本發(fā)明涉及交通管控領(lǐng)域，具體涉及一種設置逆向可變車道的交叉口信號配時方法。

背景技術(shù)：

交叉口逆向可變車道是變向交通管理的一種新興形式，主要設置在信號控制交叉口的出口道內(nèi)側(cè)，既具有出口道行車道功能又具有進口左轉(zhuǎn)導向車道功能，由于其工程投資小且能有效緩解交叉口高峰時段的左轉(zhuǎn)過飽和擁堵，而逐步被認可和應用。

隨著城市交通壓力的進一步增大，逆向可變車道的效益正在逐步減弱，主要原因是缺少與交叉口信號控制的協(xié)同優(yōu)化，未實現(xiàn)交叉口的整體管控效益最大化。為此，有必要針對設置逆向可變車道的交叉口運行特征進行系統(tǒng)深入的研究，提出一種設置逆向可變車道的交叉口信號配時方法，以充分發(fā)揮逆向可變車道的功能效益。

設置逆向可變車道的交叉口信號配時方法，實質(zhì)上是在確定好環(huán)結(jié)構(gòu)信號相位相序的前提下，依據(jù)設置逆向可變車道的車流運行特征提出信號周期、有效綠燈時間、清空時間等配時參數(shù)計算方法，進而基于安全和效率最優(yōu)構(gòu)建逆向可變車道控制和信號控制參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化函數(shù)，在一系列約束條件下對其進行求解，最終得到設置逆向可變車道的交叉口最優(yōu)信號配時方案。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供了一種設置逆向可變車道的交叉口信號配時方法，克服了目前對設有逆向可變車道交叉口信號配時設計的盲目性，通過構(gòu)建逆向可變車道控制參數(shù)和信號控制參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化函數(shù)，并在運行安全約束條件下尋求最優(yōu)的逆向可變車道及信號配時方案，實現(xiàn)了逆向可變車道安全性最大條件下的交叉口管控效益最大，提高了設置逆向可變車道的交叉口信號配時方法的科學性和實用性。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明包括以下步驟：

a)設置逆向可變車道交叉口環(huán)結(jié)構(gòu)信號相位相序設計

以一般的四路交叉口為例，在交叉口南進口的左轉(zhuǎn)相位設置逆向可變車道，在信號相序設計中，同一個進口先左轉(zhuǎn)再直行；逆向可變車道的信號相位作為交叉口信號中相位3和相位6的跟隨相位來處理，基于環(huán)結(jié)構(gòu)的相位相序設計如圖2所示。

b)確定逆向可變車道的飽和流量

按照逆向可變車道與正常左轉(zhuǎn)車道的有效綠燈時間的比例關(guān)系，確定逆向可變車道的飽和流量；

這里的計算參數(shù)包括：逆向可變車道的飽和流量slr，逆向可變車道的有效綠燈時長glr，逆向可變車道所在左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時長gl，一條正常左轉(zhuǎn)車道的飽和流量sl。

c)設置逆向可變車道交叉口信號配時參數(shù)計算

a)計算交叉口流量比之和

在環(huán)結(jié)構(gòu)配時模式下，交叉口流量比之和計算參數(shù)包括：交叉口流量比之和y，環(huán)結(jié)構(gòu)中的環(huán)編號a，環(huán)結(jié)構(gòu)中的信號屏障編號b，信號屏障b內(nèi)環(huán)a的流量比之和y’ab，交通流量q，飽和流量s；

b)計算信號周期時長

采用韋伯斯特公式計算交叉口信號周期時長，這里的計算參數(shù)包括：最佳周期時長c，信號總損失時間l，交叉口流量比之和y；

c)分配各相位有效綠燈時長

根據(jù)等飽和度原則計算每個相位的綠信比，進而合理分配各相位有效綠燈時間，這里的計算參數(shù)包括：相位i的有效綠燈時間gi，信號屏障b內(nèi)環(huán)a的流量比之和y’ab，最佳周期時長c，信號總損失時間l，相位i的流量比yi，交叉口流量比之和y；

d)逆向可變車道的清空時間

逆向可變車道的清空時間由逆向可變車道的長度與車輛行駛特征計算，計算參數(shù)包括：逆向可變車道的清空時間tlc，逆向可變車道的長度a，車輛的啟動加速度a，左轉(zhuǎn)車輛通過交叉口的穩(wěn)定車速v，逆向可變車道的安全時間tls；

e)逆向可變車道的提前開啟時間

逆向可變車道的提前開啟時間取逆向可變車道的清空時間。

d)控制變量約束條件確定

為確保得到合理的信號配時方案，需要滿足以下四項約束條件：

①對于每一股車流，車道組有效綠燈時間應大于或等于最小綠燈時間，這里的參數(shù)包括相位i的有效綠燈時間gi，最小綠燈時間gmin；

②所有相位有效綠燈時間之和加上一個信號周期內(nèi)的總損失時間即為信號周期時長，這一信號周期時長應在臨界的上、下限之間，這里的參數(shù)包括最小周期時長cmin，最大周期時長cmax，相位i的有效綠燈時間gi，信號周期總損失時間l；

③為了提高逆向可變車道的使用率，逆向可變車道所在左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時長必須大于或等于逆向可變車道的提前開啟時間，這里的參數(shù)包括逆向可變車道所在左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時長gl，逆向可變車道的提前開啟時間tlt；

④為確保逆向可變車道使用的安全性，逆向可變車道的提前開啟時間應小于上一個直行相位的有效綠燈時間，這里的參數(shù)包括逆向可變車道的提前開啟時間tlt，上一個直行相位的有效綠燈時間gs。

e)協(xié)同優(yōu)化目標函數(shù)構(gòu)建及求解

以上四項為約束條件，以安全和效率最優(yōu)為目標構(gòu)建逆向可變車道控制和信號控制參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化函數(shù)，當增加一個周期的延誤減少率低于1％，即可確定此時優(yōu)化求解結(jié)束，輸出最優(yōu)方案，優(yōu)化目標函數(shù)的計算參數(shù)包括：交叉口的總延誤時間d，各進口車流量qj，逆向可變車道所在左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時長gl，逆向可變車道的安全清空時長tls，tn周期內(nèi)的交叉口的延誤時間d(tn)，tn+1周期內(nèi)的交叉口的延誤時間d(tn+1)。

f)最優(yōu)信號控制方案輸出

通過以上計算及約束條件，得到交叉口的信號配時方案，這里的參數(shù)包括：t1為階段1東西向左轉(zhuǎn)的綠燈時長，t2為階段2東西向直行但逆向可變車道未開啟的綠燈時長，t3為階段3東西向直行且逆向可變車道的提前開啟時長，t4為階段4南口逆向可變車道的綠燈時長，t5為階段5南口逆向可變車道的清空時長，t4+t5為南北向正常左轉(zhuǎn)的綠燈時長，t6為階段6南北向直行的綠燈時長，c為周期時長。

本發(fā)明在設置逆向可變車道的交叉口信號配時方法中，首先明確交叉口信號相序、確定逆向可變車道的飽和流量，再基于環(huán)結(jié)構(gòu)進行信號配時設計，結(jié)合有效綠燈時間、周期時長等約束條件，以安全和效率最優(yōu)為目標構(gòu)建逆向可變車道控制和信號控制參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化函數(shù)，求解最優(yōu)信號配時方案。

本發(fā)明有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特點：

1)本發(fā)明提出了基于環(huán)結(jié)構(gòu)的設置逆向可變車道交叉口信號配時方法，首先根據(jù)車流沖突及運行特征提出了交叉口相位相序設計方案，然后依據(jù)逆向可變車道的長度與車輛行駛特征，建立逆向可變車道飽和流量、清空時間及提前開啟時間的計算模型，并確定周期及相位有效綠燈時長計算方法。

2)本發(fā)明以安全和效率最優(yōu)為目標，構(gòu)建了交叉口逆向可變車道和信號控制參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化模型，確定了控制參數(shù)的約束條件，并設計了科學的求解方法，能夠在保障安全性最大的前提下實現(xiàn)交叉口逆向可變車道管理模式的效益最優(yōu)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法流程圖；

圖2是基于環(huán)結(jié)構(gòu)的相位相序設計圖；

圖3是交叉口的信號配時方案圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步說明：如圖1所示，一種設置逆向可變車道的交叉口信號配時方法，步驟包括：設置逆向可變車道交叉口信號相位相序設計、確定逆向可變車道的飽和流量、設置逆向可變車道交叉口信號配時參數(shù)計算、控制變量約束條件確定、協(xié)同優(yōu)化目標函數(shù)構(gòu)建及求解、最優(yōu)信號控制方案輸出。

a)設置逆向可變車道交叉口環(huán)結(jié)構(gòu)信號相位相序設計

以一般的四路交叉口為例，在交叉口南進口的左轉(zhuǎn)相位設置逆向可變車道，在信號相序設計中，為確保行車安全高效，同一個進口先左轉(zhuǎn)再直行；逆向可變車道的信號相位作為交叉口信號中相位3和相位6的跟隨相位來處理，基于環(huán)結(jié)構(gòu)的相位相序設計如圖2所示。

b)確定逆向可變車道的飽和流量

這里的計算參數(shù)包括：逆向可變車道的飽和流量slr，逆向可變車道的有效綠燈時長glr，逆向可變車道所在左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時長gl，一條正常左轉(zhuǎn)車道的飽和流量sl；

按照逆向可變車道與正常左轉(zhuǎn)車道的有效綠燈時間的比例關(guān)系，確定逆向可變車道的飽和流量為：

c)設置逆向可變車道交叉口信號配時參數(shù)計算

在交叉口的信號配時中，基于全球范圍通用的環(huán)結(jié)構(gòu)進行信號配時設計，設計內(nèi)容包括：

a)計算交叉口流量比之和

交叉口流量比計算參數(shù)包括：交叉口流量比之和y，環(huán)結(jié)構(gòu)中的環(huán)編號a，環(huán)結(jié)構(gòu)中的信號屏障編號b，信號屏障b內(nèi)環(huán)a的流量比之和y’ab，交通流量q，飽和流量s；

設有逆向可變車道的交叉口僅僅是通行能力發(fā)生了變化，仍然采用傳統(tǒng)的信號周期計算公式，即確定好關(guān)鍵相位的流向比之和后進行計算，只是流向比計算中要考慮逆向可變車道是否開啟，在環(huán)結(jié)構(gòu)配時模式下，交叉口的流量比之和為：

b)計算信號周期時長

這里的計算參數(shù)包括：最佳周期時長c，信號總損失時間l，交叉口流量比之和y；

采用韋伯斯特公式計算交叉口的信號周期時長為：

c＝(1.5l+5)/(1-y)

c)分配各相位有效綠燈時長

這里的計算參數(shù)包括：相位i的有效綠燈時間gi，信號屏障b內(nèi)環(huán)a的流量比之和y’ab，最佳周期時長c，信號總損失時間l，相位i的流量比yi，交叉口流量比之和y；

根據(jù)等飽和度原則合理分配每個相位的綠信比，進而得到各相位的有效綠燈時間為：

gi＝max(y’ab)*(c-l)*yi/(y*y’ab)

d)逆向可變車道的清空時間

計算參數(shù)包括：逆向可變車道的清空時間tlc，逆向可變車道的長度a，車輛的啟動加速度a，左轉(zhuǎn)車輛通過交叉口的穩(wěn)定車速v，逆向可變車道的安全時間tls；

逆向可變車道的清空時間由逆向可變車道的長度與車輛行駛特征計算，逆向可變車道的安全時間tls取3-5秒；

這里考慮了逆向可變車道的行車安全性，依據(jù)逆向可變車道的長度與車輛行駛特征，建立了逆向可變車道的清空時間計算方法，并為計算后面逆向可變車道的提前開啟時間提供了依據(jù)。

e)逆向可變車道的提前開啟時間

這里的參數(shù)包括：逆向可變車道的提前開啟時間tlt，逆向可變車道的清空時間tlc；

為了保證安全性，同時提高逆向車道的運行效率，逆向可變車道的提前開啟時間取逆向可變車道的清空時間：

tlt＝tlc

d)控制變量約束條件確定

為確保得到合理的信號配時方案，需要滿足以下四項約束條件：

①對于每一股車流，車道組有效綠燈時間應大于或等于最小綠燈時間：

這里的參數(shù)包括相位i的有效綠燈時間gi，最小綠燈時間gmin；

②對于信號交叉口，所有相位有效綠燈時間之和加上一個信號周期內(nèi)的總損失時間即為信號周期時長，這一信號周期時長應在臨界的上、下限之間：

這里的參數(shù)包括最小周期時長cmin，最大周期時長cmax，相位i的有效綠燈時間gi，信號周期總損失時間l；

③為了提高逆向可變車道的使用率，逆向可變車道所在左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時長必須大于或等于逆向可變車道的提前開啟時間，這里的參數(shù)包括逆向可變車道所在左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時長gl，逆向可變車道的提前開啟時間tlt：

gl≥tlt

④為保證逆向可變車道的安全性，逆向可變車道的提前開啟時間應小于上一個直行相位的有效綠燈時間：

tlt<gs

這里的參數(shù)包括逆向可變車道的提前開啟時間tlt，上一個直行相位的有效綠燈時間gs。

e)協(xié)同優(yōu)化目標函數(shù)構(gòu)建及求解

由于交叉口車均延誤、排隊長度和停車次數(shù)具有明顯的正相關(guān)性，考慮設置逆向可變車道的安全性和效率最優(yōu)，因此設置逆向可變車道的交叉口信號配時優(yōu)化模型中只選取交叉口車均延誤和逆向可變車道開啟時長最小作為優(yōu)化目標，并將約束條件判定中的四項條件為約束條件，優(yōu)化目標函數(shù)模型如下：

上式為四個約束條件下兩個優(yōu)化目標的的多目標優(yōu)化問題，可由matlab軟件提供的fminimax函數(shù)進行求解，當增加一個周期的延誤減少率低于1％，即

此時可確定此時優(yōu)化求解結(jié)束，輸出最優(yōu)方案；

計算參數(shù)包括：交叉口的總延誤時間d，各進口車流量qj，逆向可變車道所在左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時長gl，逆向可變車道的安全清空時長tls，tn周期內(nèi)的交叉口的延誤時間d(tn)，tn+1周期內(nèi)的交叉口的延誤時間d(tn+1)，約束條件中的計算參數(shù)與約束條件判定中的參數(shù)一致。

f)最優(yōu)信號控制方案輸出

這里的參數(shù)包括：t1為階段1東西向左轉(zhuǎn)的綠燈時長，t2為階段2東西向直行但逆向可變車道未開啟的綠燈時長，t3為階段3東西向直行且逆向可變車道的提前開啟時長，t4為階段4南口逆向可變車道的綠燈時長，t5為階段5南口逆向可變車道的清空時長，t4+t5為南北向正常左轉(zhuǎn)的綠燈時長，t6為階段6南北向直行的綠燈時長，c為周期時長；

通過以上計算及約束條件，得到交叉口的信號配時方案，如圖3所示。

應當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。