CN104966402B - 一种过饱和交通流交叉口排队溢出防控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及城市交通信号控制领域，具有涉及一种过饱和交通流交叉口排队溢出防控方法。针对城市主城区、中心商业区等交叉口距离短、交通流量大的城市区域在交通高峰期间经常出现交通流排队溢出的问题，通过交通信号实现对进入道路路段、离开道路路段的交通流进行控制，实现对交通流的截流、分流；从控制道路路段的交通流容量入手，防止交叉口交通流排队溢出。

Description

一种过饱和交通流交叉口排队溢出防控方法

技术领域

本发明涉及城市交通信号控制领域，具有涉及一种过饱和交通流交叉口排队溢出防控方法。

技术背景

随着我国社会经济的快速发展和城市化进程的不断加快，城市的社会、经济、文化、生活、生产等活动日益频繁，城市道路交通需求迅猛增长，城市机动车保有量的过度增长使得城市道路空间不堪重负。同时由于道路交通管理与控制技术、手段、设施更新的不及时，使得城市道路交通需求和交通供给之间的矛盾日益突出，城市道路交通拥挤、拥堵问题日益成为城市交通的主要问题，衍生出的交通安全、环境污染、经济损失等其他问题，成为阻碍城市社会经济快速、可持续发展的主要因素。

在交通高峰期间，特别是在城市主城区、中心商业区等城市区域，由于交叉口距离短、交通流量大，经常出现上游交叉口排队交通流溢出到上游交叉口，由于上、下游交叉口交通信号缺乏有效的协调和及时的调整机制，溢出的交通流不能得到有效的抑制和及时的疏散，使得溢出的交通流阻塞上游交叉口其他通行方向的车流通过交叉口，造成交通流在交叉口处于混乱、交织的情况，严重降低交叉口的通行能力，使得交通拥挤现象向周边区域迅速扩展，造成大范围交通拥挤、拥堵。

发明内容

针对城市主城区、中心商业区等交叉口距离短、交通流量大的城市区域在交通高峰期间经常出现交通流排队溢出的问题，本发明提出了一种过饱和交通流交叉口排队溢出防控方法，通过交通信号实现对进入道路路段、离开道路路段的交通流进行控制，实现对交通流的截流、分流；从控制道路路段的交通流容量入手，防止交叉口交通流排队溢出。

本发明的技术解决方案由车辆检测部分和交通信号控制部分组成，其中车辆检测部分由路段上游检测器和路段下游检测器组成；交通信号控制部分由上游交叉口交通信号控制器和下游交叉口交通信号控制器组成，如图1所示。交通信号控制器由交通信息采集模块、排队消散估计模块、起步时距调整模块、绿灯信号优化模块、排队溢出防控模块、交通信息协调模块等功能模块组成，如图2所示。本发明提出的一种过饱和交通流交叉口排队溢出防控方法包括以下步骤：

1)车辆检测部分

车辆检测部分由路段上游检测器和路段下游检测器组成，检测器可以是线圈检测器，也可以是视频检测器或者其他类型的车辆检测器，检测器能够覆盖路段上的所有车道。路段上游检测器安装在上游交叉口出口处，用于检测进入下游交叉口的当量车辆数；路段下游检测器安装在下游交叉口停车线处，用于检测离开下游交叉口的当量车辆数。

2)交通信号控制部分

交通信号控制部分由上游交叉口交通信号控制器和下游交叉口交通信号控制器组成。交通信号控制器由交通信息采集模块、排队消散估计模块、起步时距调整模块、绿灯信号优化模块、排队溢出防控模块、交通信息协调模块等功能模块组成。其中交通信息采集模块主要用于提取检测器的流量统计计数，并估算交叉口车道排队车辆数和排队长度；排队消散估计模块主要用于根据交叉口车道排队情况，估计排队车辆的开始制动时间、通过交叉口时间以及消散排队交通流所需的绿灯时间；起步时距调整模块主要用于通过估计上游交叉口第一车辆到达下游交叉口排队交通流队尾的时间和下游交叉口排队交通流队尾开始制动时间，调整上、下游交叉口交通信号起步时距，实现道路路段运行效益的最大化；绿灯信号优化模块主要用于从预防交叉口交通流排队溢出和减少排队交通流等待时间两个方面对交叉口绿灯信号时长进行限制和调整；排队溢出防控模块主要用于对上游交叉口进入的交通流数量以及上游交叉口直行、左转进行下游交叉口的相位绿灯时长进行限制，以防止下游交叉口排队溢出；交通信息协调模块主要用于将起步时距、上游交叉口直行进入下游交叉口的相位绿灯信号时长限制、上游交叉口左转进入下游交叉口的相位绿灯信号时长限制等交通信号设置信息通知上游交叉口交通信号控制器。

附图说明

图1：一种过饱和交通流交叉口排队溢出防控方法设备布设图

图2：交通信号控制器功能模块组成图

具体实施方式

本发明所述的一种过饱和交通流交叉口排队溢出防控方法由车辆检测部分和交通信号控制部分组成，车辆检测部分主要在于对进入和离开道路路段的车辆进行当量车统计计数，为交通信号控制进行排队估计、消散估计、信号优化等提供数据依据；过饱和交通流交叉口排队溢出防控主要通过上、下游交叉口交通信号控制器的交通信号协调控制来进行，具体工作流程为：

1)交通信息采集模块

当下游交叉口直行方向相位绿灯开始启亮之前的t时间内，下游交叉口交通信号控制的交通信息采集模块分别从路段上游检测器、路段下游检测器提取当前时刻的流量统计计数VN_U和VN_D，并估算当前下游交叉口交通流排队长度：

其中：VN_q为当前下游交叉口车道排队车辆数；VN_u为当前路段上游检测器的当量车统计计数；VN_d为当前路段下游检测器的当量车统计计数；VN₀为路段初始当量车辆数；LN_r为路段的车道数；QL_q为当前下游交叉口交通流车道排队长度；为车辆有效长度。

2)排队消散估计模块

在交叉口排队等待绿灯通行的车辆，车辆在排队交通流中的位置不同，其能够开始制动到以跟驰速度行驶通过交叉口的反应时间不同，即存在滞后反应，从而在一定程度上存在绿灯损失。排队交通流不同排队位置的车辆能够开始制动的时间为：

其中：VD_q(n)为排队交通流中第n辆车制动延误时间；δ为反应时间常数；λ为排队位置调整参数；i为自然数。

则排队交通流中第n辆车能够顺利通过交叉口所需的时间为：

其中：VG_p(n)为排队交通流中第n辆车顺利通过交叉口所需的时间；为跟驰车辆的平均速度。

则交叉口排队交通流能够完全消散所需的绿灯时间为：

GN_q＝VG_p(VN_q)

其中：GN_q为交叉口排队交通流能够完全消散所需的绿灯时长。

3)起步时距调整模块

只有当下游交叉口排队交通流的最后一辆车开始制动前行时，通过上游交叉口绿灯信号的第一辆车正好到达下游交叉口排队交通流的队尾位置，从而实现道路路段运行效益的最大化。

下游交叉口排队交通流最后一辆车开始制动前行的时间为：

其中：OS_d为下游交叉口排队交通流最后一辆车开始制定前行的时间。

上游交叉口第一辆车通过绿灯信号到达下游交叉口排队交通流队尾的时间为：

其中：OS_u为上游交叉口第一辆车到达下游交叉口排队交通流队尾所需的时间；L_RS为上、下有交叉口之间的道路路段长度；W_U为上游交叉口的宽度；为车辆的路段平均行程速度。

则上下游交叉口之间的起步时距为：

OS＝OS_d-OS_u

如果OS>0，则当下游交叉口绿灯启亮时，上游交叉口滞后OS时间启亮；如果OS<0，则上游交叉口比下游交叉口提前|OS|时间启亮绿灯信号。

4)绿灯信号优化模块

在交通高峰期间，交通信号控制的目的一方面要防止过饱和交通流交叉口排队溢出，另一方面要尽可能减少车辆的排队等待时间，即尽可能不出现车辆三次排队等待绿灯信号的情况，防止出现驾驶员出现情绪失控的现象。因此，需要对相位绿灯时间进行限制。

其中：GL_d为下游交叉口直行方向绿灯时长；为向上取整函数；N_G为绿灯时长GL_d所能通过的排队车辆数。

如果N_G≥VN_q，则如果N_G<VN_q；则为保证排队交通流不出现等待三次绿灯信号以及出现排队溢出的情况，并能承受住高峰交通流的冲击，则要求：

即：

其中：m为自然数；P_H为交通高峰期间时长；C_d为下游交叉口信号周期时长；ξ为路段防排队溢出容限宽度。

5)排队溢出防控模块

根据上、下游交通信号起步时距的设置，下游交叉口排队交通流队尾车辆开始制动以跟驰速度行驶时，上游交叉口通过绿灯信号第一辆车以路段平均行程速度到达下游交叉口排队交通流队尾位置，由于使得在QL_q位置所在截面形成一个反向交通波，为了防止反向交通波交通流溢出到上游交叉口，上游交叉口直行方向的相位绿灯时长最大值为：

其中：为上游交叉口直行方向最大相位绿灯时长；θ为交通波车道宽度调整参数。

同时，为了保持过饱和期间交通信号的平稳性，进入下游交叉口的车辆数应尽可能与离开下游交叉口的车辆数一致，即：

其中：为上游交叉口直行方向最佳绿灯信号时长；为上游交叉口直行进入下游交叉口的车道数。

如果则如果则

其中：GL_u为上游交叉口直行进入下游交叉口的相位绿灯时长，存在：

其中：A_G为相位绿灯时长GL_u所能通过的车辆数。

进一步，为防止下游交叉口红灯期间不出现排队溢出的现象，需要对上游交叉口左转进入下游交叉口的相位绿灯信号时长进行限制。根据下游交叉口的排队情况，确定路段通行能力余量，即允许进入的最大车辆数：

其中：VI_L为上游交叉口允许左转进入下游交叉口的最大车辆数；为上游交叉口左转进入下游交叉口的车道数。

则上游左转进入下游交叉口的最大相位绿灯时长为：

其中：为上游交叉口左转进入下游交叉口的最大相位绿灯时长。

6)交通信息协调模块

交通信息协调模块通过光纤通信或无线通信方式将下游交叉口交通信号控制器起步时距调整模块、绿灯信号优化模块、排队溢出防控模块计算所得的上下游交叉口的绿灯起步时距、上游交叉口直行进入下游交叉口的最大相位绿灯信号时长和建议绿灯信号时长以及下游交叉口左转进入下游交叉口的最大相位绿灯时长和最大允许进入车辆数等交通信号设置信息发送给上游交叉口交通信号控制器。

Claims (1)

1.一种过饱和交通流交叉口排队溢出防控方法，其特征在于：

1)排队消散估计模块：排队交通流不同排队位置的车辆能够开始制动的时间为：

${\mathrm{VD}}_q\left(n\right)=\mathrm{\&delta;}\&times;\underset{i=1}{\overset{n}{\&Sigma;}}{e}^{-\mathrm{\&lambda;}(i-1)}$

其中：VD_q(n)为排队交通流中第n辆车制动延误时间；δ为反应时间常数；λ为排队位置调整参数；i为自然数；

则排队交通流中第n辆车能够顺利通过交叉口所需的时间为：

${\mathrm{VG}}_p\left(n\right)={\mathrm{VD}}_q\left(n\right)+\frac{n-1}{{\stackrel{\&OverBar;}{V}}_F}\&times;\stackrel{\&OverBar;}{L_V}$

其中：VG_p(n)为排队交通流中第n辆车顺利通过交叉口所需的时间；为跟驰车辆的平均速度；为车辆有效长度；

则交叉口排队交通流能够完全消散所需的绿灯时间为：

GN_q＝VG_p(VN_q)

其中：GN_q为交叉口排队交通流能够完全消散所需的绿灯时长；VN_q为当前下游交叉口车道排队车辆数；

2)起步时距调整模块：下游交叉口排队交通流最后一辆车开始制动前行的时间为：

${\mathrm{OS}}_d=\mathrm{\&delta;}\&times;\underset{i=1}{\overset{{\mathrm{VN}}_q}{\&Sigma;}}{e}^{-\mathrm{\&lambda;}(i-1)}$

其中：OS_d为下游交叉口排队交通流最后一辆车开始制动前行的时间；

上游交叉口第一辆车通过绿灯信号到达下游交叉口排队交通流队尾的时间为：

${\mathrm{OS}}_u=\frac{(L_{RS}-{\mathrm{QL}}_q)+W_U}{\stackrel{\&OverBar;}{V_{av}}}$

其中：OS_u为上游交叉口第一辆车到达下游交叉口排队交通流队尾所需的时间；L_RS为上、下游交叉口之间的道路路段长度；W_U为上游交叉口的宽度；为车辆的路段平均行程速度；QL_q为当前下游交叉口交通流车道排队长度；

则上下游交叉口之间的起步时距为：

OS＝OS_d-OS_u

如果OS>0，则当下游交叉口绿灯启亮时，上游交叉口滞后OS时间启亮；如果OS<0，则上游交叉口比下游交叉口提前|OS|时间启亮绿灯信号；

3)绿灯信号优化模块：在交通高峰期间，交通信号控制的目的一方面要防止过饱和交通流交叉口排队溢出，另一方面要尽可能减少车辆的排队等待时间，即尽可能不出现车辆三次排队等待绿灯信号的情况，防止出现驾驶员出现情绪失控的现象；因此，需要对相位绿灯时间进行限制；

其中：GL_d为下游交叉口直行方向绿灯时长；为向上取整函数；N_G为绿灯时长GL_d所能通过的排队车辆数；

如果N_G≥VN_q，则如果N_G<VN_q；则为保证排队交通流不出现等待三次绿灯信号以及出现排队溢出的情况，并能承受住高峰交通流的冲击，则要求：

$N_G=\frac{m}{2m+1}\&times;\frac{L_{RS}-\mathrm{\&xi;}}{\stackrel{\&OverBar;}{L_V}}$

即：

$m\&GreaterEqual;\frac{P_H}{C_d}$

其中：m为自然数；P_H为交通高峰期间时长；C_d为下游交叉口信号周期时长；ξ为路段防排队溢出容限宽度；

4)排队溢出防控模块：为了防止反向交通波交通流溢出到上游交叉口，上游交叉口直行方向的相位绿灯时长最大值为：

${\mathrm{GL}}_u^1=\frac{L_{RS}-{\mathrm{QL}}_q+\mathrm{\&theta;}}{\stackrel{\&OverBar;}{V_{av}}-{\stackrel{\&OverBar;}{V}}_F}$

其中：为上游交叉口直行方向最大相位绿灯时长；θ为交通波车道宽度调整参数；

同时，为了保持过饱和期间交通信号的平稳性，进入下游交叉口的车辆数应尽可能与离开下游交叉口的车辆数一致，即：

其中：为上游交叉口直行方向最佳绿灯信号时长；为上游交叉口直行进入下游交叉口的车道数；LN_r为路段的车道数；

如果则如果则

其中：GL_u为上游交叉口直行进入下游交叉口的相位绿灯时长，存在：

其中：A_G为相位绿灯时长GL_u所能通过的车辆数；

进一步，为防止下游交叉口红灯期间不出现排队溢出的现象，需要对上游交叉口左转进入下游交叉口的相位绿灯信号时长进行限制；根据下游交叉口的排队情况，确定路段通行能力余量，即允许进入的最大车辆数：

${\mathrm{VI}}_L=\{\frac{L_{RS}-\mathrm{\&xi;}}{\stackrel{\&OverBar;}{L_V}}-(A_G+{\mathrm{VN}}_q-N_G)\}\&times;\frac{{\mathrm{LN}}_r}{{\mathrm{LN}}_u^l}$

其中：VI_L为上游交叉口允许左转进入下游交叉口的最大车辆数；为上游交叉口左转进入下游交叉口的车道数；

则上游左转进入下游交叉口的最大相位绿灯时长为：

其中：为上游交叉口左转进入下游交叉口的最大相位绿灯时长。