CN113327432B - 一种基于车道划分和流量分布的交叉口相位方案优选方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于车道划分和流量分布的交叉口相位方案优选方法，包括以下步骤：步骤1：由车道划分确定交叉口相位方案的可行解空间；步骤2：计算可行解空间中每种相位方案的关键车流总流量比；步骤3：确定交叉口最佳相位方案。本发明给出的基于车道划分和流量分布的交叉口相位方案优选方法能够从备选相位方案中选取最佳的相位方案，能够使得基于此最佳相位方案计算出的信号周期长度更小，而更小的信号周期可以显著减少车辆延误时间和排队长度，从而能够获得更好的信号控制效果。

Description

一种基于车道划分和流量分布的交叉口相位方案优选方法
技术领域
本发明涉及交通信号控制技术领域，具体为一种基于车道划分和流量分布的交叉口相位方案优选方法。
背景技术
相位方案的合理选择是设计交叉口信号方案时所面临的首要任务，这是因为相位方案决定着后续关键车流的判断、总损失时间以及总流量比的计算，进而影响信号周期的确定以及绿信比的分配。然而，现有的技术文献多在给定的相位方案(如对称相位、NEMA相位或单独相位)下研究如何优化信号配时参数，鲜有对交叉口相位方案优选方面的研究，即如何从多个备选相位方案中选取出最佳的相位方案。
对此，本发明综合考虑车道划分和流量分布，以关键车流总流量比最小为优化目标(关键车流总流量比小意味着计算出的信号周期小，交叉口采用更小的信号周期可以显著提升运转效率，延误时间、排队长度会相应减少)，给出一种基于车道划分和流量分布的交叉口相位方案优选方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于车道划分和流量分布的交叉口相位方案优选方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于车道划分和流量分布的交叉口相位方案优选方法，包括以下步骤：
步骤1：由车道划分确定交叉口相位方案的可行解空间；
步骤2：计算可行解空间中每种相位方案的关键车流总流量比；
步骤3：确定交叉口最佳相位方案。
优选的，在步骤1中，当交叉口的进口道存在直左合用车道时，则该进口道及其对向进口道的相位方案可行解空间Ω＝{单独相位}；当交叉口的进口道及其对向进口道的左转车道为专用车道时，则该进口道及其对向进口道的相位方案可行解空间Ω＝{对称相位，NEMA相位，单独相位}。
优选的，步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：计算南北方向上的关键车流总流量比；
步骤2.2：计算西东方向上的关键车流总流量比。
优选的，在步骤2.1中，南北方向上的车道分布情况包括：
当交叉口南进口与北进口均存在直左合用车道时，南进口和北进口的相位方案只能为单独相位，南北方向上的关键车流总流量比计算公式如下：
Figure BDA0003075702000000021
其中，Y(南-北),1表示当交叉口南进口与北进口均存在直左合用车道时交叉口南北方向上的关键车流总流量比；q南直表示交叉口南进口可供直行车流通行的车道组总流量；q北直表示交叉口北进口可供直行车流通行的车道组总流量；S南直表示交叉口南进口可供直行车流通行的车道组总饱和流量；S北直表示交叉口北进口可供直行车流通行的车道组总饱和流量。
当交叉口南进口或北进口存在直左合用车道时，则南进口和北进口的相位方案为单独相位，南北方向上的关键车流总流量比计算公式如下：
Figure BDA0003075702000000022
其中，Y(南-北),2表示当交叉口南进口或北进口存在直左合用车道时交叉口南北方向上的关键车流总流量比；q北左表示交叉口北进口可供左转车流通行的车道组总流量；q南左表示交叉口南进口可供左转车流通行的车道组总流量；S北左表示交叉口北进口可供左转车流通行的车道组总饱和流量；S南左表示交叉口南进口可供左转车流通行的车道组总饱和流量。
当交叉口的南进口和北进口左转车道是专用车道，而直行车道是专用车道或直右合用车道时，南北方向可采用的相位方案为对称相位、NEMA相位或单独相位。相位方案为对称相位、NEMA相位、单独相位时，南北方向上的关键车流总流量比分别由如下公式计算：
Figure BDA0003075702000000031
Figure BDA0003075702000000032
Figure BDA0003075702000000033
其中，
Figure BDA0003075702000000034
表示当交叉口的南进口和北进口左转车道是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道，相位方案为对称相位时的南北方向上的关键车流总流量比；
Figure BDA0003075702000000035
表示当交叉口的南进口和北进口左转车道是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，相位方案为NEMA相位时的南北方向上关键车流总流量比；
Figure BDA0003075702000000036
表示当交叉口的南进口和北进口左转车道是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，相位方案为单独相位时的南北方向上关键车流总流量比。
优选的，在步骤2.2中，西东方向上的车道分布情况包括：
当交叉口西进口与东进口均存在直左合用车道时，西进口和东进口的相位方案只能为单独相位，西东方向上的关键车流总流量比计算公式如下：
Figure BDA0003075702000000037
其中，Y(西-东),4表示当交叉口西进口与东进口均存在直左合用车道时交叉口西东方向上的关键车流总流量比；q西直表示交叉口西进口可供直行车流通行的车道组总流量；q东直表示交叉口东进口可供直行车流通行的车道组总流量；S西直表示交叉口西进口可供直行车流通行的车道组总饱和流量；S东直表示交叉口东进口可供直行车流通行的车道组总饱和流量。
当交叉口西进口或东进口存在直左合用车道时，西进口和东进口的相位方案为单独相位，西东方向上的关键车流总流量比计算公式如下：
Figure BDA0003075702000000041
其中，Y(西-东),5表示当交叉口西进口或东进口存在直左合用车道时交叉口西东方向上的关键车流总流量比；q西左表示交叉口西进口可供左转车流通行的车道组总流量；q东左表示交叉口东进口可供左转车流通行的车道组总流量；S西左表示交叉口西进口可供左转车流通行的车道组总饱和流量；S东左表示交叉口东进口可供左转车流通行的车道组总饱和流量。
当交叉口西进口和东进口左转车道均是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，西东方向采用的相位方案为对称相位、NEMA相位或单独相位。当相位方案为对称相位、NEMA相位、单独相位时，西东方向上的关键车流总流量比分别由如下公式计算：
Figure BDA0003075702000000042
Figure BDA0003075702000000043
Figure BDA0003075702000000051
其中，
Figure BDA0003075702000000052
表示当交叉口西进口和东进口左转车道均是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，相位方案为对称相位时的西东方向上的关键车流总流量比；
Figure BDA0003075702000000053
表示当交叉口西进口和东进口左转车道均是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，相位方案为NEMA相位时的西东方向上的关键车流总流量比；
Figure BDA0003075702000000054
表示当交叉口西进口和东进口左转车道均是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，相位方案为单独相位时的西东方向上的关键车流总流量比。
优选的，在步骤3中，当交叉口南北方向或西东方向的相位方案可行解空间中仅有一个相位方案时，则该相位方案即为该方向上的最佳相位方案；当交叉口南北方向或东西方向的相位可行解空间中存在多个相位方案时，交叉口关键车流总流量比最小的相位方案为最佳相位方案。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明给出的基于车道划分和流量分布的交叉口相位获取方法能够从备选相位方案中选择最佳的相位方案，能够使得基于此最佳相位方案计算出的信号周期长度更小，而更小的信号周期可以显著减少车辆延误时间和排队长度，能够获得更好的信号控制效果。
附图说明
图1为基于车道划分和流量分布的交叉口相位方案优选方法流程图；
图2为本发明实施例交叉口各进口道的车道划分图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种基于车道划分和流量分布的交叉口相位获取方法，包括以下步骤：
步骤1：由车道划分确定交叉口相位方案的可行解空间；
步骤2：计算可行解空间中每种相位方案的关键车流总流量比；
步骤3：确定交叉口最佳相位方案。
优选的，在步骤1中，当交叉口的进口道存在直左合用车道时，则该进口道及其对向进口道的相位方案可行解空间Ω＝{单独相位}；当交叉口的进口道及其对向进口道的左转车道为专用车道时，则该进口道及其对向进口道的相位方案可行解空间Ω＝{对称相位，NEMA相位，单独相位}。
优选的，步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：计算南北方向上的关键车流总流量比；
步骤2.2：计算西东方向上的关键车流总流量比。
优选的，在步骤2.1中，南北方向上的车道分布情况包括：
当交叉口南进口与北进口均存在直左合用车道时，南进口和北进口的相位方案只能为单独相位，南北方向上的关键车流总流量比计算公式如下：
Figure BDA0003075702000000061
其中，Y(南-北),1表示当交叉口南进口与北进口均存在直左合用车道时交叉口南北方向上的关键车流总流量比；q南直表示交叉口南进口可供直行车流通行的车道组总流量；q北直表示交叉口北进口可供直行车流通行的车道组总流量；S南直表示交叉口南进口可供直行车流通行的车道组总饱和流量；S北直表示交叉口北进口可供直行车流通行的车道组总饱和流量。
当交叉口南进口或北进口存在直左合用车道时，则南进口和北进口的相位方案为单独相位，南北方向上的关键车流总流量比计算公式如下：
Figure BDA0003075702000000071
其中，Y(南-北),2表示当交叉口南进口或北进口存在直左合用车道时交叉口南北方向上的关键车流总流量比；q北左表示交叉口北进口可供左转车流通行的车道组总流量；q南左表示交叉口南进口可供左转车流通行的车道组总流量；S北左表示交叉口北进口可供左转车流通行的车道组总饱和流量；S南左表示交叉口南进口可供左转车流通行的车道组总饱和流量。
当交叉口的南进口和北进口左转车道是专用车道，而直行车道是专用车道或直右合用车道时，南北方向可采用的相位方案为对称相位、NEMA相位或单独相位。相位方案为对称相位、NEMA相位、单独相位时，南北方向上的关键车流总流量比分别由如下公式计算：
Figure BDA0003075702000000072
Figure BDA0003075702000000073
Figure BDA0003075702000000074
其中，
Figure BDA0003075702000000075
表示当交叉口的南进口和北进口左转车道是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道，相位方案为对称相位时的南北方向上的关键车流总流量比；
Figure BDA0003075702000000081
表示当交叉口的南进口和北进口左转车道是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，相位方案为NEMA相位时的南北方向上关键车流总流量比；
Figure BDA0003075702000000082
表示当交叉口的南进口和北进口左转车道是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，相位方案为单独相位时的南北方向上关键车流总流量比。
优选的，在步骤2.2中，西东方向上的车道分布情况包括：
当交叉口西进口与东进口均存在直左合用车道时，西进口和东进口的相位方案只能为单独相位，西东方向上的关键车流总流量比计算公式如下：
Figure BDA0003075702000000083
其中，Y(西-东),4表示当交叉口西进口与东进口均存在直左合用车道时交叉口西东方向上的关键车流总流量比；q西直表示交叉口西进口可供直行车流通行的车道组总流量；q东直表示交叉口东进口可供直行车流通行的车道组总流量；S西直表示交叉口西进口可供直行车流通行的车道组总饱和流量；S东直表示交叉口东进口可供直行车流通行的车道组总饱和流量。
当交叉口西进口或东进口存在直左合用车道时，西进口和东进口的相位方案只能为单独相位，西东方向上的关键车流总流量比计算公式如下：
Figure BDA0003075702000000084
其中，Y(西-东),5表示当交叉口西进口或东进口存在直左合用车道时交叉口西东方向上的关键车流总流量比；q西左表示交叉口西进口可供左转车流通行的车道组总流量；q东左表示交叉口东进口可供左转车流通行的车道组总流量；S西左表示交叉口西进口可供左转车流通行的车道组总饱和流量；S东左表示交叉口东进口可供左转车流通行的车道组总饱和流量。
当交叉口西进口和东进口左转车道均是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，西东方向采用的相位方案为对称相位、NEMA相位或单独相位。当相位方案为对称相位、NEMA相位、单独相位时，西东方向上的关键车流总流量比分别由如下公式计算：
Figure BDA0003075702000000091
Figure BDA0003075702000000092
Figure BDA0003075702000000093
其中，
Figure BDA0003075702000000094
表示当交叉口西进口和东进口左转车道均是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，相位方案为对称相位时的西东方向上的关键车流总流量比；
Figure BDA0003075702000000095
表示当交叉口西进口和东进口左转车道均是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，相位方案为NEMA相位时的西东方向上的关键车流总流量比；
Figure BDA0003075702000000096
表示当交叉口西进口和东进口左转车道均是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，相位方案为单独相位时的西东方向上的关键车流总流量比。
步骤3中，当交叉口南北方向或西东方向的相位方案可行解空间中仅有一个相位方案时，则该相位方案即为该方向上的最佳相位方案。当交叉口南北方向或东西方向的相位可行解空间中存在多个相位方案时，则交叉口关键车流总流量比最小的相位方案即为最佳相位方案。
根据实施例，其中，各车道组的总流量和总饱和流量如表1所示：
表1实施例交叉口各车道组的总流量和总饱和流量
Figure BDA0003075702000000101
结合实施例，一种基于车道划分和流量分布的交叉口相位方案优选方法，包括以下步骤：
步骤1：由车道划分确定交叉口相位方案的可行解空间。图2中，实施例交叉口的南进口存在直左合用车道，因此南北方向上的相位方案可行解空间Ω南-北＝{单独相位}；实施例交叉口的西进口和东进口的左转车道均为专用车道，因此西东方向上的相位方案可行解空间Ω西-东＝{对称相位，NEMA相位，单独相位}。
步骤2：计算可行解空间中每种相位方案的交叉口关键车流总流量比。步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：计算南北方向上的关键车流总流量比。
图2中，实施例交叉口的南进口存在直左合用车道，而北进口不存在直左合用车道。因此，南北方向上的关键车流总流量比为：
Figure BDA0003075702000000111
步骤2.2：计算西东方向上的关键车流总流量比。
图2中，实施例交叉口的西进口和东进口左转车道均是专用车道，而直行车道也是专用车道。西东方向上的相位方案可行解空间Ω西-东＝{对称相位，NEMA相位，单独相位}。因此，分别计算西东方向采用对称相位、NEMA相位以及单独相位时的关键车流总流量比，如下所示。
Figure BDA0003075702000000112
Figure BDA0003075702000000113
Figure BDA0003075702000000114
步骤3：确定交叉口最佳相位方案。
实施例交叉口南北方向上的相位方案可行解空间Ω南-北＝{单独相位}，即仅有一种可行的相位方案，因此南北方向上的最佳相位方案为单独相位。实施例交叉口西东方向上的相位方案可行解空间Ω西-东＝{对称相位，NEMA相位，单独相位}，其最佳相位方案为关键车流总流量比最小的相位方案。根据步骤2的计算结果，当西东方向采用NEMA相位方案时其关键车流总流量比(0.3955)最小，因此西东方向上的最佳相位方案为NEMA相位。
综上所述，本发明给出的综合考虑车道划分和流量分布的交叉口相位方案优选方法能够从备选相位方案中选择最佳的相位方案，最佳的相位方案可保证交叉口获得更好的信号控制效果如较短的排队长度、较少的延误时间等。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种基于车道划分和流量分布的交叉口相位方案优选方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：由车道划分确定交叉口相位方案的可行解空间；
步骤2：计算可行解空间中每种相位方案的关键车流总流量比；
步骤3：确定交叉口最佳相位方案；
所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1：计算南北方向上的关键车流总流量比；
步骤2.2：计算西东方向上的关键车流总流量比；
在步骤2.1中，南北方向上的车道分布情况包括：
当交叉口南进口与北进口均存在直左合用车道时，南进口和北进口的相位方案只能为单独相位，南北方向上的关键车流总流量比计算公式如下：
Figure FDA0003527218820000011
其中，Y(南-北),1表示当交叉口南进口与北进口均存在直左合用车道时交叉口南北方向上的关键车流总流量比；q南直表示交叉口南进口可供直行车流通行的车道组总流量；q北直表示交叉口北进口可供直行车流通行的车道组总流量；S南直表示交叉口南进口可供直行车流通行的车道组总饱和流量；S北直表示交叉口北进口可供直行车流通行的车道组总饱和流量；
当交叉口南进口或北进口存在直左合用车道时，则南进口和北进口的相位方案为单独相位，南北方向上的关键车流总流量比计算公式如下：
Figure FDA0003527218820000012
其中，Y(南-北),2表示当交叉口南进口或北进口存在直左合用车道时交叉口南北方向上的关键车流总流量比；q北左表示交叉口北进口可供左转车流通行的车道组总流量；q南左表示交叉口南进口可供左转车流通行的车道组总流量；S北左表示交叉口北进口可供左转车流通行的车道组总饱和流量；S南左表示交叉口南进口可供左转车流通行的车道组总饱和流量；
当交叉口的南进口和北进口左转车道是专用车道，而直行车道是专用车道或直右合用车道时，南北方向可采用的相位方案为对称相位、NEMA相位或单独相位；相位方案为对称相位、NEMA相位、单独相位时，南北方向上的关键车流总流量比分别由如下公式计算：
Figure FDA0003527218820000021
Figure FDA0003527218820000022
Figure FDA0003527218820000023
其中，
Figure FDA0003527218820000024
表示当交叉口的南进口和北进口左转车道是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，相位方案为对称相位时的南北方向上的关键车流总流量比；
Figure FDA0003527218820000025
表示当交叉口的南进口和北进口左转车道是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，相位方案为NEMA相位时的南北方向上关键车流总流量比；
Figure FDA0003527218820000026
表示当交叉口的南进口和北进口左转车道是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，相位方案为单独相位时的南北方向上关键车流总流量比。
2.根据权利要求1所述的一种基于车道划分和流量分布的交叉口相位方案优选方法，其特征在于：在步骤1中，当交叉口某进口道存在直左合用车道时，则该进口道及其对向进口道的相位方案可行解空间Ω＝{单独相位}；当交叉口某进口道及其对向进口道的左转车道均为专用车道时，则该进口道及其对向进口道的相位方案可行解空间Ω＝{对称相位，NEMA相位，单独相位}。
3.根据权利要求1所述的一种基于车道划分和流量分布的交叉口相位方案优选方法，其特征在于：在步骤2.2中，西东方向上的车道分布情况包括：
当交叉口西进口与东进口均存在直左合用车道时，西进口和东进口的相位方案只能为单独相位，西东方向上的关键车流总流量比计算公式如下：
Figure FDA0003527218820000031
其中，Y(西-东),4表示当交叉口西进口与东进口均存在直左合用车道时交叉口西东方向上的关键车流总流量比；q西直表示交叉口西进口可供直行车流通行的车道组总流量；q东直表示交叉口东进口可供直行车流通行的车道组总流量；S西直表示交叉口西进口可供直行车流通行的车道组总饱和流量；S东直表示交叉口东进口可供直行车流通行的车道组总饱和流量；
当交叉口西进口或东进口存在直左合用车道时，西进口和东进口的相位方案只能为单独相位，西东方向上的关键车流总流量比计算公式如下：
Figure FDA0003527218820000032
其中，Y(西-东),5表示当交叉口西进口或东进口存在直左合用车道时交叉口西东方向上的关键车流总流量比；q西左表示交叉口西进口可供左转车流通行的车道组总流量；q东左表示交叉口东进口可供左转车流通行的车道组总流量；S西左表示交叉口西进口可供左转车流通行的车道组总饱和流量；S东左表示交叉口东进口可供左转车流通行的车道组总饱和流量；
当交叉口西进口和东进口左转车道均是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，西东方向采用的相位方案为对称相位、NEMA相位或单独相位；当相位方案为对称相位、NEMA相位、单独相位时，西东方向上的关键车流总流量比分别由如下公式计算：
Figure FDA0003527218820000041
Figure FDA0003527218820000042
Figure FDA0003527218820000043
其中，
Figure FDA0003527218820000044
表示当交叉口西进口和东进口左转车道均是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，相位方案为对称相位时的西东方向上的关键车流总流量比；
Figure FDA0003527218820000045
表示当交叉口西进口和东进口左转车道均是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，相位方案为NEMA相位时的西东方向上的关键车流总流量比；
Figure FDA0003527218820000046
表示当交叉口西进口和东进口左转车道均是专用车道，直行车道是专用车道或直右合用车道时，相位方案为单独相位时的西东方向上的关键车流总流量比。
4.根据权利要求1所述的一种基于车道划分和流量分布的交叉口相位方案优选方法，其特征在于：在步骤3中，当交叉口南北方向或西东方向的相位方案可行解空间中仅有一个相位方案时，则该相位方案即为该方向上的最佳相位方案；当交叉口南北方向或东西方向的相位可行解空间中存在多个相位方案时，交叉口关键车流总流量比最小的相位方案为最佳相位方案。
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