一种基于灯组的混合交通流信号配时优化方法

摘要

本发明提供一种基于灯组的混合交通流信号配时优化方法，包含如下步骤：对各灯组进行编号；设定求解目标函数：目标函数为以满足周期最短为求解目标的目标函数或是以满足周期最短为求解的目标函数或是以通行能力最大为求解的目标函数；设置目标函数的约束条件；根据目标函数和约束条件编写非线性优化求解程序，最终得出优化配时结果本发明具有的优点和积极效果是：能够针对不同灯组的流量需求灵活调整信号配时方案，没有使用相位的概念，灯组的启亮不再受到同一相位其他车流的影响，能够灵活地衔接不同车流的绿灯启亮时间，以达到交叉口通行效益的最大化；能有效保证非机动车和行人的通行安全，求解简便。

说明书

技术领域

本发明属于定时信号优化配时技术领域，尤其是涉及一种基于灯组的混 合交通流信号配时优化方法。

背景技术

一些城市道路交叉口的非机动车和行人数量较多，在交叉口交通组成中 的占有的比例较大，且各种方式交通流之间的相互干扰严重，具有混合交通 流的特征。特别是近年来电动自动车和助力自行车的迅速增长使得城市道路 交叉口交通流的速度区间进一步扩大，涵盖了3～5km/h的行人交通流速度、 10～35km/h的非机动车交通流速度以及50～80km/h的机动车交通流速度，这 使得交叉口的信号控制更加复杂。

现有技术中，一般认为在设置有非机动车信号灯时，非机动车绿灯时长 等于机动车绿灯时长减去机动车绿灯间隔时间与非机动车绿灯间隔时间的 差值。然而，这种非机动车绿灯时间的计算方法没有考虑非机动车的实际通 行需求，并不适用于非机动车交通量较大时的情况。而且，从实际运行情况 来看，很少有设置非机动车专用信号的交叉口。由于运行特性的差异，非机 动车与机动车在绿灯末尾清空时各自所需的绿灯间隔时间存在较大的差异。 尤其是对于左转非机动车和机动车而言，由于清空距离较大，绿灯间隔时间 的差异更为明显。在这种情况下，仍然采用非机动车与机动车共用相位时， 绿灯结束后非机动车无法在相应的绿灯间隔时间内通过，从而造成安全隐 患。

此外，关于机非分离条件下信号优化模型的研究往往先确定相位结构， 再进行相序的优化，这样大大限制了优化方案的范围。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种基于灯组的混合交通流信号配时优化 方法，以城市道路信号控制交叉口混合交通流作为研究对象，重点分析如何 合理设计混合交通交叉口的时间资源配置，提高交叉口的通行效率。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于灯组的混合交通流信号配时优化方法，包含如下步骤：

1)对各灯组进行编号；

2)设定求解目标函数：

目标函数为以满足周期最短为求解目标的目标函数或是以满足延误最 小为求解的目标函数或是以通行能力最大为求解的目标函数；

3)设置目标函数的约束条件；

4)根据目标函数和约束条件编写非线性优化求解程序，最终得出优化 配时结果。

所述的基于灯组的混合交通流信号配时优化方法，具体包含如下步骤：

1)对各灯组进行编号：

灯组是交叉口信号控制中最小的独立控制单元，可将各进口道中不同流 向的机动车、非机动车和行人分别定义为一个灯组，并按顺时针或者逆时针 进行编号；

2)设定求解目标函数：

以满足周期最短为求解目标，目标函数如下：

f＝min C        (1)

式中：f为目标函数；C为周期时长，单位秒；

或者是以机动车和非机动车的周期延误最小为求解目标，目标函数如 下：

$\text{Z=min}(\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{d}_{\mathrm{Mi}}+\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{d}_{\mathrm{Bi}})---\left(2\right)$

式中：dMi为机动车灯组i的延误，单位秒；dBi为非机动车灯组i的 延误，单位秒；i为灯组编号；M为机动车灯组总数；N为非机动车灯组总 数；

对于任意不饱和机动车车流或者灯组车流，都可用公式(3)计算周期 延误：

$d_{\mathrm{Mi}}=0.9(\frac{s_i{(1-{\Lambda }_i)}^2\times C}{2(s_i-q_i)}+\frac{q_i}{2s_i{\Lambda }_i(s_i{\Lambda }_i-q_i)})---\left(3\right)$

式中：si为饱和流量，单位辆/秒；C为周期时长，单位秒；qi为灯组 所对应的流量，单位辆/秒；Λ_i为有效绿灯时间与周期时长的比值；即，

${\Lambda }_i=\frac{g_i+e}{C}---\left(4\right)$

式中：gi为任意机动车灯组i的绿灯时长，单位秒；e为黄灯时长 与启动损失时间的差值，单位秒；

对于非机动车的延误，可用公式(5)计算得出：

$d_{\mathrm{Bi}}=\frac{0.5C{(1-\frac{g_i}{C})}^2}{1-\left[\frac{g_i}{C}\min (\frac{q_i}{s_i},1)\right]}---\left(5\right)$

式中：参数意义同上；

或者是以通行能力最大为求解目标，目标函数如下公式(6)表示：

$\text{f=max}\underset{i=1}{\overset{M+N}{\Sigma }}{s}_i(g_i+e)---\left(6\right)$

式中：参数意义同上；

3)上述目标函数求解时，应给予以下约束条件：

①绿灯启亮时间约束

$\left(\begin{array}{cc}C\ge g{b}_i\ge 0& \forall i=\mathrm{1,2},...,M+N---\left(7\right)\end{array}\right)$

式中：gbi为任一灯组i在某周期内的绿灯启亮时刻距周期起始时刻的 时间差，单位秒；

②最小绿灯时长约束:

对于混合交通交叉口，行人和非机动车等慢行交通是本发明需要特别考 虑的交通主体,因此，本发明必须满足行人过街的需求，保证行人绿灯时间 不小于行人通过交叉口的最短时间:

$C>g_i\ge g_{\min }\forall i=\mathrm{1,2},...,M+N---\left(8\right)$

式中:gmin为行人通过交叉口所需的最短时间，单位秒；

③各车道组的通行能力约束

在进行信号配时时，还需要注意各灯组的绿灯时长需要满足该灯组所对 应的交通量需求；即：各灯组任一周期内的通行能力都必须大于等于灯组所 的流量需求,具体计算如公式(9)所示：

$\left(\begin{array}{cc}(g_i+e)s_i\times 0.9\ge q_i\times C& \forall i,j=\mathrm{1,2},...,M+N---\left(9\right)\end{array}\right)$

④绿灯间隔时间约束

绿灯间隔时间是指任意两个存在冲突的灯组之间所必须设置的最小时 间间隔,在进行信号配时计算时，必须保证两个冲突灯组之间的时间差必须 大于等于绿灯间隔时间,该约束可用公式(10)表示：

gb_i+g_i+I_ij≤gb_j     (10)

式中：Iij为两任意灯组之间的绿灯间隔时间，单位秒；

⑤周期时长C的约束

在进行信号配时设计时，需要对周期时长设置一定的范围，在交通量较 小时，可以将周期时长的上限值调低；反之则调高，该约束可用公式(11) 表示：

C_min≤C≤C_max               (11)

式中，Cmin为设置的周期时长最小值，单位秒；Cmax为设置的周期时 长最大值，单位秒；其余参数同上；

4)求解：

根据上述目标函数与约束条件，编写非线性优化求解程序，最终得出优 化配时结果。

本发明具有的优点和积极效果是：

(1)提出一种基于灯组的混合交通流信号配时优化技术，该技术可以 分别求解周期最小、延误最小以及通行能力最大时的混合交通流的信号配时 优化方案；

(2)所使用的基于灯组的信号配时优化技术能够针对不同灯组的流量 需求灵活调整信号配时方案，没有使用相位的概念，灯组的启亮不再受到同 一相位其他车流的影响，能够灵活地衔接不同车流的绿灯启亮时间，以达到 交叉口通行效益的最大化；

(3)本发明能有效保证非机动车和行人的通行安全，求解简便。

附图说明

图1是本发明的方法流程图；

图2是本发明一实施例交叉口的几何空间布局及进口道车道功能划分渠 化图；

图3是本发明一实施例以满足周期最短为求解的目标得到的信号配时方 案示意图。

具体实施方式

本发明针对现有的信号配时方法没有充分考虑非机动车和行人的通行 需要和清空安全等问题，开发一种基于灯组的混合交通流信号配时优化方 法，来弥补现有方法无法合理解决复杂的混合交通流信号配时方法。本发明 的核心思想是通过建立非线性优化求解模型，综合考虑机动车、非机动和行 人的流量需求、绿灯间隔时间、周期时长等约束，对混合交通流的信号配时 进行优化求解。

下面结合附图对本发明的实施例做详细说明。

本发明一实施例以如图2所示的某地一存在混合交通流的信号控制交叉 口的配时优化为例，图1所示为本实施例交叉口的几何空间布局及进口道车 道功能划分状况图，可以看出，四个进口道皆有非机动车道存在；且存在一 个转角三角岛，交叉口的交通流运行较为复杂。现状条件下，信号周期C为 240秒，为典型的Webster方法计算的四相位信号设置。

本实施例中，采用录像观测的方法对各流向的交通流量的进行采集和统 计。并通过记录各灯组在运行过程中的饱和车头时距来进行饱和流量的计 算。

本发明的基于灯组的混合交通流信号配时优化方法，如图1所示，包括 如下步骤：

步骤1，对各灯组进行编号：

灯组是交叉口信号控制中最小的独立控制单元，可将各进口道中不同流 向的机动车、非机动车和行人分别定义为一个灯组，并按顺时针或者逆时针 进行编号；

本实施例的交叉口由于不存在直右车道，故灯组划分较为简单，每个进 口道各流向的机动车和非机动车各自为一个灯组；由于右转非机动车只与其 侧向的行人有冲突，且非机动车车速较慢，故不对其实施信号控制，即不对 其进行灯组编号；具体灯组编号如图1所示，灯组用K表示；

步骤2，设定求解目标函数，根据实际需求的不同可以选择以满足周期 最短为求解目标或者是以机动车和非机动车的周期延误最小为求解目标或 者是以通行能力最大为求解目标，具体方法如下：

以满足周期最短为求解目标，目标函数如下：

f＝min C          (1)

式中：f为目标函数；C为周期时长，单位秒，其中周期时长的公式可 选择现有的对定时信号配时的方法中的计算公式；

或者是以机动车和非机动车的周期延误最小为求解目标，目标函数如 下：

$\text{Z><mrow><mo>(</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>M</mi></munderover><msub><mi>d</mi><mi>Mi</mi></msub><mo>+</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><msub><mi>d</mi><mi>Bi</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow>}$

式中：dMi为机动车灯组i的延误，单位秒；dBi为非机动车灯组i的 延误，单位秒；i为灯组编号；M为机动车灯组总数；N为非机动车灯组总 数；

对于任意不饱和机动车车流或者灯组车流，都可用公式(3)计算周期 延误：

$d_{\mathrm{Mi}}=0.9(\frac{s_i{(1-{\Lambda }_i)}^2\times C}{2(s_i-q_i)}+\frac{q_i}{2s_i{\Lambda }_i(s_i{\Lambda }_i-q_i)})---\left(3\right)$

式中：si为饱和流量，单位辆/秒；C为周期时长，单位秒；qi为灯组 所对应的流量，单位辆/秒；Λ_i为有效绿灯时间与周期时长的比值；即，

${\Lambda }_i=\frac{g_i+e}{C}---\left(4\right)$

式中：gi为任意机动车灯组i的绿灯时长，单位秒；e为黄灯时长 与启动损失时间的差值，单位秒；

对于非机动车的延误，可用公式(5)计算得出：

$d_{\mathrm{Bi}}=\frac{0.5C{(1-\frac{g_i}{C})}^2}{1-\left[\frac{g_i}{C}\min (\frac{q_i}{s_i},1)\right]}---\left(5\right)$

式中：参数意义同上；

或者是以通行能力最大为求解目标，目标函数如下公式(6)表示：

$\text{f><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>M</mi><mo>+</mo><mi>N</mi></mrow></munderover><msub><mi>s</mi><mi>i</mi></msub><mrow><mo>(</mo><msub><mi>g</mi><mi>i</mi></msub><mo>+</mo><mi>e</mi><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow>}$

式中：参数意义同上；

步骤3，上述目标函数求解时，应给予以下约束条件：

①绿灯启亮时间约束

$\left(\begin{array}{cc}C\ge g{b}_i\ge 0& \forall i=\mathrm{1,2},...,M+N---\left(7\right)\end{array}\right)$

式中：gb_i为任一灯组i在某周期内的绿灯启亮时刻距周期起始时刻的 时间差，单位秒；

②最小绿灯时长约束:

对于混合交通交叉口，行人和非机动车等慢行交通是本发明需要特别考 虑的交通主体,因此，本发明必须满足行人过街的需求，保证行人绿灯时间 不小于行人通过交叉口的最短时间:

$C>g_i\ge g_{\min }\forall i=\mathrm{1,2},...,M+N---\left(8\right)$

式中:gmin为行人通过交叉口所需的最短时间，根据具体的人行过街长 度而定，单位秒；

③各车道组的通行能力约束

在进行信号配时时，还需要注意各灯组的绿灯时长需要满足该灯组所对 应的交通量需求；即：各灯组任一周期内的通行能力都必须大于等于灯组所 对应车道组的流量需求,具体计算如公式(9)所示：

$\left(\begin{array}{cc}(g_i+e)s_i\times 0.9\ge q_i\times C& \forall i,j=\mathrm{1,2},...,M+N---\left(9\right)\end{array}\right)$

④绿灯间隔时间约束

绿灯间隔时间是指任意两个存在冲突的灯组之间所必须设置的最小时 间间隔,在进行信号配时计算时，必须保证两个冲突灯组之间的时间差必须 大于等于绿灯间隔时间,该约束可用公式(10)表示：

gb_i+g_i+I_ij≤gb_j           (10)

式中：Iij为两任意灯组之间的绿灯间隔时间，单位秒；gbj为冲突灯 组在某周期内的绿灯启亮时刻距周期起始时刻的时间差，单位秒；

⑤周期时长C的约束

在进行信号配时设计时，需要对周期时长设置一定的范围，在交通量较 小时，可以将周期时长的上限值调低；反之则调高，该约束可用公式(11)

表示：

C_min≤C≤C_max            (11)

式中，Cmin为设置的周期时长最小值，单位秒；Cmax为设置的周期时 长最大值，单位秒；其余参数同上；本实施例中Cmin取120秒，Cmax取 240秒；

步骤4，求解：

根据上述目标函数与约束条件，编写非线性优化求解程序，可采用 matlab求解非线性方程，最终得出优化配时结果；

本实施例中目标函数中的各灯组所对应的流量和饱和流量数据如下表 所示：

表1各灯组的流量及饱和流量(单位，辆/小时)

灯组编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 流量qi 162 936 612 180 852 126 315 1533 144 738 1365 200 饱和流量si 3200 6000 1800 1600 3600 1800 1600 5400 1600 3200 5400 1600 灯组编号 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 流量qi 300 400 300 400 300 400 300 400 200 200 200 200

饱和流量si 3000 3000 3000 3000 3000 3000 3000 3000 5000 5000 5000 5000

本实施例中各冲突灯组间的绿灯间隔Iij矩阵如表2所示；

表2 绿灯间隔矩阵(单位，秒)

通常状况下，黄灯时长和启动损失时间的差值e为2秒，本实施例中也 取该值。

本实施例以满足周期最短为求解的目标函数结合约束条件编写非线性 优化求解程序，目标函数中仅有一个变量，即周期C，其余约束条件中的变 量都是需要求解的，因为这个方法所要得到的结果不单单是一个周期取值， 还需要得到相应灯组的起始时间和绿灯时长；本实施例是在满足各约束条件 的前提下求得的最小取值，优化求解得到周期minC为203秒，具体信号配 时方案如图3所示。

本实施例的交叉口由于东进口直行和左转的流量比大于西进口，优化方 案将西进口直行与东进口直行进行搭接处理，即，①西进口直行和东进口先 同时放行，②在西进口直行结束后，东进口直行继续与东进口左转同时放行， ③东进口直行结束，东西左转同时放行。

本发明信号配时优化方法没有使用相位的概念，灯组的启亮不再受到同 一相位其他车流的影响，因而配时更加灵活。而传统的Webster信号配时方 法需要事先确定相位及相序，与之相比，基于灯组的信号优化方法能够灵活 地衔接不同车流的绿灯启亮时间，以达到交叉口通行效益的最大化。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳 实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作 的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。