CN105654741A - 一种面向单点瓶颈的上游区域信号控制参数优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向单点瓶颈的上游区域信号控制参数优化方法，该方法是通过精确描述区域内部节点交通状态的时空关联特性，合理调节上游节点的信号配时参数，从区域层面消散路段瓶颈，具体步骤如下：建立车流贡献率模型，通过设定的阈值确定调控车流与控制区域；再计算原控制方案下的驶入驶离流率差值；计算初始排队所需的上下游输入能力总调解量；将总调解量分配；调节车流绿信比，最终获得瓶颈控制方案。本发明方法基于瓶颈路段上游流率，综合考虑多种交通流参数，自动识别瓶颈车流并实时对瓶颈相关交叉口进行控制，能快速有效解决瓶颈拥堵情况，且易于工程实现。

Description

一种面向单点瓶颈的上游区域信号控制参数优化方法

技术领域

本发明涉及一种面向单点瓶颈的上游区域信号控制参数优化方法，用于城市交通控制与管理，属于智能交通研究领域。

背景技术

随着城市经济的不断发展、城市规模的持续扩大，城市道路交通拥堵问题日益严重，严重影响了人们的日常生活和社会的稳定发展，而如何寻找有效的方法来治理交通拥堵，是如今交通工程领域的研究热门之一。

路网中交通需求时空分布的不均衡会导致个别路段的排队长度接近甚至等于路段长度，影响上游交叉口交通流的正常释放。该路段称之为“瓶颈路段”，其所对应的交叉口称之为“瓶颈交叉口”。瓶颈交叉口作为城市路网中的重要节点，可能会引发城市路网拥堵的“多米诺”和“死锁”现象，其结果是导致路网交通运行严重瘫痪，造成严重的经济和社会损失。针对此类现象要改善交通拥挤状况，瓶颈交叉口处的信号优化就显得尤为重要。

针对以上现状和问题，本发明提出了一种能够有效快速疏散单条路段瓶颈状态的区域信号控制参数优化方法，为城市交通精细化的管理控制提供依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向单点瓶颈的上游区域信号控制参数优化方法。该方法通过精确描述区域内部节点交通状态的时空关联特性，合理调节上游节点的信号配时参数，从区域层面消散路段瓶颈。

本发明提出的面向单点瓶颈的上游区域信号参数优化方法，包括了瓶颈控制节点选择、瓶颈路段调节量确定和信号参数优化三部分。

第一部分，瓶颈控制节点选择。本发明中，将通过建立车流贡献率表达模型描述上游交通流对瓶颈路段的影响。

第二部分，瓶颈路段调节量确定。以瓶颈路段上游数据为基准计算流率差值，通过理想消散时间和消散比例确定总调节量并按路径数等比例分配，最后结合车流贡献率表达模型确定瓶颈相位的绿信比。

第三部分，信号参数优化。在交叉口相位相序和周期时长不变的情况下，将优化得到的瓶颈相位绿信比下发给瓶颈路段上游交叉口，并对瓶颈相位与其他相位绿灯时长做出相应的调整。

本发明提出的瓶颈控制方法，包括步骤如下：

c1、建立车流贡献率表达模型，通过预先设定的贡献率及饱和度阈值确定调控车流与控制区域。

c2、以调控车流上游驶入流率和驶出流率，理想消散时间和消散比例为基准确定上游应承担总调节量。

c3、根据上游路径数量，计算每条路径承担的调解量。

c4、结合调控车流路段信息，确定调控车流所对应相位的绿信比调节量。

c5、详细分析方案下发时刻与当前周期运行状态，并形成最终瓶颈控制方案。

步骤c1分析上游交通流对瓶颈路段的影响，利用预先设定的阈值确定瓶颈控制区域，详细步骤如下：

针对整个城市路网或控制区域，其所包含的路段集合可用N来表示，N＝{n₁,n₂,…,n_m}，其中，m为路段个数，i和j分别表示路段n_i和n_j的车流。

城市路网中的车流按其所处空间位置的不同，可将其分为路段车流和进口道转向车流两类。借助图论中的基本概念，令<n_i,n_j>表示相邻路段i和j之间的有向连接边，则区域所有进口道转向车流的集合可表示为：

L＝{l_i,j|l_i,j＝<n_i,n_j>,i,j＝1,2,…,m}

针对特定路段，其交通负荷直接来源于上游节点的驶入。针对路段n_i和n_j而言，上游车流的驶入对下流车流负荷度的贡献率可表示为：

${\mathrm{\&alpha;}}_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{q_{i,j}}{\underset{h\&Element;I_{in}^j}{\&Sigma;}{q}_{h,j}}& <n_i,n_j>\&Element;L\\ 0& <n_i,n_j>\&NotElement;L\end{array}\right.$

式中，I^j _in为车流j的上游交叉口所有输入车流的集合；α_i,j为路段车流i对车流j的影响率；q_i,j为车流i驶入车流j的流率，也即转向车流l_i,j的流率(veh/s)。

路径是由一系列路段前后连接而成，如果前后两条路段i和j同时属于路径k，则车流l_i,j也属于路径k。假设车流i与车流j之间共存在K条路径，则i车流通过路径k对车流j的负荷度影响率可近似用下式估计：

车流i对车流j的总贡献率为

某一车流是否能够作为瓶颈路段车流的调控车流取决于两个因素：1)该车流与瓶颈车流之间的贡献率是否大于其阈值η_u,max；2)针对上游“限流”车流，待选车流本身的饱和度是否低于某一阈值x_u,max。只能当上述两个条件同时得以满足时，该车流方可作为调控车流，且该车流所在的交叉口纳入瓶颈控制区域。

若某上流车流的影响率为η_u，则其含义为该车流释放流率每减少ω_u，瓶颈路段车流的驶入流率便减少η_uω_u。

η_u,max和x_u,max是瓶颈控制区域确定过程中的重要参数，可依据经验值进行设定，本发明实例中可分别取值为0.3和0.9。

步骤c2详细计算如下：

在执行瓶颈控制方案时，n_s代表瓶颈路段，若维持瓶颈路段排队长度不变，则上下游需要调节的总通行能力应等于原方案下瓶颈路段上下游驶入与驶离的流率偏差，即：

${\mathrm{\&Delta;S}}_d=\underset{n_i\&Element;L_{in}^s}{\&Sigma;}{q}_{i,s}-\underset{n_j\&Element;L_{out}^s}{\&Sigma;}{q}_{s,j}$

式中：△S_d为原方案下游驶离与上游驶入流率差值(veh/s)；q_s,j由瓶颈路段驶入出口路段n_j的流率(veh/s)；L_in ^s表示瓶颈路段n_s的上游驶入路段集合；L_out ^s表示瓶颈路段n_s的下游出口路段集合。

在不考虑原控制方案中上下游驶入与驶出流率差值的前提下，为确保在理想消散时段T内消除路段瓶颈，上游驶入流率减少量与下游驶出流率增加量之和应满足：

${\mathrm{\&Delta;S}}_a=\frac{n\&CenterDot;(L_{s,max}-L_{s,idea})}{T\&CenterDot;l}$

式中：L_s,max为瓶颈触发时的路段排队长度(m)，由于排队长度无法实时监测，可为路段长度近似替代；L_s,idea为瓶颈路段理想排队长(m)；n为瓶颈路段车道数，l为平均车身长度。

正常情况下，瓶颈触发时的单位时间内的上游输入必然大于下游输出，但在路段进出口及随机因素干扰下，瓶颈触发时上游输入亦可能会小于下游输出，此时应界定△S_d等于0。因此，为保证特定时段T内消散路段瓶颈，单位时间内瓶颈路段上下游的驶入与驶出流率总调节量△S，为：

ΔS＝ΔS_a+max{ΔS_d,0}

式中，△S为原控制方案下驶入、驶出流率的总调节量(veh/s)。

步骤c3详细计算如下：

瓶颈路段的驶入车流可能包含多条路径车流的汇入，为均衡不同路径的交通负荷增量，本文以路径总数为基准均分上游总调节量。

假设影响瓶颈路段负荷度的上游分别有K条路径，则每条路径所应承担的调节量为：

${\mathrm{\&Delta;S}}_{up}=\frac{\mathrm{\&Delta;}S}{K}$

式中，ΔS_up为上游路径所应承担的调节量。

步骤c4详细步骤如下：

假设车流i含有条车道，且每条车道的饱和流率均为Q_i,s，则车流所对应相位的绿信比压缩量为：

式中，△λ_i,s为车流i所对应相位的绿信比调节量。

步骤c5考虑了上游信号优化方案的差异，并且对方案下发时刻与当前周期运行状态进行详细分析。详细步骤如下：

车流i代表上游瓶颈相关车流，且其相位绿信比压缩量△λ_i,s，则瓶颈相位绿灯执行时间为：

g′_i,s＝(λ_i,s-Δλ_i,s)C_i,s

式中，g’_i,s为瓶颈控制方案中，车流i所对应的相位绿灯时长(s)；λ_i,s为i所对应相位的原方案绿信比；C_i,s为i车流所对应路口的瓶颈控制方案周期时长(s)。

c51下发时刻未至结束时刻

若下发时刻(t₀)，当前周期尚未运行至瓶颈相位在瓶颈控制方案中的结束时刻(t_b)，即t₀<t_b，则瓶颈相位运行至t_b后，绿灯截停，本相位剩余时间补全红，如附图2所示。从瓶颈相位的下一相位开始运行瓶颈控制方案。

c52下发时刻正在运行瓶颈相位，运行的时间大于瓶颈控制方案中的相位绿灯时长未至结束时刻

若下发时刻，当前周期正在运行瓶颈相位，且以运行的时间大于瓶颈控制方案中的相位绿灯时长，即T_b>t₀>t_b，T_b为原相位绿灯结束时刻，则本相位绿灯直接截停，剩余时间补全红，从瓶颈相位的下一相位开始运行瓶颈控制方案。

c53下发时刻瓶颈相位已结束

若下发时刻，当周期瓶颈相位已运行结束，则当前周期的控制方案保持不变，下周期开始执行瓶颈方案。

本发明的有益效果：本发明基于瓶颈路段上下游流率，综合考虑多种交通流参数，自动识别瓶颈车流并实时对瓶颈相关交叉口进行控制，能快速有效解决瓶颈拥堵情况，且易于工程实现。

附图说明

图1为瓶颈控制上游总调节量流程图；

图2为绿信比压缩方法(情况1)；

图3为绿信比压缩方法(情况2)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细阐述，如图1所示，本发明方法流程步骤如下：

步骤一

确定调控车流与控制区域：

${\mathrm{\&alpha;}}_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{q_{i,j}}{\underset{h\&Element;I_{in}^j}{\&Sigma;}{q}_{h,j}}& <n_i,n_j>\&Element;L\\ 0& <n_i,n_j>\&NotElement;L\end{array}\right.$

式中，I^j _in为车流j的上游交叉口所有输入车流的集合；

α_i,j为路段车流i对车流j的贡献率；

q_i,j为车流i驶入车流j的流率，也即转向车流l_i,j的流率(veh/s)；

车流i与车流j之间共存在K条路径，n_s代表瓶颈路段车流。

假设路网中发现瓶颈路段n_s，上游路段n_i流入流量贡献率为0.5，车流饱和度为0.7，车流饱和度为0.6。由于η_u,max和x_u,max分别为0.3和0.9，因此上游路段n_i满足调控要求，可以作为瓶颈控制区域，车流i可作为调控车流。

步骤二计算原控制方案下的驶入、驶离流率差值：

计算公式如下：

${\mathrm{\&Delta;S}}_d=\underset{n_i\&Element;L_{in}^s}{\&Sigma;}{q}_{i,s}-\underset{n_j\&Element;L_{out}^s}{\&Sigma;}{q}_{s,j}$

${\mathrm{\&Delta;S}}_a=\frac{n\&CenterDot;(L_{s,max}-L_{s,idea})}{T\&CenterDot;l}$

ΔS＝ΔS_a+max{ΔS_d,0}

式中：△S_d为原方案下游驶离与上游驶入流率差值(veh/s)；

q_s,j由瓶颈路段驶入出口路段ω的流率(veh/s)；

L_in ^s表示瓶颈路段m的上游驶入路段集合；

L_out ^s表示瓶颈路段m的下游出口路段集合。

L_s,max为瓶颈触发时的路段排队长度(m)；

L_s,idea为瓶颈路段理想排队长度(m)；

n为瓶颈路段车道数；

△S为瓶颈路段上下游的驶入与驶出流率总调节量(veh/s)；

l为平均车身长度(m)。

假设上游驶入流率为1000(veh/h)，下游驶离流率为800(veh/h)，瓶颈车道数为2，需要在0.1h内消散，瓶颈触发时路段排队长度为400m，理想排队长度为300m，车身长度平均为5m，则ΔS_d＝200，总调节量ΔS＝600(veh/h)，也即ΔS＝0.1667(veh/s)。

步骤三路径调节量的计算：

影响瓶颈路段负荷度的上游分别有K条路径，则每条路径所应承担的调节量为：

${\mathrm{\&Delta;S}}_{up}=\frac{\mathrm{\&Delta;}S}{K}$

式中，ΔS_up为上游路径所应承担的调节量。

如果上下游均只有1条路径，则上下游所承担的调节量不变。ΔS_up＝ΔS＝0.1667(veh/s)

步骤四相关相位的绿信比调节量：

假设车流i含有条车道，且每条车道的饱和流率均为Q_i,s，则车流所对应相位的绿信比压缩量为：

式中，△λ_i,s为车流i所对应相位的绿信比调节量。

若上游均有两条车道，且每条车道的饱和流率为1000(veh/h),则按照上述假设，上游绿信比减少量为

步骤六节点信号控制方案优化：

(1)上游路口信号方案优化

g′_i,s＝(λ_i,s-Δλ_i,s)C_i,s

式中，g’_i,s为瓶颈控制方案中，车流i所对应的相位绿灯时长(s)；

λ_i,s为i车流所对应相位的原方案绿信比；

C_i,s为i车流所对应路口的瓶颈控制方案周期时长(s)。

情况1：若下发时刻(t₀)，当前周期尚未运行至瓶颈相位在瓶颈控制方案中的结束时刻(t_b)，即t₀<t_b，则瓶颈相位运行至t_b后，绿灯截停，本相位剩余时间补全红，如图2所示，从瓶颈相位的下一相位开始运行瓶颈控制方案。

情况2：若下发时刻，当前周期正在运行瓶颈相位，且以运行的时间大于瓶颈控制方案中的相位绿灯时长，即T_b>t₀>t_b，则本相位绿灯直接截停，剩余时间补全红，从瓶颈相位的下一相位开始运行瓶颈控制方案(如图3所示)。

情况3：若下发时刻，当周期瓶颈相位已运行结束，则当前周期的控制方案保持不变，下周期开始执行瓶颈方案。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.面向单点瓶颈的上游区域信号控制参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

c1、建立车流贡献率表达模型，通过预先设定的贡献率阈值及饱和度阈值确定调控车流与控制区域；

c2、以调控车流上游驶入流率和驶出流率，理想消散时间和消散比例为基准确定上游应承担总调节量；

c3、根据上游路径数量，计算每条路径承担的调解量；

c4、结合调控车流路段信息，确定调控车流所对应相位的绿信比调节量；

c5、根据方案下发时刻与当前周期运行状态，形成最终瓶颈控制方案。

2.根据权利要求1所述的面向单点瓶颈的上游区域信号控制参数优化方法，其特征在于，所述的步骤c1为分析上游交通流对瓶颈路段的影响，利用预先设定的阈值确定瓶颈控制区域，详细步骤如下：

针对整个城市路网或控制区域，其所包含的路段集合可用N来表示，N＝{n₁,n₂,…,n_m}，其中，m为路段个数，i和j分别表示路段n_i和n_j的车流；

城市路网中的车流按其所处空间位置的不同，分为路段车流和进口道转向车流两类；令<n_i,n_j>表示相邻路段i和j之间的有向连接边，则区域所有进口道转向车流的集合可表示为：

L＝{l_i,j|l_i,j＝<n_i,n_j>,i,j＝1,2,…,m}

针对路段n_i和n_j而言，上游车流的驶入对下流车流负荷度的贡献率可表示为：

${\mathrm{\&alpha;}}_{i,j}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{q_{i,j}}{\underset{h\&Element;I_{in}^j}{\&Sigma;}{q}_{h,j}}& <n_i,n_j>\&Element;L\\ 0& <n_i,n_j>\&NotElement;L\end{array}\right.$

式中，I^j _in为车流j的上游交叉口所有输入车流的集合；α_i,j为路段车流i对车流j的影响率；q_i,j为车流i驶入车流j的流率，也即转向车流l_i,j的流率；

路径是由一系列路段前后连接而成，如果前后两条路段i和j同时属于路径k，则车流l_i,j也属于路径k；假设车流i与车流j之间共存在K条路径，则i车流通过路径k对车流j的负荷度影响率可近似用下式估计：

车流i对车流j的总贡献率为

某一车流是否能够作为瓶颈路段车流的调控车流取决于两个因素：1)该车流与瓶颈车流之间的贡献率是否大于其阈值η_u,max；2)针对上游“限流”车流，待选车流本身的饱和度是否低于某一阈值x_u,max；当上述两个条件同时得以满足时，该车流方可作为调控车流，且该车流所在的交叉口纳入瓶颈控制区域；

若某上流车流的影响率为η_u，则其含义为该车流释放流率每减少ω_u，瓶颈路段车流的驶入流率便减少η_uω_u；η_u,max和x_u,max是瓶颈控制区域确定过程中的重要参数，根据实际情况预先设置。

3.根据权利要求1所述的面向单点瓶颈的上游区域信号控制参数优化方法，其特征在于，所述的步骤c2具体如下：

以n_s代表瓶颈路段，若维持瓶颈路段排队长度不变，则上下游需要调节的总通行能力应等于原方案下瓶颈路段上下游驶入与驶离的流率偏差，即：

${\mathrm{\&Delta;S}}_d=\underset{n_i\&Element;L_{in}^s}{\&Sigma;}{q}_{i,s}-\underset{n_j\&Element;L_{out}^s}{\&Sigma;}{q}_{s,j}$

式中：△S_d为原方案下游驶离与上游驶入流率差值；q_s,j由瓶颈路段驶入出口路段n_j的流率；L_in ^s表示瓶颈路段n_s的上游驶入路段集合；L_out ^s表示瓶颈路段n_s的下游出口路段集合；

在不考虑原控制方案中上下游驶入与驶出流率差值的前提下，为确保在理想消散时段T内消除路段瓶颈，上游驶入流率减少量与下游驶出流率增加量之和应满足：

${\mathrm{\&Delta;S}}_a=\frac{n\&CenterDot;(L_{s,max}-L_{s,idea})}{T\&CenterDot;l}$

式中：L_s,max为瓶颈触发时的路段排队长度，由于排队长度无法实时监测，可为路段长度近似替代；L_s,idea为瓶颈路段理想排队长；n为瓶颈路段车道数，l为平均车身长度；

正常情况下，瓶颈触发时的单位时间内的上游输入必然大于下游输出，但在路段进出口及随机因素干扰下，瓶颈触发时上游输入亦可能会小于下游输出，此时应界定△S_d等于0；因此，为保证特定时段T内消散路段瓶颈，单位时间内瓶颈路段上下游的驶入与驶出流率总调节量△S，为：

ΔS＝ΔS_a+max{ΔS_d,0}

式中，△S为原控制方案下驶入、驶出流率的总调节量。

4.根据权利要求1所述的面向单点瓶颈的上游区域信号控制参数优化方法，其特征在于，所述的步骤c3具体如下：

以路径总数为基准均分上游总调节量，假设影响瓶颈路段负荷度的上游分别有K条路径，则每条路径所应承担的调节量为：

${\mathrm{\&Delta;S}}_{up}=\frac{\mathrm{\&Delta;}S}{K}$

式中，ΔS_up为上游路径所应承担的调节量。

5.根据权利要求1所述的面向单点瓶颈的上游区域信号控制参数优化方法，其特征在于，所述的步骤c4具体如下：

假设车流i含有条车道，且每条车道的饱和流率均为Q_i,s，则车流所对应相位的绿信比压缩量为：

式中，△λ_i,s为车流i所对应相位的绿信比调节量。

6.根据权利要求1所述的面向单点瓶颈的上游区域信号控制参数优化方法，其特征在于，所述的步骤c5具体如下：

车流i代表上游瓶颈相关车流，且其相位绿信比压缩量△λ_i,s，则瓶颈相位绿灯执行时间为：

g′_i,s＝(λ_i,s-Δλ_i,s)C_i,s

式中，g’_i,s为瓶颈控制方案中车流i所对应的相位绿灯时长；λ_i,s为i所对应相位的原方案绿信比；C_i,s为i车流所对应路口的瓶颈控制方案周期时长；

c51若下发时刻未至结束时刻

若下发时刻t₀，当前周期尚未运行至瓶颈相位在瓶颈控制方案中的结束时刻t_b，即t₀<t_b，则瓶颈相位运行至t_b后，绿灯截停，本相位剩余时间补全红，从瓶颈相位的下一相位开始运行瓶颈控制方案；

c52若下发时刻正在运行瓶颈相位，运行的时间大于瓶颈控制方案中的相位绿灯时长未至结束时刻

若下发时刻，当前周期正在运行瓶颈相位，且已运行的时间大于瓶颈控制方案中的相位绿灯时长，即T_b>t₀>t_b，T_b为原相位绿灯结束时刻，则本相位绿灯直接截停，剩余时间补全红，从瓶颈相位的下一相位开始运行瓶颈控制方案；

c53若下发时刻瓶颈相位已结束

若下发时刻，当前周期瓶颈相位已运行结束，则当前周期的控制方案保持不变，下周期开始执行瓶颈方案。