一种自适应交叉口交通流随机波动的交通信号控制系统及方法，系统包括交通流检测器、数据传输子系统、数据处理及控制模块、车道信号灯和多个LED诱导屏，交通流检测器实时采集交叉口各进口车道左转和直行车流的到达信息；交通流检测器将采集到的交通流数据经数据传输子系统传送给数据处理及控制模块；数据处理及控制模块对接收到的交通流数据进行数值运算和逻辑判断，当判断得出某个进口道的左转或直行饱和车流消失时，数据处理及控制模块立即发出控制命令经数据传输子系统改变车道信号灯灯色，结束该进口左转或直行车流的放行，并通过LED诱导屏发布提示信息引导其他进口的候驶车辆进入待驶区。本发明提高了交叉口的时空资源利用效率。
1.一种自适应交叉口交通流随机波动的交通信号控制方法，采用的设备包括交通流检测器、数据传输子系统、数据处理及控制模块、车道信号灯和多个LED诱导屏，交通流检测器与数据传输子系统连接，数据传输子系统与数据处理及控制模块连接，数据处理及控制模块分别与车道信号灯、多个LED诱导屏连接，LED诱导屏安装在面向每个进口道的信号灯杆上，首先，交通流检测器实时采集交叉口各进口车道左转和直行车流的到达信息；其次，交通流检测器将采集到的交通流数据经数据传输子系统传送给数据处理及控制模块；最后，数据处理及控制模块对接收到的交通流数据进行数值运算和逻辑判断，当判断得出某个进口道的左转或直行饱和车流消失时，数据处理及控制模块立即发出控制命令经数据传输子系统改变车道信号灯灯色，结束该进口左转或直行车流的放行，并通过LED诱导屏发布提示信息引导其他进口的候驶车辆进入待驶区；
在交叉口内布置左转和直行待驶区，其中，左转与直行待驶区不能重叠，待驶区的位置不能影响下一相位车辆的通行；
当检测器检测到某进口左转或直行方向饱和车流消失时，应立即结束该进口道左转或直行方向车流的放行，因此交通流检测器的检测位置应确保检测到的饱和车流中最后一辆车能够在黄灯期间顺利通过进口道停车线，需满足以下关系：LD≤V×(A+tS)
式中LD——交通流检测器检测位置距停车线的最大距离(m)；
V——绿灯期间车辆通过停车线的平均速度(m/s)；
此外，为了确保每个信号周期检测器均能检测到饱和车流，要求交通流检测器的检测位置应小于正常的排队长度，以平均车头间距为6米，每信号周期进口道某相位车流的排队长度计算如下：LQ＝6.0Q(1-r)c/(3600n)
式中LQ——定周期信号控制条件下进口道某相位的车辆排队长度(m)；
Q——该进口平峰时段某相位小时到达交通量(veh/h)；
r——定周期信号控制条件下该进口道某相位的绿信比；
考虑到车流到达的随机性和波动性，取计算排队长度的一半作为交通流检测器检测位置的设置依据，能保证每信号周期交通流检测器均能检测到饱和车流；
取上述两条件的最小值作为检测器设置位置的最终结果，即：L＝min(LD,0.5LQ)
式中L——交通流检测器检测位置距停车线的距离(m)；
LD——确保检测到的饱和车流最后一辆车在黄灯期间能顺利通过停车线的最大距离(m)；
为充分利用左转待驶区和直行待驶区的车辆存储功能，无论南北方向还是东西方向，每个信号周期先放行左转相位，再运行直行相位；
饱和车流通过交叉口的车头时距为3±0.5s，当交通流检测器4s以内仍没检测到有后续到达车辆时，即为该进口方向饱和车流消失；
各进口道左转或直行车流的最短绿灯时间必须保证检测器检测位置至停车线之间的排队车辆能顺利通过交叉口，各进口道左转或直行车流的最短绿灯时间参照以下模型确定：gmin＝3×([L/6]+1)
即以检测器检测位置至停车线之间能够停放的车辆数为基数，L除以6取整数加1，每辆车按3s计算所需的最短绿灯时间，在最短绿灯时间运行完毕后，才开启饱和车流的检测；
(5.1.1)南北进口左转车放行时，南北进口直行车进入待驶区；当检测到南或北进口左转车无饱和车流时，停止该方向左转车放行，北或南进口直行车与左转车同时放行；当北或南进口左转车无饱和车流时，停止该方向左转车放行，南北进口直行车同步放行；
(5.1.2)南北进口直行车放行时，当检测到南或北进口直行车无饱和车流时，停止该方向直行车放行；此时东或西进口的左转和直行车可进入待驶区，北或南进口直行车仍然放行；当检测到北或南进口直行车无饱和车流时，结束南北方向直行相位，进入东西方向左转相位；
(5.1.3)东西进口左转车放行时，东西进口直行车进入待驶区；当检测到东或西进口左转车无饱和车流时，停止该方向左转车放行，西或东进口直行车与左转车同时放行；当西或东进口左转车无饱和车流时，停止该方向左转车放行，东西进口直行车同步放行；
(5.1.4)东西进口直行车放行时，当检测到东或西进口直行车无饱和车流时，停止该方向直行车放行；此时北或南进口的左转和直行车可进入待驶区，西或东进口直行车仍然放行；当检测到西或东进口直行车无饱和车流时，结束东西方向直行相位，进入南北方向左转相位，完成一个信号周期的车流组织；后续信号周期的车流组织以此类推；
(5.2.1)南进口直行车开始放行时，由南向北的行人与非机动车交通信号开启；南进口直行车放行结束时，由南向北的行人与非机动车交通信号关闭；
(5.2.2)北进口直行车开始放行时，由北向南的行人与非机动车交通信号开启；北进口直行车放行结束时，由北向南的行人与非机动车交通信号关闭；
(5.2.3)东进口直行车开始放行时，由东向西的行人与非机动车交通信号开启；东进口直行车放行结束时，由东向西的行人与非机动车交通信号关闭；
(5.2.4)西进口直行车开始放行时，由西向东的行人与非机动车交通信号开启；西进口直行车放行结束时，由西向东的行人与非机动车交通信号关闭；
在面向每个进口道的信号灯杆上安装LED诱导屏，安装位置应确保每个进口道等候的头车能清晰看见LED诱导屏显示的信息，其由数据处理及控制模块控制，用来提示左转车、直行车在合适的时间进入待驶区。
自适应交叉口交通流随机波动的交通信号控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种自适应交叉口交通流随机波动的交通信号控制系统及方法。
背景技术
[0002] 信号交叉口固定相位方案因其对向交通流到达的波动性和随机性，往往导致交叉口进口道时空资源利用不均衡、部分交叉口时空资源闲置，制约了交叉口通行能力的提升。以图1所示交叉口为例进行说明，当东西方向直行相位中东进口交通量大于西进口时，西进口的时空资源往往得不到充分利用，在放行完西进口交通流时，交叉口内一半的空间(即下半部分空间)基本处于闲置状态，而现有信号控制技术尚不能使南进口的候驶车辆提前进入待驶区，导致整个交叉口时空资源未能得到充分利用。基于此，提出本方法来提升交叉口的时空资源利用效率。
发明内容
[0003] 基于以上不足之处，本发明的目的在于提供一种自适应交叉口交通流随机波动的交通信号控制系统及方法，以提高交叉口的时空资源利用效率，从而达到提高交叉口通行能力的目标。
[0004] 本发明的目的是这样实现的：一种自适应交叉口交通流随机波动的交通信号控制系统，包括交通流检测器、数据传输子系统、数据处理及控制模块、车道信号灯和多个LED诱导屏，交通流检测器与数据传输子系统连接，数据传输子系统与数据处理及控制模块连接，数据处理及控制模块分别与车道信号灯、多个LED诱导屏连接，LED 诱导屏安装在面向每个进口道的信号灯杆上，首先，交通流检测器实时采集交叉口各进口车道左转和直行车流的到达信息；其次，交通流检测器将采集到的交通流数据经数据传输子系统传送给数据处理及控制模块；最后，数据处理及控制模块对接收到的交通流数据进行数值运算和逻辑判断，当判断得出某个进口道的左转或直行饱和车流消失时，数据处理及控制模块立即发出控制命令经数据传输子系统改变车道信号灯灯色，结束该进口左转或直行车流的放行，并通过LED 诱导屏发布提示信息引导其他进口的候驶车辆进入待驶区，以提高交叉口的时空资源利用效率。
[0005] 本发明还具有如下技术特征：采用如上所述的交通信号控制系统得出的一种自适应交叉口交通流随机波动的交通信号控制方法，步骤如下：
[0006] 步骤一：设置左转与直行待驶区
[0007] 在交叉口内布置左转和直行待驶区，其中，左转与直行待驶区不能重叠，待驶区的位置不能影响下一相位车辆的通行；
[0008] 步骤二：交通流检测器检测位置的确定
[0009] 当检测器检测到某进口左转或直行方向饱和车流消失时，应立即结束该进口道左转或直行方向车流的放行，因此交通流检测器的检测位置应确保检测到的饱和车流中最后一辆车能够在黄灯期间顺利通过进口道停车线，需满足以下关系：
[0010] LD≤V×(A+tS)
[0011] 式中LD——交通流检测器检测位置距停车线的最大距离(m)；
[0012] V——绿灯期间车辆通过停车线的平均速度(m/s)；
[0013] A——黄灯时间(s)；
[0014] tS——饱和车头时距(s)；
[0015] 此外，为了确保每个信号周期检测器均能检测到饱和车流，进口道信号周期内正常的排队长度也是检测器检测位置需要考虑的一个因素，要求交通流检测器的检测位置应小于正常的排队长度，以平均车头间距为6米，每信号周期进口道某相位车流的排队长度计算如下：
[0016] LQ＝6.0Q(1-r)c/(3600n)
[0017] 式中LQ——定周期信号控制条件下进口道某相位的车辆排队长度 (m)；
[0018] Q——该进口平峰时段某相位小时到达交通量(veh/h)；
[0019] c——定周期信号控制条件下的周期时长(s)；
[0020] n——该进口道某相位包含的车道数；
[0021] r——定周期信号控制条件下该进口道某相位的绿信比；
[0022] 考虑到车流到达的随机性和波动性，取计算排队长度的一半作为交通流检测器检测位置的设置依据，能保证每信号周期交通流检测器均能检测到饱和车流；
[0023] 取上述两条件的最小值作为检测器设置位置的最终结果，即：
[0024] L＝min(LD,0.5LQ)
[0025] 式中L——交通流检测器检测位置距停车线的距离(m)；
[0026] LD——确保检测到的饱和车流最后一辆车在黄灯期间能顺利通过停车线的最大距离(m)；
[0027] LQ——进口道某相位正常车辆排队长度(m)；
[0028] 步骤三：相位放行次序
[0029] 为充分利用左转待驶区和直行待驶区的车辆存储功能，无论南北方向还是东西方向，每个信号周期先放行左转相位，再运行直行相位；步骤四：饱和车流判断[0030] 饱和车流通过交叉口的车头时距为3±0.5s，当交通流检测器4s 以内仍没检测到有后续到达车辆时，即为该进口方向饱和车流消失；步骤五：交叉口交通信号控制逻辑[0031] 5.1、机动车交通信号
[0032] 各进口道左转或直行车流的最短绿灯时间必须保证检测器检测位置至停车线之间的排队车辆能顺利通过交叉口，各进口道左转或直行车流的最短绿灯时间参照以下模型确定：
[0033] gmin＝3×([L/6]+1)
[0034] 即以检测器检测位置至停车线之间能够停放的车辆数为基数，L 除以6取整数加1，每辆车按3s计算所需的最短绿灯时间，在最短绿灯时间运行完毕后，才开启饱和车流的检测；
[0035] (5.1.1)南北进口左转车放行时，南北进口直行车进入待驶区；当检测到南或北进口左转车无饱和车流时，停止该方向左转车放行，北或南进口直行车与左转车同时放行；当北或南进口左转车无饱和车流时，停止该方向左转车放行，南北进口直行车同步放行；
[0036] (5.1.2)南北进口直行车放行时，当检测到南或北进口直行车无饱和车流时，停止该方向直行车放行；此时东或西进口的左转和直行车可进入待驶区，北或南进口直行车仍然放行；当检测到北或南进口直行车无饱和车流时，结束南北方向直行相位，进入东西方向左转相位；
[0037] (5.1.3)东西进口左转车放行时，东西进口直行车进入待驶区；当检测到东或西进口左转车无饱和车流时，停止该方向左转车放行，西或东进口直行车与左转车同时放行；当西或东进口左转车无饱和车流时，停止该方向左转车放行，东西进口直行车同步放行；
[0038] (5.1.4)东西进口直行车放行时，当检测到东或西进口直行车无饱和车流时，停止该方向直行车放行；此时北或南进口的左转和直行车可进入待驶区，西或东进口直行车仍然放行；当检测到西或东进口直行车无饱和车流时，结束东西方向直行相位，进入南北方向左转相位，完成一个信号周期的车流组织；后续信号周期的车流组织以此类推。
[0039] 5.2、行人与非机动车交通信号
[0040] (5.2.1)南进口直行车开始放行时，由南向北的行人与非机动车交通信号开启；南进口直行车放行结束时，由南向北的行人与非机动车交通信号关闭；
[0041] (5.2.2)北进口直行车开始放行时，由北向南的行人与非机动车交通信号开启；北进口直行车放行结束时，由北向南的行人与非机动车交通信号关闭；
[0042] (5.2.3)东进口直行车开始放行时，由东向西的行人与非机动车交通信号开启；东进口直行车放行结束时，由东向西的行人与非机动车交通信号关闭；
[0043] (5.2.4)西进口直行车开始放行时，由西向东的行人与非机动车交通信号开启；西进口直行车放行结束时，由西向东的行人与非机动车交通信号关闭；
[0044] 步骤六：附属交通设施的要求
[0045] 在面向每个进口道的信号灯杆上安装LED诱导屏，安装位置应确保每个进口道等候的头车能清晰看见LED诱导屏显示的信息，其由数据处理及控制模块控制，用来提示左转车、直行车在合适的时间进入待驶区。
[0046] 本发明属提高了交叉口的时空资源利用效率，从而达到提高交叉口通行能力的目标。
附图说明
[0047] 图1为本发明的交叉口设计示意图。
[0048] 图2LED诱导屏显示信息图。
具体实施方式
[0049] 下面根据说明书附图举例对本发明做进一步说明：
[0050] 实施例1
[0051] 一种自适应交叉口交通流随机波动的交通信号控制系统，包括交通流检测器、数据传输子系统、数据处理及控制模块、车道信号灯和多个LED诱导屏，交通流检测器与数据传输子系统连接，数据传输子系统与数据处理及控制模块连接，数据处理及控制模块分别与车道信号灯、多个LED诱导屏连接，LED诱导屏安装在面向每个进口道的信号灯杆上，首先，交通流检测器实时采集交叉口各进口车道左转和直行车流的到达信息；其次，交通流检测器将采集到的交通流数据经数据传输子系统传送给数据处理及控制模块；最后，数据处理及控制模块对接收到的交通流数据进行数值运算和逻辑判断，当判断得出某个进口道的左转或直行饱和车流消失时，数据处理及控制模块立即发出控制命令经数据传输子系统改变车道信号灯灯色，结束该进口左转或直行车流的放行，并通过LED诱导屏发布提示信息引导其他进口的候驶车辆进入待驶区，以提高交叉口的时空资源利用效率。
[0052] 实施例2
[0053] 下面结合图1-2举例对本发明作进一步说明。采用实施例1所述的交通信号控制系统得出的一种自适应交叉口交通流随机波动的交通信号控制方法，步骤如下[0054] 步骤一：设置左转与直行待驶区
[0055] 在交叉口内布置左转和直行待驶区。其中，左转与直行待驶区不能重叠，待驶区的位置不能影响下一相位车辆的通行，具体设置情况见图1所示。
[0056] 步骤二：交通流检测器检测位置的确定
[0057] 当交通流检测器检测到某进口左转或直行方向饱和车流消失时，应立即结束该进口道左转或直行方向车流的放行。因此交通流检测器的检测位置应确保检测到的饱和车流中最后一辆车能够在黄灯期间顺利通过进口道停车线，需满足以下关系：
[0058] LD≤V×(A+tS)
[0059] 式中LD——交通流检测器检测位置距停车线的最大距离(m)；
[0060] V——绿灯期间车辆通过停车线的平均速度(m/s)；
[0061] A——黄灯时间(s)。
[0062] tS——饱和车头时距(s)。
[0063] 设车辆通过进口道停车线的平均速度为36km/h、黄灯时间为3s、饱和车头时距3s，则交通流检测器检测位置距停车线的最大距离 LD＝36000/3600×(3+3)＝60m。
[0064] 此外，为了确保每个信号周期交通流检测器均能检测到饱和车流，进口道信号周期内正常的排队长度也是交通流检测器检测位置需要考虑的一个因素，要求交通流检测器的检测位置应小于正常的排队长度。以平均车头间距6米为例，每信号周期进口道某相位车流的排队长度估算如下：
[0065] LQ＝6.0Q(1-r)c/(3600n)
[0066] 式中LQ——定周期信号控制条件下进口道某相位的车辆排队长度 (m)；
[0067] Q——该进口平峰时段某相位小时到达交通量(veh/h)；
[0068] c——定周期信号控制条件下的周期时长(s)；
[0069] n——该进口道某相位包含的车道数；
[0070] r——定周期信号控制条件下该进口道某相位的绿信比。
[0071] 考虑到车流到达的随机性和波动性，取估算排队长度的一半作为交通流检测器检测位置的设置依据，能保证每信号周期交通流检测器均能检测到饱和车流。如某进口平峰时段直行车流交通量为 800veh/h，直行车道2条，定周期信号控制条件下周期时长100s、该直行相位的绿信比为0.3，则估算的直行车流排队长度为 LQ＝6.0×800×(1-0.3)×100/(3600×2)＝46m。
[0072] 取上述两条件的最小值作为交通流检测器设置位置的最终结果，即：
[0073] L＝min(LD,0.5LQ)
[0074] 式中L——交通流检测器检测位置距停车线的距离(m)；
[0075] LD——确保检测到的饱和车流最后一辆车在黄灯期间能顺利通过停车线的最大距离(m)；
[0076] LQ——进口道某相位正常车辆排队长度(m)。
[0077] 根据上述假设，该相位交通流检测器的最终检测位置距停车线 L＝min(60,0.5×46)＝23m。
[0078] 步骤三：相位放行次序
[0079] 为充分利用左转待驶区和直行待驶区的车辆存储功能，无论南北方向还是东西方向，每个信号周期先放行左转相位，再运行直行相位。步骤四：饱和车流判断[0080] 国内饱和车流通过交叉口的车头时距一般为3±0.5s(单车道)，当检测器4s以内仍没检测到有后续到达车辆时，即可认为该进口方向饱和车流消失。
[0081] 步骤五：交叉口交通信号控制逻辑
[0082] 1、机动车交通信号
[0083] 各进口道左转或直行车流的最短绿灯时间必须保证检测器检测位置至停车线之间的排队车辆能顺利通过交叉口。各进口道左转或直行车流的最短绿灯时间可参照以下模型确定：
[0084] gmin＝3×([L/6]+1)
[0085] 即以检测器检测位置至停车线之间可停放的车辆数为基数，L除以6取整数加1，每辆车按3s计算所需的最短绿灯时间。如第二步确定的交通流检测器检测位置距停车线23m，则该相位所需的最短绿灯时间为12s。在最短绿灯时间运行完毕后，才开启饱和车流的检测。
[0086] (1)南北进口左转车放行时，南北进口直行车进入待驶区；当检测到南或北进口左转车无饱和车流时，停止该方向左转车放行，北或南进口直行车与左转车同时放行；当北或南进口左转车无饱和车流时，停止该方向左转车放行，南北进口直行车同步放行；
[0087] (2)南北进口直行车放行时，当检测到南或北进口直行车无饱和车流时，停止该方向直行车放行；此时东或西进口的左转和直行车可进入待驶区，北或南进口直行车仍然放行；当检测到北或南进口直行车无饱和车流时，结束南北方向直行相位，进入东西方向左转相位；
[0088] (3)东西进口左转车放行时，东西进口直行车进入待驶区；当检测到东或西进口左转车无饱和车流时，停止该方向左转车放行，西或东进口直行车与左转车同时放行；当西或东进口左转车无饱和车流时，停止该方向左转车放行，东西进口直行车同步放行；
[0089] (4)东西进口直行车放行时，当检测到东或西进口直行车无饱和车流时，停止该方向直行车放行；此时北或南进口的左转和直行车可进入待驶区，西或东进口直行车仍然放行；当检测到西或东进口直行车无饱和车流时，结束东西方向直行相位，进入南北方向左转相位，完成一个信号周期的车流组织；后续信号周期的车流组织以此类推。
[0090] 2、行人与非机动车交通信号
[0091] (1)南进口直行车开始放行时，由南向北的行人与非机动车交通信号开启；南进口直行车放行结束时，由南向北的行人与非机动车交通信号关闭；
[0092] (2)北进口直行车开始放行时，由北向南的行人与非机动车交通信号开启；北进口直行车放行结束时，由北向南的行人与非机动车交通信号关闭；
[0093] (3)东进口直行车开始放行时，由东向西的行人与非机动车交通信号开启；东进口直行车放行结束时，由东向西的行人与非机动车交通信号关闭；
[0094] (4)西进口直行车开始放行时，由西向东的行人与非机动车交通信号开启；西进口直行车放行结束时，由西向东的行人与非机动车交通信号关闭。
[0095] 步骤六：附属交通设施的要求
[0096] 在面向每个进口道的信号灯杆上安装LED诱导屏，安装位置应确保每个进口道等候的头车能清晰看见LED诱导屏显示的信息，其由数据处理及控制模块控制，用来提示左转车、直行车在合适的时间进入待驶区，见图2所示。
