CN106205123B - 一种一体化干线交叉口群时空资源配置方法 - Google Patents
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Abstract
一种降低车辆延误和交通排放的协调信号配时优化方法，适用于有(无)左转短车道的干线交叉口群。基于协调信号对干线车流的影响分析，考虑短车道空间优化构建了干线交叉口群时空资源配置优化模型，针对短车道空间确定构建了干线交叉口群信号配时优化模型。为评价干线交叉口群的运行效率和环境状况，提出了三种具体形式的性能指标，并改进了车道组车均延误估计方法和红绿灯期间排放因子标定方法。然后，针对各种情况给出了上述模型和方法的技术应用流程。借助交通仿真软件VISSIM和编程软件MATLAB，使用算例说明了技术应用流程。结果表明，面向干线交叉口群，新方法能一体化配置时空资源，实现车辆延误和交通排放的最小化，可广泛应用于信号配时设计与优化。
Description
技术领域
本发明属于智能交通控制领域，涉及一种降低车辆延误和交通排放的适用于有(无)短车道的一体化干线交叉口群时空资源配置方法。
背景技术
近年来，一些大中城市机动车保有量持续激增，由此引发的交通拥堵频频发生且持续时间加长，同时机动车尾气排放导致出行环境和生活环境不断恶化。从交通管理与控制角度，提高路网运行效率、缩短机动车行程时间和延误、降低机动车尾气排放已成为许多学者和工程师关注的一个热点问题。
在城市路网中，一条干线道路上相邻交叉口间存在很强的相关性，此时多个交叉口构成一个交叉口群。干线交叉口群是城市道路系统的重要子系统，其运行效率对城市路网服务水平至关重要。由于机动车尾气排放影响城市空气质量，干线交叉口群的交通排放水平决定着城市路网的空气质量。针对干线交叉口群，如何降低机动车延误和排放显得尤为关键。
目前，国内外相关领域的主要研究成果可归纳为：(1)对于干线交叉口群，其协调信号控制方法主要有最大绿波带法和最小延误法。常用的最大绿波带法包括图解法和数解法，这两类方法较少关注单点信号控制方案设计，致使干线协调控制效果受到制约。最小延误法在建立数学模型时往往只考虑最小化干线车流的总延误，很少考虑协调控制方案对非协调相位的影响。(2)对于机动车排放，其测试方法主要有台架测试、隧道实验、遥感测试和车载测试。台架测试的主要缺点是系统昂贵，测试成本高。隧道实验的主要缺点是易受背景浓度影响，被测车辆的工况单一。遥感测试的主要缺点是易受环境条件影响，不能全面反映机动车在各种行驶状态下的排放。车载测试的主要缺点是测试样本有限，结果无法反映整体车队的排放水平。(3)对于考虑机动车排放的信号配时优化，一种方法是将交通仿真软件与机动车排放模型相结合研究信号控制策略对机动车排放水平的影响，另一种是引入大气扩散模型直接建立最小化机动车排放量的信号配时优化模型。这两类方法一般忽略红绿灯期间机动车运行状况和排放水平的差异，也不考虑车道展宽带来的影响。
根据交通流理论的研究成果，车辆在红绿灯期间的受阻滞过程明显不同，机动车处于不同行驶工况的排放水平有显著差异。在单点交叉口信号控制方案优化的基础上，本发明提出一种降低机动车延误和排放的干线交叉口群时空资源配置方法。
发明内容
本发明面向干线交叉口群提供一种降低车辆延误和交通排放的一体化时空资源配置方法，针对任意控制时段最大限度地降低干线交叉口群的车均延误和交通排放量。
1、干线交叉口群时空资源优化模型
如果考虑短车道空间设计，干线交叉口群时空资源优化模型为
式中：PI为干线交叉口群性能指标；为交叉口η相位i的有效绿灯时间(s)；为交叉口η车道组j的短车道长度(m)；oη,η+1为交叉口η+1相对于η的相位差(s)；nη为交叉口η的相位数；为判断交叉口η车道组j是否在相位i内通行的变量，若是反之gmin为最小有效绿灯时间(s)；Cmin为最短周期时长(s)；为交叉口η的独立相位数；l为平均相位损失时间(s)；Cmax为最长周期时长(s)；Cc为共用周期时长(s)；为平均饱和车头时距(s)；为平均停车间距(m)；为判断交叉口η车道组j是否设置短车道的变量，若是反之为交叉口η与η+1的共有路段长度(m)；为判断交叉口η车道组j′是否在共有路段上的变量，若是反之
式(1)的决策变量为相位有效绿灯时间、短车道长度和交叉口相位差，目标函数(a1)代表由相位有效绿灯时间、短车道长度和交叉口相位差决定的干线交叉口群性能指标最小化；约束条件(b1)代表车道组有效绿灯时间等于或大于最小有效绿灯时间；约束条件(b2)代表信号周期时长等于或大于最短周期时长、且小于或等于最长周期时长；约束条件(b3)代表各交叉口信号周期时长均相同(不考虑双周期或半周期)；约束条件(b4)代表交叉口相位差等于或大于0、且小于共用周期时长；约束条件(b5)代表车道组有效绿灯时间等于或大于短车道上排队车辆完全释放时间；约束条件(b6)代表相邻交叉口共有路段上的短车道长度之和小于或等于该共有路段长度；约束条件(c1)代表相位有效绿灯时间等于或大于0；约束条件(c2)代表短车道长度等于或大于0。
2、干线交叉口群信号配时优化模型
如果不考虑短车道空间设计，干线交叉口群信号配时优化模型为
式(2)的决策变量为相位有效绿灯时间和交叉口相位差，其中符号含义同式(1)，目标函数(a2)代表由相位有效绿灯时间和交叉口相位差决定的干线交叉口群性能指标最小化，约束条件(b1)、(b2)、(b3)、(b4)和(c1)含义同式(1)。
3、性能指标
在式(1)和(2)中，性能指标有如下三种具体形式：
其中：
式中：ψ为交叉口个数；TDη为交叉口η的车辆总延误(s)；mη为交叉口η的车道组数；为交叉口η车道组j的车均延误(s/pcu)；为机动车类别数；βω为ω类机动车的折算系数；为交叉口η车道组j上ω类机动车所占比例；为交叉口η车道组j的需求流率(veh/h)；T为分析期持续时间(h)；TEη为交叉口η的机动车总排放(mg)；κ为污染物种类数；为交叉口η车道组j上ω类机动车排放污染物k的质量(mg)；为交叉口η车道组j上ω类机动车在绿灯期间排放污染物k的因子(mg/s/veh)；为交叉口η车道组j上ω类机动车在红灯期间排放污染物k的因子(mg/s/veh)；为交叉口η车道组j的有效绿灯时间(s)；为交叉口η车道组j上一辆ω类机动车的平均停留时间(s)；为交叉口η车道组j的进口道长度(m)；为交叉口η车道组j上ω类机动车的平均行驶速度(m/s)。
式(3)表示最小化所有车辆的总延误，式(4)表示最小化所有车辆的总排放，式(5)表示同时最小化所有车辆的总延误和总排放。
4、车均延误估计
根据HCM2000延误公式，每条车道组的车均延误为
其中：
式中：dj为车道组j的车均延误(s/pcu)；λj为车道组j的绿信比；gj为车道组j的有效绿灯时间(s)；rj为车道组j的有效红灯时间(s)；xj为车道组j的饱和度；q′j为车道组j的标准小汽车需求流率(pcu/s)；cj为车道组j的通行能力(pcu/h)；PFj为车道组j的信号联动修正系数；PFIj为判断车道组j是否受车队影响的变量，若是PFIj＝1，反之PFIj＝0；Pj为车道组j绿灯期间到达车辆的比例；fj为车道组j绿灯期间车辆成队列到达的修正系数；r′j为车道组j的车队比率；K为信号控制类型的延误修正系数；Ij为车道组j的上游调节增量延误修正系数；IIj为判断车道组j是否受上游信号影响的变量，若是IIj＝1，反之IIj＝0；Xj为车道组j的所有上游有贡献车流按流量进行加权所得的饱和度；Qj为车道组j的初始排队车辆数(pcu)；u′j为车道组j的延误参数；t′j为分析期内车道组j不能满足交通需求的时间(h)；SFj为车道组j的完整车道饱和流率(pcu/h)；为判断车道组j是否设置短车道的变量，若是反之SSj为车道组j的短车道饱和流率(pcu/h)；Lj为车道组j的短车道长度(m)；为车道组j所在协调方向的车队车辆数(pcu)；为车道组j车队头车到达时刻至红灯结束时刻的时间间隔(s)；为车道组j红灯启亮时刻至车队尾车到达时刻的时间间隔(s)；Oj为车道组j所在相位相对于其上游协调相位的理想相位差(s)；oj为车道组j所在相位相对于其上游协调相位的实际相位差(s)；s′j为车道组j所在协调方向的上下游停车线间距(m)；v′j为车道组j所在协调方向的车辆平均行驶速度(m/s)；S′j为车道组j的当量饱和流率(pcu/s)。
根据HCM1985延误公式和协调相位延误公式，每条车道组的车均延误为
其中：
根据ARRB延误公式和协调相位延误公式，每条车道组的车均延误为
其中：
x0j＝0.67+S′jgj/600。
式中：x0j为车道组j在平均溢出排队近似为0时的饱和度。
5、两类排放因子标定
根据机动车比功率分区，红绿灯期间每条车道组的排放因子分别为
其中：
VSPj,ζ(t)＝vj,ζ(t)[1.1aj,ζ(t)+9.8sin(θj)+0.132]+0.000302(vj,ζ(t))3。
式中：为时刻t车道组j上车辆ζ排放污染物k的质量(mg)；为ω类机动车的比功率位于分区γ时污染物k的排放因子(mg/s/veh)；τ为车辆速度和加速度的采样时间间隔的分辨率(s)；VSPj,ζ(t)为时刻t车道组j上车辆ζ的比功率(kW/t)；vj,ζ(t)为时刻t车道组j上车辆ζ的速度(m/s)；aj,ζ(t)为时刻t车道组j上车辆ζ的加速度(m/s2)；θj为车道组j的道路坡度(°)；LVSPω,γ为ω类机动车比功率分区γ的下限(kW/t)；UVSPω,γ为ω类机动车比功率分区γ的上限(kW/t)；Aj,ζ(t)为时刻t车道组j上车辆ζ的类别属性；NGj,ω(t)为时刻t车道组j上绿灯期间驶离停车线的ω类机动车数(veh)；NRj,ω(t)为时刻t车道组j上红灯期间驶离停车线的ω类机动车数(veh)；GSj为车道组j的绿灯起亮时刻(s)；GEj为车道组j的绿灯结束时刻(s)；oj′为车道组j所在交叉口的绝对相位差(s)；ls为前损失时间(s)。
6、技术应用流程
当需要设计短车道空间时，首先根据式(1)对每个控制时段分别获得最佳的共用周期时长、绿信比、相位差与短车道长度；其次确定短车道空间(例如短车道长度设计值取其优化值的85％分位数)；然后根据式(2)对每个控制时段分别获得最佳的共用周期时长、绿信比与相位差。
当不需要设计短车道空间时，根据式(2)对每个控制时段分别获得最佳的共用周期时长、绿信比与相位差。
当没有设置短车道时，将短车道饱和流率设为0，根据式(1)或(2)对每个控制时段分别获得最佳的共用周期时长、绿信比与相位差。
当性能指标选择式(4)或(5)时，在使用式(1)或(2)之前，需要首先根据式(9)对每条车道组分别标定红绿灯期间的排放因子。
附图说明
图1为干线交叉口群及其车道设置示意图。
图2(a)为东西向专用左转相位设计方案示意图。
图2(b)为东西向进口道直左相位设计方案示意图。
图2(c)为东西向前置左转+后置左转相位设计方案示意图。
图2(d)为东西向专用左转+前置左转相位设计方案示意图。
图3为交叉口信号相位方案示意图。
以图1为例，干线交叉口群由干线道路上3～8个交叉口组成；交叉口类型为三路、四路或五路，每条道路可以全部或部分为单行路；每条进口道上渠化1条左转短车道、1条左转专用车道、1条直行车道和1条直右混行车道，而且不设置右转专用相位；每条进口道上可以没有或有多于1条的左转短车道、左转专用车道或直行车道，也可以有右转专用车道。
如图1所示每个交叉口，自西进口开始，按顺时针方向将左转车流依次编号为M1,M3,M5和M7，与其冲突的直右车流依次编号为M2,M4,M6和M8。以图2所示东西向为例，每个交叉口东西向或南北向的信号相位方案可以为专用左转(图2a)、进口道直左(图2b)、前置左转+后置左转(图2c)或专用左转+前置左转(图2d)。若图1中某交叉口为五路交叉口，其车流数可能增加，信号相位方案可能更复杂；反之，若其有单行路或为三路交叉口，车流数将减少，信号相位方案将简化。
图3为交叉口信号相位方案示例，东西向和南北向都采用专用左转+前置左转的方式。实际中，各交叉口信号相位方案设计需要考虑交通流量分布及其相互关系。
具体实施方式
1、交通需求数据获取
假设由3个交叉口构成1个干线交叉口群，其渠化方案如图1所示，每条进口道的长度为50m、坡度为0，各交叉口信号相位方案如图3所示。进口车道饱和流率需要根据交通调查或实践经验获得，假设左转车道、直行车道和直右车道的饱和流率分别为1810、1850和1810pcu/h。表1为某时段内该交叉口群各股车流的小时流量与高峰15min流率，假设其组成为70％小汽车、10％中型车和20％公交车。
表1交叉口群各股车流的小时流量与高峰15min流率
2、参考信号配时方案设计
根据韦伯斯特方法，对表1所示交通需求计算最优的协调信号控制方案，称为参考方案。表2给出了该方案的共用周期时长、相位有效绿灯时间和交叉口相位差。
表2协调信号控制的参考方案
3、两类排放因子标定
针对表1所示交通需求数据及表2所示参考控制方案，利用微观交通仿真软件VISSIM模拟交通流运行状况。这里考虑CO、HC和NOx三种污染物，基于机动车比功率分区实测数据标定小汽车、中型车和公交车的两类排放因子。假设仿真时间为4200s，采样时间间隔为1s，系统热身时间为600s，数据采集时段为601～4200s，仿真次数为5。使用式(9)对每类机动车计算红绿灯期间各污染物的排放因子，结果如表3所示。
从表3可以看出，红绿灯期间的排放因子主要依赖于机动车类型与污染物种类，而对交叉口和车道组的敏感性极小，所有污染物在绿灯期间的排放因子都高于其在红灯期间的排放因子。
4、模型参数标定
在使用式(1)、(2)或(9)时，平均相位损失时间为3s、启动损失时间为2s、饱和车头时距为2s、平均停车间距为6m、最小有效绿灯时间为10s、最短周期时长为60s、最长周期时长为150s、分析期持续时间为1h、信号控制类型修正系数为0.5、各交叉口独立相位数为4、小汽车换算系数为1、中型车换算系数为1.5、公交车换算系数为2.5。
表3红绿灯期间各污染物的排放因子
表3红绿灯期间各污染物的排放因子(续表)
通过在交通仿真模型中测量可得，交叉口A与B的共有路段长度为276.5m、交叉口B与C的共有路段长度为376.5m、交叉口A与B的停车线间距为345m、交叉口B与C的停车线间距为445m。
为拟合饱和流率，在交通仿真模型中，对于左转、直行和直右车道，安全距离的附加部分分别为2.45、2.40和2.45，安全距离的倍数部分分别为3.45、3.40和3.45。
5、排放最小化的时空资源分配方案
以性能指标选择式(4)为例，依据表3的红绿灯期间排放因子，采用式(1)获得相位有效绿灯时间、短车道长度和交叉口相位差的最佳组合。当延误公式分别采用HCM2000、HCM1985和ARRB时，所得最佳时空资源分配方案如表4所示。
表4排放最小化的时空资源分配方案
6、排放最小化的信号配时优化方案
参考表4，假设短车道长度均为50m。以性能指标选择式(4)为例，依据表3的红绿灯期间排放因子，采用式(2)获得相位有效绿灯时间和交叉口相位差的最佳组合。当延误公式分别采用HCM2000、HCM1985和ARRB时，所得最优信号配时方案如表5所示。
表5排放最小化的信号配时方案
Claims (1)
1.一种一体化干线交叉口群时空资源配置方法，包括实施条件、优化模型和技术应用流程，其特征在于：
(一)实施条件
(1)干线交叉口群，其规模为1或以上；
(2)每个交叉口为三路、四路或五路交叉口，每条进口道上渠化2条或以上机动车道；
(3)右转车流与其同向直行车流一起通行；
(4)每个交叉口设置2个或以上信号相位；
(二)优化模型
针对设计短车道空间，干线交叉口群时空资源优化模型为
式中：PI为干线交叉口群性能指标；为交叉口η相位i的有效绿灯时间(s)；为交叉口η车道组j的短车道长度(m)；oη,η+1为交叉口η+1相对于η的相位差(s)；nη为交叉口η的相位数；为判断交叉口η车道组j是否在相位i内通行的变量，若是反之gmin为最小有效绿灯时间(s)；Cmin为最短周期时长(s)；为交叉口η的独立相位数；l为平均相位损失时间(s)；Cmax为最长周期时长(s)；Cc为共用周期时长(s)；为平均饱和车头时距(s)；为平均停车间距(m)；为判断交叉口η车道组j是否设置短车道的变量，若是反之 为交叉口η与η+1的共有路段长度(m)；为判断交叉口η车道组j′是否在共有路段上的变量，若是反之
式(1)的决策变量为相位有效绿灯时间、短车道长度和交叉口相位差，目标函数(a1)代表由相位有效绿灯时间、短车道长度和交叉口相位差决定的干线交叉口群性能指标最小化；约束条件(b1)代表车道组有效绿灯时间等于或大于最小有效绿灯时间；约束条件(b2)代表信号周期时长等于或大于最短周期时长、且小于或等于最长周期时长；约束条件(b3)代表不考虑双周期或半周期时各交叉口信号周期时长均相同；约束条件(b4)代表交叉口相位差等于或大于0、且小于共用周期时长；约束条件(b5)代表车道组有效绿灯时间等于或大于短车道上排队车辆完全释放时间；约束条件(b6)代表相邻交叉口共有路段上的短车道长度之和小于或等于该共有路段长度；约束条件(c1)代表相位有效绿灯时间等于或大于0；约束条件(c2)代表短车道长度等于或大于0；
针对短车道空间确定，干线交叉口群信号配时优化模型为
式(2)的决策变量为相位有效绿灯时间和交叉口相位差，其中符号含义同式(1)，目标函数(a2)代表由相位有效绿灯时间和交叉口相位差决定的干线交叉口群性能指标最小化，约束条件(b1)、(b2)、(b3)、(b4)和(c1)含义同式(1)；
在式(1)和(2)中，性能指标有如下三种具体形式：
其中：
式中：ψ为交叉口个数；TDη为交叉口η的车辆总延误(s)；mη为交叉口η的车道组数；为交叉口η车道组j的车均延误(s/pcu)；为机动车类别数；βω为ω类机动车的折算系数；为交叉口η车道组j上ω类机动车所占比例；为交叉口η车道组j的需求流率(veh/h)；T为分析期持续时间(h)；TEη为交叉口η的机动车总排放(mg)；κ为污染物种类数；为交叉口η车道组j上ω类机动车排放污染物k的质量(mg)；为交叉口η车道组j上ω类机动车在绿灯期间排放污染物k的因子(mg/s/veh)；为交叉口η车道组j上ω类机动车在红灯期间排放污染物k的因子(mg/s/veh)；为交叉口η车道组j的有效绿灯时间(s)；为交叉口η车道组j上一辆ω类机动车的平均停留时间(s)；为交叉口η车道组j的进口道长度(m)；为交叉口η车道组j上ω类机动车的平均行驶速度(m/s)；
式(3)表示最小化所有车辆的总延误，式(4)表示最小化所有车辆的总排放，式(5)表示同时最小化所有车辆的总延误和总排放；
根据HCM2000延误公式，每条车道组的车均延误为
其中：
若令rj＝Cc-gj；
λj＝gj/Cc；xj＝3600q′j/cj；r′j＝Pj/λj；
式中：dj为车道组j的车均延误(s/pcu)；λj为车道组j的绿信比；gj为车道组j的有效绿灯时间(s)；rj为车道组j的有效红灯时间(s)；xj为车道组j的饱和度；q′j为车道组j的标准小汽车需求流率(pcu/s)；cj为车道组j的通行能力(pcu/h)；PFj为车道组j的信号联动修正系数；PFIj为判断车道组j是否受车队影响的变量，若是PFIj＝1，反之PFIj＝0；Pj为车道组j绿灯期间到达车辆的比例；fj为车道组j绿灯期间车辆成队列到达的修正系数；r′j为车道组j的车队比率；K为信号控制类型的延误修正系数；Ij为车道组j的上游调节增量延误修正系数；IIj为判断车道组j是否受上游信号影响的变量，若是IIj＝1，反之IIj＝0；Xj为车道组j的所有上游有贡献车流按流量进行加权所得的饱和度；Qj为车道组j的初始排队车辆数(pcu)；u′j为车道组j的延误参数；t′j为分析期内车道组j不能满足交通需求的时间(h)；SFj为车道组j的完整车道饱和流率(pcu/h)；为判断车道组j是否设置短车道的变量，若是反之SSj为车道组j的短车道饱和流率(pcu/h)；Lj为车道组j的短车道长度(m)；为车道组j所在协调方向的车队车辆数(pcu)；为车道组j车队头车到达时刻至红灯结束时刻的时间间隔(s)；为车道组j红灯启亮时刻至车队尾车到达时刻的时间间隔(s)；Oj为车道组j所在相位相对于其上游协调相位的理想相位差(s)；oj为车道组j所在相位相对于其上游协调相位的实际相位差(s)；s′j为车道组j所在协调方向的上下游停车线间距(m)；v′j为车道组j所在协调方向的车辆平均行驶速度(m/s)；S′j为车道组j的当量饱和流率(pcu/s)；
根据HCM1985延误公式和协调相位延误公式，每条车道组的车均延误为
其中：
根据ARRB延误公式和协调相位延误公式，每条车道组的车均延误为
其中：
x0j＝0.67+S′jgj/600；
式中：x0j为车道组j在平均溢出排队近似为0时的饱和度；
根据机动车比功率分区，红绿灯期间每条车道组的排放因子分别为
其中：VSPj,ζ(t)∈[LVSPω,γ,UVSPω,γ)&Aj,ζ(t)＝ω；
VSPj,ζ(t)＝vj,ζ(t)[1.1aj,ζ(t)+9.8sin(θj)+0.132]+0.000302(vj,ζ(t))3；
式中：为时刻t车道组j上车辆ζ排放污染物k的质量(mg)；为ω类机动车的比功率位于分区γ时污染物k的排放因子(mg/s/veh)；τ为车辆速度和加速度的采样时间间隔的分辨率(s)；VSPj,ζ(t)为时刻t车道组j上车辆ζ的比功率(kW/t)；vj,ζ(t)为时刻t车道组j上车辆ζ的速度(m/s)；aj,ζ(t)为时刻t车道组j上车辆ζ的加速度(m/s2)；θj为车道组j的道路坡度(°)；
LVSPω,γ为ω类机动车比功率分区γ的下限(kW/t)；
UVSPω,γ为ω类机动车比功率分区γ的上限(kW/t)；
Aj,ζ(t)为时刻t车道组j上车辆ζ的类别属性；NGj,ω(t)为时刻t车道组j上绿灯期间驶离停车线的ω类机动车数(veh)；NRj,ω(t)为时刻t车道组j上红灯期间驶离停车线的ω类机动车数(veh)；GSj为车道组j的绿灯起亮时刻(s)；GEj为车道组j的绿灯结束时刻(s)；o′j为车道组j所在交叉口的绝对相位差(s)；ls为前损失时间(s)；
(三)技术应用流程
当需要设计短车道空间时，首先根据式(1)对每个控制时段分别获得最佳的共用周期时长、绿信比、相位差与短车道长度；其次确定短车道空间；然后根据式(2)对每个控制时段分别获得最佳的共用周期时长、绿信比与相位差；
当不需要设计短车道空间时，根据式(2)对每个控制时段分别获得最佳的共用周期时长、绿信比与相位差；
当没有设置短车道时，将短车道饱和流率设为0，根据式(1)或(2)对每个控制时段分别获得最佳的共用周期时长、绿信比与相位差；
当性能指标选择式(4)或(5)时，在使用式(1)或(2)之前，需要首先根据式(9)对每条车道组分别标定红绿灯期间的排放因子。
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