CN109903570B - 多时段定时控制下的交叉口信号配时方案平滑过渡方法 - Google Patents

Abstract

多时段定时控制下的交叉口信号配时方案平滑过渡方法，本发明涉及交叉口信号配时方案。本发明的目的是为了解决现有交叉口信号配时方案平滑过渡方法仅适用于相邻时段各个交叉口均执行协调控制的问题。过程为：一、将多时段定时控制交叉口的信号配时方案平滑过渡划分为四种类型；二、判断交叉口在时段i结束后的平滑过渡类型；如果属于类型一，进入步骤三；如果属于类型二或者类型三，进入步骤四；如果属于类型四，进入步骤五；三、确定类型一下的交叉口平滑过渡方案；步骤四、确定类型二或类型三下的交叉口平滑过渡方案；步骤五、确定类型四下的交叉口平滑过渡方案。本发明属于城市交通控制技术领域。

Description

多时段定时控制下的交叉口信号配时方案平滑过渡方法

技术领域

本发明涉及交叉口信号配时方案。

背景技术

定时控制是目前我国城市信号交叉口应用最为广泛的一种交通控制方式。在这种控制方式下，交叉口未布设交通流检测器，所以无法获取交通流运行状态。为了提高控制效益，交通管理者一般根据人工调查得到的交通流参数的变化特征将一天24小时划分为多个控制时段，不同的控制时段执行不同的信号配时方案。当相邻的两个控制时段的信号配时方案差异较大时，需要执行信号配时方案的平滑过渡，以维持交通流运行的平稳性和连续性。即在时段i的信号配时方案运行结束后，先运行平滑过渡方案，再运行时段i+1的信号配时方案。合理的平滑过渡方案对于提高交叉口交通控制效益具有重要意义。

根据控制范围的不同，定时控制可以分为只包括单个交叉口的单点控制和包括多个相邻交叉口的协调控制。在时段i一个信号交叉口可能在执行单点控制，但是在时段i+1可能需要与相邻的多个交叉口执行协调控制；或者在时段i一个交叉口可能在执行协调控制，而在时段i+1可能需要执行单点控制。即在相邻的两个时段，交叉口的信号控制方式类型可能存在差异，这将导致平滑过渡方法也随之发生改变。

现有的信号配时方案平滑过渡方法只考虑若干个数量固定的交叉口在相邻时段均执行协调控制方式的情况，未考虑各个交叉口控制方式随时段的变化，使所提出的平滑过渡方法仅适用于特定的交通场景，进而限制了定时交通控制的应用范围。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有交叉口信号配时方案平滑过渡方法仅适用于相邻时段各个交叉口均执行协调控制的问题，而提出多时段定时控制下的交叉口信号配时方案平滑过渡方法。

多时段定时控制下的交叉口信号配时方案平滑过渡方法具体过程为：

步骤一、将多时段定时控制交叉口的信号配时方案平滑过渡划分为四种类型：

类型一：在时段i和时段i+1，所涉及的全部交叉口都在执行单点控制；

类型二：在时段i和时段i+1，所涉及的全部交叉口都在执行协调控制；

类型三：在时段i所涉及的部分交叉口执行单点控制，其余交叉口执行协调控制；而在时段i+1，所有交叉口都执行协调控制；

类型四：在时段i所涉及的部分交叉口执行单点控制，其余交叉口执行协调控制；而在时段i+1，所有交叉口都执行单点控制；

步骤二、判断所涉及的交叉口在时段i结束后的平滑过渡类型；

如果属于类型一，进入步骤三；

如果属于类型二或者类型三，进入步骤四；

如果属于类型四，进入步骤五；

步骤三、确定类型一下的交叉口平滑过渡方案；

步骤四、确定类型二或类型三下的交叉口平滑过渡方案；

步骤五、确定类型四下的交叉口平滑过渡方案。

本发明的有益效果为：

本发明综合考虑各个交叉口在相邻时段的控制方式变化，针对相邻时段不同的控制方式组合，提出不同的平滑过渡方法。本发明以执行多时段定时控制的信号交叉口为对象，为了提高定时控制效益以及交通流运行效率，考虑单点控制、协调控制两种控制方式以及相邻时段交叉口控制方式的变化，提出信号配时方案的平滑过渡方法。所提出的平滑过渡方法适用于各种定时交通控制场景，提高了定时控制的应用范围；同时能够实现相邻时段的信号配时方案的快速平滑过渡，提高交通控制的实时性，维持交通流的稳定运行，减少机动车在过渡期间的平均延误。

附图说明

图1为本发明流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式多时段定时控制下的交叉口信号配时方案平滑过渡方法具体过程为：

步骤一、将多时段定时控制交叉口的信号配时方案平滑过渡划分为四种类型：

类型一：在时段i和时段i+1，所涉及的全部交叉口都在执行单点控制；

类型二：在时段i和时段i+1，所涉及的全部交叉口都在执行协调控制；

类型三：在时段i所涉及的部分交叉口执行单点控制，其余交叉口执行协调控制；而在时段i+1，所有交叉口都执行协调控制；

类型四：在时段i所涉及的部分交叉口执行单点控制，其余交叉口执行协调控制；而在时段i+1，所有交叉口都执行单点控制；

步骤二、判断所涉及的交叉口在时段i结束后的平滑过渡类型；

如果属于类型一，进入步骤三；

如果属于类型二或者类型三，进入步骤四；

如果属于类型四，进入步骤五；

步骤三、确定类型一下的交叉口平滑过渡方案；

步骤四、确定类型二或类型三下的交叉口平滑过渡方案；

步骤五、确定类型四下的交叉口平滑过渡方案。

所述多时段为大于等于2个时段。

具体实施方式二：本实施方式与居图实施方式一不同的是：所述步骤三中确定类型一下的交叉口平滑过渡方案；具体过程为：

步骤三一、令J等于1，其中J为时段i或者时段i+1所涉及的交叉口数量；

步骤三二、计算交叉口ρ在时段i的周期时长

与在时段i+1的周期时长

之差的绝对值

步骤三三、如果

则时段i结束后交叉口ρ不需要执行平滑过渡方案(建议σ＝30)，转入步骤三五；否则转入步骤三四；σ为阈值；

步骤三四、在时段i结束后交叉口ρ需要执行1个周期的平滑过渡方案；

平滑过渡方案包括：平滑过渡方案的开始执行时刻、平滑过渡方案的结束时刻、平滑过渡期间各个交叉口的周期时长、各个相位的绿灯时间；

计算平滑过渡方案的开始执行时刻

计算平滑过渡期间交叉口ρ的周期时长

计算平滑过渡期间交叉口ρ的相位h的绿灯时间

计算平滑过渡方案的结束时刻

步骤三五、结束。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与居图实施方式一或二不同的是：所述步骤三四中平滑过渡方案的开始执行时刻

表达式为：

其中：

为时段i结束时交叉口ρ正在运行周期的相位H_ρ的绿灯间隔结束时刻(以下简称“时段i结束时交叉口ρ正在运行周期的结束时刻”)(比如相位1是南北直行，相位2是南北左转，相位1的绿灯间隔结束时刻就是指从相位1的绿灯结束至相位2的绿灯启亮之间的时间长度)；H_ρ为交叉口ρ的相位数；

平滑过渡期间交叉口ρ的周期时长

表达式为：

平滑过渡期间交叉口ρ的相位h的绿灯时间

表达式为：

其中：

为时段i+1交叉口ρ相位h的关键车道的机动车流量，辆/h；

为时段i+1交叉口ρ的H_ρ个相位的关键车道的机动车流量之和，辆/h；L_ρ为交叉口ρ的H_ρ个相位的绿灯间隔时间之和；

平滑过渡方案的结束时刻

表达式为：

其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与居图实施方式一至三之一不同的是：所述步骤四中确定类型二或类型三下的交叉口平滑过渡方案；具体过程为：

平滑过渡方案包括：平滑过渡方案的开始执行时刻、平滑过渡方案的结束时刻、平滑过渡期间各个交叉口的周期时长、各个相位的绿灯时间；

步骤四一、比较时段i结束时全部J个交叉口正在运行的周期的结束时刻，用m表示结束时刻最早的交叉口编号，1≤m≤J；

其中：

表示时段i结束时交叉口m正在运行的周期的结束时刻；

步骤四二、确定平滑过渡方案的开始执行时刻；具体过程为：

步骤四二一、双周期交叉口是在协调控制中周期时长等于公共周期时长一半的交叉口；若交叉口m不是双周期交叉口，则平滑过渡方案的开始执行时刻

否则进入步骤四二二；

步骤四二二、判断

是否小于等于全部J个交叉口中除了交叉口m外的其他所有交叉口正在运行的周期的结束时刻；如果是，则平滑过渡方案的开始执行时刻

否则

其中：

为交叉口m在时段i的周期时长；

步骤四三、确定每个非关键交叉口从时段i向时段i+1的过渡时长；具体过程为：

用j代表非关键交叉口的编号，非关键交叉口j从时段i向时段i+1的过渡时长x_j为：

其中：k为关键交叉口的编号；关键交叉口由交通工程师根据经验确定，一般将时段i+1的J个交叉口中各个相位的关键车道流量之和最大的交叉口设为关键交叉口，其他交叉口设为非关键交叉口；

为时段i结束时非关键交叉口j正在运行的周期的结束时刻；

为关键交叉口k与非关键交叉口j的绝对相位差；x_k为关键交叉口k从时段i向时段i+1的过渡时长；

为时段i结束时关键交叉口k正在运行的周期的结束时刻。

步骤四四、确定最优的平滑过渡方案；具体过程为：

步骤四四一、N为正整数，赋予初始值N＝1；

步骤四四二、令关键交叉口k从时段i向时段i+1的过渡时长

其中：

为交叉口k的最小周期时长；

步骤四四三、生成矩阵A_N，矩阵A_N包括J列、

行，矩阵A_N中所有元素的初始值为0；根据公式(6)计算得到x₁、x₂、…、x_j、…、x_J，j≠k；

其中：

为交叉口k的最大周期时长；

步骤四四四、令j＝1；

步骤四四五、判断j是否等于k；如果是，则j＝j+1，进入步骤四四六；

如果否，保持j的值不变，进入步骤四四六；

步骤四四六、判断交叉口j是否为双周期交叉口；如果是，进入步骤四四七；否则进入步骤四四八；

步骤四四七、判断x_j是否满足

或者

如果满足则平滑过渡期间每个周期的周期时长

计算

并将

存入矩阵A_N的第j列、第

行，进入步骤四四九；如果不满足则进入步骤四四十；

其中：

分别为交叉口j的最小、最大周期时长；

为平滑过渡方案的周期时长与时段i、时段i+1周期时长均值之差的平方；

步骤四四八、判断x_j是否满足

如果满足则平滑过渡期间每个周期的周期时长

计算

并将

存入矩阵A_N的第j列、第

行，进入步骤四四九；如果不满足则进入步骤四四十；

步骤四四九、令j＝j+1，判断j是否大于J；如果是则进入步骤四四十；否则转入步骤四四五；

步骤四四十、关键交叉口k的过渡时长x_k＝x_k+1；判断x_k是否大于

如果是，则令

进入步骤四四十一；否则转入步骤四四三；

其中：

a_N为中间变量(在交叉口采用N个过渡周期以及不同的过渡时间长度情况下，J个交叉口的过渡周期时长与相邻时段周期时长差异的累加和的最小值)；

步骤四四十一、令N＝N+1；判断N是否大于4；如果是，则进入步骤四四十二；否则进入步骤四四二；

步骤四四十二、令b等于a₁、a₂、a₃、a₄中的最小值的下标，1≤b≤4；

步骤四四十三、令λ为

中数值最小的元素的行的编号；

步骤四四十四、平滑过渡需要运行b个周期，计算平滑过渡期间非关键交叉口j的每个周期的周期时长

计算平滑过渡期间关键交叉口k的每个周期的周期时长

计算平滑过渡方案的结束时刻

计算平滑过渡期间每个交叉口的每个相位的绿灯时间参照公式(3)计算；

步骤四四十五、结束。

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与居图实施方式一至四之一不同的是：所述步骤四四十四中平滑过渡期间非关键交叉口j的每个周期的周期时长

表达式为：

平滑过渡期间关键交叉口k的每个周期的周期时长

表达式为：

平滑过渡方案的结束时刻

表达式为：

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与居图实施方式一至五之一不同的是：所述步骤五中确定类型四下的交叉口平滑过渡方案；具体过程为：

步骤五一、令J等于在时段i或时段i+1所涉及的交叉口数量；

步骤五二、转入步骤三二。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.多时段定时控制下的交叉口信号配时方案平滑过渡方法，其特征在于：所述方法具体过程为：

步骤一、将多时段定时控制交叉口的信号配时方案平滑过渡划分为四种类型：

类型一：在时段i和时段i+1，全部交叉口都在执行单点控制；

类型二：在时段i和时段i+1，全部交叉口都在执行协调控制；

类型三：在时段i部分交叉口执行单点控制，其余交叉口执行协调控制；而在时段i+1，所有交叉口都执行协调控制；

类型四：在时段i部分交叉口执行单点控制，其余交叉口执行协调控制；而在时段i+1，所有交叉口都执行单点控制；

步骤二、判断交叉口在时段i结束后的平滑过渡类型；

如果属于类型一，进入步骤三；

如果属于类型二或者类型三，进入步骤四；

如果属于类型四，进入步骤五；

步骤三、确定类型一下的交叉口平滑过渡方案；

步骤四、确定类型二或类型三下的交叉口平滑过渡方案；

步骤五、确定类型四下的交叉口平滑过渡方案。

2.根据权利要求1所述多时段定时控制下的交叉口信号配时方案平滑过渡方法，其特征在于：所述步骤三中确定类型一下的交叉口平滑过渡方案；具体过程为：

步骤三一、令J等于1，其中J为时段i或者时段i+1的交叉口数量；

步骤三二、计算交叉口ρ在时段i的周期时长

与在时段i+1的周期时长

之差的绝对值

1≤ρ≤J；

步骤三三、如果

则时段i结束后交叉口ρ不需要执行平滑过渡方案，转入步骤三五；否则转入步骤三四；σ为阈值；

步骤三四、在时段i结束后交叉口ρ需要执行1个周期的平滑过渡方案；

平滑过渡方案包括：平滑过渡方案的开始执行时刻、平滑过渡方案的结束时刻、平滑过渡期间各个交叉口的周期时长、各个相位的绿灯时间；

计算平滑过渡方案的开始执行时刻

计算平滑过渡期间交叉口ρ的周期时长

计算平滑过渡期间交叉口ρ的相位h的绿灯时间

计算平滑过渡方案的结束时刻

步骤三五、结束。

3.根据权利要求2所述多时段定时控制下的交叉口信号配时方案平滑过渡方法，其特征在于：所述步骤三四中平滑过渡方案的开始执行时刻

表达式为：

其中：

为时段i结束时交叉口ρ正在运行周期的相位H_ρ的绿灯间隔结束时刻；H_ρ为交叉口ρ的相位数；

平滑过渡期间交叉口ρ的周期时长

表达式为：

平滑过渡期间交叉口ρ的相位h的绿灯时间

表达式为：

其中：

为时段i+1交叉口ρ相位h的关键车道的机动车流量，辆/h；

为时段i+1交叉口ρ的H_ρ个相位的关键车道的机动车流量之和，辆/h；L_ρ为交叉口ρ的H_ρ个相位的绿灯间隔时间之和；

平滑过渡方案的结束时刻

表达式为：

4.根据权利要求3所述多时段定时控制下的交叉口信号配时方案平滑过渡方法，其特征在于：所述步骤四中确定类型二或类型三下的交叉口平滑过渡方案；具体过程为：

平滑过渡方案包括：平滑过渡方案的开始执行时刻、平滑过渡方案的结束时刻、平滑过渡期间各个交叉口的周期时长、各个相位的绿灯时间；

步骤四一、比较时段i结束时全部J个交叉口正在运行的周期的结束时刻，用m表示结束时刻最早的交叉口编号，1≤m≤J；

其中：

表示时段i结束时交叉口m正在运行的周期的结束时刻；

步骤四二、确定平滑过渡方案的开始执行时刻；具体过程为：

步骤四二一、若交叉口m不是双周期交叉口，则平滑过渡方案的开始执行时刻

否则进入步骤四二二；

步骤四二二、判断

是否小于等于全部J个交叉口中除了交叉口m外的其他所有交叉口正在运行的周期的结束时刻；如果是，则平滑过渡方案的开始执行时刻

否则

其中：

为交叉口m在时段i的周期时长；

步骤四三、确定每个非关键交叉口从时段i向时段i+1的过渡时长；具体过程为：

用j代表非关键交叉口的编号，非关键交叉口j从时段i向时段i+1的过渡时长x_j为：

其中：k为关键交叉口的编号；

为时段i结束时非关键交叉口j正在运行的周期的结束时刻；

为关键交叉口k与非关键交叉口j的绝对相位差；x_k为关键交叉口k从时段i向时段i+1的过渡时长；

为时段i结束时关键交叉口k正在运行的周期的结束时刻；

步骤四四、确定最优的平滑过渡方案；具体过程为：

步骤四四一、N为正整数，赋予初始值N＝1；

步骤四四二、令关键交叉口k从时段i向时段i+1的过渡时长

其中：

为交叉口k的最小周期时长；

步骤四四三、生成矩阵A_N，矩阵A_N包括J列、

行，矩阵A_N中所有元素的初始值为0；根据公式(6)计算得到x₁、x₂、…、x_j、…、x_J，j≠k；

其中：

为交叉口k的最大周期时长；

步骤四四四、令j＝1；

步骤四四五、判断j是否等于k；如果是，则j＝j+1，进入步骤四四六；

如果否，保持j的值不变，进入步骤四四六；

步骤四四六、判断交叉口j是否为双周期交叉口；如果是，进入步骤四四七；否则进入步骤四四八；

步骤四四七、判断x_j是否满足

或者

如果满足则平滑过渡期间每个周期的周期时长

计算

并将

存入矩阵A_N的第j列、第

行，进入步骤四四九；如果不满足则进入步骤四四十；

其中：

分别为交叉口j的最小、最大周期时长；

为平滑过渡方案的周期时长与时段i、时段i+1周期时长均值之差的平方；

步骤四四八、判断x_j是否满足

如果满足则平滑过渡期间每个周期的周期时长

计算

并将

存入矩阵A_N的第j列、第

行，进入步骤四四九；如果不满足则进入步骤四四十；

步骤四四九、令j＝j+1，判断j是否大于J；如果是则进入步骤四四十；否则转入步骤四四五；

步骤四四十、关键交叉口k的过渡时长x_k＝x_k+1；判断x_k是否大于

如果是，则令

进入步骤四四十一；否则转入步骤四四三；

其中：

a_N为中间变量；

步骤四四十一、令N＝N+1；判断N是否大于4；如果是，则进入步骤四四十二；否则进入步骤四四二；

步骤四四十二、令b等于a₁、a₂、a₃、a₄中的最小值的下标，1≤b≤4；

步骤四四十三、令λ为

中数值最小的元素的行的编号；

步骤四四十四、平滑过渡需要运行b个周期，计算平滑过渡期间非关键交叉口j的每个周期的周期时长

计算平滑过渡期间关键交叉口k的每个周期的周期时长

计算平滑过渡方案的结束时刻

计算平滑过渡期间每个交叉口的每个相位的绿灯时间；

步骤四四十五、结束。

5.根据权利要求4所述多时段定时控制下的交叉口信号配时方案平滑过渡方法，其特征在于：所述步骤四四十四中平滑过渡期间非关键交叉口j的每个周期的周期时长

表达式为：

平滑过渡期间关键交叉口k的每个周期的周期时长

表达式为：

平滑过渡方案的结束时刻

表达式为：

6.根据权利要求5所述多时段定时控制下的交叉口信号配时方案平滑过渡方法，其特征在于：所述步骤五中确定类型四下的交叉口平滑过渡方案；具体过程为：

步骤五一、令J等于在时段i或时段i+1的交叉口数量；

步骤五二、转入步骤三二。

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