CN105679051A - 基于允许绿灯结束时段的全感应式协调信号控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于允许绿灯结束时段的全感应式协调信号控制方法，主要特征是：面向干道沿线的信号控制交叉口，在背景信号配时方案的基础上，为每个机动车相位定义允许绿灯结束时段；以背景信号配时方案中的绿灯结束时刻为界，将允许绿灯结束时段分为绿灯早断时间窗和绿灯延长时间窗；按照信号周期时间的一定比例确定时间窗取值，选择性地赋予非协调相位和协调相位；在机动车相位进口道的停止线上游40米处布设检测器；当前相位的绿灯早断时间窗或绿灯延长时间窗开启时，根据实时获取的车头时距决定延长或切断绿灯，在允许绿灯结束时段的终点强制切断绿灯；本方法能够在不牺牲交叉口整体控制性能的同时，尽可能保证并进一步改善干道沿线的车辆续进效果。

Description

基于允许绿灯结束时段的全感应式协调信号控制方法

技术领域

本发明属于智能交通控制技术领域，涉及一种全感应式协调信号控制方法。

背景技术

协调信号控制就是通过实现城市干道沿线短间距交叉口的交通信号灯联动控制，使来自上游交叉口主要通行方向的一部分车辆，能够以较少的行程时间和停车次数通过下游的若干交叉口。随着交通数据检测技术的发展和普及应用，感应式协调信号控制正逐步取代定时式协调信号控制，成为城市交通信号控制系统的主要工作模式。

根据技术特点的不同，将感应式协调信号控制方法分为2类：⑴全感应式，即在机动车运行受控于交通信号灯的所有进口车道上布设检测器，根据交叉口的实际通行需求动态调整各个机动车相位的绿灯时间；⑵部分感应式，即仅在次要通行方向机动车运行受控于交通信号灯的所有进口车道上布设检测器，根据次要通行方向的实际通行需求动态调整各个机动车相位的绿灯时间。与部分感应式协调信号控制方法相比，全感应式协调信号控制方法能够全面监控交叉口的交通运行状况，更加灵活、充分地实现绿灯时间再分配。

传统的全感应式协调信号控制方法是基于强制绿灯结束时刻开发的，由安装于交叉口的本地信号控制机负责执行。其工作原理概括如下：

1.将机动车相位分为非协调相位和协调相位；

2.利用检测器采集车头时距；

3.非协调相位和协调相位在背景信号配时方案中(简称“背景方案”)的绿灯结束时刻即为该相位的强制绿灯结束时刻；

4.背景方案中，在每个协调相位的绿灯结束时刻之前，为其设定专属的允许最早绿灯结束时刻；

5.非协调相位的绿灯显示时间达到最小绿灯时间后，根据实时获取的车头时距判断该相位的进口道连续通行需求是否已经得到满足。若已经得到满足，立即切断绿灯，先于强制绿灯结束时刻切断绿灯而释放的富余绿灯时间被下一相位继承，下一相位提前启亮绿灯；若未得到满足，延长绿灯直至强制绿灯结束时刻，下一相位按背景方案启亮绿灯；

6.背景方案的信号周期时钟达到协调相位的允许最早绿灯结束时刻后，根据实时获取的车头时距判断该相位的进口道连续通行需求是否已经得到满足。若已经得到满足，立即切断绿灯，释放的富余绿灯时间被下一相位继承，下一相位提前启亮绿灯；若未得到满足，延长绿灯直至强制绿灯结束时刻，下一相位按背景方案启亮绿灯。

令人遗憾的是，传统的全感应式协调信号控制方法虽然能够通过灵活、充分地绿灯时间再分配，减少机动车在交叉口经历的不必要的停车和延误，却难以保证或进一步改善干道沿线的车辆续进效果，主要原因如下：

1.非协调相位能否先于强制绿灯结束时刻切断绿灯以及提前切断绿灯的幅度是实时变化的，主要取决于前一相位释放的富余绿灯时间以及自身的实际通行需求；

2.一旦协调相位之前的多个非协调相位均提前切断绿灯，它们释放的过多富余绿灯时间可能导致协调相位大幅提前启亮绿灯；

3.当上、下游协调相位以相近的幅度提前启亮绿灯时，可以基本保证并进一步改善车辆续进效果；

4.当上、下游协调相位均按背景方案启亮绿灯时，可以基本保证但无法进一步改善车辆续进效果；

5.当上游协调相位大幅提前启亮绿灯、下游协调相位小幅提前或按背景方案启亮绿灯时，来自上游的车队在到达下游协调相位的停止线之前将受到该相位红灯期间排队车辆的阻滞而减速停车，车辆续进效果受到严重破坏；

6.当上游协调相位小幅提前或按背景方案启亮绿灯、下游协调相位大幅提前启亮绿灯时，来自上游的车队在到达下游协调相位的停止线之前该相位红灯期间排队车辆已完全消散并出现明显的绿灯时间浪费现象，可以保证但无法进一步改善车辆续进效果。

利用常规的交通控制设施和交通数据检测系统，建立一种新的绿灯时间再分配机制，使全感应式协调信号控制方法能够在不牺牲交叉口整体控制性能的同时，尽可能保证并进一步改善干道沿线的车辆续进效果，具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明的技术方案如下：

一、术语解释

协调相位：交叉口的所有机动车相位中，能够以较少的行程时间和停车次数通过干道沿线若干交叉口的续进机动车所属的相位。

非协调相位：交叉口的所有机动车相位中，除协调相位之外的其他相位。

同步相位：不存在交通冲突且同步显示绿灯的机动车相位。

前置相位：交叉口相对进口方向的所有机动车相位中，最先获得通行权的相位。

后置相位：交叉口相对进口方向的所有机动车相位中，最后获得通行权的相位。若相对进口方向存在多个后置相位，它们必须同时切断绿灯。

二、允许绿灯结束时段

允许绿灯结束时段是指一个信号周期内允许机动车相位根据实际通行需求切断绿灯的时间段。每个机动车相位都有专属的允许绿灯结束时段。它们的起点称为允许最早绿灯结束时刻，终点称为允许最迟绿灯结束时刻，背景方案中的绿灯结束时刻处于允许绿灯结束时段的内部。若背景方案中的绿灯结束时刻小于允许最迟绿灯结束时刻，意味着，该相位既可以提前切断绿灯，也可以延后切断绿灯；若背景方案中的绿灯结束时刻等于允许最迟绿灯结束时刻，则该相位只能提前切断绿灯。

就某一机动车相位而言，以背景方案中的绿灯结束时刻为界，将允许绿灯结束时段分为绿灯早断时间窗和绿灯延长时间窗，如图1所示。

绿灯早断时间窗适用于所有机动车相位，位于背景方案中的绿灯结束时刻之前，特殊情况下，可以被部分或全部占用，以满足最小绿灯时间的要求。绿灯早断时间窗越大，机动车相位能够释放的富余绿灯时间越多，反之亦然。当非协调相位的实际通行需求较小时，绿灯早断时间窗可以防止非协调相位过早切断绿灯，避免出现协调相位之前的多个非协调相位释放了过多的富余绿灯时间进而导致协调相位过度大幅提前启亮绿灯的现象。上、下游协调相位提前启亮绿灯幅度的差异对车辆续进效果的破坏作用受到了一定的限制。相比之下，为协调相位设置较小的绿灯早断时间窗，有利于减轻车队离散性对车辆续进效果的影响，协调相位将在更多有保证的绿灯时间内“感知”车队到达并延长绿灯。

绿灯延长时间窗适用于部分机动车相位，位于背景方案中的绿灯结束时刻之后，通过延后下一相位的绿灯启亮时刻得到。绿灯延长时间窗越大，机动车相位能够获得的额外绿灯时间越多，反之亦然。当协调相位的实际通行需求较大时，绿灯延长时间窗可以为协调相位提供更多的绿灯时间，随着绿波带宽的加大且被车队有效利用，车辆续进效果得到实质性的改善。然而，一旦上游协调相位提前启亮绿灯、下游协调相位延后启亮绿灯，来自上游的车队受阻于下游排队车辆的情形仍将对车辆续进效果起到不同程度的破坏作用，因此，不应为协调相位的前一非协调相位提供绿灯延长时间窗。此外，由于信号周期时间保持不变，协调相位在绿灯延长时间窗内获得的绿灯时间挤占了非协调相位本可以获得的绿灯时间，可能导致非协调相位的控制性能恶化。为了在一定程度上抵消此种负面影响，应为具有多条进口车道且不会直接导致协调相位延后启亮绿灯的非协调相位提供较小的绿灯延长时间窗。

根据上述分析，将非协调相位分为3类：⑴与协调相位同步后置的非协调相位；⑵协调相位的前一非协调相位；⑶除第1、2类之外的其他非协调相位。根据交叉口相位显示顺序的要求，相对进口方向的多个后置相位必须同时切断绿灯，它们在背景方案中的绿灯结束时刻相同，第1类非协调相位与同步后置的协调相位可以具有不同取值的绿灯早断时间窗，但应具有相同取值的绿灯延长时间窗。

考虑到交叉口实际通行需求的随机性，当前相位的实际绿灯结束时刻将对下一相位的绿灯时间再分配过程产生后效性，也就是说，当前相位释放的富余绿灯时间或获得的额外绿灯时间，都会对下一相位的实际绿灯结束时刻产生难以预测的影响。为非协调相位或协调相位个性化定制时间窗取值反而不利于它们主动适应实际通行需求的变化。因此，应采用一种粗放的方式确定时间窗取值，使非协调相位和协调相位具备受限但足够充裕的绿灯时间再分配能力，这也可以简化全感应式协调信号控制方法的配置流程，降低对背景方案精确性的要求。

按照信号周期时间的一定比例确定绿灯早断时间窗和绿灯延长时间窗的取值。将时间窗取值相对于信号周期时间的比例分为大、中、小3个等级，选择性地赋予非协调相位和协调相位，如表1所示(“无”表示不具备该类时间窗)。

表1时间窗取值相对于信号周期时间的比例

利用时间距离图，举例说明绿灯早断时间窗和绿灯延长时间窗对车辆续进效果的影响。

例1中，上游协调相位大幅提前启亮绿灯，下游协调相位按背景方案启亮绿灯，如图2所示。在绿灯早断时间窗的作用下，上游协调相位的绿灯提前启亮幅度为12秒，未在绿灯早断时间窗的作用下，上游协调相位的绿灯提前启亮幅度为16秒。显然，绿灯早断时间窗有助于减少下游协调相位红灯期间排队车辆对上游车队的阻滞影响时间。

例2中，上游协调相位按背景方案启亮绿灯，下游协调相位大幅提前启亮绿灯，如图3所示。在绿灯早断时间窗的作用下，下游协调相位的绿灯提前启亮幅度为12秒，未在绿灯早断时间窗的作用下，下游协调相位的绿灯提前启亮幅度为20秒。显然，绿灯早断时间窗有助于减少下游协调相位红灯期间排队车辆完全消散后的浪费绿灯时间。

例1和2中，绿灯延长时间窗均能够显著加大绿波带宽，可以为来自上游协调相位的更多车辆提供续进机会。

三、交通信号运行

在机动车运行受控于交通信号灯的所有进口车道的停止线上游40米处布设环形线圈检测器，用以采集车头时距。

(1)机动车相位

针对非协调相位和协调相位，当绿灯早断时间窗或绿灯延长时间窗开启时，根据实时获取的车头时距，判断该相位的进口道连续通行需求是否已经得到满足，决定延长或切断绿灯。

若当前相位是前置相位或唯一的后置相位，满足下列条件之一时，立即切断绿灯：

1.背景方案的信号周期时钟达到当前相位的允许最迟绿灯结束时刻；

2.当前相位的绿灯显示时间达到最小绿灯时间，同时，当前相位的进口道连续通行需求已经得到满足，即当前相位的所有检测器实时采集的车头时距先后或同时大于车头时距阈值。

若当前相位是后置相位且相对进口方向存在其他后置相位，满足下列条件之一时，立即切断绿灯：

1.背景方案的信号周期时钟达到任意当前相位的允许最迟绿灯结束时刻；

2.所有当前相位的绿灯显示时间均达到最小绿灯时间，同时，所有当前相位的进口道连续通行需求均已经得到满足，即所有当前相位的所有检测器实时采集的车头时距先后或同时大于车头时距阈值。

绿灯延长时间窗开启后，当前相位继续显示绿灯，与当前相位冲突的其他相位继续显示红灯。若当前相位服务的车队密度较低，延长绿灯带来的控制性能收益将无法抵消延长红灯带来的控制性能损失。因此，与绿灯早断时间窗相比，绿灯延长时间窗内应采用相对较小的车头时距阈值，以提高车队到达的判定标准。

(2)行人相位

行人相位的实际绿灯启亮时刻随与之冲突的前一机动车相位的实际绿灯结束时刻的变化而变化，但其实际绿灯时间保持不变，始终等于背景方案中的绿灯时间。

附图说明

图1是机动车相位的允许绿灯结束时段。

图2是时间窗对车辆续进效果的影响之例一。(a)是新方法，(b)是传统方法。

图3是时间窗对车辆续进效果的影响之例二。(a)是新方法，(b)是传统方法。

图4是干道系统的平面布局。

图5是干道系统沿线交叉口的平面布局。

具体实施方式

以具有3个信号控制交叉口的干道系统为例，介绍基于允许绿灯结束时段的全感应式协调信号控制方法的实施方式。

干道系统及沿线交叉口的平面布局，如图4、5所示。交叉口A、B、C具有完全相同的道路空间条件、交通控制设施和交通数据检测系统。相位K1、K3、K4、K5、K7和K8是非协调相位，相位K2和K6是协调相位。干道东行方向是主要协调方向，相位K2是主要协调相位；干道西行方向为次要协调方向，相位K6是次要协调相位。

机动车相位的信号灯色显示顺序为红→绿→黄→红；行人相位的信号灯色显示顺序为红→绿→红。机动车相位的黄灯时间和全红时间分别为3秒和1秒。交叉口的绿灯间隔时间矩阵，如表2所示。

表2交叉口的绿灯间隔时间矩阵(单位：秒)

为了实现干道沿线的双向车辆续进效果，针对交叉口A、B、C的相位显示顺序进行了优化设计，如表3所示。

表3交叉口的相位显示顺序

背景方案的信号周期时间为120秒，适用于机动车交通高峰时段，如表4所示。以背景方案中相位K2的绿灯启亮时刻作为相位差的参考点，干道东行方向和西行方向的设计行进车速均为50公里/小时。确定交叉口B和C的相位差取值时，来自上游的车队以设计行进车速到达下游协调相位的进口道停止线之前，为相位K2提供5秒的排队消散时间。

表4背景信号配时方案(单位：秒)

时间窗取值相对于信号周期时间的比例分为3个等级，即10％、5％、2.5％，对应的数值是12秒、6秒和3秒。不同交叉口、不同相位的时间窗取值，如表5所示。绿灯早断时间窗内的车头时距阈值为3秒；绿灯延长时间窗内的车头时距阈值为2.5秒。

表5时间窗取值(单位：秒)

Claims (1)

1.一种基于允许绿灯结束时段的全感应式协调信号控制方法，包括允许绿灯结束时段和交通信号运行两方面的内容，其特征在于：

(一)允许绿灯结束时段

允许绿灯结束时段是指一个信号周期内允许机动车相位根据实际通行需求切断绿灯的时间段；每个机动车相位都有允许绿灯结束时段；允许绿灯结束时段的起点称为允许最早绿灯结束时刻，终点称为允许最迟绿灯结束时刻，背景信号配时方案中的绿灯结束时刻处于允许绿灯结束时段的内部；若背景信号配时方案中的绿灯结束时刻小于允许最迟绿灯结束时刻，该相位可以提前切断绿灯或延后切断绿灯；若背景信号配时方案中的绿灯结束时刻等于允许最迟绿灯结束时刻，则该相位只能提前切断绿灯；

就某一机动车相位而言，以背景信号配时方案中的绿灯结束时刻为界，将允许绿灯结束时段分为绿灯早断时间窗和绿灯延长时间窗；

绿灯早断时间窗适用于所有机动车相位，位于背景信号配时方案中的绿灯结束时刻之前，可以被部分或全部占用，以满足最小绿灯时间的要求；绿灯早断时间窗的大小决定了机动车相位能够释放的富余绿灯时间极限值；协调相位的绿灯早断时间窗须小于非协调相位；

绿灯延长时间窗适用于部分机动车相位，位于背景信号配时方案中的绿灯结束时刻之后，通过延后下一相位的绿灯启亮时刻得到；绿灯延长时间窗的大小决定了机动车相位能够获得的额外绿灯时间极限值；为所有协调相位提供绿灯延长时间窗；不为协调相位的前一非协调相位提供绿灯延长时间窗；为具有多条进口车道且不会直接导致协调相位延后启亮绿灯的非协调相位提供的绿灯延长时间窗须小于协调相位；

将非协调相位分为3类：

(1)与协调相位同步后置的非协调相位；协调相位是指交叉口的所有机动车相位中，能够以较少的行程时间和停车次数通过干道沿线若干交叉口的续进机动车所属的相位；非协调相位是指交叉口的所有机动车相位中，除协调相位之外的其他相位；后置相位是指交叉口相对进口方向的所有机动车相位中，最后获得通行权的相位；

(2)协调相位的前一非协调相位；

(3)除第1、2类之外的其他非协调相位；

根据交叉口相位显示顺序的要求，相对进口方向的多个后置相位必须同时切断绿灯，第1类非协调相位与同步后置的协调相位具有不同取值的绿灯早断时间窗、相同取值的绿灯延长时间窗；

按照信号周期时间的一定比例确定绿灯早断时间窗和绿灯延长时间窗的取值；将时间窗取值相对于信号周期时间的比例分为3个等级，即10％、5％、2.5％，选择性地赋予非协调相位和协调相位，如下表所示(“无”表示不具备该类时间窗)：

表1时间窗取值相对于信号周期时间的比例

(二)交通信号运行

在机动车运行受控于交通信号灯的所有进口车道的停止线上游40米处布设环形线圈检测器，用以采集车头时距；绿灯早断时间窗内采用的车头时距阈值为3秒；绿灯延长时间窗内采用的车头时距阈值为2.5秒；

(1)机动车相位

针对非协调相位和协调相位，当绿灯早断时间窗或绿灯延长时间窗开启时，根据实时获取的车头时距，判断该相位的进口道连续通行需求是否已经得到满足，决定延长或切断绿灯；

若当前相位是前置相位或唯一的后置相位，满足下列条件之一时，立即切断绿灯；前置相位是指交叉口相对进口方向的所有机动车相位中，最先获得通行权的相位；

a.背景信号配时方案的信号周期时钟达到当前相位的允许最迟绿灯结束时刻；

b.当前相位的绿灯显示时间达到最小绿灯时间，同时，当前相位的进口道连续通行需求已经得到满足，即当前相位的所有检测器实时采集的车头时距先后或同时大于车头时距阈值；

若当前相位是后置相位且相对进口方向存在其他后置相位，满足下列条件之一时，立即切断绿灯：

a.背景信号配时方案的信号周期时钟达到任意当前相位的允许最迟绿灯结束时刻；

b.所有当前相位的绿灯显示时间均达到最小绿灯时间，同时，所有当前相位的进口道连续通行需求均已经得到满足，即所有当前相位的所有检测器实时采集的车头时距先后或同时大于车头时距阈值；

(2)行人相位

行人相位的实际绿灯启亮时刻随与之冲突的前一机动车相位的实际绿灯结束时刻的变化而变化，但其实际绿灯时间保持不变，始终等于背景方案中的绿灯时间。