一種需求車道組合相位的優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種需求車道組合相位的優(yōu)化方法，根據(jù)交叉路口飽和度大小，采用合適車道控制下的相位優(yōu)化方法，若飽和度大于1采用過飽和車道控制下的相位優(yōu)化方法，反之采用欠飽和車道控制下的相位優(yōu)化方法；過程中實(shí)時(shí)計(jì)算相位內(nèi)放行車道的流量均衡度大小，在滿足條件的前提下，插入增容車道并與關(guān)鍵車道組成該相位下的小相位，以此平衡車流的不均衡，充分利用有限的時(shí)空資源；優(yōu)化相位時(shí)，實(shí)時(shí)調(diào)整并優(yōu)化路口的周期，保證交通需求較大的車道在同一個(gè)周期內(nèi)優(yōu)先放行，特別是在車道車流量較大的環(huán)境下，并實(shí)時(shí)調(diào)整關(guān)鍵車道與下游交叉口之間車流協(xié)調(diào)控制。本發(fā)明不僅實(shí)現(xiàn)了時(shí)空資源的充分利用，而且在一定程度上緩解了大流量下交通擁堵的問題。
【專利說明】一種需求車道組合相位的優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種交通信號相位相序優(yōu)化的方法，尤其是一種需求車道組合相位的優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002]目前比較成熟的交通信號控制策略包括定時(shí)控制、感應(yīng)控制和自適應(yīng)控制。這些控制方式只考慮了在傳統(tǒng)相位設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上如何為各個(gè)方向的交通流分配合理的綠燈時(shí)間，固定地按照相位設(shè)計(jì)方案順序放行，變化的只是相位的時(shí)間。如果某一個(gè)相位排隊(duì)車輛比較多，而它前面相位排隊(duì)車輛較少時(shí)，也必須按照固定相位順序，先放行前面車輛少的相位，然后再放行車輛多的相位，這樣可能因該相位排隊(duì)車輛過多，不能及時(shí)放行而造成交叉路口的交通阻塞。當(dāng)同一個(gè)放行相位中非關(guān)鍵車道流率比遠(yuǎn)小于關(guān)鍵車道流率比的情況下，這些非關(guān)鍵車道將浪費(fèi)大量寶貴的通行時(shí)間。
[0003]目前對交通流的信號控制大都是根據(jù)車流行駛的方向(左轉(zhuǎn)、直行和右轉(zhuǎn))進(jìn)行控制，沒有細(xì)分為以車道為單位實(shí)時(shí)控制交通流，不僅忽略了實(shí)際交通中不均衡的車道流量，而且也未考慮根據(jù)車流量大小優(yōu)先放行相應(yīng)的車道需求，使得即使信號相位相序設(shè)計(jì)的合理，交叉路口的通行能力也未必能得到有效提高，不能取得滿意的效果；考慮到現(xiàn)在很多大城市交叉路口出現(xiàn)的交通擁堵問題，以車道為單位進(jìn)行交通流信號控制為交叉路口相位優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一套新思路，成為緩解交通擁堵的一項(xiàng)重要舉措。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有相位設(shè)計(jì)方案的缺陷，滿足某些車道交通負(fù)載過重需優(yōu)先放行的請求，并充分利用相位中放行車道車流不均衡浪費(fèi)的時(shí)空資源；本發(fā)明提供了一種需求車道組合相位的優(yōu)化方法，以車道流量需求大小為評判標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)車道車輛優(yōu)先放行，同時(shí)以相位中放行車道車流的不均衡度實(shí)時(shí)判斷是否需要插入新的放行車道(增容車道與關(guān)鍵車道組成該相位下的小相位)以充分利用不均衡交通流中的時(shí)空資源，實(shí)現(xiàn)交叉路口車道組合下的相位優(yōu)化。
[0005]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0006]一種需求車道組合相位的優(yōu)化方法，包括如下步驟:
[0007](I)交叉路口每個(gè)進(jìn)口車道上都設(shè)置一組信號燈，并把所有車道歸入集合A ；
[0008](2)根據(jù)集合A中各個(gè)車道車輛排隊(duì)長度和車輛到達(dá)率，判斷交叉路口東西和南北各方向是否需要設(shè)置左轉(zhuǎn)車道；若都不需要，則采用兩相位信號控制方案，轉(zhuǎn)入步驟
(7)，否則，轉(zhuǎn)入步驟(3);
[0009](3)根據(jù)交叉路口交通狀況和幾何條件計(jì)算其飽和度X。，如果飽和度小于1，執(zhí)行欠飽和車道控制下的相位相序優(yōu)化策略，否則執(zhí)行過飽和車道控制下的相位相序優(yōu)化策略；
[0010](4)計(jì)算集合A中各個(gè)車道的流量比，找出流量比最大的車道作為關(guān)鍵車道，根據(jù)飽和度大小，采取合適的相位相序優(yōu)化策略，并依次判斷各相位是否需要插入增容車道，與原關(guān)鍵車道組成小相位；
[0011](5)返回步驟(4)繼續(xù)下一個(gè)相位的優(yōu)化和組合，直到所有的車道都?xì)w入相位序列中，已經(jīng)歸入到相位序列的車道在同一個(gè)周期內(nèi)可根據(jù)需求多次放行(特別是過飽和狀況下)；
[0012](6)保證所有車道被放行完一次，當(dāng)所有車道被放行完畢后，進(jìn)入下一個(gè)周期的判斷；
[0013](7)實(shí)時(shí)調(diào)整關(guān)鍵車道方向的相位差，讓車流連續(xù)不間斷的通過交叉路口 ；
[0014]其中，步驟(3)中，所述欠飽和車道控制下的相位相序優(yōu)化策略包括下述步驟:
[0015]⑴找出流量比最大的車道作為關(guān)鍵車道，并歸入綠燈通行集合Ag ；
[0016](ii)找出與集合Ag中車道方向相沖突的車道歸入紅燈等待集合然后在集合Ag車道方向相容的車道中把流量比最大的車道歸入綠燈通行集合Ag，集合Ag中的所有車道作為一個(gè)相位；
[0017](iii)根據(jù)流量比算出上述相位的綠燈時(shí)間；
[0018](iv)判斷車道綠燈時(shí)間之差是否大于某一閾值，若是，則插入小相位，反之則不插入小相位；
[0019](V)相位關(guān)鍵車道放行完畢，清空集合Ag和K ；
[0020]所述過飽和車道控制下的相位相序優(yōu)化策略，包括下述步驟:
[0021](a)找出排隊(duì)長度最大(或流量比最大)的車道作為關(guān)鍵車道，并歸入綠燈通行集合Ag ;
[0022](b)找出與集合Ag中車道方向相沖突的車道歸入紅燈等待集合4，然后在集合Ag車道方向相容的車道中排隊(duì)長度最大的車道歸入綠燈通行集合Ag，集合Ag中的所有車道作為一個(gè)相位；
[0023](C)根據(jù)排隊(duì)長度算出上述相位的初始綠燈時(shí)間；
[0024](d)在該相位結(jié)束前，計(jì)算本相位車道需要延長的綠燈時(shí)間；
[0025](e)判斷車道綠燈時(shí)間之差是否大于某一閾值，若是，則插入小相位，反之則不插入小相位；
[0026](f)相位關(guān)鍵車道放行完畢，清空集合Ag和K,。
[0027]本發(fā)明將交叉路口流量比最大的車道稱為關(guān)鍵車道，將一個(gè)相位結(jié)束前提前啟動另一個(gè)相位的一個(gè)或多個(gè)車道，稱為增容車道。另外，步驟(7)中，為適應(yīng)交通需求的變化，適應(yīng)大流量下的車道，需實(shí)時(shí)調(diào)整路口部分車道與相鄰路口關(guān)鍵車道的相位差，實(shí)現(xiàn)大車流在少遇紅燈的情況下，連續(xù)不間斷地通過路口。
[0028]根據(jù)交通狀況和飽和度大小，選擇合適的車道控制方法來優(yōu)化相位具有一定的靈活性。作為優(yōu)選，所述步驟(3)中，每個(gè)車道的通行能力Ci表示為:ci=Si(δi/C)相位飽和度
Xj、交叉路口的飽和度X。和周期C分別如下所示:

【權(quán)利要求】
1.一種需求車道組合相位的優(yōu)化方法，其特征在于包括如下步驟: (1)交叉路口每個(gè)進(jìn)口車道上都設(shè)置一組信號燈，并把所有車道歸入集合A; (2)根據(jù)集合A中各個(gè)車道車輛排隊(duì)長度和車輛到達(dá)率，判斷交叉路口東西和南北各方向是否需要設(shè)置左轉(zhuǎn)車道；若都不需要，則采用兩相位信號控制方案，轉(zhuǎn)入步驟(7)，否貝IJ，轉(zhuǎn)入步驟⑶； (3)根據(jù)交叉路口交通狀況和幾何條件計(jì)算其飽和度X。，如果飽和度小于I，執(zhí)行欠飽和車道控制下的相位相序優(yōu)化策略，否則執(zhí)行過飽和車道控制下的相位相序優(yōu)化策略； (4)計(jì)算集合A中各個(gè)車道的流量比，找出流量比最大的車道作為關(guān)鍵車道，根據(jù)飽和度大小，采取合適的相位相序優(yōu)化策略，并依次判斷各相位是否需要插入增容車道，與原關(guān)鍵車道組成小相位； (5)返回步驟(4)繼續(xù)下一個(gè)相位的優(yōu)化和組合，直到所有的車道都?xì)w入相位序列中； (6)當(dāng)所有車道被放行完畢后，進(jìn)入下一個(gè)周期的判斷； (7)實(shí)時(shí)調(diào)整關(guān)鍵車道方向的相位差，讓車流連續(xù)不間斷的通過交叉路口；其中，步驟(3)中，所述欠飽和車道控制下的相位相序優(yōu)化策略包括下述步驟: (i)找出流量比最大的車道作為關(guān)鍵車道，并歸入綠燈通行集合Ag ； (?)找出與集合Ag中車道方向相沖突的車道歸入紅燈等待集合然后在集合Ag車道方向相容的車道中把流量比最大的車道歸入綠燈通行集合Ag，集合Ag中的所有車道作為一個(gè)相位； (iii)根據(jù)各車道流量比算出上述相位的綠燈時(shí)間； (iv)判斷相位內(nèi)車道綠燈時(shí)間之差是否大于某一閾值，若是，則插入小相位，反之則不插入小相位； (v)相位關(guān)鍵車道放行完畢，清空集合Ag和K； 所述過飽和車道控制下的相位相序優(yōu)化策略，包括下述步驟: (a)找出排隊(duì)長度最大的車道作為關(guān)鍵車道，并歸入綠燈通行集合Ag； (b)找出與集合Ag中車道方向相沖突的車道歸入紅燈等待集合然后在集合Ag車道方向相容的車道中把排隊(duì)長度最大的車道歸入綠燈通行集合Ag，集合Ag中的所有車道作為一個(gè)相位； (C)根據(jù)排隊(duì)長度算出上述相位的初始綠燈時(shí)間； (d)在該相位結(jié)束前，計(jì)算本相位車道需要延長的綠燈時(shí)間； (e)判斷車道綠燈時(shí)間之差是否大于某一閾值，若是，則插入小相位，反之則不插入小相位； (f)相位關(guān)鍵車道放行完畢，清空集合Ag和
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的需求車道組合相位的優(yōu)化方法，其特征在于:所述步驟(3)中，每個(gè)車道的通行能力Ci表示為ci=si=(fi/c )，相位飽和度X1、交叉路口的飽和度X。和周期C分別如下所示:

C =-1 —夂.式中，I為相位的總數(shù),Si為關(guān)鍵車道i的飽和流量，gi為關(guān)鍵車道i所需的綠燈時(shí)間，C為交叉路口的周期時(shí)間，Vi為關(guān)鍵車道i車輛的交通需求，Qi為關(guān)鍵車道i剩余的排隊(duì)車輛，Ni為具有相同功能的關(guān)鍵車道數(shù)，L為一個(gè)周期內(nèi)路口各相位損失時(shí)間之和。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的需求車道組合相位的優(yōu)化方法，其特征在于:步驟(4)中，車道的流量比通過下述表達(dá)式計(jì)算得到:
式中=Yi為車道i的流量比，Vi為車道i車輛的交通需求；Qi為車道i剩余的排隊(duì)車輛，Ni為具有相同功能的車道數(shù)，Si為車道i的飽和流量，C為交叉路口的周期時(shí)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的需求車道組合相位的優(yōu)化方法，其特征在于:把增容車道歸入集合Ag。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的需求車道組合相位的優(yōu)化方法，其特征在于:所述步驟(4)中，若在過飽和狀況下，相位j的初始綠燈時(shí)間根據(jù)相位中車道排隊(duì)的車輛數(shù)％來確定，^=maX|Q；,Q?!，相位j中車道m(xù)的初始綠燈時(shí)間G 即K =Afe'_0 +L車道η的初始綠時(shí)為C , G", =h((J; -l) + r，則相位j的放行初始綠燈時(shí)間°/?;式中，τ為相位啟動損失時(shí)間和駕駛員反應(yīng)時(shí)間，h為飽和車頭時(shí)距。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的需求車道組合相位的優(yōu)化方法，其特征在于:在相位放行車道中的綠燈時(shí)間Ginit結(jié)束前，根據(jù)車檢器檢測到的車輛數(shù)，分別判斷是否需要延長此相位中車道上的綠燈時(shí)間； 設(shè)定最小綠燈時(shí)間Gmin，要求Gmin ( Gj,當(dāng)Gj ( Gmin時(shí)，取Gj = Gmin ;利用進(jìn)口道上游檢測器檢測交通流參數(shù)，設(shè)定最大綠燈時(shí)間Gmax,當(dāng)^ Gfflax時(shí)，令= Gfflax ;分別算出本相位車道需要延續(xù)的綠燈時(shí)間aW和Δ0；.車道m(xù)延長的綠燈時(shí)間
相位 j 的綠燈時(shí)間
.過飽和狀態(tài)下交叉路口的周期
式中，良示從后續(xù)到達(dá)的車流第一輛車開始計(jì)時(shí)，到最后一輛車通過停止線的時(shí)間；lveh為車輛的平均長度，< 為車道m(xù)后續(xù)到達(dá)的車輛數(shù)，Id為檢測器到停止線的距離，V為車輛的平均速度，L為一個(gè)周期內(nèi)路口各相位損失時(shí)間之和。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的需求車道組合相位的優(yōu)化方法，其特征在于:如果某一相位下的關(guān)鍵車道的綠燈時(shí)間與該相位下其他車道中實(shí)際所需的綠燈時(shí)間gu的差值超過閥值Tj時(shí)，則在該相位中插入一個(gè)小相位，否則不插入小相位，并把已經(jīng)放行的車道作上標(biāo)記； 當(dāng)插入小相位后，實(shí)時(shí)調(diào)整相關(guān)車道的開啟和關(guān)閉，使得關(guān)鍵車道在本相位結(jié)束時(shí)被放行完畢；如果選擇的增容車道不屬于下一個(gè)相位的放行車道，此時(shí)需要對接下來的相位相序進(jìn)行重新優(yōu)化組合，令增容車道為下一個(gè)相位的關(guān)鍵車道，清空集合Ag，跳轉(zhuǎn)到步驟(4)； 插入小相位需滿足該判別式:Gfgu ≥Tj 其中
則判別式具體表示為:
式中，
，為所有相位關(guān)鍵車道流量比之和，Yj為相位j中關(guān)鍵車道的流量比，&
為相位j中車道i的流量比，Gj為相位j即關(guān)鍵車道的綠燈時(shí)間，gji為相位j中車道i的綠燈時(shí)間，Tj為第j相位的損失時(shí)間閾值。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的需求車道組合相位的優(yōu)化方法，其特征在于:所述步驟 (6)中，所有的車道至少被放行一次才算一個(gè)周期，當(dāng)左轉(zhuǎn)車道流量無法在一個(gè)綠燈時(shí)間內(nèi)放行完并剩余一定的排隊(duì)車輛時(shí)，把與該車道相鄰的對向車道作為該方向的綠色左轉(zhuǎn)車道。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的需求車道組合相位的優(yōu)化方法，其特征在于:步驟(7)中，實(shí)時(shí)調(diào)整關(guān)鍵車道方向的相位差時(shí)，相鄰路口 η和η-l與車道m(xù)之間實(shí) 時(shí)相位差表達(dá)式如下:
式中，ln-1;n為相鄰路口之間的距離，Qm(k)表示在第k個(gè)周期車道m(xù)上剩余的排隊(duì)車輛，Vi^n表示上游路口 η-l的車流進(jìn)入下游路口 η車輛的平均速度，Ψ交叉路口排隊(duì)車輛消散波的速度。
【文檔編號】G08G1/08GK104077919SQ201410313526
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月2日
【發(fā)明者】馮遠(yuǎn)靜, 單敏, 陶沁沁, 錢孝英, 成傳勝, 徐輝, 謝碧鋒 申請人:杭州鼎鵬交通科技有限公司