考虑道路运行速度与交叉口交通状态的干线协调控制方法

摘要

本发明涉及一种考虑道路运行速度与交叉口交通状态的干线协调控制方法，属于交通管理与控制技术领域。根据各干线交叉口流量与流向特征，计算各交叉口信号周期时长，确定关键交叉口及其信号周期时长；根据各交叉口的流量与关键周期时长，结合进口车道通行能力，计算各交叉口各转向的最小有效绿灯时长；根据关键周期时长和各交叉口各转向最小有效绿灯时长，并结合错开放行时间，对各交叉口的相位方案以及信号配时进行设计调整；对相位方案进行评价。本发明提供根据交叉口交通流流向与流量的特征，选择合理的相位，进行不同相序安排，即可形成多种多样的信号控制方案。

权利要求

1.一种考虑道路运行速度与交叉口交通状态的干线协调控制方法，其特征在于：具体步骤如下：(1)、根据交叉口距离，计算得到各交叉口沿干线上下行方向的偏移距离，结合道路实际运行速度，得到沿干线方向直行绿灯的偏移时长，即错开放行时间；

错开放行时间定义为：交叉口沿干线直行上下游方向绿灯启亮时刻的差值；

(2)、根据各干线交叉口流量与流向特征，计算各交叉口信号周期时长，确定关键交叉口及其信号周期时长；

(3)、根据各交叉口的流量与关键周期时长，结合进口车道通行能力，计算各交叉口各转向的最小有效绿灯时长；

(4)、根据关键周期时长和各交叉口各转向最小有效绿灯时长，并结合错开放行时间，对各交叉口的相位方案以及信号配时进行设计调整；

(5)根据相临交叉口长度与道路实际运行速度，计算各交叉口相位差；根据干线方向的最小有效绿灯时长与关键周期时长计算绿波带宽度；通过各交叉口的相位差、绿波带宽参数，对相位方案进行评价；

定义车辆运行下游方向为正方向；步骤(1)中，各交叉口的沿干线方向的偏移距离可采用如下公式求解：Lj表示第j个交叉口的沿干线方向的偏移距离，单位m；

xj表示第j‑1个交叉口与第j个交叉口的距离，单位m；

i表示交叉口编号；

n表示干线协调交叉口个数；

当Lj>0时，表示此时上游方向先于下游车辆到达，此时上游方向直行绿灯应提前启亮；

同理，当Lj<0时，下游方向直行绿灯应提前启亮；

沿干线方向直行绿灯的错开放行时间可采用如下公式计算：n为整数，

即

△t—错开放行时间，s；

C—各交叉口公共周期时长，s；

Lj—表示第j个交叉口的沿干线方向的偏移距离，m；

V—道路车辆运行速度，m/s；

当△t≥0时，此时上游方向直行绿灯应提前启亮，△t≤0时，下游方向直行绿灯应提前启亮；

步骤(2)中，根据交叉口流量与流向特征，采用韦伯斯特最佳信号周期时长计算各交叉口周期时长，计算公式如下：Co—交叉口周期时长，s；

L—全部关键车流总的绿灯损失时间，s；

Y—全部关键车流总的交通流量比；

根据上述公式计算得到的交叉口周期时长，取周期时长Co最大的交叉口为关键交叉口，关键交叉口的周期时长即为干线协调的关键周期时长C；

根据交叉口流向流量特征以及得到关键周期时长C，通过如下公式计算各转向最小有效绿灯时间：gi表示第i个相位有效绿灯时长，s；

qi表示第i个相位的关键车流量，pcu/h；

Ni表示第i个相位关键车流量所在转向的车道数；

Si表示第i个相位关键车流量所在进口道的通行能力，pcu/h；

结合步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)进行相位方案设计；根据错开放行时间和关键交叉口周期时长，在保证交叉口能够满足通行能力的基础上进行相位方案设计以及信号配时调整；该相位方案设计需满足各交叉口的通行需求，保证交叉口能够满足通行能力；

步骤(5)中，根据相位方案，计算各交叉口的相位差、绿波带宽参数，对相位方案进行评价；相位差为相邻两个交叉口沿着车辆前进方向绿灯启亮的差值，为一个小于周期长度的非负数值，计算方法如下：△Ti表示相邻交叉口的相位差，s；

C表示干线协调的关键周期时长，s；

xi表示相邻交叉口间距，m；

V表示道路车辆运行速度，m/s；

n为整数。

说明书

考虑道路运行速度与交叉口交通状态的干线协调控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及考虑道路运行速度与交叉口交通状态的干线协调控制方法，属于交通管理与控制技术领域。

背景技术

[0002] 干线信号协调控制通过调节干线上各个交叉口的相位差，建立干线方向交叉口信号的联动控制关系，从而减少干线车辆停车次数，缓解交通拥堵，提高干线通行效率。最大绿波带法是常用的干线协调方法，然而在实际情况中，交叉口间距的不均匀性使得两个方向的车流到达同一交叉口的时刻不同，导致车辆到达交叉口的时刻和绿灯启亮时刻难以匹配，极大的限制了干线协调控制中绿波带的宽度和控制效果。在干线协调控制系统的常用设计方法中，图解法考虑到了交通状态最差的交叉口达到最优的控制效果，却无法保证绿波带速度与道路上车辆的运行速度相匹配；数解法能够保证绿波带速度与道路上的车辆运行速度相匹配，却无法兼顾每个交叉口的周期时长能够满足交叉口的通行能力。同时，无论使用图解法还是数解法解决问题，都存在沿干线方向直行绿灯启亮时刻与车流到达时刻相匹配，进而导致干线协调效果较差。

发明内容

[0003] 本发明针对上述不足，提出了考虑道路运行速度与交叉口交通状态的干线协调控制方法，基于各实际交叉口的间距，求解各交叉口沿干线上下行方向的偏移距离，以道路实际速度为绿波带速度，获取交叉口沿干线方向的上下直行的绿灯偏移时长。以关键交叉口信号周期时长作为系统周期时长，采用灵活的交叉口相位设计和周期时长调整，结合搭接相位设计，使得干线方向直行绿灯启亮时刻与车流到达时刻相匹配，实现绿波带速度与道路车辆的运行速度相匹配、关键交叉口的控制效果最优、绿波带宽度最大的目的。

[0004] 本发明采用如下技术方案：

[0005] 本发明所述的考虑道路运行速度与交叉口交通状态的干线协调控制方法，具体步骤如下：

[0006] (1)、根据交叉口距离，计算得到各交叉口沿干线上下行方向的偏移距离，结合道路实际运行速度，得到沿干线方向直行绿灯的偏移时长，即错开放行时间；

[0007] 错开放行时间定义为：交叉口沿干线直行上下游方向绿灯启亮时刻的差值；

[0008] (2)、根据各干线交叉口流量与流向特征，计算各交叉口信号周期时长，确定关键交叉口及其信号周期时长；

[0009] (3)、根据各交叉口的流量与关键周期时长，结合进口车道通行能力，计算各交叉口各转向的最小有效绿灯时长；

[0010] (4)、根据关键周期时长和各交叉口各转向最小有效绿灯时长，并结合错开放行时间，对各交叉口的相位方案以及信号配时进行设计调整；

[0011] (5)、根据相临交叉口长度与道路实际运行速度，计算各交叉口相位差；根据干线方向的最小有效绿灯时长与关键周期时长计算绿波带宽度；通过各交叉口的相位差、绿波带宽参数，对相位方案进行评价。

[0012] 本发明所述的考虑道路运行速度与交叉口交通状态的干线协调控制方法，定义车辆运行下游方向为正方向；所述的步骤(1)中，各交叉口的沿干线方向的偏移距离可采用如下公式求解：

[0013]

[0014] Lj表示第j个交叉口的沿干线方向的偏移距离，单位m；

[0015] xj表示第j‑1个交叉口与第j个交叉口的距离，单位m；

[0016] i表示交叉口编号；

[0017] n表示干线协调交叉口个数；

[0018] 当Lj＞0时，表示此时上游方向先于下游车辆到达，此时上游方向直行绿灯应提前启亮。同理，当Lj<0时，下游方向直行绿灯应提前启亮。

[0019] 本发明所述的考虑道路运行速度与交叉口交通状态的干线协调控制方法，所述的沿干线方向直行绿灯的错开放行时间可采用如下公式计算：

[0020] n为整数，

[0021] 即

[0022] △t—错开放行时间，s；

[0023] C—各交叉口公共周期时长，s；

[0024] Lj—表示第j个交叉口的沿干线方向的偏移距离，m；

[0025] V—道路车辆运行速度，m/s；

[0026] 当△t≥0时，此时上游方向直行绿灯应提前启亮，△t≤0时，下游方向直行绿灯应提前启亮。

[0027] 本发明所述的考虑道路运行速度与交叉口交通状态的干线协调控制方法，所述的步骤(2)中，根据交叉口流量与流向特征，采用韦伯斯特最佳信号周期时长计算各交叉口周期时长，计算公式如下：

[0028]

[0029] Co—交叉口周期时长，s；

[0030] L—全部关键车流总的绿灯损失时间，s；

[0031] Y—全部关键车流总的交通流量比；

[0032] 根据上述公式计算得到的交叉口周期时长，取周期时长Co最大的交叉口为关键交叉口，关键交叉口的周期时长即为干线协调的关键周期时长C；

[0033] 根据交叉口流向流量特征以及上述得到关键周期时长C，通过如下公式计算各转向最小有效绿灯时间：

[0034]

[0035] gi表示第i个相位有效绿灯时长，s；

[0036] qi表示第i个相位的关键车流量，pcu/h；

[0037] Ni表示第i个相位关键车流量所在转向的车道数；

[0038] Si表示第i个相位关键车流量所在进口道的通行能力，pcu/h。

[0039] 本发明所述的考虑道路运行速度与交叉口交通状态的干线协调控制方法，结合所述步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)进行相位方案设计；根据错开放行时间和关键交叉口周期时长，在保证交叉口能够满足通行能力的基础上进行相位方案设计以及信号配时调整；该相位方案设计需满足各交叉口的通行需求，保证交叉口能够满足通行能力；

[0040] 具体实施过程为：首先在保证交叉口各转向通行能力的基础上，计算得到各转向的最小配时，随后对交叉口相序进行设计，并在各转向最小配时的基础上进行对各相位配时进行调整，相序设计与各相位配时的核心目标在于保证直行方向绿灯启亮时刻差值应满足步骤(2)错开放行时间，同时满足交叉口各转向的通行能力需求。

[0041] 本发明所述的考虑道路运行速度与交叉口交通状态的干线协调控制方法，所述步骤(5)中，根据相位方案，计算各交叉口的相位差、绿波带宽参数，对相位方案进行评价；相位差为相邻两个交叉口沿着车辆前进方向绿灯启亮的差值，为一个小于周期长度的非负数值，计算方法如下：

[0042]

[0043] △Ti表示相邻交叉口的相位差，s；

[0044] C表示干线协调的关键周期时长，s；

[0045] xi表示相邻交叉口间距，m；

[0046] V表示道路车辆运行速度，m/s；

[0047] n为整数。

[0048] 绿波带宽度是指联动控制干道上按规定时速行驶的汽车，能连续通过各个路口绿灯通行带的宽度，其计算方法为通过调整后干线方向的绿波宽度与周期时长的比值。

[0049] 有益效果

[0050] 本发明提供了考虑道路运行速度与交叉口交通状态的干线协调控制方法；根据交叉口交通流流向与流量的特征，选择合理的相位，进行不同相序安排，即可形成多种多样的信号控制方案。

[0051] 其中，搭接相位作为定点信号控制方案的一种，其本质为信号的迟起与早断，具体表现为某相位结束前提前启动另一个相位的一股或多股车流，或者在某相位开始前提前结束其前期相位的一股或多股车流，为双向绿灯启亮时刻与双向车流到达时刻相匹配提供了可能。

[0052] 本发明旨在解决干线协调控制设计时无法兼顾道路运行速度和交通状态最差的交叉口的信号配时问题，同时提出了利用错开放行时间来调整沿干线直行方向的绿灯启亮时间，从而实现启亮时间和车流到达时刻相匹配，从而提高干线协调控制效率。结果表明，通过本发明进行干线协调控制，可有效提高绿波宽度，相比图解法提高了48％左右。

附图说明

[0053] 图1为本发明设计过程示意图。

[0054] 图2为案例分析交叉口示意图。

[0055] 图3为本发明干线协调效果示意图。

具体实施方式

[0056] 为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0057] 本发明提出了考虑道路运行速度与交叉口交通状态的干线协调控制方法，具体实现步骤如下：

[0058] (1)根据交叉口距离，计算得到各交叉口沿干线上下行方向的偏移距离，结合道路实际运行速度，得到沿干线方向直行绿灯的偏移时长，即错开放行时间。

[0059] 错开放行时间定义为：交叉口沿干线直行上下游方向绿灯启亮时刻的差值。

[0060] (2)根据各干线交叉口流量与流向特征，计算各交叉口信号周期时长，确定关键交叉口及其信号周期时长。

[0061] (3)根据各交叉口的流量与关键周期时长，结合进口车道通行能力，计算各交叉口各转向的最小有效绿灯时长。

[0062] (4)根据关键周期时长和各交叉口各转向最小有效绿灯时长，并结合错开放行时间，对各交叉口的相位方案以及信号配时进行设计调整。

[0063] (5)根据相临交叉口长度与道路运行速度，计算各交叉口相位差。根据干线方向的最小绿灯时长与关键周期时长C计算绿波带宽度。

[0064] 为便于解释，规定车辆运行下游方向为正方向。

[0065] 在所述步骤(1)中，各交叉口的沿干线方向的偏移距离可采用如下公式求解。

[0066]

[0067] Lj—表示第j个交叉口的沿干线方向的偏移距离，单位m。

[0068] xj—表示第j‑1个交叉口与第j个交叉口的距离，单位m。

[0069] i—交叉口编号。

[0070] n—干线协调交叉口个数。

[0071] 需要注意的是，当j＝0或者j＝n时，xj＝n，表示上游或下游车辆从此交叉口出发。当Lj＞0时，表示此时上游方向先于下游车辆到达，此时上游方向直行绿灯应提前启亮。同理，当Lj<0时，下游方向直行绿灯应提前启亮。

[0072] 沿干线方向直行绿灯的错开放行时间可采用如下公式计算：

[0073] n为整数，

[0074] 即

[0075] △t—错开放行时间，s。

[0076] C—各交叉口公共周期时长，s。

[0077] Lj—表示第j个交叉口的沿干线方向的偏移距离，m。

[0078] V—道路运行速度，m/s.

[0079] 当△t≥0时，此时上游方向直行绿灯应提前启亮，△t≤0时，下游方向直行绿灯应提前启亮。

[0080] 所述步骤(2)中，根据交叉口流量与流向特征，采用韦伯斯特最佳信号周期时长计算各交叉口周期时长，计算公式如下：

[0081]

[0082] Co—交叉口周期时长，s；

[0083] L—全部关键车流总的绿灯损失时间，s；

[0084] Y—全部关键车流总的交通流量比；

[0085] 在韦伯斯特最佳周期时长计算时，流量比不大于0.9，而流量比应小于饱和度，所以公式流量比大于0.9时，公式不再适用。当流量比大于0.9时，则需采用阿克塞立克最佳信号周期时长法，将关键车流平均停车次数和延误时间在一起作为评价配时方案的综合指标，对于综合指标最小的信号周期时长为最佳信号周期时长。

[0086] 根据上述公式计算得到的周期时长，可得到干线协调的关键周期时长C。

[0087] 所述步骤(3)中，根据交叉口流向流量特征以及关键周期时长C，计算各转向最小有效绿灯时间，计算公式如下。

[0088]

[0089] gi—第i个相位有效绿灯时长，s；

[0090] qi—第i个相位的关键车流量，pcu/h；

[0091] Ni—第i个相位关键车流量所在转向的车道数；

[0092] Si—第i个相位关键车流量所在进口道的通行能力，pcu/h。

[0093] 在所述步骤(4)中，结合步骤(1)(2)(3)，相位方案设计需满足以下几点要求。首先，需满足各交叉口的通行需求，保证交叉口能够满足通行能力。其次，根据错开放行时间和关键交叉口周期时长，在最小有效绿灯时间的基础上进行相位方案设计以及信号配时调整。此外，还应考虑行人安全过街时间，保证行人能够安全过街。

[0094] 在相位方案设计时，应考虑安全原则，即保证相位内部交通流冲突尽可能少，非冲突交通流可以考虑在同一相位内，冲突的交通流在不同相位内。相位设计要提高交叉口的时间和空间资源的利用率，过多的相位数会导致损失时间的增加，从而降低交叉口通行能力和交通效率，太少的相位会因冲突严重而降低效率。相位设计需要兼顾各流向车流之间的饱和度均衡，应根据各流向车流的不同合理分配通行权。一个流向在一个周期中至少能获得一次连续的绿灯时间；一个进口的所有流向要在连续相位中放行完毕；如果几股车流共用车道，它们必须同步放行。一般情况下，行人应与同向的直行车流共同放行，尽量避免行人与左转流向车辆的冲突，对于过街长度较长(大于等于30米)的路口可适当推行二次过街。

[0095] 在所述步骤(5)中，根据相位方案，计算各交叉口的相位差、绿波带宽等参数。相位差为相邻两个交叉口沿着车辆前进方向绿灯启亮的差值，为一个小于周期长度的非负数值，计算方法如下：

[0096]

[0097] △Ti—相邻交叉口的相位差，s；

[0098] C—干线协调的关键周期时长C，s；

[0099] xi—相邻交叉口间距，m；

[0100] V—道路车辆运行速度，m/s；

[0101] 绿波带宽度是指联动控制干道上按规定时速行驶的汽车，能连续通过各个路口绿灯通行带的宽度，其计算方法为通过调整后干线方向的绿波宽度与周期时长的比值。

[0102] 在采用本发明进行干线协调控制时，绿波带边界线的斜率为道路运行速度的倒数，是因为在计算错开放行时间时，采用了道路运行速度作为设计速度，因此，绿波带宽度可作为有效宽度。本发明利用错开放行时间，摆脱了同步式或交互式约束，进而使得绿灯启亮时间与车辆达时刻相匹配，并在最小绿灯时间的基础上进行调整，从而为提高绿波带宽度提供了可能。

[0103] 示例一：

[0104] 某干线交叉口的布置如图1所示，各交叉口间距如表1所示，干线方向为双向八车道，进口道渠化均为1条左转行车道，两条直行车道，一条右转车道。其中交叉口各转向流量如表2所示。假设每个相位的绿灯损失时间为3s，黄灯时间为3s。

[0105] 表1各交叉口间距统计表(单位：m)

[0106]

[0107] 表2交叉口各转向流量统计表(单位：pcu/h)

[0108]

[0109]

[0110] 通过计算，得到各交叉口的偏移时长如表3所示。偏移时长为正数时表示正东方向绿灯提前启亮时间，为负数是表示延迟启亮时间

[0111] 表3各交叉口偏移时长

[0112] 交叉口编号 1 2 3 4 5偏移时长(s) 17 ‑45 1 ‑61 ‑17

[0113] 采用韦伯斯特最佳信号周期时长计算各交叉口周期时长，得到各交叉口信号周期时长如表4所示：

[0114] 表4各交叉口最佳周期时长

[0115] 交叉口编号 1 2 3 4 5周期时长(s) 125 117 103 108 98

[0116] 由表可知，干线协调控制的最佳周期时长为125s。

[0117] 通过计算，交叉口各转向满足通行需求的最小有效绿灯时间如表5所示：

[0118] 表5交叉口各转向最小有效绿灯时间(单位：s)

[0119]

[0120] 结合错开放行时间进行相位调整，得到各交叉口进口道直行方向的绿灯时长如表6所示：

[0121] 表6调整后交叉口进口道直行方向的绿灯时长(单位：s)

[0122]交叉口编号 1 2 3 4 5
东进口直行绿灯时长(s) 51 48 55 45 51
西进口直行绿灯时长(s) 51 48 55 43 51

[0123] 此时，绿波带宽度为：

[0124]

[0125] 采用图解法进行干线控制，得到的绿波带宽度为：

[0126]

[0127] 显然，通过对比可以发现：绿波带宽度提升了48.2％，提升效果显著，对提高干线方向的通行效率有明显的帮助。

[0128] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。