CN110942628A - 基于方向延误梯度的转向溢出检测和信号控制方法 - Google Patents

基于方向延误梯度的转向溢出检测和信号控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于方向延误梯度的转向溢出检测和信号控制方法，该方法利用流量与行程时间信息，计算每个方向的理论方向延误梯度和实际方向延误梯度。根据理论和实际方向延误梯度的关系，确定溢出判别指标的值，从而判断溢出是否发生以及发生类型。最后根据溢出判别指标与溢出情况，确定各相位绿信比扩大倍数，对信号参数进行调整，得到最终的面向转向溢出的信号参数设置。本方法可以显著提高交叉口的运行效率。

Description

基于方向延误梯度的转向溢出检测和信号控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于城市交叉口的信号控制技术，尤其涉及一种基于方向延误梯度的转向溢出检测和信号控制方法，具体来说就是利用行程时间信息和流量信息，对交叉口溢出进行实时判断、并动态调整信号的技术。
背景技术
交叉口的信号控制指的是利用各种交通流信息(常用的交通流信息是各个进口的各个转向车流的流量)、得到周期、绿信比、黄灯时间参数，并由信号灯执行。传统上，信号控制针对的交通状态包括低饱和以及高饱和。高饱和度指的是流量较大情况下。现有信号控制技术在低饱和度下能顺利工作，但是高饱和度情况下，常常控制效果不佳，突出的一个现象就是高峰期间，进口道的排队过长、从而向上游蔓延、并堵塞上游交叉口，从而降低了交叉口的运行效率。
发明内容
为了克服现有方法不能有效应对高峰期间的排队溢出问题，本发明提出一种基于方向延误梯度的转向溢出检测和信号控制方法，该方法有效利用了各种信息，并对多类溢出事件进行动态识别，并能够实施调整信号参数，是一种溢出检测和动态控制技术。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
1)获得基本数据，包括各个进口道各个方向的流量、样本车辆的行程时间，每个进口道的每个方向至少需要有一个车辆的行程时间数据，如果有多辆，则取平均行程时间；
2)计算每个进口道的理论方向延误梯度和实际方向延误梯度。
3)根据理论方向延误梯度和实际方向延误梯度的关系，确定溢出时间发生与否以及发生类型；
4)根据溢出判别指标，计算绿信比扩大倍数，调整各相位的信号参数，并得到最终的面向转向溢出的信号参数设置。
上述技术方案中，进一步的，步骤2)中计算理论方向延误梯度和实际方向延误梯度的方法，具体如下：
根据各相位的绿信比与其关键车流成正比，即
Figure BDA0002292969290000021
其中，k＝1、2、3、或4，表示四相位，λk为第k相位的绿信比，Qk为第k相位的关键车流；
以下标E、W、N、S分别表示东、西、北、南进口，下标LT表示左转，TH表示直行；
理想情况下，每个车道都有一个对应的延误，即理论延误梯度δ，则对于东进口有理论延误梯度：
Figure BDA0002292969290000022
其中，C为周期时长；S为交叉口的饱和流率；qE,TH表示东进口直行车流的流量，λE,TH表示东进口直行车流的绿信比，其与λW,TH相等，
Figure BDA0002292969290000023
为理论情况下的东进口左转车流的延误；
计算实际延误梯度Δ，对于东进口有实际延误梯度ΔE：
Figure BDA0002292969290000024
其中，dE,LT为东进口左转的平均延误，采用下式获得：
Figure BDA0002292969290000025
Figure BDA0002292969290000026
Figure BDA0002292969290000027
为东进口左转自由流行程时间，LE为东进口路段长度，vf为自由流速度，τE,LT,i为第i辆东进口左转车辆实际行程时间，
Figure BDA0002292969290000028
为东进口左转车辆行程时间样本数量；同理可得东进口直行车的平均延误dE,TH；
同理可计算获得各个进口的理论延误梯度和实际延误梯度。
进一步的，步骤3)计算溢出判别指标，判断溢出是否发生以及溢出发生类型的方法，具体如下：
计算各进口溢出判别指标
Figure BDA0002292969290000031
当
Figure BDA0002292969290000032
表明左转发生溢出(
Figure BDA0002292969290000033
可设置为0.7)；
当
Figure BDA0002292969290000034
表明直行溢出发生。
当
Figure BDA0002292969290000035
时，不管是直行还是左转都没有发生溢出；
进一步的，步骤4)根据溢出判别指标，计算绿信比扩大倍数，调整各相位的信号参数的方法，具体如下：
一个相位下的车流发生溢出，则相应相位的绿灯时长扩大一定倍数，其信号参数调整倍数为
Figure BDA0002292969290000036
两个相位下的车流同时发生溢出，则第一个相位的扩大倍数应为
Figure BDA0002292969290000037
第二个相位的扩大倍数应为为
Figure BDA0002292969290000038
三个相位下的车流同时发生溢出，则第一个相位的最终扩大倍数为
Figure BDA0002292969290000039
第二个相位的最终扩大倍数为
Figure BDA00022929692900000310
第三个相位的最终扩大倍数为
Figure BDA00022929692900000311
当四个相位都发生溢出，则当
Figure BDA00022929692900000312
每个相位直接扩大ηk；当
Figure BDA00022929692900000313
则每个相位扩大
Figure BDA00022929692900000314
本发明的有益效果是：
1、利用常见的行程时间和流量信息，就可以对转向溢出信息进行推断，数据基础要求不高。
2、可以对信号参数进行每个周期的调整，同时考虑了不能引起其他转向车流的溢出，考虑因素较为全面，可以满足实时性要求。
附图说明
图1是信号相位图示例；
图2是转向溢出判别流程；
图3是溢出发生时的信号参数调整示意图；
图4是本发明的整个工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述。
图1为普通的四相位信号控制交叉口，该交叉口的四个相位分别为东西直行、东西左转、南北直行和南北左转。假设东进口左转车流、直行车流的流量为qE,LT、qE,TH，‘E’表示东进口，‘LT’和‘TH’分别表示左转和直行。此外，西进口、南进口和北进口的左转流量分别为qW,LT、qS,LT、qN,LT。‘W’、‘S’和‘N’分别表示西进口、南进口和北进口。
通常情况下，也即不发生转向溢出情况下，各个相位的信号参数和其关键车流流量成正比。第一个相位是东西直行，关键车流为流量较大者，也即Q1＝max(qE,TH,qW,TH)。类似的其余三个相位的关键车流的流量分别为Q2＝max(qE,LT,qW,LT)、Q3＝max(qS,TH,qN,TH)、Q4＝max(qS,LT,qN,LT)。同时设交叉口的饱和流率为S(也即车流连续通过停车线的最大流量)。理想情况下，东进口直行车流的绿信比计算为
Figure BDA0002292969290000041
也即东进口和西进口直行车流的绿信比就是第一个相位的绿信比，和其关键车流流量成正比。类似，可以求得其他所有进口的所有转向的理想情况下的绿信比，λ2、λ3、λ4。给定流量和绿信比，理想情况下(没有转向溢出发生)，每一股车流都有一个对应的延误。当转向溢出发生，被阻塞的车流的延误就会偏离理论情况下的延误。为了根据这一目的实现转向溢出发生的识别，定义理论延误梯度：
Figure BDA0002292969290000051
其中，
Figure BDA0002292969290000052
为理论情况下的东进口左转车流的延误，式中的C为周期时长，在运算过程中消去。
为了计算实际延误梯度，首先需要依据行程时间，获得任意一个进口、任意转向的延误。以东进口左转为例，其自由流行程时间为
Figure BDA0002292969290000053
(LE为东进口路段长度，vf为自由流速度)，则单个车辆i的延误可以计算为
Figure BDA0002292969290000054
τE,LT,i为第i辆东进口左转车辆实际行程时间。东进口左转的平均延误是所有东进口左转车辆的延误的平均值：
Figure BDA0002292969290000055
其中，
Figure BDA0002292969290000056
为东进口左转车辆行程时间样本数量。同理可得东进口直行车的平均延误
Figure BDA0002292969290000057
有了各个进口各个转向的平均延误，则定义东进口的实际方向延误梯度：
Figure BDA0002292969290000058
比较理论延误梯度δE和实际方向延误梯度ΔE，二者之间的关系可以透露关于溢出发生与否的信息：但直行发生溢出、左转被堵塞，则左转的实际延误就会增加，因此，实际方向延误梯度ΔE就会降低；反之则增加。从而，定义东进口溢出判别指标
Figure BDA0002292969290000059
当
Figure BDA00022929692900000510
时(
Figure BDA00022929692900000511
可设置为0.7)，不管是直行还是左转都没有发生溢出；当
Figure BDA00022929692900000512
表明左转发生溢出；当
Figure BDA00022929692900000513
表明直行溢出发生。东进口溢出判别流程如图2。
当识别出转向溢出事件发生之后，就需要对其进行快速反应、尽快消除转向溢出事件的影响。最常见的是增加溢出车流所在相位的绿灯时长，或者说增大其绿信比。以东进口直行车流为例，其位于图1中的第一相位，因此，当东进口直行溢出事件发生，则需要增加其绿灯时间。当直行溢出发生时，
Figure BDA00022929692900000514
条件满足，可以将第一相位的绿灯时间扩大ηE倍数，然而，其他三个相位的绿灯时间就会缩短，这样可能导致其他转向发生溢出。因此，绿灯时间扩大需要有一个限制。由于第一个相位(也就是东进口直行车流所在的相位)扩大ηE倍数，则新的周期时长为C+Cλ1ηE。第二个相位原来的绿灯时间为Cλ2，从而，第二个相位(包括东进口和西进口的左转)新的绿信比为
Figure BDA0002292969290000061
为了保证其他方向不发生溢出，加上限制条件
Figure BDA0002292969290000062
也即
Figure BDA0002292969290000063
求解
Figure BDA0002292969290000064
得到解1为
Figure BDA0002292969290000065
解2为1。显然，扩大倍数应该取值
Figure BDA0002292969290000066
因此，单个溢出情况下的信号参数调整倍数即为
Figure BDA0002292969290000067
考虑两个相位的各有一股车流发生溢出。例如，东进口直行(处于第一个相位)、西进口左转(处于第二个相位)发生溢出，也即
Figure BDA0002292969290000068
和
Figure BDA0002292969290000069
这种情况下，第一个相位扩大ηE倍数，第二个相位扩大
Figure BDA00022929692900000610
倍。因此，第一相位和第二相位整体扩大倍数为：
Figure BDA00022929692900000611
因此，类似于单个方向溢出时的倍数取值为
Figure BDA00022929692900000612
此处，第一个相位的扩大倍数应为
Figure BDA00022929692900000613
第二个相位的扩大倍数应为
Figure BDA00022929692900000614
考虑三个相位都存在溢出情况，每一个相位的某些车流发生溢出。假设
Figure BDA00022929692900000615
也即东进口直行(处于第一个相位)、西进口左转(处于第二个相位)、北进口直行(处于第三相位)发生溢出。则类似于上述推理，前三个相位整体扩大倍数计算方法
Figure BDA00022929692900000616
因此：
第一个相位的最终扩大倍数为
Figure BDA00022929692900000617
第二个相位的最终扩大倍数为
Figure BDA0002292969290000071
第一个相位的最终扩大倍数为
Figure BDA0002292969290000072
当四个相位都发生溢出，则每个相位直接扩大ηX(当
Figure BDA0002292969290000073
)或者
Figure BDA0002292969290000074
(当
Figure BDA0002292969290000075
)，其中ηW为西进口溢出判别指标。四种情况的计算总结见图3。
图4为本发明方法的整体技术流程。

Claims (4)

1.一种基于方向延误梯度的转向溢出检测和信号控制方法，其特征在于，该方法利用行程时间信息和流量信息，对交叉口溢出进行实时判断、并动态调整信号，包括下列步骤：
1)收集各进口道各方向的流量信息、车辆的行程时间信息；
2)计算各进口道的理论方向延误梯度和实际方向延误梯度；
3)根据理论和实际方向延误梯度，计算溢出判别指标，判断溢出是否发生以及溢出发生类型；
4)根据溢出判别指标，计算绿信比扩大倍数，调整各相位的信号参数。
2.根据权利要求1所述的基于方向延误梯度的转向溢出检测和信号控制方法，其特征在于，步骤2)中计算理论方向延误梯度和实际方向延误梯度的方法，具体如下：
根据各相位的绿信比与其关键车流成正比，即
Figure FDA0002292969280000011
其中，k＝1、2、3、或4，表示四相位，λk为第k相位的绿信比，Qk为第k相位的关键车流；
以下标E、W、N、S分别表示东、西、北、南进口，下标LT表示左转，TH表示直行；
理想情况下，每个车道都有一个对应的延误，即理论延误梯度δ，则对于东进口有理论延误梯度：
Figure FDA0002292969280000012
其中，C为周期时长；S为交叉口的饱和流率；qE，TH表示东进口直行车流的流量，λE，TH表示东进口直行车流的绿信比，其与λW，TH相等，
Figure FDA0002292969280000013
为理论情况下的东进口左转车流的延误；
计算实际延误梯度Δ，对于东进口有实际延误梯度ΔE：
Figure FDA0002292969280000021
其中，dE，LT为东进口左转的平均延误，采用下式获得：
Figure FDA0002292969280000022
Figure FDA0002292969280000023
Figure FDA0002292969280000024
为东进口左转自由流行程时间，LE为东进口路段长度，vf为自由流速度，τE，LT，i为第i辆东进口左转车辆实际行程时间，
Figure FDA00022929692800000213
为东进口左转车辆行程时间样本数量；同理可得东进口直行车的平均延误dE，TH；
同理可计算获得各个进口的理论延误梯度和实际延误梯度。
3.根据权利要求1所述的基于方向延误梯度的转向溢出检测和信号控制方法，其特征在于，步骤3)计算溢出判别指标，判断溢出是否发生以及溢出发生类型的方法，具体如下：
计算各进口溢出判别指标
Figure FDA0002292969280000025
当
Figure FDA0002292969280000026
表明左转发生溢出；
当
Figure FDA0002292969280000027
表明直行溢出发生。
当
Figure FDA0002292969280000028
时，不管是直行还是左转都没有发生溢出；
Figure FDA0002292969280000029
为所设置的阈值。
4.根据权利要求1所述的基于方向延误梯度的转向溢出检测和信号控制方法，其特征在于，步骤4)根据溢出判别指标，计算绿信比扩大倍数，调整各相位的信号参数的方法，具体如下：
一个相位下的车流发生溢出，则相应相位的绿灯时长扩大一定倍数，即其信号参数调整倍数为
Figure FDA00022929692800000210
两个相位下的车流同时发生溢出，则第一个相位的扩大倍数应为
Figure FDA00022929692800000211
第二个相位的扩大倍数应为为
Figure FDA00022929692800000212
三个相位下的车流同时发生溢出，则第一个相位的最终扩大倍数为
Figure FDA0002292969280000031
第二个相位的最终扩大倍数为
Figure FDA0002292969280000032
第三个相位的最终扩大倍数为
Figure FDA0002292969280000033
当四个相位都发生溢出，则当
Figure FDA0002292969280000034
每个相位直接扩大ηk；当
Figure FDA0002292969280000035
则每个相位扩大
Figure FDA0002292969280000036
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