CN112767713B - 一种行人过街与绿波带协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种行人过街与绿波带协同控制方法，包括以下步骤：步骤1、通过检测器检测路段机动车流量，基于机动车流量及路口基本信息划分路段交通状态；步骤2、当检测到的路段状态为极端流量条件时，部分排队车辆延迟到下周期启动，并根据集散波理论分析跨周期排队车辆对绿波控制及整体交通状态的影响因素；步骤3、将绿波带中未被充分利用的绿灯时长补偿给行人过街。该控制方法在不影响绿波控制的条件下，充分利用平峰时期的绿灯时长达到提高行人过街效率的目的，有效增强行人的出行体验，有利于上述行人过街与绿波带协同控制方法在城市智能交通的交通信号控制技术领域的推广及应用。

Description

一种行人过街与绿波带协同控制方法

技术领域

本发明涉及城市智能交通的交通信号控制技术领域，具体涉及到一种行人过街与绿波带协同控制方法。

背景技术

近些年来，绿波控制在交通领域得到了广泛应用，极大地提高了行车速度和道路通行能力，缓解了交通拥堵。

针对绿波控制效果受行人过街影响的实际问题，存在以下两方面问题：一是现有的行人通行通常采用固定绿灯设置方法，且研究对象多针对路段行人过街本身，较少考虑在绿波控制条件下连续交叉口路段行人过街的协调性，从而导致路段行人过街时长偏低，在行人过街流量较大的路段对行人影响较大；二是当绿波条件下路段车流量极少时，协调方向长时间无车辆经过交叉口，容易产生绿灯空放现象，导致实际的绿波利用率不高，反过来也影响行人通行效率。

因此需要在保证绿波平稳运行与行人安全的前提下，研究绿波控制与路段行人过街的关联关系，构建绿波控制与路段行人过街之间的协同模型，解决行人通行效率和实际绿波利用率低的问题。

发明内容

为了克服上述现有技术中的缺陷，本发明的发明目的在于提供一种行人过街与绿波带协同控制方法，该控制方法在不影响绿波控制的条件下，充分利用平峰时期的绿灯时长达到提高行人过街效率的目的，有效增强行人的出行体验，有利于上述行人过街与绿波带协同控制方法在城市智能交通的交通信号控制技术领域的推广及应用。

为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种行人过街与绿波带协同控制方法，包括以下步骤：步骤1、通过检测器检测路段机动车流量，基于机动车流量及路口基本信息划分路段交通状态；步骤2、当检测到的路段状态为极端流量条件时，部分排队车辆延迟到下周期启动，并根据集散波理论分析跨周期排队车辆对绿波控制及整体交通状态的影响因素；步骤3、将绿波带中未被充分利用的绿灯时长补偿给行人过街。

优选地，步骤2的具体实施步骤包括：

Step1：计算上下游路口车流到达人行横道的时间

其中，T₀为路口I₀到达人行横道的时间；T₁为路口I₁到达人行横道的时间；S_M为通过上游路口协调相位的距离，S_D为通过下游路口协调相位的距离，S₀、S₁分别为上下游路口距离人行横道的距离，

Step2：运用集散波原理，在一次排队聚集时，计算排队尾车从0时刻到重新启动的总时长T_R、最大车辆排队长度x_R-x_F：

其中，w₁、w₂分别为集结波和消散波波速；q_α为一个周期内上游到达流的平均流量；k_j为阻塞交通流的密度；k_α为一个周期内上游到达流的平均密度；q_m为上游饱和流的平均流量；k_m为上游饱和流的平均密度；T_G行人过街时间；T_E为排队尾车从0时刻行驶到坐标x_E时刻的总时长；x_R为车辆位置坐标；x_F为排队尾车处于排队状态时的位置坐标，l_car为机动车平均长度，n₀为给定路段上的车流量基准数；

整理可得：

Step3：计算第二次聚集时各变量间的关系

其中：T_E'为二次排队聚集的尾车从0时刻行驶到坐标x_E'时刻的总时长；

x_R'、x_F'为车辆位置坐标；

C'为第一次排队聚集时的首车从停车排队时刻到当周期结束的总时长；

由两次排队聚集的关系整理可得：

令：

k₁＝k_m-k_j

k₂＝k_j-k_α

则：

Step4：由①最大排队长度不能延伸至超过上游路口；②行人过街通道上绿波协调相位时间内排队车辆清空；③t小于相位差T₀，建立约束关系：

整理得：

令：

由实际关系知A>0，则当B²-4AC ≥0时上述关系成立：

解得：

2.2影响绿波控制效果因素分析

由2.1总结得：

①当

时，滞留于人行横道前的车辆会对干线绿波产生影响且无法修复，破坏整体干线绿波效果；

②当

时，上游路口协调方向的绿灯起亮，人行横道上协调方向的绿灯未亮时，上游头车与排队尾车追及相遇，此时会对绿波造成影响，但可以自行消除，不影响整体干线绿波；

③当v₀≥(S₀+S_M)-n₀·l_car时，滞留于人行横道前的车辆会对干线绿波产生影响且无法修复，破坏整体干线绿波效果。

优选地，步骤3具体步骤为：

Step1：计算行人过街的时间T_R

Step2：计算上下游路口动态调整后的协调相位时长

上游路口动态调整后的协调相位时长：

下游路口动态调整后的协调相位时长：

其中：P₀'为动态调整后路口I₀协调相位动态参考时长；ΔP₀为路口I₀需要调整的时长，即I₀补偿时长；P₁'为动态调整后路口I₁协调相位动态参考时长；ΔP₁为路口I₁需要调整的时长，即I₁补偿时长；n₂为路口I₁调整的比例参数；S_W为路口I₀下游单个检测区间长度；T_W为通过路口I₀下游单个检测区间的时长；

Step3：划分上下游交叉路口协调方向车流通过人行横道的区间

上下游车辆通过人行横道的区间如下：

划分一个周期内人行横道上的通行权变化区间：

Step5：在行人通行时段，判断行人过街时间T_x与最小行人过街时间T_R的关系，若T_x≥T_R，则行人能安全过街；反之，若T_x<T_R，则行人无法安全过街；

Step 6：当上游车辆速度V₀满足步骤2.2中①或③，此时按原始绿波方案运行，不对行人通行时间进行改进补偿；若速度关系满足②，则进行如下分析：

1)当行人过街信号触发时，如果行人能安全过街，计算行人过街当前剩余绿灯时间T_g：

2)不能安全过街，计算红灯等待时间T_q：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的一种行人过街与绿波带协同控制方法，该控制方法通过检测器检测路段机动车流量，基于流量划分路段交通状态，当检测到的路段状态为极端流量条件(在路段流量数小于阈值条件下，则判定该路段流量较低)时，部分车辆延迟到下周期启动，根据集散波理论分析跨周期排队车辆对绿波控制及整体交通状态的影响因素，同时极端流量条件会导致绿灯空放的情况，绿波带中未被充分利用的绿灯时长补偿给行人过街，提高行人过街效率，有效增强行人的出行体验，有利于上述行人过街与绿波带协同控制方法在城市智能交通的交通信号控制技术领域的推广及应用。

附图说明

图1是实施例中行人过街与绿波带协同控制方法中上下游路口示意图；

图2是实施例中行人过街与绿波带协同控制方法中检测器安装位置示意图；

图3是实施例中行人过街与绿波带协同控制方法中跨周期车辆排队时空图；

图4是实施例中行人过街与绿波带协同控制方法中周期内人行横道通行权转换示意图；

图5是实施例中行人过街与绿波带协同控制方法中周期内干线绿波示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例作详细说明。

实施例：如图1至5所示，一种行人过街与绿波带协同控制方法，其是基于动态补偿的干线协调与行人过街协同控制，通过检测器检测路段机动车流量，基于流量划分路段交通状态；当检测到的路段状态为极端流量条件(在路段流量数小于阈值条件下，则判定该路段流量较低)时，部分车辆延迟到下周期启动，根据集散波理论分析跨周期排队车辆对绿波控制及整体交通状态的影响因素；同时极端流量条件会导致绿灯空放的情况，绿波带中未被充分利用的绿灯时长补偿给行人过街，提高行人过街效率，具体包括以下内容：

1、机动车流量检测及路段状态划分；

1.1确定路口基本信息

假设I₀、I₁分别为相邻上下游路口，I_R为上下游路口间中的人行横道，且为双向n车道。其他参数还包括：通过上游路口协调相位的距离为S_M，通过下游路口协调相位的距离为S_D，上下游路口距离人行横道I_R的距离分别为S₀、S₁，上下游路口之间距离为S_k，机动车行驶速度分别为V₀、V₁，行人过街距离为S_R，行人过街步速为V_R，机动车平均长度为l_car。

信号配时参数包括：设公共周期为C，以路口I₀为基准路口，其相位差为O，设路口I₁相位差为O₁，路口I₀的协调相位时长为P₀，I₁路口的协调相位时长为P₁；行人过街信号触发装置在基准路口I₀相位启动后T_α时刻触发。

1.2机动车流量检测

以路口I₀为例，在路口I₀与它的前一个路口间架设检测器用来判断是否有车辆经过相应区域。检测器的设置间距保持一致，各视频检测器所在位置依照距离路口I₀的远近依次称为1倍节点、2倍节点、……n倍节点，相应的，各节点之间的路段称为区间1，区间2、……区间n，各节点的视频检测器则称为1倍、2倍、……n倍节点检测器，如图2所示，1倍、2倍、……n倍节点检测器可分别检测出区间1、区间2、……区间n实时行驶的机动车数量，某一时刻检测到的给定路段上的车流量数小于等于n₀，认为此时给定路段车流量较低(极端条件)。

1.3基于车流量数值划分路段不同状态

定义参数n₁为整数。

车辆通过上述单个区间的时间T_Q为：

以n＝3为例，根据车流量划分交通状态并确定参数n₁的值：

状态A：在上游路口绿灯结束前3T_Q时刻，若1倍、2倍、3倍节点检测器检测到区间1-3的车辆总数小于等于n₀，即区间1-3行驶的机动车总数小于等于n₀，参数n₁设置为3，否则考虑状态B；

状态B：在上游路口绿灯结束前2T_Q时刻，若1倍、2倍节点检测器检测到区间1-2的车辆总数小于等于n₀，即区间1-2行驶的机动车总数小于等于n₀，参数n₁设置为2，否则考虑状态C；

状态C：在上游路口绿灯结束前T_Q时刻，若1倍节点检测器检测到区间1内的车辆数小于等于n₀，即区间1行驶的机动车总数小于等于n₀，参数n₁设置为1，否则属于状态D；

状态D：不属于以上3种状态的其他情况，参数n₁设置为0。

2、考虑集散现象的低流量情形下的绿波控制；

当上下游车流量满足上述所规定的状态A、B、C中的任意一种情况，路段上车流量较低。此时在人行横道处提前开启绿波协调方向上的红灯，状态A、B、C下的车辆将被拦截在人行横道前并排队累积，等待至下个周期启动，此即为一次排队聚集。通过减少车辆通行的时长，一方面较低的车流量不会干扰绿波控制正常运行，排队车辆能在下个周期协调方向绿灯起亮后尽快消散，保证干线绿波平稳运行。另一方面将原本属于机动车的通行时间转化为行人通行时间，提高了行人过街时长。

2.1跨周期排队车辆启动对绿波控制的影响

以上游路口至下游路口单方向车流为例。由于人行横道前存在排队车辆，在下个周期开始后排队车辆要进行消散，故干线交通流运行情况与以往情况不同，以上游车辆行驶速度v₀作为划分依据，规定下个周期开始后，从上游路口绿波协调方向绿灯起亮时刻为0时刻，位置坐标为x_E。

在行人过街通道前排队车辆完全消散前，从上游路口驶来的第一辆车(简称上游头车)一定能够追击的上排队车辆末尾的车辆(简称排队尾车)，即追及相遇。然后上游头车减速停车，形成车辆的二次排队聚集。此时上游路口协调方向的绿灯起亮，人行横道上协调方向的绿灯未亮，路段交通流整体上处于聚集状态，但在本周期内车辆排队现象可完全消散，不影响整体绿波效果，此过程是一个车辆排队--消散--聚集--消散过程。

将交通流整体运行状况拆解为两个独立的集散情况分析，两次车辆聚集的时空图如图3所示，其中：t为上游头车启动后与排队尾车追及相遇所经过的时间。

Step1：计算上下游路口车流到达人行横道的时间

其中：T₀为路口I₀到达人行横道的时间；

T₁为路口I₁到达人行横道的时间；

Step2：运用集散波原理，在一次排队聚集时，计算排队尾车从0时刻到重新启动的总时长T_R、最大车辆排队长度x_R-x_F：

其中：w₁、w₂分别为集结波和消散波波速；

q_α为一个周期内上游到达流的平均流量；

k_j为阻塞交通流的密度；

k_α为一个周期内上游到达流的平均密度；

q_m为上游饱和流的平均流量；

k_m为上游饱和流的平均密度；

T_E为排队尾车从0时刻行驶到坐标x_E时刻的总时长；

x_R为车辆位置坐标，意义同x_E；

x_F为排队尾车处于排队状态时的位置坐标；

整理可得：

Step3：计算第二次聚集时各变量间的关系

其中：T_E'为二次排队聚集的尾车从0时刻行驶到坐标x_E'时刻的总时长；

x_R'、x_F'为车辆位置坐标；

C'为第一次排队聚集时的首车从停车排队时刻到当周期结束的总时长；

由两次排队聚集的关系整理可得：

令：

k₁＝k_m-k_j

k₂＝k_j-k_α

则：

Step4：由①最大排队长度不能延伸至超过上游路口；②行人过街通道上绿波协调相位时间内排队车辆清空；③t小于相位差T₀，建立约束关系：

整理得：

令：

由实际关系知A>0，则当B²-4AC ≥0时上述关系成立：

解得：

2.2影响绿波控制效果因素分析

由2.1总结得：

①当

时，滞留于人行横道前的车辆会对干线绿波产生影响且无法修复，破坏整体干线绿波效果。

②当

时，上游路口协调方向的绿灯起亮，人行横道上协调方向的绿灯未亮时，上游头车与排队尾车追及相遇，此时会对绿波造成影响，但可以自行消除，不影响整体干线绿波。

③当v₀≥(S₀+S_M)-n₀×l_car时，滞留于人行横道前的车辆会对干线绿波产生影响且无法修复，破坏整体干线绿波效果。

3、考虑绿灯空放现象的行人通行时间动态补偿；

在绿灯结束前的一段时间内，若绿波协调方向上车流量极低(小于等于n₀)，则该方向存在绿灯空放现象。将绿灯空放这部分时长补偿给行人过街时间(简称补偿时长)，提前启动行人过街绿灯信号，提高行人通行效率。同时极少的机动车滞留在人行横道前，在下个周期启动后不会对干线绿波控制产生影响或影响较小，并且影响可随时间变化而消除，整体上满足绿波控制的基本需求。根据实际绿波空放情况确定补偿时间，动态调整信号周期，在保障干线绿波平稳运行的条件下，充分利用绿灯空放时长以达到提高行人过街效率的目的。

Step1：计算行人过街的时间T_R

Step2：计算上下游路口动态调整后的协调相位时长

上游路口动态调整后的协调相位时长：

下游路口动态调整后的协调相位时长：

其中：P'₀为动态调整后路口I₀协调相位动态参考时长；

ΔP₀为路口I₀需要调整的时长，即I₀补偿时长；

P'₁为动态调整后路口I₁协调相位动态参考时长；

ΔP₁为路口I₁需要调整的时长，即I₁补偿时长；

n₂为路口I₁调整的比例参数(整数)；

S_W为路口I₀下游单个检测区间长度(设置方法同S_Q)；

T_W为通过路口I₀下游单个检测区间的时长(设置方法同T_Q)；

为了充分利用上下游路口绿灯时间，引入相位动态参考时长的定义：在不改变原有绿波控制参数的条件下，动态调整原有的上下游路口协调相位，使其满足调整后的相位持续时长在数值上等于原有时长减掉整数倍(n₁或n₂)的通过上下游单个检测区间的时长(T_Q或T_W)。

确定参数n₁和n₂，参数n₁的设置与基于车流量数值划分路段不同状态中的n₁设置相同，同理，参数n₂的确定同n₁。

Step3：划分上下游交叉路口协调方向车流通过人行横道的区间

在[T₀,T₀+P₀]区间段内上游路口的车辆经过人行横道，在[T₁+O₁,T₁+O₁+P₁]区间段内下游路口车辆经过人行横道。考虑下游路口区间段的数值可能会超过公共周期C，所以将下游区间细分为两个横跨周期C的子区间：[T₁+O₁,C]和[0,(T₁+O₁+P₁)modC]。上下游路口协调相位参照时长代替路口的协调相位时长，提前启动行人过街绿灯信号，在不影响绿波控制的条件下，充分利用平峰时期的绿灯时长达到提高行人过街效率的目的。改进后的上下游车辆通过人行横道的区间如图4所示，且具体如下：

划分一个周期内人行横道上的通行权变化区间：

Step4：在行人通行时段，判断行人过街时间T_x与最小行人过街时间T_R的关系，若T_x≥T_R，则行人能安全过街；反之，若T_x<T_R，则行人无法安全过街。

Step 5：当上游车辆速度V₀满足影响绿波控制效果因素分析即2.2节中①或③，即速度过大或过小会干扰到整体绿波效果，最终破坏绿波控制，此时按原始绿波方案运行，不对行人通行时间进行改进补偿；若速度关系满足②，则进行如下分析：

1、当行人过街信号触发时，如果行人能安全过街，计算行人过街当前剩余绿灯时间T_g：

2、不能安全过街，计算红灯等待时间T_q：

本实施例中的一种行人过街与绿波带协同控制方法，该控制方法通过检测器检测路段机动车流量，基于流量划分路段交通状态，当检测到的路段状态为极端流量条件(在路段流量数小于阈值条件下，则判定该路段流量较低)时，部分车辆延迟到下周期启动，根据集散波理论分析跨周期排队车辆对绿波控制及整体交通状态的影响因素，同时极端流量条件会导致绿灯空放的情况，绿波带中未被充分利用的绿灯时长补偿给行人过街，提高行人过街效率，有效增强行人的出行体验，有利于上述行人过街与绿波带协同控制方法在城市智能交通的交通信号控制技术领域的推广及应用。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种行人过街与绿波带协同控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、通过检测器检测路段机动车流量，基于机动车流量及路口基本信息划分路段交通状态；

步骤2、当检测到的路段状态为极端流量条件时，部分排队车辆延迟到下周期启动，并根据集散波理论分析跨周期排队车辆对绿波控制及整体交通状态的影响因素；

步骤3、将绿波带中未被充分利用的绿灯时长补偿给行人过街；

步骤2的具体实施步骤包括：

Step1：计算上下游路口车流到达人行横道的时间

其中，T₀为路口I₀到达人行横道的时间；T₁为路口I₁到达人行横道的时间；S_M为通过上游路口协调相位的距离，S_D为通过下游路口协调相位的距离，S₀、S₁分别为上下游路口距离人行横道的距离，

Step2：运用集散波原理，在一次排队聚集时，计算排队尾车从0时刻到重新启动的总时长T_R、最大车辆排队长度x_R-x_F：

其中，w₁、w₂分别为集结波和消散波波速；q_α为一个周期内上游到达流的平均流量；k_j为阻塞交通流的密度；k_α为一个周期内上游到达流的平均密度；q_m为上游饱和流的平均流量；k_m为上游饱和流的平均密度；T_G行人过街时间；T_E为排队尾车从0时刻行驶到坐标x_E时刻的总时长；x_R为车辆位置坐标；x_F为排队尾车处于排队状态时的位置坐标，l_car为机动车平均长度，n₀为给定路段上的车流量基准数；

整理可得：

Step3：计算第二次聚集时各变量间的关系

其中：T_E'为二次排队聚集的尾车从0时刻行驶到坐标x_E'时刻的总时长；

x_R'、x_F'为车辆位置坐标；

C'为第一次排队聚集时的首车从停车排队时刻到当周期结束的总时长；由两次排队聚集的关系整理可得：

令：

k₁＝k_m-k_j

k₂＝k_j-k_α

则：

Step4：由①最大排队长度不能延伸至超过上游路口；②行人过街通道上绿波协调相位时间内排队车辆清空；③t小于相位差T₀，建立约束关系：

整理得：

令：

由实际关系知A>0，则当B²-4AC≥0时上述关系成立：

解得：

影响绿波控制效果因素分析

①当

时，滞留于人行横道前的车辆会对干线绿波产生影响且无法修复，破坏整体干线绿波效果；

②当

时，上游路口协调方向的绿灯起亮，人行横道上协调方向的绿灯未亮时，上游头车与排队尾车追及相遇，此时会对绿波造成影响，但可以自行消除，不影响整体干线绿波；

③当v₀≥(S₀+S_M)-n₀·l_car时，滞留于人行横道前的车辆会对干线绿波产生影响且无法修复，破坏整体干线绿波效果；

步骤3具体步骤为：

Step1：计算行人过街的时间T_R

Step2：计算上下游路口动态调整后的协调相位时长

上游路口动态调整后的协调相位时长：

下游路口动态调整后的协调相位时长：

其中：P′₀为动态调整后路口I₀协调相位动态参考时长；ΔP₀为路口I₀需要调整的时长，即I₀补偿时长；P′₁为动态调整后路口I₁协调相位动态参考时长；ΔP₁为路口I₁需要调整的时长，即I₁补偿时长；n₂为路口I₁调整的比例参数；S_W为路口I₀下游单个检测区间长度；T_W为通过路口I₀下游单个检测区间的时长；

Step3：划分上下游交叉路口协调方向车流通过人行横道的区间

上下游车辆通过人行横道的区间如下：

划分一个周期内人行横道上的通行权变化区间：

Step5：在行人通行时段，判断行人过街时间T_x与最小行人过街时间T_R的关系，若T_x≥T_R，则行人能安全过街；反之，若T_x＜T_R，则行人无法安全过街；

Step6：当上游车辆速度V₀满足步骤2.2中①或③，此时按原始绿波方案运行，不对行人通行时间进行改进补偿；若速度关系满足②，则进行如下分析：

1)当行人过街信号触发时，如果行人能安全过街，计算行人过街当前剩余绿灯时间T_g：

2)不能安全过街，计算红灯等待时间T_q：

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