CN106355909A - 一种多支路环形交叉口自适应式信号控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及城市交通信号控制领域，具体涉及一种多支路环形交叉口的自适应交通信号控制方法，旨在解决现有配时方法难以更好地适应交通流时变特性，不能合理的利用环形交叉口的时空资源的问题。本发明涉及三个模块：信息采集模块、状态预测模块、信号控制模块。三个模块按照控制流程相互配合，循环执行，为多支路环形交叉口进行自适应信号配时。本发明应用于交通控制领域，提供了一种普遍适用于多支路环形交叉口、充分适应交通流时变特性、合理利用环岛时空资源并且能显著提高环形交叉口运行效率的自适应式信号控制方法。

Description

一种多支路环形交叉口自适应式信号控制方法

技术领域

本发明属于城市交通信号控制领域，涉及一种多支路环形交叉口的自适应交通信号控制方法。

背景技术

在我国，干道相交处多采用环形交叉的形式，传统的环形交叉口一般采用无信号的让行规则控制方法，实践证明，在交通流负荷度为较低或中等水平时，无信号控制环形交叉口具有比普通平面交叉口更加安全、高效的特点。然而随着机动车保有量逐年增加，城市关键环形交叉口车流趋于密集，车辆进出环道的难度加大，由此导致的运行效率降低、交通事故频发等问题日益凸显。因此，在交通流运行高峰时段，将环形交叉口的交通控制等级由无信号的让行规则控制提升至交通信号控制已成为环形交叉口研究的必然趋势。

普通四路环形交叉口的信号控制一直是备受关注也饱受争议的问题，然而在城市路网中，五支路及以上的多路环形交叉口的控制问题却鲜有研究，但是这类环形交叉口却在城市交通运行中承担着更为重要的作用，一方面，环形交叉的形式可以减少多条支路相交时交通流运行的冲突点，避免复杂的相位设置，提高交叉口车流运行的安全性和高效性；另一方面，多支路环形交叉口交通流量相对较大，环内交通组织更为复杂，为了提高其运行效率，合理的信号控制方法尤为重要。

为了获得合理的多支路环形交叉口交通信号控制方案，需要采集获取环形交叉口环道交通状态参数，以及各个入口排队状态参数，但是，这些参数通常随时间不断变化，所以本发明建立一种能够根据动态采集的交通流参数信息，预测其未来状态，从而进行实时控制的环形交叉口自适应信号控制方法，以更合理的适应环形交叉口交通流的时变特性，最大程度提升多支路环形交叉口时空资源的利用效率。

发明内容

本发明是要为多支路环形交叉口信号控制提供理论依据和实施方法，并解决现有配时方法难以更好地适应交通流时变特性，生成最佳的信号配时方案的问题而提供的一种面向多支路环形交叉口的自适应交通信号控制方法。如图1，一种多路环形交叉口自适应交通信号控制方法，它分为三个模块：信息采集模块、状态预测模块、信号控制模块。

信息采集模块依靠布设线圈检测器，采集环岛交通流参数，为控制流程的初始输入。这一模块涉及的主要技术为感应线圈检测器的布设方法，按照附图1所示，以五路环形交叉口为例。需要在多路环形交叉口各个入口车道停车线后3.0m处、以及相交道路中心线延长线与交叉口内部车道相交的位置布设应线圈检测器。按照环道内的检测器布设位置，将环形交叉口划分为j个路段。

状态预测模块的任务是根据检测器采集的交通参数信息，在一定的时间范围内预测交通流状态参数ρ_j，入口排队状态参数w_m的。预测过程采取多步预测的方式，即根据一次采样值连续多次预测未来多个步长内的参数值。而后根据新的采样值进行反馈调节，以的到更加稳定有效的预测值。其中，ρ_j为编号为j的路段的交通流密度，w_m为入口m处的排队长度。

信号控制模块需要完成三项任务，首先，根据状态预测的结果，建立最优求解的目标函数，通过求解目标函数最优化，得到信号控制绿信比。然后，按照已经建立的相位搭接规则，协调各个入口的绿灯启亮时间。最后将完整的信号配时方案输出到交通信号控制机中。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：为多支路环形交叉口提供了一套普遍适用的信号控制流程。同时，采用自适应式信号配时方法，能够更好的适应交通流的时变特性，最大程度提升多支路环形交叉口时空资源的利用效率。此外，只在环道入口处设置信号，环岛交通组织更加简单，车流运行更加连续稳定。

附图说明

图1：是本发明多支路环形交叉口功能模块结构图

图2：是本发明多支路环形交叉口感应线圈检测器布设方法图

图3：是本发明多支路环形交叉口相序设置图

图4：是多支路环形交叉口交通信号控制参数求解流程图

具体实施方式

本实施方式的一种多支路环形交叉口自适应交通信号控制方法，它按以下步骤实现：

步骤1：在多路环形交叉口各个入口以及环道布设线圈检测器，一个典型的多路环形交叉口包含m个入口、m个出口,在多路环形交叉口的各个入口以及内部车道布设感应线圈检测器,检测器的长和宽均为2.0m,检测器的中线需要与车道中心线重合。其中在多支路环形交叉口入口处,检测器布设在车道停车线后3.0m的位置，而在多支路环形交叉口的内部,检测器布设在相交道路中心线延线与交叉口内部车道相交的位置。如图2所示，本发明以五条支路的环形交叉口为例，具体展示了检测器的布设方式，布设完毕后，定义入口编号用m表示，同时环道内的检测器将环形交叉口划分为多个路段，路段编号用j表示；

步骤2：设置多路环形交叉口的相位相序，如图3所示，同样以五条支路的环形交叉口为例，一种多支路环形交叉口自适应交通信号控制方法采用顺时针轮放式的相位结构。这种车流逆时针绕环行驶、相位显示顺序顺时针更迭的控制方式，可以从空间上减小相位更迭时下一相位驶入环道的车流与上一相位未驶出环道车流的冲突和交织，从而提升环形交叉口的运行效率；

步骤3：多支路环形交叉口的控制流程如图4，首先，根据线圈检测器采集的交通流量数据，多支路环形交叉口的信号周期时长按照下式计算：

$C=\frac{2\mathrm{\π}R}{u_{\mathrm{\α}}(1-Y)}$

其中：C表示多支路环形交叉口的信号周期时长，s；π表示圆周率，无量纲；R表示被控环形交叉口半径，m；u_α表示车辆绕环行驶的平均速度，m/s；Y表示全部关键车流总的交通流量比，无量纲；

步骤4：根据线圈检测器采集的环形交叉口入口和环道交通流状态参数，多步预测环形交叉口未来交通状态；

步骤4.1：设置预测范围N_p，N_p可以按照下式计算：

N_p＝6C

其中：N_p代表预测范围，s；C表示多支路环形交叉口的信号周期时长，s；

步骤4.2：令控制步长k＝1，控制步长即为控制方案更新的次数，控制步长每向前移动一步，交通控制参数更新一次，信号配时方案也相应更新一次；

步骤4.3：令采样步长l＝1，采样步长即为采样次数，采样步长每向前移动一步，感应线圈将采集的数据传回控制器一次；

步骤4.4：感应线圈检测器采集l＝1时环道路段交通流参数数据ρ_j(l)、v_j(l)和入口排队参数数据D_m(l)、w_m(l)。其中，ρ_j(l)表示采样步长l内编号为j路段的交通流密度，veh/h·km·lane；v_j(l)表示采样步长l内编号为j路段的车辆平均速度，km/h；D_m(l)表示采样步长l内编号为m的入口的平均需求，veh/h；w_m(l)表示采样步长l内编号为m的入口的排队长度，veh；

步骤4.5：在预测范围N_p内完成环道交通流状态参数ρ_j的多步预测。环道交通流状态参数ρ_j的预测如下式：

${\mathrm{\ρ}}_j(l+1)={\mathrm{\ρ}}_j\left(l\right)+\frac{\mathrm{\Δ}T}{n_j{l}_j}\[q_{in,j}\left(l\right)-q_{out,j}\left(l\right)\]$

其中：ρ_j(l+1)表示采样步长l+1内编号为j路段的交通流密度，veh/h·km·lane；ΔT表示预测采样周期，s；它的确定与划分后的路段长度l_j有关，需要满足l_j表示路段j的长度，km；n_j表示路段j的车道数；q_in,j(l)表示采样步长l内流入编号为j路段交通流量，veh/h，q_out,j(l)表示采样步长l内流出编号为j路段交通流量，veh/h；q_in,j(l)和q_out,j(l)按照下式计算：

q_in(l)＝ρ_j-1(l)v_j-1(l)n_j-1

q_out(l)＝ρ_j(l)v_j(l)n_j

其中：ρ_j-1(l)表示采样步长l内编号为j-1的路段的交通流密度，veh/h·km·lane；v_j-1(l)表示采样步长l内编号为j-1的路段的交通流平均速度，km/h；n_j-1表示路段j-1的车道数；n_j表示路段j的车道数；ρ_j(l)表示采样步长l内编号为j路段的交通流密度，veh/h·km·lane；v_j(l)表示采样步长l内编号为j的路段的交通流平均速度，km/h；v_j(l)可以按照下式预测：

$v_j(l+1)=v_j\left(l\right)+\frac{\mathrm{\Δ}T}{\mathrm{\τ}}\[V\[{\mathrm{\ρ}}_j\left(l\right)\]-v_j\left(l\right)\]$

为平均速度松弛项，是表示平均速度和交通流密度相互制约的平衡项，其中，V[ρ_j(l)]按照下式计算：

$V\[{\mathrm{\ρ}}_j\left(l\right)\]=v_f\exp (-\frac{1}{a_m}(\frac{{\mathrm{\ρ}}_j\left(l\right)}{{\mathrm{\ρ}}_{cr,j}}\left)\right)$

其中：ρ_cr,j表示路段j的临界密度，veh/h·km·lane；v_f表示环道自由流速度，km/h；a_m表示模型参数，无量纲；

步骤4.6：在预测范围N_p内完成入口排队状态参数w_m的多步预测。入口排队状态参数w_m的预测下式：

w_m(l+1)＝w_m(l)+ΔT(D_m(l)-q_on,m(l))

其中：w_m(l+1)表示采样步长l+1内编号为m的入口的排队长度，veh；w_m(l)表示采样步长veh/h内编号为m的入口的排队长度，veh；D_m(l)表示环形交叉口入口处的平均交通流需求流量,veh/h；q_on,m(l)表示采样步长l内编号为m的入口的流入流量，veh/h，它取决于环形交叉口入口处排队长度以及入口通行能力的最小值，按照下式计算：

$q_{on,m}\left(l\right)=\min \left[\begin{array}{c}\left(D_m\right(l)+\frac{w_m\left(l\right)}{\mathrm{\Δ}T})\·r_m\left(l\right),\\ \frac{Q_m\mathrm{\Δ}T}{3600}{r}_m\left(l\right)\min \left(1\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\max ,j}-{\mathrm{\ρ}}_j\left(l\right)}{{\mathrm{\ρ}}_{\max ,j}-{\mathrm{\ρ}}_{cr,j}}\right)\end{array}\right]$

其中：Q_m表示环形交叉口单个入口处的通行能力，veh/h；ρ_max,j表示环形交叉口入口对应的下游环道路段的阻塞密度，veh/h·km·lane；ρ_cr,j表示环形交叉口入口对应的下游环道路段的临界密度，veh/h·km·lane；r_m(l)表示采样步长为l时环形交叉口入口信号绿信比，r_m(l)∈[r_min,1]，无量纲；r_min为入口处的最小绿信比，取值范围为[0.1,0.2]；

步骤5：建立最优化目标函数，通过求解得到环形交叉口各个相位显示绿灯信号时长；

步骤5.1：设置控制范围，为了减小目标最优化求解计算的复杂性，提高控制器的计算速度，定义一个参数：控制范围N_c，如附图4所示它与预测N_p范围不同在于，预测范围N_p考虑了在未来相当长的时间段内控制作用对于环形交叉口交通运行状态的影响，而这个范围包含了多个控制周期，每一个控制周期都会采用不同的控制参数r_km，以使通过车辆在预测范围N_p总耗时最短。然而大量变化的控制参数会导致计算复杂度增大，运算效率低，于是定义控制范围N_c≤N_p，在求解目标函数最优的过程中，控制参数仅在N_c范围内变化，超过这一范围后，采取不变的控制参数，提升运算速度。对于普通的平面环形交叉口而言，N_c可以按照下式计算：

$N_c=\frac{1}{2}{N}_p$

步骤5.2：建立并求解系统总耗时目标函数TTS(total time spend)，TTS目标函数如下式：

$J\left(k_0\right)=\underset{m=1}{\overset{R_m}{\Σ}}\underset{k=k_0}{\overset{k_0+N_P-1}{\Σ}}\[\mathrm{\α}\Σ{\mathrm{\ρ}}_j\left(k\right)l_j{n}_j+\mathrm{\β}\Σw_m\left(k\right)\]\·\mathrm{\Δ}T$

其中：R_m表示环形交叉口入口的数量；α和β为权值调整的参数，无特殊要求时均可取值0.5；

步骤5.3：求解总耗时目标函数最小，得出各个入口的多步最优交通控制参数—最优绿信比r₁、r₂…r_c后，只保留第一步控制参数r₁；

步骤5.4：判断k控制周期相位m的控制参数r_km是否有赋值，若无赋值，则令r_km＝r₁；若有赋值，则只对该值进行反馈调节；

步骤5.5：按照步骤5.3得到的环形交叉口各个入口配时的绿信比，计算各个相位的显示绿灯时长如下：

g_km＝Cr_km

其中：g_km表示k控制周期相位m的显示绿灯时长，s；C表示多支路环形交叉口的信号周期时长，s；r_km表示k控制周期相位m的绿信比，无量纲；

步骤6：根据相位搭接规则，协调多路环形交叉口各个入口的绿灯启亮时间。按照步骤5.4计算出的环形交叉口各个入口处的绿信比r_km会出现的情况，也就是会出现搭接相位的情况，所以相应的相位搭接规则模型如下：

$t_{km}=C(\underset{m=1}{\overset{m}{\Σ}}{r}_{km}-1)\·\frac{w_m\left(l\right)}{\underset{m=1}{\overset{m}{\Σ}}{w}_m\left(l\right)}$

其中：t_km表示相位m的搭接时间，也就是在上一入口相位结束前t_km时，下一入口的绿灯提前启亮时间；

步骤7：判断一个控制周期内采样次数l≤5是否成立，若l≤5成立，则令l＝l+1后返回步骤4.4继续循环本控制周期的反馈调节。若l≤5不成立，则进行步骤8；

步骤8：令控制步长k＝k+1后返回步骤4.3进行下一个控制周期的控制参数求解。

Claims (1)

1.一种多路环形交叉口自适应交通信号控制方法,该方法包括以下步骤：

步骤1：在多路环形交叉口各个入口以及环道布设线圈检测器：感应线圈检测器的布设；其中线需要与车道中心线重合，并且需要在多支路环形交叉口的入口处以及相交道路中心线延长线与交叉口内部车道相交的位置进行检测器布设；布设完毕后，定义入口编号用m表示，同时环道内的检测器将内部环道划分为多个路段，路段编号用j表示；

步骤2：设置多路环形交叉口的相位相序，一种多支路环形交叉口自适应交通信号控制方法采用顺时针轮放式的相位结构；这种车流逆时针绕环行驶、相位显示顺序顺时针更迭的控制方式，可以从空间上减小相位更迭时下一相位驶入环道的车流与上一相位未驶出环道车流的冲突和交织，从而提升环形交叉口的运行效率；

步骤3：根据线圈检测器采集的交通流量数据，多支路环形交叉口的信号周期时长按照下式计算：

$C=\frac{2\mathrm{\π}R}{u_{\mathrm{\α}}(1-Y)}$

其中：C表示多支路环形交叉口的信号周期时长，s；π表示圆周率，无量纲；R表示被控环形交叉口半径，m；u_α表示车辆绕环行驶的平均速度，m/s；Y表示全部关键车流总的交通流量比，无量纲；

步骤4：根据线圈检测器采集的环形交叉口入口和环道交通流状态参数，多步预测环形交叉口未来交通状态；

步骤4.1：令控制步长k＝1，控制步长即为控制方案更新的次数，控制步长每向前移动一步，交通控制参数更新一次，信号配时方案也相应更新一次；

步骤4.2：令采样步长l＝1，采样步长即为采样次数，采样步长每向前移动一步，感应线圈将采集的数据传回控制器一次；

步骤4.3：感应线圈检测器采集l步长时环道各个路段交通流参数数据ρ_j(l)、v_j(l)和入口排队参数数据D_m(l)、w_m(l)。其中，ρ_j(l)表示采样步长l内编号为j路段的交通流密度，veh/h·km·lane；v_j(l)表示采样步长l内编号为j路段的车辆平均速度，km/h；D_m(l)表示采样步长l内编号为m的入口的平均需求，单位veh/h；w_m(l)表示采样步长l内编号为m的入口的排队长度，veh；

步骤4.4：在预测范围N_p内完成环道交通流状态参数ρ_j的多步预测；环道交通流状态参数ρ_j的预测如下式：

${\mathrm{\ρ}}_j(l+1)={\mathrm{\ρ}}_j\left(l\right)+\frac{\mathrm{\Δ}T}{n_j{l}_j}\[q_{in,j}\left(l\right)-q_{out,j}\left(l\right)\]$

其中：ρ_j(l+1)表示采样步长l+1内编号为j路段的交通流密度，veh/h·km·lane；ΔT表示预测采样周期，s；l_j表示路段j的长度，km；n_j表示路段j的车道数；q_in,j(l)表示采样步长l内流入编号为j路段交通流量，veh/h，q_out,j(l)表示采样步长l内流出编号为j路段交通流量，veh/h；q_in,j(l)和q_out,j(l)按照下式计算：

q_in(l)＝ρ_j-1(l)v_j-1(l)n_j-1

q_out(l)＝ρ_j(l)v_j(l)n_j

其中：ρ_j-1(l)表示采样步长l内编号为j-1的路段的交通流密度，

veh/h·km·lane；v_j-1(l)表示采样步长l内编号为j-1的路段的交通流平均速度，km/h；n_j-1表示路段j-1的车道数；n_j表示路段j的车道数；ρ_j(l)表示采样步长l内编号为j路段的交通流密度，veh/h·km·lane；v_j(l)表示采样步长l内编号为j的路段的交通流平均速度，km/h；v_j(l)可以按照下式预测：

$v_j(l+1)=v_j\left(l\right)+\frac{\mathrm{\Δ}T}{\mathrm{\τ}}\[V\[{\mathrm{\ρ}}_j\left(l\right)\]-v_j\left(l\right)\]$

—为平均速度松弛项，是表示平均速度和交通流密度相互制约的平衡项，其中，V[ρ_j(l)]按照下式计算：

$V\[{\mathrm{\ρ}}_j\left(l\right)\]=v_f\exp \left(-\frac{1}{a_m}\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_j\left(l\right)}{{\mathrm{\ρ}}_{cr,j}}\right)\right)$

其中：ρ_cr,j表示路段j的临界密度，veh/h·km·lane；v_f表示环道自由流速度，km/h；a_m表示模型参数，无量纲；

步骤4.5：在预测范围N_p内完成入口排队状态参数w_m的多步预测；入口排队状态参数w_m的预测下式：

w_m(l+1)＝w_m(l)+ΔT(D_m(l)-q_on,m(l))

其中：w_m(l+1)表示采样步长l+1内编号为m的入口的排队长度，veh；w_m(l)表示采样步长veh/h内编号为m的入口的排队长度，veh；D_m(l)表示环形交叉口入口处的平均交通流需求流量,veh/h；q_on,m(l)表示采样步长l内编号为m的入口的流入流量，veh/h，它取决于环形交叉口入口处排队长度以及入口通行能力的最小值，按照下式计算：

$q_{on,m}\left(l\right)=min\left[\begin{array}{c}(D_m\left(l\right)+\frac{w_m\left(l\right)}{\mathrm{\Δ}T})\·r_m\left(l\right),\\ \frac{Q_m\mathrm{\Δ}T}{3600}{r}_m\left(l\right)min\left(1,\frac{{\mathrm{\ρ}}_{max,j}-{\mathrm{\ρ}}_j\left(l\right)}{{\mathrm{\ρ}}_{max,j}-{\mathrm{\ρ}}_{cr,j}}\right)\end{array}\right]$

其中：Q_m表示环形交叉口单个入口处的通行能力，veh/h；ρ_max,j表示环形交叉口入口对应的下游环道路段的阻塞密度，veh/h·km·lane；ρ_cr,j表示环形交叉口入口对应的下游环道路段的临界密度，veh/h·km·lane；r_m(l)表示采样步长为l时环形交叉口入口信号绿信比，r_m(l)∈[r_min,1]，无量纲；r_min为入口处的最小绿信比，取值范围为[0.1,0.2]；

步骤5：建立最优化目标函数，通过求解得到环形交叉口各个相位显示绿灯信号时长；

步骤5.1：建立并求解系统总耗时目标函数TTS(total time spend)，TTS目标函数如下式：

$J\left(k_0\right)=\underset{m=1}{\overset{R_m}{\Σ}}\underset{k=k_0}{\overset{k_0+N_P-1}{\Σ}}\[\mathrm{\α}\Σ{\mathrm{\ρ}}_j\left(k\right)l_j{n}_j+\mathrm{\β}\Σw_m\left(k\right)\]\·\mathrm{\Δ}T$

其中：R_m表示环形交叉口入口的数量；α和β为权值调整的参数，无特殊要求时均可取值0.5；

步骤5.2：求解总耗时目标函数最小，得出各个入口的多步最优交通控制参数—最优绿信比r₁、r₂…r_c后，只保留第一步控制参数r₁；

步骤5.3：判断k控制周期相位m的控制参数r_km是否有赋值，若无赋值，则令r_km＝r₁；若有赋值，则只对该值进行反馈调节；

步骤5.4：按照步骤5.3得到的环形交叉口各个入口配时的绿信比，计算各个相位的显示绿灯时长如下：

g_km＝Cr_km

其中：g_km表示k控制周期相位m的显示绿灯时长，s；C表示多支路环形交叉口的信号周期时长，s；r_km表示k控制周期相位m的绿信比，无量纲；

步骤6：根据相位搭接规则，协调多路环形交叉口各个入口的绿灯启亮时间。按照步骤5.2计算出的环形交叉口各个入口处的绿信比r_km会出现的情况，也就是会出现搭接相位的情况，所以相应的相位搭接规则模型如下：

$t_{km}=C(\underset{m=1}{\overset{m}{\Σ}}{r}_{km}-1)\·\frac{w_m\left(l\right)}{\underset{m=1}{\overset{m}{\Σ}}{w}_m\left(l\right)}$

其中：t_km表示相位m的搭接时间，也就是在上一入口相位结束前t_km时，下一入口的绿灯提前启亮时间；

步骤7：判断一个控制周期内采样次数l≤5是否成立，若l≤5成立，则令l＝l+1后返回步骤4.4继续循环本控制周期的反馈调节。若l≤5不成立，则进行步骤8；

步骤8：令控制步长k＝k+1后返回步骤4.3进行下一个控制周期的控制参数求解。