CN110689737B - 寻求最大双向绿波带宽的干道协调相位绿灯时间优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了寻求最大双向绿波带宽的干道协调相位绿灯时间优化方法，包括以下步骤：S1、确定交叉口基本信号配时；S2、确定信号配时参数公共信号周期与交叉口相位相序；S3、根据各个交叉口上下行方向协调相位的最小绿灯时间及其偏移绿灯时间，计算协调方向的基础绿波带宽；S4、调整瓶颈交叉口绿灯时间，分方向分析瓶颈交叉口的位置，根据瓶颈交叉口所处的位置以及数量，逐秒分配绿灯时间；S5、根据非对称放行方式下的数解法，选取相位差基准点，计算得到交叉口相位差；S6、获取最大双向绿波带宽设计方案。本发明实现了对上行与下行方向协调相位绿灯时间的优化，为获得最大双向绿波带宽协调控制方案提供了一种优化设计方法。

Description

寻求最大双向绿波带宽的干道协调相位绿灯时间优化方法

技术领域

本发明涉及交通信号控制领域，特别涉及寻求最大双向绿波带宽的干道协调相位绿灯时间优化方法。

背景技术

目前，模型法、图解法、数解法是进行干道双向绿波协调设计的三种主要方法，其中数解法运用解耦的思想有效地解决了协调方案求解所面临的维数灾难问题，具有可操作性强、设计简便、计算量较小、方案效果较优等优点，其整体综合性能好，可以满足干道绿波协调控制设计的要求，成为国内外干道绿波协调控制算法研究中的热点。现有的双向绿波协调控制数解算法已不受干道上交叉口信号相位设置方式、双向行驶速度、交叉口双向间距的限制，能够较好地适应干道不同方向上的非对称通行条件，可以对干道公共信号周期、交叉口信号相位组合和交叉口相位差进行整体优化设计，然而却无法对上下行方向协调相位的绿灯时间进行优化，只能事先将上下行方向协调相位的绿灯时间固定下来，再利用数解算法进行绿波协调设计方案的优化求解。

现有的绿波协调控制设计方法通常先考虑满足非协调相位的绿灯时间要求，然而将剩余的交叉口绿灯时间平均或者按照事先设定的比例分配到上行与下行方向的协调相位。事实上，这种传统的设计思路忽视了将上行与下行方向协调相位绿灯时间作为绿波带宽优化变量的重要性，故而常常难以找到真正意义上的最大双向绿波带宽设计方案。

因此，如何从双向绿波带宽最大化的角度出发，建立寻求最大双向绿波带宽的干道协调相位绿灯时间优化方法，具有非常重要的现实意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供寻求最大双向绿波带宽的干道协调相位绿灯时间优化方法，更加科学的分配上行方向与下行方向协调相位的绿灯时间。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明公开了寻求最大双向绿波带宽的干道协调相位绿灯时间优化方法，包括下述步骤：

S1、确定交叉口基本信号配时，即确定各个交叉口上行方向协调相位最小绿信比、下行方向协调相位最小绿信比、非协调相位绿信比；

S2、确定信号配时参数公共信号周期与交叉口相位相序；

S3、根据各个交叉口上下行方向协调相位的最小绿灯时间及其偏移绿灯时间，计算协调方向的基础绿波带宽；

S4、调整瓶颈交叉口绿灯时间，分方向分析瓶颈交叉口的位置，根据瓶颈交叉口所处的位置以及数量，逐秒分配绿灯时间；

S5、根据非对称放行方式下的数解法，选取相位差基准点，计算得到交叉口相位差；

S6、根据步骤S1-S5中得到的信号配时参数公共信号周期、交叉口相位相序、绿灯时间和相位差，获取最大双向绿波带宽设计方案。

作为优选的技术方案，步骤S2具体为：

S21、当交叉口干道方向采用对称放行方式时，将交叉口富余绿灯时间全部分配给协调相位，此时上行方向与下行方向的协调相位绿灯中心时刻点重合；当交叉口干道方向采用搭接放行方式时，将交叉口富余绿灯时间全部分配给上行方向与下行方向的绿灯时间搭接部分，此时上行方向与下行方向的协调相位绿灯中心时刻点相对位置固定不变；当交叉口干道方向采用单独放行方式时，需要将交叉口富余绿灯时间合理地分配给上行方向与下行方向的协调相位，此时上行方向与下行方向的协调相位绿灯中心时刻点相对位置也固定不变；

S22、利用非对称放行方式下的数解法，以最大偏移绿信比之和最小为原则，确定最佳公共信号周期与交叉口相位相序。

作为优选的技术方案，步骤S22具体为：

计算离实际交叉口最近的理想交叉口位置，选取公共周期范围内各个周期下离实际交叉口最近的理想交叉口，根据理想交叉口与实际交叉口的位置偏差，计算偏移绿信比，以最大偏移绿信比之和最小为原则，选取最佳公共周期，根据理想交叉口的相位相序确定实际交叉口的相位相序。

作为优选的技术方案，步骤S3中计算协调方向基础绿波带宽的计算方法具体为：

B_U为上行协调方向基础绿波带宽，λ_Ui为上行方向交叉口i的绿信比，Δλ_Udi为上行方向当交叉口i处于理想交叉口下游时的偏移绿信比，Δλ_Uuj为上行方向当交叉口j处于理想交叉口上游时的偏移绿信比；

B_D为下行协调方向基础绿波带宽，λ_Di为下行方向交叉口i的绿信比，Δλ_Dui为下行方向当交叉口i处于理想交叉口上游时的偏移绿信比，Δλ_Ddj为下行方向当交叉口j处于理想交叉口下游时的偏移绿信比。

作为优选的技术方案，步骤S4具体为：

S41、找出上行方向与下行方向的绿波带瓶颈交叉口，计算各个瓶颈交叉口可供分配的绿灯时间大小；

S42、当上行方向与下行方向瓶颈交叉口可供分配的绿灯时间均小于1s时，进入步骤S47；否则，进入步骤S43；

S43、当上行方向瓶颈交叉口可供分配的绿灯时间小于1s时，进入步骤S45；否则，进入步骤S44；

S44、当上行方向绿波带的上方瓶颈交叉口数量多于下方瓶颈交叉口数量时，将上行方向绿波带的所有下方瓶颈交叉口绿灯中心基准时刻线的下方绿灯时间增加1s；当上行方向绿波带的上方瓶颈交叉口数量等于或少于下方瓶颈交叉口数量时，将上行方向绿波带的所有上方瓶颈交叉口绿灯中心基准时刻线的上方绿灯时间增加1s；

S45、当下行方向瓶颈交叉口可供分配的绿灯时间小于1s时，进入步骤S41；否则，进入步骤S46；

S46、当下行方向绿波带的上方瓶颈交叉口数量多于下方瓶颈交叉口数量时，将下行方向绿波带的所有下方瓶颈交叉口绿灯中心基准时刻线的下方绿灯时间增加1s，进入步骤S41；当下行方向绿波带的上方瓶颈交叉口数量等于或少于下方瓶颈交叉口数量时，将下行方向绿波带的所有上方瓶颈交叉口绿灯中心基准时刻线的上方绿灯时间增加1s，进入步骤S41；

S47、将各个交叉口剩余的可供分配的绿灯时间均匀分配给上行方向与下行方向。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明由于选取上行方向与下行方向协调相位绿灯时间作为绿波带宽优化变量，解决了如何科学合理分配上行方向与下行方向协调相位的绿灯时间的技术问题，从而达到协调设计方案双向绿波带宽最大化的技术效果。

2、本发明采用干道公共信号周期、交叉口相位相序、交叉口相位差和交叉口相位时间的整体优化设计，为交通信号协调优化空间增加了相位时间这一个优化维度。

附图说明

图1是本发明寻求最大双向绿波带宽的干道协调相位绿灯时间优化方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

假设某条东西走向干道上有由西往东的A、B、C共3个信号交叉口，相邻交叉口间距依次为500m、400m，交叉口A与交叉口B之间的绿波带速度为10m·s^-1，交叉口B与交叉口C之间的绿波带速度为15m·s^-1。各交叉口东西进口的信号相位设置方式均不受限制，南北进口均采用进口单独放行相位，各交叉口总的相位绿信比为1(忽略损失时间的影响)，相关信号配时要求如表1所示，各交叉口东西方向放行相位最小绿信比设置要求如表2所示。

表1各交叉口的信号配时要求

表2各交叉口东西方向放行相位最小绿信比设置要求

本实施例包括以下实施步骤：

第一步：确定交叉口基本信号配时；

将由东往西方向定义为上行方向，由西往东方向定义为下行方向。确定各个交叉口上行方向协调相位最小绿信比、下行方向协调相位最小绿信比如表3所示，非协调相位绿信比取值如表1所示。

表3各交叉口协调方向放行相位最小绿信比设置要求

第二步：确定信号配时参数公共信号周期与交叉口相位相序；

(1)当交叉口A、交叉口B、交叉口C干道方向采用对称放行或搭接放行方式时，其绿信比分配如表4所示；当交叉口A、交叉口B、交叉口C干道方向采用单独放行方式时，需要通过后续步骤实现对绿灯时间的合理分配。

表4各交叉口干道方向采用对称放行或搭接放行方式时协调方向的绿信比分配

(2)由表1可以确定，干道公共信号周期取值范围为[80,110]s，利用数解法(卢凯,刘永洋,吴焕,等.非对称通行条件下的双向绿波协调控制数解算法[J].中国公路学报,2015,28(6):95-103.)计算可知，当公共信号周期取为102s时，最大偏移绿信比之和为0(达到最小)，此时交叉口A采用西南东北放行方式、交叉口B采用西南东北放行方式、交叉口C采用东西对称放行方式。

第三步：计算协调方向的基础绿波带宽；

(1)交叉口A、交叉口B与交叉口C的上行方向协调相位偏移绿灯时间均为0s；交叉口A、交叉口B与交叉口C的下行方向协调相位偏移绿灯时间也均为0s。

(2)计算上行方向各交叉口的绿灯中心时刻线上方与下方绿灯时间及基础绿波带宽如表5所示，计算下行方向各交叉口的绿灯中心时刻线上方与下方绿灯时间及基础绿波带宽如表6所示。

表5上行方向基础绿波带宽(s)

表6下行方向基础绿波带宽(s)

第四步：调整瓶颈交叉口绿灯时间

(1)上行方向的绿波带瓶颈交叉口为交叉口A，下行方向的绿波带瓶颈交叉口为交叉口B；交叉口A可供分配的绿灯时间为4s，交叉口B可供分配的绿灯时间为2s。

(2)对于上行方向，由于交叉口A可供分配的绿灯时间大于1s，且上行方向绿波带的上方瓶颈交叉口与下方瓶颈交叉口同为交叉口A，因此将交叉口A绿灯中心基准时刻线的上方绿灯时间增加1s，第一次调整后上行方向绿波带宽如表7所示。

表7第一次调整后上行方向绿波带宽(s)

(3)对于下行方向，由于交叉口B可供分配的绿灯时间大于1s，且下行方向绿波带的上方瓶颈交叉口与下方瓶颈交叉口同为交叉口B，因此将交叉口B绿灯中心基准时刻线的上方绿灯时间增加1s，第二次调整后下行方向绿波带宽如表8所示。

表8第二次调整后下行方向绿波带宽(s)

(4)上行方向的绿波带瓶颈交叉口为交叉口A与交叉口B，下行方向的绿波带瓶颈交叉口为交叉口B；交叉口A可供分配的绿灯时间为3s，交叉口B可供分配的绿灯时间为1s。

(5)对于上行方向，由于交叉口A与交叉口B可供分配的绿灯时间大于1s，且上行方向绿波带的上方瓶颈交叉口为交叉口A与交叉口B、下方瓶颈交叉口为交叉口A，因此将交叉口A绿灯中心基准时刻线的下方绿灯时间增加1s，第三次调整后上行方向绿波带宽如表9所示。

表9第三次调整后上行方向绿波带宽(s)

(6)对于下行方向，由于交叉口B可供分配的绿灯时间等于1s，且下行方向绿波带的上方瓶颈交叉口与下方瓶颈交叉口同为交叉口B，因此将交叉口B绿灯中心基准时刻线的上方绿灯时间增加1s，第四次调整后下行方向绿波带宽如表10所示。

表10第四次调整后下行方向绿波带宽(s)

(7)上行方向的绿波带瓶颈交叉口为交叉口A与交叉口B，下行方向的绿波带瓶颈交叉口为交叉口B；交叉口A可供分配的绿灯时间为2s，交叉口B无可供分配的绿灯时间。

(8)由于交叉口B既是上行方向的绿波带瓶颈交叉口，也是下行方向的绿波带瓶颈交叉口，且无可供分配的绿灯时间，因此直接将交叉口A剩余的可供分配的绿灯时间均匀分配给上行方向与下行方向，各交叉口协调方向的绿灯时间分配结果如表11所示。

表11各交叉口协调方向的绿灯时间分配结果(s)

第五步：计算交叉口相位差；

根据非对称放行方式下的数解法，以由西往东行驶方向作为参考方向，选取交叉口A西进口绿灯启亮时刻作为相位差基准点，计算得到交叉口A的绝对相位差为0s，交叉口B的绝对相位差为52s，交叉口C的绝对相位差为67s。

第六步：获取最大双向绿波带宽设计方案；

根据上述步骤整理得到最大双向绿波带宽信号配时方案为：1)公共信号周期取为102s。2)交叉口A采用西南东北放行方式、交叉口B采用西南东北放行方式、交叉口C采用东西对称放行方式。3)交叉口A东进口绿灯时间为38s，西进口绿灯时间为28s，南进口绿灯时间为18s，北进口绿灯时间为18s；交叉口B东进口绿灯时间为37s，西进口绿灯时间为24s，南进口绿灯时间为23s，北进口绿灯时间为18s；交叉口C东西直行绿灯时间为47s，东西左转绿灯时间为23s，南进口绿灯时间为18s，北进口绿灯时间为14s。4)以交叉口A西进口绿灯启亮时刻作为相位差基准点，交叉口A的绝对相位差为0s，交叉口B的绝对相位差为52s，交叉口C的绝对相位差为67s。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.寻求最大双向绿波带宽的干道协调相位绿灯时间优化方法，其特征在于，包括下述步骤：

S1、确定交叉口基本信号配时，即确定各个交叉口上行方向协调相位最小绿信比、下行方向协调相位最小绿信比、非协调相位绿信比；

S2、确定信号配时参数公共信号周期与交叉口相位相序；

S3、根据各个交叉口上下行方向协调相位的最小绿灯时间及其偏移绿灯时间，计算协调方向的基础绿波带宽；

S4、调整瓶颈交叉口绿灯时间，分方向分析瓶颈交叉口的位置，根据瓶颈交叉口所处的位置以及数量，逐秒分配绿灯时间；

S5、根据非对称放行方式下的数解法，选取相位差基准点，计算得到交叉口相位差；

S6、根据步骤S1-S5中得到的信号配时参数公共信号周期、交叉口相位相序、绿灯时间和相位差，获取最大双向绿波带宽设计方案。

2.根据权利要求1所述寻求最大双向绿波带宽的干道协调相位绿灯时间优化方法，其特征在于，步骤S2具体为：

S21、当交叉口干道方向采用对称放行方式时，将交叉口富余绿灯时间全部分配给协调相位，此时上行方向与下行方向的协调相位绿灯中心时刻点重合；当交叉口干道方向采用搭接放行方式时，将交叉口富余绿灯时间全部分配给上行方向与下行方向的绿灯时间搭接部分，此时上行方向与下行方向的协调相位绿灯中心时刻点相对位置固定不变；当交叉口干道方向采用单独放行方式时，需要将交叉口富余绿灯时间合理地分配给上行方向与下行方向的协调相位，此时上行方向与下行方向的协调相位绿灯中心时刻点相对位置也固定不变；

S22、利用非对称放行方式下的数解法，以最大偏移绿信比之和最小为原则，确定最佳公共信号周期与交叉口相位相序。

3.根据权利要求2所述寻求最大双向绿波带宽的干道协调相位绿灯时间优化方法，其特征在于，步骤S22具体为：

计算离实际交叉口最近的理想交叉口位置，选取公共周期范围内各个周期下离实际交叉口最近的理想交叉口，根据理想交叉口与实际交叉口的位置偏差，计算偏移绿信比，以最大偏移绿信比之和最小为原则，选取最佳公共周期，根据理想交叉口的相位相序确定实际交叉口的相位相序。

4.根据权利要求1所述寻求最大双向绿波带宽的干道协调相位绿灯时间优化方法，其特征在于，步骤S3中，计算协调方向基础绿波带宽的计算方法为：

B_U为上行协调方向基础绿波带宽，λ_Ui为上行方向交叉口i的绿信比，Δλ_Udi为上行方向当交叉口i处于理想交叉口下游时的偏移绿信比，Δλ_Uuj为上行方向当交叉口j处于理想交叉口上游时的偏移绿信比；

B_D为下行协调方向基础绿波带宽，λ_Di为下行方向交叉口i的绿信比，Δλ_Dui为下行方向当交叉口i处于理想交叉口上游时的偏移绿信比，Δλ_Ddj为下行方向当交叉口j处于理想交叉口下游时的偏移绿信比。

5.根据权利要求1所述寻求最大双向绿波带宽的干道协调相位绿灯时间优化方法，其特征在于，步骤S4具体为：

S41、找出上行方向与下行方向的绿波带瓶颈交叉口，计算各个瓶颈交叉口可供分配的绿灯时间大小；

S42、当上行方向与下行方向瓶颈交叉口可供分配的绿灯时间均小于1s时，进入步骤S47；否则，进入步骤S43；

S43、当上行方向瓶颈交叉口可供分配的绿灯时间小于1s时，进入步骤S45；否则，进入步骤S44；

S44、当上行方向绿波带的上方瓶颈交叉口数量多于下方瓶颈交叉口数量时，将上行方向绿波带的所有下方瓶颈交叉口绿灯中心基准时刻线的下方绿灯时间增加1s；当上行方向绿波带的上方瓶颈交叉口数量等于或少于下方瓶颈交叉口数量时，将上行方向绿波带的所有上方瓶颈交叉口绿灯中心基准时刻线的上方绿灯时间增加1s；

S45、当下行方向瓶颈交叉口可供分配的绿灯时间小于1s时，进入步骤S41；否则，进入步骤S46；

S46、当下行方向绿波带的上方瓶颈交叉口数量多于下方瓶颈交叉口数量时，将下行方向绿波带的所有下方瓶颈交叉口绿灯中心基准时刻线的下方绿灯时间增加1s，进入步骤S41；当下行方向绿波带的上方瓶颈交叉口数量等于或少于下方瓶颈交叉口数量时，将下行方向绿波带的所有上方瓶颈交叉口绿灯中心基准时刻线的上方绿灯时间增加1s，进入步骤S41；

S47、将各个交叉口剩余的可供分配的绿灯时间均匀分配给上行方向与下行方向。

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