CN106097736B - 一种面向拥堵交叉口的双向红绿波协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向拥堵交叉口的双向红绿波协调控制方法，包括以下步骤：S1、选取若干信号交叉口，作为协调控制范围；S2、在协调控制范围内，确定基准交叉口；S3、计算基准交叉口与其他交叉口之间的理想交叉口间距；S4、根据理想交叉口间距与实际交叉口间距，计算中心偏移率；S5、对各交叉口的相位差进行优化调整，使绿波带方向的中心偏移率为0。本发明可适用于采用各种信号相位设置方式的干道交叉口，能针对拥堵交叉口实施双向红绿波控制，使得在驶出拥堵交叉口方向的车辆能一路绿波地快速驶离拥堵交叉口，在驶入拥堵交叉口方向的车辆被一路红波地分批控制驶近拥堵交叉口，从而有效缓解拥堵交叉口的拥堵状态。

Description

一种面向拥堵交叉口的双向红绿波协调控制方法

技术领域

本发明涉及交通信号协调控制领域，特别涉及一种面向拥堵交叉口的双向红绿波协调控制方法。

背景技术

干道协调控制是将干道上的多个交叉口以一定方式联结起来作为研究对象，同时对各个交叉口进行相互协调的配时方案设计。目前研究主要集中在干道绿波协调控制，即使得尽可能多的干道行驶车辆可以获得不停顿的通行权，从而有效降低干道直行车辆的平均延误和停车次数，大大改善了干道交通运行状态。

然而，当干道上出现拥堵交叉口时，假若仍采用干道绿波协调控制设计方案，此时可能将进一步加剧拥堵交叉口的排队状况，甚至产生排队溢流现象。此时应区分驶入拥堵交叉口方向与驶出拥堵交叉口方向的不同协调控制需求，通过采用绿波控制使得在驶出拥堵交叉口方向的车辆能一路绿波地快速驶离拥堵交叉口，通过采用红波控制使得在驶入拥堵交叉口方向的车辆被一路红波地分批控制驶近拥堵交叉口，从而有效缓解拥堵交叉口的拥堵状态。

目前关于双向红绿波协调控制方法研究甚少，因此研究一种面向拥堵交叉口的双向红绿波协调控制方法，具有非常重要的现实意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，提供一种面向拥堵交叉口的双向红绿波协调控制方法。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种面向拥堵交叉口的双向红绿波协调控制方法，包括以下步骤：

S1、选取若干信号交叉口，作为协调控制范围；

S2、在协调控制范围内，确定基准交叉口；

S3、计算基准交叉口与其他交叉口之间的理想交叉口间距；

S4、根据理想交叉口间距与实际交叉口间距，计算中心偏移率；

S5、对各交叉口的相位差进行优化调整，使绿波带方向的中心偏移率为0。

进一步地，所述步骤S1具体为：

S11、根据拥堵交叉口的所处位置、交叉口之间的间距以及交叉口之间的关联性，在拥堵交叉口的上下游，分别选取2～4个信号交叉口，构成干道交叉口群，将其作为双向红绿波的协调控制范围；

S12、对拥堵交叉口两侧干道同时实施双向红绿波协调控制，其中对驶入拥堵交叉口方向实施红波协调控制，对驶出拥堵交叉口方向实施绿波协调控制。

进一步地，所述步骤S2具体为：选取协调控制范围内干道一侧的起始交叉口作为理想交叉口间距的计算基准点，记为基准交叉口1，往下依次编号为交叉口2、3、…、m、…、n；其中，交叉口m为拥堵交叉口，交叉口n为协调控制范围内干道另一侧的终止交叉口，即协调控制范围内共包含n个信号交叉口。

进一步地，所述步骤S3具体为：利用双向红绿波时距图(如图2所示)，列出交叉口i与基准交叉口1之间的理想交叉口间距a_1,i的计算通式：

式中，v_1→i表示从基准交叉口1到交叉口i的平均行驶速度，v_i→1表示从交叉口i到基准交叉口1的平均行驶速度，Δt_1(u→d)表示交叉口1上行方向放行相位绿灯中心时刻点超前下行方向放行相位绿灯中心时刻点的时间，Δt_i(u→d)表示交叉口i上行方向放行相位绿灯中心时刻点超前下行方向放行相位绿灯中心时刻点的时间，上行方向定义为交叉口序号递增的方向，下行方向定义为交叉口序号递减的方向，C为公共信号周期，k为任意整数。

进一步地，所述步骤S4中计算中心偏移率Δλ_i，具体方式为：

式中，Δa_i表示交叉口i与基准交叉口1之间的实际交叉口间距和理想交叉口间距的偏差值，s_1,i表示交叉口i与基准交叉口1之间的实际交叉口间距，d_i表示交叉口i的相邻理想位置间距，

进一步地，根据计算所得的中心偏移率，求取最佳协调设计方案：

针对每一个公共信号周期取值，在不同信号相位设置方式下，分别计算各个交叉口的中心偏移率；

将绝对值最小的中心偏移率所对应的相位设置方式作为各交叉口的优选相位；

在不同公共信号周期取值情况下，比较优选相位组合所对应的最大中心偏移率之差；

根据最大中心偏移率之差，对应最小的公共信号周期取值即为最佳公共信号周期；其中，在各交叉口的最小中心偏移率取值的集合中，其最大值与最小值之差即为最大中心偏移率之差。

进一步地，所述步骤S5具体为：

根据交叉口i所处于拥堵交叉口m的方位，给出交叉口i的相位差调整量计算公式如下：

(1)当i≤m时，交叉口i处于拥堵交叉口m的上行方向的上游，其相位差调整量ΔO_i为：

(2)当i＞m时，交叉口i处于拥堵交叉口m的上行方向的下游，其相位差调整量ΔO_i为：

上述式中，v_1→i表示从基准交叉口1到交叉口i的平均行驶速度，v_i→1表示从交叉口i到基准交叉口1的平均行驶速度，Δa_i表示交叉口i与基准交叉口1之间的实际交叉口间距和理想交叉口间距的偏差值，d_i表示交叉口i的相邻理想位置间距，

进一步地，所述相位差O_i计算方式为：

选取基准交叉口1上行方向绿灯时间中心时刻点为相位差基准点，根据交叉口i所处于拥堵交叉口m的方位，计算各交叉口的绝对相位差如下：

(1)当i≤m时，交叉口i的相位差为：

(2)当i＞m时，交叉口i的相位差为：

式中，a_1,i为理想交叉口间距，λ_iu表示交叉口i上行方向直行相位的绿信比，C为公共信号周期。

采用上述技术方案后，本发明至少具有如下有益效果：

1、本方法能够针对拥堵交叉口实施双向红绿波控制，使得在驶入拥堵交叉口方向的车辆被一路红波地分批控制驶近拥堵交叉口，以减少拥堵交叉口的最大排队长度，从而有效缓解拥堵交叉口的拥堵状态；

2、本方法通过建立交叉口之间的理想间距计算通式，定义各交叉口中心偏移率的计算方法，实现了对公共信号周期、信号相位相序以及相位差的解耦处理，相比于现有的模型法，本方法求解信号协调配时方案的实时性更强；

3、本方法将不会受到交叉口放行方式的限制，能够适用于各种相位设置方式下的干道双向红绿波协调控制方案优化设计，具有良好的通用性与广泛的适用范围；

4、本方法能够在保证驶入拥堵交叉口方向红波带宽度的情况下，使得驶出拥堵交叉口方向绿波带宽最大，有利于拥堵交叉口排队车辆的快速驶离，减少车辆总的停车次数。

附图说明

图1是本发明一种面向拥堵交叉口的双向红绿波协调控制方法的步骤流程图；

图2是本发明的说明书中干道双向红绿波时距图；

图3是本发明的实施例中干道双向红绿波需求；

图4是本发明的实施例中双向红绿波时距图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本申请作进一步详细说明。

实施例

根据上述具体方法步骤，本发明在实际应用中给出具体的实施方式，具体如下。

已知干道上有由南往北5个信号交叉口，分别记为交叉口A、B、C、D、E，相邻交叉口间距依次为590m、500m、580m、380m，干道双向行驶速度均为15m/s。假定由南往北为上行方向，由北往南为下行方向；各交叉口南北进口信号相位设置方式不受限制，东西进口均采用进口单独放行方式，相关信号配时设计要求如表1所示；交叉口C为拥堵交叉口，其两侧进口道均出现交通拥堵。

表1各交叉口信号配时设计要求

根据交叉口南北方向信号相位总绿信比不变的原则，针对南北进口搭接放行、对称放行以及单独放行三种相位设计方式，进行绿信比分配如表2所示。

表2各交叉口南北方向信号相位设计与绿信比分配方案

根据各交叉口信号周期变化范围可知，C_min＝max{90,80,80,85,75}＝90s，C_max＝min{120,115,125,115,110}＝110s，因此公共信号周期取值范围为[90,110]s。

如图1所述，本实施例包括下面实施步骤：

(1)确定协调控制范围

由于交叉口A、B、C、D、E彼此相距较近，且存在一定的公共信号周期取值空间，故将交叉口A、B、C、D、E均纳入控制协调的范围实施双向红绿波协调控制。在此将对驶入拥堵交叉口C方向的车辆实施红波协调控制，对驶离拥堵交叉口C方向的车辆实施绿波协调控制。

(2)确定基准交叉口

根据(1)所确定的协调控制范围，选取干道一侧的起始交叉口A作为理想交叉口间距计算基准点，记为基准交叉口1，往下依次编号为交叉口2、3、4、5，如附图3所示。

(3)计算理想交叉口间距

公共信号周期取值的变化步长取为2s，针对交叉口1的7种信号相位设置方式，分别计算交叉口2、3、4、5在不同相位设置方式下与基准交叉口1之间的理想间距。例如，当交叉口1的信号相位设计为南北对称时，计算得到其他各交叉口的理想间距取值如表3所示。其中，相位设置方式主要分为三类：对称放行、搭接放行和单独放行；以南北为干道方向为例，其中搭接放行包括南北搭接和北南搭接2种，单独放行包括南北东西、北南东西、南东北西和南西北东4种。

表3交叉口1信号相位设计为南北对称时其他交叉口的理想间距

(4)求取最佳协调设计方案

对于公共信号周期的不同取值，可以求出交叉口1信号相位设计为南北对称时，其他交叉口的中心偏移率、优选相位组合以及最大中心偏移率之差，如表4所示。其中，正的中心偏移率表明实际位置位于最近理想位置的右边，负的中心偏移率表明实际位置位于最近理想位置的左边，交叉口1作为基准交叉口其中心偏移率为0。

表4交叉口1信号相位设计为南北对称时其他交叉口的中心偏移率

同样可以针对交叉口1的其他6种信号相位设计方式，分别计算得到相应的最佳公共信号周期、优选相位组合以及最大中心偏移率之差。将交叉口1的所有7种信号相位设计方式计算结果汇总，如表5所示。

表5最佳相位组合与公共信号周期

由表5可以确定，各交叉口最佳信号相位组合应设置为北南东西、南北东西、南北搭接、南北对称、南北对称，最佳公共信号周期为104s，最大中心偏移率之差为0.034，各交叉口的中心偏移率如表6所示。

表6最佳协调设计方案下各交叉口的中心偏移率

(5)优化及调整相位差

计算各交叉口相位差调整量如下：

1)当i≤3时，交叉口i处于拥堵交叉口3的上行方向的上游

交叉口1(基准交叉口)：ΔO₁＝0

交叉口2：

交叉口3：

2)当i＞3时，交叉口i处于拥堵交叉口3的上行方向的下游

交叉口4：

交叉口5：

选取交叉口1南进口直行绿灯时间中心时刻点为相位差基准点，计算各交叉口绝对相位差如下：

1)当i≤3时，交叉口i的相位差为：

交叉口1：

交叉口2：

交叉口3：

2)当i＞3时，交叉口i的相位差为：

交叉口4：

交叉口5：

利用确定好的最佳公共信号周期、优选相位组合与相位差，可以画出面向拥堵交叉口的双向红绿波时距图，如附图4所示。可以看出，该方案红绿波带效果良好，能够保证不同干道行驶方向均可以获得理想的红绿波通过带宽度。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解的是，在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种等效的变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (6)

1.一种面向拥堵交叉口的双向红绿波协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、选取若干信号交叉口，作为协调控制范围；

S2、在协调控制范围内，确定基准交叉口；

S3、计算基准交叉口与其他交叉口之间的理想交叉口间距；具体如下：

利用双向红绿波时距图，列出交叉口i与基准交叉口1之间的理想交叉口间距a_1,i的计算通式：

式中，v_1→i表示从基准交叉口1到交叉口i的平均行驶速度，v_i→1表示从交叉口i到基准交叉口1的平均行驶速度，Δt_1(u→d)表示交叉口1上行方向放行相位绿灯中心时刻点超前下行方向放行相位绿灯中心时刻点的时间，Δt_i(u→d)表示交叉口i上行方向放行相位绿灯中心时刻点超前下行方向放行相位绿灯中心时刻点的时间，上行方向定义为交叉口序号递增的方向，下行方向定义为交叉口序号递减的方向，C为公共信号周期，k为任意整数；

S4、根据理想交叉口间距与实际交叉口间距，计算中心偏移率；

S5、对各交叉口的相位差进行优化调整，使绿波带方向的中心偏移率为0；

所述步骤S5具体为：

根据交叉口i所处于拥堵交叉口m的方位，给出交叉口i的相位差调整量计算公式如下：

(1)当i≤m时，交叉口i处于拥堵交叉口m的上行方向的上游，其相位差调整量ΔO_i为：

(2)当i＞m时，交叉口i处于拥堵交叉口m的上行方向的下游，其相位差调整量ΔO_i为：

上述式中，v_1→i表示从基准交叉口1到交叉口i的平均行驶速度，v_i→1表示从交叉口i到基准交叉口1的平均行驶速度，Δa_i表示交叉口i与基准交叉口1之间的实际交叉口间距和理想交叉口间距的偏差值，d_i表示交叉口i的相邻理想位置间距，

2.根据权利要求1所述的一种面向拥堵交叉口的双向红绿波协调控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

S11、根据拥堵交叉口的所处位置、交叉口之间的间距以及交叉口之间的关联性，在拥堵交叉口的上下游，分别选取2～4个信号交叉口，构成干道交叉口群，将其作为双向红绿波的协调控制范围；

S12、对拥堵交叉口两侧干道同时实施双向红绿波协调控制，其中对驶入拥堵交叉口方向实施红波协调控制，对驶出拥堵交叉口方向实施绿波协调控制。

3.根据权利要求1所述的一种面向拥堵交叉口的双向红绿波协调控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：选取协调控制范围内干道一侧的起始交叉口作为理想交叉口间距的计算基准点，记为基准交叉口1，往下依次编号为交叉口2、3、…、m、…、n；其中，交叉口m为拥堵交叉口，交叉口n为协调控制范围内干道另一侧的终止交叉口，即协调控制范围内共包含n个信号交叉口。

4.根据权利要求1所述的一种面向拥堵交叉口的双向红绿波协调控制方法，其特征在于，所述步骤S4中计算中心偏移率Δλ_i，具体方式为：

式中，Δa_i表示交叉口i与基准交叉口1之间的实际交叉口间距和理想交叉口间距的偏差值，s_1,i表示交叉口i与基准交叉口1之间的实际交叉口间距，d_i表示交叉口i的相邻理想位置间距，

5.根据权利要求1或4所述的一种面向拥堵交叉口的双向红绿波协调控制方法，其特征在于，根据计算所得的中心偏移率，求取最佳协调设计方案：

针对每一个公共信号周期取值，在不同信号相位设置方式下，分别计算各个交叉口的中心偏移率；

将绝对值最小的中心偏移率所对应的相位设置方式作为各交叉口的优选相位；

在不同公共信号周期取值情况下，比较优选相位组合所对应的最大中心偏移率之差；

根据最大中心偏移率之差，对应最小的公共信号周期取值即为最佳公共信号周期；其中，在各交叉口的最小中心偏移率取值的集合中，其最大值与最小值之差即为最大中心偏移率之差。

6.根据权利要求1所述的一种面向拥堵交叉口的双向红绿波协调控制方法，其特征在于，所述相位差O_i计算方式为：

选取基准交叉口1上行方向绿灯时间中心时刻点为相位差基准点，根据交叉口i所处于拥堵交叉口m的方位，计算各交叉口的绝对相位差如下：

(1)当i≤m时，交叉口i的相位差为：

(2)当i＞m时，交叉口i的相位差为：

式中，a_1,i为理想交叉口间距，λ_iu表示交叉口i上行方向直行相位的绿信比，C为公共信号周期。