CN104916144B - 一种考虑周期约束的交通信号协调控制方案平滑过渡方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种考虑交叉口最大最小信号周期约束下的交通信号协调控制方案平滑过渡周期的生成方法。现有城市交叉口交通信号大多实施协调控制，在固定方案向协调控制方案转换以及协调控制不同方案之间转换时，就需要进行方案的平滑过渡以实现交通信号的平稳转换。本发明首先，交叉口信号机接收到新的协调控制方案，根据原控制方案是否为协调方案来采用不同的平滑过渡方案；其次，根据不同平滑过渡方案，计算得到本次平滑过渡所需的消耗时间；然后，根据消耗时间的大小，确定采用增加周期或减少周期的平滑过渡方案；最后，考虑交叉口最大最小周期约束，计算得到平滑过渡周期数量及大小。本发明能够在保证交叉口平稳运行前提下有效减少平滑过渡时间。

Description

一种考虑周期约束的交通信号协调控制方案平滑过渡方法

技术领域

本发明涉及一种交通信号协调控制方案的平滑过渡方法，用于交通管理与控制，属于智能交通研究领域。

背景技术

在实施交通信号协调控制时，由于不同方案之间存在不同的相位差及方案运行起始时刻，使得交叉口无法在原方案周期结束后立刻运行新方案。交通信号控制方案之间的平滑过渡就是为了避免上述情况发生，确保新旧交通信号控制方案转换的稳定性与精确性，在新旧交通信号控制方案之间插入若干优化得到的过渡信号控制方案，在保证新方案按照既定时刻运行的同时，使得交通信号控制方案的变化不超过一定幅度，确保车流运行的稳定性。因此，交通信号控制方案的平滑过渡是交通信号控制的重要内容，也是实施协调控制、确保协调控制效果的关键。

现有的交通信号协调控制方案平滑过渡方法主要有以下几个缺点：(1)没有考虑交叉口最大最小周期的约束，导致出现小于最小周期或者大于最大周期的情况，进而对行人过街、车辆排队等造成很大影响，带来巨大的安全隐患；(2)无法根据消耗时间的大小合理确定采用增大周期或者减少周期的过渡方案；(3)相关方法过于复杂，很难在实践中进行应用。

基于此，为了更加合理地实现交通信号协调控制方案的平滑过渡，需要建立一种考虑最大最小信号周期约束的协调控制方案平滑过渡方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑最大最小信号约束的协调控制方案平滑过渡方法。该方法的基本思想是在交叉口信号机获得新旧协调控制方案及新协调控制方案的下发时刻点，通过确定采用何种协调控制平滑过渡方案，从而建立平滑过渡周期数量及时间的计算方法。

为实现上述目的，本发明提出的协调控制方案平滑过渡方法包括：平滑过渡方案选择、消耗时间计算、平滑过渡周期数及时间计算、过渡周期相位绿信比计算。

本方法的基本步骤如下：

c1、平滑过渡方式选择；

c2、消耗时间计算；

c3、平滑过渡周期数及时间计算；

c4、过渡周期相位绿信比计算。

步骤c1具体是：

根据交叉口信号机当前运行的原方案确定平滑过渡的方式。平滑过渡方法主要有两种方式：第一种方式以新方案下发至信号机的时刻作为基准点；第二种方式以原方案周期结束时刻作为基准点。当交叉口信号机从运行其他控制方式(固定配时、感应控制等)的方案过渡到协调控制方式的方案时，适用第一种方式的平滑过渡方法；当交叉口信号机从协调控制(干线协调、区域协调、无缆协调等)中一种方案过渡到另一种新方案时，适用第二种方式的平滑过渡方法。

步骤c2的过程包括：

c21、获取相关参数

交叉口i信号机根据当前运行的信号方案以及接收到的新协调控制方案，确定如下参数：

(1)t_i(k)：第i个交叉口第k个优化间隔，新协调控制方案下发时刻到该交叉口本周期结束的持续时间；

(2)o_i(k)：第i个交叉口第k个优化间隔，原方案相对于关键交叉口x的相位差；

(3)o_i(k+1)——第i个交叉口第k+1个优化间隔，新方案相对于关键交叉口x的相位差；

(4)C_i(k+1)——第i个交叉口第k+1个优化间隔新方案的周期。

c22、计算第一种平滑过渡方式的消耗时间

由于这种平滑过渡方式以下发时刻为基准点进行方案的平滑过渡，因此所有交叉口在执行完旧周期后都需要根据下发时刻、周期结束时刻和新方案相位差进行调整，执行过渡方案。对于关键交叉口x(相位差为零的交叉口)而言，新方案下发时刻到原周期结束时刻即为消耗时间。对于其他任意交叉口i而言，还需考虑该交叉口与关键交叉口的相位差关系。因此，这种情况下的消耗时间计算公式如下：

ΔT_i(k+1)＝mod[t_i(k)-o_i(k+1),C_i(k+1)] (1)

式中：ΔT_i(k+1)——第i个交叉口第k+1个优化间隔，平滑过渡所需的消耗时间。

c23、计算第二种平滑过渡方式的消耗时间

由于这种平滑过渡方式以原周期结束时刻为基准点进行方案的平滑过渡，因此所有交叉口在执行完旧周期后都需要根据下发时刻、新旧方案相位差进行调整，执行过渡方案。根据下发时刻到原周期结束时间与原相位差的关系，消耗时间计算有两种情况，其计算公式如下：

步骤c3的过程包括：

在c2步骤中计算得到平滑过渡所需的消耗时间之后，可以根据消耗时间的大小、新周期大小及交叉口最大最小周期约束计算过渡周期个数和时长。这里可以分为两种情况进行描述。

c31、计算减小周期的平滑过渡方案

当时，即消耗时间较少，可以通过减少新周期时间来尽快实现过渡周期的优化。根据过渡周期可以减少的最大幅度，过渡周期数量的计算公式如下：

式中：N_s(k+1)——第k+1个优化间隔所需过渡周期(小于新周期)的个数；

C_imin——第i个交叉口的最小信号周期时长；

β——允许的过渡周期相对于新周期的最大波动幅度，一般可以取20-25％。

在得到减少周期进行平滑过渡的过渡周期数量之后，可以根据最小信号周期的约束来确定每个过渡周期的具体时间长度，可以分为如下两种情况：

(1)如果满足C_i(k+1)-C_imin≤βC_i(k+1)，则过渡周期时长计算公式如下：

式中：C_it(j)——交叉口i第j个过渡周期时长。

(2)如果满足C_i(k+1)-C_imin>βC_i(k+1)，则过渡周期时长计算公式如下：

c32、计算增大周期的平滑过渡方案

当时，即消耗时间较多，可以通过增大新周期时间以尽快实现过渡周期的优化。根据过渡周期可以增加的最大幅度，过渡周期数量的计算公式如下：

式中：N_b(k+1)——第k+1个优化间隔所需过渡周期(大于新周期)的个数；

C_imax——第i个交叉口的最大信号周期时长；

在得到增大周期进行平滑过渡的过渡周期数量之后，可以根据最大信号周期的约束来确定每个过渡周期的具体时间长度，可以分为如下两种情况：

(1)如果满足C_imax-C_i(k+1)≤βC_i(k+1)，则过渡周期时长计算公式如下：

(2)如果满足C_imax-C_i(k+1)>βC_i(k+1)，则过渡周期时长计算公式如下：

步骤c4具体是：

通过获取的周期及新方案的绿信比，计算得到过渡周期的绿灯时间方案：

g_itp(j)＝λ_ip(k+1)C_it(j) (9)

式中：g_itp(j)——第i个交叉口第p个相位第j个过渡周期的有效绿灯时间；

λ_ip(k+1)——第i个交叉口第k+1个优化间隔，新方案的绿信比。

本发明的有益效果：根据交叉口最大最小信号周期的约束以及新方案的下发时刻，合理的确定增大或减小新方案周期以尽快实现新方案的平滑过渡，确保交通信号的平稳有序运行。

附图说明

图1为考虑信号周期约束的协调控制平滑过渡方法基本流程图；

图2为消耗时间计算示意图；

图3为第一种方式平滑过渡方法消耗时间计算示意图；

图4为第二种方式平滑过渡方法消耗时间计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明具体实施方法进一步说明，如图1所示。

(1)根据交叉口i自身的运行方案及接收到的新协调控制方案，确定下列相关参数的数值。

①假设当前交叉口i运行于协调控制方案状态；

②新方案的下发时刻距当前周期结束时刻时间差为：t_i(k)＝10s

③原方案相位差为：o_i(k)＝20s

④原方案周期为：C_i(k)＝80s

⑤新方案相位差为：o_i(k+1)＝30s

⑥新方案周期为：C_i(k+1)＝120s

⑦新方案包括四个关键相位且绿信比相等，λ_ip(k+1)＝0.25(p＝1,2,3,4)

⑧允许的过渡周期相对于新周期的最大波动幅度：β＝20％

⑨交叉口i的最大最小周期分别为C_imax＝140s；C_imin＝90s

(2)根据(1)中的初始条件，交叉口i应该允许第二种方式的平滑过渡方法。因此，根据图2、图3和图4的消耗时间定义与计算方法，应该采用公式(2)计算消耗时间。

由于t_i(k)＝10<o_i(k)＝20，因此，

ΔT_i(k+1)＝mod{C_i(k)-[o_i(k)-o_i(k+1)],C_i(k+1)}

＝mod{80-[20-30],120}＝90s

(3)由于因此，过渡周期数量按照公式(6)计算：

因此，得到本次过渡所需的过渡周期数量为2。

(4)由于满足C_imax-C_i(k+1)＝20≤βC_i(k+1)＝24，因此，过渡周期时长按照公式(7)计算：

因此，本次过渡周期包含两个周期，周期时长分别为140秒和130秒。

(5)根据公式(9)确定两个过渡周期的有效绿灯时间分别为：

g_itp(1)＝λ_ip(k+1)C_it(1)＝0.25×140＝35s p＝1,2,3,4

g_itp(2)＝λ_ip(k+1)C_it(2)＝0.25×130＝32.5s p＝1,2,3,4。

Claims (1)

1.一种考虑周期约束的交通信号协调控制方案平滑过渡方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

c1、平滑过渡方式选择；

c2、消耗时间计算；

c3、平滑过渡周期数及时间计算；

c4、过渡周期相位绿信比计算；

步骤c1具体是：

平滑过渡主要有两种方式：第一种方式以新方案下发至信号机的时刻作为基准点；第二种方式以原方案周期结束时刻作为基准点；当交叉口信号机从运行其他控制方式的方案过渡到协调控制方式的方案时，适用第一种方式的平滑过渡；当交叉口信号机从协调控制中一种方案过渡到另一种新方案时，适用第二种方式的平滑过渡；

步骤c2的过程包括：

c21、获取相关参数

交叉口i信号机根据当前运行的信号方案以及接收到的新协调控制方案，确定如下参数：

(1)t_i(k)：第i个交叉口第k个优化间隔，新协调控制方案下发时刻到该交叉口本周期结束的持续时间；

(2)o_i(k)：第i个交叉口第k个优化间隔，原方案相对于关键交叉口x的相位差；

(3)o_i(k+1)——第i个交叉口第k+1个优化间隔，新方案相对于关键交叉口x的相位差；

(4)C_i(k+1)——第i个交叉口第k+1个优化间隔新方案的周期；

c22、计算第一种平滑过渡方式的消耗时间

这种平滑过渡方式下，所有交叉口在执行完旧周期后都需要根据下发时刻、周期结束时刻和新方案相位差进行调整，执行过渡方案；对于关键交叉口x而言，新方案下发时刻到原周期结束时刻即为消耗时间；对于其他任意交叉口i而言，还需考虑该交叉口与关键交叉口的相位差关系；因此，这种情况下的消耗时间计算公式如下：

ΔT_i(k+1)＝mod[t_i(k)-o_i(k+1),C_i(k+1)] (1)

式中：ΔT_i(k+1)——第i个交叉口第k+1个优化间隔，平滑过渡所需的消耗时间；

c23、计算第二种平滑过渡方式的消耗时间

这种平滑过渡方式下，所有交叉口在执行完旧周期后都需要根据下发时刻、新旧方案相位差进行调整，执行过渡方案；根据下发时刻到原周期结束时间与原相位差的关系，消耗时间计算有两种情况，其计算公式如下：

${\mathrm{\&Delta;T}}_i\left(k+1\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{mod}\&lsqb;o_i\left(k\right)-o_i\left(k+1\right),C_i\left(k+1\right)\&rsqb;& if{t}_i\left(k\right)>o_i\left(k\right)\\ \mathrm{mod}\left\{C_i\left(k\right)-\&lsqb;o_i\left(k\right)-o_i\left(k+1\right)\&rsqb;,C_i\left(k+1\right)\right\}& if{t}_i\left(k\right)\&le;o_i\left(k\right)\end{array}\right.---\left(2\right);$

步骤c3的具体是：

根据消耗时间的大小、新周期大小及交叉口最大最小周期约束计算过渡周期个数和时长；这里分为两种情况进行描述；

c31、计算减小周期的平滑过渡方案

当时，即消耗时间较少，通过减少新周期时间来尽快实现过渡周期的优化；根据过渡周期减少的最大幅度，过渡周期数量的计算公式如下：

$N_s\left(k+1\right)=\mathrm{int}\left(\frac{{\mathrm{\&Delta;T}}_i\left(k+1\right)}{\min \&lsqb;C_i\left(k+1\right)-C_{i\min },{\mathrm{\&beta;C}}_i\left(k+1\right)\&rsqb;}\right)---\left(3\right)$

式中：N_s(k+1)——第k+1个优化间隔所需过渡周期的个数；

C_imin——第i个交叉口的最小信号周期时长；

β——允许的过渡周期相对于新周期的最大波动幅度；

在得到减少周期进行平滑过渡的过渡周期数量之后，根据最小信号周期的约束来确定每个过渡周期的具体时间长度，分为如下两种情况：

(1)如果满足C_i(k+1)-C_imin≤βC_i(k+1)，则过渡周期时长计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{C}_{it}\left(j\right)=C_{i\min }& forj=1,\mathrm{...},N_s-1\\ C_{it}\left(j\right)=C_i\left(k+1\right)-\{{\mathrm{\&Delta;T}}_i(k+1)-(N_s-1)\&lsqb;C_i\left(k+1\right)-C_{i\min }\&rsqb;\}& forj=N_s\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中：C_it(j)——交叉口i第j个过渡周期时长；

(2)如果满足C_i(k+1)-C_imin>βC_i(k+1)，则过渡周期时长计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{C}_{it}\left(j\right)=C_i\left(k+1\right)-\mathrm{int}\&lsqb;{\mathrm{\&beta;C}}_i\left(k+1\right)\&rsqb;& forj=1,\mathrm{...},N_s-1\\ C_{it}\left(j\right)=C_i\left(k+1\right)-\left\{{\mathrm{\&Delta;T}}_i\left(k+1\right)-\left(N_s-1\right)\mathrm{int}\&lsqb;{\mathrm{\&beta;C}}_i\left(k+1\right)\&rsqb;\right\}& forj=N_s\end{array}\right.---\left(5\right)$

c32、计算增大周期的平滑过渡方案

当时，即消耗时间较多，通过增大新周期时间以尽快实现过渡周期的优化；根据过渡周期增加的最大幅度，过渡周期数量的计算公式如下：

$N_b(k+1)=\mathrm{int}\left(\frac{C_i(k+1)-{\mathrm{\&Delta;T}}_i(k+1)}{min\&lsqb;C_{i\max }-C_i(k+1),{\mathrm{\&beta;C}}_i(k+1)\&rsqb;}\right)---\left(6\right)$

式中：N_b(k+1)——第k+1个优化间隔所需过渡周期的个数；

C_imax——第i个交叉口的最大信号周期时长；

在得到增大周期进行平滑过渡的过渡周期数量之后，根据最大信号周期的约束来确定每个过渡周期的具体时间长度，分为如下两种情况：

(1)如果满足C_imax-C_i(k+1)≤βC_i(k+1)，则过渡周期时长计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{C}_{it}\left(j\right)=C_{i\max }& forj=1,\mathrm{...},N_b-1\\ C_{it}\left(j\right)=C_i\left(k+1\right)+\{C_i(k+1)-{\mathrm{\&Delta;T}}_i(k+1)-(N_b-1)\&lsqb;C_{imax}-C_i\left(k+1\right)\&rsqb;\}& forj=N_b\end{array}\right.---\left(7\right)$

(2)如果满足C_imax-C_i(k+1)>βC_i(k+1)，则过渡周期时长计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{C}_{it}\left(j\right)=C_i\left(k+1\right)+\mathrm{int}\&lsqb;{\mathrm{\&beta;C}}_i\left(k+1\right)\&rsqb;& forj=1,\mathrm{...},N_b-1\\ C_{it}\left(j\right)=C_i\left(k+1\right)+\left\{C_i\left(k+1\right)-{\mathrm{\&Delta;T}}_i\left(k+1\right)-\left(N_b-1\right)\mathrm{int}\&lsqb;{\mathrm{\&beta;C}}_i\left(k+1\right)\&rsqb;\right\}& forj=N_b\end{array}\right.---\left(8\right);$

步骤c4具体是：

通过获取的周期及新方案的绿信比，计算得到过渡周期的绿灯时间方案：

g_itp(j)＝λ_ip(k+1)C_it(j) (9)

式中：g_itp(j)——第i个交叉口第p个相位第j个过渡周期的有效绿灯时间；

λ_ip(k+1)——第i个交叉口第k+1个优化间隔，新方案的绿信比。