CN117558144A - 基于协同控制区的信号配时控制方法、系统、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于协同控制区的信号配时控制方法、系统、设备及介质，该方法通过获取协同控制区的交通流数据，并转为交通流参数，协同控制区包括出口匝道、辅路及下游衔接交叉口；将交通流参数输入预设协同控制模型得到辅路绿灯配时和下游衔接交叉口绿灯配时，进而得到信号配时控制策略，信号配时控制策略用于对辅路信号配时及下游衔接交叉口信号配时进行协同控制，协同控制模型基于VISSIM构建；发送信号配时控制策略至协同控制区，以完成对协同控制区的交通控制。通过获取交通流参数对应的信号配时控制策略，完成对协同控制区的交通控制，改造成本低、速度快、对周围道路车流影响小且对不同道路的改造具有很高的适应性。
Description
技术领域
本发明涉及交通信号控制技术领域，尤其涉及一种基于协同控制区的信号配时控制方法、系统、设备及介质。
背景技术
现阶段，随着近些年我国经济的腾飞式发展，城市化进程加快，交通需求量日益提升，使得北京市的交通压力不断增加。虽然北京也出台了购车摇号、尾号限行、大力推广公共交通的相关政策，但这只能一定程度的减缓机动车数量的增长，当下北京的道路交通压力依然严重。因此，缓解北京市的交通压力，提高通行效率，增加交通舒适度迫在眉睫。而且，随着城市人口数量急剧上升，机动车数量也呈现井喷式增长，城市快速路作为城市路网的大骨架以及城市交通的主动脉，在城市居民交通出行中担任十分重要的角色，同时也承受了很重的交通压力，但是快速路体系高效快捷的交通性能正在日趋减弱，出现了在高峰时段“快速路”向“慢速路”的发展趋势。目前主要通过建设新的城市快速路缓解压力，但是道路改造施工成本高、改造速度慢、对周围道路车流影响大且对不同道路需要提出个性化的改造方案，无法复用。
发明内容
本发明提供一种基于协同控制区的信号配时控制方法、系统、设备及介质，该方法用以解决现有技术中道路改造施工成本高、改造速度慢、对周围道路车流影响大且对不同道路需要提出个性化的改造方案，无法复用的缺陷。
本发明提供一种基于协同控制区的信号配时控制方法，包括：
获取协同控制区的交通流数据，并转换为交通流参数，所述协同控制区包括出口匝道、辅路及下游衔接交叉口；
将所述交通流参数输入预设协同控制模型得到辅路绿灯配时和下游衔接交叉口绿灯配时，基于所述辅路绿灯配时和所述下游衔接交叉口绿灯配时得到信号配时控制策略，所述信号配时控制策略用于对辅路信号配时及下游衔接交叉口信号配时进行协同控制，所述预设协同控制模型基于VISSIM构建；
发送所述信号配时控制策略至所述协同控制区，以完成对所述协同控制区的交通控制。
根据本发明提供的一种基于协同控制区的信号配时控制方法，所述信号配时控制策略包括：
当所述协同控制区的交通流参数未达到辅路信号介入条件时，辅路信号灯关闭或者绿灯长亮，下游衔接交叉口信号执行当前配时方案；
当所述协同控制区的交通流参数达到辅路信号介入条件，且出口匝道为未拥堵状态时，辅路信号灯启动，执行辅路信号初始配时方案，下游衔接交叉口信号执行当前配时方案；
当所述协同控制区的交通流参数达到辅路信号介入条件，且出口匝道为拥堵状态时，执行辅路信号优化配时方案，下游衔接交叉口信号执行下游衔接交叉口信号优化配时方案，所述辅路信号优化配时方案为辅路绿灯早断或绿灯延迟启亮，所述下游衔接交叉口信号优化配时方案为下游衔接交叉口关键相位绿灯延长或者绿灯提前激活，所述下游衔接交叉口关键相位为出口匝道对应进口道方向的直行相位和左转相位。
根据本发明提供的一种基于协同控制区的信号配时控制方法，所述交通流参数包括主路通行率，所述辅路信号的介入条件为：
当主路通行率超过预设阈值时，介入辅路信号，所述主路通行率为主路监测流量与主路输入流量的比值，所述主路监测流量为主路输入流量与出口匝道流量的差值。
根据本发明提供的一种基于协同控制区的信号配时控制方法，所述出口匝道的拥堵状态判定方法为：
比较出口匝道当前的车流速度与出口匝道自由流状态下的理想车流速度，以及出口匝道当前的占有率与出口匝道流量等于道路设计通行能力时的理想占有率；
当所述出口匝道当前的车流速度与所述出口匝道自由流状态下的理想车流速度的比值小于第一预设阈值，且所述出口匝道当前的占有率与所述出口匝道流量等于道路设计通行能力时的理想占有率的比值大于第二预设阈值，则出口匝道为拥堵状态；
否则，出口匝道为未拥堵状态。根据本发明提供的一种基于协同控制区的信号配时控制方法，所述辅路信号优化配时方案包括：
根据辅路配时约束条件对辅路配时函数进行求解，得到最大辅路绿灯时长，所述辅路配时函数为：
其中，nR为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道右转车道数，nT为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道直行车道数，nL为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道右转车道数，QR为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道右转车道通行能力，QT为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道直行车道通行能力，QL为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道左转车道通行能力，C为下游衔接交叉口信号周期时长，gT为下游衔接交叉口关键相位中直行绿灯时长，gL为下游衔接交叉口关键相位中左转绿灯时长，qside为辅路交通量，qramp为出口匝道交通量，Lmax为下游衔接交叉口关键相位对应进口道红灯时期允许的最大排队长度，由关键相位进口道停车线至出口匝道与辅路合流点距离确定，为平均车头间距。
根据本发明提供的一种基于协同控制区的信号配时控制方法，所述辅路配时约束条件为所述辅路流量与所述出口匝道流量之和小于下游衔接交叉口进口道的预设通行能力。根据本发明提供的一种基于协同控制区的信号配时控制方法，所述下游衔接交叉口信号优化配时方案包括：
根据下游衔接交叉口配时约束条件对下游衔接交叉口配时函数进行求解，得到最小下游衔接交叉口绿灯时长，所述下游衔接交叉口配时函数为：
式中：gmin为最小绿灯时长，Dp为人行道长度，Vp为步行速度，Δg为绿灯时间间隔。
根据本发明提供的一种基于协同控制区的信号配时控制方法，所述下游衔接交叉口配时约束条件包括非关键相位极限红灯时长约束条件和最小绿灯时长约束条件；
所述非关键相位极限红灯时长通过非关键相位对应进口道红灯期间允许的最大排队长度、非关键相位方向交通到达率及平均车头间距确定；
所述最小绿灯时长通过下游衔接交叉口人行道长度与行人步行速度确定。
本发明还提供基于协同控制区的信号配时控制系统，包括：
获取模块，用于获取协同控制区的交通流数据，并转换为交通流参数，所述协同控制区包括出口匝道、辅路及下游衔接交叉口；
控制模块，用于将所述交通流参数输入预设协同控制模型得到辅路绿灯配时和下游衔接交叉口绿灯配时，基于所述辅路绿灯配时和所述下游衔接交叉口绿灯配时得到信号配时控制策略，所述信号配时控制策略用于对辅路信号配时及下游衔接交叉口信号配时进行协同控制，所述预设协同控制模型基于VISSIM构建；
发送模块，用于发送所述信号配时控制策略至所述协同控制区，以完成对所述协同控制区的交通控制。
本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述任一项所述的基于协同控制区的信号配时控制方法。
本发明还提供一种非暂态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上述任一项所述的基于协同控制区的信号配时控制方法。
本发明提供的一种基于协同控制区的信号配时控制方法、系统、设备及介质，该方法通过获取协同控制区的交通流数据，并转换为交通流参数，协同控制区包括出口匝道、辅路及下游衔接交叉口；将交通流参数输入预设协同控制模型得到辅路绿灯配时和下游衔接交叉口绿灯配时，基于辅路绿灯配时和下游衔接交叉口绿灯配时得到信号配时控制策略，信号配时控制策略用于对辅路信号配时及下游衔接交叉口信号配时进行协同控制，预设协同控制模型基于构建；发送信号配时控制策略至协同控制区，以完成对协同控制区的交通控制。通过将交通流参数输入预设协同控制模型，自动得到对应的信号配时控制策略，完成对协同控制区的交通控制，改造成本低、改造速度快、对周围道路车流影响小且对不同道路的改造具有很高的适应性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的基于协同控制区的信号配时控制方法的流程示意图之一；
图2是本发明提供的基于协同控制区的信号配时控制方法的流程示意图之二；
图3是本发明提供的XXX快速路YYY路段通行能力折线对比图；
图4是本发明提供的基于协同控制区的信号配时控制系统的结构示意图；
图5是本发明提供的电子设备的实体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。
图1为本发明实施例提供的基于协同控制区的信号配时控制方法的流程图，如图1所示，本发明实施例提供的基于协同控制区的信号配时控制方法包括：
步骤101、获取协同控制区的交通流数据，并转换为交通流参数，协同控制区包括出口匝道、辅路及下游衔接交叉口；
步骤102、将交通流参数输入预设协同控制模型得到辅路绿灯配时和下游衔接交叉口绿灯配时，基于辅路绿灯配时和下游衔接交叉口绿灯配时得到信号配时控制策略，信号配时控制策略用于对辅路信号配时及下游衔接交叉口信号配时进行协同控制，预设协同控制模型基于VISSIM构建；
在本发明实施例中，以城市快速路出口匝道车流快速流出为目标，综合考虑辅路及下游衔接交叉口交通流状况，通过控制辅路信号和下游衔接交叉口信号，使得出口匝道车流具有一定的时空优先权，以减少协同控制区车流的冲突，提高道路通行能力。
步骤103、发送信号配时控制策略至协同控制区，以完成对协同控制区的交通控制。
目前主要通过建设新的城市快速路缓解压力，但是道路改造施工成本高、改造速度慢、对周围道路车流影响大且对不同道路需要提出个性化的改造方案，无法复用。
本发明提供的一种基于协同控制区的信号配时控制方法，该方法通过获取协同控制区的交通流数据，并转换为交通流参数；将交通流参数输入预设协同控制模型，得到信号配时控制策略，信号配时控制策略用于对辅路信号配时及下游衔接交叉口信号配时进行协同控制；发送信号配时控制策略至协同控制区，以完成对协同控制区的交通控制。通过将交通流参数输入预设协同控制模型，自动得到对应的信号配时控制策略，完成对协同控制区的交通控制，改造成本低、改造速度快、对周围道路车流影响小且对不同道路的改造具有很高的适应性。
基于上述任一实施例，信号配时控制策略包括：
当协同控制区的交通流参数未达到辅路信号介入条件时，辅路信号灯关闭或者绿灯长亮，下游衔接交叉口信号执行当前配时方案；
当协同控制区的交通流参数达到辅路信号介入条件，且出口匝道为未拥堵状态时，辅路信号灯启动，执行辅路信号初始配时方案，下游衔接交叉口信号执行当前配时方案；
当协同控制区的交通流参数达到辅路信号介入条件，且出口匝道为拥堵状态时，执行辅路信号优化配时方案，下游衔接交叉口信号执行下游衔接交叉口信号优化配时方案，辅路信号优化配时方案为辅路绿灯早断或绿灯延迟启亮，下游衔接交叉口信号优化配时方案为下游衔接交叉口关键相位绿灯延长或者绿灯提前激活，下游衔接交叉口关键相位为出口匝道对应进口道方向的直行相位和左转相位。
在本发明实施例中，如图2所示，信号配时控制策略的获取方法为：
1、读取交通流参数；
2、判断是否达到辅路信号介入条件，若未达到辅路信号介入条件，辅路信号灯关闭或者绿灯长亮，下游衔接交叉口信号执行当前配时方案；
3、若达到辅路信号介入条件，判断出口匝道是否为拥堵状态，若为拥堵状态，执行辅路信号优化配时方案，执行下游衔接交叉口信号优化配时方案；若为未拥堵状态，辅路信号灯启动，执行辅路信号初始配时方案，下游衔接交叉口信号执行当前配时方案。
通过精简协同控制策略从而精简算法，降低系统运算量，逻辑更加简单清晰，从而使得信号控制更加精准，有助于提升信号控制效果；另一方面，避免了产生严重拥堵后再介入信号控制而导致加重拥堵的情况。
基于上述任一实施例，交通流参数包括主路通行率，辅路信号的介入条件为：当主路通行率超过预设阈值时，介入辅路信号，主路通行率为主路监测流量与主路输入流量的比值，主路监测流量为主路输入流量与出口匝道流量的差值。
在本发明实施例中，以XXX快速路和YYY辅路为例，进行详细说明。
当XXX快速路和YYY辅路车流量较低时，车辆都以自由流的状态通过，此时无需介入辅路信号控制，若介入辅路信号控制，不但不能提升通行效率，反而会增加辅路车辆的延误；而当XXX快速路和YYY辅路车流量增加时，XXX快速路出口匝道车流与YYY辅路车流相互干扰，使出口匝道车辆无法驶出，拥堵蔓延到主路，影响XXX快速路车辆的通行，此时需要介入辅路信号控制，降低出口匝道车流与辅路车流的冲突，使出口匝道车辆快速驶入，保证XXX快速路车流的通行效率，确定XXX快速路YYY路段的通行能力，进而确定辅路信号接入时机。
根据《城市道路工程设计规范》，XXX快速路主路为三车道所以设置饱和流量为6600veh/h，300veh一组设置10组；匝道流量根据实际情况从300veh/h每增加100veh为一组，一共6组，依次进行仿真实验，仿真结果如下表1。
表1XXX快速路YYY路段通行能力表
为了使通行流量数据更加直观，便于分析，将上表中的数据进行可视化处理，如图3所示，系列1至系列10分别为主线输入流量3900-6600veh/h共10组，横坐标1-6分别为匝道输入流量300-800veh/h共6组。
从图中可以直观地看出，随着主线流量地增加，XXX快速路的检测流量增加，但是随着出口匝道流量的增加XXX快速路YYY路段通行能力呈下降趋势。从图中可以明显看出匝道输入流量组别1-4，系列1-8，即出口匝道流量小于600veh/h时主路流量小于6000veh/时，由于出口匝道流量的增加，主路直行车辆减少，XXX快速路YYY路段通行能力呈缓慢下降趋势，符合预期效果。但是当主路流量小于6000veh/h出口匝道流量大于600veh/h时XXX快速路YYY路段通行能力急速下降，此时主路产生了严重拥堵，XXX快速路YYY路段交通量趋于饱和。从图中可以看出，在主路流量较大时如6300veh/h、6600veh/h，随着出口匝道车流增加与辅路车流冲突增加，使出口匝道的通行效率降低，同时辅路车流量增加，下游交叉口不能及时排放车流，造成辅路排队，排队从下游交叉口蔓延到主路，影响主路车辆通行，造成主路车辆拥堵。
为了更加清晰的展示输入流量与监测流量之间的关系，并确定最佳辅路信号介入时机，基于上表XXX快速路YYY路段通行能力，计算出相应的XXX快速路YYY路段整体通行率，即在不同主路匝道流量下，监测流量与对应输入流量的比值，如表2所示。
表2XXX快速路YYY路段通行率表
从表中，可以更直观的得到不同主路匝道流量下的道路通行能力。根据观察仿真模型运行得出，当该路段通行率低于95％时，说明辅路车流已经从下游衔接交叉口蔓延至主路，导致主路通行率的下降。当协同管控路段内已经产生了严重拥堵，此时介入辅路信号控制不但不会缓解该路段的拥堵问题，甚至会引发更大规模的拥堵，造成拥堵车辆溢出至上游交叉口，造成大规模区域性的拥堵。
故由表2得出辅路信号介入最佳的主路-匝道车流为：主线车流≥3900veh/h-匝道车流≥600veh/h；主线车流≥4200veh/h-匝道车流≥600veh/h；主线车流≥4500veh/h-匝道车流≥500veh/h；主线车流≥4800veh/h-匝道车流≥500veh/h；主线车流≥5100veh/h-匝道车流≥500veh/h；主线车流≥5700veh/h-匝道车流≥300veh/h；主线车流≥6000veh/h-匝道车流≥300veh/h；主线车流≥6300veh/h-匝道车流≥300veh/h；主线车流达到6600时，主路已经达到饱和状态，此时拥堵已经不可避免，应立即介入辅路信号，以缓解拥堵。
综上，辅路信号介入的最佳时机是车流量到达一定多的数量后，该路段还未产生拥堵的时候，根据表2可知，当该路段通行率大于等于95％时，介入辅路信号控制为最优。此时介入辅路信号，可以与下游衔接交叉口形成协同控制，防止拥堵产生的同时，还可以最大化协同管控区域的通行效率，并且由于在较低交通需求时不介入辅路信号控制，因此不会增加辅路车流在低交通需求时的行程时间造成时空资源浪费的情况。
通过获取的快速路出口匝道、辅路、下游衔接交叉口各方向交通参数，通过介入辅路信号控制，优化下游衔接交叉口配时方案，动态实时调节出口匝道车流与辅路车流的相对时空优先权，以缓解拥堵状况从下游衔接交叉口蔓延到主路的情况，保证主路的通行效率。
基于上述任一实施例，出口匝道的拥堵状态判定方法为：
比较出口匝道当前的车流速度与出口匝道自由流状态下的理想车流速度，以及出口匝道当前的占有率与出口匝道流量等于道路设计通行能力时的理想占有率；
当出口匝道当前的车流速度与出口匝道自由流状态下的理想车流速度的比值小于第一预设阈值，且出口匝道当前的占有率与出口匝道流量等于道路设计通行能力时的理想占有率的比值大于第二预设阈值，则出口匝道为拥堵状态；
否则，出口匝道为未拥堵状态。
在本发明实施例中，出口匝道交通拥堵状态判定公式如下：
若满足条件：
且/>
则出口匝道为拥堵状态；否则为非拥堵状态。
其中，Vout为出口匝道当前的车流速度，为出口匝道自由流状态下的理想车流速度，Oout为出口匝道当前的占有率；/>为出口匝道流量等于道路设计通行能力时的理想占有率；α为第一预设阈值，β为第二预设阈值，在本发明实施例中，/>取30km/h，/>取40％，α取0.5，β取1.5。需要说明的是，本领域技术人员可以根据需要对上述参数取值。
通过对拥堵状态进行判断，以得到不同的信号配时控制策略。
基于上述任一实施例，辅路信号优化配时方案包括：
根据辅路配时约束条件对辅路配时函数进行求解，得到最大辅路绿灯时长，辅路配时函数为：
其中，nR为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道右转车道数，nT为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道直行车道数，nL，为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道右转车道数，QR为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道右转车道通行能力，QT为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道直行车道通行能力，QL为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道左转车道通行能力，C为下游衔接交叉口信号周期时长，gT为下游衔接交叉口关键相位中直行绿灯时长，gL为下游衔接交叉口关键相位中左转绿灯时长，qside为辅路交通量，qramp为出口匝道交通量，Lmax为下游衔接交叉口关键相位对应进口道红灯时期允许的最大排队长度，由关键相位进口道停车线至出口匝道与辅路合流点距离确定，为平均车头间距。
在本发明实施例中，辅路配时函数根据以下公式得到：
其中，C为衔接交叉口周期时长，则辅路信号周期取下游衔接交叉口周期时长C或C/2，游衔接交叉口周期时长的确定考虑到交叉口实际流量、最小绿灯时长等因素确定，若衔接交叉口周期时长足够长，考虑降低下游衔接交叉口的排队时长，则取C/2；若C/2无法满足各相位的最小绿灯时长，则取C。
一种可选的实施例，qside为1338veh/h，qramp为639veh/h，C为260s，Qwait为156veh/h，nR取值为1，nT取值为3，nL取值为2，QR取值为480veh/h，QT取值为580veh/h，QL取值为580veh/h，gT、gL取值为45s，Lmax取值为0.346km，取值为11.1m。经过计算得出辅路绿灯时长为71.3s。
在本发明实施例中，随着交通量增加，当车流量增大到接近道路设计通行能力时就会产生交通拥堵，因此设置辅路配时约束条件。辅路配时约束条件为辅路流量与出口匝道流量之和小于下游衔接交叉口进口道的预设通行能力。
在本发明实施例中，辅路信号优化配时方案为辅路绿灯早断或绿灯延迟启亮，若当前相位为绿灯，则控制辅路绿灯早断，直至出口匝道为未拥堵状态；若当前相位不是绿灯，则辅路绿灯延迟启亮，直至出口匝道为未拥堵状态。
基于上述任一实施例，下游衔接交叉口信号优化配时方案包括：
根据下游衔接交叉口配时约束条件对下游衔接交叉口配时函数进行求解，得到最小下游衔接交叉口绿灯时长，下游衔接交叉口配时函数为：
式中：gmin为最小绿灯时长(s)；Dp为人行道长度(m)；Vp为步行速度(m/s)；Δg为绿灯时间间隔s。
在本发明实施例中，下游衔接交叉口配时约束条件包括非关键相位极限红灯时长约束条件和最小绿灯时长约束条件；
非关键相位极限红灯时长通过非关键相位对应进口道红灯期间允许的最大排队长度、非关键相位方向交通到达率及平均车头间距确定；
最小绿灯时长通过下游衔接交叉口人行道长度与行人步行速度确定。
在本发明实施例中，下游衔接交叉口配时方案主要考虑两个因素出口匝道车辆优先放行需求和非关键相位的最大排队长度约束，为了防止非关键相位的排队车辆溢出至上游交叉口引发更大范围的交通拥堵，则非关键相位的极限红灯时长应满足如下条件：
则可得到非关键相位i方向极限红灯时长：
其中，Qi为下游衔接交叉口非关键相位i方向交通到达率，θi为非关键相位i方向高峰小时交通量修正系数，rimax为非关键相位i方向极限红灯时长，limax为非关键相位i方向对应进口道红灯期间允许的最大排队长度，由进口道停车线至上游交叉口距离确定。
在本发明实施例中，最小绿灯时长应满足行人过街的需求，故根据历史经验得到最小绿灯时长应满足如下条件：
其中，gmin为最小绿灯时长，Dp为人行道长度，Vp为步行速度。
在一种实施例中，Dp为26m，Vp为1.1m/s，故最小绿灯时长为30.6s。
在本发明实施例中，交叉口信号优化配时方案为下游衔接交叉口关键相位绿灯延长或者绿灯提前激活，直至其他相位不满足极限红灯时长和最小绿灯时长约束条件。
本发明以出口匝道车辆快速驶出为目的，通过调节辅路信号与下游衔接交叉口信号配时的方案，使出口匝道车辆在协同管控的区域内有更高的时空优先权，从而缓解道路拥堵问题。
本发明通过设置实验进行验证，本次实验的仿真时长设置为4200s，其中前600s用于仿真程序预热，使车辆在模型中达到稳定行驶状态。在VISSIM模型中添加数据采集器和排队计数器，用来模拟现实中协同管控方案中感知设备对相应位置交通状态参数的采集工作，其中包含对应车道的流量、占有率、延误以及排队长度等。辅路信号配时方案由上述计算得到，出口匝道第一阈值α取0.5，第二阈值拥堵β取1.5。
对协同控制方法进行对比试验，分两次进行仿真模拟，第一次先对无协同控制方法的模型进行模拟仿真，输出评价指标，包括：出口匝道车均延误(s/veh)，出口匝道流量/veh，YYY辅路的辅路车均延误(s/veh)，辅路车流/veh。第二次将上述的协同控制方法运用在构建的模型中，保持初始参数不变，当协同控制区的交通流参数达到辅路信号介入条件，且出口匝道拥堵时，接入辅路信号控制，执行下游交叉口信号优化配时方案和辅路信号优化配时方案，仿真结束后输出上述评价指标，将二者进行对比分析，评价该协同控制方法。
其中第二次仿真协同控制方法的实现需要通过MATLAB对VISSIM进行二次开发，VISSIM软件虽然复现了某些场景下的交通运行状态，但是难以直接调用自定义的控制模型。比如以下几种功能，难以直接在VISSIM软件中实现，采用COM接口对VISSIM文件进行二次开发可以实现此类自定义的控制功能，包括：多时段信号控制：根据仿真运行时间，调用不同时间段下的信号配时方案；背景流量分析：通过频繁修改道路上的机动车流量，评估交通场景运行效益的变化情况；信号方案优化：通过获取路网中的交通信息，调控信号灯的灯态，评估控制效益；快速路匝道控制：通过感知主次路交通流运行状态，调控进出匝道的信号方案，评估控制效益。通过以上二次开发内容使VISSIM软件可以实现通过车辆识别技术统计感知出口匝道和辅路交通流的运行状态来自适应调节辅路信号灯和下游交叉口信号灯，将主程序输入MATLAB后，得到相关结果。
表3协同控制区域控制不同方案评价指标
根据上述仿真方案进行试验，将两次实验结果进行对比后，得到表4。
表4协同管控区域不同方案评价指标对比
通过实验结果对比发现，对于XXX快速路YYY路段与大望路交叉口及辅路衔接区域，当快速路车流量增大时，出口匝道流量也随之增多，在无管控的状态下，大量出口匝道车辆与辅路车辆在下游衔接交叉口前交织段出现拥堵，并且此时衔接交叉口关键相位仍然按照原配时方案执行，导致进口道车辆疏散缓慢，辅路车辆和出口匝道车辆不断累积，从而逐渐加剧交叉口的排队长度，形成超长排队，一直蔓延，加剧出口匝道排队，拥堵溢出至主路，对主路车流造成严重影响，直至形成严重拥堵；而采取本发明提出的协同控制策略后，通过采集协同控制区域的交通参数，识别出口匝道的交通状态，执行不同的信号配时控制策略，确保主路车辆通行效率。
从表3可知，出口匝道流量增加了71.2％，出口匝道车均延误大幅下降了42.3％，主路通行率增加了36％，主路车流实现100％5到达，并且主路车速也增加了51.7％，十分接近于设计车速。以上结果表明本发明的协同控制方案可以使出口匝道车辆更快驶离主路，有效增加了出口匝道流量，减少了出口匝道车均延误，提高主路车速，该协同控制方案有效且显著地缓解了协同控制区域的拥堵问题，大幅提高了主路的通行效率。
本发明提供的协同控制策略，没有沿用传统信号灯的定时信号配时方案，而是将较为先进的车辆识别、交通量监测技术与信号管控相结合，将出口匝道、下游衔接交叉口以及辅路作为统一的协同管控区域，并根据不同的交通状态提出了三种管控策略，并给出了交通状态判别算法，以及辅路信号灯、下游衔接交叉口信号灯配时优化方法，使其可以根据实时监测到的交通流参数，智能选择协同控制策略，对辅路信号灯与衔接交叉口信号灯根据协同控制策略进行调节，实现自动化控制，对拥堵出口匝道与辅路合流点进行改造时施工成本低、对周围道路车流影响小、占地面积小、维护成本低，便于管理、适用性广，工程应用简单。
下面对本发明提供的基于协同控制区的信号配时控制系统进行描述，下文描述的基于协同控制区的信号配时控制系统与上文描述的基于协同控制区的信号配时控制方法可相互对应参照。
图4为本发明实施例提供的基于协同控制区的信号配时控制系统的示意图，如图4所示，本发明实施例提供的基于协同控制区的信号配时控制系统包括：
获取模块401，用于获取协同控制区的交通流数据，并转换为交通流参数，协同控制区包括出口匝道、辅路及下游衔接交叉口；
在本发明实施例中，通过感知设备采用视频识别和雷达融合模式实时监测采集交通流参数，本领域技术人员可以根据需要选择其他的感知设备。
控制模块402，用于将交通流参数输入预设协同控制模型得到辅路绿灯配时和下游衔接交叉口绿灯配时，基于辅路绿灯配时和下游衔接交叉口绿灯配时得到信号配时控制策略，信号配时控制策略用于对辅路信号配时及下游衔接交叉口信号配时进行协同控制，预设协同控制模型基于VISSIM构建；
在本发明实施例中，辅路信号灯布设在出口匝道与辅路合流点，并在辅路上划设停车线，将控制模块布设在路侧，用于出口匝道与下游衔接交叉口区域的信息处理和计算。
发送模块403，用于发送信号配时控制策略至协同控制区，以完成对协同控制区的交通控制。
本发明提供的一种基于协同控制区的信号配时控制系统，通过控制模块，自动得到对应的信号配时控制策略，完成对协同控制区的交通控制，改造成本低、改造速度快、对周围道路车流影响小且对不同道路的改造具有很高的适应性。从工程应用角度，利用当下交通管控中被普遍应用的交通信息数字化技术，提出一种新式的快速路出口匝道与下游衔接交叉口区域协同控制策略，不仅在改造过程中对该路段车流影响小，并且信号控制策略和交通数字化技术相结合，使该协同控制方法能够根据当地交通情况进行调整，具有改造速度快，普适性强的优点，能够简单快速地运用到工程应用中，高效的解决类似区域路段的拥堵问题，提高通行效率。
图5示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图5所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)510、通信接口(Communications Interface)520、存储器(memory)530和通信总线540，其中，处理器510，通信接口520，存储器530通过通信总线540完成相互间的通信。处理器510可以调用存储器530中的逻辑指令，以执行基于协同控制区的信号配时控制方法，该方法包括：获取协同控制区的交通流数据，并转换为交通流参数，协同控制区包括出口匝道、辅路及下游衔接交叉口；将交通流参数输入预设协同控制模型得到辅路绿灯配时和下游衔接交叉口绿灯配时，基于辅路绿灯配时和下游衔接交叉口绿灯配时得到信号配时控制策略，信号配时控制策略用于对辅路信号配时及下游衔接交叉口信号配时进行协同控制，预设协同控制模型基于VISSIM构建；发送信号配时控制策略至协同控制区，以完成对协同控制区的交通控制。
此外，上述的存储器530中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的基于协同控制区的信号配时控制方法，该方法包括：获取协同控制区的交通流数据，并转换为交通流参数，协同控制区包括出口匝道、辅路及下游衔接交叉口；将交通流参数输入预设协同控制模型得到辅路绿灯配时和下游衔接交叉口绿灯配时，基于辅路绿灯配时和下游衔接交叉口绿灯配时得到信号配时控制策略，信号配时控制策略用于对辅路信号配时及下游衔接交叉口信号配时进行协同控制，预设协同控制模型基于VISSIM构建；发送信号配时控制策略至协同控制区，以完成对协同控制区的交通控制。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于协同控制区的信号配时控制方法，其特征在于，包括：
获取协同控制区的交通流数据，并转换为交通流参数，所述协同控制区包括出口匝道、辅路及下游衔接交叉口；
将所述交通流参数输入预设协同控制模型得到辅路绿灯配时和下游衔接交叉口绿灯配时，基于所述辅路绿灯配时和所述下游衔接交叉口绿灯配时得到信号配时控制策略，所述信号配时控制策略用于对辅路信号配时及下游衔接交叉口信号配时进行协同控制，所述预设协同控制模型基于VISSIM构建；
发送所述信号配时控制策略至所述协同控制区，以完成对所述协同控制区的交通控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于协同控制区的信号配时控制方法，其特征在于，所述信号配时控制策略包括：
当所述协同控制区的交通流参数未达到辅路信号介入条件时，辅路信号灯关闭或者绿灯长亮，下游衔接交叉口信号执行当前配时方案；
当所述协同控制区的交通流参数达到辅路信号介入条件，且出口匝道为未拥堵状态时，辅路信号灯启动，执行辅路信号初始配时方案，下游衔接交叉口信号执行当前配时方案；
当所述协同控制区的交通流参数达到辅路信号介入条件，且出口匝道为拥堵状态时，执行辅路信号优化配时方案，下游衔接交叉口信号执行下游衔接交叉口信号优化配时方案，所述辅路信号优化配时方案为辅路绿灯早断或绿灯延迟启亮，所述下游衔接交叉口信号优化配时方案为下游衔接交叉口关键相位绿灯延长或者绿灯提前激活，所述下游衔接交叉口关键相位为出口匝道对应进口道方向的直行相位和左转相位。
3.根据权利要求2所述的一种基于协同控制区的信号配时控制方法，其特征在于，所述交通流参数包括主路通行率，所述辅路信号的介入条件为：
当主路通行率超过预设阈值时，介入辅路信号，所述主路通行率为主路监测流量与主路输入流量的比值，所述主路监测流量为主路输入流量与出口匝道流量的差值。
4.根据权利要求2所述的一种基于协同控制区的信号配时控制方法，其特征在于，所述出口匝道的拥堵状态判定方法为：
比较出口匝道当前的车流速度与出口匝道自由流状态下的理想车流速度，以及出口匝道当前的占有率与出口匝道流量等于道路设计通行能力时的理想占有率；
当所述出口匝道当前的车流速度与所述出口匝道自由流状态下的理想车流速度的比值小于第一预设阈值，且所述出口匝道当前的占有率与所述出口匝道流量等于道路设计通行能力时的理想占有率的比值大于第二预设阈值，则出口匝道为拥堵状态；
否则，出口匝道为未拥堵状态。
5.根据权利要求2所述的一种基于协同控制区的信号配时控制方法，其特征在于，所述辅路信号优化配时方案包括：
根据辅路配时约束条件对辅路配时函数进行求解，得到最大辅路绿灯时长，所述辅路配时函数为：
其中，nR为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道右转车道数，nT为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道直行车道数，nL为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道右转车道数，QR为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道右转车道通行能力，QT为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道直行车道通行能力，QL为出口匝道对应下游衔接交叉口进口道左转车道通行能力，C为下游衔接交叉口信号周期时长，gT为下游衔接交叉口关键相位中直行绿灯时长，gL为下游衔接交叉口关键相位中左转绿灯时长，qside为辅路交通量，qramp为出口匝道交通量，Lmax为下游衔接交叉口关键相位对应进口道红灯时期允许的最大排队长度，由关键相位进口道停车线至出口匝道与辅路合流点距离确定，为平均车头间距。
6.根据权利要求5所述的一种基于协同控制区的信号配时控制方法，其特征在于，所述辅路配时约束条件为所述辅路流量与所述出口匝道流量之和小于下游衔接交叉口进口道的预设通行能力。
7.根据权利要求2所述的一种基于协同控制区的信号配时控制方法，其特征在于，所述下游衔接交叉口信号优化配时方案包括：
根据下游衔接交叉口配时约束条件对下游衔接交叉口配时函数进行求解，得到最小下游衔接交叉口绿灯时长，所述下游衔接交叉口配时函数为：
式中：gmin为最小绿灯时长，Dp为人行道长度，Vp为步行速度，Δg为绿灯时间间隔。
8.根据权利要求7所述的一种基于协同控制区的信号配时控制方法，其特征在于，所述下游衔接交叉口配时约束条件包括非关键相位极限红灯时长约束条件和最小绿灯时长约束条件；
所述非关键相位极限红灯时长通过非关键相位对应进口道红灯期间允许的最大排队长度、非关键相位方向交通到达率及平均车头间距确定；
所述最小绿灯时长通过下游衔接交叉口人行道长度与行人步行速度确定。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至8任一项所述基于协同控制区的信号配时控制方法。
10.一种非暂态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如权利要求1至8任一项所述基于协同控制区的信号配时控制方法。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117854298A (zh) * | 2024-02-27 | 2024-04-09 | 青岛海信网络科技股份有限公司 | 一种区域交叉口的车辆通行方法和边缘计算设备 |
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2023
- 2023-10-08 CN CN202311294829.2A patent/CN117558144A/zh active Pending
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