[发明专利]一种过饱和交通状态干线双向信号协调设计方法与装置

权利要求书

1.一种过饱和交通状态干线双向信号协调设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取过饱和交通状态干线目标路段的几何参数、交通参数、控制参数以及需进行优化时段的交通流量数据；

(2)以干线为建模对象，构建以最大化干线两个方向加权吞吐量为目标的优化模型，通过调节绿灯时长实现干线吞吐量最大化；所述优化模型的约束包含保证本周期到达的车辆可以全部通过的约束、相位差处于临界状态时不存在空放的直行绿灯时长的约束、交通量进出平衡的约束、绿灯时长范围的约束以及绿灯时长的相位约束；

(3)求解以最大化干线两个方向加权吞吐量为目标的优化模型，得到干线各交叉口各相位的绿灯时长；

(4)以干线各交叉口为建模对象，构建以最小化主线直行两个方向加权车均延误为目标的优化模型，通过调节相位差、相位方案来实现车均延误最小化；所述优化模型的约束包含避免溢出约束、避免排队清空后主线车队未到达情况出现的约束、避免主线车队所有车辆均需排队等待并且“多余等待时间”超出额定范围情况出现的约束、保证本周期到达车辆可以全部通过的约束以及相位差与两个方向绿灯启亮时间差关系约束；

(5)求解以最小化主线直行两个方向加权车均延误为目标的优化模型，得到交叉口与其上游交叉口之间相位差和各交叉口的相位方案；

所述步骤(2)中以目标路段第1交叉口至第n交叉口的各相位绿灯时长、第0交叉口正向主线直行相位、支线左转相位绿灯时长以及第n+1交叉口反向主线直行相位、支线左转相位绿灯时长为优化对象，第0交叉口为第1交叉口上游的交叉口，第n+1交叉口为第n交叉口下游的交叉口；优化模型的目标表示为：

其中，δ₁，δ₂分别为吞吐量最大化模型的正向、反向的权重系数；分别为正向驶离第n交叉口、反向驶离第1交叉口的直行车道的单车道交通流率；t_0,n+1为直行通过第n交叉口到达第n+1交叉口交通流的头车与尾车时距，为直行通过第1交叉口到达第0交叉口交通流的头车与尾车时距；

所述步骤(2)中描述保证本周期到达的车辆可以全部通过的约束表示为：

若w_i＝w₁，

若

其中，t_0,i,分别为正向、反向上游交叉口通过直行到达第i交叉口交通流的头车与尾车时距；f_i^s,分别为正向、反向第i交叉口到达车辆的直行比例；n_i,分别为正向、反向第i交叉口的直行车道数；l_i,分别为正向、反向第i交叉口的初始排队长度；g_i,分别为正向、反向第i交叉口主线直行相位绿灯时长；v_c为排队消散状态的车速；w_i,分别为正向、反向第i交叉口的停止波波速；w₁为不存在转向以及车道变换折减时的停止波波速；w₂为启动波波速；

描述相位差处于临界状态时不存在空放的直行绿灯时长的约束表示为：

若i＝0，g_i＝t_0,i+1

若i＝n+1，

其中，i＝0时，g₀为第0交叉口的正向直行相位绿灯时长；i＝n+1时，为第n+1交叉口的反向直行相位绿灯时长；t_0,1为正向上游交叉口通过直行到达第1交叉口交通流的头车与尾车时距，为反向上游交叉口通过直行到达第n交叉口交通流的头车与尾车时距；

描述交通量进出平衡的约束表示为：

其中，分别为正向、反向驶出第i交叉口的交通流率；q_m为饱和流率；

初始排队长度的表达式为：

其中，e_i,分别为第i交叉口正向、反向的初始排队车辆数；h₀为停车状态下的车头间距；g_left,i-1为正向第i-1交叉口支路左转相位绿灯时长，为反向第i+1交叉口支路左转相位绿灯时长，q_left,i-1为正向第i-1交叉口支路左转相位交通流率，为反向第i+1交叉口支路左转相位交通流率；g_right,i-1,q_right,i-1分别为正向第i-1交叉口支路右转相位绿灯时长和交通流率，分别为反向第i+1交叉口支路右转相位绿灯时长和交通流率；q_branch,i,分别为正向、反向通过第i交叉口上游路段的小支路、停车场或路边停车位驶入该交叉口进口道的车辆交通流率；不限制右转车辆通行时，T为周期时长；

所述步骤(4)中优化模型的目标表示为：

其中，delay_i,分别为正向第i交叉口、反向第i-1交叉口的车均延误；β₁,β₂分别为车均延误最小化模型的正向、反向车均权重系数；

所述步骤(4)中的描述避免溢出的约束表示为：

l_max,i≤L_i

其中，l_max,i,分别为正向第i交叉口、反向第i-1交叉口最大排队长度；L_i为第i交叉口与第i-1交叉口间距；

描述避免排队清空后主线车队未到达情况出现的约束表示为：

其中，为正向第i交叉口与其上游第i-1交叉口之间的相位差，反向第i-1交叉口与其上游第i交叉口之间的相位差；v_f为车队稳定行驶速度；l_i为正向第i交叉口的初始排队长度,为反向第i-1交叉口的初始排队长度；v_c为排队消散状态的车速；w₂为启动波波速；l_ts,i为正向驶入第i交叉口的车队速度转换点与第i-1交叉口停止线的距离，为反向驶入第i-1交叉口的车队速度转换点与第i交叉口停止线的距离；

描述避免主线车队所有车辆均需排队等待并且“多余等待时间”超出额定范围情况的出现的约束表示为：

其中，extra为“多余等待时间”，即车队尾车的等待时间；

描述保证本周期到达车辆全部通过的约束表示为：

若w_i＝w₁，

当

其中，t_0,i为正向上游交叉口通过直行到达第i交叉口交通流的头车与尾车时距,为反向上游交叉口通过直行到达第i-1交叉口交通流的头车与尾车时距；f_i^s为正向第i交叉口到达车辆的直行比例；n_i为正向第i交叉口的直行车道数；g_i为正向第i交叉口主线直行相位绿灯时长；为反向第i-1交叉口到达车辆的直行比例；分别为反向第i-1交叉口的直行车道数；为反向第i-1交叉口主线直行相位绿灯时长；w_i,分别为正向、反向第i交叉口的停止波波速；w₁为不存在转向以及车道变换折减时的停止波波速；

相位差与两个方向绿灯启亮时间差关系约束表示为：

其中，Δ_i为第i交叉口正向、反向主线直行相位绿灯启亮的时间差；M为整数；Δ_i,1,Δ_i,2,Δ_i,3,Δ_i,4,Δ_i,5分别对应南北对称、南北搭接、北南搭接、南东北西、南西北东五种相位方案下Δ_i取到的值；

车均延误表达式为：

若

若并且

若

若

若并且

若

其中，h₀为停车状态的车头间距；

最大排队长度的变量表达式为：

若

若并且

若

若

若并且

若