CN107564304B

CN107564304B - 一种大型y型交叉口三维绿波协调控制方法

Info

Publication number: CN107564304B
Application number: CN201710822032.3A
Authority: CN
Inventors: 孙锋; 曹辉; 焦方通; 宇仁德; 郭栋; 赵菲; 刘玮轩; 苏文恒; 朱新远
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2019-12-27
Anticipated expiration: 2037-09-13
Also published as: CN107564304A

Abstract

本发明公开了一种大型Y型交叉口三维绿波协调控制方法。本发明包括以下步骤：1）将Y型交叉口改造成三个子交叉口，确定信号相位相序，2）确定三股冲突交通流的运行特征，3）提出三维绿波协调控制思想，设置三个子交叉口的协调相位，4）确定子交叉口的协调公共周期，5）确定三维绿波协调相位差，6）确定三个子交叉口之间的间距。本发明提出了三维绿波协调控制思想，构建了公共周期时长、绿信比、协调相位差与子交叉口间距之间的协同优化关系模型，并在协调控制的约束条件下寻求最优控制方案，实现了子交叉口三股关键冲突车流的闭环协调运行，对于提升Y型交叉口的运行效率和服务水平具有重要意义。

Description

一种大型Y型交叉口三维绿波协调控制方法

技术领域

本发明涉及交通管控领域，具体涉及一种大型Y型交叉口三维绿波协调控制方法。

背景技术

由于前期道路设计的系统性不足，导致我国道路网存在大量的不规则Y型交叉口，而且大多分布于城市外围的国省道路上。与规则的十字交叉口相比，由于其车流行驶轨迹不规则、冲突复杂等原因，导致交通秩序混乱和通行效率低下。目前，针对Y型交叉口的管控措施主要是通过交叉口渠化和二次停车信号控制等措施从时间和空间上分离冲突车流，从而改善交叉口的运行秩序并提高安全性。但是，交叉口渠化仅适用于交通量较小的条件，而二次停车控制也没有从根本上提高交叉口的通行效率。

大型Y型交叉口三维绿波协调控制方法，实质上是将Y型交叉口改造成为三个子交叉口，依据绿波协调控制原理设计子交叉口之间的信号控制方案和协调相位差，实现子交叉口三股关键冲突车流的闭环协调运行，从而改善目前Y型交叉口交通秩序混乱，二次等待信号控制方法通行效率低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大型Y型交叉口三维绿波协调控制方法，根据关键车流循环冲突的运行特征提出三维绿波协调控制思想，基于实际交通量构建公共周期时长、绿信比协调相位差(绿信比、协调相位差)与子交叉口间距之间的协同优化关系模型，并在协调控制的约束条件下确定信号控制方案，实现Y型交叉口时空资源的最优化配置。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括以下步骤：

A)将Y型交叉口改造成三个子交叉口，确定信号相位相序

将Y型交叉口改造成三个子交叉口，根据子交叉口的交通流运行状况，对三个子交叉口采用两相位的信号控制，第一相位：由路段进入三个子交叉口的三股车流放行；第二相位：以协调车速到达下游交叉口停车线处的车流放行；三个子交叉口的右转车流作为跟随相位放行,子交叉口用数字表示，从交叉口i到交叉口j的车流用Q_ij表示。

B)确定三股冲突交通流的运行特征

基于交通流理论，协调车流在通过交叉口时会出现以下四种情况：

常规运行车辆会在协调控制的上游交叉口遇红灯停车等待，绿灯启亮后，以绿波协调通过下游交叉口；

部分车辆恰好在上游交叉口遇绿灯以协调绿波带通过下游交叉口，在上游交叉口不发生停车延误；

由于车队离散型性，部分队尾车辆会在下游交叉口遇红灯而发生停车延误；

部分车辆可能在红灯期间到达上游交叉口并发生延误而无法实现协调控制。参数有协调车流在交叉口的行驶距离L_i、协调车流直行段的行驶距离L_ij、协调运行时间t_ij、协调左转车速V_左、协调直行车速V_直。

C)提出三维绿波协调控制思想，确定三个子交叉口的协调相位

根据Y型交叉口三股关键车流循环冲突的运行特征，提出三维绿波协调控制思想，即通过设置合理的信号周期和相位差，使三个子交叉口的六个关键相位Φ₁₂与Φ₂₂、Φ₂₃与Φ₃₃、Φ₃₁与Φ₁₁全部实现闭环协调运行，如图5所示。

D)确定子交叉口的协调公共周期

这里的计算参数有：三个子交叉口的最佳信号周期C_i、每个交叉口的信号总损失时间L_i、相位流量比之和Y、协调周期时长C。

E)确定协调相位差

根据上述的相位协调关系以及交叉口绿波协调三维立体图，基于干线绿波协调理论，通过设置合理的相位差，使三股车流实现闭环协调运行；这里需要计算的参数有：交叉口j相对于交叉口i的相位差O_i,j、协调车流在下游交叉口非协调相位的有效绿灯时间t_Φmn、周期的整数倍γ。

F)确定三个子交叉口之间的间距

a)计算交叉口之间的间距

通过上步计算，已经得到三个交叉口协调相位之间的相位差，通过子交叉口协调相位差与间距之间的关系确定交叉口之间的间距，这里需要计算的参数有子交叉口之间的间距L(i,j)、协调车流在交叉口的行驶距离L_i、协调车流直行段的行驶距离L_ij、车辆的离散系数β；

b)确定间距的约束条件

为确保得到良好的协调控制效果，使协调控制不发生车队滞留状况，交叉口间距与相位差、协调相位之间需要满足下述约束条件：

①每股协调车流相位差与离散系数之和，应满足无延误时的绿波协调关系模型；这里的参数有：协调相位的有效绿灯时间g_ij、左转协调车速V_左、直行协调车速V_直、协调车流在交叉口的行驶距离L_i、协调车流直行段的行驶距离L_ij、协调相位差O_i,j、车辆的离散系数β；

②每股协调车流协调相位绿灯时间g_ij小于等于下游交叉口的协调相位绿灯时间g_jj；

③如果计算得到的间距不符合协调控制约束条件，需要重新调整各相位的绿灯时长g_i,优化绿信比λ_i；

④如果计算得到的间距符合协调控制约束条件即输出协调控制方案。

本发明在设置大型Y型交叉口三维绿波协调控制方法中，首先在原有交叉口三个进口处将大型Y型交叉口改造成三个子交叉口，确定各交叉口的相位相序以及协调相位、通过调查交叉口的实际流量数据，基于环结构进行信号配时设计，确定三股协调车流相位差与周期之间的关系，再计算三个交叉口之间的间距，以相位差与间距之间的关系为约束条件，确定最优协调控制方案。

本发明有益效果：本发明与现有技术相比具有如下特点：

1)本发明突破了传统的二次停车等待信号控制方法，提出了针对Y型交叉口的三维绿波协调控制思想，能够实现三股冲突车流在交叉口内的不停车运行，有效提升Y型交叉口运行效率，在交管部门具有广泛的应用推广价值；

2)本发明基于绿波协调的原理，通过分析三股冲突车流的运行特性，构建了周期时长、绿信比、相位差及子交叉口间距等参数的协同优化控制模型，使得交叉口内部时空资源得到最优化利用。

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是交叉口协调运行状态图；

图4是交叉口协调车流运行特性时距图；

图5是交叉口三维绿波协调立体图。

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，一种大型Y型交叉口三维绿波协调控制方法，步骤包括：将Y型交叉口改造成三个子交叉口、确定三股冲突交通流的运行特征、提出三维绿波协调控制思想，确定三个子交叉口的协调相位、确定子交叉口的协调公共周期、确定协调相位差、确定三个子交叉口之间的间距。

A)将Y型交叉口改造成三个子交叉口，确定信号相位相序

首先对Y型交叉口进行实际调查，通过合理的渠化及设置中心岛，在Y型交叉口三个进口处将交叉口改造成三个子交叉口，并采用数字1、2、3按顺时针顺序依次进行编号，Q_ij表示从交叉口i到交叉口j的车流；为了实现三股冲突交通流的闭环协调控制，对三个子交叉口采用两相位的信号控制，第一相位：由路段进入三个子交叉口的三股车流放行；第二相位：以协调车速到达下游交叉口停车线处的车流放行；三个子交叉口的右转车流作为跟随相位放行，基于环结构的相位相序设计如图2所示，三个子交叉口信号协调后的运行状态如图3所示。

B)确定三股冲突交通流的运行特征

部分车辆可能在红灯期间到达上游交叉口并发生延误而无法实现协调控制；上述四种情况的协调车流时距图如图4所示，参数有协调车流在交叉口的行驶距离L_i、协调车流直行段的行驶距离L_ij、协调运行时间t_ij、左转车速V_左、直行车速V_直。

根据上述的分析，对三股协调车流的运行特征做详细分析：

a)确定协调车流Q₁₂的交通流运行特性

协调车流Q₁₂由交叉口1行驶至下游交叉口2从而通过交叉口，运行车队在交叉口1左转运行的距离为L₁，直行运行距离为L₁₂，车辆通过交叉口的时间t₁₂＝L₁/V_左+L₁₂/V_直；

b)确定协调车流Q₂₃的交通流运行特性

协调车流Q₂₃在通过交叉口的过程中经历两次左转，直行车流的平均速度比左转车流平均速度高约10km/h，协调车流Q₂₃首先在停车线左转通过交叉口2，在交叉口左转运行的距离是L₂，然后直行到达下游交叉口停车线，直行运行距离是L₂₃，车辆由交叉口2通过交叉口3的时间t₂₃＝L₂/V_左+L₂₃/V_直；

c)确定协调车流Q₃₁的交通流运行特性

协调车流Q₃₁由交叉口3直行到达下游交叉口停车线，然后左转通过交叉口1，在交叉口的运行距离为L₃，交叉口3与1直行段之间的距离为L₃₁,，车辆通过交叉口的时间t₃₁＝(L₃+L₃₁)/V_直。

三个子交叉口的三维绿波协调控制是基于单股车流的绿波协调原理，通过设置合理的相位差，实现三股冲突车流的闭环协调控制；根据本发明的三维绿波协调原理：相位Φ₁₂绿灯启亮后，协调车流Q₁₂以协调绿波从交叉口1通过交叉口2，当车流Q₁₂的最后一辆车通过交叉口2后，交叉口2的相位Φ₂₂亮绿灯，在交叉口2排队等候的左转车辆以协调车速通过交叉口3，当协调车流Q₂₃的最后一辆车通过交叉口2后，交叉口3的直行相位Φ₃₁亮绿灯，车流Q₃₁以协调车速通过交叉口1，当协调车流Q₃₁的最后一辆车通过交叉口1后，交叉口1的左转相位Φ₁₂亮绿灯，如此循环重复此过程，交叉口的三维绿波协调关系如图5所示。

D)确定子交叉口的协调公共周期

这里的计算参数有：三个子交叉口的最佳信号周期C_i、每个交叉口的信号总损失时间L_i、相位流量比之和Y、协调周期时长C；

根据韦伯斯特算法对三个交叉口进行单点信号配时，取最佳信号周期时长最大值作为协调公共周期时长C：

根据等饱和度原则进行相位绿灯时间的分配。

E)确定协调相位差

这里的计算参数有：交叉口j相对于交叉口i的相位差O_i,j、协调车流在下游交叉口非协调相位的有效绿灯时间t_Φmn、周期的整数倍γ；

每股协调控制车流的相位差等于协调车流在下游交叉口非协调相位的有效绿灯时间与周期整数倍之和：

F)确定三个子交叉口之间的间距

a)计算交叉口之间的间距

通过上步计算，已经得到三个交叉口协调相位之间的相位差，通过子交叉口协调相位差与间距之间的关系确定交叉口之间的间距，这里的计算参数有子交叉口之间的间距L(i,j)、左转协调车速V_左、左转运行时间tⁱ _左、直行协调车速V_直、车辆的离散系数β；

b)确定间距的约束条件

②每股协调车流协调相位绿灯时间g_ij小于等于下游交叉口的协调相位绿灯时间g_jj。

③如果计算得到的间距不符合协调控制约束条件，需要重新调整各相位的绿灯时长g_i,优化绿信比λ_i。

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

1.一种大型Y型交叉口三维绿波协调控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

A)将Y型交叉口改造成三个子交叉口，确定信号相位相序；

B)确定三股冲突交通流的运行特征；

C)提出三维绿波协调控制思想，确定三个子交叉口的协调相位；

D)确定子交叉口的协调公共周期；

E)确定协调相位差；

F)确定三个子交叉口之间的间距；

所述步骤F)包括如下步骤：

a)计算交叉口之间的间距；

b)确定间距的约束条件；

所述步骤C)：根据Y型交叉口三股关键车流循环冲突的运行特征，提出三维绿波协调控制思想，即通过设置合理的信号周期和相位差，使三个子交叉口的六个关键相位Φ₁₂与Φ₂₂、Φ₂₃与Φ₃₃、Φ₃₁与Φ₁₁全部实现闭环协调运行，其中Φ_ij表示驶入子交叉口i并从子交叉口j驶出该大型Y型交叉口的车流所对应的信号相位；

所述的三维绿波协调具体是：相位Φ₁₂绿灯启亮后，协调车流Q₁₂以协调绿波从交叉口1通过交叉口2，当协调车流Q₁₂的最后一辆车通过交叉口2后，交叉口2的相位Φ₂₂亮绿灯，在交叉口2排队等候的左转车辆以协调车速通过交叉口3，当协调车流Q₂₃的最后一辆车通过交叉口2后，交叉口3的相位Φ₃₁亮绿灯，协调车流Q₃₁以协调车速通过交叉口1，当协调车流Q₃₁的最后一辆车通过交叉口1后，交叉口1的相位Φ₁₂亮绿灯，如此循环重复此过程；

所述步骤D)计算参数有：三个子交叉口的最佳信号周期C_i、每个交叉口的信号总损失时间L_i、相位流量比之和Y、协调周期时长C；

根据等饱和度原则进行相位绿灯时间的分配；

所述步骤E)计算参数有：交叉口j相对于交叉口i的相位差O_i,j、协调车流在下游交叉口非协调相位的有效绿灯时间t_Φmn、周期的整数倍γ；

步骤F)中的a)计算交叉口之间的间距：

步骤F)中的b)的约束条件为：

2.根据权利要求1所述的一种大型Y型交叉口三维绿波协调控制方法，其特征在于：步骤A)中为了实现三股冲突交通流的闭环协调控制，对三个子交叉口采用两相位的信号控制，第一相位：由路段进入三个子交叉口的三股车流放行；第二相位：以协调车速到达下游交叉口停车线处的车流放行；三个子交叉口的右转车流作为跟随相位放行。