CN109993982A - 基于排队论的失衡交叉口信号相位优化设计方法 - Google Patents

基于排队论的失衡交叉口信号相位优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于排队论的失衡交叉口信号相位优化设计方法，通过交通流检测器采集相关交通数据，以采集得到的交通数据为基础，采用排队论中M/M/1模型，将失衡交叉口各进口道看作多路排队多通道服务***，计算交叉口进口道停车线后的平均排队长度，以各进口道车道的平均排队长度作为基础，进行交叉口信号相位的优化。本方法能够有效解决交叉口进口道失衡的问题，大幅度提高交叉口通行效率。

Description

基于排队论的失衡交叉口信号相位优化设计方法
技术领域
本发明属于城市道路交通信号控制技术领域，尤其是一种基于排队论的失衡交叉口信号相位优化设计方法。
背景技术
目前单点交叉口控制成为大多数城市道路交通信号控制的主要形式，单个交叉口信号的控制是城市实现干线协调和区域协调控制的基础。然而当前城市道路中往往出现一种失衡交叉口，即进口道的某一流向车流排队尤其长，车流常需通过二次甚至多次排队才能通过交叉口；而对向进口道该流向却出现排队较短，绿灯空放的现象，这种往往是交叉口信号相位设计不合理导致，为解决这种城市交通不均衡交叉口现象，需要对交叉口信号相位进行优化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于排队论的失衡交叉口信号相位优化设计方法，通过对信号相位的优化设计，使交叉口信号放行相位趋向最优，以解决城市交叉口失衡的问题。本发明采用的技术方案是：
一种基于排队论的失衡交叉口信号相位优化设计方法，包括：
根据交叉口某方向组一进口道直行车道的平均排队长度为左转车道的平均排队长度为对向进口道的直行车道的平均排队长度为左转车道的平均排队长度为判断该方向组是否达到失衡条件，然后对达到失衡条件的交叉口进行分类别判断放行相位优化设计。
所述的基于排队论的失衡交叉口信号相位优化设计方法，具体包括如下步骤：
步骤S1，选择交叉口的某一个方向组进行相位优化设计；
步骤S2，对选取的方向组进行失衡性判断，如果达到失衡条件，则进入步骤S3进行相位优化设计；否则，无需优化信号相位；
交叉口失衡判断依据如公式(1)所示：
其中，K1为交叉口方向组一进口道的直行排队长度与对向进口道直行排队长度的比值阈值，K2为交叉口方向组一进口道的左转排队长度与对向进口道左转排队长度的比值阈值；
步骤S3，对达到失衡条件的交叉口进行分类别判断放行相位优化设计，当交叉口该方向组满足且时，说明该方向组的进口道直行和左转交通流向均出现失衡现象，进行放行相位的判断选择；否则，转入步骤S4；
交叉口基本方案a的判断依据如公式(2)所示：
公式(2)表明该方向组两进口道的直行平均排队长度均大于左转平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案a；
交叉口基本方案b的判断依据如公式(3)所示：
公式(3)表明该方向组两进口道的左转平均排队长度均大于直行平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案b
交叉口基本方案c、d的判断依据如公式(4)所示：
公式(4)表明该方向组一进口道的同向的直行、左转平均排队长度均大于对向进口道直行、左转平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案c或d；
基本方案a的信号放行相位为：该方向组中先是一个方向单放，然后两个方向直行，再另一个方向单放；
基本方案b的信号放行相位为：该方向组中先是一个方向单放，然后两个方向左转，再另一个方向单放；
根据公式(4)所选的基本方案c或d的信号放行相位为：该方向组中先是两个方向直行，然后该方向组中直行、左转平均排队长度均较大的一进口道单放，再两个方向左转；
步骤S4，对达到失衡条件的交叉口进行分类别判断放行相位优化设计，当交叉口该方向组满足且时，说明该方向组的进口道直行交通流向出现失衡现象，进行放行相位的判断选择；否则，转入步骤S5；
交叉口基本方案a的判断依据如公式(5)所示：
公式(5)表明该方向组两进口道的直行平均排队长度均大于左转平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案a；
交叉口基本方案c、d的判断依据如公式(6)所示：
公式(6)表明该方向组两进口道的左转平均排队长度均大于直行平均排队长度的情况或该方向组一进口道的同向的直行、左转平均排队长度均大于对向进口道直行、左转平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案c或d；
根据公式(6)所选的基本方案c或d的信号放行相位为：
该方向组中先是两个方向直行，然后：
若满足公式(6)中第一行不等式，则中较大者对应的进口道单放；
若满足公式(6)中第二或第三行不等式，则该方向组中直行、左转平均排队长度均较大的一进口道单放；
再两个方向左转；
步骤S5，对达到失衡条件的交叉口进行分类别判断放行相位优化设计，当交叉口该方向组满足且时，说明该方向组的进口道左转交通流向出现失衡现象，进行放行相位的判断选择；
交叉口基本方案b的判断依据如公式(7)所示：
公式(7)表明该方向组两进口道的左转平均排队长度均大于直行平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案b；
交叉口基本方案c、d的判断依据如公式(8)所示：
公式(8)表明该方向组两进口道的直行平均排队长度均大于左转平均排队长度的情况或该方向组一进口道的同向的直行、左转平均排队长度均大于对向进口道直行、左转平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案c或d；
根据公式(8)所选的基本方案c或d的信号放行相位为：
该方向组中先是两个方向直行，然后：
若满足公式(8)中第一行不等式，则中较大者对应的进口道单放；
若满足公式(8)中第二或第三行不等式，则该方向组中直行、左转平均排队长度均较大的一进口道单放；
再两个方向左转。
进一步地，K1、K2的值取2。
本发明的优点在于：
1)本方法采用定量化判断，减少人为定性判断失衡交叉口的错误，所制定的基于排队论的交叉口信号相位优化设计方法更加准确、科学与规范。
2)本方法进口道车道失衡权重可根据交叉口的实际情况调节，灵活性高、适用性强。
3)本方法适合计算机软件编程实现，可通过实时监测交叉口失衡现象并动态的进行信号相位优化，能够有效改善城市道路失衡交叉口现象。
4)本方法同样适合城市路网中三路交叉口信号相位优化设计，实用范围较广。
附图说明
图1为本发明的基于的典型四路交叉口放行相位图。
图2为本发明的基于排队论的失衡交叉口信号配时优化设计方法流程图。
图3为本发明的基本方案示意图。
图4为本发明的交通数据测量位置示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明以典型四路交叉路口为例，所述的典型四路交叉口由两条道路相交的平面交叉口，包含4个进口方向，其中对向的进口方向称为一个方向组；一个方向组的相位放行顺序为直行对称式放行和左转对称式放行，图1显示了交叉口两个方向组的四个放行相位，图1中的相位设置为通常的设置方式，可进一步进行改进；
采集交叉***通流数据，包括方向组两进口道车道到达率λ，车辆服务率μ，计算方法为：
其中：t为监测的某一时段，可选择5min，10min，15min等；Q1为t时段某一车道达到的交通量；T为交叉口的信号周期；Q2为某一车道t时段内通过停止线的平均每周期通过交通量；
设服务强度为ρ，则交叉口某一车道的服务强度为：
根据泊松分布、负指数分布、排队论M/M/1单通道服务模型，将交叉口进口每一条车道看作“单通道”，车流排队经过交叉口看作在交叉口中等待接收服务，整个交叉口组成多路排队多通道服务***；根据排队论模型，单通道***中的平均排队长度为的计算方法为：
记交叉口某方向组一进口道直行车道的平均排队长度为左转车道的平均排队长度为对向进口道的直行车道的平均排队长度为左转车道的平均排队长度为
一种基于排队论的失衡交叉口信号相位优化设计方法，包括以下步骤：
步骤S1，选择交叉口的某一个方向组进行相位优化设计；
步骤S2，对选取的方向组进行失衡性判断，如果达到失衡条件，则进入步骤S3进行相位优化设计；否则，无需优化信号相位；
交叉口失衡判断依据如公式(1)所示：
其中，K1为交叉口方向组一进口道的直行排队长度与对向进口道直行排队长度的比值阈值，超过该值则可认为交叉口该方向组直行交通流向达到失衡条件；K2为交叉口方向组一进口道的左转排队长度与对向进口道左转排队长度的比值阈值，超过该值则可认为交叉口该方向组左转交通流向达到失衡条件；K1、K2的建议值为2；
步骤S3，对达到失衡条件的交叉口进行分类别判断放行相位优化设计，当交叉口该方向组满足且时，说明该方向组的进口道直行和左转交通流向均出现失衡现象，进行放行相位的判断选择；否则，转入步骤S4；
交叉口基本方案a的判断依据如公式(2)所示：
公式(2)表明该方向组两进口道的直行平均排队长度均大于左转平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案a；
交叉口基本方案b的判断依据如公式(3)所示：
公式(3)表明该方向组两进口道的左转平均排队长度均大于直行平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案b
交叉口基本方案c、d的判断依据如公式(4)所示：
公式(4)表明该方向组一进口道的同向的直行、左转平均排队长度均大于对向进口道直行、左转平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案c或d；
基本方案a的信号放行相位为：该方向组中先是一个方向单放，然后两个方向直行，再另一个方向单放；
基本方案b的信号放行相位为：该方向组中先是一个方向单放，然后两个方向左转，再另一个方向单放；
根据公式(4)所选的基本方案c或d的信号放行相位为：该方向组中先是两个方向直行，然后该方向组中直行、左转平均排队长度均较大的一进口道单放，再两个方向左转；
基本方案c或d是南北向或东西向的区别；
步骤S4，对达到失衡条件的交叉口进行分类别判断放行相位优化设计，当交叉口该方向组满足且时，说明该方向组的进口道直行交通流向出现失衡现象，进行放行相位的判断选择；否则，转入步骤S5；
交叉口基本方案a的判断依据如公式(5)所示：
公式(5)表明该方向组两进口道的直行平均排队长度均大于左转平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案a；
交叉口基本方案c、d的判断依据如公式(6)所示：
公式(6)表明该方向组两进口道的左转平均排队长度均大于直行平均排队长度的情况或该方向组一进口道的同向的直行、左转平均排队长度均大于对向进口道直行、左转平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案c或d；
根据公式(6)所选的基本方案c或d的信号放行相位为：
该方向组中先是两个方向直行，然后：
若满足公式(6)中第一行不等式，则中较大者对应的进口道单放；
若满足公式(6)中第二或第三行不等式，则该方向组中直行、左转平均排队长度均较大的一进口道单放；
再两个方向左转；
步骤S5，对达到失衡条件的交叉口进行分类别判断放行相位优化设计，当交叉口该方向组满足且时，说明该方向组的进口道左转交通流向出现失衡现象，进行放行相位的判断选择；
交叉口基本方案b的判断依据如公式(7)所示：
公式(7)表明该方向组两进口道的左转平均排队长度均大于直行平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案b；
交叉口基本方案c、d的判断依据如公式(8)所示：
公式(8)表明该方向组两进口道的直行平均排队长度均大于左转平均排队长度的情况或该方向组一进口道的同向的直行、左转平均排队长度均大于对向进口道直行、左转平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案c或d；
根据公式(8)所选的基本方案c或d的信号放行相位为：
该方向组中先是两个方向直行，然后：
若满足公式(8)中第一行不等式，则中较大者对应的进口道单放；
若满足公式(8)中第二或第三行不等式，则该方向组中直行、左转平均排队长度均较大的一进口道单放；
再两个方向左转；
对交叉口另外一个方向组可依照上述步骤同样进行信号相位优化设计。
以下是一个具体的实例。
例如：城市某四路交叉口，信号放行方式为标准的四路交叉口放行相位，设该交叉口东西方向组进口道的直行、左转排队长度与对向进口道直行、左转排队长度的比值阈值K1、K2均为2，南北方向组进口道的直行、左转排队长度与对向进口道直行、左转排队长度的比值阈值K1'、K'2均为2。现场采集的交叉口各交通流向数据见表1。
表1
经计算，东进口直行平均排队长度与西进口直行平均排队长度比值东进口左转平均排队长度与西进口左转平均排队长度比值因此该交叉口东西方向组直行交通流出现失衡现象，又该方向组中东西直行的平均排队长度最大，因此东西方向组信号相位选择基础方案a；
经计算，南进口直行平均排队长度与北进口直行平均排队长度比值南进口左转平均排队长度与北进口左转平均排队长度比值因此该交叉口南北方向组直行交通流出现失衡现象。又该方向组中南直行、南左转的平均排队长度最大，因此南北方向组信号相位选择基础方案c；
因此，该交叉口信号相位优化后得到新的方案见表2；
表2
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于排队论的失衡交叉口信号相位优化设计方法，其特征在于，包括：
根据交叉口某方向组一进口道直行车道的平均排队长度为左转车道的平均排队长度为对向进口道的直行车道的平均排队长度为左转车道的平均排队长度为判断该方向组是否达到失衡条件，然后对达到失衡条件的交叉口进行分类别判断放行相位优化设计。
2.如权利要求1所述的基于排队论的失衡交叉口信号相位优化设计方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤S1，选择交叉口的某一个方向组进行相位优化设计；
步骤S2，对选取的方向组进行失衡性判断，如果达到失衡条件，则进入步骤S3进行相位优化设计；否则，无需优化信号相位；
交叉口失衡判断依据如公式(1)所示：
其中，K1为交叉口方向组一进口道的直行排队长度与对向进口道直行排队长度的比值阈值，K2为交叉口方向组一进口道的左转排队长度与对向进口道左转排队长度的比值阈值；
步骤S3，对达到失衡条件的交叉口进行分类别判断放行相位优化设计，当交叉口该方向组满足且时，说明该方向组的进口道直行和左转交通流向均出现失衡现象，进行放行相位的判断选择；否则，转入步骤S4；
交叉口基本方案a的判断依据如公式(2)所示：
公式(2)表明该方向组两进口道的直行平均排队长度均大于左转平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案a；
交叉口基本方案b的判断依据如公式(3)所示：
公式(3)表明该方向组两进口道的左转平均排队长度均大于直行平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案b
交叉口基本方案c、d的判断依据如公式(4)所示：
公式(4)表明该方向组一进口道的同向的直行、左转平均排队长度均大于对向进口道直行、左转平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案c或d；
基本方案a的信号放行相位为：该方向组中先是一个方向单放，然后两个方向直行，再另一个方向单放；
基本方案b的信号放行相位为：该方向组中先是一个方向单放，然后两个方向左转，再另一个方向单放；
根据公式(4)所选的基本方案c或d的信号放行相位为：该方向组中先是两个方向直行，然后该方向组中直行、左转平均排队长度均较大的一进口道单放，再两个方向左转；
步骤S4，对达到失衡条件的交叉口进行分类别判断放行相位优化设计，当交叉口该方向组满足且时，说明该方向组的进口道直行交通流向出现失衡现象，进行放行相位的判断选择；否则，转入步骤S5；
交叉口基本方案a的判断依据如公式(5)所示：
公式(5)表明该方向组两进口道的直行平均排队长度均大于左转平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案a；
交叉口基本方案c、d的判断依据如公式(6)所示：
公式(6)表明该方向组两进口道的左转平均排队长度均大于直行平均排队长度的情况或该方向组一进口道的同向的直行、左转平均排队长度均大于对向进口道直行、左转平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案c或d；
根据公式(6)所选的基本方案c或d的信号放行相位为：
该方向组中先是两个方向直行，然后：
若满足公式(6)中第一行不等式，则中较大者对应的进口道单放；
若满足公式(6)中第二或第三行不等式，则该方向组中直行、左转平均排队长度均较大的一进口道单放；
再两个方向左转；
步骤S5，对达到失衡条件的交叉口进行分类别判断放行相位优化设计，当交叉口该方向组满足且时，说明该方向组的进口道左转交通流向出现失衡现象，进行放行相位的判断选择；
交叉口基本方案b的判断依据如公式(7)所示：
公式(7)表明该方向组两进口道的左转平均排队长度均大于直行平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案b；
交叉口基本方案c、d的判断依据如公式(8)所示：
公式(8)表明该方向组两进口道的直行平均排队长度均大于左转平均排队长度的情况或该方向组一进口道的同向的直行、左转平均排队长度均大于对向进口道直行、左转平均排队长度的情况下，交叉口信号相位设计选择基本方案c或d；
根据公式(8)所选的基本方案c或d的信号放行相位为：
该方向组中先是两个方向直行，然后：
若满足公式(8)中第一行不等式，则中较大者对应的进口道单放；
若满足公式(8)中第二或第三行不等式，则该方向组中直行、左转平均排队长度均较大的一进口道单放；
再两个方向左转。
3.如权利要求2所述的基于排队论的失衡交叉口信号相位优化设计方法，其特征在于，
K1、K2的值取2。
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