CN104916142A - 一种干道优先的交叉口自适应交通信号控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种干道优先的交叉口自适应交通信号控制方法，首先，将交叉路口描述为一个切换服务系统，渠化车道相当于排队队列，交通信号控制机相当于中心控制器采用完全服务方式计算各个渠化车道占用路口资源的时间，通过交叉口各个历史监测数据；同时，对信号控制机设置最大绿灯时间上限，当干道绿灯时间大于绿灯时间上限时，信号控制机根据回退算法计算延长绿灯时间概率，以延长绿灯时间概率允许干道绿灯时间延长，当辅导绿灯时间大于绿灯时间上限时，按照绿灯时间上限进行绿灯信号配时。本发明所述方法有利于提高通行效率。

Description

一种干道优先的交叉口自适应交通信号控制方法

技术领域

本发明属于智能交通控制和自动化科学技术领域，具体地说，涉及一种干道优先的交叉口自适应交通信号控制方法。

背景技术

随着城市化进程的加速发展，城市居民增加，城市车辆保有量快速增长，随之而来的交通拥堵已经成为一个影响居民工作、生活质量的重要因素。在不考虑交通意外事故的条件下，道路交叉口通常是交通堵塞形成的起源。在道路基础设施建设、城市规划基本固定的前提下，通过合理设置交通信号实现交叉口通行能力的提高，不但可以节约居民出现时间，还能避免由交叉口堵塞而引发的邻近路段拥堵，进一步减轻由此造成的空气、噪声污染等问题。

传统的交通信号控制通常采用固定时长配时方法，为各信号灯相位设置固定的绿灯时间，从绿灯亮起时开始计时，计时到达指定时长后，当前相位转为黄灯，信号控制机经过一个黄灯时间过度后将绿灯切换到下一个相位，当前相位进入红灯阶段。固定配时控制方法容易实现但缺乏灵活性，例如，当车道已经清空但计时尚未结束，则信号灯无法切换会造成路口空闲；而当计时结束车辆尚未清空，且下一相位无车辆等待通过时，信号灯仍然切换同样造成路口资源浪费。Zhang等讨论了独立路口绿灯持续时间动态范围的优化设置，但该类方法需要经过多次迭代才能确定最优配时(IEEE transactions on intelligent transportation systems,2011,12(1):164-173.)。卫星等基于遗传控制算法以平均延误时间最小化作为优化目标提出一种交通信号自适应控制算法，但算法存在实时性和收敛性方面的不足(系统仿真学报,vol.24(11):2255-2258)；Boon等提出了按组完全控制方式下的车辆驱动策略，但在路口车流量分布不均匀时，某个具有较高车流量的车道会完全占据绿灯时间使得信号灯无法向下一个方向切换(Probability in the Engineering and Informational Sciences,2012,26(3):337-373.)；此外，上述方法中没有针对车道类型进行优先级的区分。章如峰等提出一种基于主干道协调优先的区域交通信号控制方法(CN102982688A,2013)，通过优化信号相位差实现主干道区域通行效 率的提高，但没有给出单点交叉口的配时方案，线控系统的实时优化计算复杂度较高；程琳等针对公交车和普通车辆混合行驶的道路交叉口提出了一种公交优先的交通信号控制方法(CN103065479A,2013)，但该方法仅以公交优先作为优化指标，没有考虑车流量、车道类型等因素。

相对公知的交通信号控制策略，本发明基于轮询控制方式，提出一种基于完全服务的干道优先交叉口自适应交通信号控制方法，讨论了当交叉口为干道和非干道交叉口时，如何根据完全服务规则进行信号配时计算并且通过设置最大绿灯时间上限保证车道间的公平性；另一方面，当某相位绿灯达到最大绿灯时间上限时，信号控制机再根据车道类型进一步确定信号灯切换方式：非干道绿灯时间到达上限后切换至下一相位，若为干道则按回退控制算法决定绿灯是否切换，从而保证干道优先通行权。经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种干道优先的交叉口自适应交通信号控制方法，以轮询控制系统为核心，以实现干道优先的交通信号控制为出发点，根据历史统计的车道饱和流率、车辆到达率、车道类型的参数，给出对交叉口各个相位进行交通信号基准配时，再根据实时交通情况，对基础配时进行自适应修正的方法，提出了完全清空策略配时计算方法，以及干道绿灯时间延长概率的计算方法。

其技术方案如下：

一种干道优先的交叉口自适应交通信号控制方法，首先，将交叉路口描述为一个切换服务系统，渠化车道相当于排队队列，交通信号控制机相当于中心控制器采用完全服务方式计算各个渠化车道占用路口资源的时间(绿灯时间)，通过交叉口各个历史监测数据；同时，对信号控制机设置最大绿灯时间上限，当干道绿灯时间大于绿灯时间上限时，信号控制机根据回退算法计算延长绿灯时间概率，以延长绿灯时间概率允许干道绿灯时间延长，当辅导绿灯时间大于绿灯时间上限时，按照绿灯时间上限进行绿灯信号配时。包括以下步骤：(1)初始化车道参数

将交叉路口描述为一个切换服务系统，渠化车道相当于排队队列，相同行驶方向的车道被视为一个信号相位，交通信号控制机相当于中心控制器，根据历史 监测数据实现交叉口信号控制系统的参数初始化：

N：交叉口信号相位数量；

i：信号相位编号，i＝1,2,…,N；

j：一天中时段编号，每个时段对应一小时，j＝1,2,…,24；

d_i,j：交叉口i信号相位在信号控制时段j的饱和流率；

s_i,j：交叉口i信号相位在信号控制时段j的车辆到达率；

i信号相位在信号控制时段j的流量比；

信号控制时段j的路口总负载。

(2)更新交叉口车辆行驶参数

通过实时监控设备捕获当前交叉口各信号相位车辆行驶参数，包括车辆到达率、交叉口饱和流率和车辆平均行驶速度，将实时监控数据与历史统计数据进行比较，当车辆到达率、实时监控到的车辆行驶速度或交叉口饱和流率与历史统计数据之间的误差大于±10％时，则将对应参数的历史统计数据更新为实时监控数据，随后采用更新后的数据进行基准绿灯配时计算。

(3)建立基于完全清空服务策略分析模型

基于概率母函数和嵌入式马尔科夫链理论，建立交叉口车辆排队数学模型，建立完全清空服务控制策略下，第i+1信号相位绿灯开始时刻，交叉口各相位排队车辆数联合概率分布的概率母函数Q_i+1(z₁,z₂,L,z_i,L,z_N)，用于描述交叉口车辆排队状态：

$\begin{array}{c}{Q}_{i+1}(z_1,z_2,L,z_i,L,z_N)\\ =\underset{n\→\∞}{\lim }R\left[\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}A\left(z_j\right)\right]Q_i[z_1,z_2,L,z_{i-1},B\left(\underset{\underset{\≠i}{k=1}}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left(A\left(z_k\right)\right)\right)F\left(\underset{\underset{k\≠i}{k=1}}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}\left(A\left(z\right)k\right)\right),z_{i+1},...,z_N]\end{array}$

其中A(z_i)、B(z_i)和R(z_i)分别表示i相位车道车辆到达过程、通过路口时间、相位间信号灯转换时间的概率母函数，F(z_i)表示i相位车道内的车辆完全清空耗时的概率母函数。

(4)计算绿灯开始时刻平均排队车辆数

基于概率母函数Q_i+1(z₁,z₂,L,z_i,L,z_N)表达式，计算j控制时段中，当信号相位i绿灯开始时，信号相位i车道停车线处的平均排队车辆数g_i,j：

$g_{i,j}=\frac{s_{i,j}(1-{\mathrm{\ρ}}_{i,j})\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}t\_y_{k,j}}{1-\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{k,j}}$

其中N是当前路口的信号相位总数，t_y_i,j是i信号相位在j控制时段的黄灯时间，黄灯时间t_y_i,j根据i信号相位路口长度L_i，i信号相位在j控制时段的平均车速v_i,j，和车辆平均制动时间t_brake求取：

其中，表示向上取整。

(5)计算绿灯配时长度

计算各信号相位在各个信号控制时段的基准绿灯时间和绿灯上限时间：

根据完全清空服务策略计算j控制时段信号相位i的基准绿灯时间T_i,j：

$T_{i,j}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{i,j}{g}_{i,j}}{s_{i,j}(1-{\mathrm{\ρ}}_{i,j})}=\frac{s_{i,j}{\mathrm{\Σ}}_{k=1}^{N}t\_y_{k,j}}{d_{i,j}(1-G_j)}$

设定绿灯时间上限t_gmax_i,j:

其中，表示向下取整。

(6)信号控制机切换控制

信号控制机在获得基准绿灯时间和绿灯上限时间后，针对干道相位和非干道相位采用如下不同的配时算法控制信号灯的切换。

优选地，步骤(6)信号机切换控制的算法包括以下步骤：

步骤1：判断当前相位车道类型；

步骤2：根据实时监控获取当前车道饱和流率、车辆行驶速度和车辆到达率，当与历史统计数据比较误差大于±10％时，将参数值更新为实时监控数据；

步骤3：根据车道类型，如果为干道则按照干道相位配时算法进行信号配时； 如果为非干道则按照非干道相位配时算法进行信号配时；

步骤4：绿灯时间计时结束，信号灯切换；

进一步优选，步骤3中所述非干道相位配时算法具体为：

步骤1：初始化：计算绿灯基准时间T_i,j；

步骤2：比较绿灯基准时间和绿灯时间上限；

步骤3：按照t_g_i,_j＝min{T_i,j,t_gmax_i,j}对当前相位进行绿灯配时；

步骤4：退出；

所述干道相位配时算法具体为：

步骤1：初始化：计算绿灯基准时间T_i,j,绿灯时间延长次数k＝1；

步骤2：比较绿灯基准时间T_i,j和绿灯时间上限t_gmax_i,j；

步骤3：按照t_g_i,_j＝min{T_i,j,t_gmax_i,j}对当前相位进行绿灯配时；；

步骤4：计时结束判断车道是否清空；若车道已清空，则退出；若没有清空，执行步骤5；

步骤5：以概率p＝ρ^k对干道绿灯时间以t_g_i,j＝t_g_i,j+Δt进行绿灯时间延长，其中k表示本次信号周期中的绿灯时间延长次数；以概率(1-p)退出，即生成0到1之间均匀分布的随机数σ，当σ<p则延长绿灯时间，否则，退出干道配时；其中t min T_i,j,t_gmax_i,j，更新k＝k+1返回步骤4。

本发明的有益效果：

1.利用计算机根据车辆到达率、交叉口饱和流率和车辆行驶速度等交叉口交通参数，通过建立基于清空服务方式的交通信号控制系统数学模型，计算交通信号各相位基准绿灯配时长度，实现根据实时交通状态的动态信号配时，有利于提高通行效率。

2.根据实时监控数据对基准绿灯配时计算中的相关参数进行更新，保证基准绿灯配时的有效性；同时允许参数具有一定波动性，避免因参数频繁更新在实际应用中造成的控制复杂度和控制时延的增加。

3.根据车辆及行人通行行为设置绿灯配时长度上、下限，更符合实际交通控制需要。

4.在绿灯基准配时结果的基础上，针对干道相位，采用概率回退算法进行绿灯时间延长，在保障干道相位车辆通行高优先级的同时兼顾普通车道通行能 力，避免某一相位长时间占用路口资源。

附图说明

图1为本发明技术路线图。包括以下四个部分：车辆行驶参数初始化、基准绿灯配时计算、概率回退绿灯延长和绿灯相位切换。

图2为一个四相位交叉口示意图。

图3为四相位交叉口中相位方向和车道类型示意图。

图4信号控制实例示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

实施例：针对某交叉口进行干道优先交叉口自适应交通信号控制，参照图1-图4：

(1)初始化

根据历史统计数据和实时监控设备获取数据，数据更新后得到如表1所示j时段交叉口和车辆行驶参数。

表1某交叉口j时段车辆行驶参数表

相位编号	1(干道)	2(非干道)	3(非干道)	4(非干道)
					交叉口长度L(m)	20	20	20	20
车辆平均制动时间tbrake(s)	2	2	2	2
					饱和流率di,j(pcu/h/车道)	1800	1800	1800	1800
车辆到达率si,j(pcu/h)	720	360	360	180
					平均车速vi(km/h)	20	20	20	20

(1)计算基准绿灯配时

根据表1给出参数，按照清空服务方式计算各相位基准绿灯配时。

得出t_y_i,j＝3(s)，i＝1,2,3,4。

$T_{i,j}=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_{i,j}{g}_{i,j}}{s_{i,j}(1-{\mathrm{\&rho;}}_{i,j})}=\frac{s_{i,j}{\mathrm{\&Sigma;}}_{k=1}^{N}t\_y_{k,j}}{d_{i,j}(1-G_j)}$

得出T₁＝48(s)，T₂＝24(s)，T₃＝24(s)，T₄＝12(s)

得出t_gmax_i,j＝47(s),i＝1,2,3,4。四个相位绿灯基准时间均小于绿灯时间上限，信号机按绿灯基准时间进行初始配时。

(2)信号控制机切换控制

绿灯初始相位为1号相位，具体控制步骤为：

t0时刻，信号机切换绿灯至1号信号相位；信号机判断1号信号相位为干道相位，确定1号信号相位t_g_1,j＝min{T_1,j,t_gmax_1,j}＝47(s)；计算绿灯延长概率p＝s_1,j/d_1,j＝0.4；信号控制机产生0到1之间的随机数σ，σ＝0.32；计算 t min T1,j,t_gmax1,j＝47(s)

t1＝t0+t_gmax_1,j时刻，根据最近一次监控设备反馈信息判断1号信号相位车道中仍有车辆，对绿灯时长Δt；信号机判断当前绿灯相位为干道相位，计算绿灯延长概率p＝(s_1,j/d_1,j)²＝0.16；信号机随机产生0到1之间的随机数σ，σ＝0.62；

t2＝t1+Δt，t2时刻，信号机忽略监控设备反馈信息，结束1号信号相位绿灯，1号信号相位进入黄灯时间；

t3＝t2+t_y_1,j，t3时刻，1号信号相位黄灯结束，进入红灯时间，信号机将绿灯相位切换至2号信号相位；信号机判断2号信号相位为非干道相位；按照基准绿灯时长为2号信号相位进行绿灯配时；

t4＝t3+T_2,j，t4时刻，信号机忽略监控设备反馈信息，结束2号信号相位绿灯，2号信号相位进入黄灯时间；

t5＝t4+t_y_2,j，t5时刻，2号信号相位黄灯结束，进入红灯时间，信号机将绿灯相位切换至3号信号相位；信号机判断3号信号相位为非干道相位；按照基准绿灯时长为3号信号相位进行绿灯配时；

t6＝t5+T_3,j，t6时刻，信号机忽略监控设备反馈信息，结束3号信号相位绿灯，3号信号相位进入黄灯时间；

t7＝t6+t_y_3,j，t7时刻，3号信号相位黄灯结束，进入红灯时间，信号机将绿 灯相位切换至4号信号相位；信号机判断4号信号相位为非干道相位；按照基准绿灯时长为4号信号相位进行绿灯配时；

t8＝t7+T_4,j，t8时刻，信号机忽略监控设备反馈信息，结束4号信号相位绿灯，4号信号相位进入黄灯时间；

t9＝t8+t_y_4,j，t9时刻，4号信号相位黄灯结束，进入红灯时间，信号机将绿灯相位切换至1号信号相位；信号机判断1号信号相位为干道相位，按照绿灯时长上限为1号信号相位进行绿灯配时；计算绿灯延长概率p＝s_1,j/d_1,j＝0.4；信号机随机产生0到1之间的随机数σ，σ＝0.56；

t10＝t9+t_gmax_1,j，t10时刻，信号机忽略监控设备反馈信息，结束1号信号相位绿灯，1号信号相位进入黄灯时间；

t11＝t10+t_y_1,j，t11时刻，1号信号相位黄灯结束，进入红灯时间，信号机将绿灯相位切换至2号信号相位。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种干道优先的交叉口自适应交通信号控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)初始化车道参数

将交叉路口描述为一个切换服务系统，渠化车道相当于排队队列，相同行驶方向的车道被视为一个信号相位，交通信号控制机相当于中心控制器，根据历史监测数据实现交叉口信号控制系统的参数初始化：

N：交叉口信号相位数量；

i：信号相位编号，i＝1,2,…,N；

j：一天中时段编号，每个时段对应一小时，j＝1,2,…,24；

d_i,j：交叉口i信号相位在信号控制时段j的饱和流率；

s_i,j：交叉口i信号相位在信号控制时段j的车辆到达率；

i信号相位在信号控制时段j的流量比；

信号控制时段j的路口总负载；

(2)更新交叉口车辆行驶参数

通过实时监控设备捕获当前交叉口各信号相位车辆行驶参数，包括车辆到达率、交叉口饱和流率和车辆平均行驶速度，将实时监控数据与历史统计数据进行比较，当车辆到达率、实时监控到的车辆行驶速度或交叉口饱和流率与历史统计数据之间的误差大于±10％时，则将对应参数的历史统计数据更新为实时监控数据，随后采用更新后的数据进行基准绿灯配时计算；

(3)建立基于完全清空服务策略分析模型

基于概率母函数和嵌入式马尔科夫链理论，建立交叉口车辆排队数学模型，建立完全清空服务控制策略下，第i+1信号相位绿灯开始时刻，交叉口各相位排队车辆数联合概率分布的概率母函数Q_i+1(z₁,z₂,L,z_i,L,z_N)，用于描述交叉口车辆排队状态：

其中A(z_i)、B(z_i)和R(z_i)分别表示i相位车道车辆到达过程、通过路口时间、相位间信号灯转换时间的概率母函数，F(z_i)表示i相位车道内的车辆完全清空耗时的概率母函数；

(4)计算绿灯开始时刻平均排队车辆数

基于概率母函数Q_i+1(z₁,z₂,L,z_i,L,z_N)表达式，计算j控制时段中，当信号相位i绿灯开始时，信号相位i车道停车线处的平均排队车辆数g_i,j：

其中N是当前路口的信号相位总数，t_y_i,j是i信号相位在j控制时段的黄灯时间，黄灯时间t_y_i,j根据i信号相位路口长度L_i，i信号相位在j控制时段的平均车速v_i,j，和车辆平均制动时间t_brake求取：

其中，表示向上取整；

(5)计算绿灯配时长度

计算各信号相位在各个信号控制时段的基准绿灯时间和绿灯上限时间：

根据完全清空服务策略计算j控制时段信号相位i的基准绿灯时间T_i,j：

设定绿灯时间上限t_gmax_i,j:

其中，表示向下取整；

(6)信号控制机切换控制

信号控制机在获得基准绿灯时间和绿灯上限时间后，针对干道相位和非干道相位采用如下不同的配时算法控制信号灯的切换。

2.根据权利要求1所述的干道优先的交叉口自适应交通信号控制方法，其特征在于，步骤(6)中所述信号机切换控制的算法包括以下步骤：

步骤1：判断当前相位车道类型；

步骤2：根据实时监控获取当前车道饱和流率、车辆行驶速度和车辆到达率，当与历史统计数据比较误差大于±10％时，将参数值更新为实时监控数据；

步骤3：根据车道类型，如果为干道则按照干道相位配时算法进行信号配时；如果为非干道则按照非干道相位配时算法进行信号配时；

步骤4：绿灯时间计时结束，信号灯切换。

3.根据权利要求2所述的干道优先的交叉口自适应交通信号控制方法，其特征在于，，步骤3中所述非干道相位配时算法具体为：

步骤1：初始化：计算绿灯基准时间T_i,j；

步骤2：比较绿灯基准时间和绿灯时间上限；

步骤3：按照t_g_i,j＝min{T_i,j,t_gmax_i,j}对当前相位进行绿灯配时；

步骤4：退出；

所述干道相位配时算法具体为：

步骤1：初始化：计算绿灯基准时间T_i,j,绿灯时间延长次数k＝1；

步骤2：比较绿灯基准时间T_i,j和绿灯时间上限t_gmax_i,j；

步骤3：按照t_g_i,j＝min{T_i,j,t_gmax_i,j}对当前相位进行绿灯配时；；

步骤4：计时结束判断车道是否清空；若车道已清空，则退出；若没有清空，执行步骤5；

步骤5：以概率p＝ρ^k对干道绿灯时间以t_g_i,j＝t_g_i,j+Δt进行绿灯时间延长，其中k表示本次信号周期中的绿灯时间延长次数；以概率(1-p)退出，即生成0到1之间均匀分布的随机数σ，当σ<p则延长绿灯时间，否则，退出干道配时；其中t min T_i,j,t_gmax_i,j，更新k＝k+1返回步骤4。