CN104123849A - 一种考虑动态排队长度的相邻交叉口双向联动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑动态排队长度的相邻交叉口双向联动控制方法，属于交通控制技术领域。本发明包括步骤：A、确定联动控制相邻交叉口及联动控制车流；B、计算联动控制交叉口单点控制信号周期；C、确定联动控制公共周期时长；D、计算联动控制交叉口各个相位有效绿灯时间；E、计算联动控制车流上下行方向实际单向最优相位差区间；F、确定双向联动控制交叉口最优相位差。本发明提出的方法可以适用于城市路网中相邻信号控制交叉口进行联动信号控制，减少联动控制车辆延误及停车次数、提高绿灯利用效率，改善交通信号联动控制效果，在城市路网交通信号控制方面具有实际工程运用价值。

Description

一种考虑动态排队长度的相邻交叉口双向联动控制方法

技术领域

本发明涉及一种考虑动态排队长度的相邻交叉口双向联动控制方法，属于交通控制技术领域。

背景技术

伴随我国经济的迅速发展，机动车保有量飞速增加，特别是私人小汽车保有量的与日俱增，导致了城市路网交通需求的快速增长。为了缓解交通拥堵问题，国家每年投入巨量资金进行道路网络建设，但是与飞速增加的交通需求相比，新建路网能提供的交通供给能力远远不足。而且依靠路网建设满足交通需求有着不可避免的缺点，如道路建设所需时间周期较长、所需资金巨大，建设期间影响城市交通的正常运行等。因此先进的交通信号控制技术成为解决城市交通拥堵问题的重要方法。目前许多城市道路网中，交叉口单点控制依然是城市交通信号控制的主要方式，这种单点信号控制方式由于没有对相邻交叉口进行协调，因此车辆在交叉口间的行驶过程中经常会遇到红灯，时停时开，造成车辆延误和停车次数的增加。为解决交通流时空连续性与交叉路口单点控制之间的矛盾，在交通控制中可以把物理结构上直接相连的信号控制交叉口作为一个系统进行统一的联动控制，这种交通信号控制方法称为交通信号联动控制，将进行交通信号联动控制的交叉口称为联动控制交叉口，将进行交通信号联动控制的车流称为联动控制车流。与单个交叉口的单点控制方式相比，交通信号联动控制可以实现多个交叉口的联动，将联动控制交叉口作为一个整体系统来进行信号控制优化，因此交通信号联动控制的优化空间和范围均高于单点信号控制方式，联动控制优化的结果将是多个交叉口的整体最优结果，而单点信号控制的优化结果仅仅是单个交叉口的局部最优。所以同样的条件下，一般采用交通信号联动控制将会获得比单点信号控制更好的控制效果。

现有的交通信号联动控制方法中，一般取联动信号控制交叉口中较大周期作为公共周期，忽视了公共周期时长对联动控制效果的影响，一般只对联动控制交叉口相位差进行优化，比较成熟的信号相位差优化方法有图解法和数解法。图解法通过制图确定联动控制相位差；数解法通过将交叉口间理想间距与实际间距进行对比，优化交叉口间相位差。这两种方法均存在着明显缺陷，图解法追求联动控制交叉口的绿波带宽度最大，这样导致容易出现主路车流绿灯时间利用效率低而支路车流出现严重拥堵；数解法追求实际交叉口与理想交叉口最大挪移量最小，在数学上有一定合理性，但这种方法算法复杂，且未考虑实际交叉口中排队长度动态变化等因素对联动控制的影响。因此实际中联动控制效果并不理想，未能完全发挥应有的作用。

发明内容

本发明提供了一种考虑动态排队长度的相邻交叉口双向联动控制方法，在考虑联动控制车流动态排队长度的基础上，通过优化联动控制交叉口信号配时参数，实现相邻交叉口双向联动信号控制，克服以往城市交通信号联动控制算法复杂、未优化公共周期及实际应用效果不佳的缺点。

本发明的技术方案是：一种考虑动态排队长度的相邻交叉口双向联动控制方法，所述方法的具体步骤如下：

A、首先确定联动控制相邻交叉口及联动控制车流；

联动控制交叉口在物理结构上直接相连，且路段上无影响机动车流正常运行的出入口，为防止联动控制车流过于离散，联动控制交叉口间距不超过1000米，且联动控制交叉口处于不饱和状态；

选择联动控制交叉口间流量较大且相关性较高的车流作为联动控制车流，考虑到要进行双向联动控制，因此同一个交叉口的联动控制车流处于同一相位中，再调查联动控制车流在联动控制交叉口间的行程速度；

B、调查联动控制交叉口信号相位相序、相位损失时间及交通流参数，交通流参数包括交叉口各进口车道的标准交通流量、饱和流率，再采用单点信号控制韦伯斯特方法，计算联动控制交叉口单点控制信号周期；

C、确定联动控制交叉口公共周期时长；联动控制交叉口公共周期时长与理想信号周期时长差值的绝对值最小，即要满足                                               ；

其中是指公共周期时长，是指理想信号周期时长；同时要求联动控制交叉口采用公共周期时交叉口总的饱和度不会超过0.9，以保证交叉口正常运行，其中理想信号周期是指满足公式的信号周期时长，其中M是指联动控制交叉口间距（米），是指联动控制车流的行程速度（米/秒），为自然数；

D、根据联动控制交叉口公共周期时长，再结合调查得到的交叉口各股车流的交通流量、饱和流率，利用计算公式，结合非联动控制车流饱和度为0.9的要求，计算可得到非联动控制车流所在相位绿灯时间，进而根据公式可求出联动控制车流所在相位有效绿灯时间；

其中，为非联动控制车流所在相位f绿灯时间（秒），为联动控制车流所在相位有效绿灯时间（秒），表示联动控制交叉口公共周期时长（秒），表示非联动控制车流所在相位f的饱和度，L表示交叉口关键相位损失时间之和（秒）；

E、根据联动控制交叉口间距及联动控制车流行程速度，分别计算联动控制车流上下行方向的理论单向最优相位差；然后根据联动控制交叉口间距、联动控制车流行程速度、联动控制车流红灯期间排队车辆数，利用公式修正联动控制车流上下行方向的理论单向最优相位差，得到修正后的联动控制车流上下行方向实际单向最优相位差区间；

其中是修正后的联动控制车流上下行方向的实际单向最优相位差区间，是联动控制车流上下行方向理论单向最优相位差（秒），t是考虑联动控制车流全部启动至消散的时间区间；

F、确定双向联动控制交叉口最优相位差；双向联动控制交叉口最优相位差使得联动控制车流在上下行两个方向上的实际单向相位差与单向最优相位差的差值绝对值之和最小，即满足公式；

其中是指双向联动控制交叉口最优相位差（秒），是指联动控制车流上行方向单向最优相位差（秒），是指联动控制车流下行方向单向最优相位差（秒），根据步骤E的说明，与是与红灯期间排队车辆数有关的一个变化区间。

本发明提出的一种考虑动态排队长度的相邻交叉口双向联动控制方法可减少联动控制交叉口机动车延误及停车次数，优化信号交叉口双向联动控制效果。

本发明的有益效果：本发明提出的一种考虑动态排队长度的相邻交叉口双向联动控制方法，其优势在于在进行联动控制时考虑了公共周期对控制效果的影响，优化了公共周期参数；考虑了实际交通中交叉口排队动态变化的特征，提出了与之相符的最优相位差区间概念，扩展了联动控制中相位差的优化空间，为双向联动控制效果最佳提供了最大可能。因此，本发明在城市信号交叉口联动控制中具有较高的工程运用价值。

附图说明

图1为本发明中的总体流程图；

图2为本发明中具体实施例2中的交叉口及车流示意图。

具体实施方式

实施例1：如图1-2所示，一种考虑动态排队长度的相邻交叉口双向联动控制方法，所述方法的具体步骤如下：

A、首先确定联动控制相邻交叉口及联动控制车流；

联动控制交叉口在物理结构上直接相连，且路段上无影响机动车流正常运行的出入口，为防止联动控制车流过于离散，联动控制交叉口间距不超过1000米，且联动控制交叉口处于不饱和状态；

选择联动控制交叉口间流量较大且相关性较高的车流作为联动控制车流，考虑到要进行双向联动控制，因此同一个交叉口的联动控制车流处于同一相位中，再调查联动控制车流在联动控制交叉口间的行程速度；

B、调查联动控制交叉口信号相位相序、相位损失时间及交通流参数，交通流参数包括交叉口各进口车道的标准交通流量、饱和流率，再采用单点信号控制韦伯斯特方法，计算联动控制交叉口单点控制信号周期；

C、确定联动控制交叉口公共周期时长；联动控制交叉口公共周期时长与理想信号周期时长差值的绝对值最小，即要满足；

其中是指公共周期时长（秒），是指理想信号周期时长；同时要求联动控制交叉口采用公共周期时交叉口总的饱和度不会超过0.9，以保证交叉口正常运行。其中理想信号周期是指满足公式的信号周期时长，其中M是指联动控制交叉口间距（米），是指联动控制车流的行程速度（米/秒），为自然数；

D、根据联动控制交叉口公共周期时长，再结合调查得到的交叉口各股车流的交通流量、饱和流率，利用计算公式，结合非联动控制车流饱和度为0.9的要求，计算可得到非联动控制车流所在相位绿灯时间，进而根据公式可求出联动控制车流所在相位有效绿灯时间；

其中，为非联动控制车流所在相位f绿灯时间（秒），为联动控制车流所在相位有效绿灯时间（秒），表示联动控制交叉口公共周期时长（秒），表示非联动控制车流所在相位f的饱和度，L表示交叉口关键相位损失时间之和（秒）；

E、根据联动控制交叉口间距及联动控制车流行程速度，分别计算联动控制车流上下行方向的理论单向最优相位差；然后根据联动控制交叉口间距、联动控制车流行程速度、联动控制车流红灯期间排队车辆数，利用公式修正联动控制车流上下行方向的理论单向最优相位差，得到修正后的联动控制车流上下行方向实际单向最优相位差区间；

其中是修正后的联动控制车流上下行方向的实际单向最优相位差区间，是联动控制车流上下行方向理论单向最优相位差（秒），t是考虑联动控制车流全部启动至消散的时间区间；

F、确定双向联动控制交叉口最优相位差；双向联动控制交叉口最优相位差使得联动控制车流在上下行两个方向上的实际单向相位差与单向最优相位差的差值绝对值之和最小，即满足公式；

其中是指双向联动控制交叉口最优相位差（秒），是指联动控制车流上行方向单向最优相位差（秒），是指联动控制车流下行方向单向最优相位差（秒），根据步骤E的说明，与是与红灯期间排队车辆数有关的一个变化区间。

实施例2：如图1-2所示，一种考虑动态排队长度的相邻交叉口双向联动控制方法，本实施例结合附图2以某城市道路上两个相邻交叉口为例进行说明，

所述一种考虑动态排队长度的相邻交叉口双向联动控制方法的具体步骤如下：

A、图2中交叉口1和交叉口2作为联动控制相邻交叉口，交叉口1与交叉口2间距为400米，其中车流11、14、21、24为联动控制车流，联动控制车流在交叉口1与交叉口2间的行程速度均为10米/秒，车流13、16、23、26为非联动控制车流，右转车流无信号控制；

B、调查示例联动控制交叉口的信号控制参数如表1所示，交通流参数如表2所示，根据表1及表2所示数据，采用单点信号控制韦伯斯特方法计算示例联动控制交叉口初始信号周期，由韦伯斯特周期计算公式分别计算交叉口1与交叉口2单点信号控制时的周期时长，从而得到交叉口1单点控制时周期为93秒，交叉口2单点控制时周期为62秒； 

C、确定联动控制交叉口公共周期时长，联动控制交叉口公共周期时长与理想信号周期时长差值的绝对值最小，即要满足；其中是指公共周期时长，是指理想信号周期时长。已知示例交叉口间距为400米，联动控制车流在联动控制交叉口间的行程速度为10米/秒，因此由公式计算得到理想信号周期，其中M是指联动控制交叉口间距（米），是指联动控制车流的行程速度（米/秒），为自然数；但在实际中考虑到交叉口信号控制最小周期的要求，一般n取值为1或2，具体取值需要参考单点信号控制周期确定。由步骤B知交叉口1单点控制时周期为93秒，交叉口2单点控制时周期为62秒，因此n取1时理想信号周期秒，此时理想信号周期与单点控制时周期较为接近，因此n取1，理想信号周期秒。联动控制交叉口公共周期取80秒时，公共周期与理想信号周期差值的绝对值最小，此时=0。验证公共周期取80秒时交叉口1与交叉口2的饱和度，已知饱和度计算公式，其中X为交叉口饱和度，Y为交叉口关键车流流量比之和，为交叉口绿信比之和。由饱和度计算公式及交叉口1、2的交通流参数，计算得到当公共周期取80秒时交叉口1饱和度为0.90，交叉口2饱和度为0.79，即此时交叉口1与交叉口2的饱和度均未超过0.9，可以保证车流正常运行。因此，确定联动控制交叉口公共周期为80秒；

D、由步骤C知联动控制公共周期时长为80秒，结合表1、表2所示联动控制交叉口的交通参数，利用公式相位有效绿灯时间计算公式，结合非联动控制车流饱和度为0.9的要求，计算可得到非联动控制车流所在相位绿灯时间，进而根据公式可求出联动控制车流所在相位绿灯时间，结果如表3所示；

其中，为非联动控制车流所在相位f绿灯时间，为联动控制车流所在相位有效绿灯时间，表示联动控制交叉口公共周期时长，表示非联动控制车流所在相位f的饱和度，L表示交叉口关键相位损失时间之和；

E、已知示例交叉口1、 2间距为400米，联动控制车流行程速度为10米/秒，因为联动控制理论单向最优相位差等于交叉口间距除以联动控制车流行程速度，计算可得到示例中联动控制车流上下行方向的理论单向最优相位差均为40秒。但理论单向最优相位差未考虑联动控制车流在红灯期间排队车辆的影响，利用公式进行修正，其中t是考虑联动控制车流全部启动至消散的时间区间，t的取值范围由联动控制车流在红灯期间的排队车辆数及饱和流率决定，由表2可知联动控制车流的流量及饱和流率，由步骤D可知联动控制车流的红灯时长，因此上行方向t的取值范围为[8，16]，下行方向t的取值范围为[7，14]。根据上下行方向t的取值范围及理论单向最优相位差均为40秒，计算得到修正后的联动控制车流上行方向实际单向最优相位差区间为[24，32]，修正后的联动控制车流下行方向实际单向最优相位差区间为[26，33]。

其中是修正后的联动控制车流上下行方向的实际单向最优相位差区间，是联动控制车流上下行方向理论单向最优相位差，t是考虑联动控制车流全部启动至消散的时间区间；

F、确定双向联动控制交叉口最优相位差；双向联动控制交叉口最优相位差使得联动控制车流在上下行两个方向上的实际单向相位差与单向最优相位差的差值绝对值之和最小，即满足公式；结合步骤E求出的联动控制车流上下行方向实际单向最优相位差区间，确定双向联动控制交叉口相位差为32秒，此时联动控制车流在两个方向上的实际单向相位差与单向最优相位差的差值绝对值之和15，是可能达到的最小值。此时联动控制车流在上下行双向上可以取得最佳协调控制效果；

其中是指双向联动控制交叉口最优相位差，是指联动控制车流上行方向单向最优相位差，是指联动控制车流下行方向单向最优相位差，根据步骤E的说明，与是与红灯期间排队车辆数有关的一个变化区间。

为了能够直观反映本发明的优势，分别用单点控制方法、联动控制数解法和本发明提出的一种考虑动态排队长度的相邻交叉口双向联动控制方法对某道路上两个相邻信号控制交叉口进行控制配时，并利用交通仿真软件VISSIM进行联动效果评价，结果如表4、表5所示，可以看出本发明提出的方法控制效果较好，车辆延误与停车次数均明显小于单点控制方法和联动控制数解法。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种考虑动态排队长度的相邻交叉口双向联动控制方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：

A、首先确定联动控制相邻交叉口及联动控制车流；

联动控制交叉口在物理结构上直接相连，且路段上无影响机动车流正常运行的出入口，联动控制交叉口间距不超过1000米，且联动控制交叉口处于不饱和状态；

选择联动控制交叉口间流量较大且相关性较高的车流作为联动控制车流，同一个交叉口的联动控制车流处于同一相位中，再调查联动控制车流在联动控制交叉口间的行程速度；

B、调查联动控制交叉口信号相位相序、相位损失时间及交通流参数，交通流参数包括交叉口各进口车道的标准交通流量、饱和流率，再采用单点信号控制韦伯斯特方法，计算联动控制交叉口单点控制信号周期；

C、确定联动控制交叉口公共周期时长；联动控制交叉口公共周期时长与理想信号周期时长差值的绝对值最小，即要满足                                                ；

其中是指公共周期时长，是指理想信号周期时长；同时要求联动控制交叉口采用公共周期时交叉口总的饱和度不会超过0.9，其中理想信号周期是指满足公式的信号周期时长，其中M是指联动控制交叉口间距，是指联动控制车流的行程速度，为自然数；

D、根据联动控制交叉口公共周期时长，再结合调查得到的交叉口各股车流的交通流量、饱和流率，利用计算公式，结合非联动控制车流饱和度为0.9的要求，计算可得到非联动控制车流所在相位绿灯时间，进而根据公式可求出联动控制车流所在相位有效绿灯时间；

其中，为非联动控制车流所在相位f绿灯时间，为联动控制车流所在相位有效绿灯时间，表示联动控制交叉口公共周期时长，表示非联动控制车流所在相位f的饱和度，L表示交叉口关键相位损失时间之和；

E、根据联动控制交叉口间距及联动控制车流行程速度，分别计算联动控制车流上下行方向的理论单向最优相位差；然后根据联动控制交叉口间距、联动控制车流行程速度、联动控制车流红灯期间排队车辆数，利用公式修正联动控制车流上下行方向的理论单向最优相位差，得到修正后的联动控制车流上下行方向实际单向最优相位差区间；

其中是修正后的联动控制车流上下行方向的实际单向最优相位差区间，是联动控制车流上下行方向理论单向最优相位差，t是考虑联动控制车流全部启动至消散的时间区间；

F、确定双向联动控制交叉口最优相位差；双向联动控制交叉口最优相位差使得联动控制车流在上下行两个方向上的实际单向相位差与单向最优相位差的差值绝对值之和最小，即满足公式 ；

其中是指双向联动控制交叉口最优相位差，是指联动控制车流上行方向单向最优相位差，是指联动控制车流下行方向单向最优相位差，根据步骤E的说明，与是与红灯期间排队车辆数有关的一个变化区间。