CN105206071B - 基于混合交通流延误模型的交叉口配时方法 - Google Patents
基于混合交通流延误模型的交叉口配时方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于混合交通流延误模型的交叉口配时方法，该方法能够根据混合交通流的特性，获取混合交通流情况下的单个交叉口的近似最优配时方案，包括：(1)获取交叉口交通参数；(2)建立非机动车消散模型；(3)建立混合消散模型；(4)对非机动车平均延误进行建模；(5)获取混合交通流下的平均延误；(6)计算最佳配时周期；(7)计算绿灯时间等其他参数。本发明利用混合交通流模型对交叉口最佳周期等配时参数进行求解，对混合交通流情况下的交叉口配时提供了一种有效的配时方法。
Description
技术领域
本发明属于城市交通信号控制领域，更具体地涉及一种基于混合交通流延误模型的交叉口配时方法，该方法能够根据混合交通流的特性，建立混合交通流的消散模型及延误模型，获取混合交通流情况下的单个交叉口的近似最优配时方案。
背景技术
随着中国经济的高速增长以及城市化进程的加快，大量人口涌入城市，交通设施兴建和改善的速度远远赶不上人们日益增长的交通需求，交通拥堵问题日益突出。交通拥堵不仅仅在北京、上海等大城市存在，也广泛存在于三四线城市。由于经济因素以及地理环境等因素制约，现有交通设施与交通需求之间的矛盾，无法通过不断新建道路来实现。因此交通信号控制方案的优化对整个城市交通状况的改善方面起着不可替代的作用。
电动自行车等非机动车辆以其价格低廉、使用方便、节省空间、对环境友好等优势得到人们的青睐。尤其在三四线城市中，以电动自行车为代表的非机动车辆在交通流中占的比重较大，已对交叉口配时方案产生了不容忽视的影响。传统的交叉口配时方法，如Webster方法，是基于机动车延误模型获得的，并未考虑混合交通流的影响，因此并不适用于非机动车影响较大的交通状况。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种混合交通流下的交叉口配时方法，能在车流量发生变化、非机动车比例难以确定等实际工程应用的复杂环境中，计算出交叉口的最佳周期、绿灯时间等配时参数，为混合交通流情况下的交通控制提供一种有效的配时方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于混合交通流延误模型的交叉口配时方法，包括以下步骤：
步骤1，获取交叉口交通参数；
步骤2，建立非机动车消散模型；
步骤3，建立混合消散模型；
步骤4，对非机动车平均延误进行建模；
步骤5，获取混合交通流下的平均延误；
步骤6，计算最佳配时周期；
步骤7，计算配时方案的各个参数。
基于上述技术方案可知，本发明的配时方法与现有技术相比的显著效果在于：直接利用混合交通流模型对交叉口最佳周期等配时参数进行求解，对混合交通流情况下的交叉口配时提供了一种有效的配时方法；克服了由于传统的技术并未考虑到以电动自行车为代表的非机动车与机动车混合的交通流的情况，在实际工程应用方面往往需要做出较大的调整的问题。
附图说明
图1为本发明的交叉口配时方法的流程图；
图2为典型交叉口的非机动车分布示意图；
图3为机动车的消散模型的示意图；
图4为混合交通流的消散模型的示意图；
图5为非机动车到达与消散的时距图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明公开了一种基于混合交通流延误模型的交叉口配时方法，该方法能够根据混合交通流的特性，获取混合交通流情况下的单个交叉口的近似最优配时方案，其原理为：首先建立了以电动自行车为代表的非机动车消散模型，以及混合交通流消散模型，再由消散模型得到平均延误公式，并且在对平均延误公式进行合理近似后得到最佳配时周期，然后由最佳配时周期推导出各相位的绿灯时间等配时参数。
如图1所示，本发明的基于混合交通流延误模型的交叉口配时方法，包括以下步骤：
(1)获取交叉口交通参数
获取交叉口交通参数步骤包括：预先了解交叉口渠化状况、非机动车等待区容量，以及车流量等参数。
(2)建立非机动车消散模型
对以电动自行车为代表的非机动车的消散过程进行建模，如图2所示，在交通信号灯为红灯时，非机动车开始在机动车停止线前方的等待区域集结，该区域能够容纳R行，l列非机动车。如果电动车流量很大，超过该等待区容量，则会发生溢出，溢出部分的电动车会在机动车的旁边形成队列。假设非机动车以一个恒定的速率f到达，其队列亦以一个恒定的速率消散。定义单列非机动车队列在消散过程中的最大速率为饱和流量θ。，定义从交通信号灯由绿变红开始，到非机动车达到饱和流量的这段时间为非机动车的延迟时间δ。由此建立非机动车消散模型，图3和图4分别描述了无非机动车影响时的车辆消散过程和混和交通流情况下的车辆消散过程。
(3)建立混合交通流消散模型
在等待区的电动车消散之后，停车线后方的机动车开始消散，如图5所示，假设机动车以恒定的速率q到达，经过一段小时间τ的延迟后，其队列亦以一个恒定的速率s消散，定义该消散率s为机动车饱和流量。假设一个周期内黄灯时间为A，绿灯时间为G，机动车损失时间为Lv，机动车有效绿灯时间为Gev，则通过下式
A+G＝Lv+Gev
可获得绿灯时间和机动车有效绿灯时间之间的关系。
(4)对非机动车平均延误进行建模
根据步骤1中所述的非机动车消散模型，推导出非机动车辆的平均延误公式如下：
式中，f为非机动车流量，R为交通信号灯变为绿灯时刻等待区车辆的行数，η为非机动车的有效绿灯时间和绿灯时间的比值，c为周期长度。
(5)获取混合交通流下的平均延误
对于机动车，平均延误为
式中，λ为机动车有效绿灯时间与绿灯时间的比值，q为机动车流量，x为饱和度，通过计算。
引入非机动车延误在总延误中所占的权重变量α，由此可得到混合交通流下的延误
通常情况下，0≤α≤1。该公式提供的是一个交叉口特定方向入口通道车辆的平均延误，
一个周期内，交叉口总体平均延误由下式获得：
式中N为总通道数，为总加权车流量，qi为第i个通道的车流量，αi为第i个通道非机动车所占延误的权重。
(6)计算最佳配时周期
由步骤(5)中的总体平均延误公式，可得到周期和平均延误的关系，在实际应用中，需要获得的关键参数是平均延误最小时的周期，而非平均延误的数值。由于实际中的周期都是以秒为单位，并且会限定在一定范围内，所以可以通过下式获得：
式中，c0为最佳周期，C为周期可行集。
(7)计算绿灯时间等其他参数
获得最佳周期c0后，进一步确定各个相位的绿灯时间等参数，绿灯时间可由下式得到：
式中yj为相位j放行通道中流量比的较大值，P为相位数，A为一个周期内总的黄灯时间，L为一个周期内总的损失时间，Aj为相位j的黄灯时间，Lj为相位j的损失时间，Gj即为相位j的绿灯时间。
求出Gj后，再根据每个相位的限制做出调整，使得
Gjmin≤Gj≤Gjmax
Gjmin为相位j的最小绿灯时间限制，Gjmax为相位j的最大绿灯时间限制。
为了更好地理解本实施例提出的方法，选取一个两相位、车流量对称的混合交通流交叉口进行说明。
获取交叉口交通参数
首先对交叉口情况进行调研，获得交叉口渠化状况、非机动车等待区容量，以及机动车流量、非机动车流量等参数。该实例中，交叉口为十字形交叉口，有东、西、南、北四个通道，每个通道均为两车道，各通道车流量对称，假设机动车流量为400辆/小时，非机动车流量为400辆/小时。
建立非机动车消散模型
对以电动自行车为代表的非机动车的消散过程进行建模，在交通信号灯为红灯的时候，非机动车开始在机动车停止线前方的等待区域集结，该区域能够容纳3行，6列非机动车。非机动车以一个恒定的速率400辆/小时到达，其队列亦以一个恒定的速率消散。单列非机动车队列在消散过程中的最大速率为饱和流量1600辆/小时。定义从交通信号灯由绿变红开始，到非机动车达到饱和流量的这段时间为非机动车的延迟时间2.5秒。
建立混合交通流消散模型
在等待区的电动车消散之后，停车线后方的机动车开始消散，机动车以恒定的速率400辆/小时到达，经过一段时间5秒的延迟后，其队列亦以1600辆/小时的速率消散。故对每个相位而言Lv为7秒，则总损失时间L为14秒，假设每个相位的黄灯时间为3秒，则该周期内总黄灯时间A为6秒。
对非机动车平均延误进行建模
非机动车辆的平均延误公式如下：
式中，f为非机动车流量，R为交通信号灯变为绿灯时刻等待区车辆的行数，η为非机动车的有效绿灯时间和绿灯时间的比值，c为周期长度。
获取混合交通流下的平均延误
令非机动车延误在总延误中所占的权重变量α为0.3，得到混合交通流下的平均延误为
一个周期内，交叉口总体平均延误由下式获得：
式中N为总通道数，为总加权车流量，qi为第i个通道的车流量，αi为第i个通道非机动车所占延误的权重。
计算最佳配时周期
对于该交叉口，假定最大绿灯时间为80秒，最小绿灯时间为30秒，最优配时周期获得：
利用计算机求解，求得c0为44秒。
计算绿灯时间等其他参数
假设最小绿灯时间为15秒，最大绿灯时间为50秒，则绿灯时间可由下式得到：
求得相位1的绿灯时间为19秒，黄灯时间为3秒，满足约束。同理，相位2绿灯时间亦为19秒，黄灯时间为3秒。(若需要考虑全红时间，只需做出适当调整即可)
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于混合交通流延误模型的交叉口配时方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1，预先获取交叉口渠化状况、非机动车等待区容量及车流量参数；
步骤2，建立非机动车消散模型，具体步骤包括：假设非机动车以一个恒定的速率v到达，其队列亦以一个恒定的速率消散；定义单列非机动车队列在消散过程中的最大速率为饱和流量θ；定义从交通信号灯由绿变红开始，到非机动车达到饱和流量的这段时间为非机动车的延迟时间δ；
步骤3，建立混合消散模型，具体步骤包括：在等待区的电动车消散之后，停车线后方的机动车开始消散，假设机动车以恒定的速率q到达，经过一段小时间τ的延迟后，其队列亦以一个恒定的速率s消散，定义该消散率s为机动车饱和流量；假设一个周期内黄灯时间为A，绿灯时间为G，机动车损失时间为Lv，机动车有效绿灯时间为Gev，则通过下式
A+G＝Lv+Gev；
获得绿灯时间和机动车有效绿灯时间之间的关系；
步骤4，对非机动车平均延误进行建模，具体步骤包括：根据步骤2中所述的非机动车消散模型，推导出非机动车平均延误公式如下
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<mi>w</mi>
<mo>;</mo>
</mrow>
式中，f为非机动车流量，f与v相关，R为交通信号灯变为绿灯时刻等待区车辆的行数，η为非机动车的有效绿灯时间和绿灯时间的比值，c为周期长度；
步骤5，获取混合交通流下的平均延误，具体步骤包括：引入非机动车延误在总延误中所占的权重变量α，由此得到混合交通流下的延误公式
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式中，λ为机动车有效绿灯时间与绿灯时间的比值，q为机动车流量，x为饱和度，通过计算；
该公式提供的是一个交叉口特定方向入口通道车辆的平均延误，一个周期内，交叉口总体平均延误由下式获得：
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式中N为总通道数，为总加权车流量，qi为第i个通道的车流量，αi为第i个通道非机动车所占延误的权重；
步骤6，计算最佳配时周期，具体步骤包括：由步骤5中的总体平均延误公式，得到配时周期和平均延误的关系，通过下式获得最佳配时周期：
c0＝arg minc∈CD(c)；
式中，c0为最佳周期，C为周期可行集；
步骤7，计算配时方案的各个参数，具体步骤包括：获得最佳周期c0后，进一步确定各个相位的绿灯时间参数，绿灯时间由下式得到：
<mrow>
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式中yj为相位j放行通道中流量比的较大值，P为相位数，A为一个周期内总的黄灯时间，L为一个周期内总的损失时间，Aj为相位j的黄灯时间，Lj为相位j的损失时间，Gj即为相位j的绿灯时间；
求出Gj后，再根据每个相位的限制做出调整，使得
Gjmin≤Gj≤Gjmax；
Gjmin为相位j的最小绿灯时间限制，Gjmax为相位j的最大绿灯时间限制；
求出各相位绿灯时间后，再根据每个相位的限制做出调整，使得绿灯时间满足最大绿灯时间和最小绿灯时间的限制。
2.根据权利要求1所述的基于混合交通流延误模型的交叉口配时方法，其特征在于根据得到的配时方案的各个参数对所述交叉口的交通信号进行配时控制。
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