CN116343504A - 一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法 - Google Patents

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CN116343504A CN202310528209.4A CN202310528209A CN116343504A CN 116343504 A CN116343504 A CN 116343504A CN 202310528209 A CN202310528209 A CN 202310528209A CN 116343504 A CN116343504 A CN 116343504A
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Abstract

本发明提出一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法，属于信号控制技术领域。包括以下步骤：S1.将干道信号周期划分高峰时段；S2.根据灯色数据计算干道高峰时段的平均信号控制周期，确定干道协调控制公共信号周期；S3.根据公共信号周期分配相位时间；S4.根据实际交通流数据校验配时方案；S5.计算干道协调相位差，确定干道信号控制方案。解决路口延误过大、排队溢出等问题。本发明通过模拟手控分配饱和干道路口各交通流向的通行权，并以相对简便的协调控制方案计算方式，解决路口延误过大、排队溢出等问题。从而实现有效减轻干道人工手动信号控制负担，同时解决模型变量过多、计算复杂、求解效率较低的问题。

Description

一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法
技术领域
本申请涉及一种干道信号控制方法，尤其涉及一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法，属于信号控制技术领域。
背景技术
当前城市道路交叉口应用最广泛的交通信号控制方式仍然是定时信号控制，该方式适用于流量水平适中、交通流变化不过于频繁且具有明确规律性的情况。然而，部分城市普遍存在高峰期拥堵情况较严重的主要道路，其高峰时段沿线交叉口交通已接近或达到饱和状态，尽管已经实施了多轮次的信号优化，但方案控制效果仍未能满足限流需求，并且由于过饱和强制流的不稳定性，极其容易发生路口交通延误过大、路段排队较长、溢流导致连锁堵塞的现象。针对这种情况，提出对部分未具有自适应信号控制条件的交通拥堵干道在定时控制方案基础上，采用高峰期人工手动干预信号控制的方式缓解干道的高峰拥堵问题，但需投入大量的警力人力，更重要的未能提炼控灯经验形成有效合理的干道信号控制优化方法。
关于城市干道交通信号控制优化方法的研究，目前大部分针对非饱和状态下基于数解法、模型法、搜索算法等的绿波协调控制方案优化方法；对于饱和及过饱和情况，通过对单个或多个交叉口以排队长度均衡或通行量最大为控制目标，利用数学规划模型、人工智能算法求解优化方案；而对于交通饱和干道整体协调控制优化，则提出红波或红绿波结合的协调控制模型和策略。然而上述研究均侧重于理论计算，对于饱和状态交叉口层面的配时优化仅考虑目标参数的最优化，而忽略对实际路口各方向在不同条件下的通行权优先级界定；在干道层面优化采用的复杂模型算法，面临模型变量过多、计算复杂、求解效率较低的问题，需借助专门优化工具或系统平台，因此不利于实际应用。
事实上，大部分高峰期饱和状态城市干道需采取常态化人工手控措施的原因，往往不是因为优化方案不合理，而是因为单纯基于理论计算的控制方案未能完全符合管理者实际需要的控制目标。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，为解决现有技术中存在模型变量过多、计算复杂、求解效率较低的问题技术问题，本发明提供一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法。
方案一、一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法，包括以下步骤：
S1.将干道信号周期划分高峰时段；
S2.根据灯色数据计算干道高峰时段的平均信号控制周期，确定干道协调控制公共信号周期；
S3.根据公共信号周期分配相位时间；
S4.根据实际交通流数据校验配时方案；
S5.计算干道协调相位差，确定干道信号控制方案。
优选的，S1具体是，将手控起止时间点作为路口信号周期高峰时段；
根据历史秒级灯色数据计算高峰期前后路口每个信号控制周期的实际周期时长，对比定时方案周期时长，得到手控起止时间点；
记路口i的连续手控时段为
Figure SMS_1
，划分的干道高峰时段M覆盖关键路口手控时段，即：
Figure SMS_2
；
其中，
Figure SMS_3
为关键路口手控时段集合，/>
Figure SMS_4
为关键路口的集合。
优选的，S2具体是，根据灯色数据计算路口高峰时段的平均信号控制周期
Figure SMS_5
，取干道多个关键瓶颈路口周期的均值为协调控制公共信号周期C，即：
Figure SMS_6
；
Figure SMS_7
；
其中，
Figure SMS_8
为某个关键路口在高峰时段的信号控制周期，j为路口高峰时段中的周期数，r为干道关键路口个数。
优选的，S3具体是，利用如下公式分配相位时间：
Figure SMS_9
；
Figure SMS_10
；
其中，
Figure SMS_11
为相位时间,/>
Figure SMS_12
路口i相位j高峰时段的相位时间占比,T为高峰时段M时长，/>
Figure SMS_13
为路口i相位j在时段M中获得的总相位时长；
判断相位时间是否满足行人过街需求，相位时间不小于对应的行人过街所需要的最短相位时长
Figure SMS_14
，即：/>
Figure SMS_15
。
优选的，S4具体是，根据路口i各方向实际小时流量数据，计算路口i不同时段的相位时间；
将基于灯色数据分配的相位时间与路口i不同时段的相位时间进行对比，计算两者的相对偏差；
当所有相位的相对偏差小于既定阈值δ，则，认为基于灯色数据计算的配时方案有效，予以采纳，执行S5；否则返回S3重新分配各时段内的相位时间；
Figure SMS_16
；
其中，
Figure SMS_17
为路口i相位j基于流量数据计算的相位时间。
优选的，S5具体是，对于高峰期饱和状态干道相邻路口的相位差计算方法是：
Figure SMS_18
；
其中，
Figure SMS_19
为下游路口进口到绿灯启亮时刻的排队长度；/>
Figure SMS_20
为上游路口一个绿灯时间放行清空的排队长度，/>
Figure SMS_21
为下游路口一个绿灯时间放行清空的排队长度，/>
Figure SMS_22
为下游路口启动波到达上游过来车辆新增排队的首车位置与尾车位置之间的距离；
对于路口间距适中、路段每个周期排队长度未溢流时下游路口的相位差计算方法是：
Figure SMS_23
；
其中，
Figure SMS_24
为，/>
Figure SMS_25
为，/>
Figure SMS_26
为下游路口协调方向的绿灯时长，/>
Figure SMS_27
为上游路口与下游路口之间路段长度，/>
Figure SMS_28
为下游路口绿灯启亮前原排队长度，/>
Figure SMS_29
为路段平均车速。
该方法有效降低路段排队集散时的溢流风险；对于路口间距较小、排队长度接近溢流的极端情况，下游路口绿灯启亮时间还需酌情提前。通过对连续路口采取截流控制措施，实现限制车流进入拥堵干道的速率，并均衡各路段每个信号周期的排队车辆数。
方案二、一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现方案一所述的一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法的步骤。
方案三、一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现方案一所述的一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法。
本发明的有益效果如下：本发明通过模拟手控分配饱和干道路口各交通流向的通行权，并以相对简便的协调控制方案计算方式，解决路口延误过大、排队溢出等问题。从而实现有效减轻干道人工手动信号控制负担，甚至代替手控的目标，同时解决模型变量过多、计算复杂、求解效率较低的问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法流程示意图；
图2为路口连续手控时段示意图；
图3为上下游路口协调方向绿灯同时启亮时的路段排队消散过程示意图；
图4为下游路口协调方向绿灯提前启亮时的路段排队消散过程示意图。
具体实施方式
为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1、参照图1-图4说明本实施方式，一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法，包括以下步骤：
S1.将干道信号周期划分高峰时段；
设某干道包含n个定时信号控制交叉口（或人行过街横道），路口i（i∈{1,2,…,n}）非信号机方案时段过渡期间某时刻开始了连续多个信号周期偏离定时控制方案周期，反映出开始对路口i连续进行手动信号控制干预，同时一定程度上反映出路口、干道交通流状态发生了变化，将手控起止时间点作为路口i信号控制方案高峰时段划分的重要参考，根据历史秒级灯色数据计算高峰期前后路口i每个信号控制周期的实际周期时长，对比定时方案周期时长，可得出手控起止时间点，如图2所示。
具体的，将干道信号周期划分高峰时段的方法是：将手控起止时间点作为路口信号周期高峰时段；
根据历史秒级灯色数据计算高峰期前后路口每个信号控制周期的实际周期时长，对比定时方案周期时长，得到手控起止时间点；
记路口i的连续手控时段为
Figure SMS_30
，划分的干道高峰时段M覆盖关键路口手控时段，即：
Figure SMS_31
；
其中，
Figure SMS_32
为关键路口手控时段集合，I为关键路口的集合。
S2.根据灯色数据计算干道高峰时段的平均信号控制周期，确定干道协调控制公共信号周期；
根据灯色数据计算路口高峰时段的平均信号控制周期
Figure SMS_33
，取干道多个关键瓶颈路口周期的均值为协调控制公共信号周期C，即：
Figure SMS_34
；
Figure SMS_35
；
其中，
Figure SMS_36
为某个关键路口在高峰时段的信号控制周期，j为路口高峰时段中的周期数，r为干道关键路口个数；
具体的，对于实际手控周期明显偏小的小规模路口、人行过街横道，可实行双周期控制，周期设为0.5C；
S3.根据公共信号周期分配相位时间；
基于步进模式的手动控制实质上是人工根据路口各流向的实际交通需求分配相应通行权，因此单点配时优化最直接的方法是基于历史秒级灯色数据模拟手动控制，根据灯色数据计算路口i相位j高峰时段的相位时间占比
Figure SMS_37
，基于所确定的公共信号周期C（双周期路口则为0.5C）计算和分配相位时间/>
Figure SMS_38
，即：
Figure SMS_39
；
Figure SMS_40
；
其中，
Figure SMS_41
为相位时间,/>
Figure SMS_42
路口i相位j高峰时段的相位时间占比,T为高峰时段M时长，/>
Figure SMS_43
为路口i相位j在时段M中获得的总相位时长；
手控模式下各相位的绿灯间隔时间一般不会变动，采用手控时的绿灯间隔时间方案。
判断相位时间是否满足行人过街需求，相位时间不小于对应的行人过街所需要的最短相位时长
Figure SMS_44
，即：/>
Figure SMS_45
；
S4.根据实际交通流数据校验配时方案；
在基于灯色数据完成配时方案后，需利用实际交通流数据进行校验，根据路口i各方向实际小时流量数据，计算路口i各相位时间，对比基于灯色数据分配的相位时间并计算两者的相对偏差，当所有相位的相对偏差小于既定阈值δ，认为基于灯色数据计算的配时方案有效，予以采纳；否则需对路口i高峰时段M进行细分，返回S3重新分配各细分时段内的相位时间，并分别利用各细分时段内的流量数据进行配时方案校验，以使各相位时间的相对偏差小于设定的阈值。
具体的，根据实际交通流数据校验配时方案的方法是：根据路口i各方向实际小时流量数据，利用Webster绿信比分配方法计算路口i不同时段的相位时间；
将基于灯色数据分配的相位时间与路口i不同时段的相位时间进行对比，计算两者的相对偏差；
当所有相位的相对偏差小于既定阈值δ，则，认为基于灯色数据计算的配时方案有效，予以采纳，执行S5；否则返回S3重新分配各时段内的相位时间；
Figure SMS_46
；
其中，
Figure SMS_47
为路口i相位j基于流量数据计算的相位时间。
为解决饱和干道高峰期瓶颈路口延误过大、连续瓶颈路口常发溢流等问题，以排队均衡为原则设计干道红波截流控制方案。为尽量降低排队溢出风险，上游路口协调方向放行车队不应增大下游路口对应方向进口路段一个红灯时间内的最大排队长度。考虑以下两种情况：
（1）当上下游两个路口
Figure SMS_49
和/>
Figure SMS_52
同一协调方向的绿灯同时启亮时，路段的排队情况如图3所示；/>
Figure SMS_56
为上游路口/>
Figure SMS_50
一个绿灯时间放行清空的排队长度，/>
Figure SMS_54
则为下游路口/>
Figure SMS_58
一个绿灯时间放行清空的排队长度，v为路段平均车速，u为向后传播的启动波（排队消散波）波速，u’为排队集结波波速；由于正常情况下启动波波速是明显小于路段平均车速的，当下游路口/>
Figure SMS_60
进口道绿灯启亮时刻/>
Figure SMS_48
的排队长度/>
Figure SMS_55
较大时，在队尾车辆启动前，上游路口放行的车辆时刻/>
Figure SMS_59
时在已经到达了原队尾，导致排队进一步增长至/>
Figure SMS_61
，此时路段有明显的排队溢出风险；在时刻/>
Figure SMS_51
时启动波到达新增排队的首车位置，并在时刻/>
Figure SMS_53
时到达新增排队的尾车位置，此时排队长度开始缩短，在时刻/>
Figure SMS_57
时排队长度稳定为/>
Figure SMS_62
；可见,当路口协调方向排队较长时，采用上下游路口绿灯同时启亮的相位差设置方法尚不能减轻路口排队压力。
（2）当上游路口
Figure SMS_65
协调方向放行车队到达下游路口/>
Figure SMS_66
原排队队尾时，下游路口刚好结束该方向绿灯时间，路段的排队情况如图3所示。上游路口/>
Figure SMS_68
放行的车辆时刻/>
Figure SMS_64
时到达了下游路口/>
Figure SMS_67
原排队队尾，而下游路口启动波已经在时刻/>
Figure SMS_69
时传播至原队尾，可见，从上游路口的来车无需等待启动波，路段排队未进一步增长；在时刻/>
Figure SMS_70
时排队长度稳定为
Figure SMS_63
。
S5.计算干道协调相位差，确定干道信号控制方案；
对于高峰期饱和状态干道相邻路口的相位差计算方法是：
Figure SMS_71
；
其中，
Figure SMS_72
为下游路口进口到绿灯启亮时刻的排队长度；/>
Figure SMS_73
为上游路口一个绿灯时间放行清空的排队长度，/>
Figure SMS_74
为下游路口一个绿灯时间放行清空的排队长度，/>
Figure SMS_75
为下游路口启动波到达上游过来车辆新增排队的首车位置与尾车位置之间的距离；
对于路口间距适中、路段每个周期排队长度未溢流时下游路口的相位差计算方法是：
Figure SMS_76
；
其中，
Figure SMS_77
为，/>
Figure SMS_78
为，/>
Figure SMS_79
为下游路口协调方向的绿灯时长，/>
Figure SMS_80
为上游路口与下游路口之间路段长度，/>
Figure SMS_81
为下游路口绿灯启亮前原排队长度，/>
Figure SMS_82
为路段平均车速。
该方法有效降低路段排队集散时的溢流风险；对于路口间距较小、排队长度接近溢流的极端情况，下游路口绿灯启亮时间还需酌情提前。通过对连续路口采取截流控制措施，实现限制车流进入拥堵干道的速率，并均衡各路段每个信号周期的排队车辆数。
实施例2、本发明的计算机装置可以是包括有处理器以及存储器等装置，例如包含中央处理器的单片机等。并且，处理器用于执行存储器中存储的计算机程序时实现上述的一种通用化的神经网络前向训练方法的步骤。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA) 或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序（比如声音播放功能、图像播放功能等）等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据（比如音频数据、电话本等）等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital, SD）卡，闪存卡（Flash Card）、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
实施例3、计算机可读存储介质实施例
本发明的计算机可读存储介质可以是被计算机装置的处理器所读取的任何形式的存储介质，包括但不限于非易失性存储器、易失性存储器、铁电存储器等，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当计算机装置的处理器读取并执行存储器中所存储的计算机程序时，可以实现上述的一种通用化的神经网络前向训练方法的步骤。
所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将干道信号周期划分高峰时段；
S2.根据灯色数据计算干道高峰时段的平均信号控制周期，确定干道协调控制公共信号周期；
S3.根据公共信号周期分配相位时间；
S4.根据实际交通流数据校验配时方案；
S5.计算干道协调相位差，确定干道信号控制方案。
2.根据权利要求1所述一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法，其特征在于，S1具体是，将手控起止时间点作为路口信号周期高峰时段；
根据历史秒级灯色数据计算高峰期前后路口每个信号控制周期的实际周期时长，对比定时方案周期时长，得到手控起止时间点；
记路口i的连续手控时段为
Figure QLYQS_1
，划分的干道高峰时段M覆盖关键路口手控时段，即：
Figure QLYQS_2
；
其中，
Figure QLYQS_3
为关键路口手控时段集合，I为关键路口的集合。
3.根据权利要求2所述一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法，其特征在于，S2具体是，根据灯色数据计算路口高峰时段的平均信号控制周期
Figure QLYQS_4
，取干道多个关键瓶颈路口周期的均值为协调控制公共信号周期C，即：
Figure QLYQS_5
；
Figure QLYQS_6
；
其中，
Figure QLYQS_7
为某个关键路口在高峰时段的信号控制周期，j为路口高峰时段中的周期数，r为干道关键路口个数。
4.根据权利要求3所述一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法，其特征在于，S3具体是，利用如下公式分配相位时间：
Figure QLYQS_8
；
Figure QLYQS_9
；
其中，
Figure QLYQS_10
为相位时间,/>
Figure QLYQS_11
路口i相位j高峰时段的相位时间占比,T为高峰时段M时长，
Figure QLYQS_12
为路口i相位j在时段M中获得的总相位时长；
判断相位时间是否满足行人过街需求，相位时间不小于对应的行人过街所需要的最短相位时长
Figure QLYQS_13
，即：/>
Figure QLYQS_14
。
5.根据权利要求4所述一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法，其特征在于，S4具体是，根据路口i各方向实际小时流量数据，计算路口i不同时段的相位时间；
将基于灯色数据分配的相位时间与路口i不同时段的相位时间进行对比，计算两者的相对偏差；
当所有相位的相对偏差小于既定阈值δ，则，认为基于灯色数据计算的配时方案有效，予以采纳，执行S5；否则返回S3重新分配各时段内的相位时间；
Figure QLYQS_15
；
其中，
Figure QLYQS_16
为路口i相位j基于流量数据计算的相位时间。
6.根据权利要求5所述一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法，其特征在于，计算干道协调相位差的方法是：
对于高峰期饱和状态干道相邻路口的相位差计算方法是：
Figure QLYQS_17
；
其中，
Figure QLYQS_18
为下游路口进口到绿灯启亮时刻的排队长度；/>
Figure QLYQS_19
为上游路口一个绿灯时间放行清空的排队长度，/>
Figure QLYQS_20
为下游路口一个绿灯时间放行清空的排队长度，/>
Figure QLYQS_21
为下游路口启动波到达上游过来车辆新增排队的首车位置与尾车位置之间的距离；
对于路口间距适中、路段每个周期排队长度未溢流时下游路口的相位差计算方法是：
Figure QLYQS_22
；
其中，
Figure QLYQS_23
为，/>
Figure QLYQS_24
为，/>
Figure QLYQS_25
为下游路口协调方向的绿灯时长，/>
Figure QLYQS_26
为上游路口与下游路口之间路段长度，/>
Figure QLYQS_27
为下游路口绿灯启亮前原排队长度，/>
Figure QLYQS_28
为路段平均车速。
7.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，所述的处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-6任一项所述的一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述的一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法。
CN202310528209.4A 2023-05-11 2023-05-11 一种基于历史信号灯色数据的饱和状态干道信号控制方法 Active CN116343504B (zh)

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