CN111785046A - 带有协调路径优选功能的干道t型交叉口群绿波协调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法，其包括以下步骤：确定干道公共信号周期的取值范围；确定相邻T型交叉口间协调路径对备选集合；构建带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调模型；求解所建模型并以时距图的形式展现最佳绿波协调参数。本发明给出的干道T型交叉口群绿波协调控制方法可以实现协调路径的优选，能够获得更好的协调控制效果。

Description

带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法

技术领域

本发明涉及交通信号协调控制技术领域，具体为带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法。

背景技术

干道绿波协调控制是指将干道上多个交叉口(T型或十字)视为一个系统整体，通过设计绿波协调参数，使车辆尽可能少停车甚至不停车地通过整条干道，对于缓解城市交通拥堵具有重要意义。干道绿波协调控制主要涉及协调路径选取和协调模型构建两个方面。协调路径选取主要是确定为哪些协调车流构成的方向性连线提供绿波带；协调模型构建是将绿波带宽与协调参数之间的关系抽象成数学模型，通过模型求解获得相应协调路径的最大带宽。Maxband和Multiband模型是两种最为经典的干道十字交叉口群绿波协调控制模型。Maxband模型生成的是“干道绿波带”，即不同路段上的带宽均是相同的。然而，事实上不同路段对绿波带的需求也是不同的。正是针对Maxband这一不足，Gartner等人提出了可变多带宽绿波协调模型即Multiband模型。随后，相关专家学者在Maxband或Multiband模型的基础上进行了进一步探索改进，取得了丰富的研究成果。

然而，上述现有以干道T型交叉口群或十字交叉口群为研究对象的绿波协调控制方法主要有以下缺点和不足：现有方法都是遵循先选取协调路径、再构建绿波模型的流程，即首先根据实际需要指定协调路径，然后基于指定的协调路径进行绿波模型构建，将路径选取和模型构建视为两个独立的过程，人为割裂了二者之间存在的关联性，更不能对协调路径进行优选，无法获得理想的绿波带宽与良好的协调控制效果。由于T型交叉口与十字交叉口在相序模式上存在着较大的差异，导致二者在构建带有协调路径优选功能的绿波协调模型时存在着巨大差异，需要分开考虑。因此，本发明这里仅以干道T型交叉口群为研究对象(干道十字交叉口群可作为后续研究重点)，协同考虑路径选取与模型构建，提出一种带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调控制方法，实现对协调路径的优选，从而获得更好协调控制效果。

发明内容

本发明的目的在于提供带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法，包括以下步骤：

步骤1、根据干道上各个T型交叉口信号周期的取值范围，确定干道公共信号周期的取值范围；

步骤2、根据相邻两T型交叉口的类型，分析车流的流入和流出关系，确定相邻T型交叉口间协调路径对备选集合；

步骤3、利用干道绿波时距图，构建带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调模型；

步骤4、求解步骤3中所构建的绿波协调模型，同时以时距图的形式展现最佳绿波协调参数，包括公共周期、相位差、相序模式。

优选的，所述步骤1中，干道公共信号周期的最小取值方法为：在各个T型交叉口最小信号周期构成的集合中选择最大的信号周期；干道公共信号周期的最大取值方法为：在各个T型交叉口最大信号周期构成的集合中选择最小的信号周期。

优选的，所述步骤2中，相邻两交叉口S_k和S_k+1之间的类型可分为：“正T型—正T型”、“倒T型—倒T型”、“正T型—倒T型”和“倒T型—正T型”；根据每一种类型，分析相邻交叉口间车流的流入和流出关系，首先确定干道上行方向，即由交叉口S_k至S_k+1，相邻交叉口间可能存在的协调路径；其次确定干道下行方向，即交叉口S_k+1至S_k，相邻交叉口间可能存在的协调路径；最后综合考虑上行方向和下行方向，对相邻交叉口间上行协调路径和下行协调路径进行组合分析，确定相邻交叉口间协调路径对备选集合。

优选的，所述步骤3中，分析绿波协调控制参数与车辆运行轨迹参数之间的定量关系，构建带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调模型：

其中，矩阵X、W₁、G、W₂、B、E和F的表达式分别如下所示：

当交叉口S_k为“正T型”交叉口时，矩阵E中

的表达式如下所示：

当交叉口S_k为“倒T型”交叉口时，矩阵E中

的表达式如下所示：

当交叉口S_k+1为“正T型”交叉口时，矩阵E中

的表达式如下所示：

当交叉口S_k+1为“倒T型”交叉口时，矩阵E中

的表达式如下所示：

其中，Z表示干道上T型交叉口的数量；p表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对的编号，其取值范围为{1，2，3，4}；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时对应的0/1变量；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时的上行、下行绿波带宽；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时，交叉口S_k(S_k+1)处上行绿波带左侧边缘与车流i(m)的相近红灯右侧边缘之间的时间间隔；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时，交叉口S_k(S_k+1)处下行绿波带右侧边缘与车流j(n)的相近红灯左侧边缘之间的时间间隔；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时，交叉口S_k处上行车流i、下行车流j的绿灯时间；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时，交叉口S_k+1处上行车流m、下行车流n的绿灯时间；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时，交叉口S_k处下行绿波带所对应的初始排队清空时间；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时，交叉口S_k与S_k+1之间上行、下行行驶时间；

表示交叉口S_k与S_k+1之间的协调路径对为p时，交叉口S_k(S_k+1)处上行协调车流i(m)的红灯中点与最相近下行协调车流j(n)的红灯中点之间的时间间隔，如果上行红灯中点位于下行红灯中点的右侧，取正值，否则取负值；i＝{MT，CL}、

m＝{MT，ML}、

MT、

ML、

CL、

分别表示主路上行直行、主路下行直行、主路上行左转、主路下行左转、相交道路上行左转、相交道路下行左转车流；

表示正整数；C表示公共信号周期；y_k和y_k+1表示0/1变量；

优选的，所述步骤4中，最佳绿波协调控制参数的计算中最佳公共信号周期、最佳相序模式可以根据模型求解结果直接获得，相邻交叉口间最佳相位差

计算表达式如下所示：

最后，以绿波时距图的形式展现上述最佳绿波协调参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明给出的带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法可以根据实际需要任意指定协调路径，具有良好的通用性和广泛的适用范围。

(2)本发明给出的带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法将协调路径优选融合到绿波模型构建中，将协调路径视为决策变量，实现了协调路径的优选，能够获得更好的协调控制效果。

附图说明

图1是带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法实现流程图；

图2是交叉口S_k和S_k+1之间协调路径对备选集合确定分析图；

图3是带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调模型构建分析图；

图4是T型交叉口类型与相序模式分析图；

图5是实施例中干道上各个交叉口的平面结构图；

图6是以绿波时距图的形式展现实施例的最佳绿波协调参数示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法，包括如下步骤：

步骤1、根据干道上各个T型交叉口信号周期的取值范围，确定干道公共信号周期的取值范围。

步骤2、根据相邻两T型交叉口的类型，分析车流的流入和流出关系，确定相邻T型交叉口间协调路径对备选集合。

步骤3、利用干道绿波时距图，构建带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调模型。

步骤4、求解步骤3中所构建的绿波协调模型，同时以时距图的形式展现最佳绿波协调参数，包括公共周期、相位差、相序模式。

上述带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法，步骤1中，假定干道上有Z个T型交叉口(交叉口编号为1～Z)，各个T型交叉口的信号周期最小取值分别为C_min1、C_min2、……、C_minZ；各个T型交叉口的信号周期最大取值分别为C_max1、C_max2、……、C_maxZ。干道公共信号周期的最小取值为C_min＝max{C_min1，C_min2，…，C_minZ}，干道公共信号周期的最大取值为C_max＝min{C_max1，C_max2，…，C_maxZ}，则公共信号周期的取值范围为[C_min，C_max]。

上述带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法，步骤2中，首先确定相邻T型交叉口的类型。以“正T型—正T型”交叉口(附图2(a)所示)为例，相邻交叉口之间协调路径对备选集合分析如下。根据附图2(a)所示，上行方向(由交叉口S_k至S_k+1)，交叉口S_k处主路上行直行车流和交叉口S_k+1处主路上行直行车流构成上行协调路径

下行方向(由交叉口S_k+1至S_k)，交叉口S_k+1处主路下行直行车流和交叉口S_k处主路下行直行车流构成下行协调路径

交叉口S_k+1处主路下行直行车流和交叉口S_k处主路下行左转车流构成下行协调路径

交叉口S_k+1处相交道路下行左转车流和交叉口S_k处主路下行直行车流构成下行协调路径

交叉口S_k+1处相交道路下行左转车流和交叉口S_k处主路下行左转车流构成下行协调路径

综合考虑上行方向和下行方向，实施干道T型交叉口群双向绿波协调控制时，对于“正T型—正T型”交叉口而言，交叉口S_k和S_k+1之间备选协调路径对为：协调路径对1

协调路径对2

协调路径对3

协调路径对4

对于“倒T型—倒T型”交叉口(附图2(b)所示)、“正T型—倒T型”交叉口(附图2(c)所示)和“倒T型—正T型”交叉口(附图2(d))的协调路径对备选集合可同理分析。综上所述，交叉口S_k和S_k+1之间协调路径对备选集合可总结为表1所示。

表1交叉口S_k和S_k+1之间协调路径对备选集合

上述带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法，步骤3中，利用干道绿波时距图(见附图3)分析绿波协调控制参数与车辆相关轨迹参数之间的定量数学关系，步骤3主要包括以下步骤：

S1、不等式约束关系构建。对于任意协调路径对，为确保绿波带左右边线限定在绿灯时间范围内，不与红灯时间相交，则需要有如下不等式约束关系成立。

式(1)中，

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时的上行、下行绿波带宽。

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时，交叉口S_k(S_k+1)处上行绿波带左侧边缘与车流i(m)的相近红灯右侧边缘之间的时间间隔。

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时，交叉口S_k(S_k+1)处下行绿波带右侧边缘与车流j(n)的相近红灯左侧边缘之间的时间间隔。

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时，交叉口S_k处上行车流i、下行车流j的绿灯时间；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时，交叉口S_k+1处上行车流m、下行车流n的绿灯时间；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时，交叉口S_k处下行绿波带所对应的初始排队清空时间。p表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对的编号，p＝{1，2，3，4}。i、j、m和n表示车流类型，其取值空间如表2所示。

表2车流类型i、j、m和n的取值空间

表2中，MT、

ML、

CL、

分别表示主路上行直行、主路下行直行、主路上行左转、主路下行左转、相交道路上行左转、相交道路下行左转车流。

综上，对于任意一组协调路径对，则均有相应的不等式约束关系即式(1)成立。因此，对于交叉口S_k与S_k+1之间的四组协调路径对而言，则会有4个不等式约束关系。下面通过引入矩阵W₁、G与X描述上述4种不等式约束关系。其中，X为对角矩阵，其引入目的是为了实现协调路径的优选。

式(3)中，i、j、m和n的取值需要根据相邻T型交叉口的类型以及协调路径对的编号来确定。式(4)中，矩阵X对角线上的元素

是0/1变量。

总结式(1)～(4)，考虑交叉口S_k与S_k+1之间的四组协调路径对，不等式约束关系式(1)可进一步表示为式(5)。

XW₁≤G (5)

此外，变量

还需满足最小取值限制约束，这里通过引入矩阵W₂和B表征该约束。

式(6)中，

表示交叉口S_k与S_k+1之间的协调路径对编号为1～4时，交叉口S_k+1处上行绿波带所对应的初始排队清空时间。

综合考虑式(4)、(6)和(7)，变量

的最小取值限制约束可表示为式(8)、(9)所示。

XW₂≥0 (8)

XB≥0 (9)

S2、等式约束关系构建。由于干道绿波协调控制中各交叉口均采用相同的信号周期时长(公共信号周期)，因此对于每一协调路径对均有如下等式约束关系成立。

式(10)中，

表示交叉口S_k与S_k+1之间的协调路径对为p时，交叉口S_k处上行(下行)绿波带左侧(右侧)最相近的车流i(j)的红灯中点与交叉口S_k+1处上行(下行)绿波带左侧(右侧)最相近的车流m(n)的红灯中点之间的时间间隔；

表示交叉口S_k与S_k+1之间的协调路径对为p时，交叉口S_k(S_k+1)处上行协调车流i(m)的红灯中点与最相近下行协调车流j(n)的红灯中点之间的时间间隔，如果上行红灯中点位于下行红灯中点的右侧，取正值，否则取负值；

表示正整数；C表示公共信号周期。

根据附图3，

和

可分别由式(11)和(12)表示。

式(11)、(12)中，

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时的上行(下行)行驶时间。

的取值和T型交叉口类型、协调车流类型、相序模式(见附图4所示)有关，具体计算公式见表3所示。

表3(a)“正T型”交叉口

的计算公式

表3(b)“倒T型”交叉口

的计算公式

根据表3(a)和表3(b)，综合考虑相序模式1和2，

的通用计算公式如表4所示。

表4

的通用计算公式

其中，y_k、y_k+1是0/1变量，引入y_k、y_k+1可以实现对相序模式的优化。当y_k＝0或y_k+1＝0时，最优相序模式为1；当y_k＝1或y_k+1＝1时，最优相序模式为2。

综合公式(10)～(12)，交叉口S_k与S_k+1之间的协调路径对为p时，需要满足的等式约束关系可进一步表示为式(13)。

同样地，对于任意一组协调路径对，具有上述等式约束关系即式(13)成立。因此，对于交叉口S_k与S_k+1之间的四组协调路径对而言，则有4个等式约束关系。下面通过引入矩阵E和F描述上述4个等式约束关系。

为了实现协调路径的优选，总结公式(4)、(14)和(15)，等式约束关系可表示为公式(16)所示。

XE＝F (16)

S3、目标函数构建。以平均权重路径绿波带宽之和最大为优化目标，带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调模型的目标函数如下所示。

式(17)中，Z表示干道上T型交叉口的数量。

综上所述，带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调控制模型如下所示。

上述带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法，步骤4中，最佳绿波协调参数的计算中最佳公共信号周期、最佳相序模式可以根据模型求解结果直接获得，相邻交叉口间最佳相位差

计算表达式如下所示。最后，以绿波时距图的形式展现上述最佳绿波协调参数。

实施例：

已知某一东西方向的干道上有5个T型信号控制交叉口，从西向东交叉口编号依次为S₁、S₂、S₃、S₄和S₅，相邻交叉口之间的距离依次为460m、550m、330m和620m，上下行绿波带设计速度均为10m/s，初始排队清空时间简化为0s，绿灯时间间隔简化为0s。规定由西向东为干道上行方向，反之为下行方向。各个T型交叉口的平面布局结构如附图5所示，信号配时设计要求如表5所示。

表5各个T型交叉口的信号配时设计要求

步骤1：确定干道公共信号周期的取值范围

干道公共信号周期的最小取值C_min＝max{70，80，65，80，75}＝80s，干道公共信号周期的最大取值C_max＝min{110，105，115，120，100}＝100s。因此，干道公共信号周期的取值范围为[80，100]s。

步骤2：确定相邻T型交叉口间协调路径对备选集合

根据附图5可知，交叉口S₁和S₂、S₂和S₃、S₃和S₄、S₄和S₅分别属于“正T型—正T型”、“正T型—倒T型”、“倒T型—倒T型”、“倒T型—正T型”。分析相邻交叉口间车流的流入和流出关系，则交叉口间协调路径对备选集合如下表6所示。

表6实施例中相邻交叉口间协调路径对备选集合

步骤3：构建带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调模型

根据实施例中已知的数据，构建适于实施例的带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调模型，如下：

步骤4：以绿波时距图的形式展现最佳绿波协调参数如公共周期、相位差、相序模式。

利用最优化求解软件Lingo对步骤3中所建的适于实例的带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调模型进行求解，将求解结果进一步处理，以绿波时距图的形式进行展现如附图6所示。

综上所述，本发明给出的带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调控制方法可以根据实际需要任意指定协调路径，具有良好的通用性和广泛的适用范围；本发明给出的带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调控制方法将协调路径优选融合到绿波模型构建中，将协调路径视为决策变量，实现了协调路径的优选，能够获得更好的协调控制效果。

本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、根据干道上各个T型交叉口信号周期的取值范围，确定干道公共信号周期的取值范围；

步骤2、根据相邻两T型交叉口的类型，分析车流的流入和流出关系，确定相邻T型交叉口间协调路径对备选集合；

步骤3、利用干道绿波时距图，构建带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调模型；

步骤4、求解步骤3中所构建的绿波协调模型，同时以时距图的形式展现最佳绿波协调参数，包括公共周期、相位差、相序模式。

2.根据权利要求1所述的带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法，其特征在于：所述步骤1中，干道公共信号周期的最小取值方法为在各个T型交叉口最小信号周期构成的集合中选择最大的信号周期；干道公共信号周期的最大取值方法为在各个T型交叉口最大信号周期构成的集合中选择最小的信号周期。

3.根据权利要求1所述的带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法，其特征在于：所述步骤2中，相邻两交叉口S_k和S_k+1之间的类型可分为：“正T型-正T型”、“倒T型—倒T型”、“正T型—倒T型”和“倒T型—正T型”；根据每一种类型，分析相邻交叉口间车流的流入和流出关系，首先确定干道上行方向，即由交叉口S_k至S_k+1，相邻交叉口间可能存在的协调路径；其次确定干道下行方向，即由交叉口S_k+1至S_k，相邻交叉口间可能存在的协调路径；最后综合考虑上行方向和下行方向，对相邻交叉口间上行协调路径和下行协调路径进行组合分析，确定相邻交叉口间协调路径对备选集合。

4.根据权利要求1所述的带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法，其特征在于：所述步骤3中，分析绿波协调参数与车辆运行轨迹参数之间的定量关系，构建带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调模型：

其中，矩阵X、W₁、G、W₂、B、E和F的表达式分别如下所示：

当交叉口S_k为“正T型”交叉口时，矩阵E中

的表达式如下所示：

当交叉口S_k为“倒T型”交叉口时，矩阵E中

的表达式如下所示：

当交叉口S_k+1为“正T型”交叉口时，矩阵E中

的表达式如下所示：

当交叉口S_k+1为“倒T型”交叉口时，矩阵E中

的表达式如下所示：

其中，Z表示干道上T型交叉口的数量；p表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对的编号，其取值范围为{1，2，3，4}；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时对应的0/1变量；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时的上行、下行绿波带宽；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时，交叉口S_k(S_k+1)处上行绿波带左侧边缘与车流i(m)的相近红灯右侧边缘之间的时间间隔；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时，交叉口S_k(S_k+1)处下行绿波带右侧边缘与车流j(n)的相近红灯左侧边缘之间的时间间隔；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时，交叉口S_k处上行车流i、下行车流j的绿灯时间；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时，交叉口S_k+1处上行车流m、下行车流n的绿灯时间；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时，交叉口S_k处下行绿波带所对应的初始排队清空时间；

表示交叉口S_k与S_k+1之间协调路径对为p时，交叉口S_k与S_k+1之间上行、下行行驶时间；

表示交叉口S_k与S_k+1之间的协调路径对为p时，交叉口S_k(S_k+1)处上行协调车流i(m)的红灯中点与最相近下行协调车流j(n)的红灯中点之间的时间间隔，如果上行红灯中点位于下行红灯中点的右侧，取正值，否则取负值；i＝{MT，CL}、

m＝{MT，ML}、

MT、

ML、

CL、

分别表示主路上行直行、主路下行直行、主路上行左转、主路下行左转、相交道路上行左转、相交道路下行左转车流；

表示正整数；C表示公共信号周期；y_k和y_k+1表示0/1变量。

5.根据权利要求1所述的带有协调路径优选功能的干道T型交叉口群绿波协调方法，其特征在于：所述步骤4中，最佳绿波协调控制参数的计算中最佳公共信号周期、最佳相序模式可以根据模型求解结果直接获得，相邻交叉口间最佳相位差

计算表达式如下所示：

最后，以绿波时距图的形式展现上述最佳绿波协调参数。

Images