，首先计算协调路径上各交叉口的饱和度，利用F-B法或改进的F-B法对交叉口进行单点信号配时；然后选择周期最大的作为公共信号周期；利用交通溢流协调控制优化模型分别计算各相邻两交叉口的最优相位差值；最后对该优化方案进行效果评价。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种交通溢流协调控制优化模型的建立方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤(1)和步骤(2)是并列进行的；

步骤(1)：建立排队长度限制条件模型，得出能避免交通溢流发生的相位差范围；

步骤(2)：建立基于最小延误的相位差优化方法，得出相位差与延误时间的函数关系；

步骤(3)：根据步骤(2)的排队长度限制条件模型和步骤(3)的最小延误相位差优化方法分别对相位差的不同约束，两者相结合取交集中的最小值即得到既能避免溢流发生又使车辆延误时间最小的交通溢流协调控制优化模型；所述步骤(3)的交通溢流协调控制优化模型如下：

情况一：如果则

情况二：如果则

其中：

各参数含义为：

——交叉口i与下游交叉口i+1间的相位差；

——路段i上的停车车辆排队长度；

——路段i上的停车车辆排队长度上限值；

L_i——路段i的长度；

p_i——路段i的最大交通压缩比，均取为0.8；

v_i——路段i的车辆期望行驶速度；

μ_i——路段i的起动波波速；λ_i——路段i的停车波波速；

C——公共信号周期时长；

g_i——交叉口i协调相位的绿灯时长；

r_i——交叉口i协调相位的红灯时长；

t_T——车队从上游交叉口驶入下游交叉口的持续时长，由路段长度和平均行驶速度决定；

n——满足不等式条件的整数解。

2.如权利要求1所述的一种交通溢流协调控制优化模型的建立方法，其特征是，所述步骤(1)的建立排队长度限制条件模型的具体步骤为：

步骤(1-1)：结合改进的交通波模型，得出滞留排队长度和停车排队长度的计算公式：

步骤(1-2)：不考虑车队到达下游交叉口时间的不同这一因素，将滞留排队长度和停车排队长度相加得到路段最大车辆排队长度的计算公式：

步骤(1-3)：将得到的最大车辆排队长度限制在路段长度范围内，得到排队长度限制条件模型：

3.如权利要求1所述的一种交通溢流协调控制优化模型的建立方法，其特征是，所述步骤(2)的基于最小延误的相位差优化方法的具体步骤为：

步骤(2-1)：在定数理论的基础上，分析过饱和交叉口的停车延误情况，得出延误时间的计算公式：其中x为过饱和交叉口的饱和度，C为信号周期时长，t_R为红灯时长，n₁为交叉口从未饱和状态到饱和状态所持续的周期数；

步骤(2-2)：从过饱和交叉口扩展到两相邻交叉口组成的过饱和协调路径，并给出相位差与延误时间的函数关系其中d_LA为车辆平均延误时间，为相位差，s为路段长度，v为车辆期望行驶速度，n为二次排队车辆开始出现到消失所持续的周期数，其他含义不变，从而建立基于最小延误的相位差优化方法。

4.如权利要求1所述的一种交通溢流协调控制优化模型的建立方法所建立的交通溢流协调控制优化模型的工作方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤a)：计算协调路径上各交叉口的饱和度，将饱和度与设定阈值进行比较，如果饱和度大于等于设定阈值就利用改进的F-B法进行信号配时，计算得到各交叉口的信号周期时长；如果饱和度小于设定阈值就利用F-B法进行信号配时，计算得到各交叉口的信号周期时长；

步骤b)：将步骤a)中得到信号周期时长中的最大周期时长作为公共信号周期时长；

步骤c)：将协调路径上的所有交叉口利用步骤b)的公共信号周期时长按照流量比y_i重新分配绿灯时间，其中i相位的流量比q_i为i相位的最大小时交通量，S_i为饱和流量；

步骤d)：利用交通溢流协调控制优化模型计算两个相邻交叉口的最优相位差；

步骤e)：从排队长度和延误时间两个方面输出实施效果。

5.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤a)的计算协调路径上各交叉口的饱和度步骤为：

步骤a-1)：采集交叉口各进口道的车流量，计算各进口道饱和度；

步骤a-2)：取进口道饱和度最大者作为该交叉口的饱和度。

6.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤a)的改进的F-B法的步骤为：

a-31)确定交叉口的相位和相序；

a-32)采集各进口道的实际小时车流量和小时滞留排队车辆数，计算得到压缩车流量；

a-33)计算总损失时间L和各相位流量比之和Y，进而得出交叉口的最佳周期时长 $C_0=\frac{1.5L+5}{1-Y};$

a-34)分配各相位的绿灯时长其中y_i为i相位的流量比，Y为各相位的流量比之和。

7.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤a)的F-B法的步骤为：

a-41)确定交叉口的相位和相序；

a-42)调查各进口道的实际小时车流量；

a-43)计算总损失时间L和各相位流量比之和Y，进而得出交叉口的最佳周期时长 $C_0=\frac{1.5L+5}{1-Y};;$

a-44)分配各相位的绿灯时长其中y_i为i相位的流量比，Y为各相位的流量比之和。

8.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤c)的步骤为：

将协调路径上的所有交叉口利用步骤b)的公共信号周期时长按照流量比y_i重新分配绿灯时间，其中i相位的流量比q_i为i相位的最大小时交通量，S_i为饱和流量。

9.如权利要求4所述的方法，其特征是，所述步骤d)的步骤为：

步骤d-1)：将两相邻信号控制交叉口的各个参数：路段长度、期望速度、信号周期和协调相位绿灯时长，输入交通溢流协调控制优化模型；

步骤d-2)：通过数值计算得出两相邻交叉口的最优相位差值；

步骤d-3)：依此类推，直至得到协调路径上所有两相邻交叉口的相位差值。