CN112669628B - 一种基于需求-供给双波动的交叉口信号设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于需求‑供给双波动的交叉口信号设计方法，属于交通管理与控制领域。针对现有技术中在动态信号控制设计时，缺乏综合考虑交通供给和需求双重波动对交叉口信号控制的影响，仅仅考虑需求的实时变化而建立的交通信号控制模型具有局限性的问题，本发明在同时考虑交通流量变化以及交叉口通行能力波动的双重影响下，进行交叉口动态信号控制方案设计，得到更加符合交叉口实际条件的信号控制方案，有助于交叉口更加高效稳定运行，节约时间与空间资源，缓解拥堵。

Description

一种基于需求-供给双波动的交叉口信号设计方法

技术领域

本发明涉及交通管理与控制领域，更具体地说，涉及一种基于需求-供给双波动的交叉口信号设计方法。

背景技术

近年来，我国经济技术水平快速发展，城镇化水平不断提高，作为城市运行最基础的城市交通得到全面提升，城市交通的巨大进步让人们的日常活动、社会经济等方方面面都有巨大的改善。但是，凡事有利则有弊，快速发展的城市交通，城市机动车数量不断上升，使得城市交通变得更加拥堵，据统计我国城市在高峰时段交通拥堵的数量约66.7％；交通拥堵在我国一些大城市更加严重，城市部分区域交通甚至处于或接近瘫痪状态，尤其是在道路交叉口处的拥堵占据了很大比例，交叉口处的拥堵成为整个城市交通堵塞的重要部分，50-80％的城市交通问题发生在交叉口以及交叉口的邻近区域，另外机动车在信号交叉口消耗时间约占在城市内总延误时间的33％，而其中绝大部分的延误时间都是由交叉口的信号控制延误引起的。再者，我国每年由于发生交通拥堵所造成的损失达到5-8％，这些损失不仅严重影响经济的发展，还会成为城市进步的瓶颈。

针对城道路交叉口的缓堵措施，国内外有很多学者和专家进行了大量的研究和实践，从交叉口优化设计，如交通控制、交通组织等方面深入挖掘，进而改善交通拥堵状况。在信号控制设计方面，从最初的传统四相位的固定式配时设计，到后来的分时段信号控制，再到动态交通信号控制，交叉口信号优化设计越来越具有科技性和及时性，更加贴合实际需求，在一定程度上提升了交叉口运行效率。但是以上各类信号控制方案的设计和提出，还存在不足之处，主要体现在：

1)固定式信号控制方案设计局限性较大，不能适应交通流随时间变化的规律和需求，容易造成资源浪费和拥堵。

2)分时段信号控制方案设计虽然能满足交通流量随时间变化而变化带来的交叉口动态调整信号控制的要求，但是信号调整过于粗略，不够精细化，宏观上可以带来交叉口运行的秩序优化，但在交通流信息瞬息万变的背景下，还是会造成因流量不断的变化使得发生局部严重拥堵。

3)动态交通信号控制设计的思路目前大多数是基于实时检测交通流量数据信息，计算信号配时参数，实时调整信号控制方案，从而实现交叉口信号控制的动态化调整。交通流在不断的变化被大家利用来进行信号控制设计，然而不可否认的是，作为供给方的交叉口通行能力在实际中也在不断的波动，这点往往在信号控制设计时被忽略。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中在动态信号控制设计时，缺乏综合考虑交通供给和需求双重波动对交叉口信号控制的影响，仅仅考虑需求的实时变化而建立的交通信号控制模型具有局限性。因而，本发明在同时考虑交通流量变化以及交叉口通行能力波动的双重影响下，进行交叉口动态信号控制方案设计，得到更加符合交叉口实际条件的信号控制方案，有助于交叉口更加高效稳定运行，节约时间与空间资源，缓解拥堵。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于需求-供给双波动的交叉口信号设计方法，具体步骤如下：

步骤S1：通过前端智能化流量信息采集设备，实时获取交叉口的流量数据以及进口道停止线处的车头时距数据。

步骤S2：通过实时获取的交通流量数据以及车头时距数据，判定推理交叉口处于的运行状态。

步骤S3：结合S2的判断交叉口运行状态，建立算法模型，计算符合实际的信号配时参数，下发给信号机，以适应流量-通行能力的波动对交叉口的影响。

步骤S1具体包括：

步骤S11，通过前端智能化流量信息采集设备，实时获取交叉口各进口道转向流量q_ij(i表示交叉口岔口数，i∈{1,2,...N}，N为正整数；j∈{1,2,3}，1表示左转，2表示直行，3表示右转)，并形成数据集保存。考虑到本发明的计算和数据需求，需要对前端流量检测设备检测到的流量数据进行处理，采用不同时间粒度下的分进口道转向流量：q_ij(辆/周期、辆/5min、辆/15min等)，时间粒度的划分可视具体需求而定。

步骤S12，同时获取此时可的各个进口道停止线处的车头时距数值h_ij(i,j表示的含义与上相同)，并形成数据集保存。

步骤S13，对S12中的车头时距数值h_ij的获取进行处理，获取各个进口道各转向的饱和车头时距及饱和流率。

经过统计，得到每条车道停车线处的车头时距。统计中，根据HCM及其他学者研究表明，排队车辆在绿灯初期，车辆从停止到启动会有启动延误，这样会造成前四辆车车头时距大于饱和车头时距，所以为了消除绿灯初期车辆起动延误对饱和流率的影响，本发明在涉及到饱和车头时距确定时，规定从绿灯开始后通过停止线的第五辆车作为饱和车头时距得计算开始点。同时，为消除个别驾驶人精力不集中导致的异常数据的影响，将车头时距观测值按大小排序，剔除末尾个别过大的车头时距值以及去除观测数据中非正常值计算均值，如式：

式中：M—单周期车辆数；N—舍弃样本个数，N＝[M×α]；α为截尾百分数，取α＝10％。

根据HCM计算饱和流率的方法由下式表示：

式中：s₀表示车道饱和流率(veh/h)；

表示饱和车头时距(s)。

另外，若在此时间段内样本量较小，无法通过计算获取饱和车头时距和饱和流率，则只需将记录下的各个车头时距数值保留作为下部的分析评判，此时不用计算饱和流率。

步骤S2具体包括：

步骤S21，结合步骤S11、S13得到的交通流量以及车头时距数据，对交叉口运行状态进行判断，具体可以分为一下几种状态：

(1)交叉口运行流畅，没有拥堵的状态。

当交叉口个别进口道交通流量较大，但交叉口进口道流量检测设备检测到的流量数据不大，且车头时距数值较大且没有规律的波动，进口道总体处于畅通状态；其他进口道流量较小且车头时距数值较大没有规律的波动。此时交叉口运行畅通，但是各个进口道状态不均匀，出现某一个或几个进口道流量较小，其他进口道流量较大，交叉口总通行能力大于总需求流量，供大于求，能够提供较好的资源供机动车通行。

(2)交叉口运行处于缓行状态，介于畅通和拥堵状态之间。

此时，流量检测设备检测到各个进口道流量数值较大，但是机动车流量呈间断性稳定的到达交叉口，此时在每个间断到达的车流车头时距低于(1)中的数值且波动较小，基本稳定在一定范围内；另外，在绿灯相位末尾，车辆到达交叉口，离散程度较大，由此判定交叉口处于缓行状态。此时交叉口没有产生拥堵，交叉口总通行能力与总需求流量差值较小，基本可以维持交叉口正常运行。

(3)交叉口处于拥堵饱和状态

此种状态下，交叉口进口道流量检测设备，检测到的某一进口道流量数据较大且车头时距数值较小稳定在一定范围内，则表示进口道上游来车流量大，进口道及上游拥堵。交叉口通行能力小于总的交通流量，供小于求。交叉口进口道流量检测设备检测到的流量在一段时间内均保持在较高的水平。

步骤S22，根据S21的对于交叉口运行状态的分析和总结，结合不同的运行状态下的交通流量数据以及车头时距数值，分别建立符合不同交通运行状态的信号设计方法模型。这里提取交叉口各个进口道流量数据q_ij以及车头时距数值h_ij，通过上文的总结，建立交叉口运行流畅，没有拥堵的状态、交叉口运行处于缓行状态和交叉口处于拥堵饱和状态三个大的场景模型，其中每个场景可以拓展为各个进口道运行状态的分析，从而影响整个交叉口的运行。

这里结合上述三个交叉口运行场景建立涉及的实时检测到的流量、车头时距数值的获取的状态模型，流量和车头时距自进口道绿灯时间开始时实时检测，其界定值定义为：

(1)进口道流量q_ij≤q₁(pcu/h)，且车头时距数值>h₁，且呈现无规则较大波动，此时可以判定进口道处于畅通状态。

(2)进口道流量q₁≤q_ij≤q₂(pcu/h)，且车头时距数值呈现在两个区间范围波动，区间一为部分车头时距数值<h₂，波动较小；区间二为部分车头时距数据>h₁，且呈现无规则较大波动。此时，可以判定上述情况为交叉口处于缓行状态。

(3)进口道流量q₂≤q_ij(pcu/h)，且车头时距数值<h₂，波动较小，则判定进口道流量大，发生拥堵，车流以较长的排队队列行驶出进口道。

需要说明的是，以上流量、车头时距数值的取值范围可以结合交叉口实际情况确定，不同交叉口对象具有特定性。

步骤S3具体包括：

步骤S31，当交叉口进口道流量检测设备获取的流量数据q_ij较小，低于设定的S22(1)中的规定中的流量限值，车头时距值较大，呈现无规则的较大的波动，此时交叉口处于畅通状态，各个进口道流量小，信号设计按照如下方法进行调整。

若检测到交叉口所有进口道5min检测的交通流量q_ij较小，车头时距的数值h_ij较大，分布范围大，波动明显，则可判定交叉口正处于畅通状态，信号控制方案设计为：

1)根据交叉口各个岔口宽度W_i，考虑行人过街，计算东西、南北四个方向所需最短行人过街时长t_i，从东西两个岔口行人过街时长数值中选取较大的数值作为南北直行相位时长：t_S,N＝max(t_W,t_E)，t_W,t_E为东、西岔口行人过街所需时间；同理，从南北两个岔口行人过街时长数值中选取较大的数值作为东西直行相位时长：t_E,W＝max(t_N,t_S)，t_N,t_S为南北岔口行人过街最小时间。

另外，考虑左转相位时长取值，可以以近5个周期中左转相位中平均每相位通过停止线的车辆数与饱和车头时距的乘积：g_ei＝h_ij*q_ij，所得时长作为该绿灯相位时长。

综上所述，此时交叉口周期时长为

m表示左转相位数，n表示交叉口信号总相位数，l_k表示第k相位的损失时间，可以近似取相位之间的绿灯间隔时间，可为3s；

2)根据实时检测的流量数据q_ij，且交叉口在畅通状态下，交通流近似接近自由流，此时进口道饱和流率s_ij接近设计饱和流率s₀，参照交通工程学专业知识规定，设计饱和流率取值为：

表1饱和流率

车道功能	饱和流率取值(pcu/h)
		左转车道	1300-1800，平均1550
直行车道	1400-2000，平均1650
		右转车道	1550

计算交叉口最短周期时长：

y_k是第k相位的关键(最大)流量比；l_k为第k相位的损失时间，可以近似取相位之间的绿灯间隔时间，可取黄灯时间3s。

3)对上文计算得到的C_p、C_min进行比较，若C_p大于C_min，则该交叉口周期时长取值C_p，各相位绿灯时长取值参考1)中计算所得；若C_p小于C_min，则该交叉口周期调整为C_min，再通过各个相位的关键流量比y_k计算得到每个相位的绿灯时长g_k；考虑到此时交叉口流量较小，计算得到的最小信号周期时长分配的各个相位绿灯时长过短造成交通延误等不良情况，需要对各个相位有效绿灯时长进行约束：g_k,min<g_ek，式中，g_k,min指的是第k相位的最短绿灯时间，一般取值为4s；g_ek指的是第k相位的有效绿灯时长(s)。

4)将计算得到的信号配时方案下发到信号控制机，实现路口的信号方案更新。

步骤S32，当流量检测设备检测到各个进口道流量数值较大，机动车流量和车头时距数值在S22中(2)所规定的范围，机动车流量呈间断性稳定的到达交叉口，另外，在绿灯相位末尾，车辆到达交叉口，离散程度较大，由此判定交叉口处于缓行状态。此时，交叉口信号设计按照如下方法进行调整。

1)车头时距取值见S13中的计算方法：

若本周期内样本数不足导致车头时距计算误差大，则可以追溯近5min内所有周期内的车头时距计算值，再取平均值即可：

K为计算的周期数。

2)计算各个进口道饱和流率

式中，优先采用①式的计算，即采用最近一个周期的样本量，这样可以保证数据的时效性。①式不能计算得到的前提下，采用②式的计算方法。

3)依次计算交叉口某一进口道小时当量机动车流量q^h _ij＝q_ij*12，再计算各个进口道流量比y_ij＝q^h _ij/s_ij，再确定每个进口道的关键流量比y_k＝max(y_ij)，并求和所有的关键流量比Y＝∑y_k。

4)计算信号总损失时间

L_s为启动损失时间，可取3s，I为绿灯间隔时间，这里定为3s，A为黄灯时间，一般取3s。

5)计算交叉口此时的最佳周期时长C＝(1.5L+5)/1-Y。

6)计算各个相位有效绿灯时间

7)将每个相位的有效绿灯时间g_ek按照相位相序排列组合，形成信号相位设计方案下发到信号机，执行此信号控制方案。

步骤S33，当流量检测设备检测到各个进口道流量数值大，机动车流量和车头时距数值在S22中(3)所规定的范围，机动车流量呈不间断性的到达交叉口，车头时距数值自绿灯开启后开始下降至较低水平并保持到绿灯相位结束，由此判定交叉口处于拥堵状态。此时，交叉口信号设计按照如下方法进行调整。

1)考虑到此时交叉口处于拥堵过饱和状态，因此传统的信号配时方法不再适用，本发明在前端流量检测设备的支持下，实时获取到达进口道流量数据Q_ij以及在每个绿灯相位结束后该进口道的滞留车辆数Q^s _ij，基于此计算得出实际行驶出交叉口的交通量q_ij＝Q_ij-Q^s _ij。

2)交叉口在拥堵过饱和状态下，每周期该相位绿灯时间会被车辆充分利用，且会有车辆二次停车滞留在进口道，在此情况下，车头时距自绿灯相位开始后下降至稳定值范围内，排除前面受启动波的影响下的较大的车头时距，后续车辆车头时距大致稳定，应用S13中车头时距计算方法，得到每个进口道的车头时距

3)计算各个进口道饱和流率

4)计算各个进口道流量比y_ij＝q^h _ij/s_ij，再确定每个进口道的关键流量比y_k＝max(y_ij)，并求和所有的关键流量比Y＝∑y_k。

5)计算信号总损失时间

L_s为启动损失时间，可取3s,I为绿灯间隔时间，这里定为3s，A为黄灯时间，一般取3s。

6)计算交叉口此时的最佳周期时长C＝(1.5L+5)/1-Y。

7)计算各个相位有效绿灯时间

8)将每个相位的有效绿灯时间g_ek按照相位相序排列组合，形成信号相位设计方案下发到信号机，执行此信号控制方案。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本发明基于实测的交通流量与车头时距数据出发，提出基于实测的需求-供给波动下的交叉口信号设计方法，通过分析不同流量和车头时距数值下的交叉口运行状态分析，建立对应的基于实时流量需求和供给能力的信号设计算法模型。本发明可以在交叉口处于不同状态下，有效地解决了信号方案设计不合理造成资源浪费或分配不均等问题。该方法简单实用，针对性强，适用范围广，具有一定的实际运用价值。主要体现在以下几个方面：

1)本发明设计的信号配时算法可以克服固定式信号配时的缺点，可以根据实时的交通流量需求以及交叉口的状态，更大限度的发掘优化的空间，自动调整信号配时方案的设计，具有灵活的优点。

2)相对于多时段信号配时方法，本发明还具备精细化的特点，能够提供更加灵活多变的信号方案。

3)本发明提出一种基于交叉口供给能力不断波动的条件下的信号设计方法，交叉口供给能力(体现在饱和流率)的多变，需要我们不得不考虑其带给交叉口信号设计时的影响，因此本发明是一种不同于以往以特定供给能力的交叉口信号方案计算方法。

附图说明

图1为本发明所述交叉口信号设计方法所对应步骤流程图；

图2为本发明所对应步骤S31设计方法流程图；

图3为本发明所对应步骤S32设计方法流程图；

图4为本发明所对应步骤S33设计方法流程图。

具体的实施方式

实施例：

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合对象交叉口数据，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，一种基于需求-供给双波动的交叉口信号设计方法，具体步骤如下。

步骤S1，通过前端智能化流量信息采集设备，实时获取交叉口的流量数据以及进口道停止线处的车头时距数据。该步骤具体又包括以下子步骤：

步骤S11，在本实施例中采用5min的时间粒度下的分进口道转向流量：q_ij(辆/5min)。通过前端流量检测设备实时获取交叉口各个进口道5min的转向流量q_ij，形成数据集Q^*，再转化为当量小时流量Q＝Q^**12：

表2转向流量和当量小时流量

步骤S12，通过前端流量检测设备实时获取交叉口各个进口道5min内每个周期的车头时距数值h_ij，形成数据集H。

步骤S13，对S12中的车头时距数值h_ij的获取进行处理，获取各个进口道各转向的饱和车头时距、饱和流率及非饱和车头时距数值等。通过计算和整理，获取如下表3所示：

表3车头时距和饱和流率

步骤S2，通过实时获取的交通流量数据以及车头时距数据，判定推理交叉口处于的运行状态。该步骤具体又包括以下子步骤：

步骤S21，根据S1、S2的实测数据判断交叉口处于的状态，对交叉口运行状态进行判断，具体可以分为：畅通、缓行和拥堵三种状态。

步骤S22，根据S21的对于交叉口运行状态的分析和总结，结合不同的运行状态下的交通流量数据以及车头时距数值，分别建立符合不同交通运行状态的信号设计方法模型。这里提取交叉口各个进口道流量数据q_ij以及车头时距数值h_ij，通过上文的总结，建立交叉口运行流畅，没有拥堵的状态、交叉口运行处于缓行状态和交叉口处于拥堵饱和状态三个大的场景模型，其中每个场景可以拓展为各个进口道运行状态的分析，从而影响整个交叉口的运行。

这里规定上述三个交叉口运行场景涉及的实时检测到的流量(5分钟流量值)、车头时距数值的获取自进口道绿灯时间开始时实时检测，其界定值取为：

(1)进口道流量q_ij≤120(pcu/h)，且车头时距数值>5.0s，且呈现无规则的较大波动，此时可以判定进口道处于畅通状态。

(2)进口道流量120≤q_ij≤480(pcu/h)，且车头时距数值呈现在两个区间范围波动，区间一为部分车头时距数值<3.0s，波动较小；区间二为部分车头时距数据>5.0s，且呈现无规则较大波动。此时，可以判定上述情况为交叉口处于缓行状态。

(3)进口道流量480≤q_ij(pcu/h)，且车头时距数值<3.0s，波动较小，则判定进口道发生拥堵，车流以较长的排队队列行驶出进口道。

步骤S3：结合S2的判断交叉口运行状态，建立算法模型，计算符合实际的信号配时参数，下发给信号机，以适应流量-通行能力的波动对交叉口的影响。

步骤S31，检测到交叉口所有进口道5min检测的交通流量q_ij较小，低于设定的S22(1)中的规定中的流量限值，车头时距的数值h_ij较大，分布范围大，波动明显，此时交叉口处于畅通状态，各个进口道流量小，如图2所示，信号控制方案设计为：

1)根据交叉口各个岔口宽度W_i，考虑行人过街，计算东西、南北四个方向所需最短行人过街时长t_i，从东西两个岔口行人过街时长数值中选取较大的数值作为南北直行相位时长：t_S,N＝max(t_W,t_E)；同理，从南北两个岔口行人过街时长数值中选取较大的数值作为东西直行相位时长：t_E,W＝max(t_N,t_S)。

对象交叉口为常规十字交叉信号控制路口，东西走向为双向六车道主干路，南北走向为双向四车道次干路，东西南北四个岔口人行过街宽度分别为23米、22米、24米以及25米。具体分析如下表4：

表4相位时长分析

另外，考虑左转相位时长取值，可以以近5个周期中左转相位中平均每相位通过停止线车辆数与饱和车头时距的乘积：g_ei＝h_ij*q_ij，所得时长作为该绿灯相位时长，如表5所示。

表5绿灯相位时长

综上所述，此时交叉口周期时长为

m表示左转相位数，n表示交叉口信号总相位数，l_k表示第k相位的损失时间，可以近似取相位之间的绿灯间隔时间，可为3s；

C_p＝20+21+10+19+4*3＝82(s)

则此时信号周期和相位时间如下表6所示：

表6信号周期和相位时间

2)根据实时检测的流量数据q_ij，且交叉口在畅通状态下，交通流近似接近自由流，此时进口道饱和流率s_ij接近设计饱和流率s₀，参照交通工程学专业知识规定，设计饱和流率取值见表7：

表7饱和流率取值

车道功能	饱和流率取值(pcu/h)
		左转车道	1300-1800，平均1550
直行车道	1400-2000，平均1650
		右转车道	1550

计算交叉口最小周期时长：

l_k为第k相位的损失时间，可以近似取相位之间的绿灯间隔时间，可取黄灯时间3s；y_k是第k相位的关键(最大)流量比；考虑到此时交叉口流量较小，计算得到的最小信号周期时长分配的各个相位绿灯时长过短造成交通延误等不良情况，需要对各个相位有效绿灯时长进行约束：g_k,min<g_ek，式中，g_k,min指的是第k相位的最短绿灯时间，一般取值为4s；g_ek指的是第k相位的有效绿灯时长(s)。下表8所示为计算所得最小周期时长及相位配时：

表8最小周期时长及相位配时

3)对上文计算得到的C_p、C_min进行比较，这里C_p大于C_min，则该交叉口周期时长取值C＝C_p＝82s，各相位绿灯时长取值参考1)中计算所得。

4)将计算得到的信号配时方案下发到信号控制机，实现路口的信号方案更新。

步骤S32，当S22中(2)判定交叉口处于缓行状态，如图3所示，交叉口信号设计按照如下方法进行调整：

1)车头时距取值见S13中的计算方法：

若本周期内样本数不足导致车头时距计算误差大，则可以追溯近5个周期内的车头时距计算值，再取平均值即可：

K为计算的周期数，所得结果见表9所示。

表9车头时距及其平均值

2)计算各个进口道饱和流率

式中，优先采用①式的计算，即采用最近一个周期的样本量，这样可以保证数据的时效性。①式不能计算得到的前提下，采用②式的计算方法，结果见表10所示。

表10各个进口道饱和流率

3)计算各个进口道流量比y_ij＝q^h _ij/s_ij，再确定每个进口道的关键流量比y_k＝max(y_ij)，并求和所有的关键流量比之和Y＝∑y_k，结果见表11所示。

表11关键流量比之和

4)计算信号总损失时间L＝∑_k(L_s+I-A)_k，L_s为启动损失时间，可取3s,I为绿灯间隔时间，这里定为3s，A为黄灯时间，一般取3s，相位数为四相位，则L＝12s。

5)计算交叉口此时的最佳周期时长

6)计算各个相位有效绿灯时间

如下表12所示。

表12有效绿灯时间

7)将每个相位的有效绿灯时间g_ek按照相位相序排列组合，形成信号相位设计方案下发到信号机，执行此信号控制方案。

步骤S33，当步骤S22中(3)判定交叉口处于拥堵状态，此时，如图4所示，交叉口信号设计按照如下方法进行调整：

1)考虑到此时交叉口处于拥堵过饱和状态，因此传统的信号配时方法不再适用，本发明在前端流量检测设备的支持下，实时获取到达进口道流量数据Q_ij以及在每个绿灯相位结束后该进口道的滞留车辆数Q'_ij，基于此计算得出实际行驶出交叉口的交通量q_ij＝Q_ij-Q'_ij，结果见表13所示。

表13交叉口交通量情况

方向	东直行	东左转	西直行	西左转	南直行	南左转	北直行	北左转
									小时到达交通量	377	155	296	162	804	312	861	345
小时滞留交通量	91	41	81	37	157	99	211	87
									实际驶出交通量	286	114	215	125	647	213	650	258

2)交叉口在拥堵过饱和状态下，每周期该相位绿灯时间会被车辆充分利用，且会有车辆二次停车滞留在进口道，在此情况下，车头时距自绿灯相位开始后下降至稳定值范围内，排除前面受启动波的影响下的较大的车头时距，后续车辆车头时距大致稳定，应用S13中车头时距计算方法，得到每个进口道的车头时距

见表14所示。

表14车头时距

3)计算各个进口道饱和流率

见表15所示。

表15各个进口道饱和流率

4)计算各个进口道流量比y_ij＝q^h _ij/s_ij，再确定每个进口道的关键流量比y_k＝max(y_ij)，并求和所有的关键流量比Y＝∑y_k，见表16所示。

表16关键流量比

5)计算信号总损失时间L＝∑_k(L_s+I-A)_k，L_s为启动损失时间，可取3s,I为绿灯间隔时间，这里定为3s，A为黄灯时间，一般取3s，相位数为四相位，则L＝12s

6)计算交叉口此时的最佳周期时长

7)计算各个相位有效绿灯时间

结果见表17所示。

表17有效绿灯时间

8)将每个相位的有效绿灯时间g_ek按照相位相序排列组合，形成信号相位设计方案下发到信号机，执行此信号控制方案。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (1)

1.一种基于需求-供给双波动的交叉口信号设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1：通过前端流量信息采集设备，实时获取交叉口的交通流量数据以及进口道停止线处的车头时距数据；

步骤S1包括以下步骤：

步骤S11：通过前端流量信息采集设备，实时获取交叉口各进口道转向流量q_ij，其中i表示交叉口岔口数，j∈{1,2,3}，1表示左转，2表示直行，3表示右转；

步骤S12：同时获取各个进口道的车头时距数值h_ij，形成数据集并保存；

步骤S13：对步骤S12中的车头时距数值h_ij进行处理，获取各个进口道各转向的饱和车头时距及饱和流率；确定饱和车头时距时，规定从绿灯开始后通过停止线的第五辆车作为饱和车头时距得计算开始点，将车头时距观测值按大小排序，剔除末尾个别车头时距值以及去除观测数据中非正常值计算均值，按下式计算：

式中：M—单周期车辆数；N—舍弃样本个数，N＝[M×α]；α为截尾百分数，取α＝10％；

根据HCM计算饱和流率的方法由下式表示：

式中：s₀表示车道饱和流率，

表示饱和车头时距；

步骤S2：通过实时获取的交通流量数据以及车头时距数据，判定交叉口处于的运行状态；

步骤S3：结合步骤S2判定出的交叉口运行状态，建立交叉口信号算法模型，计算符合实际的信号配时参数，下发给信号机执行信号控制方案；

步骤S2包括以下步骤：

步骤S21：结合步骤S11、S13得到的交通流量以及车头时距数据，对交叉口运行状态进行判断；

步骤S22：根据步骤S21中对于交叉口运行状态的判断，结合不同的运行状态下的交通流量数据以及车头时距数值，分别建立符合不同交通运行状态的信号设计方法模型；

步骤S21中，所述交叉口运行状态分别为：交叉口运行流畅，没有拥堵的状态；交叉口运行处于缓行状态，介于畅通和拥堵状态之间；交叉口处于拥堵饱和状态；

步骤S22中，建立状态模型时，从流量和车头时距自进口道绿灯时间开始时实时检测，其界定值定义为：

(1)当进口道流量q_ij≤q₁，且车头时距数值>h₁，且呈现无规则波动时判定进口道处于畅通状态；

(2)当进口道流量q₁≤q_ij≤q₂，且车头时距数值呈现在两个区间范围波动，区间一为部分车头时距数值<h₂；区间二为部分车头时距数据>h₁，且呈现无规则波动时判定为交叉口处于缓行状态；

(3)当进口道流量q₂≤q_ij，且车头时距数值<h₂，则判定进口道流量大，发生拥堵，车流以较长的排队队列行驶出进口道；

步骤S3包括以下步骤：

步骤S31：当交叉口进口道流量检测设备获取的流量数据低于步骤S22中状态(1)所规定的流量限值时判定交叉口处于畅通状态，对交叉口信号设计进行调整；

步骤S32：当流量检测设备检测到各个进口道机动车流量和车头时距数值在步骤S22中状态(2)所规定的范围时，判定交叉口处于缓行状态，对交叉口信号设计进行调整；

步骤S33，当流量检测设备检测到各个进口道机动车流量和车头时距数值在步骤S22中状态(3)所规定的范围时，判定交叉口处于拥堵状态，对交叉口信号设计进行调整；

所述步骤S31对应的信号控制方案为：

1)根据交叉口各个岔口宽度W_i，计算东西、南北四个方向所需最短行人过街时长t_i，其中i表示交叉口岔口数，从东西两个岔口行人过街时长数值中选取较大的数值作为南北直行相位时长：t_S,N＝max(t_W,t_E)，t_W,t_E为东、西岔口行人过街所需时间；从南北两个岔口行人过街时长数值中选取较大的数值作为东西直行相位时长：t_E,W＝max(t_N,t_S)，t_N,t_S为南北岔口行人过街最小时间；以近5个周期中左转相位中平均每相位通过停止线的车辆数与饱和车头时距的乘积：g_ei＝h_ij*q_ij，g_ei表示第i个岔口的绿灯相位时长，其中i表示交叉口岔口数，j∈{1,2,3}，1表示左转，2表示直行，3表示右转；

此时交叉口周期时长

m表示左转相位数，n表示交叉口信号总相位数，l_k表示第k相位的损失时间；

2)根据实时检测的流量数据q_ij，且交叉口在畅通状态下，交通流近似接近自由流，此时进口道饱和流率s_ij接近设计饱和流率s₀，计算交叉口最短周期时长

y_k是第k相位的关键流量比；l_k为第k相位的损失时间；

3)对计算得到的C_p、C_min进行比较，若C_p大于C_min，则该交叉口周期时长取值C_p，各相位绿灯时长取值参考1)中计算所得；若C_p小于C_min，则该交叉口周期调整为C_min，再通过各个相位的关键流量比y_k计算得到每个相位的绿灯时长g_k；对各个相位有效绿灯时长进行约束：g_k,min<g_ek，式中，g_k,min指的是第k相位的最短绿灯时间；g_ek指的是第k相位的有效绿灯时长；

4)将计算得到的信号配时方案下发到信号控制机，实现路口的信号方案更新；

所述步骤S32对应的信号控制方案为：

1)车头时距取值按步骤S13中的计算方法：

若本周期内样本数不足导致车头时距计算误差大，则追溯近5min内所有周期内的车头时距计算值，再取平均值：

K为计算的周期数；

2)计算各个进口道饱和流率：

式中，采用(1)式的计算，即采用最近一个周期的样本量，(1)式不能计算得到的前提下，采用(2)式的计算方法，其中i表示交叉口岔口数，j∈{1,2,3}，1表示左转，2表示直行，3表示右转；

3)依次计算交叉口每个进口道小时当量机动车流量q^h _ij＝q_ij*12，再计算各个进口道流量比y_ij＝q^h _ij/s_ij，再确定每个进口道的关键流量比y_k＝max(y_ij)，并求和所有的关键流量比Y＝∑y_k；

4)计算信号总损失时间

L_s为启动损失时间，I为绿灯间隔时间，A为黄灯时间；

5)计算交叉口此时的最佳周期时长C＝(1.5L+5)/1-Y；

6)计算各个相位有效绿灯时间

7)将每个相位的有效绿灯时间g_ek按照相位相序排列组合，形成信号相位设计方案下发到信号机，执行此信号控制方案；

所述步骤S33对应的信号控制方案为：

1)通过前端流量检测设备实时获取到达进口道流量数据Q_ij以及在每个绿灯相位结束后该进口道的滞留车辆数Q^s _ij，计算得出实际行驶出交叉口的交通量q_ij＝Q_ij-Q^s _ij，其中i表示交叉口岔口数，j∈{1,2,3}，1表示左转，2表示直行，3表示右转；

2)在交叉口拥堵过饱和状态下，应用步骤S13中车头时距计算方法，得到每个进口道的车头时距

3)计算各个进口道饱和流率

4)计算各个进口道流量比y_ij＝q^h _ij/s_ij，再确定每个进口道的关键流量比y_k＝max(y_ij)，并求和所有的关键流量比Y＝∑y_k；

5)计算信号总损失时间

L_s为启动损失时间，I为绿灯间隔时间，A为黄灯时间；

6)计算交叉口此时的最佳周期时长C＝(1.5L+5)/1-Y；

7)计算各个相位有效绿灯时间

8)将每个相位的有效绿灯时间g_ek按照相位相序排列组合，形成信号相位设计方案下发到信号机，执行此信号控制方案。

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