CN110400472A - 基于交通流距离的道路交叉口交通信号相位设计方法 - Google Patents

基于交通流距离的道路交叉口交通信号相位设计方法 Download PDF

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Abstract

基于交通流距离的道路交叉口交通信号相位设计方法,将道路交叉口的交通信号划分为两个相位组,首先,依次对这两个相位组进行相位初步设计,如果需要左转专用相位,则计算相位组各流向的流量比和交通流之间的距离矩阵,并选择流量比距离和较小的相位组进行设计,从而实现相位内车流相对均衡;然后,根据相位组的相位数、关键流向是否冲突和相位搭接判断公式,依次对两个相位组进行相位搭接的判断和设计,最终实现道路交叉口的交通信号相位设计。本发明充分考虑了相位内的车流均衡,根据不同交通流之间的距离进行相位设计,设计方案更加符合实际的交通状况,而且考虑了相位搭接,具有流程简单、计算容易、易编程实现等特点,适合城市十字型道路交叉口的交通信号相位设计。

Description

基于交通流距离的道路交叉口交通信号相位设计方法
技术领域
本发明涉及智能交通信号控制的道路交叉口交通信号相位设计方法,道路交叉口交通信号相位设计用于城市交通信号控制,是交通信号控制的基础和首要步骤。
背景技术
随着经济繁荣和城市化进程的加快,城市交通拥堵问题成为了亟需解决的问题。道路交叉口作为交通流的汇集地,是决定城市道路系统通行能力、运行效率和交通安全的关键因素。智能交通系统已成为提高道路交叉口通行效率的重要手段,而道路交叉口交通信号控制作为智能交通系统的核心,其控制效率直接影响整个城市的交通运行效率。交通信号相位是指在一个信号周期内,同时获得通行权的一个或多个交通流的信号显示状态。交通信号相位的作用是通过时间路权分配的方式减少冲突点的个数,它能够把相互冲突或干扰严重的交通流适当分离,减少道路交叉口的交通冲突和干扰。交通信号相位决定了道路交叉口交通信号控制方案的科学性与合理性,合理的交通信号相位设计能够减少损失时间,提高道路通行能力和道路交叉口的安全。
道路交叉口交通信号相位设计存在许多方法,这些方法可以分为两类。第一类方法是组合法,是根据道路交叉口的几何条件、交通流冲突情况以及交通流参数等约束条件,如排队长度、等待时间等,对交通流进行合理的优化组合,以满足各股交通流的通行需求。这类方法存在的主要问题是一些交通流参数在实际交通环境中很难获得,并且这类方法一般不考虑相位搭接。第二类方法是选择法,如图论原理、剪枝法等,是根据交通流的兼容关系,获得道路交叉口可行的交通信号相位方案集合,继而在相位方案集合中进行优选,确定最优方案。这类方法的主要问题在于容易出现频繁更换通行权,并且忽略了实际交通流的影响。
目前,现有的道路交叉口交通信号相位设计方法存在以下主要问题:1)大多数方法采用组合法,这类方法大多不考虑相位搭接,对于不均衡的交通流无法获得更优的信号相位方案;2)选择法虽然能够考虑更全面的相位方案,但是容易出现频繁更换通行权,并且忽略了实际交通流的影响;3)很多相位设计方法设计流程和计算过程都很复杂,无法应用于实际交通环境。
发明内容
本发明要克服现有技术的上述不足之处,提供一种基于交通流距离的道路交叉口交通信号相位设计方法,适用于十字型道路交叉口。
本发明方法将十字型道路交叉口的交通信号划分为两个相位组,分别对这两个相位组进行相位优化设计,包括相位初步设计和相位搭接设计。首先,对这两个相位组依次进行相位初步设计,判断它是否需要左转专用相位,如果需要,则计算相位组各流向的流量比和交通流之间的距离矩阵,并选择流量比距离和较小的相位组进行设计,从而实现相位内车流相对均衡。然后,针对这两个相位组,根据相位组的相位数、关键流向是否冲突和相位搭接判断公式,依次进行相位搭接的判断和设计,最终完成道路交叉口的交通信号相位设计。本发明方法充分考虑了相位内的车流均衡,根据道路交叉口不同交通流之间的距离进行相位设计,设计方案更加符合实际的交通状况。而且,本发明方法也考虑了相位搭接,具有流程简单、计算容易和易编程实现等特点。
本发明是通过以下技术方案达到上述目的,即基于交通流距离的道路交叉口交通信号相位设计方法,具体的实施步骤如下:
(1)将十字型道路交叉口的交通信号划分为两个相位组。每个相位组包括两个相对方向所需要的相位,分别对这两个相位组进行相位设计,包括相位初步设计和相位搭接设计;
(2)选择其中一个相位组进行相位初步设计,判断该相位组是否需要左转专用相位。根据该相位组两个方向的流向车道数以及车流量判断是否需要左转专用相位。如果不需要左转专用相位,则该相位组只有一个相位,为各流向同放,即在这个相位里两个方向的左转和直行同时放行,完成该相位组的相位初步设计,转入步骤(5);如果需要左转专用相位,则转入下一步;
(3)计算该相位组各流向的流量比和交通流之间的距离矩阵。各流向的流量比计算公式如下:
其中,qi表示该相位组第i车道组的实际交通流量,单位为pcu/h(pcu,passengercar unit,标准小客车单位,也即标准车当量数);Si表示该车道组单车道的饱和流率,单位为pcu/h;Ni表示该车道组的车道数,yi表示该车道组的流量比。注意:计算流量比时,只需要考虑左转和直行的流量比,右转流量不考虑,也不需要纳入计算范围,因为右转只需要根据直行信号灯来判断就可以了。
交通流之间的距离矩阵D是4×4的矩阵,表示相位组两个方向的左转和直行交通流之间的距离。其中,矩阵D的第一行表示方向1的左转,第二行表示方向1的直行,第三行表示方向2的左转,第四行表示方向2的直行;矩阵D的第一列表示方向1的左转,第二列表示方向1的直行,第三列表示方向2的左转,第四列表示方向2的直行。根据矩阵的行列设置,可以知道矩阵D是对称矩阵,因此只需要考虑矩阵的下半部分计算即可。距离矩阵D的计算公式如下:
其中,y1表示相位组方向1左转的流量比,y2表示方向1直行的流量比,y3表示方向2左转的流量比,y4表示方向2直行的流量比。不同交通流之间的距离计算,采用欧氏距离,如公式(2),方向1左转和方向1直行的距离为d21=(y2-y1)2,其它依此类推。由于方向1左转与方向2直行是相互冲突的流量,所以其距离为无穷大,即d14=∞;同样方向2左转和方向1直行之间的距离也是无穷大。
(4)基于步骤(3)的计算结果,选择流量比距离和较小的相位组进行相位初步设计,从而实现相位内车流相对均衡。在公式(2)中,如果d21+d43<d31+d42,该相位组为单口放行,即同一个方向的直行和左转同时放行;如果d21+d43≥d31+d42,该相位组为对称式放行,即一个方向的直行与对向直行一起放行,左转与对向左转一起放行。
(5)判断是否完成所有相位组的相位初步设计。如果没有,则返回步骤(2)继续下一个相位组的相位初步设计;否则,转入下一步;
(6)选择一个相位组进行相位搭接设计,初步判断该相位组是否需要相位搭接。如果该相位组只有一个相位或者该相位组的两个关键流向冲突,则不需要相位搭接,该相位组完成相位设计,转入步骤(8);否则,转入下一步。关键流向是指一个相位中流量比最大的那个交通流向。举例说明:某相位组的两个关键流向,一个是直行,一个是相对方向的左转,那么这两个关键流向是冲突的,不需要相位搭接。
(7)根据相位搭接判断公式,继续判断该相位组是否需要相位搭接,如果需要,则插入新相位进行相位搭接。相位搭接判断公式是根据一个相位下关键流向的通行时间与其他流向中所需的最小通行时间的差值是否大于某一个阈值。具体的判断公式如下:
其中,yi,yj分别表示该相位下两个交通流向的流量比,即关键流向和其它流向;Tm表示第m相位的损失时间阈值,T表示信号周期时间,L表示总延误时间,三个变量单位都为秒(s);Y表示相位搭接前各相位所有关键流向的流量比之和,即Ym是第m相位的关键流向的流量比。因为相位初步设计时,也即相位搭接前,十字型道路交叉口总共只有四个相位,所以m的取值最大为4。
如果相位组的两个相位都不满足判断公式(3),则需要进行相位搭接。相位搭接的方法是在该相位组的两个相位之间插入一个新相位,新相位由原两相位的关键流向组成。
(8)判断是否完成所有相位组的相位搭接设计。如果没有,则返回步骤(6)继续下一个相位组的相位搭接设计;否则,完成了整个道路交叉口的交通信号相位设计,输出相位方案,设计结束。
本发明的有益效果在于:(1)本发明充分考虑了相位内的车流均衡,根据道路交叉口不同交通流之间的距离进行相位设计,设计方案更加符合实际的交通状况;(2)本发明充分考虑了相位搭接的判断和设计,方法简单易行;(3)本发明具有设计流程简单、计算容易和易编程实现等特点,可以快速便捷地设计交通信号相位方案。
附图说明
图1是本发明方法的总体流程图。
图2是本发明方法的相位方案图。
图3是本发明方法的某十字型道路交叉口示意图。
图4是本发明方法的某十字型道路交叉口相位设计结果图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
本发明的基于交通流距离的道路交叉口交通信号相位设计方法,具体的实施步骤如下:
(1)将十字型道路交叉口的交通信号划分为两个相位组。每个相位组包括两个相对方向所需要的相位,分别对这两个相位组进行相位设计,包括相位初步设计和相位搭接设计;
(2)选择其中一个相位组进行相位初步设计,判断该相位组是否需要左转专用相位。根据该相位组两个方向的流向车道数以及车流量判断是否需要左转专用相位。如果不需要左转专用相位,则该相位组只有一个相位,为各流向同放,即在这个相位里两个方向的左转和直行同时放行,完成该相位组的相位初步设计,转入步骤(5);如果需要左转专用相位,则转入下一步;
(3)计算该相位组各流向的流量比和交通流之间的距离矩阵。各流向的流量比计算公式如下:
其中,qi表示该相位组第i车道组的实际交通流量,单位为pcu/h(pcu,passengercar unit,标准小客车单位,也即标准车当量数);Si表示该车道组单车道的饱和流率,单位为pcu/h;Ni表示该车道组的车道数,yi表示该车道组的流量比。注意:计算流量比时,只需要考虑左转和直行的流量比,右转流量不考虑,也不需要纳入计算范围,因为右转只需要根据直行信号灯来判断就可以了。
交通流之间的距离矩阵D是4×4的矩阵,表示相位组两个方向的左转和直行交通流之间的距离。其中,矩阵D的第一行表示方向1的左转,第二行表示方向1的直行,第三行表示方向2的左转,第四行表示方向2的直行;矩阵D的第一列表示方向1的左转,第二列表示方向1的直行,第三列表示方向2的左转,第四列表示方向2的直行。根据矩阵的行列设置,可以知道矩阵D是对称矩阵,因此只需要考虑矩阵的下半部分计算即可。距离矩阵D的计算公式如下:
其中,y1表示相位组方向1左转的流量比,y2表示方向1直行的流量比,y3表示方向2左转的流量比,y4表示方向2直行的流量比。不同交通流之间的距离计算,采用欧氏距离,如公式(2),方向1左转和方向1直行的距离为d21=(y2-y1)2,其它依此类推。由于方向1左转与方向2直行是相互冲突的流量,所以其距离为无穷大,即d14=∞;同样方向2左转和方向1直行之间的距离也是无穷大。
(4)基于步骤(3)的计算结果,选择流量比距离和较小的相位组进行相位初步设计,从而实现相位内车流相对均衡。在公式(2)中,如果d21+d43<d31+d42,该相位组为单口放行,即同一个方向的直行和左转同时放行;如果d21+d43≥d31+d42,该相位组为对称式放行,即一个方向的直行与对向直行一起放行,左转与对向左转一起放行。
(5)判断是否完成所有相位组的相位初步设计。如果没有,则返回步骤(2)继续下一个相位组的相位初步设计;否则,转入下一步;
(6)选择一个相位组进行相位搭接设计,初步判断该相位组是否需要相位搭接。如果该相位组只有一个相位或者该相位组的两个关键流向冲突,则不需要相位搭接,该相位组完成相位设计,转入步骤(8);否则,转入下一步。关键流向是指一个相位中流量比最大的那个交通流向。举例说明:某相位组的两个关键流向,一个是直行,一个是相对方向的左转,那么这两个关键流向是冲突的,不需要相位搭接。
(7)根据相位搭接判断公式,继续判断该相位组是否需要相位搭接,如果需要,则插入新相位进行相位搭接。相位搭接判断公式是根据一个相位下关键流向的通行时间与其他流向中所需的最小通行时间的差值是否大于某一个阈值。具体的判断公式如下:
其中,yi,yj分别表示该相位下两个交通流向的流量比,即关键流向和其它流向;Tm表示第m相位的损失时间阈值,T表示信号周期时间,L表示总延误时间,三个变量单位都为秒(s);Y表示相位搭接前各相位所有关键流向的流量比之和,即Ym是第m相位的关键流向的流量比。因为相位初步设计时,也即相位搭接前,十字型道路交叉口总共只有四个相位,所以m的取值最大为4。
如果相位组的两个相位都不满足判断公式(3),则需要进行相位搭接。相位搭接的方法是在该相位组的两个相位之间插入一个新相位,新相位由原两相位的关键流向组成。
(8)判断是否完成所有相位组的相位搭接设计。如果没有,则返回步骤(6)继续下一个相位组的相位搭接设计;否则,完成了整个道路交叉口的交通信号相位设计,输出相位方案,设计结束。
如附图1,本发明方法将十字型道路交叉口的交通信号划分为两个相位组,分别对这两个相位组进行相位设计,包括相位初步设计和相位搭接设计;首先,选择一个相位组进行相位初步设计,根据该相位组两个方向的流向车道数以及车流量判断是否需要左转专用相位,如果不需要,则该相位组只有一个相位,为各流向同放,即在这个相位里两个方向的左转和直行同时放行;如果需要,则计算该相位组各流向的流量比和交通流之间的距离矩阵,并选择流量比距离和较小的相位组进行设计,从而实现相位内车流相对均衡;采用相同方法,可以完成另一个相位组的相位初步设计;然后,选择一个相位组进行相位搭接设计,根据该相位组的相位数是否为1,以及该相位组两个关键流向是否冲突,初步判断是否需要相位搭接,再根据相位搭接判断公式,进一步判断是否需要相位搭接。如果相位组的相位数不为1,相位组两个关键流向不冲突,且相位组的两个相位都不满足判断公式,则需要在该相位组的两个相位之间插入一个新相位,新相位由原两相位的关键流向组成。采用相同方法可以完成另一个相位组的相位搭接设计,并最终输出相位方案,完成道路交叉口的交通信号相位设计。
如附图2,本发明方法在相位初步设计中涉及的三种不同的相位方案。如果相位组不需要左转专用相位,则该相位组只有一个相位,为各流向同放,即在这个相位里两个方向的左转和直行同时放行,如附图2的第1个图;如果相位组需要左转专用相位,并且d21+d43<d31+d42,则该相位组为单口放行,即同一个方向的直行和左转同时放行,如附图2的第2个图;如果相位组需要左转专用相位,并且d21+d43≥d31+d42,则该相位组为对称式放行,即一个方向的直行与对向直行一起放行,左转与对向左转一起放行,如附图2的第3个图。
如附图3,本发明方法的具体实施应用案例为浙江省杭州市萧山区的通惠路-南秀路交叉路口。该路口为典型的十字型道路交叉口,该路口南向进口有两个直行车道和一个左转车道,北向进口有两个直行车道和两个左转车道,东向进口有两个直行车道和一个左转车道,西向进口有两个直行车道和一个左转车道。
如附图4,本发明方法的具体实施应用案例的最终相位方案为四相位方案,南北向采用对称式放行,东西向采用单口放行,即相位1是南向直行和北向直行,相位2是南向左转和北向左转,相位3是东向左转和东向直行,相位4是西向左转和西向直行。
如附图3,以某个城市十字型道路交叉口为例,对本发明方法的具体实施方式进行进一步描述,但本发明的保护范围并不仅限于此:
1.如附图3所示,选取的道路交叉口位于浙江省杭州市萧山区的通惠路-南秀路交叉路口,该路口为典型的十字型道路交叉口。在不考虑行人、非机动车和右转车辆的情况下,表1统计了该交叉路口早高峰交通流量,其中,饱和流率根据各流向饱和车头时距计算得到。
表1交叉路口早高峰交通流量
2.相位设计
(1)将该道路交叉口的交通信号分为南北向和东西向两个相位组。
(2)选择南北向相位组进行相位初步设计,判断该相位组是否需要左转专用相位。由于南向左转和北向左转的交通流辆分别为110pch/h和216pch/h,流量较大,并且北进口有两个左转车道,因此,南北向相位组需要设置左转专用相位。
(3)计算南北向相位组各流向的流量比和交通流之间的距离矩阵,具体计算过程如下:
1)根据公式(1),计算南北向各流向的流量比,结果如表2。
表2交叉路口南北向各流向流量比
2)根据公式(2),计算距离矩阵,结果如下:
其中,y1表示南向左转的流量比,y2表示南向直行的流量比,y3表示北向左转的流量比,y4表示北向直行的流量比。
(4)基于步骤(3)的计算结果,由于d21+d43>d31+d42,所以南北向相位组选择对称式放行,如图2中的相位方案。
(5)采用相同的方法,进行东西向相位组的相位初步设计,具体过程如下:
1)由于东向左转和西向左转的交通流量都比较大,分别为138pch/h和257pch/h,因此,东西向相位组需要设置左转专用相位;
2)计算东西向各流向的流量比,结果如表3:
表3东西向各流向流量比
3)计算距离矩阵,结果如下:
其中,y1表示东向左转的流量比,y2表示东向直行的流量比,y3表示西向左转的流量比,y4表示西向直行的流量比;
4)基于东西向相位组的计算结果,由于d21+d43<d31+d42,所以东西向相位组选择单口放行,如图2中的相位方案。
(6)完成两个相位组的相位初步设计,继续下一步。
(7)选择南北向相位组进行相位搭接设计,初步判断该相位组是否需要相位搭接。南北向相位组的相位数为2;同时,南北向相位组采用对称式放行相位方案(见步骤(4)),根据表2的数据,南北向相位组的两个关键流向分别为南向直行和南向左转,这两股关键流向不冲突,因此需要进一步判断是否需要相位搭接。
(8)根据相位搭接判断公式,继续判断南北向相位组是否需要相位搭接。根据实际经验,相位搭接判断公式(即公式(3))中的参数分别设置为:Tm=10s,T=175s,L=12s。南北向相位组各个相位的判断公式计算结果如表4:
表4南北向相位组相位搭接判断
根据表4的计算结果,南北向相位组有一个相位满足判断公式,所以南北向相位组不需要相位搭接。
(9)采用相同的方法,进行东西向相位组的相位搭接设计,具体过程如下
1)东西向相位组的相位数为2,同时,东西向相位组采用单口放行相位方案(见步骤(5)),根据表2的数据,东西向相位组的两个关键流向分别为东向直行和西向直行,这两股关键流向不冲突,因此需要进一步判断是否需要相位搭接;
2)东西向相位组各个相位的判断公式计算结果如表5:
表5东西向相位组相位搭接判断
根据表5的计算结果,东西向相位组两个相位都满足判断公式,所以东西向相位组不需要相位搭接。
(10)完成两个相位组的相位搭接设计,输出相位方案,如附图4所示,最终的相位方案为:南北向采用对称式放行,东西向采用单口放行,即相位1是南向直行和北向直行,相位2是南向左转和北向左转,相位3是东向左转和东向直行,相位4是西向左转和西向直行。
实施应用案例表明,本发明提出的基于交通流距离的道路交叉口交通信号相位设计方法是有效的,相对于其它设计方法,本发明方法充分考虑了相位内的车流均衡,根据道路交叉口不同交通流之间的距离进行相位设计,设计方案更加符合实际的交通状况。而且,本发明方法也考虑了简单易行的相位搭接设计方法,整个设计方法具有流程简单、计算容易和易编程实现等特点,适合城市十字型道路交叉口的交通信号相位设计。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举,本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式,本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (1)

1.基于交通流距离的道路交叉口交通信号相位设计方法,包括如下步骤:
(1)将十字型道路交叉口的交通信号划分为两个相位组;每个相位组包括两个相对方向所需要的相位,分别对这两个相位组进行相位设计,包括相位初步设计和相位搭接设计;
(2)选择其中一个相位组进行相位初步设计,判断该相位组是否需要左转专用相位;根据该相位组两个方向的流向车道数以及车流量判断是否需要左转专用相位;如果不需要左转专用相位,则该相位组只有一个相位,为各流向同放,即在这个相位里两个方向的左转和直行同时放行,完成该相位组的相位初步设计,转入步骤(5);如果需要左转专用相位,则转入下一步;
(3)计算该相位组各流向的流量比和交通流之间的距离矩阵;各流向的流量比计算公式如下:
其中,qi表示该相位组第i车道组的实际交通流量,单位为pcu/h;Si表示该车道组单车道的饱和流率,单位为pcu/h;Ni表示该车道组的车道数,yi表示该车道组的流量比;注意:计算流量比时,只需要考虑左转和直行的流量比,右转流量不考虑;
交通流之间的距离矩阵D是4×4的矩阵,表示相位组两个方向的左转和直行交通流之间的距离;其中,矩阵D的第一行表示方向1的左转,第二行表示方向1的直行,第三行表示方向2的左转,第四行表示方向2的直行;矩阵D的第一列表示方向1的左转,第二列表示方向1的直行,第三列表示方向2的左转,第四列表示方向2的直行;根据矩阵的行列设置,可以知道矩阵D是对称矩阵,因此只需要考虑矩阵的下半部分计算即可;距离矩阵D的计算公式如下:
其中,y1表示相位组方向1左转的流量比,y2表示方向1直行的流量比,y3表示方向2左转的流量比,y4表示方向2直行的流量比;不同交通流之间的距离计算,采用欧氏距离,如公式(2),方向1左转和方向1直行的距离为d21=(y2-y1)2,其它依此类推;由于方向1左转与方向2直行是相互冲突的流量,所以其距离为无穷大,即d14=∞;同样方向2左转和方向1直行之间的距离也是无穷大;
(4)基于步骤(3)的计算结果,选择流量比距离和较小的相位组进行相位初步设计,从而实现相位内车流相对均衡;在公式(2)中,如果d21+d43<d31+d42,该相位组为单口放行,即同一个方向的直行和左转同时放行;如果d21+d43≥d31+d42,该相位组为对称式放行,即一个方向的直行与对向直行一起放行,左转与对向左转一起放行;
(5)判断是否完成所有相位组的相位初步设计;如果没有,则返回步骤(2)继续下一个相位组的相位初步设计;否则,转入下一步;
(6)选择一个相位组进行相位搭接设计,初步判断该相位组是否需要相位搭接;如果该相位组只有一个相位或者该相位组的两个关键流向冲突,则不需要相位搭接,该相位组完成相位设计,转入步骤(8);否则,转入下一步;
(7)根据相位搭接判断公式,继续判断该相位组是否需要相位搭接,如果需要,则插入新相位进行相位搭接;相位搭接判断公式是根据一个相位下关键流向的通行时间与其他流向中所需的最小通行时间的差值是否大于某一个阈值;具体的判断公式如下:
其中,yi,yj分别表示该相位下两个交通流向的流量比,即关键流向和其它流向;Tm表示第m相位的损失时间阈值,T表示信号周期时间,L表示总延误时间,三个变量单位都为秒;Y表示相位搭接前各相位所有关键流向的流量比之和,即Ym是第m相位的关键流向的流量比;因为相位初步设计时,也即相位搭接前,十字型道路交叉口总共只有四个相位,所以m的取值最大为4;
如果相位组的两个相位都不满足判断公式(3),则需要进行相位搭接;相位搭接的方法是在该相位组的两个相位之间插入一个新相位,新相位由原两相位的关键流向组成;
(8)判断是否完成所有相位组的相位搭接设计;如果没有,则返回步骤(6)继续下一个相位组的相位搭接设计;否则,完成了整个道路交叉口的交通信号相位设计,输出相位方案,设计结束。
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