一種干道優(yōu)先的交叉口自適應(yīng)交通信號控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于智能交通控制和自動(dòng)化科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種干道優(yōu)先 的交叉口自適應(yīng)交通信號控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著城市化進(jìn)程的加速發(fā)展，城市居民增加，城市車輛保有量快速增長，隨之而來 的交通擁堵已經(jīng)成為一個(gè)影響居民工作、生活質(zhì)量的重要因素。在不考慮交通意外事故的 條件下，道路交叉口通常是交通堵塞形成的起源。在道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城市規(guī)劃基本固定 的前提下，通過合理設(shè)置交通信號實(shí)現(xiàn)交叉口通行能力的提高，不但可以節(jié)約居民出現(xiàn)時(shí) 間，還能避免由交叉口堵塞而引發(fā)的鄰近路段擁堵，進(jìn)一步減輕由此造成的空氣、噪聲污染 等問題。
[0003] 傳統(tǒng)的交通信號控制通常采用固定時(shí)長配時(shí)方法，為各信號燈相位設(shè)置固定的 綠燈時(shí)間，從綠燈亮起時(shí)開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)到達(dá)指定時(shí)長后，當(dāng)前相位轉(zhuǎn)為黃燈，信號控制 機(jī)經(jīng)過一個(gè)黃燈時(shí)間過度后將綠燈切換到下一個(gè)相位，當(dāng)前相位進(jìn)入紅燈階段。固定配 時(shí)控制方法容易實(shí)現(xiàn)但缺乏靈活性，例如，當(dāng)車道已經(jīng)清空但計(jì)時(shí)尚未結(jié)束，則信號燈無 法切換會造成路口空閑；而當(dāng)計(jì)時(shí)結(jié)束車輛尚未清空，且下一相位無車輛等待通過時(shí)，信 號燈仍然切換同樣造成路口資源浪費(fèi)。Zhang等討論了獨(dú)立路口綠燈持續(xù)時(shí)間動(dòng)態(tài)范圍 的優(yōu)化設(shè)置，但該類方法需要經(jīng)過多次迭代才能確定最優(yōu)配時(shí)（IEEE transactions on intelligent transportation systems, 2011，12(1): 164-173·)。衛(wèi)星等基于遺傳控制 算法以平均延誤時(shí)間最小化作為優(yōu)化目標(biāo)提出一種交通信號自適應(yīng)控制算法，但算法存 在實(shí)時(shí)性和收斂性方面的不足（系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，vol. 24(11) :2255-2258) ;B〇〇n等提出了 按組完全控制方式下的車輛驅(qū)動(dòng)策略，但在路口車流量分布不均勻時(shí)，某個(gè)具有較高車流 量的車道會完全占據(jù)綠燈時(shí)間使得信號燈無法向下一個(gè)方向切換（Probability in the Engineering and Informational Sciences, 2012, 26 (3) :337-373.);此外，上述方法中沒 有針對車道類型進(jìn)行優(yōu)先級的區(qū)分。章如峰等提出一種基于主干道協(xié)調(diào)優(yōu)先的區(qū)域交通 信號控制方法（CN102982688A，2013)，通過優(yōu)化信號相位差實(shí)現(xiàn)主干道區(qū)域通行效率的 提高，但沒有給出單點(diǎn)交叉口的配時(shí)方案，線控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化計(jì)算復(fù)雜度較高；程琳等 針對公交車和普通車輛混合行駛的道路交叉口提出了一種公交優(yōu)先的交通信號控制方法 (CN103065479A，2013)，但該方法僅以公交優(yōu)先作為優(yōu)化指標(biāo)，沒有考慮車流量、車道類型 等因素。
[0004] 相對公知的交通信號控制策略，本發(fā)明基于輪詢控制方式，提出一種基于完全服 務(wù)的干道優(yōu)先交叉口自適應(yīng)交通信號控制方法，討論了當(dāng)交叉口為干道和非干道交叉口 時(shí)，如何根據(jù)完全服務(wù)規(guī)則進(jìn)行信號配時(shí)計(jì)算并且通過設(shè)置最大綠燈時(shí)間上限保證車道間 的公平性；另一方面，當(dāng)某相位綠燈達(dá)到最大綠燈時(shí)間上限時(shí)，信號控制機(jī)再根據(jù)車道類型 進(jìn)一步確定信號燈切換方式：非干道綠燈時(shí)間到達(dá)上限后切換至下一相位，若為干道則按 回退控制算法決定綠燈是否切換，從而保證干道優(yōu)先通行權(quán)。經(jīng)文獻(xiàn)檢索，未見與本發(fā)明相 同的公開報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種干道優(yōu)先的交叉口自適應(yīng)交通 信號控制方法，以輪詢控制系統(tǒng)為核心，以實(shí)現(xiàn)干道優(yōu)先的交通信號控制為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)歷 史統(tǒng)計(jì)的車道飽和流率、車輛到達(dá)率、車道類型的參數(shù)，給出對交叉口各個(gè)相位進(jìn)行交通信 號基準(zhǔn)配時(shí)，再根據(jù)實(shí)時(shí)交通情況，對基礎(chǔ)配時(shí)進(jìn)行自適應(yīng)修正的方法，提出了完全清空策 略配時(shí)計(jì)算方法，以及干道綠燈時(shí)間延長概率的計(jì)算方法。
[0006] 其技術(shù)方案如下：
[0007] -種干道優(yōu)先的交叉口自適應(yīng)交通信號控制方法，首先，將交叉路口描述為一個(gè) 切換服務(wù)系統(tǒng)，渠化車道相當(dāng)于排隊(duì)隊(duì)列，交通信號控制機(jī)相當(dāng)于中心控制器采用完全服 務(wù)方式計(jì)算各個(gè)渠化車道占用路口資源的時(shí)間（綠燈時(shí)間），通過交叉口各個(gè)歷史監(jiān)測數(shù) 據(jù)；同時(shí)，對信號控制機(jī)設(shè)置最大綠燈時(shí)間上限，當(dāng)干道綠燈時(shí)間大于綠燈時(shí)間上限時(shí)，信 號控制機(jī)根據(jù)回退算法計(jì)算延長綠燈時(shí)間概率，以延長綠燈時(shí)間概率允許干道綠燈時(shí)間延 長，當(dāng)輔導(dǎo)綠燈時(shí)間大于綠燈時(shí)間上限時(shí)，按照綠燈時(shí)間上限進(jìn)行綠燈信號配時(shí)。包括以下 步驟：（1)初始化車道參數(shù)
[0008] 將交叉路口描述為一個(gè)切換服務(wù)系統(tǒng)，渠化車道相當(dāng)于排隊(duì)隊(duì)列，相同行駛方向 的車道被視為一個(gè)信號相位，交通信號控制機(jī)相當(dāng)于中心控制器，根據(jù)歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn) 交叉口信號控制系統(tǒng)的參數(shù)初始化：
[0009] N :交叉口信號相位數(shù)量；
[0010] i :信號相位編號，i = 1，2,…，N;
[0011] j :-天中時(shí)段編號，每個(gè)時(shí)段對應(yīng)一小時(shí)，j = 1，2,…，24 ;
[0012] du:交叉口 i信號相位在信號控制時(shí)段j的飽和流率；
[0013] si;j:交叉口 i信號相位在信號控制時(shí)段j的車輛到達(dá)率；
[0014] 信號相位在信號控制時(shí)段j的流量比；
[0015] 信號控制時(shí)段j的路口總負(fù)載。
[0016] (2)更新交叉口車輛行駛參數(shù)
[0017] 通過實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備捕獲當(dāng)前交叉口各信號相位車輛行駛參數(shù)，包括車輛到達(dá)率、 交叉口飽和流率和車輛平均行駛速度，將實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)車輛 到達(dá)率、實(shí)時(shí)監(jiān)控到的車輛行駛速度或交叉口飽和流率與歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之間的誤差大于 ±10%時(shí)，則將對應(yīng)參數(shù)的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)更新為實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，隨后采用更新后的數(shù)據(jù)進(jìn) 行基準(zhǔn)綠燈配時(shí)計(jì)算。
[0018] (3)建立基于完全清空服務(wù)策略分析模型
[0019] 基于概率母函數(shù)和嵌入式馬爾科夫鏈理論，建立交叉口車輛排隊(duì)數(shù)學(xué)模型，建立 完全清空服務(wù)控制策略下，第i+Ι信號相位綠燈開始時(shí)刻，交叉口各相位排隊(duì)車輛數(shù)聯(lián)合 概率分布的概率母函數(shù)Q i+1 (Zl，z2, L，Zi，L，zN)，用于描述交叉口車輛排隊(duì)狀態(tài)：
[0021] 其中A(Zi)、B(Zi)和R(Zi)分別表示i相位車道車輛到達(dá)過程、通過路口時(shí)間、相 位間信號燈轉(zhuǎn)換時(shí)間的概率母函數(shù)，F(xiàn)(Z i)表示i相位車道內(nèi)的車輛完全清空耗時(shí)的概率母 函數(shù)。
[0022] (4)計(jì)算綠燈開始時(shí)刻平均排隊(duì)車輛數(shù)
[0023] 基于概率母函數(shù)Qi+1 (Z1, z2, L, Zi, L, zN)表達(dá)式，計(jì)算j控制時(shí)段中，當(dāng)信號相位i 綠燈開始時(shí)，信號相位i車道停車線處的平均排隊(duì)車輛數(shù)giij:
[0025] 其中N是當(dāng)前路口的信號相位總數(shù)，t_yu是i信號相位在j控制時(shí)段的黃燈時(shí) 間，黃燈時(shí)間根據(jù)i信號相位路口長度L i，i信號相位在j控制時(shí)段的平均車速 ' 和車輛平均制動(dòng)時(shí)間tbMke求?。?br>[0026]
[0027] 其中，M表示向上取整。
[0028] (5)計(jì)算綠燈配時(shí)長度
[0029] 計(jì)算各信號相位在各個(gè)信號控制時(shí)段的基準(zhǔn)綠燈時(shí)間和綠燈上限時(shí)間：
[0030] 根據(jù)完全清空服務(wù)策略計(jì)算j控制時(shí)段信號相位i的基準(zhǔn)綠燈時(shí)間I\j:
[0034] 其中，L」表示向下取整。
[0035] (6)信號控制機(jī)切換控制
[0036] 信號控制機(jī)在獲得基準(zhǔn)綠燈時(shí)間和綠燈上限時(shí)間后，針對干道相位和非干道相位 采用如下不同的配時(shí)算法控制信號燈的切換。
[0037] 優(yōu)選地，步驟（6)信號機(jī)切換控制的算法包括以下步驟：
[0038] 步驟1 :判斷當(dāng)前相位車道類型；
[0039] 步驟2 :根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控獲取當(dāng)前車道飽和流率、車輛行駛速度和車輛到達(dá)率，當(dāng)與 歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比較誤差大于±10%時(shí)，將參數(shù)值更新為實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；
[0040] 步驟3 :根據(jù)車道類型，如果為干道則按照干道相位配時(shí)算法進(jìn)行信號配時(shí)；如 果為非干道則按照非干道相位配時(shí)算法進(jìn)行信號配時(shí)；
[0041 ] 步驟4 :綠燈時(shí)間計(jì)時(shí)結(jié)束，信號燈切換；
[0042] 進(jìn)一步優(yōu)選，步驟3中所述非干道相位配時(shí)算法具體為：
[0043] 步驟1 :初始化：計(jì)算綠燈基準(zhǔn)時(shí)間Ti>j;
[0044] 步驟2 :比較綠燈基準(zhǔn)時(shí)間和綠燈時(shí)間上限；
[0045] 步驟3 :按照t_gi,」=min{T i，」，對當(dāng)前相位進(jìn)行綠燈配時(shí)；
[0046] 步驟4:退出；
[0047] 所述干道相位配時(shí)算法具體為：
[0048] 步驟1 :初始化：計(jì)算綠燈基準(zhǔn)時(shí)間Tu，綠燈時(shí)間延長次數(shù)k = 1 ;
[0049] 步驟2 :比較綠燈基準(zhǔn)時(shí)間Ti, j和綠燈時(shí)間上限t_gmax j;
[0050] 步驟3 :按照t_gi,」=min{T i，」，i^gmaxy}對當(dāng)前相位進(jìn)行綠燈配時(shí)；；
[0051] 步驟4 :計(jì)時(shí)結(jié)束判斷車道是否清空；若車道已清空，則退出；若沒有清空，執(zhí)行步 驟5 ;
[0052] 步驟5 :以概率p = P k對干道綠燈時(shí)間以t_g 」=t_g 」+ Δ t進(jìn)行綠燈時(shí)間延 長，其中k表示本次信號周期中的綠燈時(shí)間延長次數(shù)；以概率（1-p)退出，即生成0到I之 間均勻分布的隨機(jī)數(shù)當(dāng)σ〈Ρ則延長綠燈時(shí)間，否則，退出干道配時(shí)；其中t min gmaXi，」，更新k = k+1返回步驟4。
[0053] 本發(fā)明的有益效果：
[0054] 1.利用計(jì)算機(jī)根據(jù)車輛到達(dá)率、交叉口飽和流率和車輛行駛速度等交叉口交通參 數(shù)，通過建立基于清空服務(wù)方式的交通信號控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，計(jì)算交通信號各相位基準(zhǔn) 綠燈配時(shí)長度，實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)時(shí)交通狀態(tài)的動(dòng)態(tài)信號配時(shí)，有利于提高通行效率。
[0055] 2.根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)對基準(zhǔn)綠燈配時(shí)計(jì)算中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行更新，保證基準(zhǔn)綠燈 配時(shí)的有效性；同時(shí)允許參數(shù)具有一定波動(dòng)性，避免因參數(shù)頻繁更新在實(shí)際應(yīng)用中造成的 控制復(fù)雜度和控制時(shí)延的增加。
[0056] 3.根據(jù)車輛及行人通行行為設(shè)置綠燈配時(shí)長度上、下限，更符合