CN109637162B - 基于下游路段承载能力的信号控制优化系统 - Google Patents

基于下游路段承载能力的信号控制优化系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于下游路段承载能力的信号控制优化系统，包括城市几何信息模块、路段流量采集模块、交叉口信号策略采集模块以及信号控制策略优化模块；所述信号控制策略优化模块根据城市几何信息模块以及路段流量采集模块中记录的数据，计算下游路段实时承载能力，由所得实时承载能力，计算有效绿灯时长限值，再根据交叉口信号控制策略采集模块中记录的数据，对城市信号控制策略进行优化。本发明可以提高信号控制交叉口各相位下绿灯时长的有效利用率，减少由于下游承载能力不足而导致的交叉口绿灯时间资源的浪费，从而提高整个交通系统的运行效率。

Description

基于下游路段承载能力的信号控制优化系统
技术领域
本发明涉及城市动态交通信号控制系统，尤其涉及一种基于下游路段承载能力的信号控制优化控制系统。
背景技术
城市信号控制系统是缓解城市交通拥堵、提升城市交通运行效率的关键。在过去的一百多年中，城市信号控制系统的发展主要可以划分为4个阶段，包括：固定式信号控制、感应式信号控制、动态自适应信号控制，以及动态多系统协同信号控制。其中动态多系统协同信号控制是未来信号控制的发展方向，当前几乎所有实际应用的信号控制系统均处于前3个阶段。
从交通信号控制的优化机理而言，可以分为两大类，单点优化与网络优化。网络优化主要是以若干交叉口的子系统为基本控制单元进行协调优化；单点优化则以单个交叉口为基本控制单元进行优化。网络优化优势在于可以进行系统层面的全局优化，但是其缺点是带来了大量计算量；单点优化的优点在于计算量小，但是缺点在于其仅针对当前交叉口进行优化。基于单点的动态自适应优化填补了网络优化与单点优化之前的空白。在对单点进行信号控制优化的同时，也考虑到了邻近交叉口的协同控制。国内外专家学者在单点动态自适应信号控制领域进行了大量的研究，对单一交叉口的自适应控制提出了很多有效的算法。但是现有研究往往着重对联动交叉口间交通流量流向的优化，往往仅考虑交叉口进出口道路的通行能力，而忽略了出口车道本身的承载能力。若出口车道承载能力不足，即使分配足够绿灯时长，交通流量也将由于无法驶入出口车道而无法顺畅通过交叉口。
发明内容
发明目的：针对现有技术针存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于下游路段实时承载能力的信号控制优化系统，针对进出口道位置均布设道路交通监测设施的信号控制交叉口，通过考虑交叉口驶出车道实时承载能力，对信号控制策略进行优化，提升有效绿灯时长的利用率，从而提升交叉口运行效率。
技术方案：一种基于下游路段承载能力的信号控制优化系统，包括城市几何信息模块、路段流量采集模块、交叉口信号策略采集模块以及信号控制策略优化模块；所述信号控制策略优化模块根据城市几何信息模块以及路段流量采集模块中记录的数据，计算下游路段实时承载能力，由所得实时承载能力，计算有效绿灯时长限值，再根据交叉口信号控制策略采集模块中记录的数据，对城市信号控制策略进行优化。
具体的，所述城市几何信息模块，需要与公安交通管理部门及城市建设部门联系，获取信息包括：交叉口路段连接情况、信号控制交叉口进出口车道在路段设计行驶速度下的行驶时间、信号控制交叉口进出口车道路段车道数、道路交通监测设施布设信息。
所述路段流量采集模块用于实时获取并存储交叉口各连接路段交通监测设施采集得到的数据，从而得到实时交通流信息，包括各检测器上记录的车道流量数据。
所述交叉口信号策略采集模块用于实时监测交叉口信号控制状态，所述交叉口信号控制状态包括：各相位控制路段情况、当前周期是否结束，以及下一周期信号控制参数；若当前周期未结束，下一周期信号控制参数未生成，则不做记录；若当前相位未结束，下一周期信号控制参数已经生成，则记录该组控制参数。
所述信号控制策略优化模块包括如下内容：
计算d日t时刻第id路段的驶入流量fu(d,t,id)：
Figure BDA0001900903630000021
其中，fu(d,t,id,l)是d日t时刻第id路段入口位置的第l条车道的流量数据，Nid是第id路段的车道数，τ0是道路交通监测设施数据上传周期；
计算d日t时刻第id路段的驶出流量fd(d,t,id)：
Figure BDA0001900903630000022
其中，fd(d,t,id,l)是d日t时刻第id路段出口位置的第l条车道的流量数据；
计算d日t时刻第id路段驶入位置的排队长度qu(d,t,id)：
Figure BDA0001900903630000023
其中，
Figure BDA0001900903630000024
是第id路段在路段设计行驶速度下的行驶时间；
计算d日t时刻第id路段驶出位置的排队长度qd(d,t,id)：
Figure BDA0001900903630000025
计算d日t时刻第id路段实时承载能力v(d,t,id)：
Figure BDA0001900903630000026
其中，计算第id路段的通行能力Cid：
Figure BDA0001900903630000027
计算d日t时刻第id路段平均驶出流量
Figure BDA0001900903630000028
Figure BDA0001900903630000031
计算d日t时刻第id路段平均驶入流量
Figure BDA0001900903630000032
Figure BDA0001900903630000033
计算d日t时刻第id路段绿灯时长上限值gu(d,t,id)：
Figure BDA0001900903630000034
计算d日t时刻第id路段绿灯时长下限值gd(d,t,id)：
Figure BDA0001900903630000035
计算d日t时刻第p相位绿灯时长上限值Gu(d,t,p)：
Gu(d,t,p)＝max{gu(d,t,id)|id∈Lo} (11)
其中，Lo是当前交叉口所有驶出路段的集合；
计算d日t时刻第p相位绿灯时长下限值Gd(d,t,p)：
Gd(d,t,p)＝max{gd(d,t,id)|id∈Le(p)} (12)
其中，Le(p)是受第p相位控制所有驶入路段的集合；
由第p相位绿灯时长上限值Gu(d,t,p)与下限值Gd(d,t,p)，对实时获取的d日t时刻第p相位的绿灯时长G(d,t,p)进行优化，得到优化绿灯时长Go(d,t,p)：
Go(d,t,p)＝max{Gd(d,t,p),min{Gu(d,t,p),G(d,t,p)}} (13)
将由公式(13)得到的优化绿灯时长作为新的控制参数，输入系统。
有益效果：和现有技术相比，本发明具有如下显著进步：可以提高信号控制交叉口各相位下绿灯时长的有效利用率，减少由于下游承载能力不足而导致的交叉口绿灯时间资源的浪费，从而提高整个交通系统的运行效率。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图；
图2为实施例典型城市信号控制交叉口示意图。
具体实施方式
如图1所示，基于下游路段实时承载能力的信号控制优化系统，包括城市几何信息模块、路段流量采集模块、交叉口信号策略采集模块以及信号控制策略优化模块；其中城市几何信息模块，需要与公安交通管理部门及城市建设部门联系，相关信息包括交叉口路段连接情况、信号控制交叉口进出口车道在路段设计行驶速度下的行驶时间、信号控制交叉口进出口车道路段车道数、道路交通监测设施布设信息；路段流量采集模块，实时获取并存储交叉口各连接路段交通监测设施上传数据，从而得到实时交通流信息，主要是各检测器上记录的车道流量数据；交叉口信号策略采集模块，用于实时监测交叉口信号控制状态，包括：各相位控制路段情况、当前周期是否结束，以及下一周期信号控制参数；信号控制策略优化模块，根据城市几何信息模块以及路段流量采集模块中记录的数据，计算下游路段实时承载能力，从而根据所得实时承载能力，计算有效绿灯时长限值，再根据交叉口信号控制策略采集模块中记录的数据，对城市信号控制策略进行优化。
进一步的，在路段流量采集模块中，实时获取并存储交叉口各连接路段交通监测设施采集得到的数据，并保存如表1所述格式，其中，DATA为日期，TIME为时刻，LINKID为路段序号，LOCATION为交通流监测设施位置标识，UP代表入口，DOWN代表出口，POSID 为交通流监测设施序号，LANE为车道序号，VOLUME为流量数据，为便于表述，记fu(d,t,id,l) 为d日t时刻第id路段入口位置的第l条车道的流量数据；fd(d,t,id,l)为d日t时刻第id路段出口位置的第l条车道的流量数据。
表1
DATA TIME LINKID LOCATION POSID LANE VOLUME
20171012 12:00:30 1 UP 00001 1 4
20171012 12:00:30 1 UP 00001 2 12
20171012 12:00:30 1 UP 00001 3 5
20171012 12:00:30 1 DOWN 00002 1 18
20171012 12:00:30 1 DOWN 00002 2 13
20171012 12:00:30 1 DOWN 00002 3 5
20171012 12:00:30 2 UP 00003 1 15
…… …… …… …… ……
交叉口信号控制策略采集模块用于实时监测交叉口信号控制状态，若当前周期未结束，下一周期信号控制参数未生成，则不做记录；若当前相位未结束，下一周期信号控制参数已经生成，则记录该组控制参数，并保存如表2所述格式，其中，DATA为日期，TIME为时刻， PHASEID为相位序号，GREEN_TIME为绿灯时长，为便于表述，记G(d,t,p)为d日t时刻启动的新周期第p相位绿灯时长，单位：秒。
表2
DATA TIME PHASEID GREEN_TIME
20171012 12:02:30 1 23
20171012 12:02:30 2 30
20171012 12:02:30 3 12
…… …… …… ……
信号控制策略优化模块中，通过公式(1)计算d日t时刻第id路段的驶入流量fu(d,t,id)：
Figure BDA0001900903630000051
其中，Nid是第id路段的车道数，τ0是道路交通监测设施数据上传周期(单位：秒)。
通过公式(2)计算d日t时刻第id路段的驶出流量fd(d,t,id):
Figure BDA0001900903630000052
通过公式(3)计算d日t时刻第id路段驶入位置的排队长度qu(d,t,id)：
Figure BDA0001900903630000053
其中，
Figure BDA0001900903630000054
是第id路段在路段设计行驶速度下的行驶时间(单位：秒)。
通过公式(4)计算d日t时刻第id路段驶出位置的排队长度qd(d,t,id)：
Figure BDA0001900903630000055
通过公式(5)计算d日t时刻第id路段实时承载能力v(d,t,id)：
Figure BDA0001900903630000056
其中，Cid是第id路段的通行能力(单位：辆/秒)，由公式(6)计算得到：
Figure BDA0001900903630000057
通过公式(7)计算d日t时刻第id路段平均驶出流量
Figure BDA0001900903630000058
Figure BDA0001900903630000059
通过公式(8)计算d日t时刻第id路段平均驶入流量
Figure BDA00019009036300000510
Figure BDA00019009036300000511
通过公式(9)计算d日t时刻第id路段绿灯时长上限值gu(d,t,id)：
Figure BDA00019009036300000512
通过公式(10)计算d日t时刻第id路段绿灯时长下限值gd(d,t,id)：
Figure BDA0001900903630000061
通过公式(11)计算d日t时刻第p相位绿灯时长上限值Gu(d,t,p)：
Gu(d,t,p)＝max{gu(d,t,id)|id∈Lo} (11)
其中，Lo是当前交叉口所有驶出路段的集合。
通过公式(12)计算d日t时刻第p相位绿灯时长下限值Gd(d,t,p)：
Gd(d,t,p)＝max{gd(d,t,id)|id∈Le(p)} (12)
其中，Le(p)是受第p相位控制所有驶入路段的集合。
由第p相位绿灯时长上限值Gu(d,t,p)与下限值Gd(d,t,p)，对实时获取的第p相位的绿灯时长G(d,t,p)进行优化，所得优化绿灯时长Go(d,t,p)通过公式(13)得到：
Go(d,t,p)＝max{Gd(d,t,p),min{Gu(d,t,p),G(d,t,p)}} (13)
将由公式(13)得到的优化绿灯时长作为新的控制参数，输入系统。
实施例
城市几何信息模块：共有驶入路段4条，驶出路段4条，每条路段分别在驶入驶出位置设置有路段交通监测设施，设施编号从12441至12477(编号不连续)。第id路段对应车道数为Nid，其路段设计行驶速度下的行驶时间Tid 0，以及与交叉口连接情况，如表3所示。
表3
id N<sub>id</sub> T<sub>id</sub><sup>0</sup>(单位:秒) 驶入处POSID 驶出处POSID 连接状况
1 2 120 12441 12442 驶入
2 2 120 12449 12450 驶出
3 3 100 12456 12457 驶入
4 3 100 12459 12460 驶出
5 2 70 12463 12464 驶入
6 2 70 12468 12469 驶出
7 3 180 12471 12472 驶入
8 3 180 12476 12477 驶出
路段流量采集模块：道路交通监测设施每30秒上次一次数据，部分数据如表4所示，其中，DATA为日期，TIME为时刻，LINKID为路段序号，LOCATION为交通流监测设施位置标识，UP代表入口，DOWN代表出口，POSID为交通流监测设施序号，LANE为车道序号，VOLUME为流量数据。
表4
DATA TIME LINKID LOCATION POSID LANE VOLUME
…… …… …… …… …… …… ……
20181103 13:11:30 1 UP 12441 1 4
20181103 13:11:30 1 UP 12441 2 12
20181103 13:11:30 1 UP 12441 3 5
20181103 13:11:30 1 DOWN 12442 1 18
20181103 13:11:30 1 DOWN 12442 2 13
20181103 13:11:30 1 DOWN 12442 3 5
20181103 13:11:30 2 UP 12449 1 15
…… …… …… …… ……
交叉口信号策略采集模块：获取各相位控制路段情况(如表5所示)，其中PHASEID为相位序号，LINKID为路段序号；
表5
PHASEID LINKID
1 3
2 7
3 1,5
当前周期是否结束以及下一周期信号控制参数。若当前周期未结束，下一周期信号控制参数未生成，则不做记录；若当前相位未结束，下一周期信号控制参数已经生成，则记录该组控制参数。实时获取下一周期信号控制参数，如表6所示其中，DATA为日期，TIME为时刻，PHASEID为相位序号，GREEN_TIME为绿灯时长。
表6
DATA TIME PHASEID GREEN_TIME
20181103 13:11:45 1 30
20171012 13:11:45 2 45
20171012 13:11:45 3 20
信号控制策略优化模块：如公式(1)所示，根据城市几何信息模块以及路段流量采集模块中记录的数据，计算计算交叉口各路段在20181103日13:11:45时刻的驶入流量fu：
Figure BDA0001900903630000071
…
Figure BDA0001900903630000072
如公式(2)所示，计算计算交叉口各路段在20181103日13:11:45时刻的驶出流量fd：
Figure BDA0001900903630000073
…
Figure BDA0001900903630000081
如公式(3)所示，计算交叉口各路段驶入位置在20181103日13:11:45时刻的排队长度qu:
Figure BDA0001900903630000082
…
Figure BDA0001900903630000083
如公式(4)所示，计算交叉口各路段驶出位置在20181103日13:11:45时刻的排队长度qd:
Figure BDA0001900903630000084
…
Figure BDA0001900903630000085
如公式(5)所示，计算各路段在20181103日13:11:45时刻的实时承载能力v：
v(20181103,13:11:45,1)＝3C1T1 0-qu(20181103,13:11:45,1)＝122辆
…
v(20181103,13:11:45,8)＝3C8T8 0-qu(20181103,13:11:45,8)＝193辆
其中，如公式(6)所示，计算各路段通行能力：
C1＝2×1650/3600＝0.917辆/秒
…
C8＝3×1650/3600＝1.375辆/秒
如公式(7)所示，计算各路段在20181103日13:11:45时刻的平均驶出流量
Figure BDA0001900903630000086
Figure BDA0001900903630000087
…
Figure BDA0001900903630000088
如公式(8)所示，计算各路段在20181103日13:11:45时刻的平均驶入流量
Figure BDA0001900903630000091
Figure BDA0001900903630000092
…
Figure BDA0001900903630000093
如公式(9)所示，计算各路段在20181103日13:11:45时刻的绿灯时长上限值gu：
Figure BDA0001900903630000094
…
Figure BDA0001900903630000095
如公式(10)所示，计算各路段在20181103日13:11:45时刻的绿灯时长下限值gd：
Figure BDA0001900903630000096
…
Figure BDA0001900903630000097
如公式(11)所示，计算各相位在20181103日13:11:45时刻的绿灯时长上限值Gu：
Gu(20181103,13:11:45,1)＝max{gu(20181103,13:11:45,id)|id∈Lo}＝239.8秒
Gu(20181103,13:11:45,2)＝max{gu(20181103,13:11:45,id)|id∈Lo}＝239.8秒
Gu(20181103,13:11:45,3)＝max{gu(20181103,13:11:45,id)|id∈Lo}＝239.8秒
如公式(12)所示，计算各相位在20181103日13:11:45时刻的绿灯时长下限值Gd：
Gd(20181103,13:11:45,1)＝max{gd(20181103,13:11:45,id)id∈Lo(1)}＝19.6秒
Gd(20181103,13:11:45,2)＝max{gd(20181103,13:11:45,id)|id∈Lo(2)}＝33.5秒
Gd(20181103,13:11:45,3)＝max{gd(20181103,13:11:45,id)|id∈Lo(3)}＝21.9秒
如公式(13)所示，计算各相位在20181103日13:11:45时刻的优化绿灯时长Go：
Figure BDA0001900903630000098
Figure BDA0001900903630000101
Figure BDA0001900903630000102
将由公式(13)得到的优化绿灯时长作为新的控制参数，输入系统。

Claims (4)

1.一种基于下游路段承载能力的信号控制优化系统，其特征在于：包括城市几何信息模块、路段流量采集模块、交叉口信号策略采集模块以及信号控制策略优化模块；所述信号控制策略优化模块根据城市几何信息模块以及路段流量采集模块中记录的数据，计算下游路段实时承载能力，由所得实时承载能力，计算有效绿灯时长限值，再根据交叉口信号控制策略采集模块中记录的数据，对城市信号控制策略进行优化；
所述信号控制策略优化模块包括如下内容：
计算d日t时刻第id路段的驶入流量fu(d,t,id)：
Figure FDA0003034860440000011
其中，fu(d,t,id,l)是d日t时刻第id路段入口位置的第l条车道的流量数据，Nid是第id路段的车道数，τ0是道路交通监测设施数据上传周期；
计算d日t时刻第id路段的驶出流量fd(d,t,id)：
Figure FDA0003034860440000012
其中，fd(d,t,id,l)是d日t时刻第id路段出口位置的第l条车道的流量数据；
计算d日t时刻第id路段驶入位置的排队长度qu(d,t,id)：
Figure FDA0003034860440000013
其中，
Figure FDA0003034860440000014
是第id路段在路段设计行驶速度下的行驶时间；
计算d日t时刻第id路段驶出位置的排队长度qd(d,t,id)：
Figure FDA0003034860440000015
计算d日t时刻第id路段实时承载能力v(d,t,id)：
Figure FDA0003034860440000016
其中，计算第id路段的通行能力Cid：
Figure FDA0003034860440000017
计算d日t时刻第id路段平均驶出流量
Figure FDA0003034860440000018
Figure FDA0003034860440000019
计算d日t时刻第id路段平均驶入流量
Figure FDA00030348604400000110
Figure FDA00030348604400000111
计算d日t时刻第id路段绿灯时长上限值gu(d,t,id)：
Figure FDA0003034860440000021
计算d日t时刻第id路段绿灯时长下限值gd(d,t,id)：
Figure FDA0003034860440000022
计算d日t时刻第p相位绿灯时长上限值Gu(d,t,p)：
Gu(d,t,p)＝max{gu(d,t,id)|id∈Lo} (11)
其中，Lo是当前交叉口所有驶出路段的集合；
计算d日t时刻第p相位绿灯时长下限值Gd(d,t,p)：
Gd(d,t,p)＝max{gd(d,t,id)|id∈Le(p)} (12)
其中，Le(p)是受第p相位控制所有驶入路段的集合；
由第p相位绿灯时长上限值Gu(d,t,p)与下限值Gd(d,t,p)，对实时获取的d日t时刻第p相位的绿灯时长G(d,t,p)进行优化，得到优化绿灯时长Go(d,t,p)：
Go(d,t,p)＝max{Gd(d,t,p),min{Gu(d,t,p),G(d,t,p)}} (13)
将由公式(13)得到的优化绿灯时长作为新的控制参数，输入系统。
2.根据权利要求1所述的信号控制优化系统，其特征在于：所述城市几何信息模块获取信息包括：交叉口路段连接情况、信号控制交叉口进出口车道在路段设计行驶速度下的行驶时间、信号控制交叉口进出口车道路段车道数、道路交通监测设施布设信息。
3.根据权利要求1所述的信号控制优化系统，其特征在于：所述路段流量采集模块用于实时获取并存储交叉口各连接路段交通监测设施采集得到的数据，包括各检测器上记录的车道流量数据。
4.根据权利要求1所述的信号控制优化系统，其特征在于：所述交叉口信号策略采集模块用于实时监测交叉口信号控制状态，所述交叉口信号控制状态包括：各相位控制路段情况、当前周期是否结束，以及下一周期信号控制参数；若当前周期未结束，下一周期信号控制参数未生成，则不做记录；若当前相位未结束，下一周期信号控制参数已经生成，则记录该控制参数。
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