CN109448371A - 一种实时可变车道控制方法及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于交通管理与控制领域，公开了一种实时可变车道控制方法及控制系统，建立可变导向车道等车均延误模型，根据可变导向车道等车均延误模型求解得到可变导向车道功能属性改变的阈值条件，并绘制阈值曲线图；当进口道直行和左转流量值组合成的点位于阈值曲线上方时，车道功能发生改变，反之，则保持原功能属性不变，实现对车道功能是否改变进行初步判断。本发明可变导向车道技术通过对其车道功能转换的动态调整，可以弥补交叉口固定转向车道导致左转或直行车道利用率不足的缺点；当进口道左转、直行交通流量达到一定阈值时，应对可变导向车道功能属性进行变换，进而达到车道功能与转向不均衡交通流的最优化匹配目的。

Description

一种实时可变车道控制方法及控制系统

技术领域

本发明属于交通管理与控制领域，尤其涉及一种实时可变车道控制方法及控制系统。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

城市的交通流在时间空间上分布不均衡，路口流量流向波动幅度较大，左转和直行车道无法得到充分与均衡利用。如何在现有道路供给条件下，合理利用有限的交叉口时空资源，提高城市道路交叉口的通行效率，成为国内外学者研究的热点。

可变车道技术能够依据交通流变化随时转变车道指示方向，有效缓解车辆拥堵现象。可变车道技术一般可应用于路段及交叉口处。路段可变车道主要为解决“潮汐交通”问题而出现，该可变车道上的车辆在早高峰期间内按进城方向行驶，而在晚高峰期间内按出城方向行驶，根据交通需求重新分配道路资源，更好地应对潮汐交通流。可变导向车道则主要设置于交叉口处，可依据各转向车流量的不稳定情况，实现车道转向功能的动态调整，弥补路口固定转向车道导致左转或直行车道利用率不足的缺点。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)现有技术中，不能通过对其车道功能转换的动态调整，弥补交叉口固定转向车道导致左转或直行车道利用率不足的缺点。

不能应对可变导向车道功能属性进行变换，不能达到车道功能与转向不均衡交通流的最优化匹配。

现有技术中，不能最大限度地降低整个交叉口的延误，对进口道车道功能不能进行合理分配，平衡各车道组延误时间，导致不能降低整个交叉口的车均延误值。

(2)目前多数研究技术只进行了定性分析，指出当转向车流量分配不平衡时，改变可变导向车道功能，但交叉口交通状况十分复杂，各转向车流量不断变化，选择何时触发可变导向车道功能发生改变，是使可变车道系统达到最优控制效果的关键所在。

(3)经分析发现，多数研究技术仅局限于单进口道设置形式下可变导向车道的控制策略，形式较为单一，不能充分体现可变导向车道的运行效果。

解决上述技术问题的难度和意义：

难度在于：现有技术的可变导向车道的控制策略对交叉口的通行不能根据不同转向车流的流量比，触发可变导向车道方案；

对于如何解决城市道路信号交叉口进口道处转向车流量不均衡，提高交叉口的通行效率问题，很难解决；

解决上述技术问题后，带来的意义为：

通过对可变导向车道的系统分析，认识到可变导向车道的实施对交叉口通行效率的影响，进而提出可变导向车道的设置方法及控制策略，可以有效地丰富其理论框架，对其在实践中的应用具有指导性作用。

通过分析可变导向车道与信号控制间的关系，找到使车道功能属性发生改变的阈值条件，即根据不同转向车流的流量比，分析是否触发可变导向车道的功能变化，并对车道功能改变后的交叉口信号配时进行优化，对其具体实地设置方案提供理论依据。

可变导向车道可以充分发挥进口道的道路空间资源，有效解决城市道路信号交叉口进口道处转向车流量不均衡问题，提高交叉口的通行效率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种实时可变车道控制方法及控制系统。

本发明是这样实现的，一种实时可变车道控制方法，所述实时可变车道控制方法包括：

建立可变导向车道等车均延误模型，根据可变导向车道等车均延误模型求解得到可变导向车道功能属性改变的阈值条件，并绘制阈值曲线图；当进口道直行和左转流量值组合成的点位于阈值曲线上方时，车道功能发生改变，反之，则保持原功能属性不变，实现对车道功能是否改变进行初步判断。

进一步，所述实时可变车道控制方法具体包括：

步骤一：选择判别指标，以进出口道车均延误作为评价指标；

步骤二：选取判别条件；

步骤三：给定一组进口道左转、直行流量；

步骤四：分别计算初始属性下的判别指标值a与属性改变后的判别指标值b；

步骤五：判别a、b的值是否相等，若想等则记录改组条件值；若不等，则返回到步骤二；

步骤六：将所有记录下来的条件值连接起来，形成阀值曲线。

进一步，以进口道车均延误值作为判别指标，根据交叉口各车道实时交通量，将进口道直行、左转交通流量作为判别条件,得出左转交通量占进口道直行、左转总流量比例的所处范围，计算方法包括：

进口道车均延误由下式表示：

式中：d_i——进口道i的车均延误时间，s；

d_j——进口道i中车道组j的延误时间，s；

q_j——进口道i中车道组j的实际流量，pcu/h；

车道组j的车均延误值表示为：

式中：C——信号周期时长，s；

λ_j——车道组j所在相位的绿信比；

s_j——车道组j的饱和流量，pcu/h，；

车道功能属性改变的约束条件表示为：

(X_T-x₀)(X_L-x₀)＜0

其中：X_T、X_L分别表示车道功能属性改变前直行、左转车道组的饱和度；x₀为饱和度的临界取值，取0.9，当某一转向的饱和度超过该值时，该车道组处于过饱和状态；

可变导向车道等车均延误模型如下：

(d_T-d_T′)q_T-(d_L-d_L′)q_L＝0

s.t.(X_T-x₀)(X_L-x₀)＜0

式中：d_T、d_T′——车道功能改变前后进口道直行车道组的车均延误，s；

d_L、d_L′——车道功能改变前后进口道左转车道组的车均延误，s；

q_T、q_L——进口道直行、左转车道组的流量，pcu/h；

n_j——车道组j的车道个数；

N——目标进口道总的车道数量，

通过试值法对上述所有模型进行求解，固定进口道直行流量，给出一个进口道左转流量进行试值，并对左转流量进行反复调整，直至得出满足模型的流量组合。

进一步，阀值曲线标定的方法包括：

第一步，确定交叉口的交通条件，包括几何条件、信号周期时长、各相位有效绿灯时间、单车道饱和流率，且假设可变导向车道的初始功能属性为直行车道，给出一组进口道的直行、左转流量值；

再按照式分别计算出可变导向车道功能属性改变前后进口道的直行、左转车均延误值；

第二步，固定直行流量不变，调整左转流量，步长1pcu/h，直到得出可变导向车道属性改变前后车均延误相等的左转流量值为止，满足公式记录此时直行、左转流量；

第三步，改变直行流量，重复第二步和第三步，分别计算出不同直行流量条件下所对应的左转流量，将满足要求的全部有效值记录在坐标系中，通过对这些点进行拟合，得出可变导向车道功能属性改变的阈值曲线。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述实时可变车道控制方法的计算机程序。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述实时可变车道控制方法的信息数据处理终端。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行所述的实时可变车道控制方法。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述实时可变车道控制方法的实时可变车道控制系统，所述实时可变车道控制系统包括：

判别指标选择模块，用于以进出口道车均延误作为评价指标；

判别条件选取模块，用于选取判别条件；

进口道左转、直行流量获取模块，用于给定一组进口道左转、直行流量；

判别指标值计算模块，用于分别计算初始属性下的判别指标值a与属性改变后的判别指标值b；

判别指标值分析模块，用于判别a、b的值是否相等；

阀值曲线构建模块，用于将所有记录下来的条件值连接起来，形成阀值曲线。

本发明的另一目的在于提供一种交通路口可变车道调控平台，所述交通路口可变车道调控平台至少搭载所述的实时可变车道控制系统。

按上述方案，可绘制出可变导向车道功能属性改变的阈值曲线示意图，该坐标系被阈值曲线划分为两个区域：阈值曲线上方区域(车道功能改变后车均延误减小)和阈值曲线下方区域(车道功能改变后车均延误增大)。当检测到的进口道直行、左转车流量位于阈值曲线上方，且满足交叉口饱和度等约束条件时，可变导向车道功能需改变；当其位于阈值曲线下方时，保持原车道功能不变，此即为可变导向车道功能属性是否改变的判别方法。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明可变导向车道技术通过对其车道功能转换的动态调整，可以弥补交叉口固定转向车道导致左转或直行车道利用率不足的缺点。

为保证交叉口的通行秩序及车辆的运行效率，当进口道左转、直行交通流量达到一定阈值时，应对可变导向车道功能属性进行变换，进而达到车道功能与转向不均衡交通流的最优化匹配目的。

可以最大限度地降低整个交叉口的延误，对进口道车道功能进行合理分配，平衡各车道组延误时间，进而降低整个交叉口的车均延误值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的实时可变车道控制方法流程图。

图2是本发明实施例提供的可变向车道设置图。

图3是本发明实施例提供的实时可变车道控制系统示意图。

图中：1、判别指标选择模块；2、判别条件选取模块；3、进口道左转、直行流量获取模块；4、判别指标值计算模块；5、判别指标值分析模块；6、阀值曲线构建模块。

如图4是本发明实施例提供的通过VISSIM仿真软件进行模拟车均延误时间、平均停车次数、排队长度等指标图。

图中：(a)车道功能改变前运行效果；(b)、车道功能改变后运行效果。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明通过对可变车道阀值的确定，可以使可变车道广泛的应用；可变导向车道技术通过对其车道功能转换的动态调整，可以尽可能地降低交叉口总的延误水平及提高车辆的通行效率；当进口道左转、直行交通流量达到一定阈值时，对可变导向车道功能属性进行变换，进而保证车道功能与转向不均衡交通流的最优化匹配。

下面结合具体分析对本发明作进一步描述。

本发明实施例提供的实时可变车道控制方法包括：

确定交叉口可变导向车道功能属性改变的阈值条件，所采用的技术方案是以进口道车均延误值作为判别指标，根据交叉口各车道实时交通量，将进口道直行、左转交通流量作为判别条件，总结出左转交通量占进口道直行、左转总流量比例的所处范围，当左转交通量占比超过这一临界范围时，可变导向车道功能需改变，当左转交通量占比超过这一临界范围时，可变导向车道功能则不需改变。

如图1，本发明实施例提供的实时可变车道控制方法具体：包括：

步骤一：选择判别指标，以进出口道车均延误作为评价指标；

步骤二：选取判别条件；

步骤三：给定一组进口道左转、直行流量

步骤四：分别计算初始属性下的判别指标值a与属性改变后的判别指标值b；

步骤五：判别a、b的值是否相等，若想等则记录改组条件值；若不等，则返回到第二步；

步骤六：将所有记录下来的条件值连接起来，形成阀值曲线。

进一步，以进口道车均延误值作为判别指标，根据交叉口各车道实时交通量，将进口道直行、左转交通流量作为判别条件,得出左转交通量占进口道直行、左转总流量比例的所处范围，计算方法包括：

进口道车均延误由下式表示：

式中：d_i——进口道i的车均延误时间，s；

d_j——进口道i中车道组j的延误时间，s；

q_j——进口道i中车道组j的实际流量，pcu/h；

车道组j的车均延误值表示为：

式中：C——信号周期时长，s；

λ_j——车道组j所在相位的绿信比；

s_j——车道组j的饱和流量，pcu/h，；

车道功能属性改变的约束条件表示为：

(X_T-x₀)(X_L-x₀)＜0

其中：X_T、X_L分别表示车道功能属性改变前直行、左转车道组的饱和度；x₀为饱和度的临界取值，取0.9，当某一转向的饱和度超过该值时，该车道组处于过饱和状态；

可变导向车道等车均延误模型如下：

(d_T-d_T′)q_T-(d_L-d_L′)q_L＝0

s.t.(X_T-x₀)(X_L-x₀)＜0

式中：d_T、d_T′——车道功能改变前后进口道直行车道组的车均延误，s；

d_L、d_L′——车道功能改变前后进口道左转车道组的车均延误，s；

q_T、q_L——进口道直行、左转车道组的流量，pcu/h；

n_j——车道组j的车道个数；

N——目标进口道总的车道数量，

通过试值法对上述所有模型进行求解，固定进口道直行流量，给出一个进口道左转流量进行试值，并对左转流量进行反复调整，直至得出满足模型的流量组合。

阀值曲线标定的方法包括：

确定交叉口的交通条件，包括几何条件、信号周期时长、各相位有效绿灯时间、单车道饱和流率，且假设可变导向车道的初始功能属性为直行车道，给出一组进口道的直行、左转流量值；

再按照式分别计算出可变导向车道功能属性改变前后进口道的直行、左转车均延误值；

第二步，固定直行流量不变，调整左转流量，步长1pcu/h，直到得出可变导向车道属性改变前后车均延误相等的左转流量值为止，满足公式记录此时直行、左转流量；

第三步，改变直行流量，重复第二步和第三步，分别计算出不同直行流量条件下所对应的左转流量，将满足要求的全部有效值记录在坐标系中，通过对这些点进行拟合，得出可变导向车道功能属性改变的阈值曲线。

图2是本发明实施例提供的可变向车道设置图。

如图3，本发明实施例提供的实时可变车道控制系统包括：

判别指标选择模块1，用于以进出口道车均延误作为评价指标；

判别条件选取模块2，用于选取判别条件；

进口道左转、直行流量获取模块3，用于给定一组进口道左转、直行流量；

判别指标值计算模块4，用于分别计算初始属性下的判别指标值a与属性改变后的判别指标值b；

判别指标值分析模块5，用于判别a、b的值是否相等；

阀值曲线构建模块6，用于将所有记录下来的条件值连接起来，形成阀值曲线。

下面结合具体实验分析对本发明作进一步描述。

下面以一个单进口道交叉口为例：

1)、交叉口相关参数

(1)交叉口道路渠化形式

(2)信号配时及交通流量

交叉口初始信号周期为110，为简化说明，各相位车辆损失时间、绿灯间隔时间和黄灯时间均取3s。

交叉口各方向高峰时段流量值见下表：

(3)信号控制优化方案

根据MATLAB编程执行，得到三种方案信号配时优化方案如下表：

(4)、运行效果对比分析

为验证优化模型的可靠性，通过VISSIM仿真软件进行模拟，如图4，(a)车道功能改变前运行效果；(b)、车道功能改变后运行效果；

分别采用车均延误时间、平均停车次数、排队长度等指标，与现状方案相比较，对比不同方案下交叉口的通行效率。通过仿真发现，车道功能改变后，东进口道左转车流排队长度明显减少，宏观上来说，改变车道功能可以有效提高交叉口通行效益。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质，(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘SolidState Disk(SSD))等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种实时可变车道控制方法，其特征在于，所述实时可变车道控制方法包括：

建立可变导向车道等车均延误模型，根据可变导向车道等车均延误模型求解得到可变导向车道功能属性改变的阈值条件，并绘制阈值曲线图；当进口道直行和左转流量值组合成的点位于阈值曲线上方时，车道功能发生改变，反之，则保持原功能属性不变，实现对车道功能是否改变进行初步判断。

2.如权利要求1所述的实时可变车道控制方法，其特征在于，所述实时可变车道控制方法具体包括：

步骤一：选择判别指标，以进出口道车均延误作为评价指标；

步骤二：选取判别条件；

步骤三：给定一组进口道左转、直行流量；

步骤四：分别计算初始属性下的判别指标值a与属性改变后的判别指标值b；

步骤五：判别a、b的值是否相等，若想等则记录改组条件值；若不等，则返回到步骤二；

步骤六：将所有记录下来的条件值连接起来，形成阀值曲线。

3.如权利要求2所述的实时可变车道控制方法，其特征在于，

以进口道车均延误值作为判别指标，根据交叉口各车道实时交通量，将进口道直行、左转交通流量作为判别条件,得出左转交通量占进口道直行、左转总流量比例的所处范围，计算方法包括：

进口道车均延误由下式表示：

式中：d_i——进口道i的车均延误时间，s；

d_j——进口道i中车道组j的延误时间，s；

q_j——进口道i中车道组j的实际流量，pcu/h；

车道组j的车均延误值表示为：

式中：C——信号周期时长，s；

λ_j——车道组j所在相位的绿信比；

s_j——车道组j的饱和流量，pcu/h，；

车道功能属性改变的约束条件表示为：

(X_T-x₀)(X_L-x₀)＜0

其中：X_T、X_L分别表示车道功能属性改变前直行、左转车道组的饱和度；x₀为饱和度的临界取值，取0.9，当某一转向的饱和度超过该值时，该车道组处于过饱和状态；

可变导向车道等车均延误模型如下：

(d_T-d_T′)q_T-(d_L-d_L′)q_L＝0

s.t.(X_T-x₀)(X_L-x₀)＜0

式中：d_T、d_T′——车道功能改变前后进口道直行车道组的车均延误，s；

d_L、d_L′——车道功能改变前后进口道左转车道组的车均延误，s；

q_T、q_L——进口道直行、左转车道组的流量，pcu/h；

n_j——车道组j的车道个数；

N——目标进口道总的车道数量，

通过试值法对上述所有模型进行求解，固定进口道直行流量，给出一个进口道左转流量进行试值，并对左转流量进行反复调整，直至得出满足模型的流量组合。

4.如权利要求2所述的实时可变车道控制方法，其特征在于，阀值曲线标定的方法包括：

第一步，确定交叉口的交通条件，包括几何条件、信号周期时长、各相位有效绿灯时间、单车道饱和流率，且假设可变导向车道的初始功能属性为直行车道，给出一组进口道的直行、左转流量值；

再按照式分别计算出可变导向车道功能属性改变前后进口道的直行、左转车均延误值；

第二步，固定直行流量不变，调整左转流量，步长1pcu/h，直到得出可变导向车道属性改变前后车均延误相等的左转流量值为止，满足公式记录此时直行、左转流量；

第三步，改变直行流量，重复第二步和第三步，分别计算出不同直行流量条件下所对应的左转流量，将满足要求的全部有效值记录在坐标系中，通过对这些点进行拟合，得出可变导向车道功能属性改变的阈值曲线。

5.一种实现权利要求1～4任意一项所述实时可变车道控制方法的计算机程序。

6.一种实现权利要求1～4任意一项所述实时可变车道控制方法的信息数据处理终端。

7.一种计算机可读存储介质，包括指令，当其在计算机上运行时，使得计算机执行如权利要求1-4任意一项所述的实时可变车道控制方法。

8.一种实现权利要求1所述实时可变车道控制方法的实时可变车道控制系统，其特征在于，所述实时可变车道控制系统包括：

判别指标选择模块，用于以进出口道车均延误作为评价指标；

判别条件选取模块，用于选取判别条件；

进口道左转、直行流量获取模块，用于给定一组进口道左转、直行流量；

判别指标值计算模块，用于分别计算初始属性下的判别指标值a与属性改变后的判别指标值b；

判别指标值分析模块，用于判别a、b的值是否相等；

阀值曲线构建模块，用于将所有记录下来的条件值连接起来，形成阀值曲线。

9.一种交通路口可变车道调控平台，其特征在于，所述交通路口可变车道调控平台至少搭载权利要求8所述的实时可变车道控制系统。