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相鄰交叉口的干道協(xié)調(diào)控制模型及其優(yōu)化方法

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相鄰交叉口的干道協(xié)調(diào)控制模型及其優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于城市交通控制中相鄰交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種相 鄰交叉口的干道協(xié)調(diào)控制模型及其優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前城市在以很快的速度發(fā)展壯大,同時(shí)帶來(lái)的問(wèn)題便是城市交通擁擠狀況日益 嚴(yán)重,在這樣的情況下,對(duì)交叉口的信號(hào)控制問(wèn)題就顯得尤為重要,尤其對(duì)車(chē)流量較大的干 道交叉口,因此合理的對(duì)干道交叉口的協(xié)調(diào)控制可以有效緩解城市交通擁擠狀況。傳統(tǒng)的 針對(duì)干道交叉口的信號(hào)控制方法有:數(shù)解法和圖解法,它們是以獲取最大綠波寬度為目標(biāo) 進(jìn)行求解得到協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)時(shí)差從而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。其中數(shù)解法較為常用,但在數(shù)解法 本身的計(jì)算過(guò)程中,考慮的因素過(guò)少,致使得到的信號(hào)解并不能獲得較好的實(shí)際控制效果。
[0003] 針對(duì)傳統(tǒng)的干道交叉口控制方法中存在的問(wèn)題,許多學(xué)者進(jìn)行了研宄:盧凱,谷遠(yuǎn) 利等人均以最小延誤為性能指標(biāo),建立了干道協(xié)調(diào)控制相位差模型。但分別采用的標(biāo)準(zhǔn)遺 傳算法與枚舉法的優(yōu)化算法存在一定的缺陷。萬(wàn)緒軍等人分析了上、下行車(chē)輛在交叉口的 延誤規(guī)律,建立了相位差的協(xié)調(diào)優(yōu)化模型,但所分析的規(guī)律并不全面,并且是以?xún)上辔豢刂?的相鄰交叉口為研宄對(duì)象。劉廣萍等人提出了在非飽和,飽和以及過(guò)飽和情況下的交叉口 延誤計(jì)算方法,但僅僅是以單交叉路口為研宄目標(biāo)提出了一種計(jì)算延誤的方法,且并沒(méi)有 提出完善的交通控制模型。
[0004] 因此,本文在這些研宄的基礎(chǔ)上,以上、下行車(chē)輛在交叉口前的總延誤為性能指 標(biāo),建立了在四相位控制條件下的相鄰路口間的干道協(xié)調(diào)控制方法,并采用改進(jìn)的遺傳算 法作為優(yōu)化算法,同時(shí)以周期長(zhǎng)度、主街配時(shí)、信號(hào)配時(shí)以及相位差作為參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求 解。最后與采用標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法作為優(yōu)化算法得到的結(jié)果進(jìn)行比較,驗(yàn)證所建立的干道協(xié)調(diào) 控制模型以及改進(jìn)遺傳算法的有效性,合理性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是以?xún)上噜徑徊婵陂g干道路口上游不同相位所到達(dá)車(chē)隊(duì)的隊(duì)首與 隊(duì)尾車(chē)輛遇到的信號(hào)燈狀態(tài),以及下游路口在放行期間是否達(dá)到平衡點(diǎn)分情況建立較為完 善的以干道路口前車(chē)輛總延誤最小為性能指標(biāo)的交通控制數(shù)學(xué)模型,利用基于最小生成樹(shù) 聚類(lèi)改進(jìn)遺傳算法對(duì)該模型進(jìn)行優(yōu)化求解,得到合理有效的周期長(zhǎng)度、主街配時(shí)、信號(hào)配時(shí) 以及相位差,從而對(duì)相鄰交叉口進(jìn)行交通控制。
[0006] 本發(fā)明的干道協(xié)調(diào)控制模型如下:針對(duì)相鄰交叉口(圖1)的干道協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)采 用更為完善的四相位設(shè)計(jì)方法,且兩個(gè)交叉口的距離取300~800m。針對(duì)連接干道上的車(chē) 輛,不考慮車(chē)輛的離散情況,車(chē)輛到達(dá)率不變,同時(shí)不同交叉口不同車(chē)道的車(chē)輛放行率不同 且不變。針對(duì)信號(hào)燈,不考慮信號(hào)燈轉(zhuǎn)換的損失時(shí)間。針對(duì)交叉口以及道路,不考慮行人的 影響以及右轉(zhuǎn)車(chē)輛的延誤,不考慮駕駛員以及行人等因素,相鄰交叉口的兩交叉口共用同 一周期長(zhǎng)度。
[0007] 以圖1所示的相鄰交叉路口系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型,并以從路口A到路口B下行為例, 分析計(jì)算從路口A放行車(chē)隊(duì)到達(dá)路口B的延誤時(shí)間。定義路口A第一相位綠燈啟亮?xí)r刻為 〇時(shí)刻,按照上游路口A放行車(chē)隊(duì)的隊(duì)首與隊(duì)尾車(chē)輛到達(dá)下游路口B遇到的信號(hào)燈狀態(tài),以 及下游路口B在放行期間是否達(dá)到平衡點(diǎn)分以下幾種情況:
[0008] (1)車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)交叉口B遇到第一紅燈(將交叉口A第一相位綠燈啟亮?xí)r刻作 為0時(shí)刻,即0時(shí)刻后,放行車(chē)隊(duì)在達(dá)到下游交叉口B時(shí),進(jìn)入對(duì)應(yīng)車(chē)道的車(chē)隊(duì)在該車(chē)道方 向上的信號(hào)燈第一次為紅燈),且車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)交叉口B遇到第二紅燈(0時(shí)刻后,放行車(chē) 隊(duì)在達(dá)到下游交叉口B時(shí),進(jìn)入對(duì)應(yīng)車(chē)道的車(chē)隊(duì)在該車(chē)道方向上的信號(hào)燈第二次為紅燈), 在交叉口B綠燈放行期間,達(dá)到平衡狀態(tài)(到達(dá)的車(chē)輛可以順利通過(guò)交叉口),滿(mǎn)足如下條 件:
[0009] 車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)交叉口B的時(shí)刻:
【主權(quán)項(xiàng)】
1.相鄰交叉口的干道協(xié)調(diào)控制模型,其特征在于:針對(duì)相鄰交叉口的干道協(xié)調(diào)控制系 統(tǒng)采用更為完善的四相位設(shè)計(jì)方法,且兩個(gè)交叉口的距離取300~800m;針對(duì)連接干道上 的車(chē)輛,不考慮車(chē)輛的離散情況,車(chē)輛到達(dá)率不變,同時(shí)不同交叉口不同車(chē)道的車(chē)輛放行率 不同且不變;針對(duì)信號(hào)燈,不考慮信號(hào)燈轉(zhuǎn)換的損失時(shí)間;針對(duì)交叉口以及道路,不考慮行 人的影響以及右轉(zhuǎn)車(chē)輛的延誤,不考慮駕駛員以及行人等因素,相鄰交叉口的兩交叉口共 用同一周期長(zhǎng)度; 相鄰交叉路口系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型,并以從路口A到路口B下行為例,分析計(jì)算從路口A放行車(chē)隊(duì)到達(dá)路口B的延誤時(shí)間;定義路口A第一相位綠燈啟亮?xí)r刻為0時(shí)刻,按照上游路 口A放行車(chē)隊(duì)的隊(duì)首與隊(duì)尾車(chē)輛到達(dá)下游路口B遇到的信號(hào)燈狀態(tài),以及下游路口B在放 行期間是否達(dá)到平衡點(diǎn)分以下幾種情況:(1)車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)交叉口B遇到第一紅燈(將交 叉口A第一相位綠燈啟亮?xí)r刻作為0時(shí)刻,即0時(shí)刻后,放行車(chē)隊(duì)在達(dá)到下游交叉口B時(shí), 進(jìn)入對(duì)應(yīng)車(chē)道的車(chē)隊(duì)在該車(chē)道方向上的信號(hào)燈第一次為紅燈),且車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)交叉口B 遇到第二紅燈(0時(shí)刻后,放行車(chē)隊(duì)在達(dá)到下游交叉口B時(shí),進(jìn)入對(duì)應(yīng)車(chē)道的車(chē)隊(duì)在該車(chē)道 方向上的信號(hào)燈第二次為紅燈),在交叉口B綠燈放行期間,達(dá)到平衡狀態(tài)(到達(dá)的車(chē)輛可 以順利通過(guò)交叉口),滿(mǎn)足如下條件: 車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)交叉口B的時(shí)刻
車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)交叉口B的時(shí)刻:
交叉口B對(duì)應(yīng)相位的綠燈啟亮?xí)r刻與達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)刻的時(shí)間間隔:
其中,a為車(chē)隊(duì)頭部在上游交叉口A準(zhǔn)備出發(fā)時(shí)已經(jīng)過(guò)了的時(shí)間長(zhǎng),L為兩相鄰交叉口A、B間的間距,U為放行車(chē)隊(duì)到達(dá)下游交叉口B時(shí)路口前的車(chē)輛排隊(duì)長(zhǎng)度,v為車(chē)輛在道路 上的平均行駛速度,T為相位差,巧為交叉口B南北向的綠燈時(shí)長(zhǎng)(此時(shí)東西向是紅燈),T1 為交叉口B對(duì)應(yīng)放行相位的綠燈啟亮?xí)r刻,N為上游交叉口A在放行相位下放行的車(chē)隊(duì)車(chē) 輛數(shù),有N=sd*g,g為放行相位的時(shí)間長(zhǎng),8(1為車(chē)輛到達(dá)率,q為車(chē)輛放行率,g下游交 叉口B對(duì)應(yīng)放行相位的綠燈時(shí)間長(zhǎng),C為周期長(zhǎng)度,t為達(dá)到平衡點(diǎn)的時(shí)刻,ni為放行車(chē)輛 到達(dá)交叉口B對(duì)應(yīng)車(chē)道的排隊(duì)車(chē)輛數(shù),有'^ Vr為一輛車(chē)的平均車(chē)身長(zhǎng)度(車(chē)輛數(shù)與 Vr 車(chē)隊(duì)長(zhǎng)度的換算值); 該車(chē)隊(duì)延誤描述如下, 心為車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)交叉口B的時(shí)刻,12為車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)交叉口B的時(shí)刻,t為車(chē)隊(duì)到達(dá) 交叉口B在綠燈放行期間達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)刻,x為交叉口B對(duì)應(yīng)相位的綠燈啟亮?xí)r刻與 達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間間隔,該車(chē)隊(duì)的受阻時(shí)間長(zhǎng),受阻延誤Dd為:
(2)車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)交叉口B遇到第一紅燈,車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)交叉口B遇到第二紅燈,且在 交叉口B綠燈放行期間,未達(dá)到平衡狀態(tài),滿(mǎn)足如下條件: 車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)路口B的時(shí)刻:
車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)路口B的時(shí)刻J
未達(dá)到平衡狀態(tài):N+ni>sd*gB 其中,N為上游路口A在綠燈時(shí)間內(nèi)放行車(chē)隊(duì)的總車(chē)輛數(shù); 該車(chē)隊(duì)延誤描述如下, 車(chē)隊(duì)受阻描述下,車(chē)隊(duì)的受阻延誤Dd為:
(3) 車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)交叉口B遇到第一紅燈,車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)交叉口B遇到綠燈,且在交叉 口B綠燈放行期間,達(dá)到平衡狀態(tài)加下容件? 車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)路口B的時(shí)刻
車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)路口B的時(shí)刻
該車(chē)隊(duì)延誤描述如下, 其中x為交叉口B對(duì)應(yīng)相位的綠燈啟亮?xí)r刻與達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間間隔,該車(chē)隊(duì)的受 阻時(shí)間長(zhǎng),受阻延誤Dd為:
(3) (4) 車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)交叉口B遇到第一紅燈,車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)交叉口B遇到綠燈,且在該綠 燈時(shí)長(zhǎng)內(nèi)到達(dá)平衡狀態(tài)前,隊(duì)尾最后一輛車(chē)已經(jīng)到達(dá)交叉口B,沒(méi)有車(chē)輛繼續(xù)到達(dá),滿(mǎn)足如 下條件: 車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)路口B的時(shí)亥L
車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)路口B的時(shí)刻
在達(dá)到平衡狀態(tài)前,車(chē)隊(duì)最后一輛車(chē)已經(jīng)到達(dá)交叉口B:x<gB 該車(chē)隊(duì)延誤描述如下, 其中x為交叉口B對(duì)應(yīng)相位的綠燈啟亮?xí)r刻與達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間間隔,該車(chē)隊(duì)的受 阻時(shí)間長(zhǎng),受阻延誤D,為:
(4) (5) 車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)交叉口B遇到第一紅燈,車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)交叉口B遇到綠燈,且在隊(duì)尾 最后一輛車(chē)到達(dá)交叉口B時(shí),都未達(dá)到平衡狀態(tài),即在綠燈時(shí)長(zhǎng)內(nèi),未完全把車(chē)隊(duì)放行,滿(mǎn) 足如下條件: 車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)路口B的時(shí)刻
車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)路口B的時(shí)刻
交叉口B綠燈時(shí)長(zhǎng)內(nèi)未完全把車(chē)隊(duì)放行:N+ni>sd*gB 該車(chē)隊(duì)延誤描述如下, 車(chē)隊(duì)受阻延誤Dd為:
(6) 車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)交叉口B遇到第一紅燈,車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)交叉口B也遇到第一紅燈,且 在交叉口B的綠燈時(shí)長(zhǎng)內(nèi)可以把主以主無(wú)宗仝協(xié)桿?滿(mǎn)F加下備件: 車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)路口B的時(shí)刻
車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)路口B的時(shí)刻:
交叉口B綠燈時(shí)長(zhǎng)內(nèi)未完全把車(chē)隊(duì)放行:N+ni<sd*gB 該車(chē)隊(duì)延誤描述如下, 車(chē)隊(duì)受阻延誤D,為:
(6) (7) 車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)交叉口B遇到第一紅燈,車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)交叉口B也遇到第一紅燈,且 在交叉口B的綠燈時(shí)長(zhǎng)內(nèi)車(chē)隊(duì)車(chē)輛未完全放行,滿(mǎn)足如下條件: 車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)路口B的時(shí)刻:
車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)路口B的時(shí)刻:(
交叉口B綠燈時(shí)長(zhǎng)內(nèi)未完全把車(chē)隊(duì)放行:N+ni>sd*gB 該車(chē)隊(duì)延誤描述如下, 車(chē)隊(duì)受阻延誤Dd為:
(8) 車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)交叉口B遇到綠燈,且到達(dá)交叉口B前的排隊(duì)車(chē)輛數(shù)未消散,車(chē)隊(duì) 尾部到達(dá)交叉口B遇到第二紅燈,且在交叉口B綠燈放行期間,達(dá)到平衡狀態(tài),滿(mǎn)足如下條 件:
車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)路口B的時(shí)刻: 車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)路口B的時(shí)刻J
車(chē)隊(duì)頭部達(dá)到交叉口B的時(shí)刻與達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)刻的時(shí)間間隔:
其中,。為車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)交叉口B時(shí)剩余車(chē)輛的排隊(duì)長(zhǎng)度,112為車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)下游交 叉口B時(shí)剩余的排隊(duì)車(chē)輛數(shù),有巧=^ ; Vr 由下式:
該車(chē)隊(duì)延誤描述如下, 車(chē)隊(duì)#陽(yáng)延誤IL為:
(9) 車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)交叉口B遇到綠燈,且到達(dá)交叉口B前的排隊(duì)車(chē)輛數(shù)未消散,車(chē)隊(duì)尾 部到達(dá)交叉口B遇到第二紅燈,且在交叉口B綠燈放行期間,未達(dá)到平衡狀態(tài),滿(mǎn)足如下條 件: 車(chē)隊(duì)頭部到達(dá)路口B的時(shí)刻 車(chē)隊(duì)尾部到達(dá)路口B的時(shí)刻:
未到達(dá)平衡狀態(tài):N+n2>s^Ti+gfti) 該車(chē)隊(duì)延誤描述如下, 車(chē)隊(duì)受阻延誤Dd為:
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