CN107862878B - 基于相位方案决策的单交叉口自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位方案决策的单交叉口自适应控制方法，包括如下步骤：获取交通控制系统中的实时数据，实时数据包括单交叉口绿灯期间的交通流量、绿灯结束排队长度和红灯结束排队长度；获取所有流向的交通需求；基于相位方案决策获取相位i；获取各个相位绿灯时间；将各个相位时间相加得到周期时间；将优化后的控制方案下发给交通信号控制机。本发明引入了排队长度，包括绿灯结束与红灯结束时完全停车排队长度和不完全停车排队长度，能实时准确地分析、预测路口的交通需求，提高路口的通行效率，为信号控制参数的优化提供了保证。

Description

基于相位方案决策的单交叉口自适应控制方法

技术领域

本发明涉及城市交通控制技术领域，尤其是涉及一种更加合理和高效的基于相位方案决策的单交叉口自适应控制方法。

背景技术

在城市交通领域中，交通信号灯控制是城市交通组织优化的重要方法之一，其本质是将交叉口相互冲突的交通流分离并分配相应的通行时间，以达到交通流有序、高效通行的目的。单点信号控制(单交叉口信号控制)，作为交通控制中最普遍、控制策略最为成熟可靠的方法，在改善交通问题中发挥着很大的应用价值。

传统的单点信号控制方法在应用过程中存在诸多的局限性，如定时控制的灵活性差，无法适应于交通流迅速变化的场景；感应控制目标单一，适用于饱和度较低且各向交通流量相差较大的交叉口；智能控制如模糊控制、神经网络控制虽然效果不错，但其控制算法或模型求解过程较为复杂。单点自适应控制不仅能够适应于多种交通状态，而且其控制模型相对于智能控制也较简便，已经成为单点信号控制领域应用研究的主流。

从目前单点自适应控制算法的应用现状来看，其应用研究大多停留在交叉口的配时优化方面，包括最佳周期、相位时间，缺乏对相位相序优化设计的考虑。相位相序设计是指合理安排各向交通流通行权规则和切换顺序，其将会直接关系到路口通行能力。而现有大多数相位相序为定时或不变的，当交通流存在波动时，必将引起相位各流向绿灯时间无法有效利用、交叉路口存在拥堵、空放的现象，最终达不到理想的控制效果。

在实际应用中，根据实时的交通需求设计相位方案，并优化相应的通行时间，为更有效地解决路口拥堵、空放、交通流通行权分配不合理的问题提供了可能。

发明内容

本发明为了克服现有技术中单点自适应控制方法相位方案单一不变，导致路口拥堵，存在空放问题的不足，提供了一种更加合理和高效的基于相位方案决策的单交叉口自适应控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于相位方案决策的单交叉口自适应控制方法，包括如下步骤：

(1-1)获取交通控制系统中的实时数据，实时数据包括单交叉口绿灯期间的交通流量、绿灯结束排队长度和红灯结束排队长度；

(1-2)获取所有流向的交通需求；

(1-3)基于相位方案决策获取相位i；

(1-4)获取各个相位绿灯时间；

(1-5)将各个相位时间相加得到周期时间；

(1-6)将优化后的控制方案下发给交通信号控制机。

本发明所涉及利用排队长度优化单交叉口控制方案的自适应控制方法，能有效地满足瓶颈路口全天候实时控制要求。

作为优选，步骤(1-2)包括如下具体步骤：

(2-1)根据当前周期相位i中各流向绿灯期间的车流量和绿灯结束时的排队长度，利用公式计算相位i的预估车流量，其中，Q_i(k)、Q_G,i(k)、L_G,i(k)分别为相位i关键车流在第k个信号周期的预估车流量、绿灯期间通过车流量和绿灯结束时车辆排队长度；L_v为每辆车的平均预估长度；

(2-2)利用公式计算当前周期及前(m_c-1)个周期预估车流量的均值，作为相位i下一个周期的交通需求，其中，其中，Q_i(k-l+1)为预估车流量，m_C为周期总数量；

其中，所述关键车流通常设置为相位i所控制的各个车流中车流量最大的，也可根据路口实际情况进行人为设置。

所述下一个周期的交通需求是指当前周期红灯结束的排队车辆数与下一周期驶入路口的车辆数。

作为优选，步骤(1-3)包括如下具体步骤：

(3-1)根据各流向的交通需求利用计算流量比j，若流量比j小于等于0.2，转入步骤(1-4)，若流量比j大于0.2，转入步骤(3-2)，路口流量为检测得到，路口能够通行的最大流量为设定值；

(3-2)根据各个交通流当前周期的交通需求计算单交叉口当前周期的交通流均衡程度，根据各个交通流下一个周期的预估交通需求计算下一个周期的交通流均衡程度，交通流均衡程度的计算公式为其中，依次表示两相对流向交通需求，j_es、j_es依次表示两相对流向的流量比；

(3-3)根据计算得到的交通流均衡程度，预估下一周期相位交通流是否失衡；如果失衡，按照双环结构NEMA方法来预估单交叉口相位；如果不失衡，转入步骤(1-4)；

其中，所述交通流均衡程度是指在同一相位中两相对流向交通量的差异程度。

作为优选，步骤(1-4)包括如下具体步骤：

(4-1)判断相位i是否为锁定控制，如果相位i是锁定控制，相位i绿灯时间为锁定控制预置的绿灯时间，转入步骤(4-5)；如果相位i不是锁定控制，转入步骤(4-2)；，

(4-2)根据相位交通需求和车头时距，计算相位所需绿灯时间；

(4-3)以相位红灯结束时的排队长度作为约束，对计算得到的相位所需绿灯时间做优化处理；

(4-4)以相位最小绿灯时间、相位最大绿灯时间为约束，对做过优化处理的相位所需绿灯时间做合理性检验；

(4-5)将相位i与所有相位的总个数n比较，如果i＜n，使i值增加1，转入步骤(4-1)，如果i≥n，转入步骤(1-5)；

其中，所述锁定控制是指能够使得路口绿灯时间控制策略更加多样化，能够适用于特殊的控制需求；也能够在某相位流量或者排队长度检测故障时对该相位进行降级锁定操作，保证其他相位依然采取自适应控制策略；

所述车头时距是指路口进口车道中排队车辆连续通过停车线时相邻两车之间的时间间距；

所述相位最小绿灯时间是指相位绿灯信号必须开启的最短安全时间；

所述相位最大绿灯时间是指相位绿灯信号允许开启的最长时间。

作为优选，根据相位交通需求和车头时距，计算相位所需绿灯时间的公式为其中，为相位i的交通需求，ΔQ为各个相位绿灯时间分配时在预估交通流量以外增加的预置车辆数；Δh为车队连续通过时的平均车头时距；L_R,i为相位i关键车流在红灯结束时车辆排队长度。

作为优选，车辆排队长度是指从单交叉口停车线到排队车辆末端之间的距离，包括完全停车和不完全停车；

绿灯结束排队长度是指在信号灯绿灯结束变为红灯时单交叉口各流向的排队长度；

红灯结束排队长度是指在信号灯红灯结束变为绿灯时单交叉口各流向的排队长度。

作为优选，流向是指单交叉口各个进口通车的方向。

作为优选，相位是指在一个信号周期内，同时获得通行权的一个或多个交通流的信号显示状态；

相位时间是指针对单交叉口不同方向的交通流，给予同一信号灯色的放行时间，主要包括绿灯时间、黄闪时间、红灯时间。

因此，本发明具有如下有益效果：本发明引入了排队长度，包括绿灯结束与红灯结束时完全停车排队长度和不完全停车排队长度，能实时准确地分析、预测路口的交通需求，提高路口的通行效率，为信号控制参数的优化提供了保证。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的获取各个相位绿灯时间的流程图；

图3为本发明的应用的路口模型；

图4为本发明的路口模型进口交通流的检测图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步描述：

如图1所示的实施例是一种基于相位方案决策的单交叉口自适应控制方法，包括如下步骤：

步骤100，获取交通控制系统中的实时数据，实时数据包括单交叉口绿灯期间的交通流量、绿灯结束排队长度和红灯结束排队长度

步骤200，获取所有流向的交通需求

步骤201，根据当前周期相位i中各流向绿灯期间的车流量和绿灯结束时的排队长度，利用公式计算相位i的预估车流量，其中Q_i(k)、Q_G,i(k)、L_G,i(k)分别为相位i关键车流在第k个信号周期的预估车流量、绿灯期间通过车流量和绿灯结束时车辆排队长度；L_v为每辆车的平均预估长度；

步骤202，利用公式计算当前周期及前(m_c-1)个周期预估车流量的均值，作为相位i下一个周期的交通需求，其中，Q_i(k-l+1)为预估车流量，m_C为周期总数量；

其中，所述关键车流通常设置为相位i所控制的各个车流中车流量最大的，也可根据路口实际情况进行人为设置。

所述下一个周期的交通需求是指当前周期红灯结束的排队车辆数与下一周期驶入路口的车辆数；

步骤300，基于相位方案决策获取相位i

步骤301，根据各流向的交通需求利用计算流量比j，若流量比j小于等于0.2，转入步骤400，若流量比j大于0.2，转入步骤302，路口流量为检测得到，路口能够通行的最大流量为设定值；

步骤302，根据各个交通流当前周期的交通需求计算单交叉口当前周期的交通流均衡程度，根据各个交通流下一个周期的预估交通需求计算下一个周期的交通流均衡程度，交通流均衡程度的计算公式为其中，依次表示两相对流向交通需求，j_es、j_es依次表示两相对流向的流量比；

步骤303，根据计算得到的交通流均衡程度，预估下一周期相位交通流是否失衡；如果失衡，按照双环结构NEMA方法来预估单交叉口相位；如果不失衡，转入步骤400；

其中，所述交通流均衡程度是指在同一相位中两相对流向交通量的差异程度；

步骤400，如图2所示，获取各个相位绿灯时间

步骤401，判断相位i是否为锁定控制，如果相位i是锁定控制，相位i绿灯时间为锁定控制预置的绿灯时间，转入步骤405；如果相位i不是锁定控制，转入步骤402；

步骤402，根据相位交通需求和车头时距，利用公式计算相位所需绿灯时间，为相位i的交通需求，ΔQ为各个相位绿灯时间分配时在预估交通流量以外增加的预置车辆数；Δh为车队连续通过时的平均车头时距；L_R,i为相位i关键车流在红灯结束时车辆排队长度；

步骤403，以相位红灯结束时的排队长度作为约束，对计算得到的相位所需绿灯时间做优化处理；

步骤404，以相位最小绿灯时间、相位最大绿灯时间为约束，对做过优化处理的相位所需绿灯时间做合理性检验；

步骤405，将相位i与所有相位的总个数n比较，如果i＜n，使i值增加1，转入步骤,401，如果i≥n，转入步骤500；

其中，所述锁定控制是指能够使得路口绿灯时间控制策略更加多样化，能够适用于特殊的控制需求；也能够在某相位流量或者排队长度检测故障时对该相位进行降级锁定操作，保证其他相位依然采取自适应控制策略；

所述车头时距是指路口进口车道中排队车辆连续通过停车线时相邻两车之间的时间间距；

所述相位最小绿灯时间是指相位绿灯信号必须开启的最短安全时间；

所述相位最大绿灯时间是指相位绿灯信号允许开启的最长时间；

步骤500，将各个相位时间相加得到周期时间

步骤600，将优化后的控制方案下发给交通信号控制机

其中，车辆排队长度是指从单交叉口停车线到排队车辆末端之间的距离，包括完全停车和不完全停车；

绿灯结束排队长度是指在信号灯绿灯结束变为红灯时单交叉口各流向的排队长度；

红灯结束排队长度是指在信号灯红灯结束变为绿灯时单交叉口各流向的排队长度；

流向是指单交叉口各个进口通车的方向；

相位是指在一个信号周期内，同时获得通行权的一个或多个交通流的信号显示状态；

相位时间是指针对单交叉口不同方向的交通流，给予同一信号灯色的放行时间，主要包括绿灯时间、黄闪时间、红灯时间。

将本发明应用于中控ACS500信号控制机中，并在某市交叉口进行了现场应用验证。如图3所示，该路口东进口为3车道，分别是左、直、直；南进口为3车道，分别是左、直、直右；西进口为2车道，分别是左、直右；北进口为4车道，分别是左、直、直、右；该路口作为进入城区的关键路口，全天流量相对集中且波动频繁，总体上高峰时段交通流呈现由北向南、由东向西相对较大，平峰时段各方向交通流相对均匀。

S1、如图4所示，利用视频检测单交叉口绿灯期间的交通流量、绿灯结束排队长度和红灯结束排队长度等数据具体数据如表1所示；

S2、根据当前周期相位i中各流向绿灯期间的车流量和绿灯结束时的排队长度，利用公式计算相位i的预估车流量；利用公式计算当前周期及前(m_c-1)个周期预估车流量的均值，作为相位i下一个周期的交通需求，依次获取所有流向的交通需求；

S3、根据各流向的交通需求利用计算流量比j，若流量比j小于等于0.2，转入步骤400，若流量比j大于0.2，转入步骤302；根据各个交通流当前周期的交通需求计算单交叉口当前周期的交通流均衡程度，根据各个交通流下一个周期的预估交通需求计算下一个周期的交通流均衡程度，交通流均衡程度的计算公式为根据计算得到的交通流均衡程度，预估下一周期相位交通流是否失衡；如果失衡，按照双环结构NEMA方法来预估单交叉口相位；如果不失衡，转入S4；具体的相位决策方案如表2和表3所示；

S4、判断相位i是否为锁定控制，如果相位i是锁定控制，相位i绿灯时间为锁定控制预置的绿灯时间；如果相位i不是锁定控制，根据相位交通需求和车头时距，利用公式计算相位所需绿灯时间；以当前路口行人、机动车和非机动的安全高效通行为依据，设置相位最大绿灯时间、相位最小绿灯时间分别为100s和15s，若S4获取的绿灯时间t>100s，则t＝100s；若t<15s，则t＝15s；依次计算所有相位的路灯时间，各个相位的时间如表2和表3所示；

S5、将S4中的各个相位时间相加得到周期时间，如表2和表3所示；

S6、将优化后的控制方案下发交通信号控制机，本周期流程结束。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

尽管本文较多地使用了相位、交通需求、相位决策等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明创造精神相违背的。

Claims (7)

1.一种基于相位方案决策的单交叉口自适应控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1-1)获取交通控制系统中的实时数据，实时数据包括单交叉口绿灯期间的交通流量、绿灯结束排队长度和红灯结束排队长度；

(1-2)获取所有流向的交通需求；

(1-3)基于相位方案决策获取相位i；

(1-3-1)根据各流向的交通需求利用计算流量比j，若流量比j小于等于0.2，转入步骤(1-4)，若流量比j大于0.2，转入步骤(1-3-2)，路口流量为检测得到，路口能够通行的最大流量为设定值；

(1-3-2)根据各个交通流当前周期的交通需求计算单交叉口当前周期的交通流均衡程度，根据各个交通流下一个周期的预估交通需求计算下一个周期的交通流均衡程度，交通流均衡程度的计算公式为其中，依次表示两相对流向交通需求，j_es、j_ws依次表示两相对流向的流量比；

(1-3-3)根据计算得到的交通流均衡程度，预估下一周期相位交通流是否失衡；如果失衡，按照双环结构NEMA方法来预估单交叉口相位；如果不失衡，转入步骤(1-4)；

其中，所述交通流均衡程度是指在同一相位中两相对流向交通量的差异程度；

(1-4)获取各个相位绿灯时间；

(1-5)将各个相位时间相加得到周期时间；

(1-6)将优化后的控制方案下发给交通信号控制机。

2.根据权利要求1所述的基于相位方案决策的单交叉口自适应控制方法，其特征在于，步骤(1-2)包括如下具体步骤：

(2-1)根据当前周期相位i中各流向绿灯期间的车流量和绿灯结束时的排队长度，利用公式计算相位i的预估车流量，其中，Q_i(k)、Q_G,i(k)、L_G,i(k)分别为相位i关键车流在第k个信号周期的预估车流量、绿灯期间通过车流量和绿灯结束时车辆排队长度；L_v为每辆车的平均预估长度；

(2-2)利用公式计算当前周期及前(m_c-1)个周期预估车流量的均值，作为相位i下一个周期的交通需求，其中，Q_i(k-l+1)为预估车流量，m_C为周期总数量；

其中，所述关键车流通常设置为相位i所控制的各个车流中车流量最大的，也可根据路口实际情况进行人为设置；

所述下一个周期的交通需求是指当前周期红灯结束的排队车辆数与下一周期驶入路口的车辆数。

3.根据权利要求2所述的基于相位方案决策的单交叉口自适应控制方法，其特征在于，步骤(1-4)包括如下具体步骤：

(3-1)判断相位i是否为锁定控制，如果相位i是锁定控制，相位i绿灯时间为锁定控制预置的绿灯时间，转入步骤(3-5)；如果相位i不是锁定控制，转入步骤(3-2)；

(3-2)根据相位交通需求和车头时距，计算相位所需绿灯时间；

(3-3)以相位红灯结束时的排队长度作为约束，对计算得到的相位所需绿灯时间做优化处理；

(3-4)以相位最小绿灯时间、相位最大绿灯时间为约束，对做过优化处理的相位所需绿灯时间做合理性检验；

(3-5)将相位i与所有相位的总个数n比较，如果i＜n，使i值增加1，转入步骤(3-1)，如果i≥n，转入步骤(1-5)；

其中，所述锁定控制是指能够使得路口绿灯时间控制策略更加多样化，能够适用于特殊的控制需求；也能够在某相位流量或者排队长度检测故障时对该相位进行降级锁定操作，保证其他相位依然采取自适应控制策略；

所述车头时距是指路口进口车道中排队车辆连续通过停车线时相邻两车之间的时间间距；

所述相位最小绿灯时间是指相位绿灯信号必须开启的最短安全时间；

所述相位最大绿灯时间是指相位绿灯信号允许开启的最长时间。

4.根据权利要求3所述的基于相位方案决策的单交叉口自适应控制方法，其特征在于，根据相位交通需求和车头时距，计算相位所需绿灯时间的公式为其中，为相位i的交通需求，ΔQ为各个相位绿灯时间分配时在预估交通流量以外增加的预置车辆数；Δh为车队连续通过时的平均车头时距；L_R,i为相位i关键车流在红灯结束时车辆排队长度。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于相位方案决策的单交叉口自适应控制方法，其特征在于，车辆排队长度是指从单交叉口停车线到排队车辆末端之间的距离，包括完全停车和不完全停车；

绿灯结束排队长度是指在信号灯绿灯结束变为红灯时单交叉口各流向的排队长度；

红灯结束排队长度是指在信号灯红灯结束变为绿灯时单交叉口各流向的排队长度。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的基于相位方案决策的单交叉口自适应控制方法，其特征在于，流向是指单交叉口各个进口通车的方向。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的基于相位方案决策的单交叉口自适应控制方法，其特征在于，相位是指在一个信号周期内，同时获得通行权的一个或多个交通流的信号显示状态；

相位时间是指针对单交叉口不同方向的交通流，给予同一信号灯色的放行时间，主要包括绿灯时间、黄闪时间、红灯时间。