CN114038219B - 一种交通控制中计算平滑过渡周期的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种交通控制中计算平滑过渡周期的方法，该方法包括以下步骤：基于当前阶段的起始时间和协调阶段的起始时间，通过引入轮次、过渡周期数和周期值扩大求解空间，构造了多元方程以所有阶段的放行时间上下限和周期上下限为限制条件，求解多元方程组获得过渡周期各阶段的放行时间。本发明能够解决在进行协调控制时，交叉口由于阶段上下限的安全限制不能立刻切换到协调方案而需要生成过渡方案执行的问题。无论是中心协调控制还是信号机自主控制，都可以调用本方案每秒对过渡方案进行校正。

Description

一种交通控制中计算平滑过渡周期的方法
技术领域
本发明属于智能交通控制领域，具体涉及一种交通控制中计算平滑过渡周期的方法。
背景技术
在城市交通信号控制领域，当交通流非饱和时，为保证行车通畅、减少停车次数和通行时间，经常采用协调控制模式。在信号机协调控制模式下，时段过渡、周期修改、相位差修改等均会引起方案的改变，交叉口需要切换到新的方案运行。如果在新周期开始时直接切换，可能会导致某些阶段未放行造成交通拥堵，还可能导致某阶段未达到最小运行时间就突然切换，引发一系列安全问题。
在中心协调控制中，由于网络时延或者信号机内部安全机制等问题，会导致信号机并没有按照中心下发的方案运行，如果中心继续下发原始方案，不对各阶段的放行时间进行实时调整，会导致交叉口之间可能协调不上，降低了协调控制的有效性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种交通控制中计算平滑过渡周期的方法，可应用到信号机中，也可部署于中心提供协调控制服务。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种交通控制中计算平滑过渡周期的方法，该方法基于当前阶段的起始时间和协调阶段的起始时间，通过引入轮次、过渡周期数和周期值扩大求解空间，构造了多元方程组，并以所有阶段的放行时间上下限和周期上下限为限制条件，最后通过求解多元方程组来获取过渡周期各阶段的放行时间。
优选地，该方法包括以下具体步骤：
(1)计算一个完整周期中所有阶段的放行时间上下限；计算周期的上限Cmax和下限Cmin，Cl保存所有未使用过的有效周期数值，在Cl中随机选取一个值作为当前的周期时间C；
(2)获取当前阶段起始时间tc；
(3)计算协调阶段即在当前阶段后，离当前阶段最近的起始时间to；
(4)计算当前阶段运行到最近协调阶段的差值tdo＝to-tc；
(5)引入轮次e来扩大解空间，更新可能的总过渡时间td，td＝tdo+e*C，将过渡周期个数n初始化为0；定义最大轮次emax＝2(过长的过渡时间没有实际的应用价值)；
(6)根据当前阶段的阶段序号、过渡阶段的阶段序号和和过度周期个数n，计算所有过渡阶段的序号组成的列表NL；
(7)根据td、阶段时间上下限和所有过渡阶段数据构成方程组，利用分支定界法求解所有过渡阶段的预计放行时间(其中，同一阶段在不同过渡周期中放行时间可能不同)；
(8)如果有解，返回所有过渡阶段的预计放行时间，跳转到步骤(11)，否则跳转步骤(9)；
(9)设置n＝n+1，定义最大过渡周期数为nmax，如果n＞nmax，那么e＝e+1，如果e超过最大轮次，跳转步骤(10)，如果e没超过最大轮次，那么跳转步骤(5)；如果n≤nmax，那么跳转步骤(6)；
(10)在Cl继续随机选择一个新值作为当前周期，如果Cl中不存在新值，返回错误码，提醒用户扩大阶段上下限的范围，跳转到步骤(11)，否则e初始化为0，跳转步骤(5)；
(11)结束。
优选地，在步骤(4)中，使用起始时间和协调阶段的起始时间计算差值来构造总过渡时间的基准值，通过引入轮次e和当前的周期时间C循环更新可能的总过渡时间。
优选地，步骤(6)中，定义过渡阶段时间列表作为未知数，未知数的个数为当前阶段与协调阶段序号的差值f，如果协调阶段序号小于当前阶段序号，那么f加上一个周期中的阶段个数Sn，再加上Sn*n，n为过渡周期数。
优选地，该方法中，用轮次、过渡周期个数和当前的周期时间C控制循环过程：先增加过渡周期数，当过渡周期数超过限制，再增加轮次，并把过渡周期数重置；如果轮次超过限制，那么再重新选择周期值，并把轮次和过渡周期数重置；如果没有新的周期值可用，那么返回错误信息给用户。
优选地，在循环过程中，如果多元方程组有解，那么返回过渡阶段时间列表给用户。
与现有技术相比，本发明能够解决在进行协调控制时，交叉口由于阶段上下限的安全限制不能立刻切换到协调方案而需要生成过渡方案执行的问题。无论是中心协调控制还是信号机自主控制，都可以调用本方案每秒对过渡方案进行校正。
附图说明
图1为本发明所述方法的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下属的实施例。
本发明中的名词解释：
绿波协调：在指定的交通线路上，当规定好路段的车速后，把该车流所经过的协调相位的相位差做相应的调整，且统一所有交叉口的周期，这样一来，以确保该车流到达每个交叉口时，正好遇到“绿灯”。
周期：所有交通信号相位显示一周所需的时间之和。
绿信比：绿灯时间除以周期。
相位：在一个信号周期内同时获取通行权的一组交通流。
阶段：交叉口通行权在一个周期内的每一次更迭。
相位差：这里指的是绝对相位差，选择当前天的0点时刻作为相位差的基准。
协调阶段：相位差应用到的阶段。
分支定界法：是一种求解整数规划问题的最常用算法。这种方法不但可以求解纯整数规划，还可以求解混合整数规划问题。分支定界法是一种搜索与迭代的方法，选择不同的分支变量和子问题进行分支。
参照图1，一种交通控制中计算平滑过渡周期的方法，该方法基于当前阶段的起始时间和协调阶段的起始时间，通过引入轮次、过渡周期数和周期值扩大求解空间，构造了多元方程组，并以所有阶段的放行时间上下限和周期上下限为限制条件，最后通过求解多元方程组来获取过渡周期各阶段的放行时间。该方法包括以下具体步骤：
(1)计算一个完整周期中所有阶段的放行时间上下限；计算周期的上限Cmax和下限Cmin，Cl保存所有未使用过的有效周期数值，在Cl中随机选取一个值作为当前的周期时间C；
(2)获取当前阶段起始时间tc；
(3)计算协调阶段即在当前阶段后，离当前阶段最近的起始时间to；
(4)计算当前阶段运行到最近协调阶段的差值tdo＝to-tc；
(5)引入轮次e来扩大解空间，更新可能的总过渡时间td，td＝tdo+e*C，将过渡周期个数n初始化为0；定义最大轮次emax＝2(过长的过渡时间没有实际的应用价值)；
(6)根据当前阶段的阶段序号、过渡阶段的阶段序号和和过度周期个数n，计算所有过渡阶段的序号组成的列表NL；
(7)根据td、阶段时间上下限和所有过渡阶段数据构成方程组，利用分支定界法求解所有过渡阶段的预计放行时间(其中，同一阶段在不同过渡周期中放行时间可能不同)；
(8)如果有解，返回所有过渡阶段的预计放行时间，跳转到步骤(11)，否则跳转步骤(9)；
(9)设置n＝n+1，定义最大过渡周期数为nmax，如果n＞nmax，那么e＝e+1，如果e超过最大轮次，跳转步骤(10)，如果e没超过最大轮次，那么跳转步骤(5)；如果n≤nmax，那么跳转步骤(6)；
(10)在Cl继续随机选择一个新值作为当前周期，如果Cl中不存在新值，返回错误码，提醒用户扩大阶段上下限的范围，跳转到步骤(11)，否则e初始化为0，跳转步骤(5)；
(11)结束。
假设协调方案一共4个阶段，阶段序号分别为1、2、3、4；定义nmax＝2，emax＝2，当前的阶段序号为1，协调相位的阶段序号为2。
(1)计算出各阶段的放行时间上下限：阶段1的阶段范围为[15,80]，阶段2的阶段范围为[16,81]，阶段3的阶段范围为[17,82]，阶段4的阶段范围为[18,83]，以上范围的单位为秒。计算周期上下限范围：周期范围为[66,150]，单位为秒。Cl保存周期范围内的所有周期值(以后的步骤中选择一个周期，即在Cl中删除该周期值)；周期首次选为100秒。
(2)计算基准过渡时间：假设阶段1(当前阶段)的起始时间为2021-3-4 0:0:29，最近协调相位的计划起始时间为2021-3-4 0:0:30，那么首先将日期转换成时间戳，当前阶段起始时间tc＝61575609629秒，协调阶段的起始时间to＝61575609630秒，那么tdo＝to-tc＝1秒；
(3)引入轮次e来扩大解空间，更新可能的总过渡时间td：初始设置e＝0,n＝0，那么总过渡时间td＝tdo+e*C＝1秒。
(4)计算所有过渡阶段的序号组成的列表NL：在e＝0,n＝0,C＝100秒时，过渡阶段序号列表为NL＝[1]，过渡阶段时间列表XL＝[x1](单位为秒)。
(5)构造方程组并求解：以td和阶段时间上下限构造约束条件：显然求解不出XL的值。
(6)分别改变n、C、e的取值，循环构造新的方程组并求解：
在n＝1时，过渡阶段序号列表为NL＝[1，2，3，4，1]，XL＝[x1,x2,x3,x4,x5]，以td和阶段时间上下限构造约束条件：显然求解不出XL的值。
同理可得在n＞1时，构造的约束条件不可能有解。
由于n达到nmax时也没有解，所以需要增大e，设e＝1，并初始化n＝0。此时总过渡时间td＝tdo+e*C＝101秒。
在n＝0,C＝100时，以td和阶段时间上下限构造约束条件：显然求解不出XL的值。继续增大n，设n＝1，此时的NL＝[1，2，3，4，1]，XL＝[x1,x2,x3,x4,x5],以td和阶段时间上下限构造约束条件：/>求得XL＝[20,20,21,22,18]，此时流程结束。
由于nmax和emax的有限性，算法时间复杂度为O(C)，流程求解结束所需的时间为毫秒级，完全可以应用到信号机中，也可部署于中心提供协调控制服务，在时段过渡、周期修改、相位差修改等情况下，实时调整过渡阶段的时间，从而保证协调控制的有效性和精确性。
本申请所述的方法中，使用周期数值列表保存所有在周期上下限范围内的周期；
对周期值的选取并不只有随机的方式，还可以从最小周期开始，一次加1秒的方式赋值给周期，这种方式可以减少过渡需要的时间；
使用起始时间和协调阶段(在当前阶段后，离当前阶段最近的)的起始时间计算差值来构造总过渡时间的基准值；通过引入轮次和当前的周期时间C循环更新可能的总过渡时间；
定义过渡阶段时间列表作为未知数，未知数的个数为当前阶段与协调阶段序号的差值f(如果协调阶段序号小于当前阶段序号，那么f需要加上一个周期中的阶段个数Sn)，再加上Sn*n(n为过渡周期数)；
轮次、过渡周期个数都有上限约束；
所有参数值都为正整数；
用轮次、过渡周期个数和当前的周期时间C控制循环过程：先增加过渡周期个数，当过渡周期个数超过限制，再增加轮次，并把过渡周期个数重置；如果轮次超过限制，那么再重新选择周期值，并把轮次和过渡周期数重置；如果没有新的当前的周期时间C可用，那么返回错误信息给用户；
在循环过程中，如果多元方程组有解，那么返回过渡阶段时间列表给用户。

Claims (5)

1.一种交通控制中计算平滑过渡周期的方法，其特征在于，该方法基于当前阶段的起始时间和协调阶段的起始时间，通过引入轮次、过渡周期数和周期值扩大求解空间，构造了多元方程组，并以所有阶段的放行时间上下限和周期上下限为限制条件，最后通过求解多元方程组来获取过渡周期各阶段的放行时间，
该方法包括以下步骤：
(1)计算一个完整周期中所有阶段的放行时间上下限；计算周期的上限Cmax和下限Cmin，Cl保存所有未使用过的有效周期数值，在Cl中随机选取一个值作为当前的周期时间C；
(2)获取当前阶段起始时间tc；
(3)计算协调阶段即在当前阶段后，离当前阶段最近的起始时间to；
(4)计算当前阶段运行到最近协调阶段的差值tdo＝to-tc；
(5)引入轮次e来扩大解空间，更新可能的总过渡时间td，td＝tdo+e*C，将过渡周期个数n初始化为0；定义最大轮次emax＝2；
(6)根据当前阶段的阶段序号、过渡阶段的阶段序号和和过度周期个数n，计算所有过渡阶段的序号组成的列表NL；
(7)根据总过渡时间td、阶段时间上下限和所有过渡阶段数据构成方程组，利用分支定界法，求解所有过渡阶段的预计放行时间；
(8)如果有解，返回所有过渡阶段的预计放行时间，跳转到步骤(11)，否则跳转步骤(9)；
(9)设置n＝n+1，定义最大过渡周期数为nmax，如果n＞nmax，那么e＝e+1，如果e超过最大轮次，跳转步骤(10)，如果e没超过最大轮次，那么跳转步骤(5)；如果n≤nmax，那么跳转步骤(6)；
(10)在Cl继续随机选择一个新值作为当前周期，如果Cl中不存在新值，返回错误码，提醒用户扩大阶段上下限的范围，跳转到步骤(11)，否则e初始化为0，跳转步骤(5)；
(11)结束。
2.根据权利要求1所述的一种交通控制中计算平滑过渡周期的方法，其特征在于，在步骤(4)中，使用起始时间和协调阶段的起始时间计算差值来构造总过渡时间的基准值，通过引入轮次e和当前的周期时间C循环更新可能的总过渡时间。
3.根据权利要求1所述的一种交通控制中计算平滑过渡周期的方法，其特征在于，步骤(6)中，定义过渡阶段时间列表作为未知数，未知数的个数为当前阶段与协调阶段序号的差值f，如果协调阶段序号小于当前阶段序号，那么f加上一个周期中的阶段个数Sn，再加上Sn*n，n为过渡周期数。
4.根据权利要求1所述的一种交通控制中计算平滑过渡周期的方法，其特征在于，该方法中，用轮次、过渡周期个数和当前的周期时间C控制循环过程：先增加过渡周期数，当过渡周期数超过限制，再增加轮次，并把过渡周期数重置；如果轮次超过限制，那么再重新选择周期值，并把轮次和过渡周期数重置；如果没有新的周期值可用，那么返回错误信息给用户。
5.根据权利要求4所述的一种交通控制中计算平滑过渡周期的方法，其特征在于，在循环过程中，如果多元方程组有解，那么返回过渡阶段时间列表给用户。
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