利用信号灯控制进入城市区域交通需求的方法

摘要

本发明涉及交通信号控制方法，旨在提供一种利用信号灯控制进入城市区域交通需求的方法。包括：根据路网拓扑结构，筛选出一级需求控制交叉口和二级需求控制交叉口；根据区域边界各个交叉口的交通强度来确定各自合适的信号周期；通过各路段的检测器判断拥挤情况，如果状态指标达到预先设定的阈值，则依次触发一级交通需求控制和二级交通需求控制的请求；根据控制需求，确定各个交叉口的允许流入率，进而确定各交叉口需求控制相位绿信比。本发明所需数据少，只需要流量数据、占有率数据；对路网拓扑结构依赖性不强，适用于任意拓扑结构的路网；使得区域边界向区域内部的流入量等于区域内部所能承载的交通量，缓解区域交通拥堵，提高交通运行效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种交通信号控制方法，具体涉及利用信号灯控制进入城市区域交通需求的方法。

背景技术

交通需求超过交通供给是导致交通拥堵的根源，一般通过改变人们的出行方式和出行时间以缓解交通拥堵，提高交通运行效率。但由于配套交通设施建设落后，改变出行者的行为并没有得到显著的成效。目前，区域拥堵就需求方面的原因主要是外围交通需求通过主干路、快速路进入中心城区，次干路和支路交通需求通过与主路相连的交叉口进入主路，加剧了主路的拥堵。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提出利用信号灯控制进入城市区域交通需求的方法，对区域交通需求进行信号控制，限制进入中心城区以及主干路的交通量，从而缓解区域交通压力，提高交通运行效率。

为解决技术问题，本发明提供了利用信号灯控制进入城市区域交通需求的方法，包括在城市区域路网中的每个路段安装线圈检测器、每个交叉口安装信号机和信号灯，并用光缆将其依次连接；其特征在于，该方法是将城市区域的路网根据交通需求控制分为一级交通需求控制和二级交通需求控制这两个级别，其中一级交通需求控制是控制区域外部进入区域内部的交通需求，二级交通需求控制是控制进入主路的次干路和支路交通需求；该方法具体包括下述步骤：

（1）根据路网拓扑结构，筛选出一级需求控制交叉口和二级需求控制交叉口；

（2）根据区域边界各个交叉口的交通强度来确定各自合适的信号周期；

（3）通过各路段的检测器判断拥挤情况，如果状态指标达到预先设定的阈值，则依次触发一级交通需求控制和二级交通需求控制的请求；根据控制需求，确定各个交叉口的允许流入率，进而确定各交叉口需求控制相位绿信比。

本发明中，根据路网的拓扑结构，将区域边界的交叉口作为一级需求控制交叉口，流入区域的流量所在相位作为一级需求控制相位；将主支路相交交叉口作为二级需求控制交叉口，进入主路的流量所在相位作为二级需求控制相位。

本发明中，在对拥挤情况进行判断时，使用交通强度和最大流入量作为共同的判断标准，当两者共同超过某个限值时触发需求控制。

本发明中，所述对路段拥挤情况进行判断是指，利用各个交叉口指定相位的交通强度的平均值与预设的阈值进行比较。

本发明中，所述各交叉口需求控制相位是指直行进入区域的相位以及左转进入区域的相位。

本发明中，需求控制相位的绿信比是通过最大允许流入量确定的。

本发明中，所述线圈检测器分别设于路段中部、路段入口和路段出口，称为中部检测器、入口检测器和出口检测器；其中，入口检测器、出口检测器只检测流量，而中部检测器同时检测占有率和流量。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

1、所需数据少，只需要流量数据、占有率数据；

2、对路网拓扑结构依赖性不强，适用于任意拓扑结构的路网；

3、通过控制区域交通需求，使得区域边界向区域内部的流入量等于区域内部所能承载的交通量，从而缓解区域交通拥堵，提高交通运行效率。

附图说明

图 1为路网以及检测器铺设；

图2为一级需求控制的拓扑结构；

图3为一级需求控制交通流的表示；

图4为二级需求控制的拓扑结构；

图5为二级需求控制交通流的表示；

图6为一级交通需求控制触发条件；

图7为二级交通需求控制触发条件；

图8为交通需求控制结束。

具体实施方式

本发明根据区域交通需求的特征，采用两个级别的需求控制思路：

（I）一级交通需求控制。控制区域外部进入区域内部的交通需求；

（II）二级交通需求控制。控制进入主路的次干路和支路交通需求；

本发明包括下述步骤：

(1)设定区域内部主要交叉口，通过检测器判断拥挤情况，如果状态指标达到预先设定的阈值，则触发一级需求控制和二级需求控制；

(2)根据路网拓扑结构，筛选出一级需求控制交叉口和二级需求控制交叉口；

(3)根据区域边界各个交叉口的交通强度来确定各自合适的信号周期；

(4)根据交通需求，确定各个交叉口的允许流入率，从而确定各交叉口需求控制相位绿信比。

一级需求控制和二级需求控制是根据交通需求特征分类的，一级需求控制是压缩进入区域内的交通需求，相应的交叉口为一级需求控制交叉口；二级需求控制是压缩进入主干路的次干路和支路的交通需求，相应的交叉口为二级需求控制交叉口。

路段拥挤情况判断是利用内部主要交叉口的特定相位（事先确定）的交通强度的平均值。信号周期是根据边界各个交叉口的交通强度来确定，即需求控制时边界交叉口采用各自合适的信号周期。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。

在图1中，线圈检测器分别设于路段中部、路段入口和路段出口，且分别称之为中部检测器、入口检测器和出口检测器，用以检测各个车道的流量、占有率等信息。其中入口、出口检测器只检测流量，而中部检测器同时检测占有率和流量。

图2、3为一级需求控制的示意图，B={b_ij}代表区域W的边界节点集合，用来表达其边界，b_ij=1说明i、j同为边界交叉口且相连，除此以外的b_ij=0；A={a_ij}为区域边界B外围节点集合，a_ij=1说明i、j同为边界外围交叉口且相连，除此以外的a_ij=0；AB={ab_ij}表示B外围节点和边界节点的邻接关系，ab_ij=1说明i为边界外围交叉口，j为边界交叉口且相连，除此以外的ab_ij=0；C={c_ij}代表区域W的内部节点集合，c_ij =1说明i、j同为区域内部交叉口且相连，除此以外的c_ij=0；BC={bc_ij}表示边界和W内部节点的邻接关系，bc_ij=1说明i为边界交叉口，j为内部交叉口且相连，除此以外的ab_ij=0。因此，直行进入区域交通流q_ijk，AB_ij=1，BC_jk=1；左转进入区域交通流q_ijk，B_ij=1，BC_jk=1。图3中直行进入区域交通流q₂₅₈，AB₂₅=1，BC₅₈=1；左转进入区域交通流q₆₅₈，B₆₅=1，BC₅₈=1。

图4、5为二级需求控制的示意图，图中交叉口m_k(k=2,3…s-1)的所有相位分成二级需求控制相位和非需求控制相位，二级需求控制相位存在着向主路注入的车流。图中的黄色车流都属于二级需求控制相位。针对二级需求控制，需要表达出道路的等级，具体表示如下：L={l_ij}道路等级矩阵，l_ij=1表示路段ij为主干路，l_ij=2表示路段ij为次干路，l_ij=3表示路段ij为支路。因此，支路进入次干路交通流q_ijk，l_ij=3，l_jk=2；次干路进入主干路交通流q_ijk，l_ij=2，l_jk=1。图5中支路进入次干路交通流q₃₂₅，l₃₂=3，l₂₅=2；次干路进入主干路交通流q₂₅₆，l₂₅=2，l₅₆=1。

图6-8为二级需求控制触发结束示意图。设定区域内部主要交叉口，作为触发一级需求控制和二级需求控制的判断数据来源。当同时满足两个条件时，需求控制触发：一是交通强度平均值，二是最大流入量。交通强度平均值为，交通强度I_Cij定义为交叉口ij流量和占有率的加权和I_Cij=0.5*q_ij+0.5*o_ij，其中q_ij为检测器检测到的流量，o_ij为检测器检测到的占有率。最大流入量Q_m取边界交叉口达到最大周期时候的流入量。图中和分别是一级需求控制的触发阈值、二级需求控制的触发阈值，，采用期望的交通强度I_e（即期望进行需求控制后达到的交通强度，人为设定），取内部主要交叉口达到最大周期时刻的交通强度；和分别是一级需求控制的结束阈值、二级需求控制的结束阈值，；Q_m1和Q_m2分别是区域外围交叉口流入量触发结束阈值，Q_m2=Q_m1

当区域交通状态恶化，交通拥堵严重，并触发区域一级交通需求控制，就需要对一级需求控制交叉口重新进行信号配时，控制区域边界向区域内部的流入量；而当区域交通状态继续恶化，触发区域二级交通需求控制，就需要对二级需求控制交叉口重新进行信号配时，压缩绿信比，控制次干路和支路汇入主干路的交通量。

一级、二级需求控制交叉口的周期C_j是根据其交通强度得到的。一级、二级需求控制交叉口的绿信比确定方法依赖于最大允许流入率。最大允许流入率设定为达到区域内部达到最大信号周期时候的检测器5分钟流量。

将边界交叉口的信号相位分为需求控制相位和非需求控制相位，需求控制相位指直行进入区域相位以及左转进入区域的相位。根据每个交叉口的最大允许流入量，计算需求控制相位的绿信比。给定g_max，C_max，交叉口饱和流率s_ijk（j∈B，k∈C，BC_jk=1，如果直行进入区域则AB_ij=1；如果左转进入区域则B_ij=1且BC_jk=1），则交叉口分配的绿信比和绿灯时长分别为：；，。直行进入区域流量绿灯时长和左转进入区域流量的绿灯时长应和流量比成正比：。最终的绿灯取单个交叉口确定的最小绿灯和区域交通需求控制确定绿灯的最大值，g_ijk=max{g＇_ijk,g_jmin}。当出现通信故障时候，交通需求控制交叉口采用以下方法。根据单口确定的区域需求控制相位的绿信比以及绿灯时间分别为λ＇_ijk和g＇_ijk，设定一个[0,1]之间的系数α_j（二级需求控制为β_k），则新的绿信比和绿灯时长为：。剩余绿灯在其余相位等饱和度分配，参数α_j建议取值0.6。

至此，区域需求控制方案就完全确定了下来。