CN111047883B - 关键交叉口及相邻交叉***通信号控制方法 - Google Patents

关键交叉口及相邻交叉***通信号控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种关键交叉口及相邻交叉***通信号控制方法，所述的关键交叉口采用单向全通行的控制方法，关键交叉口的相邻交叉口采用三转向车流同步的控制方法；通过计算关键交叉口和相邻交叉口之间的相位差、确定相邻交叉口的放行时间。利用交通波相关理论计算放行时长，使各相邻交叉口进入关键交叉口进口道的车队不停车通过关键交叉口。本发明建立的信号控制方法简单、易实现，仿真结果表明其可以有效预防、改善关键交叉口的拥堵情况，避免了拥堵的传播和扩散，为整个路网的畅通运行做出了有益贡献。

Description

关键交叉口及相邻交叉***通信号控制方法
技术领域
本发明涉及交通信号控制领域，特别涉及一种关键交叉口及相邻交叉***通信号控制方法。
背景技术
城市内大范围的拥堵往往始于路网内的某个交叉口。该交叉口一般位于交通流集中和疏散的关键位置，被称为路网中的关键交叉口。作为拥堵蔓延的起点，需要对关键交叉口进行合理的信号配时及优化控制，从源头抑制拥堵的形成。因为拥堵一旦出现，如果积累车辆消散不及时，排队车辆溢流至相邻交叉口，致使相邻交叉口的绿灯失效，会进一步造成拥堵的传播和交通死锁。因此，针对拥堵交叉口的信号优化与控制所要解决的首要问题是如何对易堵的关键交叉口进行优化。
当前对交叉口的信号控制多采用二相位或者四相位的方式。对于十字交叉口，二相位控制方式是使东、西进口道的直行和左转车流同时放行，南、北方向车流禁行；然后是南、北进口的直行和左转车流同时放行，东、西方向禁行。四相位有两种放行方式，一种是东西进口直行车流、东西进口左转车流、南北进口直行车流、南北进口左转车流依次放行，另一种是东西进口左转车流(或者直行车流)先放行一段时间，然后再同东西进口直行车流(或者左转车流)一同放行，南北方向放行方式类似。由于右转车流不需要通过交叉口，一般不予考虑。常见的二相位和四相位放行方式分别如图1a和图1b所示。
对于二相位的控制方式，由于相向的车流同时放行，冲突车流(如东进口的直流和西进口的左转)汇聚在交叉口，使得某一方向的车流行进受阻，停车次数和等待时间延长；不仅如此，车流在交汇点更容易发生碰撞，造成生命财产损失的同时，也会引发更为严重的交通拥堵。
对于四相位的控制方式，每次放行的车流不会在交叉口发生冲突，行车的安全性能得到提高。但是由于来自同一进道口的不同车流分时放行，使得不同车队的行进有快有慢，当看到相邻的车队向前行进而自己所在的车队停滞不前时，司机更倾向于变道和插队到相邻的车队。这样做不仅容易造成相邻车辆之间的剐蹭，而且会影响行进车流的连续性，造成放行时间的浪费，加剧拥堵。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中四相位控制方式的问题，本发明提供一种关键交叉口及相邻交叉***通信号控制方法，不仅使相位控制得到简化，而且可以实现“排队公平”，避免同一进口、不同转向的车队因放行时间不一致而导致司机频繁换道、插队的现象。此外，由于来自同一个进口的车队同时放行，可以通过路段长度、车辆排队长度和车流速度等参数，计算相邻交叉口的相位差而更好的实现两个交叉口的协同控制。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
关键交叉口及相邻交叉***通信号控制方法，关键交叉口采用单向全通行的控制方法，关键交叉口的相邻交叉口采用三转向车流同步的控制方法；通过计算关键交叉口和相邻交叉口之间的相位差、确定相邻交叉口的放行时间，利用交通波相关理论计算放行时长，使相邻交叉口进入关键交叉口进口道的车队不停车通过关键交叉口。
进一步的，所述的单向全通行是指每次同时放行一个关键交叉口进口的直行和左转车流。
进一步的，所述的单向全通行的控制方法包括：
步骤S101、设定关键交叉口的固定周期C，设定关键交叉口的各进口的放行顺序；
步骤S102、根据固定周期C和计划放行的车队长度计算各进口的放行时长；
步骤S103、按照设定的各进口的放行顺序和各进口的放行时长，依次对同一进口的直行车辆和左转车辆同时放行或同时截止。
进一步的，固定周期C的范围为60到200秒之间。
进一步的，所述的各进口的放行时长的计算公式为：
Figure GDA0002773663850000031
并且要满足
Figure GDA0002773663850000032
其中：
li为进入关键交叉口某一进口的车队长度；
v1为车队的整体行进速度。
进一步的，所述的三转向车流同步是指相邻交叉路口中，流入关键交叉口同一个进口道的三向车流组成一个相位，同一个相位中第一向车流左转，第二向车流直行，第三向车流右转，接受同一个信号灯组控制，同时放行或同时截止。
进一步的，所述的三转向车流同步的控制方法包括：
步骤S201、计算关键交叉口的某一个进口和与其相邻的交叉口之间的相位差；
步骤S202、根据相位差确定相邻交叉口的放行时刻；
步骤S203、根据进入关键交叉口某一进口所有车辆单向全通行的放行时长，利用交通波相关理论计算相邻交叉口的放行时长；
步骤S204、在相邻交叉口的放行时长内，按照三转向车流同步的方式放行。
进一步的，相位差的计算公式为：
Figure GDA0002773663850000033
其中：
Li为与关键交叉口相连的路段长度；
v1为车队的整体行进速度。
进一步的，所述的相邻交叉口的放行时长的计算公式为：
gi'＝gi×v1/S,其中：
S为相邻交叉口排队车辆通过停车线时的饱和流率；
v1为车队的整体行进速度；
gi为关键交叉口的各进口的放行时长。
与现有方法相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1.在关键交叉口建立单向全通行交通信号定时控制***与传统四相位定时控制***相比，相位切换和控制过程更为简单，在保证高峰时段的车流通过总量几乎不变的提前下，车辆排队长度和平均延迟时间大大降低，交通指标得到显著优化。
2.在关键交叉口建立单向全通行交通信号定时控制***更有助于实现与相邻交叉口之间的协同控制和截流控制，能够避免路段上积累过多的车辆，缩短了车辆延迟时间，有效抑制了溢流的发生，从而达到预防关键交叉口发生拥堵的目的。
总之，本发明建立的信号控制方法简单、易实现，仿真结果表明其可以有效预防、改善关键交叉口的拥堵情况，避免了拥堵的传播和扩散，为整个路网的畅通运行做出了有益贡献。
附图说明
图1a为现有技术中二相位放行的示意图；
图1b为现有技术中四相位放行的示意图；
图2为本发明的关键交叉口的单向全通行控制方式的示意图；
图3为本发明的相邻交叉口的三转向车流同步控制方式的示意图
图4为本发明的相邻交叉口到关键交叉口进道口的车流控制方式示意图；
图5为关键交叉口的路段长度与车辆排队长度示意图。
具体实施例
下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
实施例一
本发明公开一种关键交叉口及相邻交叉***通信号控制方法。在对相邻交叉口进行截流和协同控制的基础上，通过对关键交叉口四个进口道的单向同时放行来实现优化交通运行指标、预防关键交叉口拥堵的目标。单向全通行是指每次同时放行一个进口的直行和左转车流。即东、西、南、北四个进口的所有车辆依次放行，相位如图2所示。本发明不考虑右转车流，右转车流可在不妨碍正常通行车流和行人的情况下视情况安全通行，不受交通灯控制。
关键交叉***通信号控制方法，关键交叉口采用单向全通行的控制方法，关键交叉口的相邻交叉口采用三转向车流同步的控制方法；计算关键交叉口和相邻交叉口之间的相位差，根据相位差确定相邻交叉口汇聚到关键交叉口同一进口的三股车流的放行时间，利用交通波相关理论计算相邻交叉口的放行时长，使相邻交叉口进入关键交叉口进口道的车队不停车通过关键交叉口，即满足车队首辆车到达关键交叉口停车线时恰好为绿灯。
所述的单向全通行的控制方法包括：
步骤S101、设定关键交叉口的固定周期C，设定关键交叉口的各进口的放行顺序；
固定周期C的范围为60到200秒。
各进口的放行顺序可以根据实际需要进行设定，可以是西面进口的车辆放行，其他进口的车辆截止；再到南面进口车辆放行，其他进口的车辆截止；依次循环，按照西南东北的逆时针顺序，也可以按照东南西北顺时针顺序依次循环，还可以是东西南北依次循环。图4中的A、B、C、D为关键交叉口的4个进口。
步骤S102、根据固定周期C和计划放行的车队长度计算各进口单向的时长；
与关键交叉口相连的路段长度往往不一致，根据路段长度确定该路段上车队的长度。一般来说，路段越长，其能容纳的车辆越多，车队也越长。如图5所示,如果路段长度分别为L1、L2、L3、L4，车队长度分别为l1、l2、l3、l4，则满足式(1)：
Figure GDA0002773663850000061
各相位的放行时间gi(i＝1,2,3,4)与该相位需要放行的车队长度li(i＝1,2,3,4)有关，根据交通波理论，可将行进的一组车队视为一个流动的整体，其流动速度为v1。如果希望这组车队在绿灯时间内完全通过关键交叉口，则满足：
Figure GDA0002773663850000062
且
Figure GDA0002773663850000063
若已知C值，由式(1)、式(2)、式(3)即可求出各相位的绿灯时长gi。
步骤S103、按照设定的各进口的放行顺序和各相位单向放行的时长，依次对关键交叉口同一进口的直行车辆和左转车辆同时放行或同时截止。
对关键交叉口同一进口的直行车辆和左转车辆同时放行或同时截止如图2所示，由西向东的直行车辆和由西向北的左转车辆同时放行时，其他相位的车辆截止，由南向北的直行车辆和由南向西的左转车辆同时放行时，其他相位的车辆截止。另外两个相位的方式相同。
所述的三转向车流同步的控制方法如图3所示，三转向车流同步是指相邻交叉路口中，流入关键交叉口同一个进口道的三向车流组成一个相位，以关键交叉口西侧相邻交叉口为例，即该交叉口北进口的左转车流、西进口的直行车流和南进口的右转车流，接受同一个信号灯组控制，同时放行或同时截止，其他相位亦是如此。
所述的三转向车流同步的控制方法包括：
步骤S201、计算关键交叉口的某一个进口和与其相邻的交叉口之间的相位差；
为了使从相邻交叉口到关键交叉口进口的车队不停车通过关键交叉口，即满足车队首辆车到达关键交叉口停车线时恰好为绿灯，相位差需满足式(4)：
Figure GDA0002773663850000071
其中，C为相邻交叉口的信号周期，与关键交叉口的信号周期一致。
Li为与关键交叉口相连的路段长度；
v1为车队的整体行进速度。
相位差(又叫绿时差或绿灯起步时距)，是针对两个信号交叉口而言，是指两个相邻交叉口同一相位绿灯开始时间之差。
步骤S202、根据相位差确定相邻交叉口的放行时刻；
关键交叉口某一进口所有车辆在t0时刻放行，则与该进口相连的交叉口的三转向车流在t0-ti时刻放行。
步骤S203、根据进入关键交叉口某一进口所有车辆单向全通行的放行时长，利用交通波相关理论计算相邻交叉口的放行时长；
为使车队全部通过停车线，关键交叉口每一进口方向的绿灯时长分别和相邻交叉口的三转向车流(转到关键交叉口某一进道口的三股车流)的放行时长gi'之间的关系满足式(5)：
g’i·S＝gi·v1 式(6)
S为相邻交叉口排队车辆通过停车线时的饱和流率，一般情况下单位为辆/小时。为使等式两边单位一致，可以根据排队时车头间距的平均值将其换算成千米/小时。v1为车队的整体行进速度，gi为关键交叉口的各进口的放行时长。
步骤S204、在相邻交叉口的放行时长内，按照三转向车流同步的方式依次放行。
分别取C＝60秒,132秒,192秒，使用该发明中的方法和传统的四相位控制方法相对比，以高峰一小时的车流量为输入，通过交通仿真软件VISS IM得到关键交叉口的车辆通过总数Q、最大排队长度L和车辆平均延迟时间D，结果如表1所示。
Figure GDA0002773663850000081
表1关键交叉口传统定时控制与单向全通行协同控制仿真结果对比
本发明提出在关键交叉口建立单向全通行的交通信号定时控制方法，使同一进口的车辆同时放行，避免车流在通过交叉口时发生冲突，提升交叉口的安全性能。同时，所有排队车辆同时放行，实现“排队公平”，避免了司机换道、插队的现象，有利于车队的快速行进，避免拥堵的发生。
本发明还提出在相邻交叉口建立三转向车流同步协同控制***。利用相关参数和交通波理论计算关键交叉口和相邻交叉口之间的相位差，根据相位差确定相邻交叉口汇聚到关键交叉口某一进口的三股车流的放行时间，再根据进入关键交叉口某一进口所有车辆单向全通行的放行时长，利用交通波相关理论计算相邻交叉口的放行时长。有效避免进入关键交叉口相连路段的车辆过多而造成的排队等待和溢流现象。
通过交通仿真软件VISSIM对实际路口进行仿真，仿真结果表明本发明提出的方法的控制效果远远优于传统的控制方法。
以上仅为说明本发明的实施方式，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，不经过创造性劳动所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.关键交叉口及相邻交叉***通信号控制方法，其特征在于：关键交叉口采用单向全通行的控制方法，关键交叉口的相邻交叉口采用三转向车流同步的控制方法；
所述的单向全通行是指每次同时放行关键交叉口一个进口的直行和左转车流；所述的三转向车流同步是指相邻交叉路口中，流入关键交叉口同一个进口道的三向车流组成一个相位，同一个相位中第一向车流左转，第二向车流直行，第三向车流右转，接受同一个信号灯组控制，同时放行或同时截止；
所述的单向全通行的控制方法包括：
步骤S101、设定关键交叉口的固定周期C，设定关键交叉口的各进口的放行顺序；
步骤S102、根据固定周期C和计划放行的车队长度计算各进口的放行时长；
步骤S103、按照设定的各进口的放行顺序和各进口的放行时长，依次对同一进口的直行车辆和左转车辆同时放行或同时截止；
所述的三转向车流同步的控制方法包括：
步骤S201、计算关键交叉口的某一个进口和与其相邻的交叉口之间的相位差；
步骤S202、根据相位差确定相邻交叉口的放行时刻；
步骤S203、根据进入关键交叉口某一进口所有车辆单向全通行的放行时长，利用交通波相关理论计算相邻交叉口的放行时长，使相邻交叉口进入关键交叉口进口道的车队不停车通过关键交叉口；
步骤S204、在相邻交叉口的放行时长内，按照三转向车流同步的方式放行。
2.根据权利要求1所述的关键交叉口及相邻交叉***通信号控制方法，其特征在于：固定周期C的范围为60到200秒之间。
3.根据权利要求2所述的关键交叉口及相邻交叉***通信号控制方法，其特征在于：所述的各进口的放行时长的计算公式为：
Figure FDA0002773663840000021
并且要满足
Figure FDA0002773663840000022
其中：
li为进入关键交叉口某一进口的车队长度；
v1为车队的整体行进速度。
4.根据权利要求1所述的关键交叉口及相邻交叉***通信号控制方法，其特征在于：相位差的计算公式为：
Figure FDA0002773663840000023
其中：
Li为与关键交叉口相连的路段长度；
v1为车队的整体行进速度。
5.根据权利要求4所述的关键交叉口及相邻交叉***通信号控制方法，其特征在于：所述的相邻交叉口的放行时长的计算公式为：
gi'＝gi×v1/S,其中：
S为相邻交叉口排队车辆通过停车线时的饱和流率；
v1为车队的整体行进速度；
gi为关键交叉口的各进口的放行时长。
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