CN107221177B - 一种设置逆向可变车道的交叉口信号配时方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种设置逆向可变车道的交叉口信号配时方法。本发明包括以下步骤：1）设置逆向可变车道交叉口环结构信号相位相序设计，2）确定逆向可变车道的饱和流量，3）设置逆向可变车道交叉口信号配时参数计算，4）控制变量约束条件确定，5）协同优化目标函数构建及求解，6）最优信号控制方案输出。本发明充分考虑了设置逆向可变车道对交叉口车辆运行的影响，基于环结构进行信号相位相序设计，并以交叉口车均延误和逆向可变车道开启时长最小作为优化目标，建立逆向可变车道控制参数和信号配时参数为协同优化模型，在运行安全约束条件下寻求最优的逆向可变车道及信号配时方案，实现了逆向可变车道安全性最大条件下的交叉口管控效益最大。

Description

一种设置逆向可变车道的交叉口信号配时方法

技术领域

本发明涉及交通管控领域，具体涉及一种设置逆向可变车道的交叉口信号配时方法。

背景技术

交叉口逆向可变车道是变向交通管理的一种新兴形式，主要设置在信号控制交叉口的出口道内侧，既具有出口道行车道功能又具有进口左转导向车道功能，由于其工程投资小且能有效缓解交叉口高峰时段的左转过饱和拥堵，而逐步被认可和应用。

随着城市交通压力的进一步增大，逆向可变车道的效益正在逐步减弱，主要原因是缺少与交叉口信号控制的协同优化，未实现交叉口的整体管控效益最大化。为此，有必要针对设置逆向可变车道的交叉口运行特征进行系统深入的研究，提出一种设置逆向可变车道的交叉口信号配时方法，以充分发挥逆向可变车道的功能效益。

设置逆向可变车道的交叉口信号配时方法，实质上是在确定好环结构信号相位相序的前提下，依据设置逆向可变车道的车流运行特征提出信号周期、有效绿灯时间、清空时间等配时参数计算方法，进而基于安全和效率最优构建逆向可变车道控制和信号控制参数的协同优化函数，在一系列约束条件下对其进行求解，最终得到设置逆向可变车道的交叉口最优信号配时方案。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种设置逆向可变车道的交叉口信号配时方法，克服了目前对设有逆向可变车道交叉口信号配时设计的盲目性，通过构建逆向可变车道控制参数和信号控制参数的协同优化函数，并在运行安全约束条件下寻求最优的逆向可变车道及信号配时方案，实现了逆向可变车道安全性最大条件下的交叉口管控效益最大，提高了设置逆向可变车道的交叉口信号配时方法的科学性和实用性。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括以下步骤：

A)设置逆向可变车道交叉口环结构信号相位相序设计

以一般的四路交叉口为例，在交叉口南进口的左转相位设置逆向可变车道，在信号相序设计中，同一个进口先左转再直行；逆向可变车道的信号相位作为交叉口信号中相位3和相位6的跟随相位来处理，基于环结构的相位相序设计如图2所示。

B)确定逆向可变车道的饱和流量

按照逆向可变车道与正常左转车道的有效绿灯时间的比例关系，确定逆向可变车道的饱和流量；

这里的计算参数包括：逆向可变车道的饱和流量S_lr，逆向可变车道的有效绿灯时长g_lr，逆向可变车道所在左转相位的有效绿灯时长g_l，一条正常左转车道的饱和流量S_l。

C)设置逆向可变车道交叉口信号配时参数计算

a)计算交叉口流量比之和

在环结构配时模式下，交叉口流量比之和计算参数包括：交叉口流量比之和Y，环结构中的环编号a，环结构中的信号屏障编号b，信号屏障b内环a的流量比之和Y’_ab，交通流量q，饱和流量S；

b)计算信号周期时长

采用韦伯斯特公式计算交叉口信号周期时长，这里的计算参数包括：最佳周期时长c，信号总损失时间L，交叉口流量比之和Y；

c)分配各相位有效绿灯时长

根据等饱和度原则计算每个相位的绿信比，进而合理分配各相位有效绿灯时间，这里的计算参数包括：相位i的有效绿灯时间g_i，信号屏障b内环a的流量比之和Y’_ab，最佳周期时长c，信号总损失时间L，相位i的流量比y_i，交叉口流量比之和Y；

d)逆向可变车道的清空时间

逆向可变车道的清空时间由逆向可变车道的长度与车辆行驶特征计算，计算参数包括：逆向可变车道的清空时间t_lc，逆向可变车道的长度A，车辆的启动加速度a，左转车辆通过交叉口的稳定车速v，逆向可变车道的安全时间t_ls；

e)逆向可变车道的提前开启时间

逆向可变车道的提前开启时间取逆向可变车道的清空时间。

D)控制变量约束条件确定

为确保得到合理的信号配时方案，需要满足以下四项约束条件：

①对于每一股车流，车道组有效绿灯时间应大于或等于最小绿灯时间，这里的参数包括相位i的有效绿灯时间g_i，最小绿灯时间g_min；

②所有相位有效绿灯时间之和加上一个信号周期内的总损失时间即为信号周期时长，这一信号周期时长应在临界的上、下限之间，这里的参数包括最小周期时长c_min，最大周期时长c_max，相位i的有效绿灯时间g_i，信号周期总损失时间L；

③为了提高逆向可变车道的使用率，逆向可变车道所在左转相位的有效绿灯时长必须大于或等于逆向可变车道的提前开启时间，这里的参数包括逆向可变车道所在左转相位的有效绿灯时长g_l，逆向可变车道的提前开启时间t_lt；

④为确保逆向可变车道使用的安全性，逆向可变车道的提前开启时间应小于上一个直行相位的有效绿灯时间，这里的参数包括逆向可变车道的提前开启时间t_lt，上一个直行相位的有效绿灯时间g_s。

E)协同优化目标函数构建及求解

以上四项为约束条件，以安全和效率最优为目标构建逆向可变车道控制和信号控制参数的协同优化函数，当增加一个周期的延误减少率低于1％，即可确定此时优化求解结束，输出最优方案，优化目标函数的计算参数包括：交叉口的总延误时间D，各进口车流量q_j，逆向可变车道所在左转相位的有效绿灯时长g_l，逆向可变车道的安全清空时长t_ls，t_n周期内的交叉口的延误时间d(t_n)，t_n+1周期内的交叉口的延误时间d(t_n+1)。

F)最优信号控制方案输出

通过以上计算及约束条件，得到交叉口的信号配时方案，这里的参数包括：T₁为阶段1东西向左转的绿灯时长，T₂为阶段2东西向直行但逆向可变车道未开启的绿灯时长，T₃为阶段3东西向直行且逆向可变车道的提前开启时长，T₄为阶段4南口逆向可变车道的绿灯时长，T₅为阶段5南口逆向可变车道的清空时长，T₄+T₅为南北向正常左转的绿灯时长，T₆为阶段6南北向直行的绿灯时长，c为周期时长。

本发明在设置逆向可变车道的交叉口信号配时方法中，首先明确交叉口信号相序、确定逆向可变车道的饱和流量，再基于环结构进行信号配时设计，结合有效绿灯时间、周期时长等约束条件，以安全和效率最优为目标构建逆向可变车道控制和信号控制参数的协同优化函数，求解最优信号配时方案。

本发明有益效果：本发明与现有技术相比具有如下特点：

1)本发明提出了基于环结构的设置逆向可变车道交叉口信号配时方法，首先根据车流冲突及运行特征提出了交叉口相位相序设计方案，然后依据逆向可变车道的长度与车辆行驶特征，建立逆向可变车道饱和流量、清空时间及提前开启时间的计算模型，并确定周期及相位有效绿灯时长计算方法。

2)本发明以安全和效率最优为目标，构建了交叉口逆向可变车道和信号控制参数的协同优化模型，确定了控制参数的约束条件，并设计了科学的求解方法，能够在保障安全性最大的前提下实现交叉口逆向可变车道管理模式的效益最优。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是基于环结构的相位相序设计图；

图3是交叉口的信号配时方案图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：如图1所示，一种设置逆向可变车道的交叉口信号配时方法，步骤包括：设置逆向可变车道交叉口信号相位相序设计、确定逆向可变车道的饱和流量、设置逆向可变车道交叉口信号配时参数计算、控制变量约束条件确定、协同优化目标函数构建及求解、最优信号控制方案输出。

A)设置逆向可变车道交叉口环结构信号相位相序设计

以一般的四路交叉口为例，在交叉口南进口的左转相位设置逆向可变车道，在信号相序设计中，为确保行车安全高效，同一个进口先左转再直行；逆向可变车道的信号相位作为交叉口信号中相位3和相位6的跟随相位来处理，基于环结构的相位相序设计如图2所示。

B)确定逆向可变车道的饱和流量

这里的计算参数包括：逆向可变车道的饱和流量S_lr，逆向可变车道的有效绿灯时长g_lr，逆向可变车道所在左转相位的有效绿灯时长g_l，一条正常左转车道的饱和流量S_l；

按照逆向可变车道与正常左转车道的有效绿灯时间的比例关系，确定逆向可变车道的饱和流量为：

C)设置逆向可变车道交叉口信号配时参数计算

在交叉口的信号配时中，基于全球范围通用的环结构进行信号配时设计，设计内容包括：

a)计算交叉口流量比之和

交叉口流量比计算参数包括：交叉口流量比之和Y，环结构中的环编号a，环结构中的信号屏障编号b，信号屏障b内环a的流量比之和Y’_ab，交通流量q，饱和流量S；

设有逆向可变车道的交叉口仅仅是通行能力发生了变化，仍然采用传统的信号周期计算公式，即确定好关键相位的流向比之和后进行计算，只是流向比计算中要考虑逆向可变车道是否开启，在环结构配时模式下，交叉口的流量比之和为：

b)计算信号周期时长

这里的计算参数包括：最佳周期时长c，信号总损失时间L，交叉口流量比之和Y；

采用韦伯斯特公式计算交叉口的信号周期时长为：

c＝(1.5L+5)/(1-Y)

c)分配各相位有效绿灯时长

这里的计算参数包括：相位i的有效绿灯时间g_i，信号屏障b内环a的流量比之和Y’_ab，最佳周期时长c，信号总损失时间L，相位i的流量比y_i，交叉口流量比之和Y；

根据等饱和度原则合理分配每个相位的绿信比，进而得到各相位的有效绿灯时间为：

g_i＝max(Y’_ab)*(c-L)*y_i/(Y*Y’_ab)

d)逆向可变车道的清空时间

计算参数包括：逆向可变车道的清空时间t_lc，逆向可变车道的长度A，车辆的启动加速度a，左转车辆通过交叉口的稳定车速v，逆向可变车道的安全时间t_ls；

逆向可变车道的清空时间由逆向可变车道的长度与车辆行驶特征计算，逆向可变车道的安全时间t_ls取3-5秒；

这里考虑了逆向可变车道的行车安全性，依据逆向可变车道的长度与车辆行驶特征，建立了逆向可变车道的清空时间计算方法，并为计算后面逆向可变车道的提前开启时间提供了依据。

e)逆向可变车道的提前开启时间

这里的参数包括：逆向可变车道的提前开启时间t_lt，逆向可变车道的清空时间t_lc；

为了保证安全性，同时提高逆向车道的运行效率，逆向可变车道的提前开启时间取逆向可变车道的清空时间：

t_lt＝t_lc

D)控制变量约束条件确定

为确保得到合理的信号配时方案，需要满足以下四项约束条件：

①对于每一股车流，车道组有效绿灯时间应大于或等于最小绿灯时间：

这里的参数包括相位i的有效绿灯时间g_i，最小绿灯时间g_min；

②对于信号交叉口，所有相位有效绿灯时间之和加上一个信号周期内的总损失时间即为信号周期时长，这一信号周期时长应在临界的上、下限之间：

这里的参数包括最小周期时长c_min，最大周期时长c_max，相位i的有效绿灯时间g_i，信号周期总损失时间L；

③为了提高逆向可变车道的使用率，逆向可变车道所在左转相位的有效绿灯时长必须大于或等于逆向可变车道的提前开启时间，这里的参数包括逆向可变车道所在左转相位的有效绿灯时长g_l，逆向可变车道的提前开启时间t_lt：

g_l≥t_lt

④为保证逆向可变车道的安全性，逆向可变车道的提前开启时间应小于上一个直行相位的有效绿灯时间：

t_lt<g_s

这里的参数包括逆向可变车道的提前开启时间t_lt，上一个直行相位的有效绿灯时间g_s。

E)协同优化目标函数构建及求解

由于交叉口车均延误、排队长度和停车次数具有明显的正相关性，考虑设置逆向可变车道的安全性和效率最优，因此设置逆向可变车道的交叉口信号配时优化模型中只选取交叉口车均延误和逆向可变车道开启时长最小作为优化目标，并将约束条件判定中的四项条件为约束条件，优化目标函数模型如下：

上式为四个约束条件下两个优化目标的的多目标优化问题，可由MATLAB软件提供的fminimax函数进行求解，当增加一个周期的延误减少率低于1％，即

此时可确定此时优化求解结束，输出最优方案；

计算参数包括：交叉口的总延误时间D，各进口车流量q_j，逆向可变车道所在左转相位的有效绿灯时长g_l，逆向可变车道的安全清空时长t_ls，t_n周期内的交叉口的延误时间d(t_n)，t_n+1周期内的交叉口的延误时间d(t_n+1)，约束条件中的计算参数与约束条件判定中的参数一致。

F)最优信号控制方案输出

这里的参数包括：T₁为阶段1东西向左转的绿灯时长，T₂为阶段2东西向直行但逆向可变车道未开启的绿灯时长，T₃为阶段3东西向直行且逆向可变车道的提前开启时长，T₄为阶段4南口逆向可变车道的绿灯时长，T₅为阶段5南口逆向可变车道的清空时长，T₄+T₅为南北向正常左转的绿灯时长，T₆为阶段6南北向直行的绿灯时长，c为周期时长；

通过以上计算及约束条件，得到交叉口的信号配时方案，如图3所示。

应当指出，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，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种设置逆向可变车道的交叉口信号配时方法，其特征在于：包括以下步骤：

A）设置逆向可变车道交叉口环结构信号相位相序；

B）确定逆向可变车道的饱和流量；

C）设置逆向可变车道交叉口信号配时参数；

D）控制变量约束条件确定；

E）协同优化目标函数构建及求解；

F）最优信号控制方案输出；

所述步骤C）包括如下步骤：

a）计算交叉口流量比之和；

b）计算信号周期时长；

c）分配各相位有效绿灯时长；

d）计算逆向可变车道的清空时间；

e）确定逆向可变车道的提前开启时间；

所述步骤D）中的约束条件包括：

①对于每一股车流，车道组有效绿灯时间应大于或等于最小绿灯时间；

②对于信号交叉口，所有相位有效绿灯时间之和加上一个信号周期内的总损失时间即为信号周期时长，这一信号周期时长应在临界的上、下限之间：

③逆向可变车道所在左转相位的有效绿灯时长必须大于或等于逆向可变车道的提前开启时间；

④逆向可变车道的提前开启时间应小于上一个直行相位的有效绿灯时间；

所述步骤C）的步骤d）中逆向可变车道的清空时间与逆向可变车道的长度、车辆行驶特征计算、逆向可变车道的安全时间有关；

所述步骤E）中以交叉口车均延误和逆向可变车道开启时长最小作为优化目标，建立逆向可变车道控制参数和信号配时参数为协同优化模型，在运行安全约束条件下寻求最优的逆向可变车道及信号配时方案，实现逆向可变车道安全性最大条件下的交叉口管控效益最大化。