CN109559508A - 一种城市道路交叉口交通状态判定方法 - Google Patents

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张立立
王力
张海波
何忠贺
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North China University of Technology
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North China University of Technology
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
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    • G08G1/00—Traffic control systems for road vehicles
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    • G08G1/0125—Traffic data processing
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    • G08G1/0145—Measuring and analyzing of parameters relative to traffic conditions for specific applications for active traffic flow control

Abstract

本发明提供了一种城市道路交叉口交通状态判定方法。该方法从交通波理论出发，通过引入通过率、阻塞率、综合作用结果等概念，精细化的重新定义了交叉口交通状态的边界，解决了目前各类交叉口交通状态判别指标的粗糙性的问题。从概念说明、理论定性、方法提出提供了一套系统、完整、可实施的技术方案。

Description

一种城市道路交叉口交通状态判定方法
技术领域
本发明属于城市道路交叉口控制领域，具体涉及一种用于道路交叉口交通状态描述的方法，为城市道路交叉口状态可控描述方法。
背景技术
随着汽车保有量的持续增加，城市道路拥堵状况日趋严重。而道路交叉口作为城市交通转运和安全通行的重要组成部分，正逐步成为交通拥堵发生的源发地和重灾区。而城市道路交通天然具有的宏观规律性和微观波动性、随机性的特点，使交叉口信号控制变得复杂并难以生效。尤其是在对微观波动性、随机性的适应上更是困难重重。为此，准确界定和描述交叉口的状态成为实施精准信号控制的首要条件，其对于缓解城市道路交通拥堵、保持路网交通流稳定、保障行车安全有着非常重要意义。
发明内容
针对当前城市道路交叉口交通状态界定和描述不精细的问题，本文通过提出一种城市道路交叉口交通状态判定方法，能够实现对交通状态的准确辨识，为实施不同控制策略提供依据。该方法具体采用如下步骤：
步骤(一)计算交叉口通过率：
其中，M表示交叉口的通过率，Pcontrol表示交叉口的通行能力，Δxqueue表示交叉口剩余排队车辆数,Si表示相位i的饱和流率，gi(k)为k周期内相位i获得的绿灯时间，Δxi(k)为k周期内相位i交叉口剩余排队的车辆数，为标准车辆占用的空间长度；
计算交叉口的阻塞率：
N表示为交叉口的阻塞率；
步骤(二)计算交叉口交通可控性
R＝M-N
其中R表示交叉口交通可控性，当R<0时，此时交叉口交通不可控；当R≥0时，此时交叉口交通可控；
各个交通波的波速如下：
其中，q为上游稳定到达的流量，qm为到达交叉口的最大流量，kj为交叉口的阻塞密度，km为交叉口的最佳密度；
当红灯启亮时，产生一停车波向后传播，其波速为u0；当绿灯启亮时，产生一启动波，其波速为u1；经过时间t'，所述停车波和所述启动波相遇时，产生一新的交通波，其波速为u2，所述新的交通波经过时间t”传至停车线。
路段过饱和二次排队产生的临界条件为：
其中，r表示最长红灯时间，xmax表示为交叉口最大排队长度；
其中，ri为相位i的红灯时间，gi为相位i的绿灯时间，为ri结束时排队长度增加量，为gi结束时排队长度缩短量；
第i相位结束时，剩余排队：
交叉口的可控性用下式描述：
步骤(三)判断交叉口可控性的综合作用结果，当R<0时，判定交叉口不可控；当R＝0时，判定交叉口可控；当R>0时，判定交叉口可控。
本发明具有如下有益的技术效果：
(1)状态可控描述方法将传统交叉口过饱和状态进一步细化，能够更加准确界定交叉口状态，并为精准实施相应的控制策略提供依据；
(2)状态可控描述方法采用易获取的交通量作为算法参数，具有普遍适用性和更易实现的特点，能够快速应用到交通控制实践中。
附图说明
图1是交叉口通过率和阻塞率变化示意图。
图2是流量—密度关系图。
图3是速度—密度关系图。
图4是交通波传播图。
图5是过饱和情况下的路段排队传播图。
具体实施方式
在图1中，描述了随着交叉口排队长度的增加，通过率由最大值开始呈下降趋势，阻塞率由0开始呈上升趋势，两条曲线相交与排队关键长度位置，此时可控状态指标R＝0，在该点左侧，通过率大于阻塞率，此时交叉口处于可控状态；在该点右侧，通过率小于阻塞率，此时交叉口处于不可控状态。
在图2中，描述了城市道路交叉口交通流量与密度的非线性关系，其中抛物线的最高点对应交叉口的最大流量和最佳密度，趋势为随着密度的增加流量增大，当超过最佳密度后随着密度的增加流量减小直至为0。
在图3中，描述了城市道路交叉口速度与密度的线性关系，随着密度的增加速度减小，其中密度为0时，速度最大为自由流速度。
在图4中，描述了路段车辆由匀速行驶至交叉口经历停车排队、启动行驶通过交叉口的关系，图5描述了交叉口周期性剩余排队导致的排队持续增长的情况，其可以表征交叉口的状态情况。
步骤一：当交叉口处于过饱和交通信号控制的过程中，随着时间的推移，各相位顺序获得通行权，此时获得通行权的车辆能够通过交叉口继续行驶，对于这种由交通控制产生的车辆通行，本文将其描述为交叉口的车辆的通过率。当该相位通行权结束时，如果存在剩余排队的车辆，则这些车辆便是交叉口阻塞的车辆，基于这种描述，引入交叉口通过率的概念，如下式：
其中，M表示交叉口的通过率，即通过车辆数与总需求车辆数的比，M≤1；表示交叉口的通行能力，表示交叉口剩余排队车辆数。
同理，将阻塞率用下式表示：
N表示为交叉口的阻塞率，即剩余排队车辆数与总需求车辆数的比，N≤1。
步骤三：交叉口的通过率和阻塞率是同时作用于交通信号控制过程中的。在交叉口处于过饱和状态下，随着车辆排队增加，交叉口的通过率逐渐降低，而交叉口的阻塞率逐渐增加，其中综合作用的结果即可用于描述交叉口的可控性。
由式(1)和式(2)得：
R＝M-N (3)
其中R表示为交叉口车辆通过率和阻塞率的综合作用的结果，在本文中采用R对交叉口的可控性进行描述。在给定输入和周期条件下，在一定的时间界限内，当R<0时，交叉口的车辆阻塞率会不断增加，交叉口的控制效果会持续变差，直至排队溢出，此时认为交叉口不可控；当R＝0时，交叉口的车辆通过率和阻塞率保持不变，交叉口的排队状态也保持不变，此时认为交叉口可控；当R>0时，交叉口的车辆通过率不断增加，交叉口的控制效果会持续变好，交叉口排队不会溢出，此时认为交叉口可控。
由式(1)、(2)和(3)得：
上文提到的Δxi，本节通过交通波理论获得。对于上游稳定到达的流量q，从红灯启亮时刻考察路段排队的变化情况，根据交通波理论，两种交通状态相遇时产生的交通波的波速为该波速值为流量——密度关系图中两个状态对应的两个点相连形成的连线的斜率。
当红灯启亮时，产生一停车波向后传播，设其波速为u0，当绿灯启亮时，产生一启动波，设其波速为u1，经过时间t'，两个波相遇时，产生一新的交通波，将其表达为u2，该交通波向停车线方向传播，经过时间t”，波u2传至停车线。
由交通波理论可得各个交通波的波速如下：
同时，可将两个关键时间t'和t”推导出：
当绿灯时间g大于t'+t”时，可以看出路段上的交通状态重复出现，因为状态是稳定的；当g等于t'+t”时，路段处于临界状态，此时路段的状态仍然是稳定的；当g小于t'+t”时，设初始路段上无车，由交通波波速计算方法得知，第一个周期结束、第二个周期红灯启亮时，停车线上游的密度为最佳密度km，因而产生的停车波速为u1，其大小等于启动波，直到该交通波和波u2相遇，又变回u0。由于第二个周期停车波波速传播轨迹和第一周期的停车波波速轨迹不一样，造成第二个周期的排队队尾比第一个周期远，进而每个周期的排队队尾都比上一个周期远，因此，这种情况下的路段交通处于不稳定状态。
因此可得到路段过饱和二次排队产生的临界条件为：
并由此可知交叉口状态为欠饱和(指关键相位状态)是路段不发生过饱和二次排队的先决条件。当交叉口不满足临界条件时，排队逐渐向上游增加，在红灯期间车辆排队长度持续增长，而在绿灯时间排队长度逐渐缩短，其综合作用趋向于排队持续增加，其增加的长度取决于流量和绿信比关系。设ri结束时排队长度增加为gi结束时排队长度缩短为由此可得：
第i相位结束时，剩余排队：
由式(4)、(5)和(10)可得，交叉口的可控性可用下式描述：
其中，(11)式中有中
式(11)即为用于判断交叉口可控性的综合作用结果，在给定输入和周期条件下，在一定的时间界限内，当R<0时，交叉口的车辆阻塞率会不断增加，交叉口的控制效果会持续变差，直至排队溢出，此时认为交叉口不可控；当R＝0时，交叉口的车辆通过率和阻塞率保持不变，交叉口的控制状态也保持不变，此时认为交叉口可控；当R>0时，交叉口的车辆通过率不断增加，交叉口的控制效果会持续变好，交叉口排队不会溢出，此时认为交叉口可控。
符号说明：

Claims (1)

1.一种城市道路交叉口交通状态判定方法，其特征在于，该方法包括如下：
步骤(一)计算交叉口通过率：
其中，M表示交叉口的通过率，Pcontrol表示交叉口的通行能力，Δxqueue表示交叉口剩余排队车辆数,Si表示相位i的饱和流率，gi(k)为k周期内相位i获得的绿灯时间，Δxi(k)为k周期内相位i交叉口剩余排队的车辆数，为标准车辆占用的空间长度；
计算交叉口的阻塞率：
N表示为交叉口的阻塞率；
步骤(二)计算交叉口交通可控性
R＝M-N
其中R表示交叉口交通可控性，当R<0时，此时交叉口交通不可控；当R≥0时，此时交叉口交通可控；
各个交通波的波速如下：
其中，q为上游稳定到达的流量，qm为到达交叉口的最大流量，kj为交叉口的阻塞密度，km为交叉口的最佳密度；
当红灯启亮时，产生一停车波向后传播，其波速为u0；当绿灯启亮时，产生一启动波，其波速为u1；经过时间t'，所述停车波和所述启动波相遇时，产生一新的交通波，其波速为u2，所述新的交通波经过时间t”传至停车线。
路段过饱和二次排队产生的临界条件为：
其中，r表示最长红灯时间，xmax表示为交叉口最大排队长度；
其中，ri为相位i的红灯时间，gi为相位i的绿灯时间，为ri结束时排队长度增加量，为gi结束时排队长度缩短量；
第i相位结束时，剩余排队：
交叉口的可控性用下式描述：
步骤(三)判断交叉口可控性的综合作用结果，当R<0时，判定交叉口不可控；当R＝0时，判定交叉口可控；当R>0时，判定交叉口可控。
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