CN111161550B - 交叉口控制时段与相位配时设计及闭环校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交叉口控制时段与相位配时设计及闭环校验方法，突破了已有的交叉口时段划分方法，以服务于信号相位配时设计为最终目的，根据交叉口不同流向的交通流量变化趋势开展交叉口控制时段与信号相位配时一体化设计，并以交通流向饱和度等参数对交叉口控制时段与信号相位配时设计进行校验，进一步提高了交叉口控制时段与相位配时设计的合理性，降低了交叉口车辆延误，提高了通行效率。

Description

交叉口控制时段与相位配时设计及闭环校验方法

技术领域

本发明涉及交通信号控制技术领域，具体是一种交叉口控制时段与相位配时设计及闭环校验方法。

背景技术

随着人们一天不同时间的出行需求，城市交叉口大多有着较为明显的交通流量早晚高峰、平峰和夜间低峰时段，为了提高交口的信号控制效率，一般交叉口在不同的流量时段对应采用不同的信号配时方案，以适应流量变化需求，减少车辆延误。因此，交叉口的控制时段划分是服务于信号相位配时设计的，而交叉口信号相位配时是以交叉口各通行方向的交通流量作为设计依据的，最后交通流量又是交叉口时段划分和信号配时设计合理性评估的重要演算参数。目前已提出的交叉口时段划分方法存在三方面的问题：一是交叉口时段划分完全以一天的流量大小变化趋势为依据进行，而未对交叉口的信号相位配时加以考虑，不能较好地服务于交叉口信号相位配时；二是未能对交叉口多个流向的交通流量变化趋势进行分析，通常以交叉口总流量的变化区间作为时段划分依据，容易造成某个时段的某个方向信号配时不合理；三是时段初步划分完成后缺乏闭环校验方法，每个时段形成的信号相位配时方案是否能满足实际交通流量需求不得而知。

发明内容

本发明的目的是提供一种交叉口控制时段与相位配时设计及闭环校验方法，突破已有的交叉口时段划分方法，以服务于信号相位配时设计为最终目的，根据交叉口不同流向的交通流量变化趋势开展交叉口控制时段与信号相位配时一体化设计，并以交通流向饱和度等参数对交叉口控制时段与信号相位配时设计进行校验，以进一步提高交叉口控制时段与相位配时设计的合理性，降低交叉口车辆延误，提高通行效率。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：

(1)、采用车流量检测器或电子警察采集并统计分析交叉口东、南、西、北的直行和左转共8个控制流向不同车道的流量，按工作日、非工作日取每天各控制流向的平均车道流量作为计算依据；

(2)、测算交叉口不同方向车道的饱和流率，以各方向车道饱和流率的不同占比作为划分依据，对交叉口东、南、西、北的直行和左转共8个控制流向的平均每天每车道流量序列进行划分，形成8个控制流向不同流量等级的时间片段；

(3)、根据8个控制流向不同流量等级的时间片段起止边界，对8个控制流向不同流量等级的时间片段进行初步合并，形成交叉口1天24小时的控制时段初步划分方案；

(4)、分别计算8个控制流向的负荷量，在信号相位设计中对不冲突的各控制流向的关键负荷量进行配对计算，制定信号相位组合优选规则，选择关键负荷量总和最小的信号相位组合作为最优组合，计算对应的信号相位配时；

(5)、以8个控制流向中各控制流向的饱和度不大于0.95作为校验依据，对步骤(3)中初步划分方案中的相邻控制时段进行两两合并，确定新控制时段划分和对应的信号相位配时方案，并与现状时段信号相位配时方案进行比较，评估其合理性，最终完成交叉口控制时段划分和对应的信号相位配时方案调整和校验。

所述的交叉口控制时段与相位配时设计及闭环校验方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，所述车流量检测器包括有微波车流量检测器和视频车流量检测器。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

本发明针对现有交叉口时段划分方法未能综合考虑交叉口各个控制流向流量变化趋势、时段划分和信号相位配时方案合理性校验等方面的问题，以交叉口东、南、西、北的直行和左转共8个控制流向的车道饱和流率占比为依据对控制时段进行初步划分，以各控制流向的关键负荷量为依据计算信号相位配时，以各控制流向饱和度不大于0.95为依据对交叉口控制时段与相位配时设计进行闭环校验，并与现状时段配时方案进行对比检验，有效提高了交叉口控制时段与相位配时设计的合理性，降低了交叉口控制延误，提高了通行效率。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为本发明中十字交叉口控制流向和对应的信号相位组合方案示意图一。

图3为本发明中十字交叉口控制流向和对应的信号相位组合方案示意图二。

图4为本发明中相邻信号控制时段合并规则示意图。

具体实施方式

一种交叉口控制时段与相位配时设计及闭环校验方法，具体包括以下步骤：

(1)、采用车流量检测器或电子警察采集并统计分析交叉口东、南、西、北的直行和左转共8个控制流向不同车道的流量，按工作日、非工作日取每天各控制流向的平均车道流量作为计算依据；

(2)、测算交叉口不同方向车道的饱和流率，以各方向车道饱和流率的不同占比作为划分依据，对交叉口东、南、西、北的直行和左转共8个控制流向的平均每天每车道流量序列进行划分，形成8个控制流向不同流量等级的时间片段；

(3)、根据8个控制流向不同流量等级的时间片段起止边界，对8个控制流向不同流量等级的时间片段进行初步合并，形成交叉口1天24小时的控制时段初步划分方案；

(4)、分别计算8个控制流向的负荷量，在信号相位设计中对不冲突的各控制流向的关键负荷量进行配对计算，制定信号相位组合优选规则，选择关键负荷量总和最小的信号相位组合作为最优组合，计算对应的信号相位配时；

(5)、以8个控制流向中各控制流向的饱和度不大于0.95作为校验依据，对步骤(3)中初步划分方案中的相邻控制时段进行两两合并，确定新控制时段划分和对应的信号相位配时方案，并与现状时段信号相位配时方案进行比较，评估其合理性，最终完成交叉口控制时段划分和对应的信号相位配时方案调整和校验。

本发明中，步骤(1)中，车流量检测器包括有微波车流量检测器和视频车流量检测器。

以下结合图1至图4，对本发明做进一步详细叙述。

如图1所示，交叉口控制时段与相位配时精准设计及闭环校验流程主要分为控制时段初步划分、信号相位配时计算和方案闭环校验三个重要环节。

1、控制时段初步划分

步骤1：以15分钟流量统计值为单个数据形成一天24小时各车道的流量序列，对不正常数据值进行噪点处理。其中，一个数据的值大于前、后两个数据值之和，则可以认为该数据为不正常数据，通过取该不正常数据前、后两个正常数据的均值来替代。

步骤2：将相同流向属性的车道划分为1个车道组，计算车道组平均单车道流量，确定8个控制流向的流量序列。

步骤3：以各控制流向车道饱和流量S_i的占比x作为划分区间参照值，对8个流向不同流量等级的时间片段进行初步划分，其中根据时间片段个数需求x取值在0.1至0.3之间。

步骤4：小于最小时段(30分钟)的时间片段处理，若存在少于30分钟的时间片段，计算该时间片段与前一个时间片段边界流量之和的差值b₁和与后一个时间片段边界流量之和的差值b₂。若b₁≤b₂，则该时间片段与前一个时间片段合并；若b₁>b₂，则该时间片段与后一个时间片段合并。

步骤5：初步形成8个控制流向不同流量等级的时间片段。

步骤6：根据8个控制流向不同流量等级的时间片段边界对8个控制流向时间片段进行合并。

步骤7：参照步骤4对上一步时间片段合并后产生的小于最小时段(30分钟)的时间片段进行处理，完成初步控制时段划分。

2、信号相位配时计算

步骤8：换算已划分的各个时段8个控制流向的小时设计流量q_id，并计算每个时段里各个控制流向的负荷量y_i。其中，每个控制流向的小时设计流量q_id＝4q_i15max，负荷量y_i＝q_id/S_i，q_i15max为每个控制流向对应时段里的15分钟最大流量统计值。

步骤9：按信号相位组合优选规则依次计算每个信号相位组合中每个信号相位所包含控制流向的关键负荷量y_imax以及关键负荷量总和Y_i。其中，y_imax为一个信号相位中所包含的各控制流向负荷量y_i的最大值，Y_i为1个信号相位组合中各个信号相位对应的y_imax值之和。该步骤将结合图2和图3再做具体说明。

步骤10：取Y_i的最小值Y作为各信号相位组合中的最优信号相位方案，判断Y是否小于0.9，若是则采用韦伯斯特法计算信号周期C(见式1)，若否则进一步优化交叉口车道功能和渠化设计，并返回步骤1。

其中，L为信号总损失时间。

步骤11：判断计算的信号周期C是否大于等于最大信号周期180秒，若是则取C＝180，按式2计算信号相位有效绿灯时间g_i，形成信号配时方案A₁。

其中，G_iE为有效绿灯时间，G_iE＝C-L。g_i对应的绿灯时间大于等于最小绿灯时间g_min。

步骤12：若计算的信号周期C是小于最大信号周期180秒，则根据式2计算信号相位有效绿灯时间g_i，若g_i对应的绿灯时间小于最小绿灯时间g_min则将绿灯时间调整为g_min，然后按式3计算各控制流向的饱和度x_i。

其中，λ_i为信号相位i的绿信比。

步骤13：判断饱和度x_i是否小于0.95，若是则符合要求，形成信号配时方案A₂。若否则按式2、3调整信号配时方案，重新计算C，使得x_i<0.95。若此时重新计算的C大于等于180秒，则采用信号配时方案A₁。最后完成初步控制时段的所有信号相位配时方案计算。

3、方案闭环校验

步骤14：按时间顺序对相邻时段的信号相位配时方案进行两两比较，设定时段合并的周期差值阀值Δt，Δt可取5、10、15秒。

步骤15：对于信号相位方案相同且信号周期C差值小于Δt的两个相邻控制时段，根据时段合并规则进行时段合并。其中控制时段合并规则将结合图4做具体说明。

步骤16：判断合并后的时段个数是否少于限定个数n，若是则返回步骤1，重新设定周期差值阀值Δt；若否则确定新时段划分和对应的信号相位配时方案。其中，控制时段的限定个数n可根据交叉口流量早晚高峰、平峰和夜间低峰时段的划分需求初步设定。

步骤17：将确定的新控制时段划分方案与现状信号控制时段方案进行对比校核，若高峰对应时段开始时间差值小于ΔT，则完成新时段划分和信号相位配时方案调整和校验；若高峰对应时段开始时间差值大于ΔT，则返回步骤1，重新设定周期差值阀值Δt。其中ΔT可取0.5至1小时。

如图2所示，以一个标准十字交叉口为例，交叉口主要控制流向包括1东直行、2东左转、3南直行、4南左转、5西直行、6西左转、7北直行和8北左转，其中一般情况下右转不受控制予以忽略。上述控制流向对应的车道负荷量分别为y₁至y₈，各个不冲突的控制流向组成9种不同的信号相位组合方案。方案1至方案4为常规信号相位组合方案，常规信号相位通常是指使交叉口对向交通流或单向交通流同步或交替获得绿灯时间的信号相位组合，适用于交叉口流量分布比较均衡的情况；方案5至方案9为包含组合信号相位的信号相位组合方案，组合信号相位是指在对向直行和对向左转两个信号相位之间，嵌入一个单向直行与左转同时放行的过渡信号相位，通常适用于交叉口流量分布不均衡的情况。Y₁至Y₉是上述9种信号相位组合方案的关键负荷量总和，其中常规信号相位1至4对应的关键负荷量为该信号相位所包含控制流向的车道负荷量最大值，组合信号相位1对应的关键负荷量为东西方向中直行流向和对向左转流向负荷量之和的最大值，组合信号相位2对应的关键负荷量为南北方向中直行流向和对向左转流向负荷量之和的最大值。

如图3所示，编号1至9的信号相位组合方案图例对应图2中9种不同的信号相位组合方案。其中编号1至4为常规信号相位方案图例，只有1种信号相位组合方案；编号5至8为只包含一个组合信号相位的信号相位方案图例，根据组合信号相位中东西或南北方向的直行和左转流向组合情况，可以形成两种不同的信号相位组合方案；编号9为包含两个组合信号相位的信号相位方案图例，根据组合信号相位中东西和南北方向的直行和左转流向组合情况，可以形成4种不同的信号相位组合方案。

如图4所示，两个相邻信号控制时段的合并规则和流程为：设前后两个相邻时段D₁、D₂对应的信号相位配时方案分别为A、B，交叉计算A在D₂时段中的各控制流向饱和度x_i和B在D₁时段中的各控制流向饱和度x_j。若x_i<0.95且x_j<0.95，则选择信号相位配时方案中周期C较小所对应的时段或设计小时流量较大所对应的时段进行合并；若x_i<0.95且x_j≥0.95，则将时段D₂归并到时段D₁中，并且统一采用信号相位配时方案A；若x_i≥0.95且x_j<0.95，则将时段D₁归并到时段D₂中，并且统一采用信号相位配时方案分别B；若x_i≥0.95且x_j≥0.95，则时段D₁和时段D₂不能合并。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方案进行描述，并非对本发明的保护范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的变形和改进，均应落入本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种交叉口控制时段与相位配时设计及闭环校验方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

(1)、采用车流量检测器或电子警察采集并统计分析交叉口东、南、西、北的直行和左转共8个控制流向不同车道的流量，按工作日、非工作日取每天各控制流向的平均车道流量作为计算依据；

(2)、测算交叉口不同方向车道的饱和流率，以各方向车道饱和流率的不同占比作为划分依据，对交叉口东、南、西、北的直行和左转共8个控制流向的平均每天每车道流量序列进行划分，形成8个控制流向不同流量等级的时间片段；

(3)、根据8个控制流向不同流量等级的时间片段起止边界，对8个控制流向不同流量等级的时间片段进行初步合并，形成交叉口1天24小时的控制时段初步划分方案；

(4)、分别计算8个控制流向的负荷量，在信号相位设计中对不冲突的各控制流向的关键负荷量进行配对计算，制定信号相位组合优选规则，选择关键负荷量总和最小的信号相位组合作为最优组合，计算对应的信号相位配时；

(5)、以8个控制流向中各控制流向的饱和度不大于0.95作为校验依据，对步骤(3)中初步划分方案中的相邻控制时段进行两两合并，确定新控制时段划分和对应的信号相位配时方案，并与现状时段信号相位配时方案进行比较，评估其合理性，最终完成交叉口控制时段划分和对应的信号相位配时方案调整和校验。

2.根据权利要求1所述的交叉口控制时段与相位配时设计及闭环校验方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，所述车流量检测器包括有微波车流量检测器和视频车流量检测器。

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