本發(fā)明公開了一種城市區(qū)域交通信號自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法，屬于智能交通信號控制技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近年來，隨著機(jī)動車保有量的迅猛增長使得城市交通路網(wǎng)的負(fù)載越來越重，路網(wǎng)交通流不均衡的現(xiàn)象十分突出，局部區(qū)域和路段的交通擁堵又使得交通事故頻頻出現(xiàn)，極大地影響了市民的出行效率和安全。城市區(qū)域主要交通干道早晚高峰期間擁堵嚴(yán)重，車流的潮汐現(xiàn)象明顯，而原有的信號控制體系下，智能化控制程度不夠，無法適應(yīng)交通流的變化。因此，對城區(qū)內(nèi)的燈控路口進(jìn)行統(tǒng)一管理，建立區(qū)域交通信號的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制體系，提升智能化信號控制水平的工作迫在眉睫。

國外在區(qū)域交通信號自適應(yīng)系統(tǒng)研究方面取得較多成果，且應(yīng)用成熟廣泛，如SCOOT系統(tǒng)、SCAT系統(tǒng)、TRANSYT系統(tǒng)、ACTRA系統(tǒng)等，國內(nèi)諸多城市也相繼引入以提升區(qū)域交通運行效率。但是，這些系統(tǒng)引入國內(nèi)應(yīng)用后，由于我國混合交通的基本特點、交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)落后以及缺乏相關(guān)專業(yè)運維人員以及系統(tǒng)自身的應(yīng)用約束等綜合因素的制約，產(chǎn)生較多的實際操作難題，不能有效適用于本地交通狀況。在上述問題背景下，國內(nèi)研究人員也針對性的開展了適合我國城市交通特點的區(qū)域交通控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)，如南京NUTCS系統(tǒng)、海信HiCon系統(tǒng)、深圳SMOOTH系統(tǒng)等。但是，這些系統(tǒng)一般只是在少數(shù)城市的特定區(qū)域進(jìn)行了較少范圍的應(yīng)用，系統(tǒng)功能和應(yīng)用場景簡單且不夠成熟，無法在有效應(yīng)對國內(nèi)復(fù)雜多變的交通運行狀況。

針對國內(nèi)外現(xiàn)有區(qū)域交通信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的不足，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1.發(fā)明適用于區(qū)域不同交通狀態(tài)，通過建立包含多模型參考算法的配時模塊，如圖1所示，集成了多種不同特點的控制優(yōu)化算法，并根據(jù)交通流的實際情況優(yōu)化區(qū)域交叉口的信號配時參數(shù)。

2.適用于檢測器不同的安裝位置，根據(jù)交叉口交通流檢測器布設(shè)位置情況合理地選擇控制技術(shù)，從而使之能夠更廣泛地應(yīng)用到區(qū)域信號控制中。在圖2中展示了兩種檢測器安裝的方式，一種安裝在交叉口的進(jìn)口處，一種安裝在交叉口的出口處。安裝在進(jìn)口處的檢測器可以實時地檢測到到達(dá)交叉口的交通流情況，采用這種檢測器安裝方式的交叉口比較適合采用感應(yīng)控制實時控制技術(shù)；安裝在出口處得檢測器可以檢測到排隊長度，采用這種檢測器安裝方式的交叉口可以利用模糊控制。

3.考慮交叉口在多個周期內(nèi)交通需求的基礎(chǔ)上，以提升區(qū)域整體交通運行效率為目標(biāo)，綜合分析單交叉口的相位需求，制定區(qū)域信號自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制策略，進(jìn)一步對路段交通流進(jìn)行溢出(死鎖)檢測和相位差優(yōu)化，從而降低實時自適應(yīng)系統(tǒng)對交通流造成的不穩(wěn)定性和安全隱患。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，提供一種城市區(qū)域交通信號自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法，該方法以區(qū)域內(nèi)交叉口信號相位的交通需求為基礎(chǔ)，檢測分析多個周期內(nèi)不同相位交通需求的變化情況，根據(jù)多個周期的各相位配時是否滿足對應(yīng)的交通需求，通過配時模塊計算在當(dāng)前交通需求下的理論配時，并與當(dāng)前運行的相位配時進(jìn)行對比，進(jìn)一步分析該交叉口信號方案的合理性。同理計算分析區(qū)域內(nèi)所有信號交叉口配時方案是否滿足當(dāng)前交通運行需求，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的交叉口綠信比、周期以及相位差等區(qū)域協(xié)調(diào)策略和控制參數(shù)的調(diào)整。其中，如果分析結(jié)果是區(qū)域周期長度不變，則包含的交叉口根據(jù)各相位的需求調(diào)整綠信比，如果分析結(jié)構(gòu)是當(dāng)前區(qū)域周期已經(jīng)不能滿足交通需求，則通過計算各交叉口對周期長度的要求，綜合判定區(qū)域協(xié)調(diào)的周期時間，其后進(jìn)行各交叉口綠信比的分配。在交叉口控制方案確定后，對其進(jìn)行綠信比調(diào)整合理性檢測，防止路段溢流現(xiàn)象。技術(shù)方案路線圖如圖3所示。具體采用如下技術(shù)方案：

1)初始化信號配時，對各交叉口控制信號參數(shù)進(jìn)行初始化配置；

2)通過高清視頻、地磁或者感應(yīng)線圈對各相位內(nèi)的交通流進(jìn)行檢測，采集交通流數(shù)據(jù)；

3)配時模塊根據(jù)采集的交通流數(shù)據(jù)計算相位綠燈時間：計算的相位綠燈時間大于實際運行的相位綠燈時間時，對該相位標(biāo)注“+”；計算的相位綠燈時間小于實際運行的相位綠燈時間時，對該相位標(biāo)注“-”；計算的相位綠燈時間等于實際運行的相位綠燈時間時，對該相位標(biāo)注“0”；

4)確定單交叉口周期調(diào)整策略：在單一交叉口中，一個周期中各相位全部標(biāo)記為“0”，或者“+”和“-”同時存在時，將該交叉口標(biāo)記為“U”，若該交叉口至少連續(xù)M個周期標(biāo)記為“U”，該交叉口確定為周期不變；一個周期各相位全部標(biāo)記為“+”或“-”，將該交叉口標(biāo)記為“C”，若該交叉口至少連續(xù)M個周期標(biāo)記為“C”，該交叉口確定為周期調(diào)整；

5)確定區(qū)域周期調(diào)整策略：若區(qū)域內(nèi)部需調(diào)整周期的交叉口數(shù)量小于全部交叉口數(shù)量的一半，該區(qū)域確定為周期不變，進(jìn)入步驟6)；若區(qū)域內(nèi)部需調(diào)整周期的交叉口數(shù)量不小于全部交叉口數(shù)量的一半或者需調(diào)整關(guān)鍵交叉口，該區(qū)域確定為周期調(diào)整，進(jìn)入步驟7)；

6)周期不變下的綠信比分配策略：交叉口周期各相位標(biāo)記為“0”時，綠信比方案不需調(diào)整；

交叉口周期各相位標(biāo)記為“+”和“-”同時存在時，在第M+1周期后執(zhí)行優(yōu)化的綠信比方案，具體優(yōu)化調(diào)整如下：模型計算的相位綠燈時間為g_m，實際運行相位綠燈時間為g_f，相位需求差異為Δt＝g_m-g_f，當(dāng)則把各相位的綠燈時間均衡分配；當(dāng)時，則把標(biāo)記為“-”的全部相位差異時間和平均分配到標(biāo)記為“+”的相位中，各相位分配到的綠燈時間為：p⁺為標(biāo)記為“+”的相位；

7)周期調(diào)整下的綠信比分配策略：關(guān)鍵交叉口的周期長度為C_k，最大周期長度為L_max，有C_k≤L_max，相位增加或減少綠燈時間為g_a，最小綠燈時間為g_min；

若全部相位標(biāo)記為“+”，當(dāng)則此時關(guān)鍵交叉口周期為當(dāng)有此時關(guān)鍵交叉口周期為C_{k_new}＝L_max；其余交叉口周期為各相位綠信時間設(shè)置如下：

若全部相位標(biāo)記為“-”，當(dāng)g_m＜g_min，有當(dāng)g_m≥g_min，此時關(guān)鍵交叉口周期為其余區(qū)域交叉口周期為C_i＝C_{k_new},0＜i＜n,i≠k，各相位綠信時間設(shè)置如下：

優(yōu)選地，還包括如下步驟：

8)防溢出相位綠燈時間檢測，上游交叉口任意相位放入下游交叉口的車輛應(yīng)該不大于下游路段剩余路段容量，對于任意的流入相位需滿足如下條件，

s_ik_ig_i(t+1)+N_j(t)≤N_{j_max},0＜i≤p

式中，s_i、k_i、g_i、N_j和N_{j_max}分別為車道飽和流率、車道數(shù)、相位有效綠時、路段當(dāng)前車輛排隊長度和最大排隊長度；

當(dāng)不滿足上述條件時，則有

9)相位差優(yōu)化策略，當(dāng)區(qū)域周期和綠信比調(diào)整確定后進(jìn)行相位差優(yōu)化，根據(jù)干線通行狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，當(dāng)下游交叉口有車輛排隊時，相位差設(shè)置條件如下式：

式中，L_j為路段j的長度，v_j為路段j的車輛平均速度，λ為排隊車輛的消散波速。

本發(fā)明具有如下有益的技術(shù)效果：

1.發(fā)明適用于區(qū)域不同交通狀態(tài)，通過建立配時模塊，如圖1所示，集成了多種不同特點的控制優(yōu)化算法，并根據(jù)交通流的實際情況優(yōu)化區(qū)域交叉口的信號配時參數(shù)。

2.適用于檢測器不同的安裝位置，根據(jù)交叉口交通流檢測器布設(shè)位置情況合理地選擇控制技術(shù)，從而使之能夠更廣泛地應(yīng)用到區(qū)域信號控制中。在圖2中展示了兩種檢測器安裝的方式，一種安裝在交叉口的進(jìn)口處，一種安裝在交叉口的出口處。安裝在進(jìn)口處的檢測器可以實時地檢測到到達(dá)交叉口的交通流情況，采用這種檢測器安裝方式的交叉口比較適合采用感應(yīng)控制實時控制技術(shù)；安裝在出口處得檢測器可以檢測到排隊長度，采用這種檢測器安裝方式的交叉口可以利用模糊控制。

3.考慮交叉口在多個周期內(nèi)交通需求的基礎(chǔ)上，以提升區(qū)域整體交通運行效率為目標(biāo)，綜合分析單交叉口的相位需求，制定區(qū)域信號自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制策略，進(jìn)一步對路段交通流進(jìn)行溢出(死鎖)檢測和相位差優(yōu)化，從而降低實時自適應(yīng)系統(tǒng)對交通流造成的不穩(wěn)定性和安全隱患。

附圖說明

圖1是多模型參考結(jié)構(gòu)圖。

圖2是檢測器不同安裝方式示意圖。

圖3是城市區(qū)域交通信號自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法流程圖。

圖4是交叉口信號相位需求分析及控制優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖針對發(fā)明內(nèi)容部分所采用的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，主要步驟如下：

Step 1：初始化信號配時，參照單交叉口Webster配時方法和區(qū)域信號協(xié)調(diào)控制策略或者優(yōu)化后的信號配時對各交叉口控制信號參數(shù)進(jìn)行初始化配置。

Step 2：各相位交通數(shù)據(jù)檢測，通過高清視頻檢測、地磁或者感應(yīng)線圈等檢測器對各相位內(nèi)的交通流進(jìn)行需求檢測，提供各交通流的相位時間供給是否能夠滿足實際交通流需求的基礎(chǔ)判定數(shù)據(jù)。

Step 3：相位需求分析，基于各相位交通流檢測數(shù)據(jù)，通過配時模塊提供符合該交通流情況下的參考信號配時數(shù)據(jù)，而現(xiàn)場信號控制器直接產(chǎn)生控制信號作用于交叉口的各相位交通流，由于信號控制器一般是采用多時段固定配時或者感應(yīng)控制方式，多時段固定配時其控制信號在一個時段是固定不變的，不能及時反映實變交通流的變化需求，而感應(yīng)控制一般用于主次干道交通流差異較大的單點控制，由于其周期變化不定，一般不適用于區(qū)域協(xié)調(diào)控制，多模型參考的主要功能是根據(jù)交通流檢測數(shù)據(jù)實時給出理想的配時信息，該該模塊集成多種實時控制算法，并根據(jù)路口不同交通狀態(tài)選用最符合的控制算法計算出最佳的配時信息，如圖4所示。所以兩者的配時信號參數(shù)通常是不一致的。

根據(jù)交通流的檢測數(shù)據(jù)選定模型算法后，計算出相應(yīng)的相位配時并與實際運行的信號配時進(jìn)行對比分析，過程如下：

1)配時模塊計算的相位綠燈時間大于實際運行的相位綠燈時間時，則對該相位標(biāo)注(+)，即該相位的實際綠燈時間不能滿足交通流需求，需增加該相位的綠燈時間以提高該相位的通行能力。

2)配時模塊計算的相位綠燈時間小于實際運行的相位綠燈時間時，則對該相位標(biāo)注(-)，即該相位的實際綠燈時間超過了交通流的需求，需減少該相位的綠燈時間以避免可能出現(xiàn)的綠燈空放現(xiàn)象。

3)配時模塊計算的相位綠燈時間等于實際運行的相位綠燈時間時，則對該相位標(biāo)注(0)，即該相位的實際綠燈時間能夠滿足交通流的需求，不需要調(diào)整相位綠燈時間。

Step 4：單交叉口周期調(diào)整策略，主要有兩種情況：一是不變周期情況，二是調(diào)整周期情況。

1)針對不變周期情況需滿足的條件如下：一個周期中各相位全部標(biāo)記為(0)，或者(+)和(-)均存在，則只需在此周期下調(diào)整各相位的綠信比，該交叉口標(biāo)記為(U)，該交叉口至少連續(xù)M個周期標(biāo)記為(U)時，則確定滿足此種情況。

2)針對調(diào)整周期情況需滿足的條件如下：一個周期各相位全部標(biāo)記為(+)或者(-)，則此周期已經(jīng)不適用所有相位的交通需求，需要增加或者減少周期時間并分配綠信比，該交叉口標(biāo)記為(C)，該交叉口至少連續(xù)M個周期標(biāo)記為(C)時，則確定滿足此種情況。

Step 5：區(qū)域協(xié)調(diào)策略分析，主要有兩種情況：一是區(qū)域內(nèi)部所屬交叉口周期不變情況，二是區(qū)域內(nèi)部交叉口周期調(diào)整情況。假設(shè)區(qū)域包含交叉口數(shù)量為N，關(guān)鍵交叉口為I_k。

1)周期不變情況滿足如下條件：區(qū)域內(nèi)部需調(diào)整周期的交叉口數(shù)量小于全部交叉口數(shù)量的一半，即：

2)周期調(diào)整情況滿足如下條件：區(qū)域內(nèi)部需調(diào)整周期的交叉口數(shù)量不小于全部交叉口數(shù)量的一半或者需調(diào)整關(guān)鍵交叉口，即：

Step 6：周期不變下的綠信比優(yōu)化策略，

1)針對交叉口周期各相位標(biāo)記為(0)時，則綠信比方案不需調(diào)整。

2)針對交叉口周期各相位標(biāo)記為(+)或(-)同時存在時，則在第M+1周期后執(zhí)行新的綠信比方案，具體優(yōu)化調(diào)整如下：假設(shè)模型計算的相位綠燈時間為g_m，實際運行相位綠燈時間為g_f，相位需求差異為Δt＝g_m-g_f。當(dāng)所有相位的需求差異和為零，即則把各相位的綠燈時間均衡分配。當(dāng)時，則把標(biāo)記為(-)的全部相位差異時間和平均分配到標(biāo)記為(+)的相位中，相應(yīng)減少標(biāo)記為(-)的相位綠燈時間，各相位分配到的綠燈時間為：p⁺為標(biāo)記為(+)的相位。

Step 7：周期調(diào)整下的綠信比分配策略，假定關(guān)鍵交叉口的周期長度為C_k，最大周期長度為L_max，有C_k≤L_max，相位增加或減少綠燈時間為g_a，最小綠燈時間為g_min。

1)針對全部相位標(biāo)記為(+)的情況，當(dāng)則有此時關(guān)鍵交叉口周期為當(dāng)有此時關(guān)鍵交叉口周期為C_{k_new}＝L_max。其余交叉口周期為C_i＝C_{k_new},0＜i＜n,i≠k，各相位綠信時間設(shè)置如下：

2)針對全部相位標(biāo)記為(-)的情況，當(dāng)g_m＜g_min，有當(dāng)g_m≥g_min，此時關(guān)鍵交叉口周期為其余區(qū)域交叉口周期為C_i＝C_{k_new},0＜i＜n,i≠k，各相位綠信時間設(shè)置如下：

Step 8：防溢出相位綠燈時間檢測，上游交叉口任意相位放入下游交叉口的車輛應(yīng)該不大于下游路段剩余路段容量，對于任意的流入相位需滿足如下條件，即

s_ik_ig_i(t+1)+N_j(t)≤N_{j_max},0＜i≤p

式中，s_i、k_i、g_i、N_j和N_{j_max}分別為車道飽和流率、車道數(shù)、相位有效綠時、路段當(dāng)前車輛排隊長度和最大排隊長度。

當(dāng)不滿足上述條件時，則有

Step 9：相位差優(yōu)化策略，當(dāng)區(qū)域周期和綠信比調(diào)整確定后進(jìn)行相位差優(yōu)化，根據(jù)干線通行狀態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，考慮當(dāng)下游交叉口有車輛排隊時，上游放行的車輛到達(dá)下游交叉口排隊車輛的時間應(yīng)于下游排隊車輛的消散波到達(dá)時刻相一致。據(jù)此，相位差設(shè)置條件如下式：

式中，L_j為路段j的長度，v_j為路段j的車輛平均速度，λ為排隊車輛的消散波速。