CN104021682B

CN104021682B - 过饱和交叉口自修复控制方法

Info

Publication number: CN104021682B
Application number: CN201410189339.0A
Authority: CN
Inventors: 任刚; 曾霞; 黄正锋; 江航
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2014-05-06
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2034-05-06
Also published as: CN104021682A

Abstract

本发明提出一种过饱和交叉口自修复控制方法，其包括以下步骤：从城市道路交通数据库中提取路段长度；基于路段长度设置路段最大容许排队长度，作为过饱和控制的临界值；通过路段下游和上游的线圈检测器分别实时累计离开和进入路段的车辆数，并通过视频检测技术实时提取进口道排队长度；根据上述数据实施路段上游流入量调节技术；在路段上游信号交叉口配套限流相位，将潜在可能的过饱和状态修复成非饱和状态。本发明通过在路段上游辅设限流相位来预防常规信号控制下可能存在的排队上溯现象。

Description

过饱和交叉口自修复控制方法

技术领域

本发明涉及交通管理与控制领域，特别涉及到一种过饱和交叉口自修复控制方法。

背景技术

目前，城市高密度路网关键交叉口群时常受到过饱和交通流量影响，易于形成路网交叉口群拥堵局面，表现为车辆排队、车队溢流、交叉口群死锁等现象，给社会经济和环境带来损失。

交通控制作为智能交通系统的核心技术，具有疏散拥堵交通流量的作用。然而，常规信号控制只适用于交通流量适中的交叉口，不能应对上述过饱和交通状态，具体而言，存在以下不足：

1、常规信号控制较多以最小停车次数、等待时间等为目标，过分注重各进口道绿灯信号的公平赋值，很少针对过饱和进口道这个主要矛盾体进行解决；

2、常规信号控制面对交叉口过饱和现象时，较多通过增加当前交叉口绿灯放行时间来处理，少有利用上游交叉口信号辅助进行控制的定量分析报道。

发明内容

针对以上常规信号控制在过饱和交通状态下应用受限的不足，本发明提出一种过饱和交叉口自修复控制方法，将潜在过饱和状态修复成非饱和状态。

它利用实时交通检测数据，判断未来短期从上游输入的流量是否会导致过饱和，如果是则进行上游相位限流控制，提前将路段交通流修复成非饱和状态，其内部各模块功能及方法流程的介绍如下:

提供一种过饱和交叉口自修复控制方法，其包括：步骤1：从城市道路交通数据库中提取路段长度；步骤2：基于路段长度设置路段最大容许排队长度，作为过饱和控制的临界值；步骤3：通过路段下游和上游的线圈检测器分别实时累计离开和进入路段的车辆数，并通过视频检测技术实时提取进口道排队长度；步骤4：根据步骤1-3中的数据实施路段上游流入量调节:

优选地，所述步骤4具体为实施路段上游流入量调节技术，

按步骤4.1、4.2、4.3和4.4从下游到上游的顺序遍历路段i，i＝1,2,...,I，确定从当前时段t到未来时段t+h之间路段i上游最大容许进入流量u_i(t,t+h)；

步骤4.1：以最大容许排队长度r_i为界，第t时段的车流加载完成后，队列尾点至最大允许排队长度处仍富余的蓄车能力(或称非过饱和状态下额外最大允许进入车辆数)为：

α_{i} (t) = \frac{r_{i} - q_{i} (t)}{l_{i}} - [A_{i} (t) - A_{i} (t - \frac{l_{i} - q_{i} (t)}{v_{i}})]

其中，v_i为路段自由行车速度；

步骤4.2：在时段t，进口队列靠前的车辆可能已经陆续启动了，假设在过去的时间内，进口排队段一直处于交通启动波后退过程，在这个过程中计算时段t和下游累积离去的车辆数之差，其值也可作为时段t路段排队段能增加容纳的车辆数，表述如下：

β_{i} (t) = D_{i} (t) - D_{i} (t - \frac{q_{i} (t)}{w_{i}})

其中，w_i是拥堵消散过程中的波面反向传播速度；

步骤4.3：路段排队段拥堵消散过程中产生的车辆之间的间隙不会立马被队列尾点的车辆所填补，存在一个滞延时间，因此将步骤4.2产生的β_i(t)中的部分容纳车位数留给时段t+h及其之后进入路段的车辆来填补，这部分车位数表述如下：

γ_{i} (t, t + h) = D_{i} (t) - D_{i} (t + h + \frac{l_{i} - q_{i} (t)}{v_{i}} - \frac{q_{i} (t)}{w_{i}})

其中，针对第t+h时段从路段上游进入的车辆，它经过时段t对应的队列尾点那一时刻为以此时刻为界，在过去的时间内在排队段所产生的新增可容纳车辆数中与β_i(t)相重叠的部分；

步骤4.4：在时段t到t+h之间，从路段上游进入的车辆总数不超出以下数值，就能满足该时段区间内路段车流不会出现过饱和：

u_i(t,t+h)＝α_i(t)+β_i(t)-γ_i(t,t+h)；

步骤5：在路段上游信号交叉口配套限流相位，将潜在可能的过饱和状态修复成非饱和状态。

优选地，所述步骤1具体为从城市道路网络矢量地图上获取有向行车路段i的长度l_i，其中，i＝1,2,...,I，I为有向路段总数。

优选地，所述步骤2具体为设置路段最大容许排队长度作为过饱和控制的临界值，针对路段i，i＝1,2,...,I，确定最大容许排队长度r_i，r_i＝θ·l_i，θ为排队长度和路段长度的临界比例，超出这个比例，就判断路段上的车流将会出现过饱和。

优选地，所述步骤3具体为检测和记录进出路段的累计车辆数和进口道排队长度，针对路段i，i＝1,2,...,I，通过路段i下游和上游的线圈检测器分别统计当前时段t为止累计进入和离开路段i的车辆数A_i(t)和D_i(t)，通过视频检测技术提取当前时段t在路段i的进口道上车辆排队长度q_i(t)，历史各时段的累计离开和进入路段i的车辆数及路段i上的车辆排队长度录入数据库中。

优选地，所述步骤5具体为路段上游信号交叉口配套限流相位，遍历路段i，在时段t到t+h之间，在路段i上游信号交叉口k上确定进入路段i的车流放行绿灯时间上限为：

g_{k} (t, t + h) = \{\begin{matrix} \frac{u_{i} (t, t + h)}{f_{k} (t, t + h)} \cdot G_{k} (t, t + h) & \begin{matrix} i f & f_{k} (t, t + h) > u_{i} (t, t + h) \end{matrix} \\ G_{k} (t, t + h) & o . w . \end{matrix}

其中，G_k(t,t+h)为按常规信号控制方法确定的时段t到t+h之间交叉口k上进入路段i的车流放行绿灯时间，f_k(t,t+h)为预测得到的时段t到t+h之间交叉口k上前往路段i的总车辆数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：根据实时路段交通检测数据对未来短期过饱和发展态势做出预判，并基于此给出路段上游限流相位辅助方案进行修复，预防路段过饱和现象的发生。

附图说明

图1是一种过饱和交叉口自修复控制方法示意图；

图2是路段进出口线圈检测器位置示意图；

图3是车辆累积到达和驶离数示意图；

图4是交叉口视频检测器位置示意图；

图5是交叉口视频检测器拍摄范围示意图；

图6是路段上游信号相位限流示意图。

具体实施方式

为便于对本发明的目的、特征加深理解，结合附图给出针对本发明各单元的详细说明。

图1是一种过饱和交叉口自修复控制方法示意图，如图1所示，本发明过饱和交叉口自修复控制方法包括以下步骤：提取城市道路网络上的路段长度；设置路段最大容许排队长度作为过饱和控制的临界值：检测和记录进出路段的累计车辆数和进口道排队长度：实施路段上游流入量调节技术；为路段上游信号交叉口配套限流相位。

其中，提取城市道路网络上的路段长度为：从地区交通厅数据库中获取城市道路网络矢量地图，基于城市道路网络矢量地图获取有向行车路段i的长度l_i，其中，i＝1,2,...,I，其中I为有向路段总数。

其中，设置路段最大容许排队长度作为过饱和控制的临界值为：对于路段i，i＝1,2,...,I，根据该路段的实际情况确定最大允许的排队长度r_i。最大排队长度是系统中常见的指标，它主要用于防止车辆排队过长上溯到上游交叉口而导致多个交叉口陷入交通瘫痪的境地。当路段上的排队长度超过r_i时，排队车辆在有效绿灯时间内不能完全消散，产生滞留排队妨碍交叉口的正常运行，不断增加的延误和对应的损失时间将会加剧交叉口的拥堵状况。令r_i＝θ·l_i，θ为最大容许排队长度与路段长度的比例，超出这个比例，路段将会出现过饱和现象。

图2是路段进出口线圈检测器位置示意图，图3是车辆累积到达和驶离数示意图。参考图2和图3，检测和记录进出路段的累计车辆数和进口道排队长度为：针对路段i，i＝1,2,...,I，其上游和下游的检测线圈，对通过的车辆进行检测计数，得到截至当前时段t为止累计进入和离开路段i的车辆数A_i(t)和D_i(t)。红灯期间车辆陆续到达，累计进入路段的车辆数A_i(t)呈锯齿形上升；当绿灯启亮时，排队车辆被放行，累计离开路段的车辆数D_i(t)以运速率上升。

图4是交叉口视频检测器位置示意图，如图4所示，视频和图像处理技术在道路监控系统中得到了广泛的应用，因此通过视频检测技术提取当前时段t在路段i的进口道上车辆排队长度q_i(t)。视频检测器的安装要使视频检测器能拍摄到排队车辆的队首为准。

视频检测器能获取车辆实时信息，在检测队列参数时，需对图像中的区域进行处理，要在图像中引入虚拟检测区域，虚拟检测区域由车辆的队首向后移动。队列的检测采用运动检测和车辆存在检测，首先采用运动检测，若没有检测到车辆运动，再进行车辆存在检测。采用灰度差法进行车辆的存在检测，若检测到车辆的存在则向后移动检测区域，若搜索不到车辆就认为是队列的终点。检测到队列的终点后，得到二维图像上的排队长度a，根据图像上的每个像素所代表的实际长度可得实际车辆的排队长度x_i。二维图像中像素点代表的实际长度与摄像机的安装位置有关，图5是交叉口视频检测器拍摄范围示意图，如图5所示：

每个像素代表的实际长度为那么实际车辆排队长度x_i＝a·L。

其中L为一个像素点对应的实际长度，D为摄像机的中轴线与地面交点到摄像机在地面投影点的距离，h为摄像机安装高度，θ为摄像机的视场角，为一个像素点对应的角度，r为图像的垂直分辨率。

由(5)中各参数的几何关系可知，摄像机能监视到的最大距离d_max由h，d_min和θ决定：d_max＝h×tan[arctan(d_min/h)+θ]。

将用于道路监控的摄像机安装在约9-15米的高柱上，控制摄像机的安装倾角，使摄像机的高度不管如何变化调整d_min保证若h∈(9,15)米，那么d_min的变化范围为(2.8,4.6)米，由于两条车道宽度已超过6米，因此能满足摄像机拍摄到排队队首的条件。采用镜头焦距为4mm，搭配靶面为寸的CCD，视场角为69.9°的摄像机进行监控，那么摄像机的拍摄范围与其安装高度之间的关系如下表所示：

最大拍摄范围(m)	300	250	200	150	100
						安装高度(m)	16	14	11	8	5

在安装视频监控器时可根据需要的最大拍摄范围来对安装高度进行调整。

在获取了各时段的累计进入和离开路段i的车辆数A_i(t)和D_i(t)及通过拍摄的图像中提取的车辆排队长度q_i(t)录入数据库；

图6是路段上游信号相位限流示意图。如图6所示，实施路段上游流入量调节技术为：

设在排队队列中平均每辆车辆所需要的空间长度为l₀，那么路段i的最大允许容车数为车辆在路段i的自由行车速度为v_i，车辆通过路段的最小时间为

交通管理者针对现状在时段t制定了未来的信号方案，该方案作用的时间段是在t至t+h之间。由于未来时间内各种交通状态参数是未知的，因此，各种输入变量的时间坐标都来自于t之前，也就是说，下述计算公式中累积到达和离去流量的检测时段不能晚于t。

假设路段i在t时刻的车辆排队长度为q_i(t)，q_i(t)<r_i，以最大允许排队长度r_i作为临界值，路段还能继续容纳车辆的路段长度为r_i-q_i(t)，能继续容纳的车辆数为截至时刻t为止进入路段的累计到达车数为A_i(t)，由于此时可能有处于路段i但还未到达排队队尾的车辆，这些车辆到达排队队尾所需要的行驶时间为这些车辆数应从中扣除。那么第t时段的车流加载完成后，路段i额外允许增加车辆数α_i为：

α_{i} (t) = \frac{r_{i} - q_{i} (t)}{l_{0}} - [A_{i} (t) - A_{i} (t - \frac{l_{i} - q_{i} (t)}{v_{i}})]

在时段时t时，在队列靠前的车辆可能已经开始陆续启动并驶离交叉口。此时排队车辆虽然开始驶离交叉口，但是队尾处的排队车辆还未启动，来车继续在队尾处加入排队。排队车辆察觉绿灯和前方车辆启动后，也开始启动。交通流从低流量、高密度、停车状态进入高流量、低密度、较高速状态，形成启动波。启动波沿队列的头部向上游延伸的速度为启动波的波速。车辆排队消散过程中启动波的传播速度为w_i，进口排队段一直处于启动波向后传播的过程，经过时间传到队尾。在此过程中，时段t和下游累计驶离的车辆数之差，其值也可作为时段t路段排队段在α_i(t)的基础上再能增加容纳的车辆数，表述如下：

β_{i} (t) = D_{i} (t) - D_{i} (t - \frac{q_{i} (t)}{w_{i}})

车辆在t+h时刻进入路段i上游，在经过时间后到达时段t对应的排队队尾的那一刻，启动波刚好经过时间从下游交叉口传到队尾。路段排队段拥堵消散过程中产生的车辆之间的间隙不会立马被队列尾点的车辆所填补，存在一个滞后时间，因此将β_i(t)中的部分容纳车位数留给时段t+h及其之后进入路段的车辆来填补，这部分车位数表述如下：

γ_{i} (t, t + h) = D_{i} (t) - D_{i} (t + h + \frac{l_{i} - q_{i} (t)}{v_{i}} - \frac{q_{i} (t)}{w_{i}})

上述公式的物理意义解释为：针对第t+h时段从路段上游进入的车辆，它经过时段t对应的队列尾点那一时刻为以此时刻为界，在过去的时间内在排队段所产生的新增可容纳车辆数中与β_i(t)相重叠的部分；

对于路段i，在时段t到t+h之间，从路段上游进入的车辆总数不超过以下数值u_i(t,t+h)，就能满足该时段内路段不会出现过饱和：

\begin{matrix} u_{i} (t, t + h) = α_{i} (t) + β_{i} (t) - γ_{i} (t, t + h) \\ \frac{r_{i} - q_{i} (t)}{l_{0}} - A_{i} (t) + A_{i} (t - \frac{l_{i} - q_{i} (t)}{v_{i}}) - D_{i} (t - \frac{q_{i} (t)}{w_{i}}) \\ + D_{i} (t + h + \frac{l_{i} - q_{i} (t)}{v_{i}} - \frac{q_{i} (t)}{w_{i}}) \end{matrix}

其中

h + \frac{l_{i} - q_{i} (t)}{v_{i}} - \frac{q_{i} (t)}{w_{i}} < 0.

其中，为路段上游信号交叉口配套限流相位的步骤中，遍历路段i，在时段t到t+h之间，在路段i上游信号交叉口k上确定进入路段i的车流放行绿灯时间上限为：

g_{k} (t, t + h) = \{\begin{matrix} \frac{u_{i} (t, t + h)}{f_{k} (t, t + h)} \cdot G_{k} (t, t + h) & \begin{matrix} i f & f_{k} (t, t + h) > u_{i} (t, t + h) \end{matrix} \\ G_{k} (t, t + h) & \begin{matrix} i f & f_{k} (t, t + h) \leq u_{i} (t, t + h) \end{matrix} \end{matrix}

其中，G_k(t,t+h)为按常规信号控制方法确定的时段t到t+h之间交叉口k上进入路段i的车流放行绿灯时间，f_k(t,t+h)为预测得到的时段t到t+h之间交叉口k上前往路段i的总车辆数；

下面通过实施例更详细的描述本发明，但本发明不应被本实施例的内容所限制。

实施例1

原始信号控制设定的上游交叉口一直处于绿灯放行状态，滚动时间窗h设为20秒，上游进入车流率为1辆/秒，路段长度l_i为500米，最大容许排队长度r_i为300米，第t时段的队列长q_i(t)为200米，停车间距m为5米，自由流速v_i为15米/秒，交通反向波速w_i为4米/秒，下游离开车流率为0.25辆/秒。

在车流运行过程中，我们可以通过检测器获得时段t之前的所有累积到达和离去流量，由此求得和

D_{i} (t + 20 + \frac{l_{i} - q_{i} (t)}{v_{i}} - \frac{q_{i} (t)}{w_{i}}) - D_{i} (t - \frac{q_{i} (t)}{w_{i}})

分别为-20和10，继而求得t至t+20之间最多允许进入车辆数u_i(t,t+20)为10辆，而原始绿灯放行时间下将进入的车辆数f_k(t,t+h)为20辆，任其不限制地进入会导致下游过饱和，因此启用计算公式

g_{k} (t, t + 20) = \frac{u_{i} (t, t + 20)}{f_{k} (t, t + 20)} \cdot G_{k} (t, t + 20),

得出t至t+20之间的绿灯时间被限定为10秒。

本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims

1.一种过饱和交叉口自修复控制方法，其包括：

步骤1：从城市道路交通数据库中提取路段长度；

步骤2：基于路段长度设置路段最大容许排队长度，作为过饱和控制的临界值；

步骤3：通过路段下游和上游的线圈检测器分别实时累计离开和进入路段的车辆数，并通过视频检测技术实时提取进口道排队长度；

步骤4：根据步骤1-3中的数据实施路段上游流入量调节：

α_{i} (t) = \frac{r_{i} - q_{i} (t)}{l_{i}} - [A_{i} (t) - A_{i} (t - \frac{l_{i} - q_{i} (t)}{v_{i}})]

其中，v_i为路段自由行车速度；

β_{i} (t) = D_{i} (t) - D_{i} (t - \frac{q_{i} (t)}{w_{i}})

其中，w_i是拥堵消散过程中的波面反向传播速度；

γ_{i} (t, t + h) = D_{i} (t) - D_{i} (t + h + \frac{l_{i} - q_{i} (t)}{v_{i}} - \frac{q_{i} (t)}{w_{i}})

u_i(t,t+h)＝α_i(t)+β_i(t)-γ_i(t,t+h)；

2.如权利要求1所述的控制方法，其中，所述步骤1具体为从城市道路网络矢量地图上获取有向行车路段i的长度l_i，其中，i＝1,2,...,I，I为有向路段总数。

3.如权利要求2所述的控制方法，其中，所述步骤2具体为设置路段最大容许排队长度作为过饱和控制的临界值，针对路段i，i＝1,2,...,I，确定最大容许排队长度r_i，r_i＝θ·l_i，θ为排队长度和路段长度的临界比例，超出这个比例，就判断路段上的车流将会出现过饱和。

4.如权利要求3所述的控制方法，其中，所述步骤3具体为检测和记录进出路段的累计车辆数和进口道排队长度，针对路段i，i＝1,2,...,I，通过路段i下游和上游的线圈检测器分别统计当前时段t为止累计进入和离开路段i的车辆数A_i(t)和D_i(t)，通过视频检测技术提取当前时段t在路段i的进口道上车辆排队长度q_i(t)，历史各时段的累计离开和进入路段i的车辆数及路段i上的车辆排队长度录入数据库中。

5.如权利要求4所述的控制方法，其中，所述步骤5具体为路段上游信号交叉口配套限流相位，遍历路段i，在时段t到t+h之间，在路段i上游信号交叉口k上确定进入路段i的车流放行绿灯时间上限为：

g_{k} (t, t + h) = \{\begin{matrix} \frac{u_{i} (t, t + h)}{f_{k} (t, t + h)} \cdot G_{k} (t, t + h) & i f & f_{k} (t, t + h) > u_{i} (t, t + h) \\ G_{k} (t, t + h) & i f & f_{k} (t, t + h) \leq u_{i} (t, t + h) \end{matrix}