CN112699535A - 高架地面联动交通信号区域自适应控制方法 - Google Patents

高架地面联动交通信号区域自适应控制方法 Download PDF

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CN112699535A CN202011472990.0A CN202011472990A CN112699535A CN 112699535 A CN112699535 A CN 112699535A CN 202011472990 A CN202011472990 A CN 202011472990A CN 112699535 A CN112699535 A CN 112699535A
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Abstract

本发明尤其涉及高架地面联动交通信号区域自适应控制方法；包括以下步骤：匝道信息调研与管理；匝道信号控制阈值设定；依据道路流量、车辆排队长度变化，高架信号灯配时调整；地面路口利用多种信控方式，与高架信号进行联动；相关路况、交通管控信息自动推送至平台以及诱导屏，实时诱导车辆；方案模拟仿真，对方案实施效果进行跟踪评价，并根据评价结果对方案进行改进优化。本发明提供的高架地面联动交通信号区域自适应控制方法能够实现高架与地面信号进行联动控制，在均衡上下游供需压力的同时，也对周边道路科学的分配了路权，疏通了交通脉络，提升了主线道路通行能力。

Description

高架地面联动交通信号区域自适应控制方法
技术领域
本发明涉及交通信号控制技术领域，尤其涉及一种高架地面联动交通信号区域自适应控制方法。
背景技术
随着城市的发展，机动车保有量不断增长，城市快速路作为交通道路运行的“动脉”，发挥着至关重要的作用，但随之而来的是城市快速路交通压力过大，快速路交通运行状况不容乐观，且部分城市快速路多为早期建设，难以满足日益增长的交通需求。在日常交通运行中，在高架上匝道与主线合流处车辆交织冲突明显，造成了高架匝道合流处存在着严重的交通冲突，车流间频繁无序干扰导致交通运行效率显著降低，呈现秩序混乱、拥堵加剧、事故频发的态势。《道路交通信号灯设置与安装规范》(GB14886-2016)要求：在城市快速路上，当车辆通过入口匝道汇入主线时，对主线行驶车流产生严重冲突或造成下游路段拥堵的，可在匝道的汇入端设置机动车信号灯。目前，快速路匝道信号控制已在上海、杭州、济南、重庆、苏州等多个城市实施，在交通运行中发挥着均衡路网流量，保障快速路主线运行的作用。
现有的快速路匝道信号控制方法具有以下缺点：①控制方案定时开启，无法适应每日流量变化情况；②信号配时方案固定，难以与匝道交通运行变化情况匹配；③匝道进行信号控制后车辆易排队溢出；④管控信息无法第一时间推送至涉及交通参与者；⑤配时方案无后续优化迭代。
发明内容
为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种自适应信号控制系统和仿真建模相结合的高架地面联动交通信号区域自适应控制方法。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种高架地面联动交通信号区域自适应控制方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、匝道信息调研与管理，对高架快速路主线车辆进行车辆行驶轨迹或OD 分析，将轨迹数量较大的上匝道作为关键匝道；
S2、匝道信号控制阈值设定，当主线快速路流量高于设定的通行流量阈值，且检测器占有时间大于设定的时间阈值，满足上匝道信号控制开启条件，同时天气状况与合流处交通事故情况也应考虑在内，如遇特殊极端天气或合流处发生交通事故，所述上匝道信号控制开启条件；
S3、依据道路流量、车辆排队长度变化对高架信号灯配时调整，根据上匝道信号机选型及交通流检测设备布设情况，选择高架信号控制模式；
S4、地面路口利用多种信控方式，与高架信号进行联动；
S5、相关路况、交通管控信息自动推送至平台以及诱导屏，实时诱导车辆；
S6、方案模拟仿真，对方案实施效果进行跟踪评价，并根据评价结果对方案进行改进优化。
本发明高架地面联动交通信号区域自适应控制方法的有益效果是，1，根据实际交通运行状况设定阈值，当条件满足阈值时自动执行高架地面联动交通信号区域自适应控制方案，适应每日流量变化情况；2，依据匝道建设的各类交通流检测设备自适应调整高架信号配时方案，匹配匝道交通运行变化情况；3，当匝道车辆即将溢出时自动与周边路口联动，自动调整地面信号配时，避免排队溢出现象；4，管控信息自动通过科技化手段第一时间推送至涉及交通参与者； 5，方案仿真模拟运行，根据仿真结果不断优化迭代。
作为本发明进一步改进是，所述步骤S1中匝道信息调研与管理中，包括对关键匝道长度、车道数进行采集，分析匝道蓄车能力；排查关键匝道检测器布设情况；以及周边是否存在可替代路线；从而锁定上匝道信号控制点位。
作为本发明的进一步改进是，在所述步骤S3中，对于检测器情况良好且信号机功能支持的，选用动态匝道调节控制方式，利用需求与容量差额控制模型进行配时调节；对于检测器情况良好但信号机功能不支持的，采用定时匝道调节，依据历史道路运行状况设置匝道调节开启与关闭时段；对于检测器状况不佳的，不进行上匝道信号控制。
作为本发明的进一步改进是，匝道调节依照交通流量原则，通过采集合流处上游交通需求与下游实际通行能力数据进行实时比较，选择匝道调节率，
调节率计算公式为：
r(k)＝ca-qd(k-1)
Figure RE-GDA0002929719690000031
约束条件：
rmin≤r(k)≤rmax
Figure RE-GDA0002929719690000032
式中：
r(k)-时间T(k)≤t≤T(k+1)内的调节率(pcu/h)；
ca-历史统计确定或实时测量计算出的匝道下游实际通行能力(pcu/h)；
qd(k-1)-时间T(k)≤t≤T(k+1)内的调节率(pcu/h)；
c(k)-调节系统的周期长度(s)；
n-每个调节周期内允许进入的车辆数，n＝1，2，3；
d(k)-匝道车辆到达率(辆/h)；
l(k)，Lmax-匝道排队长度、最大允许排队长度；
T-控制周期长度，一般取1min；
rmin，rmax-匝道实用的最小、最大调节率。
作为本发明的进一步改进是，在所述步骤S4中，根据排队长度原则，当上匝道排队车辆溢出至地面路口时，利用OD分析数据，选取上匝道OD路径中流量最大的一个路口作为联动控制关键路口，根据Whitson模型计算相邻路口间关联度从而确定联动控制范围。
优选地，Whitson模型计算公示为：
Figure RE-GDA0002929719690000041
式中：
I-交叉口间的关联度；
t-交叉口间的路段行程时间；
Qmax-上游交叉口流入流向的最大流量；
Figure RE-GDA0002929719690000042
-上游交叉口流入流向的平均流量。
优选地，所述上匝道的车辆来源包括进口直行车流、进口右转车流以及进口左转车流，当所述上匝道排队车辆溢出至地面路口时，调整所述地面路口的交叉口信号配时，减少所述进口直行车流与进口左转车流。
优选地，所述交叉口信号配时计算模型为：
Figure RE-GDA0002929719690000043
Figure RE-GDA0002929719690000044
所述地面路口相应直行与左转相位绿灯时间分别为：
Figure RE-GDA0002929719690000045
Figure RE-GDA0002929719690000051
式中：
SS——直行车道饱和流量(veh/h)；
SL——左转车道饱和流量(veh/h)；
gS0——直行相位原始绿灯时间；
gL0——左转相位原始绿灯时间；
gS1——直行相位调整后绿灯时间；
gL1——左转相位调整后绿灯时间；
αS——直行车辆进入入口匝道的比例；
αL——左转车辆进入入口匝道的比例；
r——入口匝道调节率(veh/h)；
CU——上游交叉口的信号周期。
交叉口左转相位最终采用的绿灯时间gL为：
gL＝min(gL1，gL0)
交叉口直行相位最终采用的绿灯时间gS为：
gS＝min(gS1，gS0)
优选地，在所述步骤S5中，交管部门第一时间将高架匝道管控信息推送至手机导航客户端，并在上匝道周边诱导屏中自动发布管控信息，引导周边车辆绕行。
优选地，在所述步骤S6中，采集高架主线及上匝道交通运行指标，利用数据对比分析进行效果跟踪评价，并不断迭代优化。依据高架快速路主线及上匝道合流处实际运行状况，宜采用的指标有：主线交通流量，主线行程速度，总流量变化率，行程速度变化率，上匝道车辆排队长度变化率，地面关键路口停车延误等，并结合交通仿真软件，对方案及实际运行状况进行模拟仿真，利用指标数据对方案进行迭代优化。
附图说明
图1是本发明提供的高架地面联动交通信号区域自适应控制方法的交通流检测设备布设示意图。
图2是本发明提供的高架地面联动交通信号区域自适应控制方法的流程图；
图3是本发明提供的上匝道的车辆来源的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1、2示，本实施例的一种高架地面联动交通信号区域自适应控制方法，包括以下步骤：
S1、匝道信息调研与管理，对高架快速路主线车辆进行车辆行驶轨迹或OD (交通出行量)分析，获取快速路及上匝道运行车辆起止点分布、出行目的、出行方式、出行时间、出行距离、出行次数等数据，将轨迹数量较大的上匝道作为关键匝道；所述步骤S1中匝道信息调研与管理中，包括对关键匝道长度、车道数进行采集，分析匝道蓄车能力；排查关键匝道检测器布设情况；以及周边是否存在可替代路线；从而锁定上匝道信号控制点位。根据OD分析结果，选择匝道信号控制点位。
为了保障OD分析结果的准确性，需在快速路及下上匝道尽可能的密布卡口、电子警察等相关设备，利用此类设备捕获途径车辆的车牌照片并自动识别号牌信息，从而获取车辆完整的快速路运行轨迹，即某车辆从哪一个上匝道驶入快速路，从哪一个下匝道驶出快速路。
S2、匝道信号控制阈值设定，当主线快速路流量高于设定的通行流量阈值，且检测器占有时间大于设定的时间阈值X(X依据各城市交通运行状况而定，通常取4-6s)，满足上匝道信号控制开启条件，所述上匝道信号控制开启条件。
为了采集更准确的道路交通运行参数，需按照图二布设相关检测器，在主线及匝道均设置微波、电警或线圈等交通流检测设备，并采集在日常交通运行中主线及上匝道合流处发生交通拥堵时的流量、延误、车头时距、匝道排队长度等相关交通参数，作为制定方案启动阈值的参考依据。
S3、依据道路流量、车辆排队长度变化对高架信号灯配时调整，根据上匝道信号机选型及交通流检测设备布设情况，选择高架信号控制模式；在所述步骤S3中，对于检测器情况良好且信号机功能支持的，选用动态匝道调节控制方式，利用需求与容量差额控制模型进行配时调节；对于检测器情况良好但信号机功能不支持的，采用定时匝道调节，依据历史道路运行状况设置匝道调节开启与关闭时段；对于检测器状况不佳的，不进行上匝道信号控制。
匝道调节依照交通流量原则，通过采集合流处上游交通需求与下游实际通行能力数据进行实时比较，选择匝道调节率，
调节率计算公式为：
r(k)＝ca-qd(k-1)
Figure RE-GDA0002929719690000071
约束条件：
rmin≤r(k)≤rmax
Figure RE-GDA0002929719690000072
式中：
r(k)-时间T(k)≤t≤T(k+1)内的调节率(pcu/h)；
ca-历史统计确定或实时测量计算出的匝道下游实际通行能力(pcu/h)；
qd(k-1)-时间T(k)≤t≤T(k+1)内的调节率(pcu/h)；
c(k)-调节系统的周期长度(s)；
n-每个调节周期内允许进入的车辆数，n＝1，2，3；
d(k)-匝道车辆到达率(辆/h)；
l(k)，Lmax-匝道排队长度、最大允许排队长度；
T-控制周期长度，一般取1min；
rmin，rmax-匝道实用的最小、最大调节率。
S4、地面路口利用多种信控方式，与高架信号进行联动；在所述步骤S4中，根据排队长度原则，当上匝道排队车辆溢出至地面路口时，利用OD分析数据，选取上匝道OD路径中流量最大的一个路口作为联动控制关键路口，根据Whitson 模型计算相邻路口间关联度从而确定联动控制范围。
Whitson模型计算公示为：
Figure RE-GDA0002929719690000081
式中：
I-交叉口间的关联度；
t-交叉口间的路段行程时间；
Qmax-上游交叉口流入流向的最大流量；
Figure RE-GDA0002929719690000082
-上游交叉口流入流向的平均流量。
为实现信号自适应控制，需在高架上匝道合流处建设支持自适应控制的信号控制机并使信号机保持接入中心控制系统，并在上匝道不同位置设置交通流检测设备，当线圈3检测器占有时间达到阈值时以此为阈值进入地面信号控制联动阶段。
其中，如图3所示，上匝道的车辆来源包括进口直行车流、进口右转车流以及进口左转车流，当所述上匝道排队车辆溢出至地面路口时，调整所述地面路口的交叉口信号配时，减少所述进口直行车流与进口左转车流。所述交叉口信号配时计算模型为：
Figure RE-GDA0002929719690000091
Figure RE-GDA0002929719690000092
所述地面路口相应直行与左转相位绿灯时间分别为：
Figure RE-GDA0002929719690000093
Figure RE-GDA0002929719690000094
式中：
SS——直行车道饱和流量(veh/h)；
SL——左转车道饱和流量(veh/h)；
gS0——直行相位原始绿灯时间；
gL0——左转相位原始绿灯时间；
gS1——直行相位调整后绿灯时间；
gL1——左转相位调整后绿灯时间；
αS——直行车辆进入入口匝道的比例；
αL——左转车辆进入入口匝道的比例；
r——入口匝道调节率(veh/h)；
CU——上游交叉口的信号周期。
交叉口左转相位最终采用的绿灯时间gL为：
gL＝min(gL1，gL0)
交叉口直行相位最终采用的绿灯时间gS为：
gS＝min(gS1，gS0)
S5、相关路况、交通管控信息自动推送至平台以及诱导屏，实时诱导车辆；在所述步骤S5中，交管部门第一时间将高架匝道管控信息推送至手机导航客户端，并在上匝道周边诱导屏中自动发布管控信息，引导周边车辆绕行。
为保障交通管控信息及时推送至交通参与者，需在上匝道周边地面覆盖交通诱导屏设备，当线圈3检测器占有时间达到阈值时以此为阈值通过信息化系统自动向周边诱导屏设备发送管控信息，同时将管控信息推送至手机导航app，引导周边车辆绕行。
S6、方案模拟仿真，对方案实施效果进行跟踪评价，并根据评价结果对方案进行改进优化。在所述步骤S6中，采集高架主线及上匝道交通运行指标，利用数据对比分析进行效果跟踪评价并优化。
在交通模拟仿真中需采用微观交通仿真工具例如VISSIM等，按照路网实际的cad等图纸，以实际的比例尺完成路段的绘制，并观察车辆实际的行驶轨迹，变道情况设置汽车行驶路径，同时对路口进行流程调查，包括统计每小时车流量，大车小车的组成比例，每个进口道左直右车辆的比例等信息，调查完成后结果输入仿真软件中，在虚拟路网中添加对应的检测器，运行交通仿真后输出相关数据进行方案迭代优化。
本发明提供的一种高架地面联动交通信号区域自适应控制方法优势在于：
1，通过交通流检测设备科学设定高架地面联动交通信号区域自适应控制方案启动阈值，当条件满足阈值时自动执行高架地面联动交通信号区域自适应控制方案，适应每日流量变化情况；
2，利用不同位置设置的各类交通流检测设备，自适应调整高架信号配时方案，匹配匝道交通运行变化情况；
3，匝道车辆即将溢出时自动与周边路口联动，自动调整地面信号配时，避免排队溢出现象；
4，管控信息自动通过科技化手段第一时间推送至涉及交通参与者；
5，方案仿真模拟运行，根据仿真结果不断优化迭代。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高架地面联动交通信号区域自适应控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、匝道信息调研与管理，对高架快速路主线车辆进行车辆行驶轨迹或OD分析，将轨迹数量较大的上匝道作为关键匝道；
S2、匝道信号控制阈值设定，当主线快速路流量高于设定的通行流量阈值，且检测器占有时间大于设定的时间阈值，满足上匝道信号控制开启条件，所述上匝道信号控制开启条件；
S3、依据道路流量、车辆排队长度变化对高架信号灯配时调整，根据上匝道信号机选型及交通流检测设备布设情况，选择高架信号控制模式；
S4、地面路口利用多种信控方式，与高架信号进行联动；
S5、相关路况、交通管控信息自动推送至平台以及诱导屏，实时诱导车辆；
S6、方案模拟仿真，对方案实施效果进行跟踪评价，并根据评价结果对方案进行改进优化。
2.根据权利要求1所述的高架地面联动交通信号区域自适应控制方法，其特征在于：所述步骤S1中匝道信息调研与管理中，包括对关键匝道长度、车道数进行采集，分析匝道蓄车能力；排查关键匝道检测器布设情况；以及周边是否存在可替代路线；从而锁定上匝道信号控制点位。
3.根据权利要求1所述的高架地面联动交通信号区域自适应控制方法，其特征在于：在所述步骤S3中，对于检测器情况良好且信号机功能支持的，选用动态匝道调节控制方式，利用需求与容量差额控制模型进行配时调节；
对于检测器情况良好但信号机功能不支持的，采用定时匝道调节，依据历史道路运行状况设置匝道调节开启与关闭时段；
对于检测器状况不佳的，不进行上匝道信号控制。
4.根据权利要求3所述的高架地面联动交通信号区域自适应控制方法，其特征在于：所述匝道调节依照交通流量原则，通过采集合流处上游交通需求与下游实际通行能力数据进行实时比较，选择匝道调节率，
调节率计算公式为：
r(k)＝ca-qd(k-1)
Figure FDA0002836539290000021
约束条件：
rmin≤r(k)≤rmax
Figure FDA0002836539290000022
式中：
r(k)-时间T(k)≤t≤T(k+1)内的调节率(pcu/h)；
ca-历史统计确定或实时测量计算出的匝道下游实际通行能力(pcu/h)；
qd(k-1)-时间T(k)≤t≤T(k+1)内的调节率(pcu/h)；
c(k)-调节系统的周期长度(s)；
n-每个调节周期内允许进入的车辆数，n＝1，2，3；
d(k)-匝道车辆到达率(辆/h)；
l(k)，Lmax-匝道排队长度、最大允许排队长度；
T-控制周期长度，一般取1min；
rmin，rmax-匝道实用的最小、最大调节率。
5.根据权利要求1所述的高架地面联动交通信号区域自适应控制方法，其特征在于：在所述步骤S4中，根据排队长度原则，当上匝道排队车辆溢出至地面路口时，利用OD分析数据，选取上匝道OD路径中流量最大的一个路口作为联动控制关键路口，根据Whitson模型计算相邻路口间关联度从而确定联动控制范围。
6.根据权利要求5所述的高架地面联动交通信号区域自适应控制方法，其特征在于：Whitson模型计算公示为：
Figure FDA0002836539290000031
式中：
I-交叉口间的关联度；
t-交叉口间的路段行程时间；
Qmax-上游交叉口流入流向的最大流量；
Figure FDA0002836539290000032
-上游交叉口流入流向的平均流量。
7.根据权利要求4所述的高架地面联动交通信号区域自适应控制方法，其特征在于：所述上匝道的车辆来源包括进口直行车流、进口右转车流以及进口左转车流，当所述上匝道排队车辆溢出至地面路口时，调整所述地面路口的交叉口信号配时，减少所述进口直行车流与进口左转车流。
8.根据权利要求7所述的高架地面联动交通信号区域自适应控制方法，其特征在于：所述交叉口信号配时计算模型为：
Figure RE-FDA0002929719680000033
Figure RE-FDA0002929719680000034
所述地面路口相应直行与左转相位绿灯时间分别为：
Figure RE-FDA0002929719680000035
Figure RE-FDA0002929719680000036
式中：
SS——直行车道饱和流量(veh/h)；
SL——左转车道饱和流量(veh/h)；
gS0——直行相位原始绿灯时间；
gL0——左转相位原始绿灯时间；
gS1——直行相位调整后绿灯时间；
gL1——左转相位调整后绿灯时间；
αS——直行车辆进入入口匝道的比例；
αL——左转车辆进入入口匝道的比例；
r——入口匝道调节率(veh/h)；
CU——上游交叉口的信号周期。
交叉口左转相位最终采用的绿灯时间gL为：
gL＝min(gL1,gL0)
交叉口直行相位最终采用的绿灯时间gS为：
gS＝min(gS1,gS0)
9.根据权利要求1所述的高架地面联动交通信号区域自适应控制方法，其特征在于：在所述步骤S5中，交管部门第一时间将高架匝道管控信息推送至手机导航客户端，并在上匝道周边诱导屏中自动发布管控信息，引导周边车辆绕行。
10.根据权利要求1所述的高架地面联动交通信号区域自适应控制方法，其特征在于：在所述步骤S6中，采集高架主线及上匝道交通运行指标，利用数据对比分析进行效果跟踪评价并优化。
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