CN116311879A - 一种分层城市区域交通协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及城市交通流区域划分技术领域，涉及一种分层城市区域交通协调控制方法，包括：(1)对控制区域内按照提出的子区划分方法进行交通子区的划分；(2)与子区划分调整时间间隔同步，以15分钟作为协调控制方案调整时间间隔，根据子区划分情况对区域内协调控制方案进行调整更新；(4)以15分钟为协调控制周期，根据交通流预测数据对子区划分进行动态调整，并据此设计新的协调方案直至协调控制结束。本发明能从总体上降低道路拥堵率，提高道路通行能力。

Description

一种分层城市区域交通协调控制方法

技术领域

本发明涉及城市交通流区域划分技术领域，具体地说，涉及一种分层城市区域交通协调控制方法。

背景技术

现普遍公认的影响交通子区划分的主要依据包括交叉口间交通特性相似度和子区内部协调控制一致度。周期信号、交叉口间距离、交通流、车流饱和度以及绿信比均是子区划分的影响因素。因此子区划分本质都是基于以下三种划分原则。

(1)距离原则

距离是指相邻交叉口的距离，该参数反映了该路段的容量大小，在一定程度上最直观地体现了两个交叉口的空间相似性。设相邻两交叉口的距离为L，若车辆在路口排队长度过长会对上游交叉口产生影响导致堵塞，此时认为相邻路口间距离相似度较高，可以划分为同一子区进行协调控制。车流从上游交叉口驶入后，会随着行驶距离的增大而变得离散化，此时的车辆到达下游交叉口时会呈现随机状态，此时相邻路口间影响较小，即相邻交叉口不会划分为同一子区。间距-相似度关系如图1所示。

(2)周期原则

周期指的是相邻交叉口的信号周期，信号周期也是决定子区控制效果的关键因素。周期过小时，无法保证顺畅驶离交叉口，导致交叉口通行效率变差；而周期过大时，导致某一方向车流长期处于等待状态，增加交叉口延误。对于相邻交叉口来说，如图2所示，周期时长越相近或呈倍数关系的交叉口之间的相位差越稳定，相邻交叉口相似度越高，可以划分为同一子区实现协调控制，以此提高整体通行能力。同时相邻交叉口周期的倍数关系为保证信号周期不会过短也不会过长，一般不会超过2倍。

(3)流量原则

流量指的是相邻交叉口的车流量信息，最为直观的判断相邻交叉口之间关联以及道路拥堵情况。相邻交叉口路段间交通流量与相似度关系如图3所示，随着交通流的增大，从上游交叉口涌入下游交叉口的车辆增多，上游交叉口的交通状况随之扩散到下游交叉口，此时进行协调控制效果明显，相邻交叉口相似度高，可以划分为同一子区；反之，若相邻交叉口间车流量较小，交叉口间车流通行影响能力较小，各交叉口独立运行，相似度较小，划分入不同交通子区。

从上述分析可以得出，交通交叉口之间的关联度受诸多因素所影响，其中最主要的因素包括交叉口间的距离、流量和信号周期。路口间距对交叉口间的关联度从物理空间角度进行定义，当道路间距足够远时，路口间关联度降到最小；而信号周期与流量因素，都从时间维度描述路口关联度，随着车流量的增大，交叉口关联度达到峰值；而与信号周期的设置呈现明显的阶段关系。

城市交通信号控制，是城市管理系统中重要的组成部分，是目前解决交通拥堵的最直接有效途径。城市道路交叉口是构成城市道路网络的关键节点，各道路间车流向交叉口驶入和驶离，因此交叉口往往成为道路拥堵的关键节点和事故的多发节点，交通信号灯的设置对降低拥堵避免事故有着重大意义。城市道路交通信号控制受诸多方面的因素影响，城市基础设施建设、路网结构设计以及社会活动都与之有关。

目前的交通信号控制方法常用的有单点信号控制方法和干线协调方法。单点信号控制方法将路网中的每个交叉口都视作一个孤立的控制节点，与其他节点在信号控制的设置上彼此之间不受影响。单点控制是信号控制的根基所在，无论采取何种协调控制策略，单交叉路口的信号控制都是信号控制优化的最终落脚。由于车辆与道路之间空间的关联性，在考虑信号控制的时候，只考虑单交叉路口是不现实同时也是不合理的，因此还需要考虑路口间的协调控制。干线协调方法是将邻间的道路交叉口像线一样串联起来进行协调控制，使得车流在通过串联方向的交叉口时尽量拥有道路通行权，尽可能地减少停车次数，提高道路通行能力，因此也被称为绿波控制。但是干线协调方法也是以点概面，效果欠佳。

发明内容

本发明的内容是提供一种分层城市区域交通协调控制方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。

根据本发明的一种分层城市区域交通协调控制方法，其包括以下步骤：

(1)以短时交通流预测的预测交通流为数据基础，对控制区域内按照提出的子区划分方法进行交通子区的划分；

(2)与子区划分调整时间间隔同步，以15分钟作为协调控制方案调整时间间隔，根据子区划分情况对区域内协调控制方案进行调整更新；子区划分调整更新后，子区内仅有一个交叉口，则采取优化后信号配时方案对该子区实施单点控制；若子区内存在多条交叉口，但仅有一条干线，则该干线为关键干线，对子区内交叉口根据数解法进行信号协调控制；若子区内存在多条干线，则选取关键干线，采用数解法对关键干线进行优化相位差求解，对非关键干线的交叉口根据交通流量采取相位差优化方法，进行信号控制；

(3)最后结合各个子区控制策略，形成区域交通协调控制方案；

(4)以15分钟为协调控制周期，根据交通流预测数据对子区划分进行动态调整，并据此设计新的协调方案直至协调控制结束。

作为优选，区域交通控制子区划分方法为：

步骤1.1、首先通过交叉口间距初始划分交通控制区域；当相邻交叉口间距L大于协调控制允许的最大间距时，对于两个交叉口的协调控制不能达到提高道路通行能力的效果，则考虑将两个交叉口划为不同子区，此时间距距离称之为拆分距离，记为L_s；反之，若相邻交叉口间距较小时，对相邻交叉口进行信号协调控制能够提高车辆通行效率，此时最小间距距离称之为合并距离记为L_m；其中Q_t、G_t分别为t时刻的平均交通流率和绿灯时间，λ为通行安全系数，N_lane为路段中车道数目；

步骤1.2、当相邻交叉口间距小于合并间距L_m时，则相邻交叉口C₁和C₂划分为同一子区；若间距L大于拆分间距L_s时相邻交叉口C₁和C₂划分为不同子区；若交叉口间距大于合并间距L_m且小于拆分间距L_s时，需要对交通子区进一步细致划分，计算相邻交叉口C₁和C₂；

步骤1.3、划分控制区域后，需要再计算各相邻交叉口相似度SI；控制区域中，邻间交叉口流量相似度和邻间交叉口信号周期相似度共同组成相邻交叉口相似度；首先根据交通流短时预测数据获取各交叉口交通特征数据，时间间隔设定为15分钟；在时间T时的流量相似度如下所示：

其中，QI(C₁，C₂)为相邻交叉口的车流量相似度，L为交叉口间距，v表示路段车辆平均速度，qⁱⁿ、q^out分别为相邻交叉口上下游交通流量，n表示上游流向下游的交叉口车道数；QI(C₁，C₂)的取值范围为0-1，当相似度越接近1时，相邻交叉口流量相似度越大，相邻交叉口划入同一子区；反之，趋向于0时，流量相似度越小，交叉口划入不同交通子区；

步骤1.4、对于单交叉口，视作不受其他路口影响的孤立交叉口，因此单交叉口的车流更新方程如下所示：

其中，q_i(t+1)和q_i(t)为道路i上的下一和当前时刻的车流数，

和/>

分别为下一时刻道路i上的驶入和驶离车流数；

步骤1.5、设各个道路每的道路饱和率均相等，设为q_S，则该交叉路口的各道路关键流量比y_i(t)如下所示：

利用最优周期计算公式，设置该交叉口路口的最佳周期：

步骤1.6、将道路复杂交通状况考虑在内同时在保证车辆安全通行的情况下，为每个相位设计满足最低相位绿时的条件周期T；

其中，λ为周期浮动系数，

为最低相位绿时，/>

则取前一绿时分配方案中最大相位绿时；

步骤1.7、设计四相位控制方案中总绿时；其中，t_g(t)和T(t)分别为t时刻总绿时以及信号周期，t_y,i和t_r,i分别为黄灯时间和切换信号灯时全红灯时间；

步骤1.8、得到各相位绿时的配时方案：

步骤1.9、设计对于t时间内的两个相邻交叉口C₁和C₂的信号周期相似度；其中，eI(C₁,C₂)为中间参数，

和/>

分别为t时间内相邻交叉口C₁和C₂的信号周期；EI(C₁,C₂)为信号周期相似度；

EI(C₁,C₂)＝|eI(C₁,C₂)-1.5|×2

步骤1.10、结合交通流量与信号周期相似度，得到相邻交叉口C₁和C₂的综合相似度SI：

相邻交叉口C₁和C₂的综合相似度SI取值在0到1之间；以信号协调控制经验为基础，并与实际控制区域的交通流规律结合，为子区的细致划分设定阈值SI_T；即当0≤SI(C₁,C₂)<SI_T时，说明相邻交叉口综合关联程度在当前交通状况下较低，划分到不同的交通子区；当SI_T≤SI(C₁,C₂)≤1时，说明相邻交叉口综合关联紧密，彼此之间车流通行相互影响较大，则认为该相邻交叉口处于同一交通子区；

作为优选，区域交通控制子区划分动态调整方法为：

步骤2.1、对于t时间内，区域交通被划分为N个交通控制子区，该时段所有子区集合记为{A₁，A₂，…，A_N}，则每个交通子区内部总相似度之和为各子区相邻交叉口相似度之和；SI(A_i)为子区A_i的总相似度，M为子区内部交叉口个数，N为交通子区个数；

步骤2.2、在每个子区划分时间间隔，审查调整时间，设SI_A为相似度差异指标，判断子区在t+1时间间隔内重新划分；若|SI_t+1(A_i)-SI_t(A_i)|≤SI_A，说明在t时间内划分的交通子区A_i依旧适用于t+1时间内，更新指数不变；反之SI_t+1(A_i)-SI_t(A_i)|>SI_A，说明交通子区A_i不再适合t+1时间内的协调控制，更新指数累加；

当更新指数的累计值达到阈值时，则认为当前的子区划分已经无法准确描述当前交通状况，需要对子区重新作出划分，更新后更新指数累计值清零；

作为优选，步骤(4)中，新的协调方案为交通信号灯控制，具体为：

步骤3.1、关键交叉口C_key是子区内最大交通流量值所在的交叉口，以关键交叉口C_key为起点，获得经过该交叉口的所有干线集合{B₁,B₂,…,B_N}；其中，干线集合中干线B_i包含交叉口{C₁,C₂,…,C_M}，则根据相邻交叉口相似度计算公式分别计算得到各干线中相邻交叉口相似度；

{SI(C₁,C₂),SI(C₂,C₃),…,SI(C_M-1,C_M)}

步骤3.2、根据各相邻交叉口相似度求取干线内总相似度：

步骤3.3、计算总相似度最大的交通道路，用于干线协调控制：

B_key＝max[SI(B_i)]，i＝1,2,…,N

步骤3.4、关键干线B_key由交叉口{C₁,C₂,…,C_key,…,C_ψ}组成，计算各交叉口信号周期

选取其中干线内最大的信号周期作为公共周期/>

其中，ψ为关键干线中交叉口个数；

步骤3.5、对其余交叉口的交通信号灯重新配时；以最大公共周期作为信号周期计算关键交叉口的信号配时方案，得到该交叉口协调方向上的绿灯时间，作为干线中协调方向上的最小绿时；在此基础上，计算其余交叉口的配时方案，为优化协调方向控制效果，若协调方向上绿灯时间大于最小绿时，则保留配时方案；若小于最小绿时，对关键交叉口分配增加时间，以最小绿时替代当前配时方案的绿灯时间，其余时间再对非协调方向相位实行分配；则在t时间内，关键干线协调相位最小绿时

为关键交叉口C_key在协调相位的绿灯时间/>

如下所示：

t_L为四相位控制方案的总损失时间；

步骤3.6、对各子区路网结构进行分析，只具有一个交叉口的交通子区无需进行协调相位差；对于其他需要相位差优化的子区，首先实现关键干线上的相位差协调；对于已经确定初始公共信号周期

的交通干线而言，根据信号周期计算理想间距取值范围

其中，v表示干道实际平均行驶车速，M为理想间距的浮动范围；求取理想间距，并保证理想交叉口间距与实际交叉口间距最为匹配，求取得到协调控制的最佳公共信号周期T_opti；

步骤3.7、确定各交叉口与理想交叉口位置所处方位确定干道协调控制方式，确定相位差大小；

S为相位差，

为平均相位差，T_opti为最佳公共信号周期，v为平均行驶速度；

如果子区内由多条干线组成，则对于非关键干线的相位差优化，完成对关键干线的协调控制后，从关键干线中的第一个交叉口开始，对相邻的非关键干线中的交叉口优化相位差，并通过传递的方式优化所有交叉口；

步骤3.8、依次遍历所有关键干线上交叉口，重复计算，直到所有非关键干线中与关键干线相邻的交叉口相位差均完成优化工作；若非关键干线中交叉口未与关键干线中交叉口直接相连，则选择非关键干线中与关键交叉口最先进行相位差优化的交叉口与该交叉口实现相位差优化；

其中，θ_n为计算得到的交叉口的相位差，ξ为交通流系数，q₁和q₂分别为上行下行交通流量，θ₁和θ₂为最佳相位差，L为交叉口间距，v₁和v₂和分别为上行、下行平均行驶速度。

本发明能从总体上降低道路拥堵率，提高道路通行能力。

附图说明

图1为背景技术中间距-相似度关系图；

图2为背景技术中信号周期-相似度关系图；

图3为背景技术中流量-相似度关系图；

图4为实施例中案例路网子区划分示意图；

图5为实施例中案例路网控制方案平均延误时间示意图；

图6为实施例中案例路网控制方案平均排队次数示意图；

图7为实施例中交通子区划分流程图；

图8为实施例中相邻交叉口流量图；

图9为实施例中交叉口流量分布示意图；

图10为实施例中区域交通协调控制流程图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

实施例1

本实施例提出了一种分层城市区域交通协调控制方法，区域协调控制包括两个阶段，第一个阶段是根据子区划分规则划分交通子区，第二阶段对不同子区采取相适应的协调控制方式，最后形成整体的区域协调控制。

根据区域交通内交通流未来趋势划分交通子区，对各子区内部采取单点控制和干线控制相结合的协调控制策略，将复杂的协调控制问题分解成为交通子区划分、关键干线与非关键干线协调控制等简单子问题。根据短时交通流预测的基础的结果，初步优化交叉口配时，并对交通子区完成划分。根据子区划分结果，对各子区采取不同控制手段，得到区域协调控制策略：

首先根据短时交通流预测，对控制区域交叉口信号配时方案初步优化，并对信号周期实现初步分配，确定各相位绿灯时长；选取与交通流预测的间隔一致的时间间隔，作为协调控制方案更新时间，实现控制区域协调控制策略更新；具体方案实施，首先对各子区域控制策略选择，若子区内含有孤立交叉口，以预测交通流为基础优化单交叉口信号配时方案；若子区内有多个交叉口，首先计算干线总相似度确定关键干线，该关键干线内的交叉口根据数解法进行协调控制，其他干线交叉口采用非关键干线相位差优化方法确定协调控制策略。如图10所示，流程如下：

(1)以短时交通流预测的预测交通流为数据基础，对控制区域内按照提出的子区划分方法进行交通子区的划分。

(2)与子区划分调整时间间隔同步，以15分钟作为协调控制方案调整时间间隔，根据子区划分情况对区域内协调控制方案进行调整更新。子区划分调整更新后，子区内仅有一个交叉口，则采取优化后信号配时方案对该子区实施单点控制；若子区内存在多条交叉口，但仅有一条干线，则该干线为关键干线，对子区内交叉口根据数解法进行信号协调控制；若子区内存在多条干线，则选取关键干线，采用数解法对关键干线进行优化相位差求解，对非关键干线的交叉口根据交通流量采取相位差优化方法，进行信号控制。

(3)最后结合各个子区控制策略，形成区域交通协调控制方案。

(4)以15分钟为协调控制周期，根据交通流预测数据对子区划分进行动态调整，并据此设计新的协调方案直至协调控制结束。

其详细步骤如下：

区域交通控制子区划分方法

在分层式区域协调控制模型中，各子区控制策略的选择的全部基础是交通控制子区的划分。以短时交通流预测模型为基础，将预测交通流与交通现状融合，以此计算相邻交叉口的相似度，根据相似度划分交通子区。划分流程如下图7所示。

步骤1.1首先通过交叉口间距初始划分交通控制区域。由于交叉口间距相较于其他影响因素，对于相似度影响较为固定，受到交通流影响小，因此首先通过交叉口间距粗略划分控制子区。当相邻交叉口间距L大于协调控制允许的最大间距时，对于两个交叉口的协调控制不能达到提高道路通行能力的效果，则考虑将两个交叉口划为不同子区，此时间距距离称之为拆分距离，记为L_s；反之，若相邻交叉口间距较小时，对相邻交叉口进行信号协调控制能够提高车辆通行效率，此时最小间距距离称之为合并距离记为L_m。其中Q_t、G_t分别为t时刻的平均交通流率和绿灯时间，λ为通行安全系数，N_lane为路段中车道数目。

步骤1.2当相邻交叉口间距小于合并间距L_m时，则相邻交叉口C₁和C₂划分为同一子区；若间距L大于拆分间距L_s时相邻交叉口C₁和C₂划分为不同子区。若交叉口间距大于合并间距L_m且小于拆分间距L_s时，需要对交通子区进一步细致划分，计算相邻交叉口C₁和C₂，如图8所示。

步骤1.3粗略划分控制区域后，需要再计算各相邻交叉口相似度SI。控制区域中，邻间交叉口流量相似度和邻间交叉口信号周期相似度共同组成相邻交叉口相似度。首先根据交通流短时预测数据获取各交叉口交通特征数据，时间间隔设定为15分钟。在时间T时的流量相似度如下所示：

其中，QI(C₁，C₂)为相邻交叉口的车流量相似度,L为交叉口间距，v表示路段车辆平均速度qⁱⁿ、q^out分别为相邻交叉口上下游交通流量，n表示上游流向下游的交叉口车道数。QI(C₁，C₂)的取值范围为0-1，当相似度越接近1时，相邻交叉口流量相似度越大，相邻交叉口划入同一子区；反之，趋向于0时，流量相似度越小，交叉口划入不同交通子区。

步骤1.4对于此时的单交叉口，视作不受其他路口影响的孤立交叉口，因此单交叉口的车流更新方程如下所示。

其中，q_i(t+1)和q_i(t)为道路i上的下一和当前时刻的车流数，

和

分别为下一时刻道路i上的驶入和驶离车流数，通过短时交通流预测方法确定。

步骤1.5假设各个道路每的道路饱和率均相等，设为q_S,则该交叉路口的各道路关键流量比y_i如下所示。

利用最优周期计算公式，设置该交叉口路口的最佳周期。

步骤1.6将道路复杂交通状况考虑在内同时在保证车辆安全通行的情况下，为每个相位设计满足最低相位绿时的条件周期T；

其中，t_L为四相位控制方案的总损失时间，y_i为各道路关键流量比，λ为周期浮动系数本文中置为0.15，

为最低相位绿时设置为15秒，/>

则取前一绿时分配方案中最大相位绿时。

步骤1.7设计四相位控制方案中总绿时。其中，t_g(t)和T(t)分别为t时刻总绿时以及信号周期，t_y,i和t_r,i分别为黄灯时间和切换信号灯时全红灯时间，分别置为3秒和1秒。

步骤1.8可得到各相位绿时的配时方案。

步骤1.9设计对于t时间内的两个相邻交叉口C₁和C₂的信号周期相似度。其中，eI(C₁,C₂)为中间参数，T_C1(t)和T_C2(t)分别为t时间内相邻交叉口C₁和C₂的信号周期。EI(C₁,C₂)为信号周期相似度，与流量相似度类似，取值范围同样为0-1，接近于1时说明相邻交叉口信号周期关联度越高；反之，接近于0时信号关联度越低。

EI(C₁,C₂)＝|eI(C₁,C₂)-1.5|×2

步骤1.10结合交通流量与信号周期相似度，得到相邻交叉口C₁和C₂的综合相似度SI。

相邻交叉口C₁和C₂的综合相似度SI取值同样在0到1之间。并且以信号协调控制经验为基础，并与实际控制区域的交通流规律结合，为子区的细致划分设定阈值SI_T。即当0≤SI(C₁,C₂)<SI_T时，说明相邻交叉口综合关联程度在当前交通状况下较低，划分到不同的交通子区；当SI_T≤SI(C₁,C₂)≤1时，说明相邻交叉口综合关联紧密，彼此之间车流通行相互影响较大，则认为该相邻交叉口处于同一交通子区。

区域交通控制子区划分动态调整

步骤2.1对于t时间内，区域交通被划分为N个交通控制子区，该时段所有子区集合记为{A₁，A₂，…，A_N}，则每个交通子区内部总相似度之和为各子区相邻交叉口相似度之和。SI(A_i)为子区A_i的总相似度，M为子区内部交叉口个数，N为交通子区个数。

步骤2.2在每个子区划分时间间隔，审查调整时间，设SI_A为相似度差异指标，判断子区在t+1时间间隔内重新划分。若|SI_t+1(A_i)-SI_t(A_i)|≤SI_A，说明在t时间内划分的交通子区A_i依旧适用于t+1时间内，“更新指数”不变；反之|SI_t+1(A_i)-SI_t(A_i)|>SI_A，说明交通子区A_i不再适合t+1时间内的协调控制，“更新指数”累加。

当“更新指数”的累计值达到阈值时，则认为当前的子区划分已经无法准确描述当前交通状况，需要对子区重新作出划分，更新后“更新指数”累计值清零。

“更新指数”累计值与协调控制区域内交通子区总个数有关，累计值为非负数，“更新指数”的引入可以消除随机交通状况带来的控制扰动，保证协调控制平稳性，提高子区动态调整的高效和鲁棒性。

信号灯控制方案分析与设计

本实施例中区域交通协调控制方案的具体实施，依靠对交叉口信号灯的协调控制。

步骤3.1关键交叉口C_key是子区内最大交通流量值所在的交叉口。并以该交叉口为起点，获得经过该交叉口的所有干线集合{B₁,B₂,…,B_N}。其中，干线集合中干线B_i包含交叉口{C₁,C₂,…,C_M}，则根据相邻交叉口相似度计算公式分别计算得到各干线中相邻交叉口相似度。

{SI(C₁,C₂),SI(C₂,C₃),…,SI(C_M-1,C_M)}

步骤3.2并根据各相邻交叉口相似度求取干线内总相似度。

步骤3.3计算总相似度最大的交通道路，用于干线协调控制。

B_key＝max[SI(B_i)]，i＝1,2,…,N

步骤3.4关键干线B_key由交叉口{C₁,C₂,…,C_key,…,C_ψ}组成，再计算各交叉口信号周期，选取其中干线内最大的信号周期作为公共周期。其中，ψ为关键干线中交叉口个数。

步骤3.5对于各交叉口由于采取最大公共周期协调控制手段，其余多个交叉口的信号时长随之增长，因此需要继续对其余交叉口的交通信号灯重新配时。以最大公共周期作为信号周期计算关键交叉口的信号配时方案，得到该交叉口协调方向上的绿灯时间，作为干线中协调方向上的最小绿时。在此基础上，计算其余交叉口的配时方案，为优化协调方向控制效果，若协调方向上绿灯时间大于最小绿时，则保留配时方案；若小于最小绿时，对关键交叉口分配增加时间，以最小绿时替代当前配时方案的绿灯时间，其余时间再对非协调方向相位实行分配。则在t时间内，关键干线协调相位最小绿时

为关键交叉口C_key在协调相位的绿灯时间/>

如下所示。

步骤3.6通过协调相位差手段实现干线协调控制的最后一步，首先对各子区路网结构进行分析，只具有一个交叉口的交通子区无需进行协调相位差。对于其他需要相位差优化的子区，首先实现关键干线上的相位差协调。对于已经确定初始公共信号周期

的交通干线而言，根据信号周期计算理想间距取值范围/>

其中，v表示干道实际平均行驶车速，M为理想间距的浮动范围；求取理想间距，并保证理想交叉口间距与实际交叉口间距最为匹配，求取得到协调控制的最佳公共信号周期T_opti；/>

步骤3.7确定各交叉口与理想交叉口位置所处方位确定干道协调控制方式(包括同步式和交互式干道协调控制)，确定相位差大小。

S为相位差，

为平均相位差，T_opti为最佳公共信号周期，v为平均行驶速度；

如果子区内由多条干线组成，则对于非关键干线的相位差优化，完成对关键干线的协调控制后，从关键干线中的第一个交叉口开始，对相邻的非关键干线中的交叉口优化相位差，如图9所示，并通过传递的方式优化所有交叉口。

步骤3.8依次遍历所有关键干线上交叉口，重复计算，直到所有非关键干线中与关键干线相邻的交叉口相位差均完成优化工作。若非关键干线中交叉口未与关键干线中交叉口直接相连，则选择非关键干线中与关键交叉口最先进行相位差优化的交叉口与该交叉口实现相位差优化。

其中，θ_n为计算得到的交叉口的相位差，ξ为交通流系数，q₁和q₂分别为上行下行交通流量，θ₁和θ₂为最佳相位差，L为交叉口间距，v₁和v₂和分别为上行、下行平均行驶速度。

根据仿真交通流，并通过短时交通流预测对交通区域进行子区划分，将真实路网地图按控制区域子区划分，结果如图4所示。从图中可以看出区域路网共被划分为6个交通子区。从各交叉口得到的数据分析来看，采取优化配时以及协调控制方法都能获得比采取定时控制更低的平均延误时间、平均停车次数，说明定时信号控制方式已经不再适用于城市交通运行，在交通信号控制时不应该孤立看待道路交叉口。同时，可以根据图5和图6可以看出，对于交叉口C₂、C₃以及C₅由于所述交叉口所在子区仅有一个交叉口，优化配时的单点控制方法和协调控制方法对于道路通行能力的提高并不明显，但是对于交通子区A₁、A₆和A₄，该子区内含有的交叉口相较于单点控制明显具有更低的平均延误时间和平均停车次数，采取区域协调控制方法，从总体上降低道路拥堵率，提高道路通行能力。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种分层城市区域交通协调控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)以短时交通流预测的预测交通流为数据基础，对控制区域内按照提出的子区划分方法进行交通子区的划分；

(2)与子区划分调整时间间隔同步，以15分钟作为协调控制方案调整时间间隔，根据子区划分情况对区域内协调控制方案进行调整更新；子区划分调整更新后，子区内仅有一个交叉口，则采取优化后信号配时方案对该子区实施单点控制；若子区内存在多条交叉口，但仅有一条干线，则该干线为关键干线，对子区内交叉口根据数解法进行信号协调控制；若子区内存在多条干线，则选取关键干线，采用数解法对关键干线进行优化相位差求解，对非关键干线的交叉口根据交通流量采取相位差优化方法，进行信号控制；

(3)最后结合各个子区控制策略，形成区域交通协调控制方案；

(4)以15分钟为协调控制周期，根据交通流预测数据对子区划分进行动态调整，并据此设计新的协调方案直至协调控制结束。

2.根据权利要求1所述的一种分层城市区域交通协调控制方法，其特征在于：区域交通控制子区划分方法为：

步骤1.1、首先通过交叉口间距初始划分交通控制区域；当相邻交叉口间距L大于协调控制允许的最大间距时，对于两个交叉口的协调控制不能达到提高道路通行能力的效果，则考虑将两个交叉口划为不同子区，此时间距距离称之为拆分距离，记为L_s；反之，若相邻交叉口间距较小时，对相邻交叉口进行信号协调控制能够提高车辆通行效率，此时最小间距距离称之为合并距离记为L_m；其中Q_t、G_t分别为t时刻的平均交通流率和绿灯时间，λ为通行安全系数，N_lane为路段中车道数目；

步骤1.2、当相邻交叉口间距小于合并间距L_m时，则相邻交叉口C₁和C₂划分为同一子区；若间距L大于拆分间距L_s时相邻交叉口C₁和C₂划分为不同子区；若交叉口间距大于合并间距L_m且小于拆分间距L_s时，需要对交通子区进一步细致划分，计算相邻交叉口C₁和C₂；

步骤1.3、划分控制区域后，需要再计算各相邻交叉口相似度SI；控制区域中，邻间交叉口流量相似度和邻间交叉口信号周期相似度共同组成相邻交叉口相似度；首先根据交通流短时预测数据获取各交叉口交通特征数据，时间间隔设定为15分钟；在时间T时的流量相似度如下所示：

其中，QI(C₁，C₂)为相邻交叉口的车流量相似度，L为交叉口间距，v表示路段车辆平均速度，qⁱⁿ、q^out分别为相邻交叉口上下游交通流量，n表示上游流向下游的交叉口车道数；QI(C₁，C₂)的取值范围为0-1，当相似度越接近1时，相邻交叉口流量相似度越大，相邻交叉口划入同一子区；反之，趋向于0时，流量相似度越小，交叉口划入不同交通子区；

步骤1.4、对于单交叉口，视作不受其他路口影响的孤立交叉口，因此单交叉口的车流更新方程如下所示：

其中，q_i(t+1)和q_i(t)为道路i上的下一和当前时刻的车流数，

和/>

分别为下一时刻道路i上的驶入和驶离车流数；

步骤1.5、设各个道路每的道路饱和率均相等，设为q_S，则该交叉路口的各道路关键流量比y_i(t)如下所示：

利用最优周期计算公式，设置该交叉口路口的最佳周期：

步骤1.6、将道路复杂交通状况考虑在内同时在保证车辆安全通行的情况下，为每个相位设计满足最低相位绿时的条件周期T；

其中，λ为周期浮动系数，

为最低相位绿时，/>

则取前一绿时分配方案中最大相位绿时；

步骤1.7、设计四相位控制方案中总绿时；其中，t_g(t)和T(t)分别为t时刻总绿时以及信号周期，t_y,i和t_r,i分别为黄灯时间和切换信号灯时全红灯时间；

步骤1.8、得到各相位绿时的配时方案：

步骤1.9、设计对于t时间内的两个相邻交叉口C₁和C₂的信号周期相似度；其中，eI(C₁,C₂)为中间参数，

和/>

分别为t时间内相邻交叉口C₁和C₂的信号周期；EI(C₁,C₂)为信号周期相似度；

EI(C₁,C₂)＝|eI(C₁,C₂)-1.5|×2

步骤1.10、结合交通流量与信号周期相似度，得到相邻交叉口C₁和C₂的综合相似度SI：

相邻交叉口C₁和C₂的综合相似度SI取值在0到1之间；以信号协调控制经验为基础，并与实际控制区域的交通流规律结合，为子区的细致划分设定阈值SI_T；即当0≤SI(C₁,C₂)<SI_T时，说明相邻交叉口综合关联程度在当前交通状况下较低，划分到不同的交通子区；当SI_T≤SI(C₁,C₂)≤1时，说明相邻交叉口综合关联紧密，彼此之间车流通行相互影响较大，则认为该相邻交叉口处于同一交通子区。

3.根据权利要求2所述的一种分层城市区域交通协调控制方法，其特征在于：区域交通控制子区划分动态调整方法为：

步骤2.1、对于t时间内，区域交通被划分为N个交通控制子区，该时段所有子区集合记为{A₁，A₂，…，A_N}，则每个交通子区内部总相似度之和为各子区相邻交叉口相似度之和；SI(A_i)为子区A_i的总相似度，M为子区内部交叉口个数，N为交通子区个数；

步骤2.2、在每个子区划分时间间隔，审查调整时间，设SI_A为相似度差异指标，判断子区在t+1时间间隔内重新划分；若|SI_t+1(A_i)-SI_t(A_i)|≤SI_A，说明在t时间内划分的交通子区A_i依旧适用于t+1时间内，更新指数不变；反之|SI_t+1(A_i)-SI_t(A_i)|>SI_A，说明交通子区A_i不再适合t+1时间内的协调控制，更新指数累加；

当更新指数的累计值达到阈值时，则认为当前的子区划分已经无法准确描述当前交通状况，需要对子区重新作出划分，更新后更新指数累计值清零。

4.根据权利要求3所述的一种分层城市区域交通协调控制方法，其特征在于：步骤(4)中，新的协调方案为交通信号灯控制，具体为：

步骤3.1、关键交叉口C_key是子区内最大交通流量值所在的交叉口，以关键交叉口C_key为起点，获得经过该交叉口的所有干线集合{B₁,B₂,…,B_N}；其中，干线集合中干线B_i包含交叉口{C₁,C₂,…,C_M}，则根据相邻交叉口相似度计算公式分别计算得到各干线中相邻交叉口相似度；

{SI(C₁,C₂),SI(C₂,C₃),…,SI(C_M-1,C_M)}

步骤3.2、根据各相邻交叉口相似度求取干线内总相似度：

步骤3.3、计算总相似度最大的交通道路，用于干线协调控制：

B_key＝max[SI(B_i)]，i＝1,2,…,N

步骤3.4、关键干线B_key由交叉口{C₁,C₂,…,C_key,…,C_ψ}组成，计算各交叉口信号周期

选取其中干线内最大的信号周期作为公共周期/>

其中，ψ为关键干线中交叉口个数；

步骤3.5、对其余交叉口的交通信号灯重新配时；以最大公共周期作为信号周期计算关键交叉口的信号配时方案，得到该交叉口协调方向上的绿灯时间，作为干线中协调方向上的最小绿时；在此基础上，计算其余交叉口的配时方案，为优化协调方向控制效果，若协调方向上绿灯时间大于最小绿时，则保留配时方案；若小于最小绿时，对关键交叉口分配增加时间，以最小绿时替代当前配时方案的绿灯时间，其余时间再对非协调方向相位实行分配；则在t时间内，关键干线协调相位最小绿时

为关键交叉口C_key在协调相位的绿灯时间/>

如下所示：

t_L为四相位控制方案的总损失时间；

步骤3.6、对各子区路网结构进行分析，只具有一个交叉口的交通子区无需进行协调相位差；对于其他需要相位差优化的子区，首先实现关键干线上的相位差协调；对于已经确定初始公共信号周期

的交通干线而言，根据信号周期计算理想间距取值范围

其中，v表示干道实际平均行驶车速，M为理想间距的浮动范围；求取理想间距，并保证理想交叉口间距与实际交叉口间距最为匹配，求取得到协调控制的最佳公共信号周期T_opti；

步骤3.7、确定各交叉口与理想交叉口位置所处方位确定干道协调控制方式，确定相位差大小；

S为相位差，

为平均相位差，T_opti为最佳公共信号周期，v为平均行驶速度；

如果子区内由多条干线组成，则对于非关键干线的相位差优化，完成对关键干线的协调控制后，从关键干线中的第一个交叉口开始，对相邻的非关键干线中的交叉口优化相位差，并通过传递的方式优化所有交叉口；

步骤3.8、依次遍历所有关键干线上交叉口，重复计算，直到所有非关键干线中与关键干线相邻的交叉口相位差均完成优化工作；若非关键干线中交叉口未与关键干线中交叉口直接相连，则选择非关键干线中与关键交叉口最先进行相位差优化的交叉口与该交叉口实现相位差优化；

其中，θ_n为计算得到的交叉口的相位差，ξ为交通流系数，q₁和q₂分别为上行下行交通流量，θ₁和θ₂为最佳相位差，L为交叉口间距，v₁和v₂和分别为上行、下行平均行驶速度。

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