CN110634308A - 一种基于车辆排队消散时间的单交叉口信号控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于车辆排队消散时间的单交叉口信号控制方法，包括：S1、获取各个相位的实际流量和饱和流量；S2、计算各个相位的信号配时基础参数；S3、计算交叉口饱和与不饱和状态下各个相位的信号配时进阶参数；S4、在绿灯初始时刻，计算各个相位的需求度；S5、选取需求度最大的相位作为当前相位，确定优化指数；S6、在最小显示绿灯时间结束时，计算当前相位的限制指数；S7、结合优化指数和限制指数，计算当前相位的显示绿灯延长时间；S8、当前相位结束后，返回步骤S4，进行下一个当前相位的信号配时。与现有技术相比，本发明以车辆排队消散时间作为控制目标，实现了交叉口饱和与不饱和状态下的信号按需配时，提高了交叉口通行效率。

Description

一种基于车辆排队消散时间的单交叉口信号控制方法

技术领域

本发明涉及交通控制技术领域，尤其是涉及一种基于车辆排队消散时间的单交叉口信号控制方法。

背景技术

在交叉口处，不同方向的车流之间相互冲突，为保证车辆的安全行驶，需要对相互冲突的车流分配道路使用权，交叉口的道路使用权是分时段进行分配的，一个时段即为一个相位，相位是对一个交叉口各方向的交通流而言，一组互相不发生冲突的交通流就可以构成一个相位，表示在单交叉口将通行权给予某些方向上的车辆以及行人的时间顺序，在交通控制中，如果信号相位能够得到合理的控制，就能明显提高交叉口的通行效率。

当前的交叉口信号控制方法繁多，主要包括传统的定时控制、分时段定时控制，以及以智慧城市为背景的感应控制，对于不同的控制策略，其控制目标也不尽相同，有的以减少延误为目标，有的以减少排队长度为目标，也有的以多个目标作为优化控制指标，当交叉口流量在一定范围内变化时，这些信号控制策略的控制性能表现较好，但是当交叉口流量出现较大波动时，即交叉口状态在饱和与不饱和状态之间变动时，由于控制策略的适用性较差，无法实现信号控制按需优化分配，容易导致交通信号灯的不合理配时，且传统的信号配时是固定信号相位，增加了等待时间、降低了交叉口的通行效率。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于车辆排队消散时间的单交叉口信号控制方法，以车辆排队消散时间作为感知对象和控制目标，针对交叉口通行能力饱和与不饱和两种状态，分别确定对应的信号配时方案。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于车辆排队消散时间的单交叉口信号控制方法，包括以下步骤：

S1、获取单交叉口各个相位的实际流量和饱和流量；

S2、根据实际流量和饱和流量，计算得到各个相位的信号配时基础参数，其中，信号配时基础参数包括相位饱和度、交叉口饱和度、周期总损失时间、最佳周期时长和显示绿灯时间；

S3、根据信号配时基础参数，计算得到交叉口饱和与不饱和状态下各个相位的信号配时进阶参数，其中，信号配时进阶参数包括交叉口的最小周期以及各个相位对应的最小有效绿灯时间和最小显示绿灯时间、交叉口的最大周期以及各个相位对应的最大有效绿灯时间和最大显示绿灯时间；

S4、在绿灯初始时刻，获取各个相位的预计显示绿灯时间和各个相位出口道的平均速度，计算得到各个相位的需求度；

S5、选取需求度最大的相位作为当前相位，以当前相位的需求度作为当前相位的优化指数；

S6、在最小显示绿灯时间结束时，获取其余相位的车辆到达率，计算得到当前相位的限制指数；

S7、结合优化指数和限制指数，通过延时调整函数，计算得到当前相位的显示绿灯延长时间；

S8、当前相位结束之后，返回步骤S4，进行下一个当前相位的信号配时。

进一步地，所述步骤S2中相位饱和度为：

式中，y_i为相位i的相位饱和度，q_i为相位i的实际流量，S_i为相位i的饱和流量；

交叉口饱和度为：

式中，Y为交叉口饱和度，n为相位总数；

周期总损失时间为：

式中，I_i为相位i的绿灯间隔时间，l_i为相位i的损失时间，A_i为相位i的黄灯时间；

最佳周期时长为：

显示绿灯时间为：

g_i＝g_ei-A_i+l_i

式中，g_i为相位i的显示绿灯时间，g_ei为相位i的有效绿灯时间。

进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、判断交叉口饱和度是否满足第一预设条件：

Y≥0.9

若满足，则执行步骤S32，否则执行步骤S33；

S32、计算交叉口饱和状态下的最小周期以及各个相位对应的最小有效绿灯时间和最小显示绿灯时间、最大周期以及各个相位对应的最大有效绿灯时间和最大显示绿灯时间；

S33、计算交叉口不饱和状态下最小周期以及各个相位对应的最小有效绿灯时间和最小显示绿灯时间、最大周期以及各个相位对应的最大有效绿灯时间和最大显示绿灯时间。

进一步地，所述步骤S32中交叉口饱和状态下的最小周期为：

C_smin＝30n

交叉口饱和状态下各个相位的最小有效绿灯时间为：

式中，

为交叉口饱和状态下相位i的最小有效绿灯时间；

交叉口饱和状态下各个相位的最小显示绿灯时间为：

式中，为交叉口饱和状态下相位i的最小显示绿灯时间；

交叉口饱和状态下的最大周期为：

C_smax＝60n

交叉口饱和状态下各个相位的最大有效绿灯时间为：

式中，

为交叉口饱和状态下相位i的最大有效绿灯时间；

交叉口饱和状态下各个相位的最大显示绿灯时间为：

式中，

为交叉口饱和状态下相位i的最大显示绿灯时间。

进一步地，所述步骤S33中交叉口不饱和状态下的最小周期为：

C_nsmin＝0.75C₀

交叉口不饱和状态下各个相位的最小有效绿灯时间为：

式中，

为交叉口不饱和状态下相位i的最小有效绿灯时间；

交叉口不饱和状态下各个相位的最小显示绿灯时间为：

式中，为交叉口不饱和状态下相位i的最小显示绿灯时间，d_i为相位i对应的行人过街设施长度，v_w为行人过街的速度；

交叉口不饱和状态下的最大周期为：

C_nsmax＝max{60n,1.5C₀}

交叉口不饱和状态下各个相位的最大有效绿灯时间为：

式中，

为交叉口不饱和状态下相位i的最大有效绿灯时间；

交叉口不饱和状态下各个相位的最大显示绿灯时间为：

式中，

为交叉口不饱和状态下相位i的最大显示绿灯时间。

进一步地，所述步骤S4中各个相位的需求度为：

J_i＝f_pi·f_vi

式中，J_i为相位i的需求度，f_pi为相位i的排队消散指数，f_vi为相位i的出口道畅通指数；

当Y≥0.9，即在交叉口饱和状态下，有：

当Y＜0.9，即在交叉口不饱和状态下，有：

式中，I_xi为相位i的显示绿灯调整间隔时间，T_xi为相位i的车辆排队消散时间，v_i为相位i对应出口道的平均速度。

进一步地，所述步骤S6中限制指数为：

X_i＝f_l1+…+f_l(i-1)+f_l(i+1)…+f_lj

式中，X_i为相位i的限制指数，f_lj为相位j的紧迫指数，且j≠i；

当Y≥0.9，即在交叉口饱和状态下，有：

当Y＜0.9，即在交叉口不饱和状态下，有：

式中，T_xj为相位j的车辆排队消散时间，γ_j为相位j的车辆到达率，S_j为相位j的饱和流量。

进一步地，所述步骤S7中显示绿灯延长时间为：

式中，g_yi为相位i的显示绿灯延长时间。

进一步地，所述实际流量、饱和流量、预计显示绿灯时间和车辆到达率均通过在交叉口进口道布设的视频采集装置或雷达获取。

进一步地，所述出口道的平均速度通过交叉口出口道布设的视频采集装置或雷达或电磁感应线圈获取。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明以车辆排队消散时间为感知对象和控制目标，针对交叉口通行能力饱和与不饱和两种状态，根据排队消散指数和出口道畅通指数设计了优化指数，并根据其余相位的紧迫指数设计了当前相位的限制指数，依据优化指数和限制指数，通过延时方案调整函数，确定了当前相位的信号配时，实现了交叉口饱和和不饱和状态下的信号控制按需优化分配，避免了交通信号灯的不合理配时，增强了交叉口信号控制的适用性。

二、本发明通过计算交叉口各个相位的需求度大小，以确定当前相位，将“需求度最大”作为决定因素，能够减少不必要的等待时间，快速准确地确定下一个当前相位的顺序，从而更好地权衡交叉口各个相位进口道和出口道的需求状态，进一步提高交叉口的通行效率。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为实施例中单交叉口信号控制示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种基于车辆排队消散时间的单交叉口信号控制方法，包括以下步骤：

S1、获取单交叉口各个相位的实际流量和饱和流量；

S2、根据实际流量和饱和流量，计算得到各个相位的信号配时基础参数，其中，信号配时基础参数包括相位饱和度、交叉口饱和度、周期总损失时间、最佳周期时长和显示绿灯时间；

S3、根据信号配时基础参数，计算得到交叉口饱和与不饱和状态下各个相位的信号配时进阶参数，其中，信号配时进阶参数包括交叉口的最小周期以及各个相位对应的最小有效绿灯时间和最小显示绿灯时间、交叉口的最大周期以及各个相位对应的最大有效绿灯时间和最大显示绿灯时间；

S4、在绿灯初始时刻，获取各个相位的预计显示绿灯时间和各个相位出口道的平均速度，计算得到各个相位的需求度；

S5、选取需求度最大的相位作为当前相位，以当前相位的需求度作为当前相位的优化指数；

S6、在最小显示绿灯时间结束时，获取其余相位的车辆到达率，计算得到当前相位的限制指数；

S7、结合优化指数和限制指数，通过延时调整函数，计算得到当前相位的显示绿灯延长时间；

S8、当前相位结束之后，返回步骤S4，进行下一个当前相位的信号配时。

上述方法在实施例中的应用过程为：

B1、确定各个相位信号配时基本参数；

B2、确定各个相位信号配时进阶参数；

B3、绿灯开始时，计算优化指数；

B4、最小显示绿灯时间结束后，计算限制指数；

B5、按照延时方案调整函数确定当前相位延时；

B6、当前相位结束时，计算其余相位需求度，需求度最大的相位即为下一个当前相位；

具体地，步骤B1中的相位信号配时基础参数包括：

周期总损失时间L通过以下公式进行计算：

式中，i为相位编号，I_i为绿灯间隔时间，n为相位总数，l_i为相位损失时间，A_i为黄灯时间；

相位i饱和度y_i通过以下公式进行计算：

式中，q_i为相位i实际流量，S_i为相位i饱和流量；

交叉口饱和度Y通过以下公式计算：

最佳周期时长C₀通过以下公式计算：

具体地，根据交叉口饱和度，步骤B2中相位信号配时进阶参数分为2种情况：

第1种情况，当交叉口未饱和时，即交叉口饱和度Y＜0.9时，最小周期C_nsmin，相位i的最小有效绿灯时间和最小显示绿灯时间

通过以下公式计算：

C_nsmin＝0.75C₀

式中，d_i为i相位对应的行人过街设施长度，v_w为行人过街的速度。

最大周期C_nsmax，相位i的最大有效绿灯时间

和最大显示绿灯时间

通过以下公式计算：

C_nsmax＝max{60n，1.5C₀}

第2种情况，当交叉口达到饱和时，即交叉口饱和度Y＞0.9时，最小周期C_smin，相位i的最小有效绿灯时间

和最小显示绿灯时间

通过以下公式计算：

C_smin＝30n

最大周期C_smax，相位i的最大有效绿灯时间

和最大显示绿灯时间

通过以下公式计算：

C_smax＝60n

具体地，步骤B3中相位i的优化指数J_i通过以下公式计算：

J_i＝f_pi·f_vi

式中，f_pi为相位i的排队消散指数，f_vi为相位i的出口道畅通指数；

相位i的排队消散指数f_pi通过以下公式计算：

式中，I_xi为相位i的显示绿灯调整间隔时间，T_xi为相位i在绿灯初始时刻的预计显示绿灯时间，即车辆排队消散时间，因此，根据车辆排队消散时间与最小显示绿灯时间、最大显示绿灯时间的大小关系，f_pi共分为7个层级，分别对应输出0～6的指标值；

相位i的出口道畅通指数f_vi通过以下公式进行计算：

式中，v_i为相位i对应出口道的平均速度；

本实施例的单交叉口信号控制如图2所示，单交叉口信号控制所需的实际相位i流量q_i、饱和流量S_i、预计显示绿灯时间T_xi、车辆到达率γ_j通过在各个进口道布设的视频采集装置或雷达1获取，出口道的平均速度v_i通过在各个出口道布设的视频采集装置或雷达或线圈2获取，第一排队状态由车辆3组成，该部分车辆可以在小于最小显示绿灯时间的范围内消散；第二排队状态由车辆4组成，该部分车辆可在大于最小显示绿灯时间且小于最大显示绿灯时间范围内消散，在最小显示绿灯时间的基础上，通过延长显示绿灯时间，实现排队消散；第三排队状态由车辆5组成，该部分车辆在最大显示绿灯时间范围内也难以消散。

具体地，步骤B4中最小显示绿灯时间结束后，相位i的限制指数X_i通过以下公式计算：

X_i＝f_l1+…+f_l(i-1)+f_l(i+1)…+f_ln

式中，f_l1、…、f_ln分别为除相位i以外其余相位的紧迫指数；

相位i达到最小显示绿灯时刻时，结合相位j的车辆到达率γ_j，得到除相位i以外其余相位j的紧迫指数f_lj：

具体地，步骤B5中延时方案调整函数通过优化指数J_i和限制指数X_i共同决定显示绿灯延长时间g_yi，具体形式如下：

具体地，步骤B6中其余相位需求度M_j通过以下公式计算：

M_j＝f_vj·f_pj

实施例中，步骤B6中相位需求度与步骤B3中优化指数的计算公式一致，均通过当前相位“有多少车需要消散”和对应出口道的“下游的消散能力”进行计算，其中，步骤B3中优化指数是以当前相位的角度，计算当前相位的通行情况，步骤B6中需求度是以交叉口全周期的角度，计算交叉口中最需要放行的情况，从而得到下一个当前相位，以进行下一个当前相位的信号配时。

Claims (10)

1.一种基于车辆排队消散时间的单交叉口信号控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取单交叉口各个相位的实际流量和饱和流量；

S2、根据实际流量和饱和流量，计算得到各个相位的信号配时基础参数，其中，信号配时基础参数包括相位饱和度、交叉口饱和度、周期总损失时间、最佳周期时长和显示绿灯时间；

S3、根据信号配时基础参数，计算得到交叉口饱和与不饱和状态下各个相位的信号配时进阶参数，其中，信号配时进阶参数包括交叉口的最小周期以及各个相位对应的最小有效绿灯时间和最小显示绿灯时间、交叉口的最大周期以及各个相位对应的最大有效绿灯时间和最大显示绿灯时间；

S4、在绿灯初始时刻，获取各个相位的预计显示绿灯时间和各个相位出口道的平均速度，计算得到各个相位的需求度；

S5、选取需求度最大的相位作为当前相位，以当前相位的需求度作为当前相位的优化指数；

S6、在最小显示绿灯时间结束时，获取其余相位的车辆到达率，计算得到当前相位的限制指数；

S7、结合优化指数和限制指数，通过延时调整函数，计算得到当前相位的显示绿灯延长时间；

S8、当前相位结束之后，返回步骤S4，进行下一个当前相位的信号配时。

2.根据权利要求1所述的一种基于车辆排队消散时间的单交叉口信号控制方法，其特征在于，所述步骤S2中相位饱和度为：

式中，y_i为相位i的相位饱和度，q_i为相位i的实际流量，S_i为相位i的饱和流量；

交叉口饱和度为：

式中，Y为交叉口饱和度，n为相位总数；

周期总损失时间为：

式中，I_i为相位i的绿灯间隔时间，l_i为相位i的损失时间，A_i为相位i的黄灯时间；

最佳周期时长为：

显示绿灯时间为：

g_i＝g_ei-A_i+l_i

式中，g_i为相位i的显示绿灯时间，g_ei为相位i的有效绿灯时间。

3.根据权利要求2所述的一种基于车辆排队消散时间的单交叉口信号控制方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、判断交叉口饱和度是否满足第一预设条件：

Y≥0.9

若满足，则执行步骤S32，否则执行步骤S33；

S32、计算交叉口饱和状态下的最小周期以及各个相位对应的最小有效绿灯时间和最小显示绿灯时间、最大周期以及各个相位对应的最大有效绿灯时间和最大显示绿灯时间；

S33、计算交叉口不饱和状态下最小周期以及各个相位对应的最小有效绿灯时间和最小显示绿灯时间、最大周期以及各个相位对应的最大有效绿灯时间和最大显示绿灯时间。

4.根据权利要求3所述的一种基于车辆排队消散时间的单交叉口信号控制方法，其特征在于，所述步骤S32中交叉口饱和状态下的最小周期为：

C_smin＝30n

交叉口饱和状态下各个相位的最小有效绿灯时间为：

式中，

为交叉口饱和状态下相位i的最小有效绿灯时间；

交叉口饱和状态下各个相位的最小显示绿灯时间为：

式中，

为交叉口饱和状态下相位i的最小显示绿灯时间；

交叉口饱和状态下的最大周期为：

C_smax＝60n

交叉口饱和状态下各个相位的最大有效绿灯时间为：

式中，

为交叉口饱和状态下相位i的最大有效绿灯时间；

交叉口饱和状态下各个相位的最大显示绿灯时间为：

式中，

为交叉口饱和状态下相位i的最大显示绿灯时间。

5.根据权利要求4所述的一种基于车辆排队消散时间的单交叉口信号控制方法，其特征在于，所述步骤S33中交叉口不饱和状态下的最小周期为：

C_nsmin＝0.75C₀

交叉口不饱和状态下各个相位的最小有效绿灯时间为：

式中，

为交叉口不饱和状态下相位i的最小有效绿灯时间；

交叉口不饱和状态下各个相位的最小显示绿灯时间为：

式中，

为交叉口不饱和状态下相位i的最小显示绿灯时间，d_i为相位i对应的行人过街设施长度，v_w为行人过街的速度；

交叉口不饱和状态下的最大周期为：

C_nsmax＝max{60n,1.5C₀}

交叉口不饱和状态下各个相位的最大有效绿灯时间为：

式中，

为交叉口不饱和状态下相位i的最大有效绿灯时间；

交叉口不饱和状态下各个相位的最大显示绿灯时间为：

式中，

为交叉口不饱和状态下相位i的最大显示绿灯时间。

6.根据权利要求5所述的一种基于车辆排队消散时间的单交叉口信号控制方法，其特征在于，所述步骤S4中各个相位的需求度为：

J_i＝f_pi·f_vi

式中，J_i为相位i的需求度，f_pi为相位i的排队消散指数，f_vi为相位i的出口道畅通指数；

当Y≥0.9，即在交叉口饱和状态下，有：

当Y＜0.9，即在交叉口不饱和状态下，有：

式中，I_xi为相位i的显示绿灯调整间隔时间，T_xi为相位i的车辆排队消散时间，v_i为相位i对应出口道的平均速度。

7.根据权利要求6所述的一种基于车辆排队消散时间的单交叉口信号控制方法，其特征在于，所述步骤S6中限制指数为：

X_i＝f_l1+…+f_l(i-1)+f_l(i+1)…+f_lj

式中，X_i为相位i的限制指数，f_lj为相位j的紧迫指数，且j≠i；

当Y≥0.9，即在交叉口饱和状态下，有：

当Y＜0.9，即在交叉口不饱和状态下，有：

式中，T_xj为相位j的车辆排队消散时间，γ_j为相位j的车辆到达率，S_j为相位j的饱和流量。

8.根据权利要求7所述的一种基于车辆排队消散时间的单交叉口信号控制方法，其特征在于，所述步骤S7中显示绿灯延长时间为：

式中，g_yi为相位i的显示绿灯延长时间。

9.根据权利要求1所述的一种基于车辆排队消散时间的单交叉口信号控制方法，其特征在于，所述实际流量、饱和流量、预计显示绿灯时间和车辆到达率均通过在交叉口进口道布设的视频采集装置或雷达获取。

10.根据权利要求1所述的一种基于车辆排队消散时间的单交叉口信号控制方法，其特征在于，所述出口道的平均速度通过交叉口出口道布设的视频采集装置、雷达或电磁感应线圈获取。

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