CN111081039A - 一种实时动态的交叉口信号控制设计的方法及*** - Google Patents

一种实时动态的交叉口信号控制设计的方法及*** Download PDF

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CN111081039A CN201911406176.6A CN201911406176A CN111081039A CN 111081039 A CN111081039 A CN 111081039A CN 201911406176 A CN201911406176 A CN 201911406176A CN 111081039 A CN111081039 A CN 111081039A
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王轲
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Abstract

一种实时动态的交叉口信号控制设计的方法，包括获取交叉口当前信号周期内的进入各个车道每一辆车的车辆信息，并以此实时计算当前车流量，然后根据实时车流量计算下一信号周期的最佳周期时长和各个相位的绿灯分配，以实时适应道路环境的变化及减少道路车辆的总延误时间。一种实时动态的交叉口信号控制设计***，包括AVI装置和中央处理器，所述中央处理器与交叉口信号灯控制机有通信连接；所述AVI装置包括：读写器，用以阅读车辆的射频标签；数据传输单元，用以向中央处理器传输数据。本发明能够实时动态地调整交叉口信号控制，提高交叉口车辆的通行效率，实现城市交通道路资源的合理配置。

Description

一种实时动态的交叉口信号控制设计的方法及***
技术领域
本发明属于交通信号控制技术领域，涉及交叉口信号控制设计的方法及***。
背景技术
随着我国汽车保有量的不断增多，交通拥堵的现象也在不断加剧，而交叉口则是交通拥堵的瓶颈地带，因此，提高交叉口的通行能力便是缓解交通拥堵的一个关键。对交叉口进行信号控制能使车流有序通行，减少交叉口冲突的产生，有效提高交叉口的通行能力。
现有的交叉口信号控制大多还是静态配时控制，即根据在一定时间内统计到的各路口历史车流量数据来确定最佳相位周期，并按照每个路口的车流量占总车流量的比率来为每个相位分配绿灯时长，且在确定最佳相位周期后，以此周期固定不变地重复显示。这种交叉口信号控制方式是为静态配时控制，而当外在环境发生变化时，这种静态配时控制方法不能及时做出合理的调整和优化，这就影响了道路的通行效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实时动态的交叉口信号控制设计的方法及***，用以实时调整信号控制策略，提高道路资源的利用率。
为了达到上述目的，本发明的解决方案是：
一种实时动态的交叉口信号控制设计的方法，获取交叉口当前信号周期内的进入各个车道每一辆车的车辆信息，并以此实时计算当前车流量，然后根据实时车流量计算下一信号周期的最佳周期时长和各个相位的绿灯分配，以实时适应道路环境的变化及减少道路车辆的总延误时间。
进一步，包括以下步骤：
(1)在各进口道的设定位置及交叉口处，安装AVI装置和中央处理器；
(2)AVI装置将一个信号周期内获取的通过车辆信息传输给中央处理器，用以计算当前周期内的实时进口道车流量；
(3)在中央处理器内部，根据所述步骤(2)中计算所得的实时进口道车流量，进行各车道组的流率比分析并确定各相位的关键车流；
(4)根据所述步骤(3)中计算得到的各车道组流率比以及各相位的关键车流等数据，采用Webster信号周期计算方法，确定下一个周期的最佳信号周期长度；
(5)根据各相位的关键车道组流率比，为下个周期的各个相位分配绿灯时长；
(6)将计算所得的各相位绿灯时长与预设最小绿灯时长比较，取较小值作为下周期各相位绿灯时长；
(7)将计算得到的最佳周期和各相位绿灯时长发送给交叉口信号控制机；
(8)当前周期结束，交叉口信号控制机按所得的最佳周期和各相位绿灯时长进行信号控制，并在周期开始时重复步骤(2)至(7)。
可选地，所述步骤(1)中的AVI装置在车辆经过时，能识别车辆的车载射频标签，车载射频标签上有车辆类型信息、车辆状态以及车主信息等必要信息。
可选地，所述步骤(2)中通过AVI装置反馈的数据计算进口道实时车流量的方法按下述原则进行：
以小汽车为单位通行量，根据车辆占用的道路面积大小乘以不同的折算系数来确定各进口道车流量，而折算系数则可以在我国的《城市道路工程设计规范》(CJJ37-2012)中查阅得到，再将左转和右转车流量等统一转化成等效直行车流量，这里的等效直行车流量是指当左转车流或右转车流在通过车道的时间内，直行车能通过车道的流量，其可通过左转或右转车流量乘以相应的直行当量系数可得，而直行当量系数同样可以通过查阅《城市道路工程设计规范》(CJJ37-2012)可得。
可选地，所述步骤(3)中的流率比分析是指：车道组的实际交通量或设计交通量与该车道的饱和流率的比值。
可选地，所述的饱和流率，按以下基本公式计算：
Figure BDA0002348697140000031
其中：Si为进口车道i的饱和流率，pcu/h；
S0为进口道基本饱和流率，pcu/h，在无法获取实测数据时可取值1900pcu/h；
N为车道组i所包含的车道数；
fi为进口道各类校正系数，可通过查阅美国《道路通行能力手册》(HighwayCapacity Manual,2000)推荐的校正系数模型得到。
可选地，所述步骤(4)中的关键车道组是指：对于同一相位来说，通常会有多个车道组的交通流在此相位内同时获得通行权，虽然这些车道组在同一相位，但是一般而言，不同车道组的流率比并不相同，而其中流率比最大的车道组对于最佳信号周期以及各相位绿灯时长的确定才最为关键，因此，我们把同一相位下的流率比最大的车道组称做关键车道组。
可选地，所述步骤(4)中的Webster信号周期计算方法按以下公式计算：
Figure BDA0002348697140000032
其中：C为最佳信号周期，s；
Y为周期内所有相位的关键车道组的流率比之和；
L为信号总损失时间，可按下式计算：
Figure BDA0002348697140000033
其中：l为启动损失时间，实测获得，无实测数据时可取3s；
Ii为第i相位末的绿灯间隔时间，通常由黄灯时间加上全红时间组成，s；
Ai为第i相位末的黄灯时间，实际使用时一般设置为2～3s。
可选地，所述步骤(5)中的各个相位分配绿灯时长方法按以下公式计算：
Figure BDA0002348697140000041
其中：gE,j为第j相位的有效绿灯时间；
yj为第j相位的实时关键车道组流率比。
可选地，所述步骤(6)中的预设最小绿灯时长是满足行人过街时间验算的各相位最短绿灯时间。
可选地，所述的满足行人过街时间验算的各相位最短绿灯时间按以下公式计算：
Figure BDA0002348697140000042
其中：gmin为最短绿灯时间，s；
LP为行人过街道长度，m；
vP为行人过街步行速度，m/s；
I为绿灯间隔时间，s。
本发明还提供一种实现上述方法的实时动态的交叉口信号控制设计***；进一步，所述***包括AVI装置和中央处理器，所述中央处理器与交叉口信号灯控制机有通信连接；所述AVI装置包括：
读写器，用以阅读车辆的射频标签；
数据传输单元，用以向中央处理器传输数据。
所述中央处理器包括下述单元：
存储器，用于存储AVI装置所传输的车辆信息、计算所需系数以及计算结果等；
信号周期计算模块，其可根据存储器里存储的车辆信息以及计算系数来计算最佳信号周期以及各相位绿灯时长；
数据传输装置，用以建立与AVI装置以及交叉口信号控制机的相互通信。
本发明的有益效果是：采用本发明可以通过进口道旁设置的AVI装置获取交叉口当前信号周期内的进入各个车道每一辆车的车辆信息，并以此实时计算当前车流量，然后根据实时车流量计算下一信号周期的最佳周期时长和各个相位的绿灯分配。本发明考虑了当交叉口道路环境发生变化时，各相位的车道组流量也会相应发生变化，并依此提出了上述实时动态的交叉口信号控制设计方法，以实时适应道路环境的变化，通过优化交叉口信号配时，减少了道路车辆的总延误时间，并提升了道路车辆的行驶速度和运输效率，实现了有限道路资源的优化配置。
附图说明
图1为本发明进行实时动态的交叉口信号控制设计的流程图。
图2为本发明实施例中该交叉口信号控制设计***的结构框架。
图3为本发明实施例中该交叉口处道路状况及AVI装置布设示意图。
图4为本发明实施例中该交叉口处四相位示意图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
本发明提出一种实时动态的交叉口信号控制设计的方法，图1所示为该协调控制方法的流程图。该信号控制方法总体包括以下步骤：
(1)在各进口道的设定位置及交叉口处，安装AVI装置和中央处理器；
(2)AVI装置将一个信号周期内获取的通过车辆信息传输给中央处理器，用以计算当前周期内的实时进口道车流量；
(3)在中央处理器内部，根据所述步骤(2)中计算所得的实时进口道车流量，进行各车道组的流率比分析并确定各相位的关键车流；
(4)根据所述步骤(3)中计算得到的各车道组流率比以及各相位的关键车流等数据，采用Webster信号周期计算方法，确定下一个周期的最佳信号周期长度；
(5)根据各相位的关键车道组流率比，为下个周期的各个相位分配绿灯时长；
(6)将计算所得的各相位绿灯时长与预设最小绿灯时长比较，取较小值作为下周期各相位绿灯时长；
(7)将计算得到的最佳周期和各相位绿灯时长发送给交叉口信号控制机；
(8)当前周期结束，交叉口信号控制机按所得的最佳周期和各相位绿灯时长进行信号控制，并在周期开始时重复步骤(2)至(7)。
图2为该交叉口处信号控制设计***的结构框架，图3所示为某一十字交叉路口，每个车道宽度为3.0m，无坡度，行人过街流量中等。图4为十字交叉路口的四相位。安装的AVI装置能在车辆经过时，能识别车辆的车载射频标签，车载射频标签上有车辆类型信息、车辆状态以及车主信息等。AVI装置能将识别获得的车辆信息传给中央处理器进行下一步计算。
本实施例中，当前周期时长为200s，相位1绿灯时长35s，相位2绿灯时长45s，相位3绿灯时长40s，相位4绿灯时长60s。且在此周期内，通过AVI装置反馈的数据，以及查表获得的直行当量系数，处理器中计算可得各车道实时车流当量如表1所示：
表1本发明实施例中车道组直行当量计算表一
Figure BDA0002348697140000061
Figure BDA0002348697140000071
所述步骤(3)中的流率比分析是指：车道组的实际交通量或设计交通量与该车道的饱和流率的比值。所述的饱和流率，按以下基本公式计算：
Figure BDA0002348697140000072
其中：Si为进口道的饱和流率，pcu/h；
S0为进口道基本饱和流率，pcu/h，在无法获取实测数据时可取值1900pcu/h；
N为车道组i所包含的车道数；
fi为进口道各类校正系数可通过查阅美国道路通行能力手册推荐的校正系数模型得到。
本实施例中，每个进口道的车道宽度都为3.0m，无纵坡，符合应用直行当量法的理想条件，可采用饱和流率为1650veh/h。
所述步骤(4)中的关键车道组是指：对于同一相位来说，通常会有多个车道组的交通流在此相位内同时获得通行权，虽然这些车道组在同一相位，但是一般而言，不同车道组的流率比并不相同，而其中流率比最大的车道组对于最佳信号周期以及各相位绿灯时长的确定才最为关键，因此，我们把同一相位下的流率比最大的车道组称做关键车道组。于是，各相位的关键流率比计算如下：
y1＝q1/ST＝247/1650＝0.15
y2＝q2/ST＝353/1650＝0.21
y3＝q3/ST＝263/1650＝0.16
y4＝q4/ST＝519/1650＝0.31
Y＝y1+y2+y3+y4＝0.15+0.21+0.16+0.31＝0.83
本实施例中，取黄灯时长为Ai为3s，全红时长为2s，则一个周期内的总信号损失时间为：
Figure BDA0002348697140000081
则根据Webster信号周期计算方法，在当前周期内所计算的下一周期最佳周期时长为：
Figure BDA0002348697140000082
206s>25s，因此取周期C＝206s
各个相位的有效绿灯时长为：
Figure BDA0002348697140000083
Figure BDA0002348697140000084
Figure BDA0002348697140000085
Figure BDA0002348697140000086
各相位绿灯显示时长为：
g1＝gE,1+l1-A1＝34s
g2＝gE,2+l2-A2＝47s
g3＝gE,3+l3-A3＝36s
g4＝gE,4+l4-A4＝69s
计算满足行人过街需求的最短绿灯显示时间，结果如下：
Figure BDA0002348697140000087
因此，可确定当前周期结束后下一信号周期总时长为206s，且各个相位绿灯显示时长分别为：34s，47s，36s，69s。处理器在计算获得下一周期最佳信号周期及绿灯分配时长后，将数据发送给交叉口的交通信号控制机，此时，信号周期就发生了动态变化，而在经历多个周期之后，处理器中又计算得到了各车道新的实时车流当量如表2所示：
表2本发明实施例中车道组直行当量计算表二
Figure BDA0002348697140000091
此时，可按上述步骤重新计算确定下一信号周期总时长为103s，且各个相位绿灯显示时长分别为：14s，20s，16s，33s。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。本发明所属技术领域的技术人员可以对这些实施例做出各种修改或补充或采用类似的方法替代，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (19)

1.一种实时动态的交叉口信号控制设计的方法，其特征在于：获取交叉口当前信号周期内的进入各个车道每一辆车的车辆信息，并以此实时计算当前周期内车流量，然后根据实时车流量计算下一信号周期的最佳周期时长和各个相位的绿灯分配，以实时适应道路环境的变化及减少道路车辆的总延误时间。
2.根据权利要求1所述的实时动态的交叉口信号控制设计的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在各进口道的设定位置及交叉口处，安装AVI装置和中央处理器；
(2)所述AVI装置将一个信号周期内获取的通过车辆信息传输给中央处理器，用以计算当前周期内的实时进口道车流量；
(3)在中央处理器内部，根据所述步骤(2)中计算所得的实时进口道车流量，进行各车道组的流率比分析并确定各相位的关键车流；
(4)根据所述步骤(3)中计算得到的各车道组流率比以及各相位的关键车流等数据，采用Webster信号周期计算方法，计算下一个周期的最佳信号周期长度；
(5)根据各相位的关键车道组流率比，为下个周期的各个相位分配绿灯时长；
(6)将计算所得的各相位绿灯时长与预设最小绿灯时长比较，取较小值作为下周期各相位绿灯时长；
(7)将计算得到的最佳周期和各相位绿灯时长发送给交叉口信号控制机；
(8)当前周期结束，交叉口信号控制机按所得的最佳周期和各相位绿灯时长进行信号控制，并在周期开始时重复步骤(2)至(7)。
3.根据权利要求2所述的实时动态的交叉口信号控制设计的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的AVI装置在车辆经过时，能识别经过车辆的车载射频标签，所述车载射频标签上记载有必要信息。
4.根据权利要求3所述的实时动态的交叉口信号控制设计的方法，其特征在于：所述必要信息包括车辆类型信息、车辆状态信息、车主信息。
5.根据权利要求2所述的实时动态的交叉口信号控制设计的方法，其特征在于，所述步骤(2)中通过AVI装置反馈的数据计算进口道实时车流量的方法按下述原则进行：
以小汽车为单位通行量，根据车辆占用的道路面积大小乘以不同的折算系数来确定各进口道车流量，所述折算系数可依据我国的《城市道路工程设计规范》(CJJ37-2012)中的规定，再将左转和右转车流量统一转化成等效直行车流量；
所述等效直行车流量是指当左转车流或右转车流在通过车道的时间内，直行车能通过车道的流量，其可通过左转或右转车流量乘以相应的直行当量系数可得，而直行当量系数同样可以通过查阅上述《城市道路工程设计规范》(CJJ37-2012)获得。
6.根据权利要求2所述的实时动态的交叉口信号控制设计的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的流率比是指：车道组的实际交通量或设计交通量与该车道组的饱和流率的比值。
7.根据权利要求6所述的实时动态的交叉口信号控制设计的方法，其特征在于，所述的饱和流率，按以下基本公式计算：
Figure FDA0002348697130000021
其中：Si为进口车道i的饱和流率，pcu/h；
S0为进口道基本饱和流率，pcu/h，在无法获取实测数据时可取值1900pcu/h；
N为车道组i所包含的车道数；
fi为进口道各类校正系数，可依据美国《道路通行能力手册》(Highway CapacityManual,2000)推荐的校正系数模型确定。
8.根据权利要求2所述的实时动态的交叉口信号控制设计的方法，其特征在于，所述步骤(4)中的关键车道组是指同一相位下的流率比最大的车道组。
9.根据权利要求2所述的实时动态的交叉口信号控制设计的方法，其特征在于，所述步骤(4)中的Webster信号周期计算方法按以下公式计算：
Figure FDA0002348697130000022
其中：C为最佳信号周期，s；
Y为周期内所有相位的关键车道组的流率比之和；
L为信号总损失时间，s。
10.根据权利要求9所述的实时动态的交叉口信号控制设计的方法，其特征在于，所述的信号总损失时间，按以下基本公式计算：
Figure FDA0002348697130000031
其中：l为启动损失时间，实测获得，s；
Ii为第i相位末的绿灯间隔时间，由黄灯时间加上全红时间组成，s；
Ai为第i相位末的黄灯时间，s。
11.根据权利要求10所述的实时动态的交叉口信号控制设计的方法，其特征在于，其中：启动损失时间l缺乏实测数据时取3s；Ai实际使用时设置为2～3s。
12.根据权利要求10所述的实时动态的交叉口信号控制设计的方法，其特征在于，所述全红时间是指交叉口所有进口方向的车道信号灯都为红灯的状态。
13.根据权利要求12所述的实时动态的交叉口信号控制设计的方法，其特征在于，所述全红时间实际使用时设置在3s以内。
14.根据权利要求2所述的实时动态的交叉口信号控制设计的方法，其特征在于，所述步骤(5)中的为各个相位分配绿灯时长方法按以下公式计算：
Figure FDA0002348697130000032
其中：gE,j为第j相位的有效绿灯时间；
yj为第j相位的实时关键车道组流率比。
15.根据权利要求2所述的实时动态的交叉口信号控制设计的方法，其特征在于，所述步骤(6)中的预设最小绿灯时长是满足行人过街时间验算的各相位最短绿灯时间。
16.根据权利要求15所述的预设最小绿灯时长，其特征在于，所述的满足行人过街时间验算的各相位最短绿灯时间按以下公式计算：
Figure FDA0002348697130000041
其中：gmin为最短绿灯时间，s；
LP为行人过街道长度，m；
vP为行人过街步行速度，m/s；
I为绿灯间隔时间，s。
17.实现权利要求1至16中任一所述方法的实时动态的交叉口信号控制设计***。
18.根据权利要求17所述的实时动态的交叉口信号控制设计***，其特征在于，包括AVI装置和中央处理器，所述中央处理器与交叉口信号灯控制机有通信连接；所述AVI装置包括：
读写器，用以阅读车辆的射频标签；
数据传输单元，用以向中央处理器传输数据。
19.如权利要求18所述的实时动态的交叉口信号控制设计***，其特征在于，所述中央处理器包括下述单元：
存储器，用于存储AVI装置所传输的车辆信息、计算所需系数以及计算结果；
信号周期计算模块，其可根据存储器里存储的车辆信息以及计算系数来计算最佳信号周期以及各相位绿灯时长；
数据传输装置，用以建立与AVI装置以及交叉口信号控制机的相互通信。
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