[发明专利]一种多支路环形交叉口自适应式信号控制方法

摘要

本发明涉及城市交通信号控制领域，具体涉及一种多支路环形交叉口的自适应交通信号控制方法，旨在解决现有配时方法难以更好地适应交通流时变特性，不能合理的利用环形交叉口的时空资源的问题。本发明涉及三个模块：信息采集模块、状态预测模块、信号控制模块。三个模块按照控制流程相互配合，循环执行，为多支路环形交叉口进行自适应信号配时。本发明应用于交通控制领域，提供了一种普遍适用于多支路环形交叉口、充分适应交通流时变特性、合理利用环岛时空资源并且能显著提高环形交叉口运行效率的自适应式信号控制方法。

主权项

1.一种多路环形交叉口自适应交通信号控制方法,该方法包括以下步骤：步骤1：在多路环形交叉口各个入口以及环道布设线圈检测器：感应线圈检测器的布设；其中线需要与车道中心线重合，并且需要在多支路环形交叉口的入口处以及相交道路中心线延长线与交叉口内部车道相交的位置进行检测器布设；布设完毕后，定义入口编号用m表示，同时环道内的检测器将内部环道划分为多个路段，路段编号用j表示；步骤2：设置多路环形交叉口的相位相序，采用顺时针轮放式的相位结构；这种车流逆时针绕环行驶、相位显示顺序顺时针更迭的控制方式，可以从空间上减小相位更迭时下一相位驶入环道的车流与上一相位未驶出环道车流的冲突和交织，从而提升环形交叉口的运行效率；步骤3：根据线圈检测器采集的交通流量数据，多支路环形交叉口的信号周期时长按照下式计算：其中：C表示多支路环形交叉口的信号周期时长，单位s；π表示圆周率，无量纲；R表示被控环形交叉口半径，单位m；uα表示车辆绕环行驶的平均速度，单位m/s；Y表示全部关键车流总的交通流量比，无量纲；步骤4：根据线圈检测器采集的环形交叉口入口和环道交通流状态参数，多步预测环形交叉口未来交通状态；步骤4.1：令控制步长k＝1，控制步长即为控制方案更新的次数，控制步长每向前移动一步，交通控制参数更新一次，信号配时方案也相应更新一次；步骤4.2：令采样步长l＝1，采样步长即为采样次数，采样步长每向前移动一步，感应线圈将采集的数据传回控制器一次；步骤4.3：感应线圈检测器采集l步长时环道各个路段交通流参数数据ρj(l)、vj(l)和入口排队参数数据Dm(l)、wm(l)；其中，ρj(l)表示采样步长l内编号为j路段的交通流密度，单位veh/h·km·lane；vj(l)表示采样步长l内编号为j路段的车辆平均速度，单位km/h；Dm(l)表示采样步长l内编号为m的入口的平均交通流需求流量，单位veh/h；wm(l)表示采样步长l内编号为m的入口的排队长度，单位veh；步骤4.4：在预测范围Np内完成环道交通流状态参数ρj的多步预测；环道交通流状态参数ρj的预测如下式：其中：ρj(l+1)表示采样步长l+1内编号为j路段的交通流密度，单位veh/h·km·lane；△T表示预测采样周期，单位s；lj表示路段j的长度，单位km；nj表示路段j的车道数；qin,j(l)表示采样步长l内流入编号为j路段交通流量，单位veh/h，qout,j(l)表示采样步长l内流出编号为j路段交通流量，单位veh/h；qin,j(l)和qout,j(l)按照下式计算：qin(l)＝ρj‑1(l)vj‑1(l)nj‑1qout(l)＝ρj(l)vj(l)nj其中：ρj‑1(l)表示采样步长l内编号为j‑1的路段的交通流密度，单位veh/h·km·lane；vj‑1(l)表示采样步长l内编号为j‑1的路段的交通流平均速度，单位km/h；nj‑1表示路段j‑1的车道数；nj表示路段j的车道数；ρj(l)表示采样步长l内编号为j路段的交通流密度，单位veh/h·km·lane；vj(l)表示采样步长l内编号为j的路段的交通流平均速度，单位km/h；vj(l)可以按照下式预测：—为平均速度松弛项，是表示平均速度和交通流密度相互制约的平衡项，τ为时间扰动参数，其中，V[ρ_j(l)]按照下式计算：其中：ρcr,j表示路段j的临界密度，单位veh/h·km·lane；vf表示环道自由流速度，单位km/h；am表示模型参数，无量纲；步骤4.5：在预测范围Np内完成入口排队状态参数wm的多步预测；入口排队状态参数wm的预测下式：wm(l+1)＝wm(l)+△T(Dm(l)‑qon,m(l))其中：wm(l+1)表示采样步长l+1内编号为m的入口的排队长度，单位veh；wm(l)表示采样步长l内编号为m的入口的排队长度，单位veh；Dm(l)表示环形交叉口入口处的平均交通流需求流量,单位veh/h；qon,m(l)表示采样步长l内编号为m的入口的流入流量，单位veh/h，它取决于环形交叉口入口处排队长度以及入口通行能力的最小值，按照下式计算：其中：Qm表示环形交叉口单个入口处的通行能力，单位veh/h；ρmax,j表示环形交叉口入口对应的下游环道路段的阻塞密度，单位veh/h·km·lane；ρcr,j表示路段j的临界密度，单位veh/h·km·lane；rm(l)表示采样步长为l时环形交叉口入口信号绿信比，rm(l)∈[rmin,1]，无量纲；rmin为入口处的最小绿信比，取值范围为[0.1,0.2]；步骤5：建立最优化目标函数，通过求解得到环形交叉口各个相位显示绿灯信号时长；步骤5.1：建立并求解系统总耗时目标函数TTS(total time spend)，TTS目标函数如下式：其中：Rm表示环形交叉口入口的数量；α和β为权值调整的参数，无特殊要求时均取值为0.5；ρj(k)表示控制步长k内编号为j路段的交通流密度；wm(k)表示控制步长k内编号为m的入口的排队长度；步骤5.2：求解总耗时目标函数最小，得出各个入口的多步最优交通控制参数—最优绿信比r1、r2…rc后，只保留第一步控制参数r1；步骤5.3：判断k控制周期相位m的控制参数rkm是否有赋值，若无赋值，则令rkm＝r1；若有赋值，则只对该值进行反馈调节；步骤5.4：按照步骤5.3得到的环形交叉口各个入口配时的绿信比，计算各个相位的显示绿灯时长如下：gkm＝Crkm其中：gkm表示k控制周期相位m的显示绿灯时长，单位s；C表示多支路环形交叉口的信号周期时长，单位s；rkm表示k控制周期相位m的绿信比，无量纲；步骤6：根据相位搭接规则，协调多路环形交叉口各个入口的绿灯启亮时间；按照步骤5.3计算出的环形交叉口各个入口处的绿信比r_km会出现的情况，也就是会出现搭接相位的情况，所以相应的相位搭接规则模型如下：其中：tkm表示相位m的搭接时间，也就是在上一入口相位结束前tkm时，下一入口的绿灯提前启亮时间；步骤7：判断一个控制周期内采样次数l≤5是否成立，若l≤5成立，则令l＝l+1后返回步骤4.4继续循环本控制周期的反馈调节；若l≤5不成立，则进行步骤8；步骤8：令控制步长k＝k+1后返回步骤4.3进行下一个控制周期的控制参数求解。