CN104077919B - 一种需求车道组合相位的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种需求车道组合相位的优化方法，根据交叉路口饱和度大小，采用合适车道控制下的相位优化方法，若饱和度大于1采用过饱和车道控制下的相位优化方法，反之采用欠饱和车道控制下的相位优化方法；过程中实时计算相位内放行车道的流量均衡度大小，在满足条件的前提下，插入增容车道并与关键车道组成该相位下的小相位，以此平衡车流的不均衡，充分利用有限的时空资源；优化相位时，实时调整并优化路口的周期，保证交通需求较大的车道在同一个周期内优先放行，特别是在车道车流量较大的环境下，并实时调整关键车道与下游交叉口之间车流协调控制。本发明不仅实现了时空资源的充分利用，而且在一定程度上缓解了大流量下交通拥堵的问题。

Description

一种需求车道组合相位的优化方法

技术领域

本发明涉及一种交通信号相位相序优化的方法，尤其是一种需求车道组合相位的优化方法。

背景技术

目前比较成熟的交通信号控制策略包括定时控制、感应控制和自适应控制。这些控制方式只考虑了在传统相位设计方案的基础上如何为各个方向的交通流分配合理的绿灯时间，固定地按照相位设计方案顺序放行，变化的只是相位的时间。如果某一个相位排队车辆比较多，而它前面相位排队车辆较少时，也必须按照固定相位顺序，先放行前面车辆少的相位，然后再放行车辆多的相位，这样可能因该相位排队车辆过多，不能及时放行而造成交叉路口的交通阻塞。当同一个放行相位中非关键车道流率比远小于关键车道流率比的情况下，这些非关键车道将浪费大量宝贵的通行时间。

目前对交通流的信号控制大都是根据车流行驶的方向(左转、直行和右转)进行控制，没有细分为以车道为单位实时控制交通流，不仅忽略了实际交通中不均衡的车道流量，而且也未考虑根据车流量大小优先放行相应的车道需求，使得即使信号相位相序设计的合理，交叉路口的通行能力也未必能得到有效提高，不能取得满意的效果；考虑到现在很多大城市交叉路口出现的交通拥堵问题，以车道为单位进行交通流信号控制为交叉路口相位优化设计提供了一套新思路，成为缓解交通拥堵的一项重要举措。

发明内容

为了克服现有相位设计方案的缺陷，满足某些车道交通负载过重需优先放行的请求，并充分利用相位中放行车道车流不均衡浪费的时空资源；本发明提供了一种需求车道组合相位的优化方法，以车道流量需求大小为评判标准，实现车道车辆优先放行，同时以相位中放行车道车流的不均衡度实时判断是否需要插入新的放行车道(增容车道与关键车道组成该相位下的小相位)以充分利用不均衡交通流中的时空资源，实现交叉路口车道组合下的相位优化。

本发明所采用的技术方案是：

一种需求车道组合相位的优化方法，包括如下步骤：

(1)交叉路口每个进口车道上都设置一组信号灯，并把所有车道归入集合A；

(2)根据集合A中各个车道车辆排队长度和车辆到达率，判断交叉路口东西和南北各方向是否需要设置左转车道；若都不需要，则采用两相位信号控制方案，转入步骤(7)，否则，转入步骤(3)；

(3)根据交叉路口交通状况和几何条件计算其饱和度X_c，如果饱和度小于1，执行欠饱和车道控制下的相位相序优化策略，否则执行过饱和车道控制下的相位相序优化策略；

(4)计算集合A中各个车道的流量比，找出流量比最大的车道作为关键车道，根据饱和度大小，采取合适的相位相序优化策略，并依次判断各相位是否需要插入增容车道，与原关键车道组成小相位；

(5)返回步骤(4)继续下一个相位的优化和组合，直到所有的车道都归入相位序列中，已经归入到相位序列的车道在同一个周期内可根据需求多次放行(特别是过饱和状况下)；

(6)保证所有车道被放行完一次，当所有车道被放行完毕后，进入下一个周期的判断；

(7)实时调整关键车道方向的相位差，让车流连续不间断的通过交叉路口；

其中，步骤(3)中，所述欠饱和车道控制下的相位相序优化策略包括下述步骤：

(i)找出流量比最大的车道作为关键车道，并归入绿灯通行集合A_g；

(ii)找出与集合A_g中车道方向相冲突的车道归入红灯等待集合A_r，然后在集合A_g车道方向相容的车道中把流量比最大的车道归入绿灯通行集合A_g，集合A_g中的所有车道作为一个相位；

(iii)根据流量比算出上述相位的绿灯时间；

(iv)判断车道绿灯时间之差是否大于某一阈值，若是，则插入小相位，反之则不插入小相位；

(v)相位关键车道放行完毕，清空集合A_g和A_r；

所述过饱和车道控制下的相位相序优化策略，包括下述步骤：

(a)找出排队长度最大(或流量比最大)的车道作为关键车道，并归入绿灯通行集合A_g；

(b)找出与集合A_g中车道方向相冲突的车道归入红灯等待集合A_r，然后在集合A_g车道方向相容的车道中排队长度最大的车道归入绿灯通行集合A_g，集合A_g中的所有车道作为一个相位；

(c)根据排队长度算出上述相位的初始绿灯时间；

(d)在该相位结束前，计算本相位车道需要延长的绿灯时间；

(e)判断车道绿灯时间之差是否大于某一阈值，若是，则插入小相位，反之则不插入小相位；

(f)相位关键车道放行完毕，清空集合A_g和A_r。

本发明将交叉路口流量比最大的车道称为关键车道，将一个相位结束前提前启动另一个相位的一个或多个车道，称为增容车道。另外，步骤(7)中，为适应交通需求的变化，适应大流量下的车道，需实时调整路口部分车道与相邻路口关键车道的相位差，实现大车流在少遇红灯的情况下，连续不间断地通过路口。

根据交通状况和饱和度大小，选择合适的车道控制方法来优化相位具有一定的灵活性。作为优选，所述步骤(3)中，每个车道的通行能力c_i表示为：相位饱和度X_j、交叉路口的饱和度X_c和周期C分别如下所示：

$X_i=\frac{v_i+Q_i/C}{c_i}=\frac{v_i+Q_i/C}{N_i{S}_i}\×\frac{C}{C-L}$

$X_c=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\frac{v_i+Q_i/C}{N_i{S}_i}\×\frac{C}{C-L}$

$C=\frac{1.5L+5}{1-X_c}$

式中，I为相位的总数，S_i为关键车道i的饱和流量，g_i为关键车道i所需的绿灯时间，C为交叉路口的周期时间，v_i为关键车道i车辆的交通需求，Q_i为关键车道i剩余的排队车辆，N_i为具有相同功能的关键车道数，L为一个周期内路口各相位损失时间之和。

作为优选，步骤(4)中，车道优先放行根据各车道流量比大小进行判断，所述车道的流量比通过下述表达式计算得到：

$Y_i=\frac{v_i+Q_i/C}{N_i{S}_i}$

式中：Y_i为车道i的流量比，v_i为车道i车辆的交通需求；Q_i为车道i剩余的排队车辆，N_i为具有相同功能的车道数，S_i为车道i的饱和流量，C为交叉路口的周期时间。

作为优选，步骤(4)中，把增容车道归入集合A_g。如果增容车道未放行完毕，优先把增容车道归入集合A_g。

作为优选，所述步骤(4)中，若在过饱和状况下，相位j的初始绿灯时间根据相位中车道排队的车辆数Q_j来确定，相位j中车道m的初始绿灯时间即 $G_j^m=h(Q_j^m-1)+\mathrm{\τ},$ 车道n的初始绿时为 则相位j的放行初始绿灯时间式中，τ为相位启动损失时间和驾驶员反应时间，h为饱和车头时距。欠饱和状况和过饱和状况下交叉路口信号配时方案根据交通需求的大小，它们的相位优化策略不同。

作为优选，在相位放行车道中的绿灯时间G_init结束前，根据检测器检测到的车辆数，分别判断是否需要延长此相位中车道上的绿灯时间；

考虑到行人和非机动车的通行需求，需约定最小绿灯时间，设定最小绿灯时间G_min，要求G_min≤G_j，当G_j≤G_min时，取G_j＝G_min；利用进口道上游检测器检测交通流参数，最大绿灯时间G_max根据驾驶员的心理承受能力和交通状况决定，设定最大绿灯时间G_max，当G_j≥G_max时，令G_j＝G_max；分别算出本相位车道需要延续的绿灯时间和

车道m延长的绿灯时间 ${\mathrm{\ΔG}}_j^m=\frac{l_{\mathrm{veh}}\×q_j^m+l_d}{V};$

相位j的绿灯时间 $G_j=\max \{G_j^m+{\mathrm{\ΔG}}_j^m,G_j^n+{\mathrm{\ΔG}}_j^n\};$

过饱和状态下交叉路口的周期C＝∑G_j+L；

式中，表示从后续到达的车流第一辆车开始计时，到最后一辆车通过停止线的时间；l_veh为车辆的平均长度，为车道m后续到达的车辆数，l_d为检测器到停止线的距离，V为车辆的平均速度，L为一个周期内路口各相位损失时间之和。

作为优选，如果某一相位下的关键车道的绿灯时间G_j与该相位下其他车道中实际所需的绿灯时间g_ji的差值超过阀值T_j时，则在该相位中插入一个小相位，否则不插入小相位，并把已经放行的车道作上标记；

当插入小相位后，实时调整相关车道的开启和关闭，使得关键车道在本相位结束时被放行完毕；如果选择的增容车道不属于下一个相位的放行车道，此时需要对接下来的相位相序进行重新优化组合，为了避免车流不连续放行，相位频繁切换，浪费更多的时间，令增容车道为下一个相位的关键车道，清空集合A_g，跳转到步骤(4)；

插入小相位需满足该判别式：G_j-g_ji≥T_j

其中： $G_j=\frac{Y_j}{Y}(C-L),g_{\mathrm{ji}}=\frac{y_{\mathrm{ji}}}{Y_j}\×G_j=\frac{y_{\mathrm{ji}}}{Y}(C-L)$

则判别式具体表示为： $Y_j-y_{\mathrm{ji}}\≥T_j\×\frac{Y}{C-L}$

式中，为所有相位关键车道流量比之和，Y_j为相位j中关键车道的流量比，y_ji为相位j中车道i的流量比，G_j为相位j即关键车道的绿灯时间，g_ji为相位j中车道i的绿灯时间，T_j为第j相位的损失时间阈值；

作为优选，所述步骤(6)中，所有的车道至少被放行一次才算一个周期，当左转车道流量无法在一个绿灯时间内放行完并剩余一定的排队车辆时，把与该车道相邻的对向车道作为该方向的绿色左转车道。具体需根据实际路况和与上游路口之间的距离等确定是否把与该车道相邻的对向车道作为该方向的绿色左转车道(增容车道)，此时相当于增加了一条左转车道，缩短了左转车辆通过路口的时间。当饱和度大于1时，即过饱和状态下所有车道被放行过，不考虑车道是否重复放行过，才算一个周期；反之即在欠饱和状态下保证所有的车道被放行过；某些情况下由于增容车道的插入，使得最后一个相位可能只有一个车道被放行，为了充分利用时空资源，此时可找到与之无冲突、可能被放行过的车道进行相位组合。

单个交叉路口需求较大的车道得到优先放行(过饱和状况下可能会多次放行)势必会加重下游交叉口的负担，此时需实时调整该方向关键车道的相位差，让车流连续不间断的通过交叉口。作为优选，步骤(7)中，实时调整关键车道方向的相位差时，相邻路口n和n-1与车道m之间实时相位差表达式如下：

$Q_{n-1,n}^m\left(k\right)=\frac{l_{n-1,n}-l_{\mathrm{veh}}{Q}^m\left(k\right)}{v_{n-1,n}}-\frac{l_{\mathrm{veh}}}{\mathrm{\ψ}}{Q}^m\left(k\right)$

式中，l_n-1,n为相邻路口之间的距离，Q^m(k)表示在第k个周期车道m上剩余的排队车辆，v_n-1,n表示上游路口n-1的车流进入下游路口n车辆的平均速度，ψ交叉路口排队车辆消散波的速度。

本方法的有益效果在于：

本发明给出的一种需求车道组合相位的优化方法能够根据不同的交通状况实时采用相应的车道控制策略实现相位相序的优化和重组，克服了传统对口放行四相位和单口放行四相位控制方案存在的缺陷，即不能根据实时变化的交通流调整路口相位相序的放行方式，使得不均衡交通流的放行造成一定的时空资源浪费等的缺陷；本发明根据路口实际情况，随各方向等待车辆数多少改变相位，等待车辆多的车道先放行，等待车辆少的车道后放行，在一定程度上可缓解大流量下交叉路口拥堵的问题。

附图说明

图1是交叉路口车道信号灯布置图；

图2是相容车道关系图；

图3是交叉路口相位设计流程图；

图4是欠饱和车道控制下相位优化流程图；

图5是过饱和车道控制下相位优化流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步阐释，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例中表述的范围。

针对某一个典型交叉路口，不考虑行人、非机车和右转车辆的影响，交叉路口车道信号灯布置如图1所示(右转车道未在图中标出)；开放通行权的车道(不冲突)最多只有两个功能不同的车道，如图2所示，图2中两两车道之间的连线表示他们车流没有冲突，可以同时放行(忽略右转车道)。

表1列出了该十字交叉路口各方向的机动车流量、车道数及车道功能情况。分析发现，该交叉路口对向车道组流量比明显不平衡。同一进口的直行车道组和左转车道组的流率比相差较大。由此初步预见，该交叉路口不易采用传统四相位控制方案和单口四相位控制方案。假设按照传统四相位控制方案进行配时，总损失时间L＝12s，判断此刻传统四相位控制方案是否合适，相位相序设计如表2所示，计算结果如表3所示。

表1交叉路口高峰小时交通量

表2传统四相位

表3传统四相位方案的分析结果

插入小相位需满足的条件为：可见，传统四相位浪费了很多的时空资源，因此需进行相位相序的优化。

参照图3，本发明提出的一种需求车道组合相位的优化方法，具体包括下述步骤：

(1)交叉路口每个进口车道上都设置一组信号灯，并把所有车道归入集合A；即收集交叉路口(交叉口)交通数据流量和几何条件；

(2)根据集合A中各个车道车辆排队长度和车辆到达率，判断交叉路口东西和南北各方向是否需要设置左转车道(每个周期判断一次)；若两方向都不需要，则采用传统两相位信号控制方案，转入步骤(7)；若只有一个方向需要或两个方向都需要，则转入步骤(3)；本实施例中需要设置左转车道；

(3)根据路口交通状况和几何条件计算其饱和度X_c，判断路口饱和度是否大于1，如果饱和度大于1，则执行过饱和车道控制下的相位相序优化策略，如果饱和度小于1，则执行欠饱和车道控制下的相位相序优化策略；每个车道的通行能力c_i表示为：相位饱和度X_j、交叉路口的饱和度X_c和周期C分别如下所示：

$X_i=\frac{v_i+Q_i/C}{c_i}=\frac{v_i+Q_i/C}{N_i{S}_i}\×\frac{C}{C-L}$

$X_c=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}\frac{v_i+Q_i/C}{N_i{S}_i}\×\frac{C}{C-L}$

$C=\frac{1.5L+5}{1-X_c}$

式中，I为相位的总数，S_i为关键车道i的饱和流量，g_i为关键车道i所需的绿灯时间，C为交叉路口的周期时间，v_i为关键车道i车辆的交通需求，Q_i为关键车道i剩余的排队车辆，N_i为具有相同功能的关键车道数，L为一个周期内路口各相位损失时间之和。

由于饱和度小于1，则执行欠饱和车道控制下的相位优化方案，控制流程如图4所示，所述欠饱和车道控制下的相位相序优化策略包括下述步骤：

(i)找出车流量最大(流量比最大)的车道作为关键车道，并归入绿灯通行集合A_g；

(ii)找出与关键车道无冲突且车辆到达率最大的车道组成一个相位；即找出与集合A_g中车道方向相冲突的车道归入红灯等待集合A_r，然后在集合A_g车道方向相容的车道中把流量比最大的车道归入绿灯通行集合A_g，集合A_g中的所有车道作为一个相位；

(iii)根据各车道流量比算出本相位的绿灯时间；可根据相位车道中车辆的到达率或排队长度进行确定；

(iv)判断车道绿灯时间之差是否大于某一阈值，若是，则插入小相位，反之则不插入小相位；

T_j为第j相位的损失时间阈值，T_j值的大小要根据实际情况而定，它与该相位下的关键车道组和所需实际通行时间最小的车道的通行能力、两者间冲突点的位置、信号周期等因素有关。根据实践经验，通常相位转换本身也要损失3s左右，故建议T_j≥5s；

插入小相位需满足该判别式：G_j-g_ji≥T_j

其中： $G_j=\frac{Y_j}{Y}(C-L),g_{\mathrm{ji}}=\frac{y_{\mathrm{ji}}}{Y_j}\×G_j=\frac{y_{\mathrm{ji}}}{Y}(C-L)$

则判别式具体表示为： $Y_j-y_{\mathrm{ji}}\≥T_j\×\frac{Y}{C-L}$

式中，为所有相位关键车道流量比之和，Y_j为相位j中关键车道的流量比，y_ji为相位j中车道i的流量比，G_j为相位j即关键车道的绿灯时间，g_ji为相位j中车道i的绿灯时间，L为一个周期内路口各相位损失时间之和；

由于传统四相位中都满足插入小相位的条件故得到相位1优化后的结果是该相位后面插入2个小相位；

(v)相位关键车道放行完毕，清空集合A_g和A_r；

(4)计算集合A中各个车道的流量比，找出该路口流量比最大的车道，即西进口的直行车道，并把该车道称为关键车道，归入集合A_g，将一个相位结束前提前启动另一个相位的一个或多个车道，称为增容车道，如果增容车道未放行完毕，优先把增容车道归入集合A_g，把与集合A_g中车道方向相冲突的车道归入红灯等待集A_r，然后在与集合车道方向相容的车道中把流量比最大的车道即东进口的直行车道归入绿灯通行集合A_g，集合A_g中的所有车道作为一个相位；

步骤(4)中，车道的流量比通过下述表达式计算得到：

$Y_i=\frac{v_i+Q_i/C}{N_i{S}_i}$

式中：Y_i为车道i的流量比，v_i为车道i车辆的交通需求；Q_i为车道i剩余的排队车辆，N_i为具有相同功能的车道数，S_i为车道i的饱和流量，C为交叉路口的周期时间；

(5)清空集合A_g和A_r，返回步骤(4)继续下一个相位的优化和组合，直到所有的车道都归入相位序列中；

(6)保证所有车道被放行完一次，当所有车道被放行完毕后，进入下一个周期的判断；如果所有的车道已被放行完毕，可考虑进行下一个周期的判断；若饱和度大于1，则启用过饱和车道控制下的相位优化组合，具体控制方案如图5所示；反之，启用欠饱和车道控制下的相位优化组合；所述过饱和车道控制下的相位相序优化策略，包括下述步骤：

(a)找出排队长度最大(或流量比最大)的车道作为关键车道，并归入绿灯通行集合A_g；

(b)找出与关键车道无冲突且车辆排队长度最大的车道组成一个相位；具体为：找出与集合A_g中车道方向相冲突的车道归入红灯等待集合A_r，然后在集合A_g车道方向相容的车道中把排队长度最大的车道归入绿灯通行集合A_g，集合A_g中的所有车道作为一个相位；

(c)根据排队长度算出本相位的初始绿灯时间；

相位j的初始绿灯时间根据相位中车道排队的车辆数Q_j来确定， $Q_j=\max \{Q_j^m,Q_j^n\},$ 相位j中车道m的初始绿灯时间即 $G_j^m=h(Q_j^m-1)+\mathrm{\τ},$ 车道n的初始绿时为 则相位j的放行初始绿灯时间式中，τ为相位启动损失时间和驾驶员反应时间，h为饱和车头时距；

(d)在该相位快结束时，计算本相位车道中可能延长的绿灯时间；

设定最小绿灯时间G_min，要求G_min≤G_j，当G_j≤G_min时，取G_j＝G_min；利用进口道上游检测器检测交通流参数，设定最大绿灯时间G_max，当G_j≥G_max时，令G_j＝G_max；分别算出本相位车道需要延续的绿灯时间和

车道m延长的绿灯时间 ${\mathrm{\ΔG}}_j^m=\frac{l_{\mathrm{veh}}\×q_j^m+l_d}{V};$

相位j的绿灯时间 $G_j=\max \{G_j^m+{\mathrm{\ΔG}}_j^m,G_j^n+{\mathrm{\ΔG}}_j^n\};$

过饱和状态下交叉路口的周期C＝∑G_j+L；

式中，表示从后续到达的车流第一辆车开始计时，到最后一辆车通过停止线的时间；l_veh为车辆的平均长度，为车道m后续到达的车辆数，l_d为检测器到停止线的距离，V为车辆的平均速度；

(e)判断车道绿灯时间之差是否大于某一阈值，若是，则插入小相位，反之则不插入小相位；

如果某一相位下的关键车道的绿灯时间G_j与该相位下其他车道中实际所需的绿灯时间g_ji的差值超过阀值T_j时，则在该相位中插入一个小相位，否则不插入小相位，并把已经放行的车道作上标记；

插入小相位需满足该判别式：G_j-g_ji≥T_j

其中： $G_j=\frac{Y_j}{Y}(C-L),g_{\mathrm{ji}}=\frac{y_{\mathrm{ji}}}{Y_j}\×G_j=\frac{y_{\mathrm{ji}}}{Y}(C-L)$

则判别式具体表示为： $Y_j-y_{\mathrm{ji}}\≥T_j\×\frac{Y}{C-L}$

式中，为所有相位关键车道流量比之和，Y_j为相位j中关键车道的流量比，y_ji为相位j中车道i的流量比，G_j为相位j即关键车道的绿灯时间，g_ji为相位j中车道i的绿灯时间；

当插入小相位后，实时调整相关车道的开启和关闭，使得关键车道在本相位结束时被放行完毕；如果选择的增容车道不属于下一个相位的放行车道，此时需要对接下来的相位相序进行重新优化组合，令增容车道为下一个相位的关键车道，清空集合A_g，跳转到步骤(4)；

(f)相位关键车道放行完毕，清空集合A_g和A_r；

(7)考虑与相邻路口进行协调控制，实时调整关键车道方向的相位差，让车流连续不间断的通过交叉路口；相邻路口n和n-1与车道m之间实时相位差表达式如下：

$Q_{n-1,n}^m\left(k\right)=\frac{l_{n-1,n}-l_{\mathrm{veh}}{Q}^m\left(k\right)}{v_{n-1,n}}-\frac{l_{\mathrm{veh}}}{\mathrm{\ψ}}{Q}^m\left(k\right)$

式中，l_n-1,n为相邻路口之间的距离，Q^m(k)表示在第k个周期车道m上剩余的排队车辆，v_n-1,n表示上游路口n-1的车流进入下游路口n车辆的平均速度，ψ交叉路口排队车辆消散波的速度。

最后得到该交叉路口的相位相序组合如表4所示的三相位。当左转车道流量较大时，可禁止与该车道相邻的对向车道，并把该车道作为绿色左转车道，如图1所标出的绿色左转车道，相当于增加了一条左转车道，缩短了左转车辆通过路口的时间。

表4优化后的三相位

此时相位1和2的流量比以关键车道为基准，总流量比为0.38+0.3+0.07＝0.75，周期为74s，优化前传统四相位的周期为176s，大大缩短了周期的长度，实验分析对比如表5所示。

表5实验分析对比

控制方案	周期/s	总流量比	相位个数	Webster延误/s
					传统四相位	176	0.87	4	75.4
车道组合相位	74	0.75	3	52.5

传统四相位控制方案、单口四相位控制方案均是在某一特定的情况下才能达到延误最小的目的，而需求车道组合相位的优化可以在所有可行方案中充分利用好有限的通行时间。不论是传统四相位方案还是单口四相位方案，都可以看作是本发明相位优化后得到的相位控制方案的特例。因此，本发明提出的相位优化方法可以用来判断任一相位控制方案设置是否合理，并在此基础上实现相位的优化和重组。

本发明根据交叉路口饱和度大小，采用合适车道控制下的相位优化方法，若饱和度大于1采用过饱和车道控制下的相位优化方法，反之采取欠饱和车道控制下的相位优化方法；优化过程中，实时计算相位内放行车道的流量均衡度大小，在满足条件的前提下，插入增容车道并与关键车道组成该相位下的小相位，以此平衡车流的不均衡，充分利用有限的时空资源；优化相位的同时，保证交通需求较大的车道在同一个周期内优先放行，特别是在车道车流量较大的环境下，并实时调整关键车道与下游交叉口之间车流协调控制。本发明可以克服传统对称放行四相位和单口放行四相位控制方案带来的缺陷，交互式车道组合相位的优化方法不仅实现了时空资源的充分利用，而且在一定程度上缓解了大流量下交通拥堵的问题，适合大部分交通流状况，具有一定的实际应用价值。

Claims (8)

1.一种需求车道组合相位的优化方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)交叉路口每个进口车道上都设置一组信号灯，并把所有车道归入集合A；

(2)根据集合A中各个车道车辆排队长度和车辆到达率，判断交叉路口东西和南北各方向是否需要设置左转车道；若都不需要，则采用两相位信号控制方案，转入步骤(7)，否则，转入步骤(3)；

(3)根据交叉路口交通状况和几何条件计算其饱和度X_c，如果饱和度小于1，执行欠饱和车道控制下的相位相序优化策略，否则执行过饱和车道控制下的相位相序优化策略；

(4)计算集合A中各个车道的流量比，找出流量比最大的车道作为关键车道，根据饱和度大小，采取合适的相位相序优化策略，并依次判断各相位是否需要插入增容车道，与原关键车道组成小相位；

(5)返回步骤(4)继续下一个相位的优化和组合，直到所有的车道都归入相位序列中；

(6)当所有车道被放行完毕后，进入下一个周期的判断；

(7)实时调整关键车道方向的相位差，让车流连续不间断的通过交叉路口；

其中，步骤(3)中，所述欠饱和车道控制下的相位相序优化策略包括下述步骤：

(i)找出流量比最大的车道作为关键车道，并归入绿灯通行集合A_g；

(ii)找出与集合A_g中车道方向相冲突的车道归入红灯等待集合A_r，然后在集合A_g车道方向相容的车道中把流量比最大的车道归入绿灯通行集合A_g，集合A_g中的所有车道作为一个相位；

(iii)根据各车道流量比算出上述相位的绿灯时间；

(iv)判断相位内车道绿灯时间之差是否大于某一阈值，若是，则插入小相位，反之则不插入小相位；

(v)相位关键车道放行完毕，清空集合A_g和A_r；

所述过饱和车道控制下的相位相序优化策略，包括下述步骤：

(a)找出排队长度最大的车道作为关键车道，并归入绿灯通行集合A_g；

(b)找出与集合A_g中车道方向相冲突的车道归入红灯等待集合A_r，然后在集合A_g车道方向相容的车道中把排队长度最大的车道归入绿灯通行集合A_g，集合A_g中的所有车道作为一个相位；

(c)根据排队长度算出上述相位的初始绿灯时间；

(d)在该相位结束前，计算本相位车道需要延长的绿灯时间；

(e)判断车道绿灯时间之差是否大于某一阈值，若是，则插入小相位，反之则不插入小相位；

(f)相位关键车道放行完毕，清空集合A_g和A_r。

2.根据权利要求1所述的需求车道组合相位的优化方法，其特征在于：所述步骤(3)中，每个车道的通行能力c_i表示为：相位饱和度X_i、交叉路口的饱和度X_c和周期C分别如下所示：

$X_i=\frac{v_i+Q_i/C}{c_i}=\frac{v_i+Q_i/C}{N_i{S}_i}\×\frac{C}{C-L}$

$X_c=\underset{i=1}{\overset{I}{\Σ}}\frac{v_i+Q_i/C}{N_i{S}_i}\×\frac{C}{C-L}$

$C=\frac{1.5L+5}{1-X_c}$

式中，I为相位的总数，S_i为关键车道i的饱和流量，g_i为关键车道i所需的绿灯时间，C为交叉路口的周期时间，v_i为关键车道i车辆的交通需求，Q_i为关键车道i剩余的排队车辆，N_i为具有相同功能的关键车道数，L为一个周期内路口各相位损失时间之和。

3.根据权利要求1所述的需求车道组合相位的优化方法，其特征在于：步骤(4)中，车道的流量比通过下述表达式计算得到：

$Y_i=\frac{v_i+Q_i/C}{N_i{S}_i}$

式中：Y_i为车道i的流量比，v_i为车道i车辆的交通需求；Q_i为车道i剩余的排队车辆，N_i为具有相同功能的车道数，S_i为车道i的饱和流量，C为交叉路口的周期时间。

4.根据权利要求1所述的需求车道组合相位的优化方法，其特征在于：把增容车道归入集合A_g。

5.根据权利要求1所述的需求车道组合相位的优化方法，其特征在于：所述步骤(4)中，若在过饱和状况下，相位j的初始绿灯时间根据相位中车道排队的车辆数Q_j来确定，相位j中车道m的初始绿灯时间即车道n的初始绿时为 则相位j的放行初始绿灯时间式中，τ为相位启动损失时间和驾驶员反应时间，h为饱和车头时距。

6.根据权利要求1所述的需求车道组合相位的优化方法，其特征在于：在相位放行车道中的绿灯时间G_init结束前，根据车检器检测到的车辆数，分别判断是否需要延长此相位中车道上的绿灯时间；

设定最小绿灯时间G_min，要求G_min≤G_j，当G_j≤G_min时，取G_j＝G_min；利用进口道上游检测器检测交通流参数，设定最大绿灯时间G_max，当G_j≥G_max时，令G_j＝G_max；分别算出本相位车道需要延续的绿灯时间和

车道m延长的绿灯时间

相位j的绿灯时间 $G_j=max\{G_j^m+{\mathrm{\ΔG}}_j^m,G_j^n+{\mathrm{\ΔG}}_j^n\};$

过饱和状态下交叉路口的周期C＝∑G_j+L；

式中，表示从后续到达的车流第一辆车开始计时，到最后一辆车通过停止线的时间；l_veh为车辆的平均长度，为车道m后续到达的车辆数，l_d为检测器到停止线的距离，V为车辆的平均速度，L为一个周期内路口各相位损失时间之和。

7.根据权利要求1所述的需求车道组合相位的优化方法，其特征在于：如果某一相位下的关键车道的绿灯时间G_j与该相位下其他车道中实际所需的绿灯时间g_ji的差值超过阀值T_j时，则在该相位中插入一个小相位，否则不插入小相位，并把已经放行的车道作上标记；

当插入小相位后，实时调整相关车道的开启和关闭，使得关键车道在本相位结束时被放行完毕；如果选择的增容车道不属于下一个相位的放行车道，此时需要对接下来的相位相序进行重新优化组合，令增容车道为下一个相位的关键车道，清空集合A_g，跳转到步骤(4)；

插入小相位需满足该判别式：G_j-g_ji≥T_j

其中： $G_j=\frac{Y_j}{Y}(C-L),g_{ji}=\frac{y_{ji}}{Y_j}\×G_j=\frac{y_{ji}}{Y}(C-L)$

则判别式具体表示为： $Y_j-y_{ji}\≥T_j\×\frac{Y}{C-L}$

式中，为所有相位关键车道流量比之和，Y_j为相位j中关键车道的流量比，y_ji为相位j中车道i的流量比，G_j为相位j即关键车道的绿灯时间，g_ji为相位j中车道i的绿灯时间，T_j为第j相位的损失时间阈值。

8.根据权利要求1所述的需求车道组合相位的优化方法，其特征在于：步骤(7)中，实时调整关键车道方向的相位差时，相邻路口n和n-1与车道m之间实时相位差表达式如下：

$O_{n-1,n}^m\left(k\right)=\frac{l_{n-1,n}-l_{veh}{Q}^m\left(k\right)}{v_{n-1,n}}-\frac{l_{veh}}{\mathrm{\ψ}}{Q}^m\left(k\right)$

式中，l_n-1,n为相邻路口之间的距离，Q^m(k)表示在第k个周期车道m上剩余的排队车辆，v_n-1,n表示上游路口n-1的车流进入下游路口n车辆的平均速度，ψ交叉路口排队车辆消散波的速度。