直观的主干道若干十字路口双向绿波带的实现方法

摘要

本发明公开了一种直观的主干道若干十字路口的双向绿波带实现方法，通过对涉及的各路口的车辆信息采集，以及交叉口之间的距离参数和路段平均车速的估计，计算得到公共周期，在满足绿波带宽度要求的前提下，通过上下移动主干道方向相位的起点和终点或是变换相位组合方式，最终得到各路口的周期内相位顺序组合和相位差，以最大程度上增加绿波带的宽度。本发明经论证，在支干道相位绿灯时间不大于主干道相位绿灯时间Gkey的前提下至少能达到67%，即绿波带宽度等于67%*Gkey。本发明方法使用的图解法，相比传统的图解法和数解法都更简单直接，不仅计算量小而且效果更好，可以很大程度上减少主干道车辆的停车次数，降低油耗减少污染。

说明书

技术领域

本发明属于交通控制技术领域。 

背景技术

随着城市车辆数目的不断增加，而道路基础设施的建设跟不上车辆增加的速度，尤其是在大城市，交通堵塞情形时有发生，给人们的日常出行带来不便，也给道路设施带来了越来越大的压力。交通阻塞不仅给人们带来烦躁情绪，同时车辆等待时排放更多的废气也给环境造成一定的污染，交通控制的重要性不言而喻，其中路口信号灯控制技术是其中非常重要的一环。当前的交通控制大体分为三种：单个路口控制、主干道控制和区域控制，也称点控、线控和面控（或区控）。绿波控制技术是线控的一种最常用的方法，其思想是在指定的交通主干道上，通过路段过往平均车速的估计，信号控制机根据路段距离把该车流所经过的各路口绿灯起始时间做相应的调正，可以确保该车流尽可能在到达每个路口时正好遇到绿灯。 

当前绿波控制技术的方法众多，有基于多智能体交通绿波的控制算法，通过实验验证当车辆比较少时可以产生绿波效应，车辆较多时，车辆疏散时间短，拥堵程度降低，但是未说明绿波带宽度这一重要指标，同时智能体的实现相对复杂。也有使用混合整数线性规划方法求解建立的通用干道双向绿波协调控制模型，通过实验验证得到绿波带带宽为由南往北方向30%和由北往南方向28%，此方法得到的绿波带宽度仍不令人满意，而且此类交通控制数学模型涉及较多变量参数，求解耗时。有使用传统图解法，通过计算路口理想位置的计算与实际路口位置的比较，找到一个最接近理想位置的方案，设计了一种各进口单独放行的双向绿波方法，最后通过实验验证了此方法相对于传统数解法的优越性，但是绿波带宽度得不到保证。 

发明内容

本发明公开了一种直观的主干道若干十字路口的双向绿波带实现方法，通过对涉及的各路口的车辆信息采集，以及交叉口之间的距离参数和路段平均车速的估计，计算得到公共周期，在满足绿波带宽度要求的前提下，通过上下移动主干道方向相位的起点和终点或是变换相位组合方式，最终得到各路口的周期内相位顺序组合和相位差，以最大程度上增加绿波带的宽度。 

为实现上述目的，本发明给出的技术方案为： 

一种直观的主干道若干十字路口双向绿波带的实现方法，其特征在于，通过采集各路口的车流量信息、各路口之间的间距和路段车流平均速度，计算得出公共周期、各路口相位组合方式和相位差；

具体步骤是：

1）根据采集的交通流量，利用韦伯斯特公式，对干道中各个交叉口进行配时，得出各个交叉口的信号周期，公共周期最大的选为关键交叉口；

韦伯斯特公式：C = （1.5 * L+5） / （1+Y），其中C为周期时长，L为每周期总损失时间；Y为交叉口关键相位最大流量比之和；

2）根据最短绿灯时间G_min，算出主干道方向的绿灯时间G_key = （C – 2 * G_min）/ 2，默认主干道两个方向直行绿灯时间等于G_key，支干道方向直行绿灯时间等于G_min；

3）初始化关键交叉口的相位顺序，在时间-距离图上以主干道相位的起点和终点分别做两条斜率为1/V_上行和-1/V_下行的斜线，再从其余每个路口在距离轴上的位置作一条垂直的直线，与先前东西相位引出的直线相交的线段即为此路口东西相位的位置；

4）通过上下调节东西相位的起始时间，或者改变相位的组合方式，以满足绿波带的宽度要求，最终得到每个路口的相位组合方式和相位起始时间（即相位差）。

与现有技术相比，本发明技术方案具有的有益效果是： 

1）绿波带控制实现过程中，常受到路口间距离过短限制，因此得到绿波带总体效果较差，而本发明方法中直接在路口位置上调整相位差，不存在间距限制问题；

2）绿波带控制方案实现后，实际应用时绿波带宽度得不到保证，而本发明方法可以保证绿波带宽度至少达到绿灯时间的67%。本发明经论证，在支干道相位绿灯时间不大于主干道相位绿灯时间G_key的前提下至少能达到67%，即绿波带宽度等于67%*G_key。

3）本发明方法使用的图解法，相比传统的图解法和数解法都更简单直接，不仅计算量小而且效果更好，可以很大程度上减少主干道车辆的停车次数，降低油耗减少污染。 

附图说明

图1为本发明方法适用的道路情形的简图。 

图2是本发明方法中涉及到图解法使用的时间-距离图，其中横坐标代表各路口的位置，纵坐标代表时间，其中相位1---相位8为图中标示的行驶方式组合。 

图3为B路口位置的第一种情形。 

图4是图解法中当Y_temp>2*G_min+2（1-θ）*G_key时的情形。 

图5是当上行与下行主干道相位有重叠的情形。 

具体实施方式

本发明方法的主要目的在于提供一种直观的主干道若干十字路口双向绿波带的实现方法，通过采集各路口的车流量信息、各路口之间的间距和路段车流平均速度估计，计算得出公共周期、各路口相位组合方式和相位差。 

为达到上述目的，本发明方法的步骤是： 

1、根据采集的交通流量，利用韦伯斯特公式，对干道中各个交叉口进行配时，得出各个交叉口的信号周期，公共周期最大的选为关键交叉口（韦伯斯特公式：C = （1.5 * L+5） / （1+Y）其中C为周期时长，L为每周期总损失时间；Y为交叉口关键相位最大流量比之和）；

2、根据最短绿灯时间G_min，算出主干道方向的绿灯时间G_key = （C – 2 * G_min）/ 2（默认主干道两个方向直行绿灯时间等于G_key，支干道方向直行绿灯时间等于G_min，需要时在求解过程中修改）；

3、初始化关键交叉口的相位顺序，在时间-距离图上以主干道相位的起点和终点分别做两条斜率为1/V_上行和-1/V_下行的斜线，再从其余每个路口在距离轴上的位置作一条垂直的直线，与先前东西相位引出的直线相交的线段即为此路口东西相位的位置；

4、考虑绿波带的宽度要求，通过上下调节东西相位的起始时间，或者改变相位的组合方式，以满足绿波带的宽度要求，最终得到每个路口的相位组合方式和相位起始时间（即相位差）。具体调整方法如下：

图1为本发明方法适用的道路情形的简图。如图1所示，取东西方向为主干道方向，南北方向为支干道方向（取南北方向为主干道也可，这里选取东西方向，仅作示例用），其中标号的说明参考附图说明的介绍。相位的组合方式一般有两种：单进口直行和左转方式组成一个相位（比如1和2组成一个相位）和对称位置的行驶方式组成一个相位（比如1和5组成一个相位）。两者没有显著的优越差别，一般要求一个相位里不包含相矛盾的行驶方式（比如1和3或1和6）和一个周期内包含所有的行驶方式（即1,2,3,4,5,6,7,8）。

图2是本发明方法中涉及到图解法使用的时间-距离图，其中横坐标代表各路口的位置，纵坐标代表时间，其中相位1到相位8为图中标示的行驶方式组合。图中C是公共周期，G1、G2、G3和G4分别表示相位1至相位4的绿灯时间，其中G1=G2=G_key，G3=G4=G_min。A是关键路口，B是另一个路口的位置。V_AB是从A路口往B路口方向的车辆平均速度，V_BA是从B到A方向的车辆平均速度。A路口的位置设为起始位置，坐标为0，从A路口相位1的起点引一条斜率为1/V_AB的直线，得到直线Y=X/V_AB；类似从A路口相位2的终点引一条斜率为-1/V_BA的直线，得到直线Y=G1+G2-X/V_BA,同样方式得到其余两条直线。斜率为1/V_AB的两条直线之间的范围即为上行绿波带；斜率为-1/V_BA的两条直线之间的范围即为下行绿波带，我们的目的就是让其余路口的各个主干道方向相位尽量落入这两个绿波带中，并且假设要求主干道方向绿波带宽度比至少为θ，即绿波带宽度至少等于θ*G_key。 

图3为B路口位置的第一种情形。从B的横坐标位置引一条垂直于横轴的直线（图中虚线表示），与直线Y=X/V_AB和直线Y=G1+G2-X/V_BA的交点分别为Y₁和Y₂，Y₁和Y₂之间的距离为Y_temp，通过对Y_temp的判定，得到B路口主干道相位的最终起始位置和顺序。具体方法是：在满足绿波带宽度不小于θ*G_key的前提下，（1）如果Y_temp较小，则下调上行主干道相位Y_temp/2个距离，上调下行主干道相位Y_temp/2个距离，可获得较大的绿波带宽度，如图中虚线左侧所示，此时所得相位顺序为相位2、相位1、相位3、相位4或者相位2、相位1、相位7和相位8，其中相位3和相位4可替换，相位7和相位8可替换。相位起始时间为Y₂+Y_temp/2-G_key；（2）如果Y_temp接近G_min，那么上调上行主干道相位（G_min-Y_temp）/2个距离，下调下行主干道相位（G_min-Y_temp）/2个距离，可获得较大的绿波带宽度，如图中虚线右侧所示，此时所得相位顺序为相位2、相位3、相位1、相位4或者相位2、相位7、相位1和相位8，其中相位3和相位4可替换，相位7和相位8可替换。相位起始时间为Y₂-（G_min-Y_temp）/2-G_key。两种方式选取哪一种，由分别得到的绿波带宽度决定，即G_key-Y_temp/2与G_key-（G_min-Y_temp）/2两者哪个更大，可以算得：当0<Y_temp< G_min/2时，前者更大，选第（1）种方式；当G_min/2<Y_temp< G_min时，后者更大，选第（2）种方式；当Y_temp=G_min/2，两者相等，选（1）或（2）效果相同。另外需要补充的是，在上下调整相位位置的同时，因为需要满足绿波带宽度不小于θ*G_key的前提，即G_key-Y_temp/2>θ*G_key或G_key-（G_min-Y_temp）/2>θ*G_key，所以在上述选取（1）或（2）两种方式的哪一种的过程中，如果判定出某一种不满足绿波带宽度要求，则直接舍弃，选取另一种。只有在同时满足的绿波带宽度要求的时候，比较哪一种方式下的绿波带宽度更宽。此时产生的问题是，可能两种都不满足，即：由G_key-Y_temp/2>θ*G_key算得Y_temp<2(1-θ)*G_key，由G_key-（G_min-Y_temp）/2>θ*G_key算得Y_temp>G_min-2（1-θ）* G_key，当2(1-θ)*G_key<G_min-2（1-θ）* G_key时，Y_temp取（2(1-θ)*G_key，G_min-2（1-θ）* G_key）之间的值时，两者都不满足绿波带宽度，所以为使总是可以至少有一种方式满足绿波带宽度要求，令2(1-θ)*G_key=G_min-2（1-θ）* G_key，算得θ=1-G_min/(4*G_key)，因通常情况下G_min<G_key,所以此时θ至少能达到3/4，即75%，已经是非常不错的效果。 

当G_min<Y_temp<2*G_min时，则选取一段时长为G_min的非主干道相位插在两个主干道相位之间，这样剩下的Y_temp长度又落入（0，G_min）之间，用上述相同的方式解决。当2*G_min<Y_temp<2*G_min+2（1-θ）*G_key时，仍可以通过上移上行主干道相位（1-θ）*G_key个距离，下移下行主干道相位（1-θ）*G_key个距离的方式，同时满足绿波带宽度的要求。此时，如果主干道相位之间包含两个次干道相位，相位顺序和起始时间需要作相应改变。 

图4是图解法中当Y_temp>2*G_min+2（1-θ）*G_key时的情形。此时仅通过上移下移的方式，已经无法满足绿波带宽度的要求，此时主干道方向相位改用对称相位同时放行的方式，使得中间Y_temp尽量凑足三个G_min的长度。此时若2*G_min+2（1-θ）*G_key<Y_temp<3*G_min,如图中B位置所示，则：上移上行主干道相位(3*G_min-Y_temp）/2个距离，并改为对称相位同时放行的方式；下移下行主干道相位(3*G_min-Y_temp）/2个距离，也改为对称相位同时放行的方式。此时相位顺序为相位6、相位7、相位8、相位5(其中相位6、7、8可替换)或相位3、相位4、相位6、相位5(其中相位3、4、6可替换)，相位起始时间为Y₂-(3*G_min-Y_temp）/2。此时为满足绿波带宽度要求，即需使得G_key-(3*G_min-Y_temp）/2>θ*G_key，可算得Y_temp>3*G_min-（1-θ）*G_key。同时因为Y_temp>2*G_min+2（1-θ）*G_key，所以令3*G_min-（1-θ）*G_key=2*G_min+2（1-θ）*G_key，可以算得θ=1-G_min/(3*G_key)，因通常情况G_min< G_key，所以θ最小为2/3，约为67%，也是不错的效果。可以看到G_key+3*G_min<C，所以把缺少的G_key-G_min长度加给图中的相位5，也是为什么相位5稍长于相位1的原因，这样也可以在某种程度上增加绿波带的宽度。当3*G_min<Y_temp<C-2（1-θ）*G_key时，如图中B’位置所示，可以通过下移上行主干道相位（Y_temp-3*G_min)/2个距离，并改为对称相位同时放行的方式；上移下行主干道相位（Y_temp-3*G_min)/2个距离，并改为对称相位同时放行的方式。此时相位顺序为相位6、相位7、相位8、相位5(其中相位6、7、8可调)或相位3、相位4、相位6、相位5(其中相位3、4、6可调)，相位起始时间为Y₂+(3*G_min-Y_temp）/2。此时为满足绿波带宽度要求，即需使得G_key-( Y_temp-3*G_min）/2>θ*G_key，可算得Y_temp<3*G_min+2*（1-θ）*G_key。同时因为Y_temp<C-2（1-θ）*G_key，所以令G_key-( Y_temp-3*G_min）/2>θ*G_key=C-2（1-θ）*G_key，可以算得θ=1/2+G_min/(4*G_key)，因通常情况G_min< G_key，所以θ最小为3/4，即75%，已是非常不错的效果。当C-2（1-θ）*G_key <Y_temp<C时，可以通过上移上行主干道方向相位（1-θ）*G_key个距离，下移下行主干道方向相位（1-θ）*G_key个距离，中间凑足一个C的长度。此时因为主干道相位之间包含一个周期，为保持周期性，此周期内起始相位为相位1，结束相位为相位2，中间可以是相位3、4或是相位7、8的组合，相位起始时间为Y₂-(C-Y_temp)/2。当Y_temp>C时，Y_temp对C取余，得到的距离又落入（0，C）的范围内，使用图3的方式解决。 

图5是当上行与下行主干道相位有重叠的情形。此时Y_temp为重叠部分的长度。当0<Y_temp<2（1-θ）*G_key时，可以通过上移上行方向主干道相位Y_temp/2个距离，下移下行方向主干道相位Y_temp/2个距离的方式，同时满足绿波带宽度的要求，如图中B位置所示，此时相位顺序为相位1、2、3、4（3、4可调）或者1、2、7、8（7、8可调），相位起始时间为Y₂-Y_temp/2-G_key。当2（1-θ）*G_key <Y_temp< G_key时，如B₂位置所示，改用对称相位同时放行的方式，相位位置确定为：中点在（Y₂+Y₁）/2处，长度为G_key。此时相位顺序为相位5、6、7、7（6、7、8可调）或者5、3、4、6（3、4、6可调），相位起始时间为Y₂-Y_temp/2-（C-3*G_min）/2。为满足绿波带宽度要求，需使得G_key-(G_key/2-Y_temp/2)> θ*G_key，算得Y_temp>(2*θ-1)*G_key,同时Y_temp>2（1-θ）*G_key,令两者相等，即(2*θ-1)*G_key=2（1-θ）*G_key，算得θ=3/4，即最低为75%。当上行主干道方向相位位于下行主干道方向相位下方时，如图中B₂位置所示，此时与前两种的不同之处在于Y₁和Y₂调换了位置，但是Y_temp的计算和前面没有区别，所以用类似的方式可解决。