CN111081038A - 平面十字路口四向绿波和具有四向绿波效果的区域协调控制及实现方法 - Google Patents

Abstract

采用交通信号控制技术，在城市路网的平面十字路口实行四向绿波及具有四向绿波效果的面控。设计方法主要为立体模型法，平面时距图法是该方法的简化，还包括既遵循立体模型法的思路又不必显示立体模型和平面时距图的其他数学模型、计算机程序、动画试错反推等方法。所有方法都遵守的原则是：在每路口的纵向道路时间立面和横向道路时间立面相交的时间轴上，分别让两个立面上各自双向绿波的上、下行信号阶段尽量重合或相交，若相离，则要让离开的时间能够插入其他相位，让纵向立面上的双向绿波的放行阶段与横向立面上的双向绿波的放行阶段彻底分开。据此，建立了综合或分立的具有设计、验证、仿真显示、报告数据、在线运行等功能的四向绿波模型、方法。

Description

平面十字路口四向绿波和具有四向绿波效果的区域协调控制 及实现方法

技术领域

本发明属于城市道路交通管理领域，涉及一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，特别是城市道路交通信号控制技术。

背景技术

提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法有很多。一类是拓展道路空间、通过标志标线和隔离护栏的“渠化”，实现行人、非机动车、机动车的空间分离，以及实现不同行进方向车辆的车道分离；一类是结合“空间分离”发展城市道路交通信号控制技术，对交通参与者进行灵活的“时间分离”。

在城市道路交通信号控制技术中，把对一个平面交叉路口(以下简称为路口)的控制称为点控，把对一条道路上若干个相邻路口的协调控制称为线控，把对纵横相交道路的路口群协调控制叫区域控制或面控。

为提高城市路网中平面交叉路口的通行能力，线控和面控早就成为了重点研究的技术。其中线控技术已经摆脱了路口间距不相等的羁绊，进入了双向绿波的时代。本申请人2014年就在湖南长沙潇湘大道实现了省会城市交通主干道的长距离、多路口、快速度、大流量的双向绿波控制。

但是，在一个十字路口由两条双向绿波相交形成四向绿波，进而形成具有四向绿波效果的面控，目前还没有公开的文献及案例报道，就连GB/T 31418-2015《道路交通信号控制系统术语》中，还没有出现“四向绿波”这样的词条。

发明内容：

本发明克服了下列传统误区：

一是认为，在十字路口中，双向绿波道路的相位时间挤占了另一条相交道路的相位时间，牺牲了相交道路的通行能力。

二是由第一个误区延伸，不相信在一个十字路口可以由两条双向绿波相交形成四向绿波，更不相信能够形成达到四向绿波效果的面控。

三是把提高城市路网中平面交叉路口通行能力的途径，过分集中在对红绿灯控制设备、控制软件及传统经验公式的完善。

本发明认为：

一、四向绿波控制采用的信号阶段，与非四向绿波控制采用的信号相位是等效的。论述如下。

在同一个十字路口，当入口车道数、平均车头时距不变的情况下，将传统信号控制的“南、北直行→南、北左转”两个相位同四向绿波控制用到的“南或北入口单独放行→南、北直行→北或南入口单独放行”三个阶段相比较，南、北入口的左、直交通流所得到的通行时间是相等的，即通行能力是等效的。

同理，上述相等和等效对于东西入口当然也适用。

那么，一个路口的“南、北直行→南、北左转→东、西直行→东、西左转”四相位控制，与“南或北入口单独放行→南、北直行→北或南入口单独放行→东或西入口单独放行→东、西直行→西或东入口单独放行”六阶段控制是等效的；进一步，“南、北直行→南、北左转→东或西入口单独放行→东、西直行→西或东入口单独放行”，以及“东、西直行→东、西左转→南或北入口单独放行→南、北直行→北或南入口单独放行”，以及“南或北入口单独放行→北或南入口单独放行→东或西入口单独放行→西或东入口单独放行”等等，它们都是等效的。

总而言之，在确保安全的前提下，路口为实现四向绿波所采用的各种信号阶段，包括不受限制地对公知相位和阶段的混合使用、重复使用、部分舍弃及各种顺序变化的排列，与该路口非绿波控制时的相位等效，不存在挤占另一条相交道路相位时间的问题。

二、两条双向绿波道路在一个十字路口相交形成四向绿波的必要条件包括：两条双向绿波道路的周期随交通状况的变化而动态统一、每一方向的绿波车速在每一路段都处在大多数车辆正常行驶的速度范围、纵向和横向直行通过该路口的双向绿波车流在时间上分离。

三、N条纵向双向绿波道路与M条横向双向绿波道路相交于N*M个路口，形成具有四向绿波效果的面控的必要条件包括：全部参加面控的四向绿波路口的周期随交通状况的变化而动态统一、每一方向的绿波车速在每一路段都处在大多数车辆正常行驶的速度范围、纵向和横向直行通过每个参加面控路口的双向绿波车流在时间上分离。

若两条双向绿波在一个路口形成对称左转或右转的四向绿波，则不须对双向绿波车流作时间上的分离。

四、实现“纵向和横向直行通过路口的双向绿波车流在时间上分离”的方法包括：在时间轴上安排放行的阶段时，优先定位纵向和横向双向绿波车流分离通行的信号阶段，用立体模型表示，就是在每路口的纵向道路时间立面和横向道路时间立面相交的时间轴上，优先定位纵向和横向双向绿波车流分离通行的信号阶段，用平面模型表示，就是每一条纵(横)向双向绿波道路上的每一个路口，必须和每一条相交的横(纵)向双向绿波道路上的同名路口统一周期、相位、相序和相位差。(相位差为周期的起始时间与规定的基准时间的时间差，或者为与指定参照路口周期的起始时间之差)。不用立体模型和平面时距图表示的，譬如其他数学工具模型、计算机程序、甚至动画试错反推法，不论其周期、相位、相序、相位差的产生途径如何，都遵循此分离方法。

五、设计四向绿波与设计双向绿波的区别包括：双向绿波用建立时间和距离的平面模型得出，四向绿波用建立时间和空间的立体模型得出，其他实现四向绿波的方法虽然不显示立体模型，但思路是立体模型的思路。

六、设计四向绿波的核心要求包括：在每处纵向道路时间立面和横向道路时间立面相交的时间轴上，分别让两个立面上各自的双向绿波的上、下行阶段尽量重合或相交，若相离，则要让离开的时间能够插入其他相位，让纵向立面上的双向绿波的放行阶段与横向立面上的双向绿波的放行阶段彻底分开。此要求也适用于立体模型法、平面时距图法以外的其他方法。

七、设计、验证、仿真显示、报告数据、在线运行四向绿波时，涉及的求解计算包括但不限于下列：

每周期、每相位的通行能力与交通需求的动态平衡控制；

每周期、每相位路段与路口通行能力的动态平衡控制；

每周期、每相位上游路口各相位涌向下游路口的流量和时机的动态平衡控制；

周期、相位、相序、相位差随交通态势变化而平滑过渡控制；

局部路口的周期、相位、相位差需要微调时，容许的调整时机和幅度的控制；

上述求解计算包括联立求解，包括由点到面法和由线到面法，求解得到的周期、相位、相序和相位差，须满足上下游路口之间通行能力与通行需求相匹配、路口与路段之间通行能力相匹配、每放行阶段的通行能力与通行需求相匹配。

八、不追求在不具备条件的道路上实现四相绿波，不排除对个别瓶颈路口采取一定的交通工程措施。

本发明在克服认识误区的基础上，已经完成了下列设计实例，找到了四向绿波的设计方法并建立了模型：

一是在两条城市主干道相交的十字路口由两条双向绿波相交形成四相绿波，以及类似的“王”字形、“丰”字形四向绿波。

二是由四条双向绿波道路相交的“口”和“井”字形、由六条双向绿波道路相交的“田”字形、由八条双向绿波道路相交于十六个路口、由十条双向绿波道路相交交于二十五个路口、由二十条双向绿波道路相交于一百个路口的有四向绿波效果的面控。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

基于二维平面地图，以横向道路为X轴方向，以纵向道路为Y轴方向，在每个路口的位置竖立表示时间的Z轴，构成三维的时空空间。统一规定Z轴上的时间刻度和X轴、Y轴上的道路比例尺。

将第一条横向道路的各路口连成一条水平线(很多情况下是折线和曲线，可以按其长度等效为直线)，将该连线沿Z轴平行提升，形成横向道路(1)的时间立面。

用同样的方法，可以形成各条横向道路(1～m)的m个时间立面，以及形成各条纵向道路(1～ n)的n个时间立面。

n+m个纵、横道路的时间立面相交后，路网的三维时空空间就形成了以纵、横道路决定的底面，时间轴Z为高的透明的路网时空立柱。每条纵、横道路的时间立面，就是绘制时距图的工作面。

把各纵、横道路时间立面的顶部按道路的宽度画出厚度，描出中心线和车道线，再按一定的时间间隔从水平面截片，路网的三维时空空间就是由无数张瞬时路网交通状态图堆叠起来的透明的地图立柱。

在该三维立体模型的顶面及每个水平截面上，反映包括路网的拓扑结构和路口、路段的几何数据、每入口的各种导向车道数及长度、每出口的车道数、标志标线、车辆位置等各种信息。

该三维立体模型的各条纵、横道路的时间立面，就是N+M张透明的由N条纵向道路双向绿波时距图和M条横向道路双向绿波时距图相交构成的四向绿波时距图，能反映流量、速度、车头时距、车辆间距、排队长度。当双向绿波车流在某路口是左、右转弯时，绿波时距图也左、右转折。

三维立体模型顶面的路网图和立面的时距图上的信息是逻辑映射关系，顶面路网图和立面时距图可以分开表现。

四向绿波三维立体模型就是四向绿波时距图和瞬时路网交通状态图的映射结合体，是记录车辆时空位置的载体，是仿真效果演示和在线控制方案互联和转换的载体，是设计、检验、报告数据、仿真显示及在线运行四向绿波的工具。该模型是可量化的逻辑模型，适合用于人工智能的自学习训练。在设计、检验、显示及在线运行四向绿波时，可遵循该模型的思路，整体显示、局部显示、分开显示、用平面方式显示甚至不显示该模型本身的外在形象。

将路网中辆车所在的时空位置标定到模型里，观察该三维立体模型的顶面，可以看到某一时刻车辆在道路上的空间分布，同时观察模型顶面和纵、横道路的时间立面，可以看到辆车的时空轨迹。

依大量车辆时空轨迹，可发现不同季节、不同气候、不同时段每入口每周期左、直、右、掉头车辆的数量及其增减规律、每路段的流量、速度、车头时距、车辆间距以及它们之间的对应关系、每入口每相位在绿灯启亮时和结束时的车辆排队长度，以及观察现有周期、相位、相序、相位差是否合理。

把从模型中看到的车辆、道路的时空数据进行下列(但不限于下列)综合求解运算：

主要用于决定周期、相位的“每相位的通行能力与交通需求的动态平衡”求解运算；

主要用于决定周期、相位的“每周期路段与路口通行能力的动态平衡”求解运算；

主要用于决定决定周期、相位、相位差和相序的“每周期上游路口各相位涌向下游路口的流量和时机的动态平衡”求解运算；

主要用于决定分时段或自适应控制的“周期、相位、相序、相位差随交通态势变化而平滑过渡”求解运算；

主要用于求解“局部路口的周期、相位、相位差需要微调时，容许的幅度和时机”的运算。

上述求解是联立求解。

求解的过程中包括由点到面法和由线到面法等方法。

由点到面法是以一个关键路口为中心，关联周围最近的四个路口，构成第一个四向绿波路口，然后再以刚才旁边的一个路口为中心，再关联周围最近的四个路口，构成第二个四向绿波路口……

由线到面法是在N条纵向道路的时间立面上，形成N条纵向道路的双向绿波，在M条横向道路的立面上，形成M条与每条纵向双向绿波在时间上相分离的横向道路的双向绿波。

不论由点到面还是由线到面，都包括信息采集、计算和作图等作业，由计算机单独完成或人工完成均可。以可视化形式描述作业的主要内容，就是在各纵向、横向时间立面的时距图上，调整绿波带从上游路口到下游路口的“块面形状”(即绿波的首车速度、平均速度、末车速度和相位时长)和“上下位置”(即首车、末车出发和到达的时机)。由点到面法每次调整的绿波涉及的路口少线路短，由线到面法每次调整的绿波涉及的路口多线路长。不论何种方法，都需要不断地迭代才能趋向最优，才能跟上变化的交通态势。两种方法常混合使用。

为减少信息采集量和计算量，可只关心绿波车队的首车和末车每时每刻所在的位置、方向和速度。首车和末车之间的距离，就是绿波车队的长度。在设计、检验、报告数据、仿真显示及在线运行四向绿波和双向绿波时，把所“期望的绿波车队长度”转换为“四相绿波和双向绿波的绿灯在道路上的服务区”的概念，其涵义就是：“处在这个服务区内的车辆，能享受一路绿灯”。

四相绿波和双向绿波的绿灯在道路上的服务区展示于三维立体模型的顶面。某时刻某地点某个绿波服务区的前、后位置，与纵、横道路时间立面上时距图中绿波车队的首、末车辆的时空位置对应。

设计和运行四向绿波的本质，就是每时每刻调整绿波服务区的位置和长度，让他符合路网运行四向绿波的实际要求。

结合通讯及车辆网、物联网技术，把四相绿波服务区推送给车辆，即为新型的具有四向绿波效果的智能交通系统。

从三维立体模型顶面，根据某个位置绿波服务区的长度和该路段的车道数及车头间距，可算出该绿波车队可能容纳的车辆数。

形成四向绿波面控之后，路网中所有的纵、横道路上会形成很个绿波服务区。沿模型的Z轴滑动由X轴*Y轴所形成的平面，可以截出具体时刻绿波服务区的分布位置、长度，将这些信息结合车道数和车头间距，可计算出某路口的某放行阶段、或某方向的路段、或整个路网分别有多少车在享受四相绿波，若把一个时间段已经驶离的车辆加进来，则可推断整个路网在某一时段的总通行量。

按叠加成动画的方式展示沿模型Y轴滑动所截取的平面，得到的就是四相绿波绿灯服务区移动的状态，就是以一个车队为单位进行的交通仿真。绿灯服务区向前移动的速度，就是车队行驶的速度。观察它们是否有绿冲突、是否流畅、是否符合路面大多数车辆的行驶速度，是否达到理论上的最大通行能力，是判定四向绿波是否设计成功及设计水平高下的方法。

城市交通控制系统在线运行该模型时，模型所展示的四向绿波绿灯服务区移动的状态，就是路网中绿灯放行的实时状态，就是城市路网运行的目标。

依本技术方案实现上下游路口之间通行能力与通行需求相匹配、路口与路段之间通行能力相匹配、每放行阶段的通行能力与通行需求相匹配，形成具有四向绿波效果的面控，将会让城市的主干路网像轨道交通那样精准运行。

本发明的有益效果是：

发明了一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法：实现四向绿波进而形成具有四相绿波效果的区域协调面控。

克服了传统的认识误区，指出四向绿波控制采用的放行阶段与传统控制采用的相位是等效的，在一个周期中可不受限制地混合使用、重复使用、部分使用、及变化排列顺序地使用公知相位。同时指出了两条双向绿波道路在一个十字路口相交形成四向绿波、以及N条纵向双向绿波道路与M条横向双向绿波道路相交于N*M个路口，形成具有四向绿波效果面控的必要条件。提出了实现“纵向和横向直行通过路口的双向绿波车流在时间上分离”的方法，指出了设计四向绿波的核心要求是：“在每处纵向道路时间立面和横向道路时间立面相交的时间轴上，分别让两个立面上各自的双向绿波的上、下行阶段尽量重合或相交，若相离，则要让离开的时间能够插入其他相位，让纵向立面上的双向绿波的放行阶段与横向立面上的双向绿波的放行阶段彻底分开”。展示了“相位、相序、周期、相位差以及它们随交通态势变化而平滑过渡”、“容许局部路口控制参数微调的时机和幅度”等求解项目，及求解过程的由点到面和由线到面等方法。发明了设计、验证、报告数据、仿真显示和在线运行四向绿波的立体模型，及其顶面和纵、横立面包涵的信息，提出了绿波服务区的概念及用途，指出设计和运行四向绿波的本质。结合人工智能、通讯及车联网、物联网技术，把四相绿波服务区推送给车辆，可形成新型具有四向绿波效果的智能交通；将绿波服务区信息结合车道数和车头间距，可计算出某路口的放行阶段、某方向的路段、整个路网分别可以有多少车在享受四相绿波，以及这些车的行驶速度，还可推断整个路网在某一时段的通行量。按叠加成动画的方式展示绿灯服务区移动的状态，就是四向绿波的交通仿真，观察它们是否有绿冲突、是否流畅、是否符合路面大多数车辆的行驶速度、是否达到理论上的最大通行量，是判定四向绿波是否成功的方法；城市交通控制系统在线运行该模型时，所展示的四向绿波绿灯服务区移动的状态，就是城市路网交通状态的实时仿真和运行的目标。依本发明的方案实现上下游路口之间通行能力与通行需求相匹配、路口与路段之间通行能力相匹配、每放行阶段的通行能力与通行需求相匹配，形成具有四向绿波效果的面控，将会让城市主干路网像轨道交通那样精准运行。

四向绿波能使纵、横道路上大多数车辆不停车快速通过路口，使路口的通行能力增大，排队长度缩短，从个人角度看，可节省驾驶人的开车时间，节省油料开支，从城市路网看，可预期车速、可统计流量，可减少碳排放，能让交通高峰期推迟到来提前结束，呈现平时“四绿”高峰不堵的景象。

附图说明

附图1是关于“南、北直行→南、北左转”两个相位同“南或北入口单独放行→南、北直行→北或南入口单独放行”三个阶段等效的示意。(a)、(b)、(c)示意了在“南、北直行”的时间＞或＝或＜“南、北左转”的三种情况下，“南、北直行→南、北左转”两个相位，同“南或北入口单独放行→南、北直行→北或南入口单独放行”的三个阶段相比，每种交通流所得到的通行时间是等效的。

附图2示意一个十字路口由两条双向绿波相交形成四相绿波的时距图。具体为第六号横向道路的第6个路口的时间立面与第五号纵向道路的第5个路口的时间立面相交。深色条纹代表时距图上的绿波，下同。

附图3示意由四条双向绿波道路相交的“口”字形四向绿波立体模型。相邻两路口道路的连线沿时间轴T平行提升，形成了纵向道路(1)、(2)和横向道路(1)、(2)的时间立面，每个时间立面上分别有一条双向绿波道路的时距图。具有同名路口的时间立面两两相交，形成了“口”字形四向绿波。

附图4示意由六条双向绿波道路相交的“田”字形四向绿波立体模型。(a)示意了纵向立面(1) 和横向立面(3)相交于路口(7)形成四向绿波，(b)示意了纵向立面(2)和横向立面(2)相交于路口 (5)形成四向绿波，(c)示意了纵向立面(3)和横向立面(1)相交于路口(3)形成四向绿波，(d)示意了各路口的编号，(e)示意了各路口之间的不同距离，表明四向绿波不受路口距离的限制。

注：没有专门示意的也是四向绿波路口。下同。

附图5示意由四条双向绿波道路相交的“井”字形四向绿波立体模型。

附图6示意由八条双向绿波道路相交的十六路口四向绿波立体模型。

附图7示意由十条双向绿波道路相交的二十五路口四向绿波立体模型。

附图8示意由二十条道路相交，按由线到面的方法生成一百路口四向绿波的过程。每条纵、横向道路先按四向绿波的必要条件，设计好自己的双向绿波，然后每条纵(横)向道路的立面去和其他10 条横(纵)向道路的立面去吻合、调整，保证相交路口周期、相位、相序、相位差的统一。

附图9示意有一百个四向绿波路口的立体模型。六个高度变化的立柱，分别表示六个不同时刻。立柱的顶面是不同时刻的路网交通状态图，纵横的线条代表道路，白色方格是街区，深黑色是长度为一个街区的绿波服务区(即上、下行的绿波车队)。模型的四个外侧面分别是纵向道路1和10、横向道路1和 10的时间立面，从纵、横方向垂直剖开模型，是每条道路的双向绿波时距图，竖直线是时间轴，水平线是道路连线也是时间截面线，斜线是绿波车队的时空轨迹线。

附图10示意了四向绿波立体模型的仿真原理是将不同时刻的立体模型顶面的路网交通状态图叠在一起。图中由下至上是先后4个时刻的路网交通状态图。仿真的依据是时距图。图中横向道路(1) 和纵向道路(3)时间立面上的斜块，就是绿波服务区的时空轨迹。为使画面清晰，其他立面的绿波服务区的时空轨迹没有画出。

附图11示意了实施例的路网情况。纵向道路有芙蓉路、刘家冲路、武陵路、万芙路，横向道路有友谊路、新韶路、正塘坡路、迎新路、湘府路、杉木冲路，涉及23个路口，18个十字路口为四向绿波，5个丁字路口为双向绿波。

附图12示意了第二个实施例的四向绿波设计方法。该“平面时距图法”虽然并没有显现四向绿波的立体模型，但还是遵循了“纵向和横向直行通过路口的双向绿波车流在时间上分离”的原则。具体实施方式是：在全部分开的纵、横道路的时距图之间，用表示时间的水平辅助线，两两校正不同时距图上同名路口的周期、相位、相序、相位差，但不合成立体模型。

具体实施方式

以湖南省长沙市天心区的一个4纵6横的路网为例。在附图11所示的路网范围，有纵向道路芙蓉路、刘家冲路、武陵路、万芙路，有横向道路杉木冲路、湘府路、迎新路、正塘坡路、新韶路、友谊路。

实施方式一：

基于三维软件，以平面地图为底面，以东西走向道路为横向道路(X轴方向)，以南北走向道路为纵向道路(Y轴方向)，在每个路口的位置竖立表示时间的Z轴，规定一致的时间刻度和道路比例尺。

分别将各条纵、横向道路的各路口连成线(曲线变成等长折线)，将连线沿Z轴平行提升，形成各纵、横道路的时间立面。

在各纵、横道路时间立面的顶部，按道路的宽度比例描出中心线和车道线，输入包括路网的拓扑结构和路口、路段的几何数据、每入口的各种导向车道数及长度、每出口的车道数、标志标线等在内的各种信息。

在每条纵、横道路的时间立面，绘制能反映流量、速度、车头时距、车辆间距、排队长度的时距图。

将采集到的车辆时空数据输入到该模型中，寻找不同季节、不同气候、不同时段每入口每周期左、直、右、掉头车辆的数量及其增减规律、每路段的流量、速度、车头时距、车辆间距以及它们之间的相互关系、每入口每相位在绿灯启亮时和结束时的车辆排队长度，以及分析现有周期、相位、相序、相位差是否合理。

把各纵横道路的时间立面由曲面、折面展开变成平面时距图，把从模型中看到的车辆、道路的时空数据进行下列(但不限于下列)综合求解运算：

主要用于决定周期、相位的“每相位的通行能力与交通需求的动态平衡”求解运算；

主要用于决定周期、相位的“每周期路段与路口通行能力的动态平衡”求解运算；

主要用于决定周期、相位、相位差和相序的“每周期上游路口各相位涌向下游路口的流量和时机的动态平衡”求解运算；

主要用于决定分时段或自适应控制的“周期、相位、相序、相位差随交通态势变化而平滑过渡”求解运算；

主要用于求解“局部路口的周期、相位、相位差需要微调时，容许的幅度和时机”的运算。

上述求解是联立求解。求解的过程中包括由点到面和由线到面等方法。

以可视化形式描述上述求解运算的主要内容，就是在各纵、横向时间立面的时距图上，调整绿波带从上游路口到下游路口的“块面形状”(即速度和时长)和“上下位置”(即出发和到达的时机)。目的就是形成纵、横道路上的双向绿波，并且在十字路口实现纵向双向绿波和横向双向绿波的放行阶段彻底分离。

生成四向绿波的时距图后，水平截取立体模型，将各时距图水平截面上各绿波带的首车和末车位置映射到模型顶部的路网图上(其车队的长度*道路的宽度就是绿波服务区)。

按某种时间间隔截出立体模型的水平面，叠加成动画(就是四相绿波绿灯服务区移动的状态，就是交通仿真)，观察它们是否有绿冲突、是否流畅、是否符合路面大多数车辆的行驶速度，是否达到理论上的最大通行量，据此判断四向绿波是否设计成功。

若成功，报告每条道路每方向的绿波车队数量、速度、能享受四向绿波的车辆数、一个时段内路网的总流量。

将四向绿波方案投入在线运行，并结合通讯及车辆网、物联网技术，把四相绿波服务区推送给车辆。

四向绿波方案投入在线运行之后，仍然结合流量、速度、车头时距、车辆间距情况进行前述各种控制参数的求解运算，不断迭代，紧跟交通变化的态势。

实施方式一小结：

建立体模型，进行应用场景调查，绘路网图，绘实时交通状况的时距图。

作周期、相位、相序、相位差的由点到面和/或由线到面的求解运算。

生成新的四向绿波时距图。

根据时距图生成路网图上的绿波服务区。

仿真演示四向绿波服务区，报告有关数据及离线方案。

在线运行四向绿波，将四向绿波的服务区信息推送给行驶的车辆。

根据新出现的情况进行上述工作的新循环。

实施方式二：

遵循实现四向绿波的核心方法，进行与实施方式一相近的运算，分道路绘制时距图，但不显示立体模型。

以同样的时间刻度和道路比例尺，分别绘制[0079]段所述4纵、6横道路的双向绿波时距图，共 10张。

和实施方式一相同，决定周期、相位、相序、相位差的因素，包括与时空相关联的流量、速度、车头时距、车辆间距，路网的拓扑结构和几何尺寸、各种导向车道的数量和长度、上游车辆汇流到达的数量和时机、各种气候天气条件等。

和实施方式一相同，在绘制纵、横10张双向绿波时距图的时候，先统一周期，严格遵守某双向绿波在某路口应有的绿信比，让上、下行阶段尽量重合或相交，若相离，则要让离开的时间足够插入其他相位。

将10张双向绿波时距图按图12所示排列，找到最主要道路(芙蓉路)上的一个路口(芙蓉路 /湘府路口)，从纵向道路(芙蓉路)的时距图引表示时间的水平辅助线到横向道路(湘府路)的时距图，让两张时距图在同名路口(芙蓉路/湘府路口)的周期起始时刻一致，在保证纵向(芙蓉路)的双向绿波与横向(湘府路)的双向绿波彻底分开的原则下，完成两张时距图上同名路口的周期、相位、相序和相位差的统一。

依此方法，继续完成芙蓉路时距图中的其他路口与杉木冲路、湘府路、正塘坡路、新韶路、友谊路时距图中同名路口的对接，形成一条纵向道路(芙蓉路)与五条横向道路形似“丰”字形的四向绿波。

找出下一条重要的道路，按[0114]、[0115]段介绍的方法，实现该道路上所有路口与相对应的另张时距图上相关路口的周期、相位、相序和相位差的统一。

此刻将会出现两种情况，一种是两张时距图上同名路口的周期、相位、相序和相位差恰好吻合，另一种情况是需要调整。

调整的方法和实施方式一相同，包括调整相位、调整相序、调整相位差、调整绿波首车和(或) 末车的设计速度等。

不断循环[0116]段、[0117]段、[0118]段介绍的方法，直到全部十字路口都成为四向绿波路口。

分道路报告上、下行方向的绿波车队数量、速度、能享受四向绿波的车辆数、一个时段内道路的总流量。

由于没有绘制立体模型，只宜分道路生成双向绿波服务区，随着道路增多，进行四向绿波仿真演示的难度增大。

将四向绿波方案投入在线运行，并结合通讯及车辆网、物联网技术，把四相绿波服务区推送给车辆。

四向绿波方案投入在线运行之后，仍然结合流量、速度、车头时距、车辆间距情况进行前述各种控制参数的求解运算，不断迭代，紧跟交通变化的态势。

实施方式二小结：

进行应用场景调查。

作周期、相位、相序、相位差的由点到面或由线到面的求解运算。

生成用二维时距图分开表示的四向绿波时距图。

根据二维时距图分别生成每一条双向绿波道路的绿波服务区并仿真演示。

报告有关数据及离线方案。

在线运行四向绿波，将四向绿波的服务区信息推送给行驶的车辆。

根据新出现的情况进行上述工作的新循环。

实施方式三：

遵循“分别让纵、横立面上各自的双向绿波的上、下行阶段尽量重合或相交，若相离，则要让离开的时间足够插入其他相位，让纵向立面上的双向绿波的放行阶段与横向立面上的双向绿波的放行阶段彻底分开”的原则，虽然用到立体模型的思路，但不仅不显示立体模型，而且连二维时距图都不显示，或者另外用其他软件显示仿真效果。

用矩阵、函数、方程、计算机程序等，进行类似[0089]～[0093]、[0112]所罗列的求解运算，调整绿波带从上游路口到下游路口的“块面形状”(即速度和时长)和“上下位置”(即出发和到达的时机)。目标就是形成纵、横道路上的双向绿波，并且在同名路口实现纵向双向绿波和横向双向绿波的放行阶段彻底分离。

因为直接提供了周期、相位、相序、相位差及与时空相关的流量、速度、方向、车头时距、车间距等信息，所以支持其他仿真软件显示双向和四向绿波效果。

实施方式三小结：

进行应用场景调查。

作周期、相位、相序、相位差的由点到面和/或由线到面的求解运算。

报告有关数据及离线方案。

在线运行四向绿波，将四向绿波的服务区信息推送给行驶的车辆，用其他软件显示仿真效果。

根据新出现的情况进行上述工作的新循环。

实施方式四：

动画试错反推法。

用计算机程序安排车队(即绿波服务区)在电子地图上运行，不断地调整包括车队的数量、长度、速度，间隔距离、出发时间、出发间隔时间、两车队首车间隔时间、两车队尾首之间间隔时间、以及影响车队速度的各种因素，获得流畅的四向绿波运行效果。

将上述满意的动画截图，载入四向绿波立体模型，根据模型中顶面与立面信息的映射关系，得出四向绿波时距图，得出周期、相位、相序、相位差等交通信号控制的全部参数，投入交通信号控制系统的实施运行，并推送给道路上行驶的车辆。根据新出现的情况进行上述工作的新循环。

实施方式四小结：

用人工智能自学习的方法，在不断的试错之后，得到流畅的四向绿波的绿波服务区。

在已知四向绿波服务区的情况下，利用四向绿波立体模型推出周期、相位、相序、相位差等交通信号控制的参数。

在线运行四向绿波，将四向绿波的服务区信息推送给行驶的车辆。

根据新出现的情况进行上述工作的新循环。

Claims (19)

1.一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征是采用城市道路交通信号控制技术，在平面十字交叉路口实行四向绿波控制，进而形成具有四向绿波效果的区域协调控制。

2.根据权利要求1所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征是，设计四向绿波的方法主要为立体模型法，平面时距图法是立体模型法的简化方法，还包括既遵循立体模型法的思路又不必显示立体模型和平面时距图的其他数学模型、计算机程序、动画试错反推等方法。

3.根据权利要求1所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征包括，在保证安全的前提下，在一个周期中不受限制地使用公知的信号相位和阶段；相位差为周期的起始时间与规定的基准时间的时间差，或者为与指定参照路口周期的起始时间之差；行人横道灯和非机动车信号灯纳入区域协调控制。

4.根据权利要求1所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征是，两条双向绿波道路在一个十字路口相交形成四向绿波的必要条件包括：两条双向绿波道路的周期随交通状况的变化而动态统一、每一方向的绿波车速在每一路段都处在大多数车辆正常行驶的速度范围、纵向和横向直行通过该路口的双向绿波车流在时间上分离；N条纵向双向绿波道路与M条横向双向绿波道路相交于N*M个路口，形成具有四向绿波效果面控的必要条件包括：全部参加协调控制的四向绿波路口的周期随交通状况的变化而动态统一、每一方向的绿波车速在每一路段都处在大多数车辆正常行驶的速度范围、纵向和横向直行通过每个参加协调控制路口的双向绿波车流在时间上分离。

5.根据权利要求1所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征是，“在时间上分离纵向和横向通过路口的直行双向绿波车流”的方法，包括安排放行阶段时，优先安排纵向和横向双向绿波车流分离通行的信号阶段，用四向绿波立体模型表示，就是在每路口的纵向道路时间立面和横向道路时间立面相交的时间轴上，优先定位纵向和横向双向绿波车流分离通行的信号阶段，用分开绘制的平面时距图表示，就是每一条纵或横向双向绿波道路上的每一个路口，必须和每一条相交的横或纵向双向绿波道路上的同名路口统一周期、相位、相序、相位差，不用立体模型和平面时距图表示的，譬如其他数学模型、计算机程序、动画试错反推等方法，不论其周期、相位、相序、相位差的产生途径如何，都遵循此分离方法。

6.根据权利要求1所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征包括，在每路口的纵向道路时间立面和横向道路时间立面相交的时间轴上，分别让两个立面上各自双向绿波上、下行的信号放行阶段尽量重合或相交，若相离，则要让离开的时间能够插入其他相位；让纵向立面上双向绿波的放行阶段与横向立面上双向绿波的放行信号阶段彻底分开；立体模型法、平面时距图法及之外的其他方法都遵循此原则。

7.根据权利要求1所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征是，设计、验证、仿真显示、报告数据、在线运行四向绿波时，涉及的求解计算包括但不限于下列：

每周期、每相位的通行能力与交通需求的动态平衡控制；

每周期、每相位路段与路口通行能力的动态平衡控制；

每周期、每相位上游路口各相位涌向下游路口的流量和时机的动态平衡控制；

周期、相位、相序、相位差随交通态势变化而平滑过渡控制；

局部路口的周期、相位、相位差需要微调时，容许的调整时机和幅度的控制；

上述求解计算包括联立求解，包括由点到面法和由线到面法，求解得到的周期、相位、相序和相位差，满足上下游路口之间通行能力与通行需求相匹配、路口与路段之间通行能力相匹配、每放行阶段的通行能力与通行需求相匹配。

8.根据权利要求1所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征是，决定周期、相位、相序、相位差的因素，包括与时、空相关联的流量、速度、车头时距、车辆间距，路网的拓扑结构和几何尺寸、各种导向车道的数量和长度、上游车辆汇流到达的数量和时机、各种天候条件等。

9.根据权利要求1所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征包括，设计四向绿波的作业，由计算机单独完成或人机交互进行；把前述的各项作业用“可视化”形式概括，就是在各纵向、横向时间立面的时距图上，调整绿波带从上游路口到下游路口的“块面形状”和“上下位置”；不论采用何种作业形式，终极目标都是不断地迭代，跟上变化的交通态势。

10.根据权利要求1所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征是，建立综合或分立的具有设计、验证、仿真显示、报告数据、在线运行等功能的四向绿波模型、方法。

11.根据权利要求1和10所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征包括，一种四向绿波立体模型，在模型的顶面及每个水平截面上，是承载车道信息和车辆信息的路网图；在立体模型中各条纵、横道路的时间立面，是N+M张透明的由N条纵向道路双向绿波时距图和M条横向道路双向绿波时距图相交构成的立体的四向绿波时距图，当某双向绿波车流在某路口左或右转弯时，它的绿波时距图也向左或右转折，路网图和四向绿波时距图上的信息是逻辑映射关系，路网图和四向绿波时距图可以分开表现。

12.根据权利要求1和10所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征包括，将路网中车辆所在的时空位置标定到四向绿波立体模型里，从模型的顶面观察，是某一时刻车辆在道路上的空间分布，从斜侧面观察模型顶面和纵、横道路的时间立面，可以看到辆车的时空轨迹；依大量车辆时空轨迹，可反映不同节气、不同时段、每入口、每周期左、直、右、掉头车辆的数量及其增减规律、每路段的流量、速度、车头时距、车辆间距以及它们之间的相关关系、每入口每相位在绿灯启亮时和结束时的车辆排队长度，以及反映现有周期、相位、相序、相位差是否合理。

13.根据权利要求1和10所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征包括，四向绿波立体模型是四向绿波时距图和路网交通状态图的映射结合体，是记录车辆时、空位置的载体，是效果仿真演示和在线控制方案互相转换的载体，是设计、检验、报告数据、仿真显示及在线运行四向绿波的一体化工具，是可量化的逻辑模型，适合用于人工智能的自学习训练，在设计、检验、仿真显示、报告数据及在线运行四向绿波时，可遵循该模型的思路，整体显示、局部显示、分开显示、用平面方式显示甚至不显示该模型本身的外在形象。

14.根据权利要求1和10所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征包括，在设计、检验、报告数据、仿真显示及在线运行四向绿波或双向绿波时，把时距图上所“期望的绿波车队长度”转换为“形成绿波的绿灯在道路上的服务区”，其涵义就是“处在这个服务区内的车辆，能享受一路绿灯”，四相绿波或双向绿波的绿灯在道路上的服务区展示于时距图顶面的路网图上，长度与纵、横道路时距图中绿波车队首、末车辆的时空位置对应；设计和运行四向绿波或双向绿波的本质，就是调整绿波服务区的位置、长度和前进速度，让它们符合路网运行四向绿波或双向绿波的实际要求；结合通讯及车辆网、物联网技术，把四向绿波服务区推送给车辆，即为新型的具有四向绿波效果的智能交通系统。

15.根据权利要求1和10所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征是，以一个车队为单位进行交通仿真。

16.根据权利要求1和10所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征是，城市交通控制系统在线运行双向、四向绿波时，所展示的双向、四向绿波绿灯服务区移动的状态，就是路网中绿灯放行的实时灯态。

17.根据权利要求1和10所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征是，可算出绿波服务区的空间能容纳的车辆数、或整个路网分别有多少车在享受双向或四相绿波，把一个时间段已经驶离的车辆加进来，则是整个路网在某一时段的总通行量。

18.根据权利要求1和10所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征是，动画试错反推法是用人工智能自学习的方法，在不断试错之后，得到流畅的绿波服务区，根据该绿波服务区，利用四向绿波立体模型反推出周期、相位、相序、相位差等交通信号控制参数，并在线运行，将绿波的服务区信息推送给行驶的车辆，再根据新出现的情况进行上述作业的新循环。

19.根据权利要求1和10所述一种提高城市路网中平面交叉路口通行能力的方法，其特征是，依四向绿波立体模型的思路和方法得出的绿波方案，可使用其他软件仿真出绿波的效果、在线运行，推送给车辆。

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