CN108447278A - 一种面向潮汐交通的交叉口时空优化方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种面向潮汐交通的交叉口时空优化方法及系统，包括：采集交叉口的结构数据和交通运行数据；构建车道规划模型，车道规划模型以交叉口进口道各功能车道数量为变量，以交叉口各流向之间的均衡化为目标，以变量的基本逻辑关系为约束条件；求解车道规划模型，获得车道规划方案；利用Webster配时方法求解，获得信号配时方案；通过优化配置交叉口时空资源，包括车道功能规划和信号配时，本发明能够降低交叉口延误，提高交叉口服务水平，减轻潮汐交通对交叉口的影响。
Description
技术领域
本发明属于城市交通交叉口优化控制领域，涉及一种面向潮汐交通的交叉口时空优化方法及系统。
背景技术
城市潮汐交通现象越来越普遍，交叉口作为道路路网的节点，不可避免地受到潮汐交通影响，引发各流向不均衡问题，导致长排队和延误。常见应对措施是在进口道设置可变车道，使得在不同时间段内车道功能可变。但以往做法往往凭借经验将某条车道设置为可变车道，缺少与信号控制的协同配合，且缺乏理论上的交叉口时空资源优化配置策略作为指导。
发明内容
本发明提出了一种实现车道功能规划和信号配时的优化配置的面向潮汐交通的交叉口时空优化方法及系统。
本发明采用的技术方案是：
一种面向潮汐交通的交叉口时空优化方法，包括：
采集交叉口的结构数据和交通运行数据；
构建车道规划模型，车道规划模型以交叉口进口道各功能车道数量为变量，以交叉口各流向之间的均衡化为目标，以变量的基本逻辑关系为约束条件；
求解车道规划模型，获得车道规划方案。
进一步，交叉口各流向之间的均衡化，可以通过同一相位下不同流向的流量比的差距来衡量。
进一步，交叉口各流向之间的均衡化，可以通过同一相位下不同流向的流量比的大小来衡量。
进一步，交叉口各流向之间的均衡化，可以通过同一相位下不同流向的流量比的差距、同一相位下不同流向的流量比的大小来衡量，两者可以采用以下任意一种衡量关系：相乘、相加、加权求和、同指数幂求和。
进一步，通过同一相位下不同流向的流量比的差距、同一相位下不同流向的流量比的大小来衡量，两者可以采用的衡量关系为加权求和关系，
具体计算：
其中，F为交叉口各流向之间的均衡化程度，、分别为、的权重，加权求和值越小表示均衡化程度越高；
为进口道m左转的流量比，，为进口道m左转流量，为进口道左转单车道的饱和流量，为进口道m左转专用车道数；
为进口道m直行、右转流量比中的大者，， 为进口道m直行、右转流量，、为进口道m直行、右转单车道的饱和流量，、为进口道m直行、右转专用车道数；
m=1、2、3、4，表示交叉口的4个方位。
进一步，按获得的车道规划方案对应的目标值，和阈值比较，当大于阈值时，表明需重新设计交叉口结构或调整信号相位方案。
进一步，采集信号配时基本信息，基于获得的车道规划方案，利用Webster配时方法求解，获得信号配时方案。
进一步，约束条件具体为：
a、进口车道数约束：交叉口进口道各类车道的车道数总和应等于该进口道总车道数，即：
b、通行能力匹配约束：交叉口进口道某一流向流出的车流股数不应超过对应出口道的车道数，否则会造成出口道通行能力不足，形成交通阻塞，即
c、求解变量约束：对于待求解的各类车道数量，有整数和非负约束，即：
，整数
，整数
其中，、为进口道、出口道m总车道数，、、为进口道m左转、直行、右转专用车道数，为直右合用车道数。
一种面向潮汐交通的交叉口时空优化系统，包括：
交叉口基本信息采集模块，采集交叉口的结构数据和交通运行数据；
车道规划模块，配置车道规划模型，模型以交叉口进口道各功能车道数量为变量，以交叉口各流向之间的均衡化为目标，以变量的基本逻辑关系为约束条件，基于车道规划模型和交叉口基本信息采集模块采集的数据求解，获得车道规划方案
进一步，还包括：
信号配时信息采集模块，采集参数包括各相位的信号损失时间、黄灯时间、至下一相位的全红时间、最短绿灯时间；
信号配时模块，基于车道规划模块获得的车道规划方案、信号配时信息采集模块采集的数据，利用Webster配时方法求解，获得信号配时方案。
本发明的有益效果：
（1） 通过优化配置交叉口时空资源，包括车道功能规划和信号配时，本发明能够降低交叉口延误，提高交叉口服务水平，减轻潮汐交通对交叉口的影响。
（2） 车道功能规划以交叉口不同流向之间的均衡化为目标，尽可能地充分利用交叉口的空间资源。
（3） 对于不同时段下的不同交通流数据，可以分别求得对应的车道规划方案和信号配时方案，对比各个时段的车道功能规划，将其中车道功能存在变化的车道设置为可变车道，在不同时段启用不同的车道功能，并辅以相应的信号配时方案，可适时采取措施缓解交通拥堵、维持交通稳定运行。
附图说明
图1系统操作示意图；
图2系统工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
一种面向潮汐交通的交叉口时空优化方法，主要包括6个步骤：
步骤一：采集交叉口的结构数据和交通运行数据，交叉口的结构数据包括东、南、西、北4个方向的进口车道数、出口车道数，交叉口的交通运行数据包括东、南、西、北4个方向的进口道的左转流量、直行流量、右转流量，以及左转、直行、右转的单车道饱和流量。
步骤二：构建车道规划模型，模型以交叉口进口道各功能车道数量为变量，以交叉口各流向之间的均衡化为目标，以变量的基本逻辑关系为约束条件。功能车道包括左转、直行、右转专用车道和直右合用车道。交叉口各流向之间的均衡化是指东、南、西、北4个方向进口、出口单车道上左转、直行、右转方向的流量之间平衡、差异较小。均衡化的程度可以采用相减、或相除、或方差、或熵等方法，选择基准参数来体现差距的大小。具体的：
1）、可以通过同一相位下不同流向的流量比的差距来衡量，使同一信号相位下不同流向的流量比之间的差别尽可能小，即
其中，、为均衡化程度的2种不同表示，值越小表示均衡化程度越高；
为进口道m左转的流量比，，为进口道m左转流量，为进口道左转单车道的饱和流量，为进口道m左转专用车道数；
为进口道m直行、右转流量比中的大者，由于同向直行和右转流向在同一相位，只需考虑两者流量比中的大值，， 为进口道m直行、右转流量，、为进口道m直行、右转单车道的饱和流量，、为进口道m直行、右转专用车道数；
m=1、2、3、4，表示交叉口的4个方位。
2）、可以通过同一相位下不同流向的流量比的大小来衡量
其中，、为均衡化程度的2种不同表示，值越小表示均衡化程度越高；其他参数含义与1）相同。
佐证合理性：30、20分别表示左转、右直流量，左转、右直车道总数为3，左转车道数2、右直车道数1的方案优于左转车道数1、右直车道数2的方案，30/2+20/1<30/1+20/2，(30/2)2+(20/1)2<(30/1)2+(20/2)2。
3）可以通过同一相位下不同流向的流量比的差距、同一相位下不同流向的流量比的大小来衡量，两者可以采用以下任意一种衡量关系：相乘、相加、加权求和、同指数幂求和，这里举例加权求和的方法
为和的加权和，、分别为、的权重，其他参数含义与1）相同。举例令。于是有：
故最终的目标函数确定为：
车道规划模型的约束条件须符合基本逻辑关系，包括：
a、进口车道数约束：交叉口进口道各类车道的车道数总和应等于该进口道总车道数，即：
其中，为进口道m总车道数，其他参数含义与1）相同。
b、通行能力匹配约束：交叉口进口道某一流向流出的车流股数不应超过对应出口道的车道数，否则会造成出口道通行能力不足，形成交通阻塞，即
其中，为出口道总车道数，其他参数含义与1）相同。
c、求解变量约束：对于待求解的各类车道数量，有整数和非负约束，即：
，整数
，整数
其中，参数含义与1）相同。
步骤三：求解模型，获得车道规划方案。
本模型中，对于左转车流，设置左转专用车道供其行驶，因此为正整数，情况相对简单；对于右转车流，既可设置右转专用车道又可设置直右合用车道，情况较为复杂，需根据具体交通量的大小确定合适的车道设置方式。
（1）若右转交通量较小，设置右转专用车道后其流量比相比于直行车道小，会造成车道资源的浪费，此时应设置直右合用车道；
（2）若右转交通量较大，设置右转专用车道后其流量比与直行车道相当，车道资源利用相对均衡，此时设置右转专用车道，不再设置直右合用车道。
由于同一进口道的直行和右转车流在同一相位放行，理想情况是两者的流量比实现均衡。不妨令两者的流量比相等进行试算：
由于是试算，式中、可取小数。计算结果中：
若<1，说明右转交通量较小，无需单独设置一条右转车道即可实现均衡，对应情况（1）。这种情况下，=[]（[x]表示x的整数部分），=0，=1。因为设置了直右合用车道，可以实现直行和右转车流流量比的均衡，故即为上式所得值。
若≥1，说明右转交通量较大，需要设置右转专用车道，对应情况（2）。这种情况下，和为正整数，=0。由于直行和右转车流均为专用车道，不一定能实现两者流量比的完全相等，需要进行进一步的计算，以得到使最小的和的值。有两种可能： =[]； =[]+1。分别根据进口车道数约束求得，再根据流量比关系求得相应的，并进行比较。更小者为流量比更均衡的情况，该情况对应的和即为所求。
对以上规划模型进行求解，即可得到车道功能划分方案。
此时，可以将车道划分方案推荐给交通管理部门，为交通管理部门优化交叉口车道设置提供参考。
可以在此基础上进一步地优化交叉口的信号配时方案，为实现交通畅通提供新的解决方案。
步骤四：按获得的车道规划方案对应的目标值，和阈值比较，当大于阈值时，表明需重新设计交叉口结构或调整信号相位方案。
车道功能划分求解中得到的目标函数最小值，就是组成周期的4个信号相位的各个最大流量比之和，即：
对于一般有如下要求：
若，说明交叉口交通供给已很难满足交通需求，须拓宽进口道或更改信号相位方案，重新设计，为流量比总阈值，优选取0.9。
步骤五：采集信号配时基本参数包括各相位的信号损失时间、黄灯时间、至下一相位的全红时间、最短绿灯时间等。
步骤六：基于车道规划模块获得的车道规划方案、信号配时信息采集模块采集的数据，利用Webster配时方法求解，获得信号配时方案。
1> 信号总损失时间计算：
其中，，为信号相位编号，=1,2,3,4，为相位的信号损失时间， 为相位的黄灯时间，为相位至下一相位的全红时间，为相位至下一相位的绿灯间隔时间。
2> 信号周期时长计算：
其中，L为信号总损失时间，为组成周期的全部信号相位的各个最大流量比之和。
3> 总有效绿灯时间计算：
其中，为信号周期时长。
4> 各相位的有效绿灯时间计算：
5> 各相位的绿信比计算：
6> 各相位的显示绿灯时间计算：
7> 显示绿灯时间约束：
其中，为相位的最短绿灯时间。考虑到行人顺利过街等因素，为保证显示绿灯时间不致于过短，需要通过最短绿灯时间对其加以约束。当计算的显示绿灯时间小于相应的最短绿灯时间时，应延长计算周期时长（以满足最短绿灯时间为度），重新计算。
此时，可以根据计算获得的信号周期时长、各相位的绿信比、各相位的显示绿灯时间等参数进行信号配时优化。
参见图1，一种面向潮汐交通的交叉口时空优化系统，主要包括4个模块。
模块一：交叉口基本信息采集模块，采集交叉口的结构数据和交通运行数据，其中，交叉口的结构数据包括东、南、西、北4个方向的进口车道数、出口车道数，交叉口的交通运行数据包括东、南、西、北4个方向的进口道的左转流量、直行流量、右转流量，以及左转、直行、右转的单车道饱和流量。可以通过用户输入参数的方式，或从其他系统调用信息的方式采集交叉口基本信息。
模块二：车道规划模块，配置车道规划模型，模型以交叉口进口道各功能车道数量为变量，以交叉口各流向之间的均衡化为目标，以变量的基本逻辑关系为约束条件，基于车道规划模型和交叉口基本信息采集模块采集的数据求解，获得车道规划方案。可以将车道划分方案推荐给交通管理部门，为交通管理部门优化交叉口车道设置提供参考，建议在东、南、西、北4个方向如何设置左转、直行、右转专用车道数和直右合用车道数。也可以在此基础上进一步地优化交叉口的信号配时方案，为实现交通畅通提供新的解决方案。
模块三：信号配时信息采集模块，采集参数包括各相位的信号损失时间、黄灯时间、至下一相位的全红时间、最短绿灯时间。可以通过用户输入参数的方式，或从其他系统调用信息的方式采集信号配时信息。
模块四：信号配时模块，基于车道规划模块获得的车道规划方案、信号配时信息采集模块采集的数据，利用Webster配时方法求解，获得信号配时方案。计算获得的信号周期时长、各相位的绿信比、各相位的显示绿灯时间等参数可以为交通管理部门进行信号配时优化提供参考。
系统的工作流程。
交叉口基本信息采集如下：左转单车道饱和流量为1550pcu/h，直行单车道饱和流量为1650pcu/h，右转单车道饱和流量为1450pcu/h。
| 进口车道数 | 出口车道数 | 左转流量（pcu/h） | 直行流量（pcu/h） | 右转流量（pcu/h） | |
| 东 | 6 | 4 | 260 | 870 | 411 |
| 南 | 3 | 2 | 59 | 659 | 179 |
| 西 | 5 | 4 | 346 | 646 | 32 |
| 北 | 3 | 2 | 259 | 567 | 355 |
车道规划模块，配置车道规划模型，模型以交叉口东、南、西、北进口道的左转、直行、右转、直右车道数量为变量，以交叉口各流向之间的均衡化为目标，目标：。
其中，为进口道m左转的流量比，，为进口道m左转流量，为进口道左转单车道的饱和流量，为进口道m左转专用车道数；为进口道m直行、右转流量比中的大者，由于同向直行和右转流向在同一相位，只需考虑两者流量比中的大值，， 为进口道m直行、右转流量，、为进口道m直行、右转单车道的饱和流量，、为进口道m直行、右转专用车道数；m=1、2、3、4，表示交叉口的东、南、西、北4个方位。
模型满足进口车道数约束、通行能力匹配约束、求解变量约束。求解获得车道规划方案：东进口6条车道数分别左转1条、直行3条、右转2条；南进口3条车道数分别左转1条、直行1条、直右1条；西进口5条车道数分别左转2条、直行2条、直右1条；北进口3条车道数分别左转1条、直行1条、直右1条。可以将车道划分方案推荐给交通管理部门，为交通管理部门优化交叉口车道设置提供参考。
信号配时信息采集如下：
| 相位编号 | 相位 | 信号损失时间（s） | 黄灯时间（s） | 至下一相位的全红时间（s） | 最短绿灯时间（s） |
| 1 | 左右向直行、右转绿灯 | 3 | 3 | 1 | 20 |
| 2 | 左右向左转绿灯 | 3 | 3 | 1 | 20 |
| 3 | 上下向直行、右转绿灯 | 3 | 3 | 1 | 20 |
| 4 | 上下向左转绿灯 | 3 | 3 | 1 | 20 |
信号配时模块，基于车道规划模块获得的车道规划方案、信号配时信息采集模块采集的数据，利用Webster配时方法求解，获得信号配时方案。计算获得的信号周期时长、各相位的绿信比、各相位的显示绿灯时间等参数可以为交通管理部门进行信号配时优化提供参考。获得参数：
| 相位编号 | 相位最大流量比 | 有效绿灯时间（s） | 绿信比 | 显示绿灯时间（s） |
| 1 | 0.176 | 29.0 | 0.195 | 29 |
| 2 | 0.168 | 27.6 | 0.186 | 28 |
| 3 | 0.394 | 48.5 | 0.326 | 48 |
| 4 | 0.167 | 27.5 | 0.185 | 28 |
各相位最大流量比之和为0.805，小于流量比总阈值0.9，当前交叉口交通运行正常。
参见图2，采集各个时段的交通量，利用系统获得各个时段的车道规划方案，将车道功能存在变化的车道设置为可变车道，利用系统获得各个时段的信号配时，在不同时段启用不同的车道功能，并辅以相应的信号配时方案，可适时缓解交通拥堵、维持交通稳定运行。
Claims (10)
1.一种面向潮汐交通的交叉口时空优化方法，其特征在于：包括：
采集交叉口的结构数据和交通运行数据；
构建车道规划模型，所述的车道规划模型以交叉口进口道各功能车道数量为变量，以交叉口各流向之间的均衡化为目标，以变量的基本逻辑关系为约束条件；
求解所述的车道规划模型，获得车道规划方案。
2.根据权利要求1所述的一种面向潮汐交通的交叉口时空优化方法，其特征在于：所述的交叉口各流向之间的均衡化，可以通过同一相位下不同流向的流量比的差距来衡量。
3.根据权利要求1所述的一种面向潮汐交通的交叉口时空优化方法，其特征在于：所述的交叉口各流向之间的均衡化，可以通过同一相位下不同流向的流量比的大小来衡量。
4.根据权利要求1所述的一种面向潮汐交通的交叉口时空优化方法，其特征在于：所述的交叉口各流向之间的均衡化，可以通过同一相位下不同流向的流量比的差距、同一相位下不同流向的流量比的大小来衡量，两者可以采用以下任意一种衡量关系：相乘、相加、加权求和、同指数幂求和。
5.根据权利要求4所述的一种面向潮汐交通的交叉口时空优化方法，其特征在于：所述的通过同一相位下不同流向的流量比的差距、同一相位下不同流向的流量比的大小来衡量，所述的两者可以采用的衡量关系为加权求和关系，具体计算：
其中，F为交叉口各流向之间的均衡化程度，、分别为、的权重，加权求和值越小表示均衡化程度越高；
为进口道m左转的流量比，，为进口道m左转流量，为进口道左转单车道的饱和流量，为进口道m左转专用车道数；
为进口道m直行、右转流量比中的大者，， 为进口道m直行、右转流量，、为进口道m直行、右转单车道的饱和流量，、为进口道m直行、右转专用车道数；
m=1、2、3、4，表示交叉口的4个方位。
6.根据权利要求1所述的一种面向潮汐交通的交叉口时空优化方法，其特征在于：还包括步骤：按所述的获得的车道规划方案对应的目标值，和阈值比较，当大于阈值时，表明需重新设计交叉口结构或调整信号相位方案。
7.根据权利要求6所述的一种面向潮汐交通的交叉口时空优化方法，其特征在于：还包括步骤：采集信号配时基本信息，基于所述的获得的车道规划方案，利用Webster配时方法求解，获得信号配时方案。
8.根据权利要求1-7所述的一种面向潮汐交通的交叉口时空优化方法，其特征在于：所述的约束条件具体为：
a、进口车道数约束：交叉口进口道各类车道的车道数总和应等于该进口道总车道数，即：
b、通行能力匹配约束：交叉口进口道某一流向流出的车流股数不应超过对应出口道的车道数，否则会造成出口道通行能力不足，形成交通阻塞，即
c、求解变量约束：对于待求解的各类车道数量，有整数和非负约束，即：
，整数
，整数
其中，、为进口道、出口道m总车道数，、、为进口道m左转、直行、右转专用车道数，为直右合用车道数。
9.一种面向潮汐交通的交叉口时空优化系统，其特征在于：包括：
交叉口基本信息采集模块，采集交叉口的结构数据和交通运行数据；
车道规划模块，配置车道规划模型，模型以交叉口进口道各功能车道数量为变量，以交叉口各流向之间的均衡化为目标，以变量的基本逻辑关系为约束条件，基于车道规划模型和交叉口基本信息采集模块采集的数据求解，获得车道规划方案。
10.根据权利要求9所述的一种面向潮汐交通的交叉口时空优化系统，其特征在于：还包括：
信号配时信息采集模块，采集参数包括各相位的信号损失时间、黄灯时间、至下一相位的全红时间、最短绿灯时间；
信号配时模块，基于车道规划模块获得的车道规划方案、信号配时信息采集模块采集的数据，利用Webster配时方法求解，获得信号配时方案。
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