基于车速诱导的非统一周期时长下干线信号协调控制方法

摘要

本发明提供基于车速诱导的非统一周期时长下干线信号协调控制方法，属于交通控制技术领域。本发明首先保持1号交叉口的信号控制方案不变；设i＝2；先将i号交叉口k‑1周期的非直行相位时长调整幅度λ

说明书

技术领域

本发明涉及干线信号协调控制方法，属于交通控制技术领域。

背景技术

目前，车辆在路段上行驶时，驾驶员只能根据当前交通流状况以及个人驾驶经验调整车速，以尽量避免到达前方交叉口时遇到红灯，但由于不清楚前方路口的信号灯状态，驾驶员只能在靠近交叉口时才能进行车速调整，调整效果往往因时间短、车流干扰等因素大打折扣。车辆在红灯期间到达交叉口时需停车等待，变为绿灯后又要起步、加速通过交叉口，这个过程不仅消耗大量的能源、造成大量尾气排放，更增加了车辆延误，降低了交叉口的通行效率。

为解决上述问题，国内外学者提出了一些解决方法，然而这些方法仍存在以下问题：

(1)当前国内外基于车速诱导的交通控制方法通常根据下游交叉口的定时信号控制方案对车辆进行速度诱导，无法保证所确定的诱导车速位于合理的速度区间内，且未考虑干线协调控制时上下游交通流运行的平稳性。

(2)在干线协调控制方面，现有研究仍要求统一信号周期时长，不能对周期时长不统一的相邻交叉口开展信号进行协调控制，制约了干线协调的应用范围。

基于此，提出一种基于车速诱导的非统一周期时长下干线信号协调控制方法，以扩大干线信号协调控制的应用范围，提升道路交通系统的运行效率。

发明内容

本发明为解决现有交通控制方法无法使驾驶员尽量避免在交叉口遇到红灯，导致交叉口通行效率较低的问题，提供了基于车速诱导的非统一周期时长下干线信号协调控制方法。

本发明所述基于车速诱导的非统一周期时长下干线信号协调控制方法，通过以下技术方案实现：

步骤一、确定控制路段上允许车速诱导的最大值v_max和车辆通过交叉口时的安全车速限值v₀；设定控制路段上的车速诱导的最小值v_min，设定控制时间段为T；设控制路段上的N个交叉口依次为1号交叉口，2号交叉口,...,N号交叉口，并将1号交叉口设为关键交叉口；N≥3；

步骤二、保持1号交叉口各个周期的信号控制方案不变；设i＝2；

步骤三、令信号周期数k＝1；时间t＝0；

步骤四、先将i号交叉口k-1周期的非直行相位时长调整幅度λ_i,k-1进行恢复；结合i号交叉口和i-1号交叉口之间的双向直行车流首车到达时间区间和交叉口干道方向直行相位时间之间的关系调整i号交叉口在k周期内的信号控制方案，并得到i号交叉口和i-1号交叉口之间的诱导车速；k＝1时，λ_i,1-1＝0

步骤五、令t＝t+C_i,k；C_i,k表示i号交叉口调整后的第k周期的时长；

步骤六、若t＜T，则k＝k+1，重复步骤四、步骤五，直至t≥T；

步骤七、若i＜N，则i＝i+1，并返回步骤三；若i≥N，则结束。

作为对上述技术方案的进一步阐述：

进一步的，步骤四的具体过程包括：

步骤四一、设各交叉口干道方向直行相位均为信号周期内的最后一个相位；根据i-1号交叉口的信号控制方案，确定i-1号交叉口车流首车到达i号交叉口的时间区间为：

其中，各交叉口干道方向长度均为L₀，L_i-1表示i-1号交叉口与i号交叉口之间的距离；C_i-1为i-1号交叉口原始信号周期时长；T_i-1为i-1号交叉口原始信号周期中的非直行相位时长，k′表示i-1号交叉口此时的周期数，λ_i-1,k′表示i-1号交叉口k′周期的非直行相位时长调整幅度；

步骤四二、确定i号交叉口驶向i-1号交叉口的车流首车到达时间区间：

令t-(k-1)C_i＝λ_i,k，控制|λ_i,k|≤△C_i，C_i为i号交叉口原始信号周期时长，△为偏差调整系数；

i号交叉口第k信号周期干道方向直行相位开启时间为：T_i+(k-1)C_i+λ_i,k，T_i为i号交叉口原始信号周期中的非直行相位时长；此时i号交叉口驶向i-1号交叉口的直行车流首车到达时间区间为

步骤四三、确定i号交叉口在k周期内的信号控制方案：

判断，是否存在k′使得式(1)和式(2)同时成立：

如果存在满足条件的k′，根据式(1)得到λ_i,k的范围为A1，根据式(2)得到λ_i,k的范围为A2，若A1与A2存在区间交集，则选取A1∩A2中绝对值最小的值作为i号交叉口k周期的非直行相位时长调整幅度值λ_i,k，即：i号交叉口调整后的第k周期中的非直行相位时长T_i,_k＝T_i+λ_i,k；并计算i-1号交叉口驶向i号交叉口车流的诱导车速和i号交叉口驶向i-1号交叉口车流的诱导车速；若A1与A2不存在交集，则比较选取A1与A2中绝对值最小的λ_i,k值，使T_i,k＝T_i+λ_i,k；如果该绝对值最小的值属于A1，计算i-1号交叉口驶向i号交叉口车流的诱导车速；如果该绝对值最小的值属于A2，则计算i号交叉口驶向i-1号交叉口车流的诱导车速；

若不存在k′使得上述两个表达式同时成立，则保持该周期的非直行相位时长不变，即：T_i,k＝T_i。

进一步的，步骤四三中所述i-1号交叉口驶向i号交叉口车流的诱导车速的具体计算过程为：

其中，v_i-1,k表示第k周期内i-1号交叉口驶向i号交叉口车流的诱导车速。

进一步的，步骤四三中所述i号交叉口驶向i-1号交叉口车流的诱导车速的具体计算过程为：

其中，v_i,k表示第k周期内i号交叉口驶向i-1号交叉口车流的诱导车速。

进一步的，△＝0.2。

进一步的，

本发明最为突出的特点和显著的有益效果是：

本发明所涉及的基于车速诱导的非统一周期时长下干线信号协调控制方法，通过在控制路段上设定关键交叉口，然后根据关键交叉口的信号控制方案以及确定两交叉口的车流首车到达时间区间，依次对干道方向下流方向交叉口的非直行相位时长进行调整，并确定双向车流的诱导车速，使得双向车流都能在交叉口干道方向直行相位内通过提升道路交通系统的运行效率。本发明扩大了干线信号协调控制的应用范围，能够实现双向车流不停车通过交叉口，使驾驶员尽量避免在交叉口遇到红灯，从而降低干道方向车辆延误，相比现有方法交叉口通行效率提高约50％。

附图说明

图1为实施干道方向车速诱导策略的交叉口示意图；

图2为实施例中交叉口车流车速诱导时空图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图2对本实施方式进行说明，本实施方式给出的基于车速诱导的非统一周期时长下干线信号协调控制方法，具体包括以下步骤：

步骤一、确定控制路段上允许车速诱导的最大值v_max和车辆通过交叉口时的安全车速限值v₀(国内一般是限定为v₀＝20km/h)；设定控制路段上的车速诱导的最小值v_min，设定控制时间段为T；设控制路段上的N个交叉口依次为1号交叉口，2号交叉口,...,N号交叉口，并将1号交叉口设为关键交叉口；N≥3；控制时间段为T一般可以设为合适的时间段，然后重复执行，比方说1小时、2小时、半天、一天，但是不宜太长，以免计算量过大。

步骤二、保持1号交叉口各个周期的信号控制方案不变，维持为原始周期时长C₁；设i＝2；

步骤三、令信号周期数k＝1；时间t＝0；

步骤四、先将i号交叉口k-1周期的非直行相位时长调整幅度λ_i,k-1进行恢复；也就是若在k-1周期缩短了|λ_i,k-1|时长，则先延长|λ_i,k-1|时长再计算λ_i,k；若k-1周期延长了|λ_i,k-1|时长，则先缩短|λ_i,k-1|时长再计算λ_i,k。结合i号交叉口和i-1号交叉口之间的双向直行车流首车到达时间区间和交叉口干道方向直行相位时间之间的关系调整i号交叉口在k周期内的信号控制方案，并得到i号交叉口和i-1号交叉口之间的诱导车速；当k＝1时，λ_i,1-1＝0；这里所说的信号控制方案主要是调整干道方向非直行相位时长(直行相位红灯时长)，直行相位时长(直行相位绿灯时长)保持不变。

步骤五、令t＝t+C_i,k；C_i,k表示i号交叉口调整后的第k周期的时长；C_i,k＝C_i+λ_i,k；

步骤六、若t＜T，则k＝k+1，重复步骤四、步骤五，直至t≥T；

步骤七、若i＜N，则i＝i+1，并返回步骤三；若i≥N，则结束。

N取值的不同对车速诱导的策略选择有明显的影响：

当N＝2时，即研究对象仅为相邻两交叉口时，基于车速诱导的信号控制策略较为简单，可以进行双向的车速诱导以及在一定范围内调整相邻交叉口的信号控制方案，使得干道直行车辆可以不停车通过交叉口，以减小车辆延误。本发明对此情况不做研究。

当N≥3时，不同交叉口的周期时长不统一，按上述策略进行双向的车速诱导并在一定范围内调整信号控制方案较为复杂。因此本发明选取关键交叉口并设定其信号控制方案不变，以关键交叉口为结点向两侧延伸进行双向的车速诱导及信号控制方案调整。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，步骤四的具体过程包括：

步骤四一、设各交叉口干道方向直行相位均为信号周期内的最后一个相位，即，每个信号周期内，先是非直行的相位，最后才是直行相位；根据i-1号交叉口的信号控制方案，得到i-1号交叉口干道方向直行相位开启时间为T_i-1+λ_i-1,k′+(k′-1)C_i-1，则可确定i-1号交叉口车流首车到达i号交叉口的时间区间为：

其中，各交叉口干道方向长度均为L₀；相比相邻交叉口之间的距离，不同交叉口干道方向长度的差值可以忽略，为方便描述，将各交叉口干道方向长度视为相等。L_i-1表示i-1号交叉口与i号交叉口之间的距离；C_i-1为i-1号交叉口原始信号周期时长；T_i-1为i-1号交叉口原始信号周期中的非直行相位时长，k′表示i-1号交叉口此时的周期数，表示向上取整；λ_i-1,k′表示i-1号交叉口k′周期的非直行相位时长调整幅度。

上述公式中仅考虑直行车流首车到达时间区间和下游交叉口直行相位开启时间的关系，对车流能否在直行相位期间完全通过交叉口不做研究。

步骤四二、确定i号交叉口驶向i-1号交叉口的车流首车到达时间区间：

由于对i号交叉口的k周期进行调整时先将k-1周期的调整幅度λ_i,k-1调整回来了，则每次计算k周期的调整幅度λ_i,k时干道方向直行相位起始计算时刻仍为T_i+(k-1)C_i；令t-(k-1)C_i＝λ_i,k，控制|λ_i,k|≤△C_i，C_i为i号交叉口原始信号周期时长，△为偏差调整系数；

i号交叉口第k信号周期干道方向直行相位开启时间为：T_i+(k-1)C_i+λ_i,k，T_i为i号交叉口原始信号周期中的非直行相位时长；此时i号交叉口驶向i-1号交叉口的直行车流首车到达时间区间为

步骤四三、综合考虑i-1、i两交叉口之间的双向直行车流，确定i号交叉口在k周期内的信号控制方案，确定i-1、i两交叉口之间双向车流的诱导车速，使得双向车流都能在交叉口干道方向直行相位内通过：

首先判断，是否存在k′使得式(1)和式(2)同时成立：

如果存在满足条件的k′，根据式(1)得到λ的范围为A1，根据式(2)得到λ_i,k的范围为A2，若A1与A2存在区间交集，则选取A1∩A2中绝对值最小的值作为i号交叉口k周期的非直行相位时长调整幅度值λ_i,k，即：i号交叉口调整后的第k周期中的非直行相位时长T_i,_k＝T_i+λ_i,k；此时能实现i号交叉口和i-1号交叉口间双向车流不停车通过，从而降低干道方向车辆延误；并计算i-1号交叉口驶向i号交叉口和i号交叉口驶向i-1号交叉口车流的诱导车速；若A1与A2不存在交集，则无法实现双向车流的合理诱导，只能在调整幅度小的前提下诱导其中一股车流，比较选取A1与A2中绝对值最小的λ_i,k值，使T_i,k＝T_i+λ_i,k；如果该绝对值最小的值属于A1，计算i-1号交叉口驶向i号交叉口车流的诱导车速；如果该绝对值最小的值属于A2，则计算i号交叉口驶向i-1号交叉口车流的诱导车速；

若不存在k′使得上述两个表达式同时成立，则不进行i号交叉口信号控制方案调整和该周期内i-1、i两交叉口之间双向车速诱导，保持该周期的非直行相位时长不变，即：T_i,k＝T_i。

其他步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，步骤四三中所述i-1号交叉口驶向i号交叉口车流的诱导车速的具体计算过程为：

其中，v_i-1,k表示第k周期内i-1号交叉口驶向i号交叉口车流的诱导车速。

其他步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二不同的是，步骤四三中所述i号交叉口驶向i-1号交叉口车流的诱导车速的具体计算过程为：

其中，v_i,k表示第k周期内i号交叉口驶向i-1号交叉口车流的诱导车速。

其他步骤及参数与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二不同的是，偏差调整系数△＝0.2；偏差调整系数不宜过大，为了保持整体通行状况的稳定，本发明的信号周期调整优选为0.2。

其他步骤及参数与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一、二、三、四或五不同的是，设定控制路段上的车速诱导的最小值综合考虑实际道路情况和计算便捷度，进行上述的设定。

其他步骤及参数与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

实施例

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

如图1所示，干道上连续的三个交叉口(1号，2号，3号)均采用四相位定时控制方案，控制时间段T＝2H＝120×60s。直行相位时间为相位四的绿灯时间+黄灯时间；交叉口干道方向长度均为L₀＝40m，1号交叉口与2号交叉口间距为L₁＝400m，2号交叉口与3号交叉口间距为L₂＝500m，三交叉口原始周期时长分别为C₁＝120s、C₂＝90s、C₃＝100s，信号控制方案如表1所示：

表1交叉口信号配时方案汇总

此时N＝3，对1号交叉口至3号交叉口的直行车流进行双向车速诱导及交叉口信号控制方案调整：

设1号交叉口为关键交叉口，其信号控制方案不变，首先进行1号交叉口和2号交叉口之间双向直行车流的车速诱导和2号交叉口的信号控制方案调整。1号交叉口周期时长为C₁＝120s，2号交叉口周期时长为C₂＝90s，1号交叉口干道方向直行相位开启时间(包括直行相位绿灯时间+黄灯时间3s)为75s+120(k′-1)s；k′＝1,2,...,60；k为周期数，直行相位时长为42s+3s＝45s；控制车速诱导的最大值为v_max＝50km/h，设置控制路段上车速诱导的最小值为v_min＝25km/h。

k′＝1时，直行车流首车到达2号交叉口的时间区间为[111，139.8]s，与此时间区间接近的2号交叉口信号控制方案调整后干道方向直行相位开启时间为55+90(k-1)+λ_2,k,k＝2，若要满足该车流诱导条件及在信号调整范围内，则λ_2,2的取值范围为[-18，-5.2]s；调整后2号交叉口直行车流首车至1号交叉口的时间区间为[181+λ_2,2，209.8+λ_2,2]s，与此时间区间接近的1号交叉口干道方向直行相位开启时间为120(k′-1)+75＝195s,k′＝2，若要满足该车流车速诱导条件，则λ_2,2的取值范围为[-14.8，14]s，交集得到λ_2,2的范围为[-14.8，-5.2]s，取λ_2,2＝-5.2s，则2号交叉口该周期前三相位缩短5.2s，1号交叉口至2号交叉口直行车流诱导车速为v_1，1＝25km/h，2号交叉口至1号交叉口直行车流诱导车速v_2,2＝30km/h。

k′＝2时，直行车流首车到达2号交叉口的时间区间为[231，259.8]s，与此时间区间接近的2号交叉口信号控制方案调整后干道方向直行绿灯开启时间为90(k-1)+55+λ_2,k,k＝3，若要满足该车流诱导条件及在信号调整范围内，则λ_2,3的取值范围为[-4，18]s；调整后2号交叉口直行车流首车至1号交叉口的时间区间为[271+λ_2,3，299.8+λ_2,3]s，与此时间区间接近的1号交叉口干道方向直行相位开启时间为120(k′-1)+75＝315s,k′＝3，若要满足该车流车速诱导条件，则λ_2,3的取值范围为[15.2，18]s，交集得到λ_2,3的范围为[15.2，18]s，取λ_2,3＝15.2，同时该周期弥补第一周期前三相位的缩短时间5.2s，则第二周期前三相位共延长5.2+15.2＝20.4s，1号交叉口至2号交叉口直行车流诱导车速v_1,3＝43.9km/h。

k′＝3,...,60，计算并调整2号交叉口信号控制方案。

k＝1时2号交叉口直行车流首车至3号交叉口的时间区间为[98.2,134.2]s，与此时间区间接近的3号交叉口信号控制方案调整后干道方向直行相位开启时间为100(k-1)+60+λ_3,k,k＝1，不存在合适的λ_3,1满足该车流诱导条件，则此车流不进行车速诱导；根据上述2号交叉口调整结果，2号交叉口第2信号周期直行车流首车至3号交叉口的时间区间为[183，219]s，与此时间区间接近的3号交叉口信号控制方案调整后干道方向直行相位开启时间为100(k-1)+60+λ_3,k,k＝2，不存在合适的λ_3,2满足该车流诱导条件，则此车流不进行车速诱导；调整后3号交叉口直行车流首车至2号交叉口的时间区间为[203.2+λ_3,2，239.2+λ_3,2]s，根据前文结果，与此时间区间接近的2号交叉口干道方向直行相位开启时间为250.2s，若要满足该车流车速诱导条件，则λ_3,2的取值范围为[11，20]s，取λ₃,2＝11，3号交叉口至2号交叉口直行车流诱导车速v₃,2＝25km/h。

计算后得到如图2的交叉口车流车速诱导时空图。本发明方法能够实现双向车流不停车通过交叉口，从而降低干道方向车辆延误，相比现有方法交叉口通行效率提高约50％。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。