城市道路机动车交通信号控制的元胞仿真方法

摘要

本发明公开了一种城市道路机动车交通信号控制的元胞仿真方法，其包括以下步骤：S1、根据实际城市道路网构造仿真路网的拓扑结构；S2、设置仿真路网上所有连线及交叉口的几何参数；S3、设计仿真路网上所有连线的二维元胞划分方案：S4、设置仿真路网的交通流特征参数、仿真路网上所有交叉口的信号控制参数、仿真参数；S5、进行仿真过程。本发明实现准确地估计机动车流在信号控制交叉口进口的左转和直行方向上的排队长度、排队延误、停车次数等评价指标或优化目标，用于城市道路交叉口信号协调控制方案优化与仿真过程。

权利要求

1.一种城市道路机动车交通信号控制的元胞仿真方法，包括以下步骤：S1、根据实际城市道路网构造仿真路网的拓扑结构；

S2、设置仿真路网上所有连线及交叉口的几何参数；

S3、设计仿真路网上所有连线的二维元胞划分方案：S4、设置仿真路网的交通流特征参数、仿真路网上所有交叉口的信号控制参数、仿真参数；

S5、进行仿真过程；

其特征在于：S5包括S5.1交通信号控制仿真、S5.2路网交通流运行仿真、S5.3动态获取优化目标或评价指标三个具体步骤：S5.1交通信号控制仿真：

S5.1.1设置当前相位；

S5.1.2绿灯时间向前推进一个仿真步长，并判断是否到达设定绿灯时间：若为真，则转向步骤S5.1.3；若为假，则转向步骤S5.1.2；

S5.1.3黄灯时间向前推进一个仿真步长，并判断是否到达设定黄灯时间：若为真，则转向步骤S5.1.4；若为假，则转向步骤S5.1.3；

S5.1.4全红时间向前推进一个仿真步长，并判断是否到达设定全红时间：若为真，则转向步骤S5.1.1；若为假，则转向步骤S5.1.4；

S5.2路网交通流运行仿真：

S5.2.1以均匀分布生成各个边界流入连线在仿真时段内所有仿真步长的进入车辆数；

S5.2.2设置每个元胞的初始状态；S5.2.3推进一个仿真步长，并计算每个元胞内存在的车辆数及流出的车辆数；S5.2.4判断仿真时间是否达到预设的仿真时长，若为真，则结束仿真过程；若为假，则转向步骤S5.2.3；

S5.3动态获取优化目标或评价指标：

S5.3.1计算每个元胞的状态，即元胞是否处于阻塞状态，如果元胞流出车辆数为零且元胞内存在的车辆数大于零，则元胞处于阻塞状态，否则元胞处于畅通状态；

S5.3.2每个仿真步长根据元胞状态计算车辆排队长度、排队延误、停车次数等评价指标；

S5.3.3当仿真时间为动态获取评价指标的步长的整数倍时，输出评价指标。

说明书

城市道路机动车交通信号控制的元胞仿真方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种仿真方法，特别是涉及一种城市道路机动车交通信号控制的元胞仿真方法。

背景技术

[0002] Daganzo C.F.提出的元胞传输模型（Cell Transmission Model，CTM）认为路段上交通流参数的空间变化主要发生在连线纵向上，而连线横向上的交通流空间变化可以忽略，认为同一个元胞内的交通流参数只随时间变化。元胞传输模型十分适合于模拟高速公路上的连续交通流的运行特征。元胞传输模型也可应用于城市道路交通流运行仿真。但是，如果像在高速公路上那样，仍然沿着车流前进方向将路段划分为多个一维元胞的方法存在不足，具体有两个方面：一是不能有效描述车流在四相位交通信号控制交叉口上的运行规律，二是不能准确估计交叉口进口的左转和直行方向上机动车流的排队长度、排队延误、停车次数等优化目标或评价指标。

发明内容

[0003] 本发明所要解决的技术问题是提供一种城市道路机动车交通信号控制的元胞仿真方法，其建立用于模拟信号控制路网上交通流运行规律的二维元胞传输方案与模型，以实现准确地估计机动车流在信号控制交叉口进口的左转和直行方向上的排队长度、排队延误、停车次数等评价指标或优化目标，用于城市道路交叉口信号协调控制方案优化与仿真过程。

[0004] 本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种城市道路机动车交通信号控制的元胞仿真方法，其特征在于，其包括以下步骤：

[0005] S1、根据实际城市道路网构造仿真路网的拓扑结构；

[0006] S2、设置仿真路网上所有连线及交叉口的几何参数；

[0007] S3、设计仿真路网上所有连线的二维元胞划分方案：

[0008] S4、设置仿真路网的交通流特征参数、仿真路网上所有交叉口的信号控制参数、仿真参数；

[0009] S5、进行仿真过程。

[0010] 优选地，所述步骤S1包括以下具体步骤：S1.1将实际城市道路网上的所有连线编号；S1.2对实际城市道路网上的所有交叉口进口上的车流流向进行编号，车流流向包括左转、直行、右转流向；S1.3建立实际城市道路网上的所有交叉口进口上的车流流向编号与对应的流入连线编号和流出连线编号之间的对应关系。

[0011] 优选地，所述步骤S2包括以下具体步骤：S2.1对于连线设置几何参数，几何参数包括：连线类型和连线长度，连线类型包括边界流入连线、边界流出连线、内部连线；S2.2对于交叉口设置几何参数，几何参数包括：进口道的长度、进口道车流流向的类型、进口道车流流向上的车道数，进口道车流流向包括左转、直行、右转流向。

[0012] 优选地，所述步骤S3包括以下具体步骤：S3.1对于边界流出连线，仅划分为一维元胞序列；S3.2对于边界流入连线和内部连线，划分为二维元胞网格。

[0013] 优选地，所述步骤S4包括以下具体步骤：S4.1设置仿真路网的交通流特征参数：S4.1.1对于交叉口，设置每个进口上车流流向的车流比例；S4.1.2对于边界流入连线，设置进入边界流入连线的实际流量与可进入连线的最大流量的比值；S4.2设置仿真路网上所有交叉口的信号控制参数：S4.2.1设定各个交叉口的信号相位方案及所包含相位的编号，设定所有车流方向（左转、直行、右转）所在的信号相位方案编号及相位编号；S4.2.2设定所有信号相位方案的时间参数，时间参数包括周期时长、相位差、相位绿灯时间、相位黄灯时间、相位全红时间；S4.3设置仿真参数，具体包括仿真步长、仿真时长、动态获取评价指标的步长。

[0014] 优选地，所述步骤S5包括以下具体步骤：交通信号仿真、路网交通流运行仿真、动态获取优化目标或评价指标三个具体步骤。

[0015] 优选地，所述交通信号仿真步骤包括以下具体步骤：S5.1.1设置当前相位；S5.1.2绿灯时间向前推进一个仿真步长，并判断是否到达设定绿灯时间：若为真，则转向步骤S5.1.3；若为假，则转向步骤S5.1.2；S5.1.3黄灯时间向前推进一个仿真步长，并判断是否到达设定黄灯时间：若为真，则转向步骤S5.1.4；若为假，则转向步骤S5.1.3；S5.1.4全红时间向前推进一个仿真步长，并判断是否到达设定全红时间：若为真，则转向步骤S5.1.1；若为假，则转向步骤S5.1.4。

[0016] 优选地，所述路网交通流运行仿真步骤包括以下具体步骤：S5.2.1以均匀分布生成各个边界流入连线在仿真时段内所有仿真步长的进入车辆数；S5.2.2设置每个元胞的初始状态；S5.2.3推进一个仿真步长，并计算每个元胞内存在的车辆数及流出的车辆数；S5.2.4判断仿真时间是否达到预设的仿真时长，若为真，则结束仿真过程；若为假，则转向步骤S5.2.3。

[0017] 优选地，所述动态获取优化目标或评价指标步骤包括以下具体步骤：S5.3.1计算每个元胞的状态，即元胞是否处于阻塞状态，如果元胞流出车辆数为零且元胞内存在的车辆数大于零，则元胞处于阻塞状态，否则元胞处于畅通状态；S5.3.2每个仿真步长根据元胞状态计算车辆排队长度、排队延误、停车次数等评价指标；S5.3.3当仿真时间为动态获取评价指标的步长的整数倍时，输出评价指标。

[0018] 本发明的积极进步效果在于：（1）本发明能有效模拟机动车流在二相位及多相位（包括四相位）交通信号控制交叉口上的运行规律。（2）本发明能够准确估计机动车流在信号控制交叉口进口的左转、直行、右转（如果受信号控制）方向上的排队长度、排队延误、停车次数等评价指标或优化目标。（3）与一维元胞传输模型相比，本发明获得的评价指标的相对误差更小，对优化目标或评价指标的估计更为准确。（4）本发明可以仿真排队溢出和车道阻塞现象。

附图说明

[0019] 图1为本发明城市道路机动车交通信号控制的元胞仿真方法的流程图。

[0020] 图2为本发明进行验证实验所用到的一个十字交叉口示意图。

[0021] 图3（a）为一维划分方案示意图，图3（b）为二维划分方案示意图。

[0022] 图4（a）为平均延误的对比示意图，图4（b）为平均延误的相对误差的对比示意图，图4(c)为平均延误的绝对相对误差的对比示意图，图4（d）为平均绝对相对误差的对比示意图。

[0023] 图5（a）为一条连线上的直行车辆排队示意图，图5（b）为一维元胞n与其三个后继虚拟二维元胞（1，n’）、（2，n’）（3，n’）之间的关系示意图，图5（c）为二维元胞（1，n）、（2，n）、（3，n）与其三个后继虚拟二维元胞（1，n’）、（2，n’）、（3，n’）之间的关系示意图，图5（d）为一维元胞划分方法对于直行车流排队的估计示意图，图5（e）为二维元胞划分方法对于直行车流排队的估计结果示意图。

具体实施方式

[0024] 下面结合附图给出本发明的流程和较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

[0025] 如图1所示，本发明城市道路机动车交通信号控制的元胞仿真方法包括以下步骤：

[0026] 步骤（1）根据实际城市道路网构造仿真路网的拓扑结构：（1.1）将实际城市道路网上的所有连线编号；（1.2）对实际城市道路网上的所有交叉口进口上的车流流向进行编号，车流流向包括左转、直行、右转流向；（1.3）建立实际城市道路网上的所有交叉口进口上的车流流向编号与对应的流入连线编号和流出连线编号之间的对应关系；

[0027] 步骤（2）设置仿真路网上所有连线及交叉口的几何参数：（2.1）对于连线设置几何参数，几何参数包括：连线类型和连线长度，连线类型包括边界流入连线、边界流出连线、内部连线；（2.2）对于交叉口设置几何参数，几何参数包括：进口道的长度、进口道车流流向的类型、进口道车流流向上的车道数，进口道车流流向包括左转、直行、右转流向；

[0028] 步骤（3）设计仿真路网上所有连线的二维元胞划分方案：（3.1）对于边界流出连线，仅划分为一维元胞序列；（3.2）对于边界流入连线和内部连线，划分为二维元胞网格；

[0029] 步骤（4）设置参数，具体包括设置仿真路网的交通流特征参数、设置仿真路网上所有交叉口的信号控制参数、设置仿真参数三个具体步骤：（4.1）设置仿真路网的交通流特征参数：（4.1.1）对于交叉口，设置每个进口上车流流向（左转、直行、右转）的车流比例；（4.1.2）对于边界流入连线，设置进入边界流入连线的实际流量（pch/h）与可进入连线的最大流量（pcu/h）的比值；（4.2）设置仿真路网上所有交叉口的信号控制参数：（4.2.1）设定各个交叉口的信号相位方案及所包含相位的编号，设定所有车流方向（左转、直行、右转）所在的信号相位方案编号及相位编号；（4.2.2）设定所有信号相位方案的时间参数，时间参数包括周期时长、相位差、相位绿灯时间、相位黄灯时间、相位全红时间；（4.3）设置仿真参数，具体包括仿真步长、仿真时长、动态获取评价指标的步长；

[0030] 步骤（5）进行仿真过程，仿真过程包括交通信号仿真、路网交通流运行仿真、动态获取优化目标或评价指标三个具体步骤：（5.1）交通信号仿真：（5.1.1）设置当前相位；（5.1.2）绿灯时间向前推进一个仿真步长，并判断是否到达设定绿灯时间：若为真（“真”的意思为“达到”，以下的“真”也是这个意思），则转向（5.1.3）；若为假（“假”的意思为“未达到”，以下的“假”也是这个意思），则转向（5.1.2）；（5.1.3）黄灯时间向前推进一个仿真步长，并判断是否到达设定黄灯时间：若为真，则转向（5.1.4）；若为假，则转向（5.1.3）；
（5.1.4）全红时间向前推进一个仿真步长，并判断是否到达设定全红时间：若为真，则转向（5.1.1）；若为假，则转向（5.1.4）；（5.2）路网交通流运行仿真：（5.2.1）以均匀分布生成各个边界流入连线在仿真时段内所有仿真步长的进入车辆数；（5.2.2）设置每个元胞的初始状态；（5.2.3）推进一个仿真步长，并计算每个元胞内存在的车辆数及流出的车辆数；
（5.2.4）判断仿真时间是否达到预设的仿真时长，若为真，则结束仿真过程；若为假，则转向（5.2.3）；（5.3）动态获取优化目标或评价指标：（5.3.1）计算每个元胞的状态，即元胞是否处于阻塞状态，如果元胞流出车辆数为零且元胞内存在的车辆数大于零，则元胞处于阻塞状态，否则元胞处于畅通状态；（5.3.2）每个仿真步长根据元胞状态计算车辆排队长度、排队延误、停车次数等评价指标；（5.3.3）当仿真时间为动态获取评价指标的步长的整数倍时，输出评价指标。

[0031] 最后为了验证本发明的可行性，本发明以图2所示的单个交叉口为仿真对象进行了实验。在图2所示的十字交叉口中，连线L1和L2为内部连线，L3和L5为边界流出连线，L4和L6为边界流入连线。交叉口的几何布局如下：每条进入连线的上游为3车道，下游展宽段为4车道，其中左转车道1条，直行车道2条，右转车道1条；每条流出连线为3车道。每个进口的左转、直行、右转车流比例为1:1:1。在交叉口上设置一个四相位信号灯。信号灯周期时长136s，每个进口上直行车流的绿灯时长为20s，左转车流的绿灯时长为40s，左转车流和直行车流的黄灯时间为3s，全红时间为1s，右转车流不受信号灯控制。

[0032] 连线的一维元胞划分方案如图3（a）所示，二维元胞划分方案如图3（b）所示。在本实验中，一维元胞划分方案是指所有的边界流出连线、边界流入连线、内部连线全部采用如图3（a）所示的一维元胞划分方案；二维元胞划分方案是指所有的边界流入连线、内部连线全部采用如图3（b）所示的二维划分方案，而所有的边界流出连线全部采用如图3（a）所示的一维元胞划分方案。

[0033] 一维元胞划分方案仅沿着车流前进方向划分元胞；与一维元胞划分方案不同，二维元胞划分方案将连线划分为元胞网格。二维元胞划分方案首先沿着车流前进方向将连线划分为多个区段，然后每个区段还沿着连线横向依据车道组所包含的车道数被划分为三个子区段，每个子区段即为二维元胞划分方案的元胞。一维元胞划分方案和二维元胞划分方案均进行10次实验。在每次仿真过程中，进入边界流入连线的实际流量（pcu/h）相对于边界流量连线的最大进入流量（pcu/h）的流量比位于区间[0.2,0.25]。一维元胞和二维元胞划分方案的仿真实验同时且独立进行。对于一维元胞和二维元胞划分方案而言，在同一次实验中的每个仿真步长上，实验交叉口的所有边界流入连线的流入流量均相同。元胞参数如下：自由流速度为32.4km/h、停车波速度为21.6km/h、阻塞密度为0.1667pcu/m、平均车辆长度5m/pch；仿真参数如下：仿真步长1s、数据采集间隔2s、仿真时间3600s。

[0034] 仿真实验获取的评价指标或优化目标数据有：由一维元胞划分方案和二维元胞划分方案估计的交叉口平均排队延误、由韦伯斯特（Webster）延误模型计算的交叉口平均延误。对动态获取的原始数据进行统计分析，得到由一维元胞划分方案和二维元胞划分方案所估计的平均延误相对于Webster平均延误的相对误差。统计结果如表1、图4（a）、图4（b）、4（c）、4（d）所示。从图4（a）、图4（b）、4（c）、4（d）可以看出，二维元胞划分方案对于平均延误的估计误差比一维元胞划分方案要小。即与已有的一维元胞划分方案相比，本发明获得的评价指标的相对误差更小。

[0035] 表1十次实验的平均延误数据汇总（s/pcu）

[0036]

[0037] 从本实验可以得出，二维元胞划分方案能够比一维元胞划分方案更为准确地估计排队延误、排队长度、停车次数等评价指标。对于这一结论，本发明从理论上进一步说明。

[0038] 若用图3（a）所示的一维元胞划分方法，可以在一维元胞n后假想一个三个二维元胞，如图5（b）所示。根据Daganzo的元胞分流规律，一旦进入二维元胞（2，n’）的车辆数为零，则一维元胞n的流出量为零，即连线上的直行、左转、右转车流均发生阻塞。因此，对于图5（a）所示的直行车辆排队，一维元胞划分方法对于直行车流排队的估计结果如图5（d）示意。需要说明，在图5（d）所示的排队长度不超过图5（a）所示的实际长度。

[0039] 若用图3（b）所示的二维元胞划分方法，可以在二维元胞（1，n）、（2，n）、（3，n）后假想一个三个二维元胞，如图5（c）所示。这两组二维元胞构成了基本的元胞传输模型。根据Daganzo的元胞传输规律，若进入二维元胞（2，n’）的车辆数是否为零，并不影响其他的二维元胞（1，n’）、（3，n’）的流入量，即连线上的直行、左转、右转车流并不相互影响。因此，对于图5（a）所示的直行车辆排队，二维元胞划分方法对于直行车流排队的估计结果如图5（e）示意。需要说明，在图5（e）所示的排队长度等于图5（a）所示的实际长度。

[0040] 以上的分析过程从理论上说明二维元胞划分方案可以准确估计交叉口进口的左转、直行流向上的车辆排队信息（包括排队长度、排队延误、停车次数等评价指标或优化目标），而一维元胞划分方案总是低估交叉口进口的左转、直行流向上的车辆排队信息。

[0041] 本领域的技术人员可以对本发明进行各种改型和改变。因此，本发明覆盖了落入所附的权利要求书及其等同物的范围内的各种改型和改变。