CN104485004A - 主干道双向动态绿波与次干道半感应相结合的信号控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种主干道双向动态绿波与次干道半感应相结合的信号控制方法，包括下列步骤：初始化交通信号控制系统的相关参数，包括：公共信号周期、各个交叉口绿信比、各个交叉口主干道方向上下行相位差。主干道协调参数处理：对公共信号周期、各个交叉口绿信比、各个交叉口主干道方向上下行相位差进行调整优化。次干道半感应控制的处理：次干道最短绿灯时间的设定及优化、次干道最大绿灯时间的设定及优化、次干道绿灯延续时间设定及优化、满足次干道通行的阀值设定及优化。本发明使得绿波带呈现动态性，更好的适应实时的交通流，利于提高主干道通行能力。

Description

主干道双向动态绿波与次干道半感应相结合的信号控制方法

技术领域

本发明涉及交通控制领域，尤其是一种交通信号灯的控制方法。

背景技术

近年来，我国经济不断高速发展，城市建设不断推进，交通流也在不断膨胀。同时，随着经济的发展，居民对出行的便捷性和舒适性有了更高的要求，导致私家车数量快速增加，交通需求的压力持续增大。道路交通基础设施建设的不完备以及交通信号控制策略的落后，使得交通拥堵问题尤为突出。

为缓解这一问题，国内外很多学者相继对干道控制进行了大量的研究和实践。在干道控制的研究和实践中，绿波技术是研究比较广泛，也比较早的技术，是现在干道交通控制研究中的热点。

但是现有的绿波控制算法中，各相位的绿灯时间通过流量计算得出后就不会改变，至少在一个周期内是固定的，这对于主干道和次干道流量差距较大的路段，尤其是次干道的流量波动性较强的路段，会出现次干道绿灯时间用不了，主干道绿灯时间不够用的情况，造成次干道绿灯时间的浪费，整个周期绿灯利用率低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种主干道双向动态绿波与次干道半感应相结合的信号控制方法，有利于提高主干道通行能力。本发明采用的技术方案是：

一种主干道双向动态绿波与次干道半感应相结合的信号控制方法，包括下列步骤：

步骤一.初始化交通信号控制系统的相关参数，包括：公共信号周期、各个交叉口绿信比、各个交叉口主干道方向上下行相位差；

步骤二.主干道协调参数处理：对公共信号周期、各个交叉口绿信比、各个交叉口主干道方向上下行相位差进行调整优化；

步骤三.次干道半感应控制的处理：次干道最短绿灯时间的设定及优化、次干道最大绿灯时间的设定及优化、次干道绿灯延续时间设定及优化、满足次干道通行的阀值设定及优化；

所述的周期为：交叉口任一方向上，信号灯色按设定的顺序循环一周所需的时间，用C表示；

所述的公共周期为：从所有交叉口中，选出周期最大的作为公共周期，用C_m表示，最大周期的交叉口称为关键交叉口；

所述的相位差为：沿着车辆行驶方向，任意两个相邻交叉口的同一相位绿灯或红灯起始时间之差，车辆行驶方向包括上行方向和下行方向，相位差包括上行相位差和下行相位差；

所述的绿信比：绿信比是指一个信号周期内某信号相位的有效绿灯时间与信号周期的比值，用λ表示。

$\mathrm{\λ}=\frac{t_{\mathrm{EG}}}{C}---\left(1\right)$

式(1)中，t_EG表示有效绿灯时间；

所述的次干道最短绿灯时间为：单个交叉口的次干道方向绿灯时间的最小值；

所述的次干道最大绿灯时间为：单个交叉口的次干道方向绿灯时间的最大值；

所述的次干道绿灯延续时间为：单个交叉口的次干道最短绿灯时间结束后，在一定时间间隔内，测得次干道方向的后续车辆到达时所延长的绿灯时间。

进一步地，步骤二中，所述的对公共信号周期进行调整优化，计算步骤如下：

公共周期C_m取决于关键交叉口的交通流量，根据关键交叉口的实时交通流量信息，每隔8至10周期，重新计算得到新的C_m。

进一步地，步骤二中，所述的对各个交叉口主干道方向上下行相位差进行调整优化，计算步骤如下：

各交叉口上行相位差和下行相位差由各交叉口间的路段长度及车流的行驶速度决定，上下行相位差的调整与公共周期的调整同时进行，有以下等式成立：

${\mathrm{off}}_{p,u}^{i,i+1}\left(k\right)=\frac{d_{i,i+1}}{v_{i,i+1}\left(k\right)}---\left(2\right)$

${\mathrm{off}}_{p,d}^{i+1,i}\left(k\right)=\frac{d_{i+1,i}}{v_{i+1,i}\left(k\right)}---\left(3\right)$

d_i,i+1＝d_i+1,i

其中，表示第i个交叉口在第k个周期的上行相位差，d_i,i+1表示第i个交叉口到第i+1个交叉口的距离，v_i,i+1(k)表示第i个交叉口在第k周期的上行速度，表示第i+1个交叉口在第k周期的下行相位差，d_i+1,i表示第i+1个交叉口到第i个交叉口的距离，该值等于d_i,i+1，v_i+1,i(k)表示第i+1个交叉口在第k周期的下行速度。

进一步地，步骤二中，所述的对各个交叉口绿信比进行调整优化，计算步骤如下：

各个交叉口的绿信比独立计算，其中关键交叉口与非关键交叉口绿信比的计算不同，分别计算：

①关键交叉口协调相位有效绿灯时间及绿信比:

$t_{\mathrm{EGm}}=(C_m-L_m)\frac{y_m}{Y_m}---\left(4\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{t_{\mathrm{EGm}}}{C_m}---\left(5\right)$

其中，协调相位是指主干道绿波方向的相位；式(4)和式(5)中，t_EGm为关键交叉口协调相位的有效绿灯时间；C_m为公共周期时长；L_m为关键交叉口总损失时间，总的损失时间是指所有关键车流在其信号相位中的损失时间之和，关键车流是指实际流量与饱和流量比值最大的车流；y_m为关键交叉口协调相位关键车流的实际流量与饱和流量的比值；Y_m为关键交叉口各相位关键车流流量比之和；

②非关键交叉口协调相位的有效绿灯时间及绿信比：

$t_{\mathrm{EG}}=C_m-L-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{EGi}}---\left(6\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{t_{\mathrm{EG}}}{C}---\left(7\right)$

式(6)和式(7)中：t_EG为非关键交叉口协调相位的有效绿灯时间(s)；C_m为公共周期时长；L为非关键交叉口总损失时间；非关键交叉口非协调相位的有效绿灯时间计算公式为C表示交叉口周期，L表示总损失时间，y_i表示第i相位的关键车流的实际流量与饱和流量的比值，Y表示目标交叉口所有相位的关键车流实际流量与饱和流量的流量比之和；k为非关键交叉口非协调相位的相位总数，其中，非协调相位是指非绿波方向的相位。

进一步地，步骤三中，所述的对次干道最短绿灯时间进行优化，计算步骤如下：

通过下式(8)求得各交叉口次干道最短绿灯时间：

t_i,min＝min{t_i,meed，t_EGi}   (8)

其中，t_i,min表示交叉口次干道第i相位的最短绿灯时间，t_i,need表示交叉口次干道第i相位实际所需时间，t_EGi表示交叉口次干道，第i相位的有效绿灯时间；

所述的对次干道最大绿灯时间进行优化，计算步骤如下：

通过下式(9)求得各交叉口次干道最大绿灯时间：

t_i,max＝t_EGi   (9)

其中，t_i,max表示交叉口次干道，第i相位的最大绿灯时间；

所述的对次干道绿灯延续时间进行优化，计算步骤如下：

t_i,add＝t_i,max-t_i,min   (10)

其中，t_i,add表示交叉口次干道，i相位向交叉口主干道i–1相位贡献的绿灯时间；

所述的次干道通行的阀值设定及优化，具体方法为：设定次干道到达流量百分比阈值或者到达车辆数阈值，当次干道当前到达流量低于次干道到达流量百分比阈值或者次干道当前到达车辆数低于到达车辆数阈值，则将次干道绿灯时间分配给主干道。

本发明的优点在于：本发明将主干道动态双向绿波与次干道半感应控制结合，将次干道节余的绿灯时间二次分配给主干道，各个路口次干道各相位的绿灯时间呈现动态性，克服了传统绿波控制中，协调相位与非协调相位时间固定不变的缺点，提高路口的绿灯利用效率，提高了主干道通行能力，减少行车时间。

附图说明

图1为本发明的方法应用结构示意图。

图2为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明提出的一种主干道双向动态绿波与次干道半感应相结合的信号控制方法，包括下列步骤：

步骤一.初始化交通信号控制系统的相关参数，包括：公共信号周期、各个交叉口绿信比、各个交叉口主干道方向上下行相位差；

步骤二.主干道协调参数处理：对公共信号周期、各个交叉口绿信比、各个交叉口主干道方向上下行相位差进行调整优化；

步骤三.次干道半感应控制的处理：次干道最短绿灯时间的设定及优化、次干道最大绿灯时间的设定及优化、次干道绿灯延续时间设定及优化、满足次干道通行的阀值设定及优化；

所述的周期为：交叉口任一方向上，信号灯色按设定的顺序循环一周所需的时间，用C表示；

所述的公共周期为：从所有交叉口中，选出周期最大的作为公共周期，用C_m表示，最大周期的交叉口称为关键交叉口；

所述的相位差为：沿着车辆行驶方向，任意两个相邻交叉口的同一相位绿灯或红灯起始时间之差，车辆行驶方向包括上行方向和下行方向，相位差包括上行相位差和下行相位差，同一交叉口的上行相位差和下行相位差大多是不同的；

所述的绿信比：绿信比是指一个信号周期内某信号相位的有效绿灯时间与信号周期的比值，用λ表示。

$\mathrm{\λ}=\frac{t_{\mathrm{EG}}}{C}---\left(1\right)$

式(1)中，t_EG表示有效绿灯时间；

所述的次干道最短绿灯时间为：单个交叉口的次干道方向绿灯时间的最小值；

所述的次干道最大绿灯时间为：单个交叉口的次干道方向绿灯时间的最大值；

所述的次干道绿灯延续时间为：单个交叉口的次干道最短绿灯时间结束后，在一定时间间隔内，测得次干道方向的后续车辆到达时所延长的绿灯时间。

具体地，步骤二中，所述的对公共信号周期进行调整优化，计算步骤如下：

公共周期C_m取决于关键交叉口的交通流量，根据关键交叉口的实时交通流量信息，每隔8至10周期，重新计算得到新的C_m。

具体地，步骤二中，所述的对各个交叉口主干道方向上下行相位差进行调整优化，计算步骤如下：

各交叉口上行相位差和下行相位差由各交叉口间的路段长度及车流的行驶速度决定，上下行相位差的调整与公共周期的调整同时进行，有以下等式成立：

${\mathrm{off}}_{p,u}^{i,i+1}\left(k\right)=\frac{d_{i,i+1}}{v_{i,i+1}\left(k\right)}---\left(2\right)$

${\mathrm{off}}_{p,d}^{i+1,i}\left(k\right)=\frac{d_{i+1,i}}{v_{i+1,i}\left(k\right)}---\left(3\right)$

d_i,i+1＝d_i+1,i

其中，表示第i个交叉口在第k个周期的上行相位差，d_i,i+1表示第i个交叉口到第i+1个交叉口的距离，v_i,i+1(k)表示第i个交叉口在第k周期的上行速度，表示第i+1个交叉口在第k周期的下行相位差，d_i+1,i表示第i+1个交叉口到第i个交叉口的距离，该值等于d_i,i+1，v_i+1,i(k)表示第i+1个交叉口在第k周期的下行速度。

具体地，步骤二中，所述的对各个交叉口绿信比进行调整优化，计算步骤如下：

各个交叉口的绿信比独立计算，其中关键交叉口与非关键交叉口绿信比的计算稍有不同，分别计算：

①关键交叉口协调相位有效绿灯时间及绿信比:

$t_{\mathrm{EGm}}=(C_m-L_m)\frac{y_m}{Y_m}---\left(4\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{t_{\mathrm{EGm}}}{C_m}---\left(5\right)$

其中，协调相位是指主干道绿波方向的相位；式(4)和式(5)中，t_EGm为关键交叉口协调相位的有效绿灯时间(s)；C_m为公共周期时长(s)；L_m为关键交叉口总损失时间(s)，总的损失时间是指所有关键车流在其信号相位中的损失时间之和，关键车流是指实际流量与饱和流量比值最大的车流；y_m为关键交叉口协调相位关键车流的实际流量与饱和流量的比值；Y_m为关键交叉口各相位关键车流流量比之和；

②非关键交叉口协调相位的有效绿灯时间及绿信比：

$t_{\mathrm{EG}}=C_m-L-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{EGi}}---\left(6\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{t_{\mathrm{EG}}}{C}---\left(7\right)$

式(6)和式(7)中：t_EG为非关键交叉口协调相位的有效绿灯时间(s)；C_m为公共周期时长(s)；L为非关键交叉口总损失时间(s)；非关键交叉口非协调相位的有效绿灯时间计算公式为C表示交叉口周期，L表示总损失时间，y_i表示第i相位的关键车流的实际流量与饱和流量的比值，Y表示目标交叉口所有相位的关键车流实际流量与饱和流量的流量比之和；k为非关键交叉口非协调相位的相位总数，其中，非协调相位是指非绿波方向的相位。

具体地，步骤三中，所述的对次干道最短绿灯时间进行优化，计算步骤如下：

通过下式(8)求得各交叉口次干道最短绿灯时间：

t_i,min＝min{t_i,need，t_EGi}   (8)

其中，t_i,min表示交叉口次干道第i相位的最短绿灯时间，t_i,need表示交叉口次干道第i相位实际所需时间，t_EGi表示交叉口次干道，第i相位的有效绿灯时间；

所述的对次干道最大绿灯时间进行优化，计算步骤如下：

通过下式(9)求得各交叉口次干道最大绿灯时间：

t_i,max＝t_EGi   (9)

其中，t_i,max表示交叉口次干道，第i相位的最大绿灯时间；

所述的对次干道绿灯延续时间进行优化，计算步骤如下：

t_i,add＝t_i,max-t_i,mim   (10)

其中，t_i,add表示交叉口次干道，i相位向交叉口主干道i–1相位“贡献”的绿灯时间，也就是将次干道的绿灯时间t_i,add分配给主干道。

所述的次干道通行的阀值设定及优化，具体方法为：设定次干道到达流量百分比阈值或者到达车辆数阈值，当次干道当前到达流量低于次干道到达流量百分比阈值或者次干道当前到达车辆数低于到达车辆数阈值，则将次干道绿灯时间分配给主干道。这样在次干道车流较少时，对次干道的通行能够起到及时关闭的作用，使得主干道获得更多的通行时间。

上述主干道双向动态绿波与次干道半感应相结合的信号控制方法可应用在一个三层结构的控制实例中，依次为路口级、中间级、中心总控级。

路口级，为信号控制机，除了执行相应的控制信号，还负责收集路口(即交叉口)的实时交通流数据，并将数据提供给上层。

中间级，为了使得信号控制的功能明确，将系统的绿波控制和次干道半感应控制分离，中间级用来管理次干道的半感应控制，通过次干道的实时交通流信息，确定次干道绿灯的开始时间和结束时间。

中心总控级，负责整个路网的参数初始设定，运行期间，根据实时的交通流信息，对各个参数进行优化。整个控制过程，都是以路口实时监测的路况数据及交通流信息为中心的。在初始化各个参数后，根据得到的实时信息数据，不断的进行优化和调整。

图2所示是上述主干道双向动态绿波与次干道半感应相结合的信号控制方法的具体工作流程：

(1)获取数据：在系统启动后，加载相应的交通数据流；

(2)参数初始化，根据历史数据，对系统参数进行初始化，包括：公共信号周期、各个交叉口主干道方向上下行相位差、各交叉口绿信比、次干道通行的最小阀值、次干道最短绿灯时间、次干道绿灯延长时间；

(3)公共信号周期处理：系统运行后，根据实时的交通数据，对公共信号周期进行优化调整；

(4)上下行相位差处理：随着交通流的变化，各个交叉口主干道方向上下行相位差要实时优化调整；

(5)交叉口绿信比处理：根据实时交通流，调整各个交叉口的绿信比；

(6)次干道通行的最小阀值处理：根据各个次干道交通流的实时情况，调整各个次干道口通行的最小阀值；

(7)次干道最短绿灯时间处理：动态调整各个次干道的最短绿灯时间；

(8)次干道绿灯延长时间处理：优化调整各个次干道绿灯延长的增量；

(9)循环优化处理：循环整个优化过程。

Claims (5)

1.一种主干道双向动态绿波与次干道半感应相结合的信号控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

步骤一.初始化交通信号控制系统的相关参数，包括：公共信号周期、各个交叉口绿信比、各个交叉口主干道方向上下行相位差；

步骤二.主干道协调参数处理：对公共信号周期、各个交叉口绿信比、各个交叉口主干道方向上下行相位差进行调整优化；

步骤三.次干道半感应控制的处理：次干道最短绿灯时间的设定及优化、次干道最大绿灯时间的设定及优化、次干道绿灯延续时间设定及优化、满足次干道通行的阀值设定及优化；

所述的周期为：交叉口任一方向上，信号灯色按设定的顺序循环一周所需的时间，用C表示；

所述的公共周期为：从所有交叉口中，选出周期最大的作为公共周期，用C_m表示，最大周期的交叉口称为关键交叉口；

所述的相位差为：沿着车辆行驶方向，任意两个相邻交叉口的同一相位绿灯或红灯起始时间之差，车辆行驶方向包括上行方向和下行方向，相位差包括上行相位差和下行相位差；

所述的绿信比：绿信比是指一个信号周期内某信号相位的有效绿灯时间与信号周期的比值，用λ表示。

$\mathrm{\λ}=\frac{t_{\mathrm{EG}}}{C}---\left(1\right)$

式(1)中，t_EG表示有效绿灯时间；

所述的次干道最短绿灯时间为：单个交叉口的次干道方向绿灯时间的最小值；

所述的次干道最大绿灯时间为：单个交叉口的次干道方向绿灯时间的最大值；

所述的次干道绿灯延续时间为：单个交叉口的次干道最短绿灯时间结束后，在一定时间间隔内，测得次干道方向的后续车辆到达时所延长的绿灯时间。

2.如权利要求1所述的主干道双向动态绿波与次干道半感应相结合的信号控制方法，其特征在于，步骤二中，所述的对公共信号周期进行调整优化，计算步骤如下：

公共周期C_m取决于关键交叉口的交通流量，根据关键交叉口的实时交通流量信息，每隔8至10周期，重新计算得到新的C_m。

3.如权利要求1所述的主干道双向动态绿波与次干道半感应相结合的信号控制方法，其特征在于，步骤二中，所述的对各个交叉口主干道方向上下行相位差进行调整优化，计算步骤如下：

各交叉口上行相位差和下行相位差由各交叉口间的路段长度及车流的行驶速度决定，上下行相位差的调整与公共周期的调整同时进行，有以下等式成立：

${\mathrm{off}}_{p,u}^{i,i+1}\left(k\right)=\frac{d_{i,i+1}}{v_{i,i+1}\left(k\right)}---\left(2\right)$

${\mathrm{off}}_{p,d}^{i+1,i}\left(k\right)=\frac{d_{i+1,i}}{v_{i+1,i}\left(k\right)}---\left(3\right)$

d_i，i+1＝d_i+1，i

其中，表示第i个交叉口在第k个周期的上行相位差，d_i，i+1表示第i个交叉口到第i+1个交叉口的距离，v_i，i+1(k)表示第i个交叉口在第k周期的上行速度，表示第i+1个交叉口在第k周期的下行相位差，d_i+1，i表示第i+1个交叉口到第i个交叉口的距离，该值等于d_i，i+1，v_i+1，i(k)表示第i+1个交叉口在第k周期的下行速度。

4.如权利要求1所述的主干道双向动态绿波与次干道半感应相结合的信号控制方法，其特征在于，步骤二中，所述的对各个交叉口绿信比进行调整优化，计算步骤如下：

各个交叉口的绿信比独立计算，其中关键交叉口与非关键交叉口绿信比的计算不同，分别计算：

①关键交叉口协调相位有效绿灯时间及绿信比:

$t_{\mathrm{EGm}}=(C_m-L_m)\frac{y_m}{Y_m}---\left(4\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{t_{\mathrm{EGm}}}{C_m}---\left(5\right)$

其中，协调相位是指主干道绿波方向的相位；式(4)和式(5)中，t_EGm为关键交叉口协调相位的有效绿灯时间；C_m为公共周期时长；L_m为关键交叉口总损失时间，总的损失时间是指所有关键车流在其信号相位中的损失时间之和，关键车流是指实际流量与饱和流量比值最大的车流；y_m为关键交叉口协调相位关键车流的实际流量与饱和流量的比值；Y_m为关键交叉口各相位关键车流流量比之和；

②非关键交叉口协调相位的有效绿灯时间及绿信比：

$t_{\mathrm{EG}}=C_m-L-\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}{t}_{\mathrm{EGi}}---\left(6\right)$

$\mathrm{\λ}=\frac{t_{\mathrm{EG}}}{C}---\left(7\right)$

式(6)和式(7)中：t_EG为非关键交叉口协调相位的有效绿灯时间(s)；C_m为公共周期时长；L为非关键交叉口总损失时间；非关键交叉口非协调相位的有效绿灯时间计算公式为C表示交叉口周期，L表示总损失时间，y_i表示第i相位的关键车流的实际流量与饱和流量的比值，Y表示目标交叉口所有相位的关键车流实际流量与饱和流量的流量比之和；k为非关键交叉口非协调相位的相位总数，其中，非协调相位是指非绿波方向的相位。

5.如权利要求1所述的主干道双向动态绿波与次干道半感应相结合的信号控制方法，其特征在于，

步骤三中，所述的对次干道最短绿灯时间进行优化，计算步骤如下：

通过下式(8)求得各交叉口次干道最短绿灯时间：

t_i，min＝min{t_i，need，t_EGi}                         (8)

其中，t_i，min表示交叉口次干道第i相位的最短绿灯时间，t_i，need表示交叉口次干道第i相位实际所需时间，t_EGi表示交叉口次干道，第i相位的有效绿灯时间；

所述的对次干道最大绿灯时间进行优化，计算步骤如下：

通过下式(9)求得各交叉口次干道最大绿灯时间：

t_i，max＝t_EGi                                   (9)

其中，t_i，max表示交叉口次干道，第i相位的最大绿灯时间；

所述的对次干道绿灯延续时间进行优化，计算步骤如下：

t_i，add＝t_i，max-t_i，min                                (10)

其中，t_i，add表示交叉口次干道，i相位向交叉口主干道i–1相位贡献的绿灯时间；

所述的次干道通行的阀值设定及优化，具体方法为：设定次干道到达流量百分比阈值或者到达车辆数阈值，当次干道当前到达流量低于次干道到达流量百分比阈值或者次干道当前到达车辆数低于到达车辆数阈值，则将次干道绿灯时间分配给主干道。