CN112037507B - 一种过饱和交通状态干线自适应信号协调设计方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种过饱和交通状态干线自适应信号协调设计方法与装置，其中方法包括获取过饱和交通状态干线目标路段的几何参数、交通参数、控制参数以及需优化时段的交通流量数据，生成初始控制方案及对应交通参数；获取交叉口直行车道实时排队长度，判断是否出现需求波动；当某交叉口某周期出现需求波动时，判断能否通过直行相位绿灯时长调整将影响控制在本周期，调整绿灯时长及对应交通参数；判断能否通过支线左转相位绿灯时长调整将影响控制在本交叉口，调整绿灯时长及对应交通参数。本发明提出一套基于实时排队长度检测的干线自适应调整策略，控制需求波动对信号方案的影响。

Description

一种过饱和交通状态干线自适应信号协调设计方法与装置

技术领域

本发明属于交通安全控制领域，具体涉及一种基于实时排队长度检测的过饱和交通状态下城市干线自适应信号协调设计方法与装置。

背景技术

早晚高峰时段的城市干线道路常出现过饱和现象，合理的信号协调方案能较好地缓解交通拥堵状况。从干线路段中新汇入(路段中的小支路、停车场、路边停车位)的车辆为系统增添了更多不确定因素，为了维持系统稳定，不会出现由于交通需求波动导致若干周期后，原有信号控制方案失效(例如导致溢出)的现象，基于实时交通量检测的自适应调整策略的应用尤为重要。

现有的过饱和交通状态下自适应控制方法大都围绕孤立交叉口展开，但在实际系统中，仅自适应地调整单个交叉口的信号方案而不考虑交叉口间的联系并同步地调整受影响的下游交叉口，可能会导致下游交叉口出现更严重的排队滞留、溢出甚至“死锁”等不良现象。从时间、空间两个维度来控制需求波动对系统造成的影响是很有必要的，但现有研究大都仅从时间的角度提出自适应调整策略。因此，可以认为，现有技术对于过饱和交通状态干线自适应信号协调控制的适应性是不足的。

发明内容

发明目的：针对现有方法的不足，本发明的目的在于为过饱和交通状态下的城市干线提供一套基于实时排队长度检测的自适应信号协调设计方法与装置，通过调整绿灯时长控制需求波动对系统所造成时空影响的范围，维持干线系统稳定。

技术方案：为实现以上发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种过饱和交通状态干线自适应信号协调设计方法，包括以下步骤：

(1)获取过饱和交通状态干线目标路段的几何参数、交通参数、控制参数以及需优化时段的交通流量数据，生成包括干线各交叉口绿灯时长和相位方案的初始控制方案及对应交通参数，包括到达各交叉口的上游直行车队的头车与尾车时距和初始排队长度。

(2)获取交叉口直行车道实时排队长度，判断是否出现需求波动。

(3)当某交叉口某周期出现需求波动时，判断能否通过直行相位绿灯时长调整将影响控制在本周期，并根据判断结果调整绿灯时长及对应交通参数。

(4)判断能否通过支线左转相位绿灯时长调整将影响控制在本交叉口，根据判断结果调整绿灯时长及对应交通参数，若能则结束本次判断，若不能则认为到达下游交叉口的车队出现需求波动，返回步骤(3)。

作为优选，所述步骤(1)中获取的路段几何参数包括交叉口间距、车道功能以及对应车道数和进口道长度，路段交通参数包括饱和流率、路段限速、排队消散状态的车速和停车状态的车头间距，路段控制参数包括交叉口周期时长、绿灯间隔时长、正反方向权重、期望最小平均交通流率和期望最大平均交通流率，交通流量数据包括目标路段各进口道各流向的单位时间到达车辆数。

作为优选，所述步骤(2)中依据直行车道实时排队长度判断是否出现需求波动的方法为：

判断第i交叉口是否出现需求波动，第i交叉口实时排队长度曲线与上游第i-1交叉口直行车队首车时空轨迹相交处的排队长度为实测初始排队长度；

当实测初始排队长度与初始控制方案对应的预定初始排队长度的之差超出可接受范围时，认为第i交叉口出现需求波动。

作为优选，所述步骤(3)当某交叉口某一周期出现需求波动时，能否通过直行相位绿灯时长调整将影响控制在本周期的判断公式为：

假设出现需求波动的交叉口为第j交叉口，满足上述公式，则能通过直行相位绿灯时长调整将影响控制在本周期的判断公式。其中，g_j,max为第j交叉口的直行相位的最大绿灯时长；g_j为当前第j交叉口的直行相位的绿灯时长；t_0,j为上游交叉口通过直行到达第j交叉口交通流的头车与尾车时距；v_c为排队消散状态的车速；v_f为车队稳定行驶速度；l_ts,j为驶入第j交叉口的车队速度转换点与第j-1交叉口停止线的距离；L_j为第j交叉口与第j-1交叉口间距；

为第j交叉口与其上游第j-1交叉口之间的相位差；

为第j交叉口到达车辆的直行比例；n_j为第j交叉口的直行车道数；w₂为启动波波速；l_j为第j交叉口的初始排队长度。

作为优选，所述步骤(3)根据绿灯时长及对应交通参数的调整计算公式为：

当能通过直行相位绿灯时长调整将影响控制在本周期时，

当不能通过直行相位绿灯时长调整将影响控制在本周期时，

t_0,j+1＝g_j,max

g_j＝g_j,max

作为优选，所述步骤(4)能否通过支线左转相位绿灯时长调整将影响控制在本交叉口的判断包括：

判断能否及时调整第j交叉口当前周期支线左转相位绿灯时长，公式表示为：

gbl_start,j≥t_now

满足上述公式，则能及时调整第j交叉口当前周期支线左转相位绿灯时长。其中，gbl_start,j为第j交叉口支线左转相位启亮时刻，t_now为当前时刻。

判断调节第j交叉口支线左转绿灯时长能否抵消直行通过交通量增大产生的影响，公式表示为：

满足上述公式，则调节第j交叉口支线左转绿灯时长能抵消直行通过交通量增大产生的影响。其中，h₀为停车状态下的车头间距；g_bl,j,min为第j交叉口支线左转相位的最小绿灯时长；T为周期时长；q_l,j为第j交叉口支路左转进入主线的交通流率；q_r,j为为第j交叉口支路右转进入主线的交通流率；q_b,j+1为通过第j+1交叉口上游路段的小支路、停车场或路边停车位驶入该交叉口进口道的车辆交通流率。

作为优选，所述步骤(4)绿灯时长及对应交通参数的调整计算公式为：

当能及时调整第j交叉口当前周期支线左转相位绿灯时长，并且调节第j交叉口支线左转绿灯时长能抵消直行通过交通量增大产生的影响时，

当能及时调整第j交叉口当前周期支线左转相位绿灯时长，并且调节第j交叉口支线左转绿灯时长不能抵消直行通过交通量增大产生的影响时，

g_bl,j＝g_bl,j,min

当不能及时调整第j交叉口当前周期支线左转相位绿灯时长，不对绿灯时长及对应交通参数进行调整。

基于相同的发明构思，本发明提供一种过饱和交通状态干线自适应信号协调设计装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的过饱和交通状态干线自适应信号协调设计方法。

有益效果：本发明以干线为基本的建模对象，设计基于实时排队长度检测的需求波动识别方法，通过调节主线直行相位绿灯时长控制需求波动对干线系统产生影响的时间范围，通过调节支线左转相位绿灯时长控制需求波动对干线系统产生影响的空间范围，维持过饱和交通状态下干线信号协调系统的稳定。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图。

图2为本发明实施例的需求波动识别示意图。

图3为本发明实施例中示例的路段示意图。

图4为本发明实施例中示例的优化前后通过交通量对比图。

图5为本发明实施例中示例的优化前后车均延误对比图。

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阐述，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明实施例公开的一种过饱和交通状态干线自适应信号协调设计方法，首先获取过饱和交通状态干线目标路段的几何参数、交通参数、控制参数以及需优化时段的交通流量数据，生成初始控制方案及对应交通参数；然后获取交叉口直行车道实时排队长度，判断是否出现需求波动；当某交叉口某周期出现需求波动时，判断能否通过直行相位绿灯时长调整将影响控制在本周期，并根据判断结果调整绿灯时长及对应交通参数；判断能否通过支线左转相位绿灯时长调整将影响控制在本交叉口，根据判断结果调整绿灯时长及对应交通参数，若能则结束本次判断，若不能则认为到达下游交叉口的车队出现需求波动，返回上一步骤。

本发明实施例公开的一种过饱和交通状态干线自适应信号协调设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1、获取过饱和交通状态干线目标路段的几何参数、交通参数、控制参数以及需优化时段的交通流量数据，生成初始控制方案及对应交通参数。

需调查获取的路段几何参数包括交叉口间距L_i、车道功能以及对应车道数n_i、进口道长度l_up,i，路段交通参数包括饱和流率q_m、路段限速v_f、排队消散状态的车速v_c、停车状态的车头间距h₀，路段控制参数包括交叉口周期时长T、绿灯间隔时长I，交通流量数据包括目标路段第0交叉口至第n+1交叉口各进口道各流向的单位时间到达车辆数，即车辆到达流率Q。

饱和流率q_m通过观测目标路段交叉口绿灯启亮时的饱和车头时距Δt₀换算得到，计算公式为：

排队消散状态的车速v_c通过测量通过交叉口停止线车辆的车速获得。

初始控制方案包括干线各交叉口绿灯时长方案和相位方案，对应交通参数包括到达各交叉口的上游直行车队的头车与尾车时距和初始排队长度，获取方式包括以下步骤：

(1)以干线为建模对象，构建以最大化干线两个方向加权吞吐量为目标的优化模型，通过调节绿灯时长实现干线吞吐量最大化；所述优化模型的约束包含保证本周期到达的车辆可以全部通过的约束、相位差处于临界状态时不存在空放的直行绿灯时长的约束、交通量进出平衡约束、绿灯时长范围约束以及绿灯时长相位约束。

具体地，目标干线两个方向加权吞吐量表示为：

其中，δ₁，δ₂分别为吞吐量最大化模型的正向、反向的权重；

分别为正向驶离第n交叉口、反向驶离第1交叉口的直行车道的单车道交通流率；t_0,n+1为直行通过第n交叉口到达第n+1交叉口交通流的头车与尾车时距，

为直行通过第1交叉口到达第0交叉口交通流的头车与尾车时距。以目标路段第1交叉口至第n交叉口的各相位绿灯时长、第0交叉口正向主线直行相位、支线左转相位绿灯时长以及第n+1交叉口反向主线直行相位、支线左转相位绿灯时长为优化对象，第0交叉口为第1交叉口上游的交叉口，第n+1交叉口为第n交叉口下游的交叉口。

描述保证本周期到达的车辆可以全部通过的约束表示为：

若w_i＝w₁，

若

其中，i表示第i交叉口；t_0,i,

分别为正向、反向上游交叉口通过直行到达第i交叉口交通流的头车与尾车时距；

分别为正向、反向第i交叉口到达车辆的直行比例；n_i,

分别为正向、反向第i交叉口的直行车道数；l_i,

分别为第i交叉口的初始排队长度；g_i,

分别为正向、反向第i交叉口主线直行相位绿灯时长；v_c为排队消散状态的车速；w_i,

分别为正向、反向第i交叉口的停止波波速；w₁为不存在转向以及车道变换折减时的停止波波速；w₂为启动波波速。

描述相位差处于临界状态时不存在空放的直行绿灯时长的约束表示为：

若i＝0，g_i＝t_0,i+1

若i＝n+1，

其中，i＝0时，g₀为第0交叉口的正向直行相位绿灯时长；i＝n+1时，

为第n+1交叉口的反向直行相位绿灯时长；t_0,1为正向上游交叉口通过直行到达第1交叉口交通流的头车与尾车时距，

为反向上游交叉口通过直行到达第n交叉口交通流的头车与尾车时距。

描述交通量进出平衡约束表示为：

其中，

分别为正向、反向驶出第i交叉口的交通流率，一般情况下为饱和流率；q_m为饱和流率。

绿灯时长范围约束表示为：

g_0，max≥g₀≥g_0，min

假设主线为南北走向，以自南到北为正方向，从北到南为反方向。其中，g_0,min,g_0,max分别为第0交叉口主线正向直行相位绿灯时长的最小值与最大值，

分别为第n+1交叉口主线反向直行相位绿灯时长的最小值与最大值；g_wl,i,g_wl,i,min,g_wl,i,max分别为第i交叉口西进口左转相位绿灯时长及其最小值与最大值；g_el,i,g_el,i,min,g_el,i,max分别为第i交叉口东进口左转相位绿灯时长及其最小值与最大值；g_nl,i,g_nl,i,min,g_nl,i,max分别为第i交叉口北进口左转相位绿灯时长及其最小值与最大值；g_sl,i,g_sl,i,min,g_sl,i,max分别为第i交叉口南进口左转相位绿灯时长及其最小值与最大值；g_ws,i,g_ws,i,min,g_ws,i,max分别为第i交叉口西进口直行相位绿灯时长及其最小值与最大值；g_es,i,g_es,i,min,g_es,i,max分别为第i交叉口东进口直行相位绿灯时长及其最小值与最大值。

第i交叉口各相位绿灯时间的最小值计算公式为：

其中，g_α,i,min,g_α,i,max分别为第i交叉口第α相位的最小、最大绿灯时长；Q_α,i为第i交叉口第α相位的交通量；n_α,i,为第i交叉口第α相位的车道数；EQ_max,EQ_min分别为期望绿灯时间内通过停止线的最大、最小平均交通流率，依据交通量拥堵状态确定。

绿灯时长相位约束表示为：

其中，K为充分大的数，如10000；μ_i为0-1变量，当μ_i＝0时，相位方案为对称或搭接放行，当μ_i＝1时，相位方案为单口放行；T为周期时长；I为绿灯间隔时长。

初始排队长度的变量表达式为：

其中，e_i,

分别为第i交叉口正向、反向的初始排队车辆数；h₀为停车状态下的车头间距；g_left,i-1为正向第i-1交叉口支路左转相位绿灯时长，

为反向第i+1交叉口支路左转相位绿灯时长，主线为南北走向，以自南到北为正方向，从北到南为反方向时，g_left,i-1＝g_el,i-1，

q_left,i-1为正向第i-1交叉口支路左转相位交通流率，

为反向第i+1交叉口支路左转相位交通流率；g_right,i-1,q_right,i-1分别为正向第i-1交叉口支路右转相位绿灯时长和交通流率，

分别为反向第i+1交叉口支路右转相位绿灯时长和交通流率；q_branch,i,

分别为正向、反向通过第i交叉口上游路段的小支路、停车场、路边停车位驶入该交叉口进口道的车辆交通流率；不限制右转车辆通行时，

(2)求解以最大化干线两个方向加权吞吐量为目标的优化模型，得到干线各交叉口各相位的绿灯时长。

其中，各交叉口各相位绿灯时长包括以目标路段第1交叉口至第n交叉口的各相位绿灯时长、第0交叉口正向主线直行相位、支线左转相位绿灯时长以及第n+1交叉口反向主线直行相位、支线左转相位绿灯时长。

计算各交叉口需要进行自适应协调方向(以正向为例)的初始排队长度l_i、直行车队头车与尾车时距t_0,i，时距计算公式为：

t_0,1＝g₀

该优化模型为混合整数线形规划模型，可以利用matlab中intlinprog函数进行求解。

(3)以干线各交叉口为建模对象，构建以最小化主线直行两个方向加权车均延误为目标的优化模型，通过调节相位差、相位方案来实现车均延误最小化；所述优化模型的约束包含避免溢出约束、避免排队清空后主线车队未到达情况出现的约束、避免主线车队所有车辆均需排队等待并且“多余等待时间”超出额定范围情况出现的约束、保证本周期到达车辆可以全部通过的约束、相位差与两个方向绿灯启亮时间差关系约束。

具体地，第i交叉口主线直行两个方向加权车均延误表示为：

其中，delay_i,

分别为正向第i交叉口、反向第i-1交叉口的车均延误；β₁,β₂分别为车均延误最小化模型的正向、反向车均权重系数。

车均延误表达式为：

若

AREA_i＝0

若

并且

若

若

若

并且

若

其中，交通波的变量表达式为：

其中，车队速度转换点与上游交叉口停止线的距离l_ts,i表达式为：

当l_down+l_up,i≤L_i时，

当l_down+l_up,i>L_i时，l_ts,i＝L_i-l_up,i

其中，l_down表示车辆从停止加速到稳定行驶速度所需要的距离；a_accel为车辆加速度，可取2.6m/s²；l_up,i为第i交叉口进口道长度。

描述避免溢出约束表示为：

l_max,i≤L_i

其中，l_max,i,

分别为正向第i交叉口、反向第i-1交叉口最大排队长度；L_i为第i交叉口与第i-1交叉口间距。

最大排队长度的变量表达式为：

若

l_max,i＝l_i

若

并且

若

若

若

并且

若

描述避免排队清空后主线车队未到达情况出现的约束表示为：

其中，

为正向第i交叉口与其上游第i-1交叉口之间的相位差，

反向第i-1交叉口与其上游第i交叉口之间的相位差，即绿灯启亮时间差，以上游交叉口绿灯先亮为正；v_f为车队稳定行驶速度，一般为路段限速；l_ts,i为正向驶入第i交叉口的车队速度转换点与第i-1交叉口停止线的距离，

为反向驶入第i-1交叉口的车队速度转换点与第i交叉口停止线的距离，一般为第i-1交叉口下游功能区长度。

描述避免主线车队所有车辆均需排队等待并且“多余等待时间”超出额定范围情况的出现的约束表示为：

其中，extra为“多余等待时间”，即车队尾车的等待时间。

描述保证本周期到达车辆全部通过的约束表示为：

若w_i＝w₁，

当

相位差与两个方向绿灯启亮时间差关系约束表示为：

其中，Δ_i为第i交叉口正向、反向主线直行相位绿灯启亮的时间差(以正向先放行为正；M为整数，不限正负，一般情况下取值为-1，1，0；Δ_i,1,Δ_i,2,Δ_i,3,Δ_i,4,Δ_i,5分别对应南北对称、南北搭接、北南搭接、南东北西、南西北东五种相位方案下Δ_i取到的值；U为中间参数，表示正反向相位差的和。

五种相位方案下Δ_i的变量表达式为：

Δ_i,1＝0

Δ_i,2＝g_sl,i+I

Δ_i,3＝-g_nl,i-I

Δ_i，4＝g_ss，i+g_es，i+2I

Δ_i，5＝g_ss，i+g_ws，i+2I

其中，g_ss,i为第i交叉口南进口直行相位的绿灯时长。

(4)求解以最小化主线直行两个方向加权车均延误为目标的优化模型，得到交叉口与其上游交叉口之间相位差和各交叉口的相位方案。

交叉口与其上游交叉口之间相位差指正向第1至第n交叉口间的相位差，各交叉口的相位方案指第1至第n交叉口的相位方案，包括南北对称、南北搭接、北南搭接、南东北西、南西北东五种。

模型采用下述方法求解：计算两个方向的相位差所需满足的约束(避免溢出约束、避免排队清空后主线车队未到达情况出现的约束、避免主线车队所有车辆均需排队等待且“多余等待时间”超出额定范围情况出现的约束、保证本周期到达车辆可以全部通过的约束)，计算U(即

)的范围；已知U(即-Δ_i+Δ_i-1+M*T)的范围，从五种相位方案下Δ_i可取值集合中筛选出满足范围的Δ_i，从而确定U的值；将

纳入约束，将模型转变为仅以

为决策变量的二次规划模型；利用matlab中quadprog函数进行求解该二次规划模型，求解每个交叉口双向最优相位差

继而得到各交叉口正反向绿灯启亮时间差Δ_i。其中，当不存在相位方案组合满足U的范围约束时，通过调整“多余等待时间”extra放宽U的范围再进行求解；当U可以同时取多个值时，分别求解取最优的一组解；对于单个交叉口，两个方向共有九种情况组合，分别求解取最优的一组解。

步骤2、获取交叉口直行车道实时排队长度，判断是否出现需求波动。

如图2所示，依据直行车道实时排队长度判断是否出现需求波动，包括以下步骤：

(1)判断第i交叉口是否出现需求波动，第i交叉口实时排队长度曲线与上游第i-1交叉口直行车队首车时空轨迹相交处的排队长度为实测初始排队长度l_m,i；

由于检测器按照一定的时间步长t_step返回排队长度值，即时间-排队长度数据是离散的，且一定时间范围内排队长度曲线、首车时空轨迹曲线趋势稳定，因此若出现t时刻第i交叉口实时排队长度介于t时刻第i-1交叉口首车与第i交叉口停止线距离与t+t_step时刻第i-1交叉口首车与第i交叉口停止线距离(t+t_step时刻的距离可以根据v_c或v_f进行预测)之间，则认为t时刻实时排队长度曲线与首车时空轨迹相交，t时刻第i交叉口的实时排队长度可认为实测初始排队长度l_m,i。

(2)当实测初始排队长度l_m,i与初始控制方案对应的预定初始排队长度l_r,i的之差超出可接受范围时，认为第i交叉口出现需求波动。

步骤3、当某交叉口某周期出现需求波动时，判断能否通过直行相位绿灯时长调整将影响控制在本周期，并根据判断结果调整绿灯时长及对应交通参数。

当某交叉口某一周期出现需求波动时，能否通过直行相位绿灯时长调整将影响控制在本周期的判断公式为：

假设出现需求波动的交叉口为第j交叉口(若从步骤2转入步骤3，则第i交叉口出现需求波动，j＝i；若从步骤4返回步骤3，则第j交叉口出现需求波动)。满足上述公式，则能通过直行相位绿灯时长调整将影响控制在本周期的判断公式。其中，g_j,max为第j交叉口的直行相位的最大绿灯时长；g_j为当前第j交叉口的直行相位的绿灯时长；t_0,j为上游交叉口通过直行到达第j交叉口交通流的头车与尾车时距；v_c为排队消散状态的车速；v_f为车队稳定行驶速度；l_ts,j为驶入第j交叉口的车队速度转换点与第j-1交叉口停止线的距离；L_j为第j交叉口与第j-1交叉口间距；

为正向第j交叉口与其上游第j-1交叉口之间的相位差；

为第j交叉口到达车辆的直行比例；n_j为第j交叉口的直行车道数；w₂为启动波波速；l_j为第j交叉口的初始排队长度(若从步骤2转入步骤3，当前初始排队长度等于实测初始排队长度，l_j＝l_m,j)。

根据绿灯时长及对应交通参数的调整计算公式为：

当能通过直行相位绿灯时长调整将影响控制在本周期时，

当不能通过直行相位绿灯时长调整将影响控制在本周期时，

t_0,j+1＝g_j,max

g_j＝g_j,max

步骤4、判断能否通过支线左转相位绿灯时长调整将影响控制在本交叉口，根据判断结果调整绿灯时长及对应交通参数，若能则结束本次判断，若不能则认为到达下游交叉口的车队出现需求波动，即第j+1交叉口出现需求波动，令j＝j+1，返回步骤3。

能否通过支线左转相位绿灯时长调整将影响控制在本交叉口的判断包括：

(1)判断能否及时调整第j交叉口当前周期支线左转相位绿灯时长，公式表示为：

gbl_start,j≥t_now

满足上述公式，则能及时调整第j交叉口当前周期支线左转相位绿灯时长。其中，gbl_start,j为第j交叉口支线左转相位启亮时刻，t_now为当前时刻。

(2)判断调节第j交叉口支线左转绿灯时长能否抵消直行通过交通量增大产生的影响，公式表示为：

满足上述公式，则调节第j交叉口支线左转绿灯时长能抵消直行通过交通量增大产生的影响。其中，h₀为停车状态下的车头间距；g_bl,j,min为第j交叉口支线左转相位的最小绿灯时长；T为周期时长；q_l,j为第j交叉口支路左转进入主线的交通流率；q_r,j为为第j交叉口支路右转进入主线的交通流率；q_b,j+1为通过第j+1交叉口上游路段的小支路、停车场或路边停车位驶入该交叉口进口道的车辆交通流率。

绿灯时长及对应交通参数的调整计算公式为：

当能及时调整第j交叉口当前周期支线左转相位绿灯时长，并且调节第j交叉口支线左转绿灯时长能抵消直行通过交通量增大产生的影响时，

当能及时调整第j交叉口当前周期支线左转相位绿灯时长，并且调节第j交叉口支线左转绿灯时长不能抵消直行通过交通量增大产生的影响时，

g_bl,j＝g_bl,j,min

当不能及时调整第j交叉口当前周期支线左转相位绿灯时长，不对绿灯时长及对应交通参数进行调整。

基于相同的发明构思，本发明实施例提供一种过饱和交通状态干线自适应信号协调设计装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的过饱和交通状态干线自适应信号协调设计方法。

下面结合一个具体算例对本发明实施例的方法做进一步说明：

(1)设计路段概况

选取南京市中山东路的10个交叉口(中山东路-洪武北路交叉口、中山东路-延龄巷交叉口、中山东路-太平北路交叉口、中山东路-长江东街交叉口、中山东路-长白街交叉口、中山东路-二条巷交叉口、中山东路-龙蟠中路交叉口、中山东路-黄埔路交叉口、中山东路-明故宫路(西)交叉口、中山东路-明故宫路(东)交叉口)进行过饱和信号协调方案设计，以自西向东走向为正，交叉口位置信息如图3所示。从南京市交通管理局获取2020年4月24日晚高峰(17:28-18:01)上述交叉口各进口道以及路段中的监控视频，求解该时段的信号控制方案，并对交通量较大的自西向东方向进行自适应协调优化。

(2)道路几何数据

从地图中获取交叉口间距、各交叉口进口道长度以及各流向车道数，如表1所示。

表1道路几何数据

(3)交通参数与控制方案

通过监控视频，测量和确定重要参数，如表2所示。

表2交通参数与控制参数设置

求解出案例离线控制方案，如表3所示。

表3案例离线控制方案

(4)自适应协调效果

依据实测交通量数据输入3600s的交通需求，即车辆出现或等待出现在仿真系统的时间随机的分布在0-3600s，观察仿真运行情况。

离线的控制方案系统整体运行情况良好，从上游到达下游的车辆可以被及时排出，但自西向东方向S3-S6交叉口路段，仍出现了排队增长的现象。对目标路段自西向东方向引入自适应协调控制，局部区域排队增长的问题得到明显改善，基本不会出现下游车辆堆积的情况。

采用仿真检测器获取自适应协调前后目标路段自西向东方向通过车辆数以及车均延误情况，如图4、图5所示。从图中可以明显看出，出现排队堆积现象的S3、S4、S5、S6四个交叉口通过交通量以及车均延误情况优化效果显著。

Claims (6)

1.一种过饱和交通状态干线自适应信号协调设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取过饱和交通状态干线目标路段的几何参数、交通参数、控制参数以及需优化时段的交通流量数据，生成包括干线各交叉口绿灯时长和相位方案的初始控制方案及对应交通参数，包括到达各交叉口的上游直行车队的头车与尾车时距和初始排队长度；

(2)获取交叉口直行车道实时排队长度，判断是否出现需求波动；

(3)当某交叉口某周期出现需求波动时，判断能否通过直行相位绿灯时长调整将影响控制在本周期，并根据判断结果调整绿灯时长及对应交通参数；

(4)判断能否通过支线左转相位绿灯时长调整将影响控制在本交叉口，根据判断结果调整绿灯时长及对应交通参数，若能则结束本次判断，若不能则认为到达下游交叉口的车队出现需求波动，返回步骤(3)；

所述步骤(3)当某交叉口某一周期出现需求波动时，能否通过直行相位绿灯时长调整将影响控制在本周期的判断公式为：

假设出现需求波动的交叉口为第j交叉口，满足上述公式，则能通过直行相位绿灯时长调整将影响控制在本周期的判断公式；其中，g_j,max为第j交叉口的直行相位的最大绿灯时长；g_j为当前第j交叉口的直行相位的绿灯时长；t_0,j为上游交叉口通过直行到达第j交叉口交通流的头车与尾车时距；v_c为排队消散状态的车速；v_f为车队稳定行驶速度；l_ts,j为驶入第j交叉口的车队速度转换点与第j-1交叉口停止线的距离；L_j为第j交叉口与第j-1交叉口间距；

为第j交叉口与其上游第j-1交叉口之间的相位差；

为第j交叉口到达车辆的直行比例；n_j为第j交叉口的直行车道数；w₂为启动波波速；l_j为第j交叉口的初始排队长度；

所述步骤(3)根据绿灯时长及对应交通参数的调整计算公式为：

当能通过直行相位绿灯时长调整将影响控制在本周期时，

当不能通过直行相位绿灯时长调整将影响控制在本周期时，

t_0,j+1＝g_j,max

g_j＝g_j,max

其中，t_0,j+1为上游交叉口通过直行到达第j+1交叉口交通流的头车与尾车时距。

2.根据权利要求1所述的一种过饱和交通状态干线自适应信号协调设计方法，其特征在于，所述步骤(1)中获取的路段几何参数包括交叉口间距、车道功能以及对应车道数和进口道长度，路段交通参数包括饱和流率、路段限速、排队消散状态的车速和停车状态的车头间距，路段控制参数包括交叉口周期时长、绿灯间隔时长、正反方向权重、期望最小平均交通流率和期望最大平均交通流率，交通流量数据包括目标路段各进口道各流向的单位时间到达车辆数。

3.根据权利要求1所述的一种过饱和交通状态干线自适应信号协调设计方法，其特征在于，所述步骤(2)中依据直行车道实时排队长度判断是否出现需求波动的方法为：

判断第i交叉口是否出现需求波动，第i交叉口实时排队长度曲线与上游第i-1交叉口直行车队首车时空轨迹相交处的排队长度为实测初始排队长度；当实测初始排队长度与初始控制方案对应的预定初始排队长度的之差超出可接受范围时，认为第i交叉口出现需求波动。

4.根据权利要求1所述的一种过饱和交通状态干线自适应信号协调设计方法，其特征在于，所述步骤(4)能否通过支线左转相位绿灯时长调整将影响控制在本交叉口的判断包括：

判断能否及时调整第j交叉口当前周期支线左转相位绿灯时长，公式表示为：

gbl_start,j≥t_now

满足上述公式，则能及时调整第j交叉口当前周期支线左转相位绿灯时长；其中，gbl_start,j为第j交叉口支线左转相位启亮时刻，t_now为当前时刻；

判断调节第j交叉口支线左转绿灯时长能否抵消直行通过交通量增大产生的影响，公式表示为：

满足上述公式，则调节第j交叉口支线左转绿灯时长能抵消直行通过交通量增大产生的影响；其中，h₀为停车状态下的车头间距；

为第j+1交叉口到达车辆的直行比例；n_j+1为第j+1交叉口的直行车道数；g_bl,j,min为第j交叉口支线左转相位的最小绿灯时长；T为周期时长；q_l,j为第j交叉口支路左转进入主线的交通流率；q_r,j为第j交叉口支路右转进入主线的交通流率；q_b,j+1为通过第j+1交叉口上游路段的小支路、停车场或路边停车位驶入该交叉口进口道的车辆交通流率；t_0,j+2、t_0,j+1分别为上游交叉口通过直行到达第j+2、j+1交叉口交通流的头车与尾车时距；v_c为排队消散状态的车速；w₂为启动波波速。

5.根据权利要求4所述的一种过饱和交通状态干线自适应信号协调设计方法，其特征在于，所述步骤(4)绿灯时长及对应交通参数的调整计算公式为：

当能及时调整第j交叉口当前周期支线左转相位绿灯时长，并且调节第j交叉口支线左转绿灯时长能抵消直行通过交通量增大产生的影响时，

其中，l_j+1为第j+1交叉口的初始排队长度；

当能及时调整第j交叉口当前周期支线左转相位绿灯时长，并且调节第j交叉口支线左转绿灯时长不能抵消直行通过交通量增大产生的影响时，

g_bl,j＝g_bl,i,min

当不能及时调整第j交叉口当前周期支线左转相位绿灯时长，不对绿灯时长及对应交通参数进行调整。

6.一种过饱和交通状态干线自适应信号协调设计装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被加载至处理器时实现根据权利要求1-5任一项所述的过饱和交通状态干线自适应信号协调设计方法。

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