CN109285362B - 基于优先度规则的交叉口反溢流动态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于优先度规则的交叉口反溢流动态控制方法，包括如下步骤：1)设置溢流交叉口的初始状态为全红；2)计算交叉口各流向的需求性系数、可行性系数和相位优先度；3)当绿灯时间t₁＞g_min时进行屏障间比较、屏障内比较，当条件均满足时，绿灯时间延长1秒并循环判断，条件不满足则执行末尾相位组合；4)当绿灯时间t₂＞g_min时进行循环判断，条件均满足，则绿灯时间延长1秒并循环判断，条件不满足则跳转末尾屏障；5)当绿灯时间t₃＞g_min时进行屏障间比较，条件满足则绿灯时间延长1秒并循环判断，不满足则执行末尾相位组合；6)当t₁+t₂+t₃+t₄＝C时，结束当前周期。本发明实现了交叉口自适应控制，既可预防上游路段溢流，也可防止因上游路段导致下游路段发生溢流现象。

Description

基于优先度规则的交叉口反溢流动态控制方法

技术领域

本发明属于城市交通控制技术领域，特别涉及一种基于优先度规则的交叉口反溢流动态控制方法。

背景技术

交通控制是依靠交通控制设施来指挥车辆和行人，将相互冲突的人流、车流相分离，从而达到保证交通安全和畅通的目的。交通控制按照控制方式可划分为定时控制和感应控制，按照控制范围可划分为单点控制、干线控制和区域控制。

目前，非饱和交通状况下的交叉口信号配时理论方法已经十分成熟，但过饱和情况下的交叉口信号配时控制方法还需进一步完善。

城市早晚高峰期间巨大的机动车通勤量导致交通需求与道路资源的矛盾日益激化。目前，各城市采取的交通控制方案多以非饱和交通状态为前提，当出现交通过饱和状况时，控制效果并不理想，难以满足实际需求，最终导致车辆延误增加，排队长度加大，严重时会引发交通溢流现象。

交通溢流是由于交通量、信号配时、道路渠化、交通事故等因素，导致路段累计排队大于路段长度，甚至蔓延至下一路段的现象。交通溢流会导致路口死锁，严重时会逐渐蔓延，扩散至整个路网。

国内外学者对交通溢流及过饱和控制进行了大量的研究，主要集中在溢流识别，溢流发生机理和过饱和情况下的单路口控制方法，很少同时考虑上下游路段的排队状况及上下游交叉口的信号灯现状。

发明内容

针对现有技术中存在的高峰时期路段溢流问题严重，容易发生路口死锁的技术问题，本发明提供一种基于优先度规则的交叉口反溢流动态控制方法，避免了上下游路段发生溢流现象，实现了交叉口的动态控制。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于优先度规则的交叉口反溢流动态控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)设置溢流交叉口的初始状态为全红；

步骤2)计算交叉口各流向的需求性系数、可行性系数和相位优先度，在此基础上确定周期时长、起始屏障和初始相位组合；

步骤3)执行起始屏障中的初始相位组合，当绿灯时间t₁＞g_min时进行屏障间比较、屏障内比较，且当t₁＜g_max时，绿灯时间延长1秒并循环判断，当不满足t₁＜g_max时，则执行末尾相位组合；

步骤4)执行末尾相位组合，当绿灯时间t₂＞g_min时进行屏障间比较、屏障内比较，且当t₂＜g_max时，则绿灯时间延长1秒并循环判断，当不满足t₂＜g_max时，则跳转末尾屏障；

步骤5)跳转末尾屏障，确定并执行该屏障的初始相位组合，当绿灯时间t₃＞g_min时进行屏障间比较，条件满足则绿灯时间延长1秒并循环判断，不满足则执行末尾相位组合；

步骤6)执行末尾屏障中的末尾相位组合，当t₁+t₂+t₃+t₄＝C′时，结束当前周期，并跳转步骤2，开始下一周期。

作为优先，所述步骤2)中，当为东进口直行时，需求性系数R_ES由空间需求性系数和时间需求性系数构成，则：

其中，r_s为空间需求性系数，r_t为时间需求性系数，l_BC为上游路段排队长度，L_BC为上游路段长度，t_Cd为交叉口C当前时刻距东直相位绿灯启动的时间差，t_Cs为红灯时长。

作为优先，所述步骤2)中，当为东进口直行时，可行性系数W_ES由空间可行性系数和时间可行性系数构成，则：

其中，w_s为空间可行性系数，w_t为时间可行性系数，l_AB为下游路段排队长度，L_AB为下游路段长度，t_Ad为当前时刻下游交叉口距东直相位绿灯启动的时间差，t_As为红灯时长。

作为优先，所述步骤2)中，当为东进口直行时，相位需求度P_ES由该相位的需求性系数和可行性系数构成，则：

P_ES＝αR_ES+(1-α)W_ES

其中，α为权重系数，可依据实际情况进行调整。

作为优先，所述步骤2)中，反溢流控制交叉口周期时长根据模糊控制规则进行确定，输入为需求性系数总和R_sum和可行性系数总和W_sum，输出为周期时长。

作为优先，所述步骤3)和步骤5)中的屏障间比较规则和屏障内比较规则：屏障间比较规则是指将屏障1和屏障2的优先度进行比较，确定优先度最大的屏障，

P_Si＝P_m+P_n+P_m'+P_n'

P_Smax＝max(P_S1,P_S2)

其中，m、n、m'、n'为屏障i的四个相位，P_Si为屏障i的优先度，P_m为相位m的优先度，P_n为相位n的优先度，P_m'为相位m'的优先度，P_n'为相位n'的优先度，P_Smax为屏障优先度最大值；

屏障内确定优先度最大的相位组合，某一屏障内相位组合一为m n'，相位组合二为n m'，相位组合三为m m'，相位组合四为n n'：

P_Cmn'＝P_m+P_n'

P_Cm'n＝P_m'+P_n

P_Cmm'＝P_m+P_m'

P_Cnn'＝P_n+P_n'

P_Cmax＝max(P_Cmn',P_Cm'n,P_Cmm',P_Cnn')

其中，P_Cmn'为相位组合m、n'的优先度，P_Cm'n为相位组合m'、n的优先度，P_Cmm'为相位组合m、m'的优先度，P_Cnn'为相位组合n、n'的优先度，P_Cmax为相位组合优先度最大值。

本发明的基于优先度规则的交叉口反溢流动态控制方法，具有以下有益效果：本发明能实时根据各进口排队现状和信号灯现状调整相位相序及绿灯时长，实现了交叉口自适应控制；综合考虑了上游路段的需求性和下游路段的承载能力，既可预防上游路段溢流，也可防止因上游路段车辆放行导致下游路段发生溢流现象。

附图说明

图1为本发明中的基于优先度规则的交叉口反溢流动态控制方法的典型路口示意图；

图2为本发明中的基于优先度规则的交叉口反溢流动态控制方法的实时间需求性系数求解示意图(时间可行性系数求解示意图与该图相似)；

图3为本发明中的基于优先度规则的交叉口反溢流动态控制方法的NEMA双环相位结构示意图；

图4为本发明中的基于优先度规则的交叉口反溢流动态控制方法的交叉口反溢流动态控制流程图。

具体实施方式

使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

如图1至图4所示，基于优先度规则的交叉口反溢流动态控制方法，包括以下步骤：

步骤1)设置溢流交叉口的初始状态为全红；

步骤2)计算交叉口各流向的需求性系数、可行性系数和相位优先度，在此基础上确定周期时长、起始屏障和初始相位组合；

步骤3)执行起始屏障中的初始相位组合，当绿灯时间t₁＞g_min时进行屏障间比较、屏障内比较，且当t₁＜g_max时，绿灯时间延长1秒并循环判断，当不满足t₁＜g_max时，则执行末尾相位组合；

步骤4)执行末尾相位组合，当绿灯时间t₂＞g_min时进行屏障间比较、屏障内比较，且当t₂＜g_max时，则绿灯时间延长1秒并循环判断，当不满足t₂＜g_max时则跳转末尾屏障；

步骤5)跳转末尾屏障，确定并执行该屏障的初始相位组合，当绿灯时间t₃＞g_min时进行屏障间比较，条件满足则绿灯时间延长1秒并循环判断，不满足则执行末尾相位组合；

步骤6)执行末尾屏障中的末尾相位组合，当t₁+t₂+t₃+t₄＝C′时，结束当前周期，并跳转步骤2，开始下一周期。

图1是本发明中用于实施反溢流动态控制的典型路口示意图，以车辆由东向西行驶为例，路口B为溢流路口，路口C为上游交叉口，路口A为下游交叉口，路段AC为主干路。

步骤2中，以溢流交叉口B东直相位为例进行说明，需求性系数表示溢流交叉口B启动东直相位绿灯的需求程度，包含空间需求性系数和时间需求性系数，分别由上游路段的排队和上游交叉口的信号灯现状决定。

空间需求性系数r_s为上游路段BC的排队程度，即上游路段的排队长度与上游路段长度的比值：

其中，l_BC为上游路段排队长度，L_BC为上游路段长度。

时间需求性系数r_t为当前时刻(now)上游交叉口C放行东直相位的紧迫程度：

其中，t_Cd为交叉口C当前时刻距东直相位绿灯启动的时间差，t_Cs为红灯时长。若t_Cd＞t_Cs，则表示当前时刻东直相位为绿灯，则r_t＝1。

东直相位的需求性系数R_ES为：

R_ES的取值范围为[0，1]，值越大表明对绿灯通行权的需求性越大。

步骤2中，以溢流交叉口B东直相位为例进行说明，可行性系数表示溢流交叉口B启动东直相位绿灯的可行程度，包含空间可行性系数和时间可行性系数，分别由下游路段的排队和下游交叉口的信号灯现状决定。

空间可行性系数w_s为下游路段AB剩余空间可容纳来车的程度，即下游路段剩余空间长度与下游路段长度的比值。

其中，l_AB为下游路段排队长度，L_AB为下游路段长度。

时间可行性系数w_t与时间需求性系数类似，为当前时刻(now)下游交叉口A放行东直相位的紧迫程度：

其中，t_Ad为当前时刻下游交叉口距东直相位绿灯启动的时间差，t_As为红灯时长。若t_Ad＞t_As，则w_t＝1。

东直相位的可行性系数W_ES为

W_ES的取值范围为[0，1]，值越大表明启动绿灯的可行性越大。

图2是本发明中上游交叉口C的时间需求性系数求解示意图。

时间需求性系数r_t为当前时刻(now)上游交叉口C放行东直相位的紧迫程度。

其中，t_Cd为交叉口C当前时刻距东直相位绿灯启动的时间差，t_Cs为红灯时长。若t_Cd＞t_Cs，则表示当前时刻东直相位为绿灯，则r_t＝1。

步骤2相位优先度以溢流交叉口B东直相位为例进行说明，东直相位优先度P_ES由该相位的需求性系数R_ES和可行性系数W_ES决定。P_ES值越大，表明优先程度越大

P_ES＝αR_ES+(1-α)W_ES

其中，α为权重系数，可依据实际情况进行调整。

其余相位i的需求性系数R_i、可行性系数W_i、相位优先度P_i参考东直进行定。

步骤2中，周期时长确定采用模糊控制，择需求性系数总和R_sum和可行性系数总和W_sum作为模糊控制器的输入，溢流交叉口周期时长C作为输出。

R_sum＝∑R_i

W_sum＝∑W_i

其中，R_i为相位i的需求性系数，为W_i相位i的可行性系数。具体规则如下：

本发明以NEMA双环相位结构为基础，结合相位优先度制定屏障间比较规则和屏障内比较规则，从而确定相位组合和相序排列。

屏障间比较规则是指将屏障1和屏障2的优先度进行比较，确定优先度最大的屏障：

P_Si＝P_m+P_n+P_m'+P_n'

P_Smax＝max(P_S1,P_S2)

其中，m、n、m'、n'为屏障i的四个相位，P_Si为屏障i的优先度，P_m为相位m的优先度，P_n为相位n的优先度，P_m'为相位m'的优先度，P_n'为相位n'的优先度，P_Smax为屏障优先度最大值。

屏障内比较规则是指将同一屏障内的所有相位组合的优先度进行比较，确定优先度最大的相位组合。假设某一屏障内相位组合一为m n'，相位组合二为n m'，相位组合三为m m'，相位组合四为n n'：

P_Cmn'＝P_m+P_n'

P_Cm'n＝P_m'+P_n

P_Cmm'＝P_m+P_m'

P_Cnn'＝P_n+P_n'

其中，P_Cmn'为相位组合m、n'的优先度，P_Cm'n为相位组合m'、n的优先度，P_Cmm'为相位组合m、m'的优先度，P_Cnn'为相位组合n、n'的优先度，P_Cmax为相位组合优先度最大值。

为避免起始相位组合绿灯时间过长，导致末尾相位组合绿灯过短无法启亮，需对绿灯时间加以约束：

g_min≤t_i≤g_max

g_max＝C-3*g_min-4*t_y

∑t_i+4*t_y＝C

其中，t_i为第i个相位组合的绿灯时间，g_min为最小绿灯时间，g_min＝15s，C为周期时长，t_y为黄灯时间，t_y＝3s。

通过基于优先度规则的交叉口反溢流动态控制方法，能实时根据各进口排队现状和信号灯现状调整相位相序及绿灯时长，实现了交叉口自适应控制；综合考虑了上游路段的需求性和下游路段的承载能力，既可预防上游路段溢流，也可防止因上游路段车辆放行导致下游路段发生溢流现象。

图3为NEMA双环相位结构示意图，NEMA双环相位结构由环一和环二构成，且由一条分割线将南北相位和东西相位隔开，分别组成屏障1和屏障2，屏障1由相位1、2、5、6组成，屏障2由相位3、4、7、8组成。NEMA双环结构认为交叉口的8股机动车流之间相互独立，各自为一个相位，相位组合时只允许与同屏障不同环的相位进行组合，如相位1可与相位5或相位6进行组合，不允许与相位2、3、4、7、8进行组合。因此，共有8种相位组合方案，分别为(1，5)、(1，6)、(2，5)、(2，6)、(3，7)、(3，8)、(4，7)、(4，8)。

本发明不考虑过渡相位，即每一相位在一个周期内仅可获得一次通行权。

本发明中屏障及相位组合切换的基本规则如下：1)以某一屏障为例，假设m、n为环一的两个相位，m'、n'为环二的两个相位，若起始相位组合为m n'，则末尾相位组合为n m'；2)当前屏障所有相位m、n、m'、n'绿灯执行完毕后方可切换下一屏障；3)屏障间切换时，需同时切断末尾相位组合的绿灯。

以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于优先度规则的交叉口反溢流动态控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1)设置溢流交叉口的初始状态为全红；

步骤2)计算交叉口各流向的需求性系数、可行性系数和相位优先度，在此基础上确定周期时长、起始屏障和初始相位组合；具体为：

当为东进口直行时，需求性系数R_ES由空间需求性系数和时间需求性系数构成，则：

其中，r_s为空间需求性系数，r_t为时间需求性系数，l_BC为上游路段排队长度，L_BC为上游路段长度，t_Cd为交叉口C当前时刻距东直相位绿灯启动的时间差，t_Cs为红灯时长；

当为东进口直行时，可行性系数W_ES由空间可行性系数和时间可行性系数构成，则：

其中，w_s为空间可行性系数，w_t为时间可行性系数，l_AB为下游路段排队长度，L_AB为下游路段长度，t_Ad为当前时刻下游交叉口距东直相位绿灯启动的时间差，t_As为红灯时长；

当为东进口直行时，相位需求度P_ES由该相位的需求性系数和可行性系数构成，则：

P_ES＝αR_ES+(1-α)W_ES

其中，α为权重系数，可依据实际情况进行调整；

步骤3)执行起始屏障中的初始相位组合，当绿灯时间t₁＞g_min时进行屏障间比较、屏障内比较，且当t₁＜g_max时，绿灯时间延长1秒并循环判断，当不满足t₁＜g_max时，则执行末尾相位组合；

步骤4)执行末尾相位组合，当绿灯时间t₂＞g_min时进行屏障间比较、屏障内比较，且当t₂＜g_max时，则绿灯时间延长1秒并循环判断，当不满足t₂＜g_max时则跳转末尾屏障；

步骤5)跳转末尾屏障，确定并执行该屏障的初始相位组合，当绿灯时间t₃＞g_min时进行屏障间比较，条件满足则绿灯时间延长1秒并循环判断，不满足则执行末尾相位组合；

步骤6)执行末尾屏障中的末尾相位组合，当t₁+t₂+t₃+t₄＝C′时，结束当前周期，并跳转步骤2，开始下一周期。

2.根据权利要求1所述的一种基于优先度规则的交叉口反溢流动态控制方法，其特征在于，所述步骤2)中，反溢流控制交叉口周期时长根据模糊控制规则进行确定，输入为需求性系数总和R_sum和可行性系数总和W_sum，输出为周期时长。

3.根据权利要求1所述的基于优先度规则的交叉口反溢流动态控制方法，其特征在于，所述步骤3)和步骤5)中的屏障间比较规则和屏障内比较规则：屏障间比较规则是指将屏障1和屏障2的优先度进行比较，确定优先度最大的屏障，

P_Si＝P_m+P_n+P_m'+P_n'

P_Smax＝max(P_S1,P_S2)

其中，m、n、m'、n'为屏障i的四个相位，P_Si为屏障i的优先度，P_m为相位m的优先度，P_n为相位n的优先度，P_m'为相位m'的优先度，P_n'为相位n'的优先度，P_Smax为屏障优先度最大值；

屏障内确定优先度最大的相位组合，某一屏障内相位组合一为m n'，相位组合二为nm'，相位组合三为m m'，相位组合四为n n'：

P_Cmn'＝P_m+P_n'

P_Cm'n＝P_m'+P_n

P_Cmm'＝P_m+P_m'

P_Cnn'＝P_n+P_n'

P_Cmax＝max(P_Cmn',P_Cm'n,P_Cmm',P_Cnn')

其中，P_Cmn'为相位组合m、n'的优先度，P_Cm'n为相位组合m'、n的优先度，P_Cmm'为相位组合m、m'的优先度，P_Cnn'为相位组合n、n'的优先度，P_Cmax为相位组合优先度最大值。

Images