CN102610094A - 一种依据路段有效容量动态协调的交通控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种依据路段有效容量动态协调的交通控制方法，首先提出一种有效带宽评价方法对已有干线绿波协调控制系统的运行状态及控制效果进行监控；其次借鉴TCP/IP窗口流量控制思想，设计一种窗口流量控制的干线动态协调控制方法，控制城市干线拥挤交通流。模拟试验及对比结果表明，通过窗口流量通告的方式，下游交叉口可以向上游交叉口实时告知路段的有效容量，便于各交叉口信号机根据当前的交通需求及路段的有效容量重新分配各股车流的绿灯时间，以免绿灯时间分配过多，导致路段排队车辆溢出。

Description

一种依据路段有效容量动态协调的交通控制方法

技术领域

本发明涉及城市交通干线控制领域，特别是涉及一种路段有效容量的计算方法。

背景技术

现有的干线协调控制方法，主要是通过调整相邻信号交叉口的信号配时参数，追求在既定交通条件下的绿波带宽最大化，因此又将其称为干线绿波协调控制。实践证明，干线绿波协调控制在非饱和情况下控制效果较好，但是在饱和及过饱和情况下则远未达到预期的控制效果，甚至出现排队车辆溢出至上游交叉口，产生上游交叉口绿灯期间车辆无法通过的“死锁”现象。从已有产品的发展趋势看，研发者在设计干线绿波协调控制方法时，已由微观地考虑某一方向、某一交叉口的交通状况，逐渐转变为宏观地考虑上下游路段、相邻交叉口的交通状况；已由单纯地以减少停车延误为控制目标，逐渐转变为考虑排队长度，降低排队长度，疏散拥挤为控制目标。然而，现有的研究尚有两个方面缺乏考虑，一方面缺乏对干线绿波协调控制系统运行状态的实时监控；另一方面缺乏对路段有效空间的实时检测。前者可用于监控当前执行的干线绿波协调控制方案的有效性；后者则可从路段容纳车辆数的角度设计信号配时，以防止前述“死锁”现象的发生。

发明内容

本发明从两个角度出发，首先提出一种用于计算干线绿波协调控制系统有效带宽的方法，以监控绿波协调控制的有效性；并以此为基础，提出一种基于窗口流量控制思想的路段有效容量实时通告方法，使下游交叉口可以告知上游交叉口路段当前的有效容量，以便上游交叉口根据路段的有效容量调整信号配时，以免绿灯时间分配过多，导致路段排队车辆溢出。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种路段有效容量的计算方法，计算步骤：

(1)计算路段所能容纳的最大车辆数；

(2)以一定时间间隔为周期，计算当前所述周期路段各个车道的车辆数；

(3)对步骤(2)中计算的各个车道车辆数累加，获得当前周期所述路段总的车辆数；

(4)所能容纳的最大车辆数减去当前周期所述路段总的车辆数，获得当前周期所述路段有效容量。

所述路段有效容量是指路段当前周期容纳的来自上游交叉口的最大车辆数；所述一定时间间隔是以信号交叉口的信号周期为间隔或以特定时间长度为时间间隔。

当前路段所能容纳的最大车辆数的计算方法为：

其中L(i)为基本路段长度，l(i)为渠化路段长度，LV为平均车辆长度，SV为饱和车头间距，n为非渠化部分车道数，m为渠化部分车道数。

所述的当前路段车辆数由两部分组成：一部分是上个时间间隔内剩余的车辆数，另一部分是本时间间隔内累计进入该路段的车辆数减去本时段内累计通过交叉口的车辆数。

其中，左转、右转车道的排队车辆数计算方法为：

Q(η，L，t+1)＝Q(η，L，t)+QN(η，L，t)+QA(η，L，t+1)-QD(η，L，t+1)，其中Q(η，L，t)、QN(η，L，t)分别表示当车辆获得t+1次绿灯通行权时两检测器间原有排队车辆与新到达车辆数；QA(η，L，t+1)、QD(η，L，t+1)分别表示当第t+1次绿灯结束时到达的车辆数与离开的车辆数，Q(η，L，t+1)为剩余车辆数。

直行车道的排队车辆数计算方法为：

$Q(\mathrm{\η},T,t+1)=Q(\mathrm{\η},T,t)+(\mathrm{QN}(\mathrm{\η},T,t)+\mathrm{QA}(\mathrm{\η},T,t+1))\×(1-P_{\mathrm{LT}}^t)-\mathrm{QD}(\mathrm{\η},T,t+1),$ 其中

为第t次绿灯结束至t+1次绿灯开始时累计到达车辆数中左转车辆所占的百分比。

一种依据路段有效容量动态协调的交通控制方法，方法如下：

(1)上游交叉口向下游交叉口发出请求，得到窗口流量通告；

(2)以优先放行拥挤方向车流为目标，根据获得的实时窗口流量计算被放行车辆所需的绿灯时间；

(3)考虑下游交叉口当前的灯色状态及其剩余时间，优化分配该方向最终的绿灯时间。

进一步，窗口流量格式为{Tⁱ _state，Tⁱ _remain，ASL(i)}，其中Tⁱ _state∈{Red，Green，Yellow}，分别表示当前第i个交叉口干线方向为红灯，绿灯和黄灯；Tⁱ _remain表示某一灯色的剩余时间，ASL(i)为当前路段的有效容量。

其中，如果上游交叉口待放行的车辆数小于窗口流量通告中的ASL(i)，则以待放行的车辆数为依据计算其所需要的绿灯时间G(i)，否则以窗口流量通告中的ASL(i)为依据，计算放行ASL(i)车辆数所需的绿灯时间。

所述以待放行的车辆数为依据的计算方法：

G(i)＝L(i)+(N(η，θ)+N_Δ)×h，其中L(i)为起动损失时间，h为饱和车头时距，N(η，θ)为待放行的排队车辆数，N_Δ为绿灯放行期间新加入的车辆。

所述放行ASL(i)车辆数所需绿灯时间的计算方法：

其中L_ASL为起动损失时间。

进一步确定最终绿灯时间的计算方法：

G(i)＝G_ASL+T_remain    If T_state∈{Green，Yellow}

G(i)＝G_ASL-T_remain    If T_state∈{Red}。

由以上本发明提供的技术方案可见，通过窗口流量通告的方式，下游交叉口可以向上游交叉口实时告知路段的有效容量，便于各交叉口信号机根据当前的交通需求及路段的有效容量重新组织各股车流的绿灯时间，更好地防止干线阻塞。

附图说明

图1是本发明提供的一种路段有效容量的计算方法在理想情况下的时间-距离图；

图2是本发明提供的一种路段有效容量的计算方法在实际交通运行中的时间-距离图；

图3是本发明提供的一种路段有效容量的计算方法的车道示意图；

图4是本发明提供的一种路段有效容量的计算方法交叉口的渠化结构示意图；

图5是本发明提供的一种路段有效容量的计算方法固定配时干线信号协调系统有效带宽图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明方案，下面对技术方案的具体实施方法作进一步的详细说明。

一种路段有效容量的计算方法，具体的计算步骤如下：

1)计算当前路段所能容纳的最大车辆数

当前路段所能容纳的最大车辆数可以根据式

计算获取，其中L(i)为基本路段长度，l(i)为渠化路段长度，LV为平均车辆长度，SV为饱和车头间距，n为非渠化部分车道数，m为渠化部分车道数。

2)计算各个车道当前路段的车辆数

路段i上的车辆数由两部分组成，一部分是上个时间间隔内剩余的车辆数，另一部分是本时间间隔内累计进入该路段的车辆数减去本时段内累计通过交叉口的车辆数，其计算方法可由各车道排队车辆数统计获得。

各车道排队车辆数的计算方法：

饱和情况下，各相位绿灯结束时，红灯期间等待放行的车辆不能全部通过交叉口，滞留车辆将与新到达的车辆一起等待下一次绿灯放行。基于道路上交通检测器提供的数据，在下一次绿灯放行初始时，可以计算出各车道等待放行的车辆数。

结合附图3说明各车道排队长度的计算方法。在附图3中，车道3为左转专用车道，车道2为直行车道，车道1为直行右转车道。检测器分别置于停车线附近以及左转专用车道末端和直行车道上游位置。左转车道两检测器之间的距离为L_LT，可用于统计左转排队车辆数；直行及直右两检测器之间的距离为L_RT，可用于统计直行排队车辆数。

(1)左转车道的排队车辆数

假设当前第t次绿灯结束时，左转车道两个检测器L₁和L₂间的排队车辆数为Q(η，L，t)，其中η∈{E，S，W，N}，表示交叉口东(E)、南(S)、西(W)、北(N)四个进口方向。车辆的运行方向可表示为θ∈{L，T，R}，其中L表示左转，T表示直行，R表示右转。L₂继续对新到车辆进行检测，则车道3上的车辆获得t+1次绿灯通行权时，L₁和L₂检测器间的排队车辆数为原有排队车辆数Q(η，L，t)与新到达车辆数QN(η，L，t)之和，即：N(η，L，t)＝Q(η，L，t)+QN(η，L，t)。

当该车道再次获得绿灯通行权时，L₁开始对离开的车辆进行检测，L₂继续检测新到达的车辆。当第t+1次绿灯结束时，L₂检测绿灯期间到达的车辆数为QA(η，L，t+1)，L₁检测绿灯期间离开的车辆数为QD(η，L，t+1)，此时两个检测器之间的剩余车辆数为：Q(η，L，t+1)＝N(η，L，t)+QA(η，L，t+1)-QD(η，L，t+1)。

由上述迭代公式，便可计算出该车道再次获得绿灯时需要放行的车辆数。

(2)直右流向各车道的排队车辆数

车道1的排队车辆数的计算原理与车道3相同。对于车道2而言，由于路段上游的检测器T₂不仅仅检测直行的车辆，同时还有左转的车辆，因此计算车道2上的排队车辆较为复杂。计算车道2的排队车辆数时应去除左转的车辆数，左转车辆的比例则可通过L₁和L₂实时检测的数据计算得到。当前车道2第t次绿灯结束，则车道2上滞留的车辆数为： $N(\mathrm{\η},T,t)=Q(\mathrm{\η},T,t)+\mathrm{QN}(\mathrm{\η},T,t)\×(1-P_{\mathrm{LT}}^t).$

其中，

为第t次绿灯结束至t+1次绿灯开始时累计到达车辆数中左转车辆所占的百分比，

当第t+1次绿灯结束时，车道2上T₁和T₂两个检测器之间的排队车辆为：

$Q(\mathrm{\η},T,t+1)=Q(\mathrm{\η},T,t)+(\mathrm{QN}(\mathrm{\η},T,t)+\mathrm{QA}(\mathrm{\η},T,t+1))\×(1-P_{\mathrm{LT}}^t)-\mathrm{QD}(\mathrm{\η},T,t+1)$

3)路段有效容量的计算方法

路段有效容量(Available Storage of a Link，ASL)是指路段当前可以容纳的来自上游交叉口的最大车辆数。饱和条件下，交叉口放行的车辆数不仅仅与绿灯时间长短有关，还受到车辆行进方向下游路段有效容量的制约。如果下游路段排队的车辆数较多，则其有效容量较少，能够容纳来自上游交叉口的车辆数也较少；此时上游交叉口在该方向给予的绿灯时间越多，导致浪费的绿灯时间便越多，严重影响交叉口的时空效益。因此上游交叉口在给予某一方向绿灯时间时，应该充分考虑下游路段的有效容量，应根据路段有效容量计算放行的车辆数，进而确定给予的绿灯时间，以便充分利用交叉口的时空资源。

路段有效容量的计算方法公式为：ASL(i)＝SL(i)-NQ(i)。

其中，SL(i)为路段i的容量，指路段i排满车辆时所能容纳的最大车辆数；NQ(i)是指当前时刻路段i上的车辆数。

依据路段有效容量动态协调的交通控制方法，具体实施方法：

饱和情况下，疏导拥挤交通流的有效手段应该如交警一样，打破原先既定的控制过程，减少上游交叉口放行至下游拥挤路段的车辆数，增加下游交叉口拥挤方向的绿灯时间，以加快拥挤疏导。本发明根据检测器实时检测到的交通数据，以优先放行拥挤方向车流为目标，根据获得的窗口流量通告，每次发放绿灯通行权时通过优化计算，重新给予待放行车流的绿灯时间，以达到快速疏导交通拥挤的目的。

各信号交叉口根据检测器检测到的交通数据，实时计算所辖路段的有效容量，当上游交叉口向其发出请求时，下游交叉口则向其发送一个窗口流量通告。其窗口格式为：{Tⁱ _state，Tⁱ _remain，ASL(i)}，其中Tⁱ _state∈{Red，Green，Yellow}，分别表示当前第i个交叉口干线方向为红灯，绿灯和黄灯；Tⁱ _remain表示某一灯色的剩余时间，ASL(i)为当前路段的有效容量。

窗口流量控制的干线动态协调控制原理：

(1)获得当前干线协调控制的各交叉口的相关静态交通数据和动态交通数据；

(2)获得各交叉口的相位、相序；

(3)以时间间隔T采集的动态交通数据为基础，计算当前运行的干线协调控制系统的有效带宽ABW，如果ABW小于阈值δ，则转(4)，否则不改变当前信号控制方式，转(10)；

(4)各交叉口根据检测器检测到的数据计算路段有效容量，并以窗口格式向上游交叉口发送窗口流量通告；

(5)上游交叉口收到窗口流量通告后，将改变当前的信号控制方案，根据检测器数据计算的当前各车道排队车辆数和窗口流量通告中告知的相关信息，重新分配干线方向绿灯时间；

(6)如果上游交叉口待放行的车辆数小于窗口流量通告中的ASL(i)，则以待放行的车辆数为依据计算其所需要的绿灯时间G(i)否则转(7)；

(7)以窗口流量通告中的ASL(i)为依据，计算放行ASL(i)车辆数所需的绿灯时间，并考虑下游交叉口当前的灯色状态及其剩余时间，优化分配该方向最终的绿灯时间；

(8)根据(6)或(7)的计算结果，为该方向发放绿灯通行权，其他竞争方向则为红灯；

(9)该方向即将再次获得通行权时重复步骤(4)-(8)；

(10)T＝T+1，转(3)。

其中，步骤(6)绿灯时间的计算方法如下：

G(i)＝L(i)+(N(η，θ)+N_Δ)×h，其中L(i)为起动损失时间，h为饱和车头时距，N(η，θ)为待放行的排队车辆数，N_Δ为绿灯放行期间新加入的车辆。

步骤(7)若放行ASL(i)车辆数所需的绿灯时间计算如下：

其中L_ASL为起动损失时间，步骤(7)的最终绿灯时间计算方法如下：

G(i)＝G_ASL+T_remain  If T_state∈{Green，Yellow}

G(i)＝G_ASL-T_remain  If T_state∈{Red}

上述窗口流量控制的干线动态协调控制方法适用于饱和条件，分配干线方向多少绿灯时间，完全取决于当前的交通需求以及窗口流量通告中的有效空间供给，对疏导拥挤交通流较为有效。

结合具体实例的模拟分析：

1.模拟方案设计

结合附图4，本发明以连续的三个交叉口为研究对象，三个交叉口所在的西-东方向路段为城市主干路，各交叉口间距离约为600米。实验以德国PTV公司的VISSIM模拟软件为工具，利用VB调用VISSIM的COM接口，读取检测器数据及信号控制机参数，编制程序实现有效带宽的计算，同时用VAP实现控制逻辑。模拟方案中小车比例90％，速度45～60km/h，大车比例10％，速度25～30km/h，共计模拟了3600秒，前600秒流量较小，用于平衡路网，设置的高峰期持续时长为2400秒，即第600秒到第3000秒为高峰时间，剩余时间为平峰时间，模拟时高峰时间的交通量为平峰时间的1.2～1.5倍。

模拟方案分为两个，方案一整个模拟期间均采用绿波协调控制；方案二模拟初期采用绿波协调控制，同时采用有效带宽计算方法进行监控，当发现有效带宽小于阈值时，便转换为窗口流量控制方案。为简化计算，仅对干线由西向东方向进行绿波控制；绿波协调控制方案中，三个交叉口共用信号周期时长为95秒，设计的带宽为20秒，有效带宽的阈值设为5秒。

其中，本发明设计有效带宽评价算法(Algorithm of Searching AvailableBandwidth，ASAB)，以实现对已有干线协调控制系统中的有效带宽进行实时计算。

ASAB算法的设计条件包括：(1)参与干线协调的交叉口数量为N，N≥2；(2)参与协调控制的末端交叉口与其下游相邻交叉口间的路段较长，能够容纳末端交叉口释放的车辆而不会排队溢出；(3)通过车辆检测器信号机能够实时获取到达车辆的车速、车型信息和累计通过检测器的车辆数；(4)信号机执行ASAB的时间间隔与当前干线协调控制系统的周期相同。

有效带宽的计算公式为ABW＝min{G_pub(i)}，其中ABW为干线协调系统的有效带宽，G_pub(i)为第i个交叉口的公有绿灯时间。各交叉口的公有绿灯时间可由式G_pub(i)＝G(i)-G_priv(i)计算得到，其中，G(i)为第i交叉口干线方向的绿灯时间，G_priv(i)为第i交叉口的私有绿灯时间。各交叉口的私有绿灯时间可由G_priv(i)＝N(η，θ，i)×h计算得到。其中，N(η，θ，i)为交叉口i干线方向绿灯起始时刻停车线前的排队车辆数，h为饱和车头时距。

ASAB算法的计算过程如下：

(1)获得当前信号周期交叉口i干线方向的绿灯时间G(i)，i＝1，2，…，N；

(2)监测交叉口i干线方向红灯时间是否结束，如果是则转向(3)，否则继续监测，i＝1，2，…，N；

(3)计算交叉口i干线方向绿灯起始时刻停车线前的排队车辆数N(η，θ，i)，i＝1，2，……，N；

(4)计算交叉口i的私有绿灯时间G_priv(i)，i＝1，2，……，N；

(5)计算交叉口i的公有绿灯时间G_pub(i)，i＝1，2，……，N；

(6)计算N个交叉口的最小公有绿灯时间min{G_pub(i)}，即有效带宽ABW。

(7)输出当前周期干线信号协调控制系统的有效带宽，并对min{G_pub(i)}所属的交叉口i给予1分惩罚，即punish(i)＝punish(i)+1；

(8)如果ABW小于阈值δ，则当前干线信号协调控制失效，输出max{punish(i)}所属的交叉口；否则转步骤(1)，对下一信号周期进行监测。

2.结合附图5进行模拟结果分析，方案一，为了分析干线绿波协调控制的执行效果，在模拟期间采用有效带宽搜索算法对其进行全程监控。方案一的干线协调控制系统在模拟期间的前部分时间由于车流量较小，干线系统的交通负荷较低，系统的有效带宽较大，在此期间该干线系统实现的绿波控制效果较好；但是随着车流量的增加，整个干线系统的交通负荷不断升高，系统的有效带宽逐渐减少直至为0，说明此期间干线绿波协调控制已很难实现实际的绿波通行，干线系统处于饱和状态。

方案二，初期依然采用方案一中的绿波协调控制方案，当监控到干线系统的有效带宽阈值低于5秒时，便停止绿波协调控制方案，切换为本发明提出的窗口流量控制方案。编号为3和2的交叉口，适时地向其上游交叉口发送窗口流量通告，交叉口1和交叉口2根据该方向的排队车辆数和接收到的窗口流量通告，计算分配的绿灯时间。

表1和表2是两种方案控制效果的性能评价对比结果。

表1两种干线信号控制方案排队长度的比较

表2两种方案延误和通过车辆数的比较

从VISSIM输出的性能指标对比可以看出，实施窗口流量控制的控制方案之后，可以有效减小干线拥挤流向的平均排队长度和最大排队长度，干线上的车辆平均延误有很大的降低，并且交叉口总平均延误也有所降低，通过的车辆数相对增加，说明拥挤条件下实施窗口流量控制的干线协调控制方案可以有效地缓解干线方向的交通拥挤状况。虽然实施窗口流量控制的干线协调控制方案后，各交叉口南北进口的平均延误有所增加，但是与干线绿波协调控制方式相比，排队长度增幅不大，说明没有因释放干线方向车流而导致其他竞争方向车流过度拥挤。从整个系统的角度考虑，虽然牺牲了一些其他竞争方向车流的利益，但是整个系统的利益获得了最大化，且能够有效保证干线的畅通，避免“死锁”现象的发生。通过各项评价指标显示，饱和条件下实施窗口流量控制的干线动态协调控制方式较为有效。

需要说明的是：在不脱离本发明技术原理的前提下，可以做若干改进，这些改进也可以视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种依据路段有效容量动态协调的交通控制方法，主要包括以下步骤：

(1)上游交叉口向下游交叉口发出请求，得到窗口流量通告；

(2)以优先放行拥挤方向车流为目标，根据获得的实时窗口流量计算被放行车辆所需的绿灯时间；

(3)考虑下游交叉口当前的灯色状态及其剩余时间，优化分配该方向最终的绿灯时间。

2.根据权利要求1所述的一种依据路段有效容量动态协调的交通控制方法，其特征在于，窗口流量格式为{Tⁱ _state，Tⁱ _remain，ASL(i)}，其中Tⁱ _state∈{Red，Green，Yellow}，分别表示当前第i个交叉口干线方向为红灯，绿灯和黄灯；Tⁱ _remain表示某一灯色的剩余时间，ASL(i)为当前路段的有效容量。

3.根据权利要求1所述的一种依据路段有效容量动态协调的交通控制方法，如果上游交叉口待放行的车辆数小于窗口流量通告中的ASL(i)，则以待放行的车辆数为依据计算其所需要的绿灯时间G(i)，否则以窗口流量通告中的ASL(i)为依据，计算放行ASL(i)车辆数所需的绿灯时间。

4.根据权利要求3所述的一种依据路段有效容量动态协调的交通控制方法，以待放行的车辆数为依据的计算方法：

G(i)＝L(i)+(N(η，θ)+N_Δ)×h，其中G(i)为绿灯时间，L(i)为起动损失时间，h为饱和车头时距，N(η，θ)为待放行的排队车辆数，N_Δ为绿灯放行期间新加入的车辆。

5.根据权利要求3所述的一种依据路段有效容量动态协调的交通控制方法，ASL(i)车辆数所需绿灯时间的计算方法：

其中L_ASL为起动损失时间。

6.根据权利要求5所述的一种依据路段有效容量动态协调的交通控制方法，最终确定绿灯时间的计算方法：

G(i)＝G_ASL+T_remain  If T_state∈{Green，Yellow}

G(i)＝G_ASL-T_remain  If T_state∈{Red}。

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