CN113205695B - 多周期长度双向干线绿波控制方法 - Google Patents

多周期长度双向干线绿波控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多周期长度双向干线控制方法，包括以下步骤：输入干线交叉口相关信息，规定多周期干线信号控制限制数据；在经典双向绿波控制模型的基础上，设置整数变量描述各交叉口周期时长占标准周期时长的倍数关系；重新构造相邻交叉口之间的带宽关系与绿波带传递关系，修改模型中的带宽约束与整环约束；以最大化单位周期内绿波带宽加权和为目标，构建多周期长度双向干线绿波控制模型；求解模型，输出相关控制参数，获得多周期长度双向干线绿波控制方案。本发明解决了现有模型统一的周期时长所引起的单点交叉口周期时长不合适的问题，提高了现有绿波控制模型法的局限性与控制效果。

Description

多周期长度双向干线绿波控制方法
技术领域
本发明涉及交通管理与控制中信号控制领域，具体涉及多周期长度双向干线绿波控制方法。
背景技术
绿波模型求解算法尽管在绿波带宽约束松弛和协调控制范围方面有一定发展，但是对于信号周期长度少有研究。现有算法要求绿波控制范围内的所有交叉口的信号周期长度为同一值，就其中的单个交叉口而言，协调控制所统一的时长可能并非该交叉口的最佳周期长度。而在绿波控制的概念中，各交叉口的信号周期长度若不相等，但成倍数关系，也可保证绿波周期性出现，实现有效的干线绿波控制。
发明内容
发明目的：本发明通过对双向绿波控制MAXBAND模型的目标函数与约束条件进行修改，使得各交叉口周期长度满足倍数约束，构建多周期长度双向干线绿波模型，进而，生成多周期双向干线绿波控制方案。
技术方案：为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是多周期长度双向干线绿波控制方法，该方法的具体步骤如下：
(1)输入干线交叉口相关信息，包括：干线交叉口数量、各交叉口绿波所在相位的红绿灯时长、交叉口间距、各交叉口排队清空时长数据；
(2)设置多周期干线信号控制限制数据，包括：单位周期时长的上下限、下行绿波带宽相对于上行绿波带宽的权重、交叉口周期时长占单位周期时长的最大倍数、绿波速度及速度变化的上下限；
(3)在双向绿波控制模型的基础上，设置整数变量描述各交叉口周期时长占单位周期时长的倍数关系；重新构造相邻交叉口之间的带宽关系与绿波带传递关系，修改双向绿波控制模型中的带宽约束与整环约束；
(4)定义单位周期长度内绿波带宽，以最大化单位周期内绿波带宽加权和为目标，构建多周期长度双向干线绿波控制模型；
(5)求解多周期长度双向干线绿波控制模型，输出绿波控制参数，获得多周期长度双向干线绿波控制方案，其中绿波控制参数包括：标准周期时长、各交叉口周期长度占标准周期时长的倍数、双向绿波带宽、各路段推荐绿波速度、各交叉口相对相位差。
进一步，步骤(3)中：
带宽约束修改为：
wi+b≤ni(1-ri) i＝1,2,...,N
Figure BDA0003017878890000021
整环约束修改为：
Figure BDA0003017878890000022
其中，N为交叉口总数，b为上行绿波带宽/周期，
Figure BDA0003017878890000023
为下行绿波带宽/周期，wi和wi+1为上行绿波带在交叉口i和i+1处起始位置距左侧红灯的时间距离/周期，
Figure BDA0003017878890000024
和
Figure BDA0003017878890000025
为下行绿波带在交叉口i和i+1处结束位置距右侧红灯的时间距离/周期，ri和ri+1为交叉口i和i+1处上行红灯时间/周期，
Figure BDA0003017878890000026
和
Figure BDA0003017878890000027
为交叉口i和i+1处下行红灯时间/周期，ni和ni+1分别为交叉口i和i+1的周期长度相对于单位周期长度的倍数关系，ti为绿波带从交叉口i到i+1所需的上行时间/周期，
Figure BDA0003017878890000028
为绿波带从交叉口i到i+1所需的下行时间/周期，τi和τi+1为交叉口i和i+1处的上行排队清空时间/周期，
Figure BDA0003017878890000029
为交叉口i处的下行排队清空时间/周期，
Figure BDA00030178788900000210
为交叉口i和i+1之间的上行相位差/周期，
Figure BDA00030178788900000211
为交叉口i和i+1之间的下行相位差/周期，Δi和Δi+1为交叉口i和i+1处上下行红灯中点的偏移时长/周期，mi为整数变量。
进一步：θi和
Figure BDA00030178788900000212
满足：
Figure BDA00030178788900000213
进一步，步骤(4)中多周期长度双向干线绿波控制模型具体如下：
目标函数：
Figure BDA00030178788900000214
约束条件：
Figure BDA00030178788900000215
Figure BDA00030178788900000216
wi+b≤ni(1-ri) i＝1,2,...,N
Figure BDA00030178788900000217
Figure BDA0003017878890000031
Figure BDA0003017878890000032
Figure BDA0003017878890000033
Figure BDA0003017878890000034
Figure BDA0003017878890000035
其中，b0为单位周期长度内的上行绿波带宽/周期，
Figure BDA0003017878890000036
为单位周期长度内的下行绿波带宽/周期，k为下行交叉口带宽占上行交叉口带宽的权重值，T1为周期长度的下上限，T2为周期长度的上限，z为周期时长的倒数，di为交叉口i到i+1之间的上行距离，
Figure BDA0003017878890000037
为交叉口i到i+1之间的下行距离，fi为上行车流在交叉口i到i+1之间行驶速度的上限，
Figure BDA0003017878890000038
为下行车流在交叉口i到i+1之间行驶速度的上限，ei为上行车流在交叉口i到i+1之间行驶速度的下限，
Figure BDA0003017878890000039
为下行车流在交叉口i到i+1之间行驶速度的下限，
Figure BDA00030178788900000310
为上行绿波带在交叉口i处速度变化的上限，
Figure BDA00030178788900000311
为下行绿波带在交叉口i处速度变化的上限，
Figure BDA00030178788900000312
为上行绿波带在交叉口i处速度变化的下限，
Figure BDA00030178788900000313
为下行绿波带在交叉口i处速度变化的下限，ti+1为绿波带从交叉口i+1到i+2所需的上行时间/周期，
Figure BDA00030178788900000314
为绿波带从交叉口i+1到i+2所需的下行时间/周期。
进一步，
Figure BDA00030178788900000315
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：
1、本发明提出多周期长度双向干线绿波模型，该模型可实现双向干线绿波控制过程中各交叉口周期长度并不相等，而是满足倍数关系，生成多周期双向干线绿波控制方案；
2、本发明解决了现有算法要求绿波控制范围内的所有交叉口的信号周期长度为同一值，就其中的单个交叉口而言，协调控制所统一的时长可能并非该交叉口的最佳周期长度的问题，提高了绿灯时间利用率及信号控制效果。
附图说明
图1为本发明的多周期长度双向干线绿波控制方法流程图；
图2为双向干线绿波时空图；
图3为多周期长度相邻交叉口绿波时空图；
图4为算例交叉口分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
本发明所述的多周期长度双向干线绿波控制方法，协调控制流程如图1所示，具体包括以下步骤：
(1)输入干线交叉口相关信息，包括：干线交叉口数量、各交叉口绿波所在相位的红绿灯时长、交叉口间距、各交叉口排队清空时长数据。
(2)规定多周期干线信号控制限制数据，包括：单位周期时长的上下限、下行绿波带宽相对于上行绿波带宽的权重、交叉口周期时长占单位周期时长的最大倍数、绿波速度及速度变化的上下限。
(3)在经典双向绿波控制模型的基础上，设置整数变量描述各交叉口周期时长占单位周期时长的倍数关系；重新构造相邻交叉口之间的带宽关系与绿波带传递关系，修改模型中的带宽约束与整环约束。
定义干线内最小周期长度为单位周期长度，ni＝1,2,3…为交叉口i的周期长度相对于单位周期长度的倍数关系。
带宽约束可调整为：
wi+b≤ni(1-ri) i＝1,2,...,N (1a)
Figure BDA0003017878890000041
其中，N为交叉口总数，如图2所示，
Figure BDA0003017878890000042
为上(下)行绿波带宽/周期，
Figure BDA0003017878890000043
为上(下)行绿波带在交叉口i处起始(结束)位置距左侧(右侧)红灯的时间距离/周期，
Figure BDA0003017878890000044
为交叉口i处上(下)行红灯时间/周期。
如图3所示，交叉口i+1的周期长度为交叉口i的两倍，A点和C点标注位置分别为交叉口i处上行与下行红灯时间中点，B点为上行绿波在交叉口i+1处的起始位置，D点为下行绿波在交叉口i+1处的结束位置。AB为A点与B点之间的水平距离，CD为C点与D点之间的水平距离，因此有：
Figure BDA0003017878890000051
Figure BDA0003017878890000052
其中m'i和
Figure BDA0003017878890000053
均为标准周期的倍数，即为整数。
Figure BDA0003017878890000054
为绿波带从交叉口i到i+1所需的上行(下行)时间/周期，
Figure BDA0003017878890000055
为交叉口i处的上行(下行)排队清空时间/周期，
Figure BDA0003017878890000056
为交叉口i和i+1之间的上行(下行)相位差/周期，同时，θi和
Figure BDA0003017878890000057
满足下式关系
Figure BDA0003017878890000058
其中，Δi为交叉口i处上下行红灯中点的偏移时长/周期。对式(2a)、(2b)和(2c)进行初等变换，结果如下式所示：
Figure BDA0003017878890000059
绿波速度相关约束不受信号周期长度影响，因此保留MAXBAND经典模型中的绿波速度约束不变。
(4)定义单位周期长度内绿波带宽，以最大化单位周期内绿波带宽加权和为目标，构建多周期长度双向干线绿波控制模型。
定义单位周期长度内的绿波带宽概念，对上述绿波效益进行描述，即单位周期长度内的绿波带宽
Figure BDA00030178788900000510
因此，目标函数可调整如下：
Figure BDA00030178788900000511
(5)求解多周期长度双向干线绿波控制模型，输出相关控制参数，包括：标准周期时长、各交叉口周期长度占标准周期时长的倍数、双向绿波带宽、各路段推荐绿波速度、各交叉口相对相位差，获得多周期长度双向干线绿波控制方案。
多周期长度双向干线绿波控制模型的完整描述如下：
目标函数为：
Figure BDA00030178788900000512
约束条件为：
Figure BDA00030178788900000513
Figure BDA0003017878890000061
wi+b≤ni(1-ri) i＝1,2,...,N (1a)
Figure BDA0003017878890000062
Figure BDA0003017878890000063
Figure BDA0003017878890000064
Figure BDA0003017878890000065
Figure BDA0003017878890000066
Figure BDA0003017878890000067
其中b,
Figure BDA0003017878890000068
z,wi,
Figure BDA0003017878890000069
ti,
Figure BDA00030178788900000610
mi和ni为整数变量，且ni≥1。
模型约束条件均为混合整数线性约束，目标函数为非线性方程，该问题属于非线性整数规划问题，可用BNB求解器进行优化求解。以四个交叉口过程的干线为例(如图3)，对方法进行演算，输入数据如表1和表2所示。
表1交叉口流量表(pcu/h)
Figure BDA00030178788900000611
表2交叉口东西向红绿灯配时(标准周期)
Figure BDA00030178788900000612
在多周期长度双向绿波控制模型应用过程中，ni可以根据实际周期长度需求进行限制，为防止模型的求解结果出现周期长度过大的情况，规定本发明的算例中3≥ni≥1。通过BNB求解器依次对MAXBAND经典模型和本文所提出的多周期长度双向绿波控制模型进行求解，求解结果如表3所示，表中优化结果即为模型最终的目标函数值。
表3模型求解结果
Figure BDA0003017878890000071
求得标准周期长度为40s，交叉口1-4的周期长度分别为标准周期长度的2倍、2倍、3倍、2倍，上下行绿波带宽分别为1.50和1.46个周期，且干线内所有交叉口周期长度在控制在80～130s之间，周期长度合理。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.多周期长度双向干线绿波控制方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：
(1)输入干线交叉口相关信息，包括：干线交叉口数量、各交叉口绿波所在相位的红绿灯时长、交叉口间距、各交叉口排队清空时长数据；
(2)设置多周期干线信号控制限制数据，包括：单位周期时长的上下限、下行绿波带宽相对于上行绿波带宽的权重、交叉口周期时长占单位周期时长的最大倍数、绿波速度及速度变化的上下限；
(3)在双向绿波控制模型的基础上，设置整数变量描述各交叉口周期时长占单位周期时长的倍数关系；重新构造相邻交叉口之间的带宽关系与绿波带传递关系，修改双向绿波控制模型中的带宽约束与整环约束；其中：
带宽约束修改为：
wi+b≤ni(1-ri)i＝1,2,...,N
Figure FDA0003441795110000011
整环约束修改为：
Figure FDA0003441795110000012
其中，N为交叉口总数，b为上行绿波带宽/周期，
Figure FDA0003441795110000013
为下行绿波带宽/周期，wi和wi+1为上行绿波带在交叉口i和i+1处起始位置距左侧红灯的时间距离/周期，
Figure FDA0003441795110000014
和
Figure FDA0003441795110000015
为下行绿波带在交叉口i和i+1处结束位置距右侧红灯的时间距离/周期，ri和ri+1为交叉口i和i+1处上行红灯时间/周期，
Figure FDA0003441795110000016
和
Figure FDA0003441795110000017
为交叉口i和i+1处下行红灯时间/周期，ni和ni+1分别为交叉口i和i+1的周期长度相对于单位周期长度的倍数关系，ti为绿波带从交叉口i到i+1所需的上行时间/周期，
Figure FDA0003441795110000018
为绿波带从交叉口i到i+1所需的下行时间/周期，τi和τi+1为交叉口i和i+1处的上行排队清空时间/周期，
Figure FDA0003441795110000019
为交叉口i处的下行排队清空时间/周期，
Figure FDA00034417951100000110
为交叉口i和i+1之间的上行相位差/周期，
Figure FDA00034417951100000111
为交叉口i和i+1之间的下行相位差/周期，Δi和Δi+1为交叉口i和i+1处上下行红灯中点的偏移时长/周期，mi为整数变量；
(4)定义单位周期长度内绿波带宽，以最大化单位周期内绿波带宽加权和为目标，构建多周期长度双向干线绿波控制模型；其中多周期长度双向干线绿波控制模型具体如下：
目标函数：
Figure FDA0003441795110000021
约束条件：
Figure FDA0003441795110000022
Figure FDA0003441795110000023
wi+b≤ni(1-ri)i＝1,2,...,N
Figure FDA0003441795110000024
Figure FDA0003441795110000025
Figure FDA0003441795110000026
Figure FDA0003441795110000027
Figure FDA0003441795110000028
Figure FDA0003441795110000029
其中，b0为单位周期长度内的上行绿波带宽/周期，
Figure FDA00034417951100000210
为单位周期长度内的下行绿波带宽/周期，k为下行交叉口带宽占上行交叉口带宽的权重值，T1为周期长度的下上限，T2为周期长度的上限，z为周期时长的倒数，di为交叉口i到i+1之间的上行距离，
Figure FDA00034417951100000211
为交叉口i到i+1之间的下行距离，fi为上行车流在交叉口i到i+1之间行驶速度的上限，
Figure FDA00034417951100000212
为下行车流在交叉口i到i+1之间行驶速度的上限，ei为上行车流在交叉口i到i+1之间行驶速度的下限，
Figure FDA00034417951100000213
为下行车流在交叉口i到i+1之间行驶速度的下限，
Figure FDA00034417951100000214
为上行绿波带在交叉口i处速度变化的上限，
Figure FDA00034417951100000215
为下行绿波带在交叉口i处速度变化的上限，
Figure FDA00034417951100000216
为上行绿波带在交叉口i处速度变化的下限，
Figure FDA00034417951100000217
为下行绿波带在交叉口i处速度变化的下限，ti+1为绿波带从交叉口i+1到i+2所需的上行时间/周期，
Figure FDA00034417951100000218
为绿波带从交叉口i+1到i+2所需的下行时间/周期；
(5)求解多周期长度双向干线绿波控制模型，输出绿波控制参数，获得多周期长度双向干线绿波控制方案，其中绿波控制参数包括：标准周期时长、各交叉口周期长度占标准周期时长的倍数、双向绿波带宽、各路段推荐绿波速度、各交叉口相对相位差。
2.根据权利要求1所述的多周期长度双向干线绿波控制方法，其特征在于，θi和
Figure FDA0003441795110000031
满足：
Figure FDA0003441795110000032
3.根据权利要求1所述的多周期长度双向干线绿波控制方法，其特征在于，
Figure FDA0003441795110000033
Figure FDA0003441795110000034
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