CN109035822B - 一种基于双层信号规划的可变车道清空控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双层信号规划的可变车道清空控制方法，该方法基于集散波理论对直行绿灯汇入及左转绿灯汇入流量差异状态下的车辆运行状态进行建模分析，构建车道指示灯的切换时刻和相应车道清空时间之间的关系进行数学建模，在此基础上设计下游交叉口的信号优化策略，最终获得平衡车道清空时间同下游交叉口车均延误影响的双层优化模型。不同的车道指示灯变换时刻及下游信号优先策略，会提高车道的清空速率，也会带来下游交叉口车均延误的增加，通过双层优化模型的筛选寻找出平衡两者需求的最佳控制策略。

Description

一种基于双层信号规划的可变车道清空控制方法

技术领域

本发明涉及一种面向潮汐车道变换前车道快速清空的双层规划方法，主要用于解决可变车道同下游交叉口的协同优化控制。

背景技术

可变车道的诞生不但能够使得交通资源得到合理利用，还能使得道路的运营能力不断提高。还能够减少因为交通量猛增而所需扩建土地成本和经济成本，并且还能够有效且更能够合理的利用城市的规划用地。但车道清空所需时间受车道清空控制开始时刻及下游路口信号配时双重影响，但目前研究较少考虑车道清空与信号配时协同控制的问题以及时空资源未能充分利用。因此针对此问题本专利从车道指示灯变换时刻及下游交叉口协同入手，提出一种基于双层信号规划的可变车道清空控制方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明具体采用如下技术方案：

基于双层信号规划的可变车道清空控制方法，该方法包括如下步骤：

(1)对车道指示灯层进行优化控制

车道清空时长T同车道指示灯切换时刻t的关系如下：

其中，t₁,t₅分别为不停车通过路口1和路口2之间路段的驶入临界时刻和驶出临界时刻；t₂,t₃分别为路口1红灯开始及结束时刻；t₄为路口1直行绿灯相位结束时刻；t_2rstart,t_2rend分别为路口2红灯开始及结束时刻；k为直行汇入车道数同左转汇入车道数之比；ω_xi为待下游交叉口为绿灯时的消散播波速；ω_ji为车辆排队集结波波速,S为路段长度,u_j为路段车辆平均速度。

(2)对下游配时信号优化层进行控制

(2.1)采用绿灯延长策略

1)若t₂₀-(t₂-t₁)≥g_2min&g₂+(t₂-t₁)≤g_2max，则t_yc＝t₂-t₁；

其中，g₂为绿灯时长，t₂₀为绿灯相位后的相位时长，g_2min为最小绿灯时间， g_2max为最大绿灯时间，t_yc为延长时长；

2)若t₂₀-(t₂-t₁)≤g_2min&g₂+(t₂-t₁)≤g_2max，则t_yc＝t₂₀-g_2min；

3)若t₂₀-(t₂-t₁)≥g_2min&g₂+(t₂-t₁)≥g_2max，则t_yc＝g_2max-g₂；

4)若t₂₀-(t₂-t₁)≤g_2min&g₂+(t₂-t₁)≥g_2max，则判断方程

是否存在唯一解，若存在就执行绿灯延长，延长时长为t_yc；若不存在唯一解，则不执行绿灯延长策略；

(2.2)采用红灯早断策略

1)若t_2r-t_zd0≥g_2min&g₂+t_zd0≤g_2max，则t_zd＝t_zd0；

其中t_zd为早断时长，t_2r为绿灯相位前的相位时长；

2)若t_2r-t_zd0≤g_2min&g₂+t_zd0≤g_2max，则t_zd＝t_2r-g_2min；

3)若t_2r-t_zd0≥g_2min&g₂+t_zd0≥g_2max，则t_zd＝g_2max-g₂；

4)若t_2r-t_zd0≤g_2min&g₂+t_zd0≥g_2max，则判断方程

是否存在唯一解，若存在就执行红灯早断，早断时长为t_zd；若不存在唯一解，则不执行红灯早断策略。

(3)采用双层目标规划控制

双层规划目标函数

J＝αF(t)+βH((t_yc,t_zd))

其中，α,β为两层指标的权重系数，T_补偿为车道清空时间补偿值，y_n常态车均延误。

附图说明

图1是上游交叉口信号控制对路段行程特征影响图。

图2是车道指示灯不同切换时刻对清空时间的影响图。

图3是车道指示灯不同切换时刻所对应的清空时间图。

图4是下游交叉口绿灯延长策略示意图。

图5是下游交叉口红灯早断策略示意图。

具体实施方式

(一)车道指示灯层优化控制

潮汐车道上游的信号控制方案，会影响潮汐路段内车辆的到达分布，主要体现在上游交叉口的红灯相位、直行绿灯相位、左转绿灯相位车辆汇入流量存在差异造成车辆路段行程特征影响，具体如图1所示。

因为潮汐车道变换是在流量比不平衡状态下实施的，因此可以假设直行绿灯期间汇入的车辆以饱和流率q运行，则左转绿灯期间汇入的车辆的流率为q/k，其中k为直行汇入车道数同左转汇入车道数之比。

上游车辆直行绿灯期间汇入的车流因遇到下游红灯，因此会出现排队，即车辆到达时刻为t_pi，排队消散驶离时刻为t_si，形成的直行车流汇集的停车波速为ω_zhiji；因为左转汇入车辆同直行汇入存在的流量差异，因此在左转绿灯相位汇入的车流的停车波速为ω_zuoji；待下游交叉口为绿灯时，路段排队开始消散，此时的消散播波速为ω_xi，ω_ji为车辆排队集结波波速,S为路段长度,u_j为路段车辆平均速度。

车道指示灯是用于指示潮汐车道是否允许通行的，且在不同时刻切换车道指示灯势必会影响潮汐车道的清空时间。如图2所示，

1)、若在t_s1时刻进行车道指示灯变换，此时的车道清空时间为t_a1-t_s1；

2)、若在t_s2时刻进行车道指示灯变换，此时的车道清空时间为t_a2-t_s2；

3)、若在t_s3时刻进行车道指示灯变换，此时的车道清空时间为t_a3-t_s3；

且(t_a3-t_s3)＜(t_a2-t_s2)＜(t_a1-t_s1)，即车道指示灯的变化时刻会影响潮汐车道车辆的清空时间。

其中t₁,t₅为不停车通过路段的临界时刻，在此之间的车辆需要排队；t_2rend为路口2红灯结束时刻；t₂,t₃为路口1红灯开始及结束时刻；t₄为路口1直行绿灯相位结束时刻。因此车道清空时长同车道指示灯切换时刻的关系分析步骤如下：

Step1：确定不停车通过路段的临界时刻

临界时刻

根据集散波理论得

即临界时刻

Step2：车道清空时长同车道指示灯切换时刻的关系

依照流量守恒关系，确定以下五种状态下的关联关系

①车道指示灯变换时刻满足t₁≤t≤t₂时，

车道清空时长为：

②车道指示灯变换时刻满足t₂＜t≤t₃时，

车道清空时长为：

③车道指示灯变换时刻满足t₃＜t≤t₄时，

车道清空时长为：

④车道指示灯变换时刻满足t₄＜t≤t₅时，

车道清空时长为：

⑤车道指示灯变换时刻满足其他条件时，

车道清空时长为：

最终的车道清空时长同车道指示灯切换时刻的关系整理如下：

(二)下游配时信号优化层控制

上述研究保持下游交叉口的固定配时控制，难以进一步提升可变车道清空的效率。由分析可知，两种临界时刻以及五种状态的车道清空时间都同下游交叉口的红灯结束时间(即绿灯开始时间)相关，因此下游交叉口可以通过红灯早断和绿灯延长等策略来调整车道清空的临界状态和清空状态，因此依照车辆到达及最小绿限制需求，对下游信号进行动态调整可以实现对可变车道清空时间的动态优化，进一步减少清空时间，保证潮汐车道切换效率，降低因清空造成的负面影响。其优化调整过程具体如下：

(1)绿灯延长策略

所谓的绿灯延长策略就是在绿灯相位要结束时，通过压缩下一相位的绿灯时间，使目标相位的绿灯增加。对比分析五种状态，主要是在状态①中涉及到绿灯延长，具体示意如图4。

令路口2的红灯时长为r₂，绿灯时长为g₂，绿灯相位后的相位时长为t₂₀，最小绿灯时间为g_2min，最大绿灯时间为g_2max。绿灯延长的的主要目的就是最大限度的在绿灯结束前清空道路排队，因此要保证t₂时刻进入的车流恰好没有排队经过路口2，此时的所需的延长时间为(t₂-t₁)。

1)若t₂₀-(t₂-t₁)≥g_2min&g₂+(t₂-t₁)≤g_2max，说明此时满足路口2的最大及最小绿限制，可以进行绿灯延长，延长时长为t_yc＝t₂-t₁；

2)若t₂₀-(t₂-t₁)≤g_2min&g₂+(t₂-t₁)≤g_2max，说明此时满足路口2的最大绿，但是不满足下一相位的最小绿限制，可以进行绿灯延长，延长时长为 t_yc＝t₂₀-g_2min；

3)若t₂₀-(t₂-t₁)≥g_2min&g₂+(t₂-t₁)≥g_2max，说明此时不满足路口2的最大绿，但是满足下一相位的最小绿限制，可以进行绿灯延长，延长时长为 t_yc＝g_2max-g₂；

4)若t₂₀-(t₂-t₁)≤g_2min&g₂+(t₂-t₁)≥g_2max，说明此时既不满足路口2的最大绿，也不满足下一相位的最小绿限制，此时要判断方程

是否存在唯一解，若存在就执行绿灯延长，延长时长为t_yc；若不存在唯一解，则不宜执行绿灯延长策略。

(2)红灯早断策略

所谓的红灯早断策略就是通过压缩本相位的红灯时间，增加下一相位的绿灯时长。对比分析五种状态，主要是在状态③中涉及到红灯早断，具体示意如图5。

令路口2的红灯时长为r₂，绿灯时长为g₂，绿灯相位前的相位时长为t_2r，最小绿灯时间为g_2min，最大绿灯时间为g_2max。红灯早断的主要目的就是最大限度的减少车辆排队等候时间且有不造成绿灯浪费，因此要保证t₃时刻进入的车流恰好没有排队经过路口2，此时的红灯早断时长为

1)若t_2r-t_zd0≥g_2min&g₂+t_zd0≤g_2max，说明此时满足路口2的最大及最小绿限制，可以进行红灯早断，早断时长为t_zd＝t_zd0；

2)若t_2r-t_zd0≤g_2min&g₂+t_zd0≤g_2max，说明此时满足路口2的最大绿，但是不满足本相位的最小绿限制，可以进行红灯早断，早断时长为t_zd＝t_2r-g_2min；

3)若t_2r-t_zd0≥g_2min&g₂+t_zd0≥g_2max，说明此时不满足路口2的最大绿灯，但是满足本相位的最小绿限制，可以进行红灯早断，早断时长为t_zd＝g_2max-g₂；

4)若t_2r-t_zd0≤g_2min&g₂+t_zd0≥g_2max，说明此时既不满足路口2的最大绿，也不满足本相位的最小绿限制，此时要判断方程

是否存在唯一解，若存在就执行红灯早断，早断时长为t_zd；若不存在唯一解，则不宜执行红灯早断策略。

(三)双层规划设计

如前文所述可以获取以车道指示灯变化为基础的车道清空策略函数，和获取以下游交叉口优先为基础的车道清空策略。但是衡量一种策略的好坏并不是以单一方向指标作为标准，由于对下游信号配时的调整势必会影响到下游交叉口其他方向车辆的通行权益，因此基于下游交叉口的信号控制策略调整，通过仿真获取下游交叉口整体的延误指数作为衡量指标，构建影响度函数。因此结合公式2 可以得到车道指示灯优化层控制函数和下游交叉口优化影响度函数如下：

其中，T,t,T_补偿,Y分别为车道清空时间，车道指示灯转换时刻，车道清空时间补偿值，下游交叉口影响度；(t_yc,t_zd)为下游交叉口的信号调整策略。

车道清空时间的最理想状态为车辆路段行程时间，即故对信号指示灯优化层函数进行归一化得当清空时间趋近于T_best时， F(t)趋近于1；当清空时间趋近于无穷时，F(t)趋近于0。

通过对下游路口的固定配时的车均延误进行分析，获取其常态车均延误为 Y_n，故对下游交叉口优化层影响度函数进行归一化得当车均延误趋近于0时，H((t_yc,t_zd))趋近于1；当车均延误趋近于y_n时，H((t_yc,t_zd)) 趋近于0；当车均延误趋近于无穷大时，H((t_yc,t_zd))趋近于-1。

综上可以获取双层规划目标函数为

J＝αF(t)+βH((t_yc,t_zd)) (7)

其中α,β为两层指标的权重系数，在本文认为两种指标权重一致，即都为 0.5。据此在双层规划过程要选取合适的可变车道信号变换时刻t和下游交叉口的绿灯延长时长t_yc及红灯早断时长t_zd，使得目标函数J最大限度趋近于1。最终获取最佳双层控制规划方案。

Claims (2)

1.一种基于双层信号规划的可变车道清空控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)对车道指示灯层进行优化控制

车道清空时长T同车道指示灯切换时刻t的关系如下：

其中，t₁,t₅分别为不停车通过路口1和路口2之间路段的驶入临界时刻和驶出临界时刻；t₂,t₃分别为路口1红灯开始及结束时刻；t₄为路口1直行绿灯相位结束时刻；t_2rstart,t_2rend分别为路口2红灯开始及结束时刻；k为直行汇入车道数同左转汇入车道数之比；ω_xi为待下游交叉口为绿灯时的消散播波速；ω_ji为车辆集结波波速,S为路段长度,u_j为路段车辆平均速度；

(2)对下游配时信号优化层进行控制

(2.1)在绿灯相位要结束时，判断是否采用绿灯延长策略

1)若t₂₀-(t₂-t₁)≥g_2min&g₂+(t₂-t₁)≤g_2max，则t_yc＝t₂-t₁；

其中，g₂为绿灯时长，t₂₀为绿灯相位后的相位时长，g_2min为最小绿灯时间，g_2max为最大绿灯时间，t_yc为延长时长；

2)若t₂₀-(t₂-t₁)≤g_2min&g₂+(t₂-t₁)≤g_2max，则t_yc＝t₂₀-g_2min；

3)若t₂₀-(t₂-t₁)≥g_2min&g₂+(t₂-t₁)≥g_2max，则t_yc＝g_2max-g₂；

4)若t₂₀-(t₂-t₁)≤g_2min&g₂+(t₂-t₁)≥g_2max，则判断方程

是否存在唯一解，若存在就执行绿灯延长，延长时长为t_yc；若不存在唯一解，则不执行绿灯延长策略；

(2.2)在红灯相位时，判断是否采用红灯早断策略

1)若t_2r-t_zd0≥g_2min&g₂+t_zd0≤g_2max，则t_zd＝t_zd0；

其中t_zd为早断时长，t_2r为绿灯相位前的相位时长；

2)若t_2r-t_zd0≤g_2min&g₂+t_zd0≤g_2max，则t_zd＝t_2r-g_2min；

3)若t_2r-t_zd0≥g_2min&g₂+t_zd0≥g_2max，则t_zd＝g_2max-g₂；

4)若t_2r-t_zd0≤g_2min&g₂+t_zd0≥g_2max，则判断方程

是否存在唯一解，若存在就执行红灯早断，早断时长为t_zd；若不存在唯一解，则不执行红灯早断策略。

2.如权利要求1所述控制方法，其特征在于，该方法还包括如下步骤：

(3)采用双层目标规划控制

使得双层规划目标函数J最大限度趋近于1：

J＝αF(t)+βH((t_yc,t_zd))

α,β为两层指标的权重系数，T_补偿为车道清空时间补偿值，y_n常态车均延误。