CN103632555A - 一种基于绿波带宽度最大化的干道绿波协调控制配时方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于绿波带宽度最大化的干道绿波协调控制配时方法，包括如下步骤：1）调查干道上信号交叉口几何设置参数和基本配时参数，计算交叉口之间的换算距离D_i；2）计算理想信号间距的取值范围和迭代步长，得到理想信号间距的取值集合A；3）划分理想信号相对位置，基于绿波损失计算规则，计算所有可能理想信号间距取值A_j下干线上的最大绿波带宽度GWB_j；4）选取GWB_j中的最大值为最优绿波带宽度GWB^*，计算各交叉口的绿时差，得到干线绿波带宽度最大的协调控制配时方案。

Description

一种基于绿波带宽度最大化的干道绿波协调控制配时方法

技术领域

本发明属于交通信号控制中干线绿波控制技术领域，涉及一种使干道双向绿波带宽度最大的协调控制配时方法。

背景技术

我国在城市道路网干道上的交叉口多为信号控制交叉口，分别进行单点信号控制时车辆在交叉口处频繁停车，因此导致路网运行效率低下、出行延误增大等交通问题。为减少车辆在各个交叉路口上的停车时间，把一条干线上的一批相邻交通信号统一起来，加以协调控制，减少干线上车流的交通延误和停车率，对改善整个城市交通状况具有重大意义。

定时干道绿波信号协调控制的设计原则主要有两种：绿波带宽最大化和延误最小化。其中绿波带宽最大化设计方法是通过改变干线上各个交叉口的绿时差，追求理论绿波通行时间与公共信号周期比值的最大化，即以信号时空图中的理论绿波带宽度作为配时方案协调控制效果的评价指标。常用方法有图解法和数解法。其中图解法直观易操作，但主观性较大，且不适合于干线上交叉口较多时的情况。而数解法具有计算简洁、实现方便、可操作性强等优点，并在一些干道协调控制实际***设计中得到广泛应用，在许多教科书中也将其作为经典方法进行介绍。

然而通过图解法验证可以发现，传统数解法给出的配时方案的绿波带宽并不是最大的绿波带宽。此外，传统数解法所提出的改变限速值的方案在实际城市干道中难以实现，实际上城市干线的限速一般都是统一的，而车辆在同一路段上的行驶速度也相对稳定。再者，传统数解法只考虑了理想情况下的绿波带宽计算，没有考虑实际路段中可能出现的延误情况，如公交车停靠站产生的延误和交叉口先期排队车辆造成的延误。

为了克服上述缺陷，本发明对传统干线信号协调控制数解方法进行改进，易于实施、考虑实际车辆运行延误的前提下，提出一种基于绿波带宽度最大化的干道绿波协调控制配时新方法。

发明内容

技术问题：本发明在传统干道绿波协调控制数解方法基础上，提供了一种使干线绿波带宽最大、计算简便且易于实际工程操作的基于绿波带宽度最大化的干道绿波协调控制配时方法。

技术方案：本发明的基于绿波带宽度最大化的干道绿波协调控制配时方法，包括以下步骤：

1）对干线上信号交叉口的基本几何参数和配时参数进行调查，得到干线上信号交叉口个数为N个，第i个交叉口和第一个交叉口间的路段长度为D0_i，i=1,2,…,N，第i个交叉口的绿信比为λ_i，i=1,2,…,N，干线上公共信号周期C的取值范围为C∈[C_min，C_max]，干线上车辆的平均运行速度为v，计算交叉口间的换算距离D_i，i=1,2,…,N；

2）基于步骤1）中调查得到的基本参数，计算理想信号间距a的取值范围为：a∈[C_min·v/2，C_max·v/2]，理想信号间距a的迭代步长为：s=v/2；然后根据公式A_j=C_min·v/2+s^*(j-1)计算理想信号间距a所有的可能取值A_j，并生成理想信号间距a所有可能取值的集合A，A={C_min·v/2,C_min·v/2+s,C_min·v/2+2s,...C_min·v/2+s*(j-1),…C_max·v/2}，其中j为可能选取的迭代步长，j=1,2,…,C_max-C_min+1；

3）按照如下方法，分别计算理想信号间距a的每一个可能取值A_j下，干线上的最大绿波带宽度：

31）首先计算干线交叉口余数向量y=[y₁，y₂,…,y_N]，其中y_i为D_i除以A_j所得到的余数，然后基于干线交叉口余数向量y计算旋转余数向量y’=[y₁’，y₂’,…,y_N’]，最后将干线交叉口余数向量y和旋转余数向量y’中的所有元素合并到一个向量中，并将合并后得到向量中的所有元素按取值从小到大顺序排序，得到理想信号间距分割向量Y=[Y₁,Y₂,…,Y_2N]；

32）计算理想信号相对位置取值集合X=[X₁,X₂,…X_k…,X_2N]，其中理想信号相对位置可能取值X_k=（Y_k+Y_k+1）/2，k=1,2,…,2N-1，X_2N=（Y_2N+A_j）/2；

33）首先利用绿信损失计算规则，按照如下方法分别计算每一个理想信号相对位置可能取值X_k下的干线绿波带宽度GWB0_j,k：

计算理想信号相对位置可能取值X_k下信号交叉口i对应的前绿波损失Lf_i和后绿波损失Lb_i，i=1,2,…,N；然后选取所有Lf_i中的最大值作为理想信号相对位置可能取值X_k下干线绿波带宽的前绿波损失LfM_k，选取所有Lb_i中的最大值作为理想信号相对位置可能取值X_k下干线绿波带宽的后绿波损失LbM_k；最后计算理想信号相对位置可能取值X_k下的干线绿波带宽度GWB0_j,k=50%-LfM_k-LfM_k；

34）选取所有GWB0_j,k中的最大值作为理想信号间距a的可能取值A_j下，干线上的最大绿波带宽度GWB_j；

4）选取所有干线上的最大绿波带宽度GWB_j中的最大值，将它所对应的理想信号间距a的可能取值A_j作为最优理想信号间距值a^*，然后计算干线最优公共周期值C^*=2a^*/v，进而根据绿时差计算规则计算得到第i个交叉口的绿时差Oi，最后将干线最优公共周期值C^*和所有交叉口的绿时差作为使干线绿波宽度最大的最优协调控制配时方案。

本发明方法在传统干道绿波协调控制数解方法基础上做出改进，能够快速求解得到使干道双向绿波带宽度最大的协调控制配时方案。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

传统干线绿波协调控制数解方法存在不易于工程实施、没有考虑车辆运行过程中的实际延误和绿波损失计算原理考虑不全面等问题。本发明基于传统数解法中存在的问题提出了新的干线绿波协调控制配时方法，通过分别计算前后绿信损失改进了有效绿波带宽宽度的计算原理，通过设置换算距离在数解法中考虑实际车辆运行中的延误情况，通过改变理想信号取值方法使得求解结果更易于实际使用，并提出了新的最优理想信号位置找寻方法。本发明提出的方法易于实施、更符合实际车辆运行情况且可以准确求得使干道双向绿波带宽最大的协调控制配时方案。

附图说明

图1为本发明基于绿波带宽度最大化的干道绿波协调控制配时方法的流程图。

具体实施方式：

下面进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于权利要求所限定的范围。

本发明的基于绿波带宽度最大化的干道绿波协调控制配时方法，包括如下步骤：

1）调查得到干道上信号交叉口几何设置参数和基本配时参数：对干线上信号交叉口的基本几何参数和配时参数进行调查，调查得到干线上信号交叉口个数为N个，第i个交叉口和第一个交叉口间的路段长度为D0_i，i=1,2,…,N，第i个交叉口的绿信比为λ_i，i=1,2,…,N，干线上公共信号周期C的取值范围为C∈[C_min，C_max]，干线上车辆的平均运行速度为v。

本发明通过计算交叉口间的换算距离D_i考虑车辆实际运行中存在的延误，计算方法如下：

D_i＝D0_i+(Q*h+l₁+SD)*V

其中，D_i是换算后上游交叉口i和下游交叉口i+1之间的新假想距离；D0_i上游交叉口i和下游交叉口i+1之间的实际距离；Q是下游交叉口i+1处每个直行车道上的平均先期排队车辆；h排队车辆消散的车头时距离；l₁是车辆启动损失；SD是公共交通在路段i-i+1上的平均停站时间；v是车辆的平均运行速度。

2）计算理想信号间距的取值范围和迭代步长，并生成理想信号间距a所有可能取值的集合。

传统数解法提出了“理想信号”的概念，寻找干线上“理想信号”的位置，即“理想信号”的间距，是传统数解法的核心任务。本方法沿用了传统数解法中的实际交叉口绿时差设置方法：“理想信号”是绿信比为50%、在干线上等距离分布的虚拟交叉口，理想信号间距是指这些虚拟交口之间的距离，相邻理想信号之间组成交互协调，即绿时差为50%。干线上的实际交叉口和最近的理想信号之间组成同步式协调，即绿时差为0%。

然而传统数解法存在不方便实际工程实施、找到的理想信号间距并不是最优解等问题，本方法就理想信号间距取值、绿波损失计算方法和最优理想信号间距找寻方法三个方面对传统数解法进行了改进。其中，首先按照如下方法计算理想信号间距的取值范围和迭代步长：基于步骤1）中调查得到的基本参数，计算理想信号间距a的取值范围和a值的迭代步长s；理想信号间距a的取值范围为：a∈[C_min·v/2，C_max·v/2]，理想信号间距a的迭代步长为：s=v/2；

然后根据计算得到的理想信号间距a的取值范围和迭代步长，计算理想信号间距a所有的可能取值A_j，并生成理想信号间距a所有可能取值的集合A，A={C_min·v/2,C_min·v/2+s,C_min·v/2+2s,...C_min·v/2+s*(j-1),…C_max·v/2}，其中A_j=C_min·v/2+s*(j-1),j=1,2,…,C_max-C_min+1，j为可能选取的迭代步长数，j=1,2,…,C_max-C_min+1。

3）分别计算理想信号间距a的每一个可能取值A_j下，干线上的最大绿波带宽度GWB_j；对于每一个可能取值A_j，计算步骤大致为先计算在理想信号间距a的可能取值A_j下理想信号相对位置的取值集合X；然后计算在理想信号间距a的可能取值A_j下，所有理想信号相对位置可能取值X_k下干线绿波带宽度值GWB0_j,k；最后选取其中的最大值作为干线上的最大绿波带宽度GWB_j。具体的步骤如下：

31）计算理想信号间距分割向量：采用环形分割的思想，若干线上有N个信号控制交叉口，则理想信号相对位置的可能取值最多有2N个。具体计算方法如下：

首先计算干线交叉口余数向量y=[y₁，y₂,…,y_N]，其中y_i为D_i除以A_j所得到的余数。基于得到的干线交叉口余数向量y，采用环形分割的思想，将干线上的所有交叉口排列在一个圆环中，其中圆环的周长代表了理想信号间隔a的可能取值A_j，圆周中交叉口间的弧长代表在一个理想信号间隔中各个交叉口间的相对距离y_i。将得到的图形绕圆心旋转180度后和原来的图形重合。基于旋转后的图形得到旋转余数向量y’=[y₁’，y₂’,…,y_N’]，将余数向量y和旋转余数向量y’中的所有元素合并到一个向量中，并将合并后所有元素按取值从小到大顺序排序，得到理想信号间距分割向量Y=[Y₁,Y₂,…,Y_2N]；

32）计算理想信号相对位置取值集合

基于理想信号间距分割向量Y计算理想信号相对位置取值集合X=[X₁,X₂,…,X_2N]，其中X_k=（Y_k+Y_k+1）/2，k=1,2,…,2N-1，X_2N=（Y_2N+A_j）/2；

33）计算理想信号间距a的可能取值A_j下，每一个理想信号相对位置可能取值X_k下干线绿波带宽度值GWB0_j,k

综合考虑交叉口实际绿信比、实际交叉口与理想信号之间的错移距离、实际交叉口相对理想信号的前后位置，单个交叉口处绿波损失的计算规则如表1所示。

表1 绿波损失计算规则

其中，d是实际交叉口和其最近理想信号间的错移距离；a是理想信号间隔；λ是实际交叉口的绿信比，λ∈(0，1)，实际交叉口与对应理想信号之间的前后位置根据干道上车辆的行车方向进行判断，实际交叉口相对对应理想信号在行车方向处则认为实际交叉口在对应理想信号之前，反之则认为实际交叉口在对应理想信号之后。

根据提出的计算规则，计算所有理想信号相对位置可能取值X_k下信号交叉口i对应的前绿波损失Lf_i和后绿波损失Lb_i，i=1,2,…,N。选取所有Lf_i中的最大值作为理想信号相对位置可能取值X_k下干线绿波带宽的前绿波损失LfM_k，选取所有Lb_i中的最大值作为理想信号相对位置可能取值X_k下干线绿波带宽的后绿波损失LbM_k。该理想信号相对位置可能取值X_k下的干线绿波带宽度GWB0_j,k=50%-LfM_k-LfM_k；

34）选取所有GWB0_j,k中的最大值作为理想信号间距a的可能取值A_j下干线上的最大绿波带宽度GWB_j。

4）选取最大绿波带宽度GWB^*，计算使干线绿波带宽度最大的协调控制配时方案：

选取所有GWB_j中的最大值GWB^*，它所对应的理想信号间距a的可能取值A_j即为最优理想信号间距值a^*，其对应的理想信号相对位置可能取值X_k即为最优理想信号相对位置X^*，则干线最优公共周期值C^*=2a^*/v。根据绿时差计算规则计算得到第i个交叉口的绿时差O_i：根据X^*和a^*，干线上各理想信号的距离第一个实际交叉口的距离为X^*+nz·a^*，nz=0,1,2,…，距离为X^*的理想信号为第一个理想信号编号为1，之后依次编号，如果与实际交叉口最靠近的理想交叉口的编号序数为偶数，则该实际交叉口的绿时差为(50-λ_i/2)%；如果与实际交叉口最靠近的理想交叉口的编号序数为奇数，则该实际交叉口的绿时差为(100-λ_i/2)%。计算得到干线最优公共周期值C^*和各个交叉口的绿时差O_i，最后将干线最优公共周期值C^*和所有交叉口的绿时差作为使干线绿波宽度最大的最优协调控制配时方案。

Claims (1)

1.一种基于绿波带宽度最大化的干道绿波协调控制配时方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1）对干线上信号交叉口的基本几何参数和配时参数进行调查，得到干线上信号交叉口个数为N个，第i个交叉口和第一个交叉口间的路段长度为D0_i，i=1,2,…,N，第i个交叉口的绿信比为λ_i，i=1,2,…,N，干线上公共信号周期C的取值范围为C∈[C_min，C_max]，干线上车辆的平均运行速度为v，计算交叉口间的换算距离D_i，i=1,2,…,N；

2）基于所述步骤1）中调查得到的基本参数，计算理想信号间距a的取值范围为：a∈[C_min·v/2，C_max·v/2]，理想信号间距a的迭代步长为：s=v/2；然后根据公式A_j=C_min·v/2+s*(j-1)计算理想信号间距a所有的可能取值A_j，并生成理想信号间距a所有可能取值的集合A，A={C_min·v/2,C_min·v/2+s,C_min·v/2+2s,...C_min·v/2+s*(j-1),…C_max·v/2}，其中j为可能选取的迭代步长数，j=1,2,…,C_max-C_min+1；

3）按照如下方法，分别计算理想信号间距a的每一个可能取值A_j下，干线上的最大绿波带宽度：

31）首先计算干线交叉口余数向量y=[y₁，y₂,…,y_N]，其中y_i为D_i除以A_j所得到的余数，然后基于所述干线交叉口余数向量y计算旋转余数向量y’=[y₁’，y₂’,…,y_N’]，最后将干线交叉口余数向量y和旋转余数向量y’中的所有元素合并到一个向量中，并将合并后得到向量中的所有元素按取值从小到大顺序排序，得到理想信号间距分割向量Y=[Y₁,Y₂,…,Y_2N]；

32）计算理想信号相对位置取值集合X=[X₁,X₂,…X_k,…,X_2N]，其中理想信号相对位置可能取值X_k=（Y_k+Y_k+1）/2，k=1,2,…,2N-1，X_2N=（Y_2N+A_j）/2；

33）首先利用绿信损失计算规则，按照如下方法分别计算每一个理想信号相对位置可能取值X_k下的干线绿波带宽度GWB0_j,k：

计算理想信号相对位置可能取值X_k下信号交叉口i对应的前绿波损失Lf_i和后绿波损失Lb_i，i=1,2,…,N；然后选取所有Lf_i中的最大值作为理想信号相对位置可能取值X_k下干线绿波带宽的前绿波损失LfM_k，选取所有Lb_i中的最大值作为理想信号相对位置可能取值X_k下干线绿波带宽的后绿波损失LbM_k；最后计算理想信号相对位置可能取值X_k下的干线绿波带宽度GWB0_j,k=50%-LfM_k-LfM_k；

34）选取所有GWB0_j,k中的最大值作为理想信号间距a的可能取值A_j下，干线上的最大绿波带宽度GWB_j；

4）选取所有干线上的最大绿波带宽度GWB_j中的最大值，将它所对应的理想信号间距a的可能取值A_j作为最优理想信号间距值a^*，然后计算干线最优公共周期值C^*=2a^*/v，进而根据绿时差计算规则计算得到第i个交叉口的绿时差O_i，最后将干线最优公共周期值C^*和所有交叉口的绿时差作为使干线绿波宽度最大的最优协调控制配时方案。

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