CN106023608B - 一种十字路口交通信号灯实时动态配时的方法 - Google Patents

一种十字路口交通信号灯实时动态配时的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种十字路口交通信号灯实时动态配时的方法，涉及道路交通控制领域，包括定义十字路口各交通流方向的相位，确定各相位的饱和流量；测得多组各相位的现时流量，得到各相位的最大现时流量；计算各相位的相对最大流量比和十字路口流量强度；设计目标函数，求解目标函数，得到各相位的理论有效绿灯时间；根据各相位的理论有效绿灯时间和十字路口信号灯总损失时间确定信号灯周期时间；根据各相位的相对最大流量比和一个信号灯周期时间内的十字路口流量强度的比值确定各相位的实际有效绿灯时间。本发明避免了由于周期过短造成拥堵路段车辆频繁启停，同时提高了拥堵路段的通行能力，降低了拥堵路段的停车率，具有很好的鲁棒性。

Description

一种十字路口交通信号灯实时动态配时的方法
技术领域
本发明涉及道路交通控制领域，具体涉及一种十字路口交通信号灯实时动态配时的方法。
背景技术
十字路口交通信号灯是目前应用最多的车流疏导方式，常见的路口交通灯大多采用固定红绿灯时间的方式进行控制。这种控制方法根据特定路口的车流情况凭经验设置各方向红绿灯时间长度，即每一个方向的绿灯时间都根据该路口一般情况下车流量的大小来设定。早期的固定配时交通灯，在避免交通冲突，防止交通事故上起到了重要的作用。但随着汽车工业的发展，以及城市交通的不断复杂化，固定配时方式已不能满足交通管理的需求。因此交通灯实时动态配时优化的重要性逐渐体现。实时动态配时可以提高车辆使用效率，提高车辆通过率，减少车辆行驶时间，及提高车辆燃油经济性。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种十字路口交通信号灯实时动态配时的方法，使得交叉口各相位的车辆平均延迟时间最小，车辆平均停车率最小和通行能力最大。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：一种十字路口交通信号灯实时动态配时的方法，包括如下步骤：
S1、定义十字路口各交通流方向的相位，确定各相位的饱和流量；
S2、测得多组各相位的现时流量，得到各相位的最大现时流量；
S3、计算各相位的相对最大流量比和十字路口流量强度；
在S3中，各个相位的流量比为各个相位的相对最大流量比为十字路口流量强度为其中yi为相位i的流量比，qi为相位i的现时流量，Si为相位i的饱和流量，yimax为相位i的相对最大流量比，qimax为相位i的最大现时流量，i为相位代号，p为相位数，Y为十字路口流量强度；
S4、根据平均延迟时间、平均停车率、平均通行能力设计目标函数，求解目标函数，得到各相位的理论有效绿灯时间；
在S4中，目标函数为Minf(Gi)＝Da×Dave+Hc×Have-Qcb×Qave，其中Qave为各相位的平均延迟时间Di为相位i的平均延迟时间其中λi为相位i的绿信比xi为相位i的饱和度Qi相位i的通行能力Qi＝Si×λi，C为信号灯周期时间，Gi为相位i的理论有效绿灯时间，yimax为相位i的相对最大流量比，qimax为相位i的最大现时流量，p为相位数，i为相位代号；Da为平均延迟时间的加权系数其中Y为十字路口流量强度；Have为各相位的平均停车率，Hc为平均停车率的加权系数，Qave为各相位的平均通行能力，Qcb为平均通行能力的加权系数，Gi为相位i的理论有效绿灯时间；
S5、根据各相位的理论有效绿灯时间和十字路口信号灯总损失时间确定信号灯周期时间；
S6、根据各相位的相对最大流量比和一个信号灯周期时间内的十字路口流量强度的比值确定各相位的实际有效绿灯时间；
S7、本信号灯周期结束后，返回S2，计算下一个信号灯周期各相位实际有效绿灯时间。
在上述技术方案的基础上，在S1中，所述十字路口分为东南西北四个进口道，待确定实际有效绿灯时间的十字路口和与之相连的道路为双向的若干车道，并且每条车道宽度一致，该十字路口的交通信号灯控制通信方式有p种，每种方式定义为一种相位，总共有p个相位。
在上述技术方案的基础上，在S1中，该十字路口的交通信号灯控制通信方式有4种，各相位的交通流方向如下：
相位1的交通流方向为东西直行，包括东直行至西和西直行至东两个交通流；
相位2的交通流方向为东西左转，包括东左转至南和西左转至北两个交通流；
相位3的交通流方向为南北直行，包括南直行至北和北直行至南两个交通流；
相位4的交通流方向为南北左转，包括南左转至西和北左转至东两个交通流。
在上述技术方案的基础上，各相位的平均停车率为Hi为相位i的平均停车率其中yimax为相位i的相对最大流量比λi为相位i的绿信比C为信号灯周期时间，Gi为相位i的理论有效绿灯时间，qimax为相位i的最大现时流量，Si为相位i的饱和流量，i为相位代号，p为相位数；
平均停车率的加权系数为其中qimax为相位i的最大现时流量，i为相位代号，p为相位数，Y为十字路口流量强度。
在上述技术方案的基础上，各相位的平均通行能力为其中λi为相位i的绿信比C为信号灯周期时间，Gi为相位i的理论有效绿灯时间，Si为相位i的饱和流量，i为相位代号，p为相位数；
平均通行能力的加权系数为其中C为信号灯周期时间，Y为十字路口流量强度。
在上述技术方案的基础上，在S5中，信号灯周期时间为：其中LC为十字路口信号灯总损失时间，Gi为相位i的理论有效绿灯时间，p为相位数，i为相位代号。
在上述技术方案的基础上，在S6中，相位i的实际有效绿灯时间为：其中C为信号灯周期时间，LC为十字路口信号灯总损失时间，yimax为相位i的相对最大流量比，Y为十字路口流量强度。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的十字路口交通信号灯实时动态配时的方法在十字路口中低饱和状态时以最小车辆平均延迟时间为主要优化目标，减小了信号灯周期时间内车辆平均延迟时间。
(2)本发明的十字路口交通信号灯实时动态配时的方法在十字路口近饱和状态或过饱和状态时以最小车辆平均停车率和最大通行能力为主要优化目标，避免了由于周期过短造成拥堵路段车辆频繁启停，同时提高了拥堵路段的通行能力，降低了拥堵路段的停车率，具有很好的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明实施例中十字路口交通信号灯实时动态配时的方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供一种十字路口交通信号灯实时动态配时的方法，包括如下步骤：
S1、定义十字路口各交通流方向的相位，确定各相位的饱和流量Si；
S2、测得多组各相位的现时流量，得到各相位的最大现时流量qimax；
S3、计算各相位的相对最大流量比yimax和十字路口流量强度Y；
S4、根据平均延迟时间、平均停车率、平均通行能力设计目标函数，求解目标函数，得到各相位的理论有效绿灯时间Gi；
S5、根据各相位的理论有效绿灯时间Gi和十字路口信号灯总损失时间LC确定信号灯周期时间C；
S6、根据各相位的相对最大流量比yimax和一个信号灯周期时间内的十字路口流量强度Y的比值确定各相位的实际有效绿灯时间Gi实；
S7、本信号灯周期结束后，返回S2，计算下一个信号灯周期各相位实际有效绿灯时间。
在S1中，所述十字路口分为东南西北四个进口道，研究的十字路口和与之相连的道路为双向的若干车道，并且每条车道宽度一致，该十字路口的交通信号灯控制通信方式有p种，每种方式定义为一种相位，总共有p个相位。
在S1中，该十字路口的交通信号灯控制通信方式优选有4种，每种方式定义为一种相位，各相位的交通流方向如下：
相位1的交通流方向为东西直行，包括东直行至西和西直行至东两个交通流；
相位2的交通流方向为东西左转，包括东左转至南和西左转至北两个交通流；
相位3的交通流方向为南北直行，包括南直行至北和北直行至南两个交通流；
相位4的交通流方向为南北左转，包括南左转至西和北左转至东两个交通流。
在S3中，相位的流量比为相位的相对最大流量比为十字路口流量强度为其中yi为相位i的流量比，qi为相位i的现时流量，Si为相位i的饱和流量，yimax为相位i的相对最大流量比，相位i的相对最大流量比yimax大于0且小于等于1，qimax为相位i的最大现时流量，i为相位代号，p为相位数，Y为十字路口流量强度。
在中低饱和状态时，以减小平均延误时间为主导，以求解平均延误时间的最小值为优化目标；在近饱和状态或过饱和状态下，忽略平均延误时间对整个目标函数的影响，以平均通行能力和平均停车率为主导，以求解平均通行能力的最大值和平均停车率的最小值为优化目标，因此设计平均延迟时间的加权系数Da，平均通行能力的加权系数Qcb和平均停车率的加权系数Hc。
在S4中，目标函数为
Minf(Gi)＝Da×Dave+Hc×Have-Qcb×Qave
其中，Dave为各相位的平均延迟时间，Da为平均延迟时间的加权系数，Have为各相位的平均停车率，Hc为平均停车率的加权系数，Qave为各相位的平均通行能力，Qcb为平均通行能力的加权系数，Gi为相位i的理论有效绿灯时间。
经过计算推导，各相位的平均延迟时间的数量级为102，相各相位的平均停车率的数量级为100，各相位的平均通行能力的数量级为103；
要实现在中低饱和度的情况下，即yimax≤0.6或Y≤2.5的状态下，平均延迟时间的加权系数较大；在近饱和或过饱和的情况下，即yimax>0.6或Y>2.5的状态下，平均延迟时间的加权系数较小，故将平均延迟时间的加权系数设计为与流量强度Y有关的e指数形式，当yimax≤0.6或Y≤2.5的状态下，平均延迟时间的加权系数是呈e指数增大；当yimax>0.6或Y>2.5的状态下，平均延迟时间的加权系数是逐渐以e指数衰减到0。
要实现在中低饱和度的情况下，即yimax≤0.6或Y≤2.5的状态下，平均通行能力的加权系数和平均停车率的加权系数相对较小；在近饱和或过饱和的情况下，即yimax>0.6或Y>2.5的状态下，平均通行能力的加权系数和平均停车率的加权系数相对较大；故设计平均通行能力的加权系数与Y正比，平均停车率的加权系数与Y反比，且使各相位的平均停车率和各相位的平均通行能力的数量级相同。
各相位的平均延迟时间为Di为相位i的平均延迟时间平均延迟时间Di的公式中第一项表示车辆到达率恒定时产生的正常相位延误，第二项表示车辆的到达率随机波动时产生的附加延误时间。当饱和度较低时，第二项所占的比重很小；随着饱和度的增加，第二项的影响就愈来愈大。车辆在十字路口的平均延误时间Di由三方面构成：(1)正常相位延误；(2)随机延误；(3)过饱和延误。其中当道路交通环境饱和度较小的时候，只有正常相位延误和随机延误，当道路交通环境饱和度较大的时候，车辆受到交通流的影响剧增，产生过饱和延误。平均延迟时间Di的公式中λi为相位i的绿信比xi为相位i的饱和度Qi相位i的通行能力Qi＝Si×λi，C为信号灯周期时间，信号灯周期时间C大于等于100秒小于等于300秒；Gi为相位i的理论有效绿灯时间，相位i的理论有效绿灯时间Gi大于等于20秒。
平均延迟时间的加权系数为
各相位的平均停车率为Hi为相位i的平均停车率
平均停车率的加权系数为
各相位的平均通行能力为
平均通行能力的加权系数为
目标函数以各相位的理论有效绿灯时间Gi作为自变量，通过求解出各相位的理论有效绿灯时间Gi，然后将Gi求和并加上十字路口信号灯总损失时间得出信号灯周期时间，在S5中，信号灯周期时间为其中LC为十字路口信号灯总损失时间，十字路口信号灯总损失时间LC优选为12秒。
各相位的理论有效绿灯时间Gi再根据各相位的相对最大流量比yimax与十字路口流量强度Y的比值进行按比例分配，在S6中，相位i的实际有效绿灯时间为
为了解决基于车流量的十字路口交通信号灯实时动态配时问题，本发明提出一种十字路口交通信号灯实时动态配时方法，使得十字口各相位的平均延迟时间最小，平均停车率最小和通行能力最大。根据各相位的相对最大流量比和十字路口的流量强度的大小，将道路交通状态划分成中低饱和状态和近饱和或过饱和状态。目标函数在中低饱和状态下，以使平均延迟时间最小为优化目标，在近饱和或过饱和状态下减少平均延迟时间的影响，以使平均停车率最小和使通行能力最大为优化目标。避免了由于信号灯周期时间过短造成拥堵路段车辆频繁启停，同时提高了拥堵路段的通行能力，降低了拥堵路段的停车率，具有很好的鲁棒性，可实际运用到十字路口交通信号灯的实时动态配时。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (7)

1.一种十字路口交通信号灯实时动态配时的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、定义十字路口各交通流方向的相位，确定各相位的饱和流量；
S2、测得多组各相位的现时流量，得到各相位的最大现时流量；
S3、计算各相位的相对最大流量比和十字路口流量强度；
在S3中，各个相位的流量比为各个相位的相对最大流量比为十字路口流量强度为其中yi为相位i的流量比，qi为相位i的现时流量，Si为相位i的饱和流量，yimax为相位i的相对最大流量比，qimax为相位i的最大现时流量，i为相位代号，p为相位数，Y为十字路口流量强度；
S4、根据平均延迟时间、平均停车率、平均通行能力设计目标函数，求解目标函数，得到各相位的理论有效绿灯时间；
在S4中，目标函数为Minf(Gi)＝Da×Dave+Hc×Have-Qcb×Qave，其中Qave为各相位的平均延迟时间Di为相位i的平均延迟时间其中λi为相位i的绿信比xi为相位i的饱和度Qi相位i的通行能力Qi＝Si×λi，C为信号灯周期时间，Gi为相位i的理论有效绿灯时间，yimax为相位i的相对最大流量比，qimax为相位i的最大现时流量，p为相位数，i为相位代号；Da为平均延迟时间的加权系数其中Y为十字路口流量强度；Have为各相位的平均停车率，Hc为平均停车率的加权系数，Qave为各相位的平均通行能力，Qcb为平均通行能力的加权系数，Gi为相位i的理论有效绿灯时间；
S5、根据各相位的理论有效绿灯时间和十字路口信号灯总损失时间确定信号灯周期时间；
S6、根据各相位的相对最大流量比和一个信号灯周期时间内的十字路口流量强度的比值确定各相位的实际有效绿灯时间；
S7、本信号灯周期结束后，返回S2，计算下一个信号灯周期各相位实际有效绿灯时间。
2.如权利要求1所述的十字路口交通信号灯实时动态配时的方法，其特征在于：在S1中，所述十字路口分为东南西北四个进口道，待确定实际有效绿灯时间的十字路口和与之相连的道路为双向的若干车道，并且每条车道宽度一致，该十字路口的交通信号灯控制通信方式有p种，每种方式定义为一种相位，总共有p个相位。
3.如权利要求2所述的十字路口交通信号灯实时动态配时的方法，其特征在于：在S1中，该十字路口的交通信号灯控制通信方式有4种，各相位的交通流方向如下：
相位1的交通流方向为东西直行，包括东直行至西和西直行至东两个交通流；
相位2的交通流方向为东西左转，包括东左转至南和西左转至北两个交通流；
相位3的交通流方向为南北直行，包括南直行至北和北直行至南两个交通流；
相位4的交通流方向为南北左转，包括南左转至西和北左转至东两个交通流。
4.如权利要求1所述的十字路口交通信号灯实时动态配时的方法，其特征在于：各相位的平均停车率为Hi为相位i的平均停车率其中yimax为相位i的相对最大流量比λi为相位i的绿信比C为信号灯周期时间，Gi为相位i的理论有效绿灯时间，qimax为相位i的最大现时流量，Si为相位i的饱和流量，i为相位代号，p为相位数；
平均停车率的加权系数为其中qimax为相位i的最大现时流量，i为相位代号，p为相位数，Y为十字路口流量强度。
5.如权利要求1所述的十字路口交通信号灯实时动态配时的方法，其特征在于：各相位的平均通行能力为其中λi为相位i的绿信比C为信号灯周期时间，Gi为相位i的理论有效绿灯时间，Si为相位i的饱和流量，i为相位代号，p为相位数；
平均通行能力的加权系数为其中C为信号灯周期时间，Y为十字路口流量强度。
6.如权利要求1所述的十字路口交通信号灯实时动态配时的方法，其特征在于，在S5中，信号灯周期时间为：其中LC为十字路口信号灯总损失时间，Gi为相位i的理论有效绿灯时间，p为相位数，i为相位代号。
7.如权利要求1所述的十字路口交通信号灯实时动态配时的方法，其特征在于，在S6中，相位i的实际有效绿灯时间为：其中C为信号灯周期时间，LC为十字路口信号灯总损失时间，yimax为相位i的相对最大流量比，Y为十字路口流量强度。
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