城市交通信號智能控制規(guī)則的自組織構(gòu)建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于交通智能控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及城市交通信號智能控制規(guī)則的自組織構(gòu) 建方法。 技術(shù)背景
[0002] 城市交通系統(tǒng)是由道路系統(tǒng)、流量系統(tǒng)和管理系統(tǒng)組成的一個典型的、開放的復(fù) 雜系統(tǒng)，任何依靠傳統(tǒng)"自上而下"大系統(tǒng)集中控制的方法，均難以解開此類具有強(qiáng)實時性、 異構(gòu)大數(shù)據(jù)特征的控制難題。目前在國內(nèi)外已有的多種智能化的交通信號控制系統(tǒng)，其核 心都是采用了被動控制的策略，其方法其實對系統(tǒng)復(fù)雜性進(jìn)行了規(guī)避；當(dāng)其系統(tǒng)規(guī)模不大， 交通流波動不大的情況下具有一定的適用性；隨著系統(tǒng)環(huán)境不斷復(fù)雜、交通流變化頻率加 劇，其控制性能由于先驗控制規(guī)則客觀存在的不完備性與非實時性而加速下降。問題本質(zhì) 在于每一個道路交叉路口不具備對現(xiàn)場變化的第一學(xué)習(xí)響應(yīng)能力，同時忽略了各個道路交 叉路口之間的相互耦合作用，使得整個系統(tǒng)對局部變化的響應(yīng)偏慢，其積累效應(yīng)就越明顯。 而實際的城市交通系統(tǒng)內(nèi)其規(guī)則是動態(tài)的、多變的，不同局部動態(tài)需要采用不同局部規(guī)則。 因此，針對傳統(tǒng)城市交通控制信號"自上而下"集中控制原理的不足，客觀上有必要研發(fā)一 種"自下而上"的新型的城市交通信號智能控制規(guī)則的自組織構(gòu)建方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于城市路網(wǎng)參數(shù)與流體動力 學(xué)的城市交通信號智能控制規(guī)則的自組織構(gòu)建方法，通過城市交通單路口信號相位的智能 化切換策略實現(xiàn)城市交通路口信號自組織控制功能，減少交通擁擠和通行延誤，提高城市 道路通行率。
[0004] 其核心在于將交通路網(wǎng)內(nèi)所有的交叉路口按相互連接作用進(jìn)行局部化，通過具有 路網(wǎng)與交通參數(shù)的流體力學(xué)抽象，轉(zhuǎn)化復(fù)雜交通流間作用為系統(tǒng)內(nèi)部的實時規(guī)則表達(dá)，按 需或自動地控制交通流以實現(xiàn)智能交通控制的目的。
[0005] 本發(fā)明的基本內(nèi)容是：針對具有復(fù)雜性特征的城市交通信號實時控制問題，提出 一種新型的基于城市路網(wǎng)參數(shù)與流體動力學(xué)的城市交通信號智能控制規(guī)則的自組織構(gòu)建 方法，即在元胞自動機(jī)的基礎(chǔ)上引進(jìn)流體動力學(xué)來建立交通流的平衡模型，通過賦予每個 獨(dú)立的交叉路口自主的決策能力，以相鄰路口間的相互作用為演化動力，自下而上的形成 局部路口與全局路網(wǎng)的自組織控制規(guī)則，并通過制定交通路口的相位判別規(guī)則實現(xiàn)交通系 統(tǒng)信號模式的實時決策，有效的大幅減少系統(tǒng)的運(yùn)算量，解決了當(dāng)前控制策略因計算量過 大而導(dǎo)致無法滿足對全局路網(wǎng)統(tǒng)一控制的實時性問題，達(dá)到智能交通控制的目的。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] 1、該方法中所述的城市路網(wǎng)參數(shù)為單個車道的長度、寬度、曲率、允許通行的相位 數(shù)、最大限速、車道通行的優(yōu)先系數(shù)以及相鄰車道間相互作用影響系數(shù)等七個參數(shù)。該方法 利用道路與管道、交通流與自然流間的相似性，引進(jìn)流體動力學(xué)來建立交通流的平衡模型 與信號切換的規(guī)則模型。該方法將城市交通信號控制系統(tǒng)作為交通網(wǎng)絡(luò)處理，每個交叉路 口具有獨(dú)立的信息采集與決策處理的能力以實現(xiàn)控制交通信號燈變換的功能。每個交叉路 口是由1-5條車道相互垂直構(gòu)成的十字交叉路口，同時每個交叉路口與其周圍相鄰連接的 交叉路口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，基本模型設(shè)定為每個路口與其相鄰的4個路口相連接并交互作用 (通過基本模型的簡化或擴(kuò)展也可表示一個路口與2個、3個、5個或更多路口相連接并交互 作用的情況），由此在智能分配交叉路口數(shù)據(jù)的權(quán)重值下進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算并決策信號切換的 使能（含是否進(jìn)行信號切換以及如何進(jìn)行信號切換）。每個車道在其允許通行的相位獲得 綠信號時所能放行的交通流量，由其下游可駛?cè)氲膶?yīng)車道交通密度所決定，同時該車道 自身交通密度將決定其上游對應(yīng)相位車道的可放行交通流量。每個交叉路口有12個車輛 行駛的有效控制方向，分別：
[0008] 用數(shù)字1表示由西向駛?cè)虢徊媛房诓⒆筠D(zhuǎn)駛向北方向的控制方向；
[0009] 用數(shù)字2表示由西向駛?cè)虢徊媛房诓⒅毕蝰傁驏|方向的控制方向；
[0010] 用數(shù)字3表示由西向駛?cè)虢徊媛房诓⒂肄D(zhuǎn)駛向南方向的控制方向；
[0011] 用數(shù)字4表示由南向駛?cè)虢徊媛房诓⒆筠D(zhuǎn)駛向西方向的控制方向；
[0012] 用數(shù)字5表示由南向駛?cè)虢徊媛房诓⒅毕蝰傁虮狈较虻目刂品较颍?br>[0013] 用數(shù)字6表示由南向駛?cè)虢徊媛房诓⒂肄D(zhuǎn)駛向東方向的控制方向；
[0014] 用數(shù)字7表示由東向駛?cè)虢徊媛房诓⒆筠D(zhuǎn)駛向南方向的控制方向；
[0015] 用數(shù)字8表示由東向駛?cè)虢徊媛房诓⒅毕蝰傁蛭鞣较虻目刂品较颍?br>[0016] 用數(shù)字9表示由東向駛?cè)虢徊媛房谟肄D(zhuǎn)向駛向北方向的控制方向；
[0017] 用數(shù)字10表示由北向駛?cè)虢徊媛房诓⒆筠D(zhuǎn)駛向東方向的控制方向；
[0018] 用數(shù)字11表示由北向駛?cè)虢徊媛房诓⒅毕蝰傁蚰戏较虻目刂品较颍?br>[0019] 用數(shù)字12表示由北向駛?cè)虢徊媛房谟肄D(zhuǎn)向駛向西方向的控制方向；
[0020] 上述12個控制方向在控制規(guī)則中分別對應(yīng)12個控制相位，其相位標(biāo)序與上述標(biāo) 序?qū)?yīng)。每個相位賦予一個切換閾值，當(dāng)下一相位決策值到達(dá)閾值時進(jìn)行相位切換，閾值由 該相位所有關(guān)聯(lián)車道臨界密度計算所得。
[0021] 2、實現(xiàn)該方法的步驟為：
[0022] 1)將多個傳感器安裝于交叉路口各車道的入、口處以及車道最大隊列標(biāo)志位，傳 感器將實時采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至各交叉路口的信號控制機(jī)，信號控制機(jī)根據(jù)采集的信息控 制信號燈的狀態(tài)變化。
[0023] 2)根據(jù)每個車道的路網(wǎng)參數(shù)計算該車道的最大密度P_、臨界擁擠密度Ρ]Μ、最 大流量0_、最大通行時間Τ_、最小通行時間T_:
[0024] P max= L/S
[0025] 式中L為該車道長度與曲率加權(quán)所得參考長度；S為小型汽車平均長度與兩車間 安全距離之和，一般為6. 5m。
[0026] Pjam=imtPmax
[0027] 式中ilnt為該車道與相鄰車道相互作用響應(yīng)系數(shù)，分為沒有相鄰車道，有一條相鄰 車道，有兩條相鄰車道，相鄰車道越多其值越大，取值范圍（〇. 5,1)。
[0028] Qnax= V nax P nax
[0029] 式中V_為該車道所允許通行的最大時速。
[0030] 最小通行時間由最大通行時速決定，最大通行時間由全隊列密度對應(yīng)的時速決 定。
[0031] 3)根據(jù)采集的信息計算動態(tài)的車道密度P、車道流量Q、車道流入流量Qin、車道流 出流量Q。#、車道需求通行時間T:
[0032] P=(Nin-Nout+N)/pnax
[0033] 式中Νιη、分別表示時間步長t內(nèi)進(jìn)入、駛出該車道的車輛數(shù)，N表示上一時間 步長t內(nèi)結(jié)算的車輛數(shù)，左轉(zhuǎn)車道需額外計算掉頭車數(shù)
[0034] 流入、流出流量由道路口兩端傳感器檢測獲取。
[0036]
t為單位時間步長。（C只是表示定值積 分下與t的區(qū)別）
[0037] 4)信號控制機(jī)根據(jù)所得到的動態(tài)參數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)所設(shè)計的相位組合，分配各相位 最大最小周期，在單個時間步長結(jié)算時對當(dāng)前相位狀態(tài)值與閾值進(jìn)行比較，確定是否進(jìn)行 相位切換，若進(jìn)行切換，則與相鄰路口進(jìn)行通信，并計算相鄰路口的相位差。
[0038] 3、為了實現(xiàn)同相位次序車道間的關(guān)聯(lián)作用，從而確定任意相位規(guī)則中的參數(shù)個 數(shù)，現(xiàn)對交叉路口 12個相位的組合進(jìn)行劃分，如下：
[0039] 1)只允許一個通行相位的車道
[0040]



[0047] 其中，f()表示包含該相位的任意允許通行數(shù)的車道，左轉(zhuǎn)+右轉(zhuǎn)組合默認(rèn)為三叉 路口。
[0048] 4、通過對流體力學(xué)規(guī)則的引入，建立交通流平衡過程，利用差分方程等方法最終 得出控制規(guī)則方程的步驟如下：
[0049] 將納維一斯托克斯方程（簡稱N-S方程）的矢量形式表示如下：

[0052]引入交通流動力粘性系數(shù)兵用于表征對于整個交通流中各種車輛的比例系數(shù)（整 個車流以哪一種車輛為主，又輔以哪幾種車輛）、路道狀況（車道數(shù)）、整個交通流中車輛的 車流密度的變化，類比重建交通流的納維一斯托克斯方程如下：
[0054] 車輛流在路口由高密度區(qū)域向低密度區(qū)域轉(zhuǎn)移的特性可以被解釋成為一種以車 輛為單位的兩維"擴(kuò)散"現(xiàn)象，其兩維空間的擴(kuò)散方程為：
[0057] 其中，狀況函數(shù)f(X，y，t)
_.純）其中S(χ，y)為單位脈沖函數(shù)，即
[0058] JJJδ(X，y)dxdy= 1，（ (Xl，yi)為點(diǎn)源所在位置坐標(biāo)），用于表征點(diǎn)源的位置， g(t)為由源流δ(x，y) = 〇,（x，y)辛（Xi，yi)
[0059] 出或由匯流入的量隨時間變化的函數(shù)。擴(kuò)散方程中的源和匯對應(yīng)實際的路口模型 中車輛的流入和流出。
[0060] 對于重建的矢量方程其中四項依次為作用