一种城市道路交叉口信号切换控制方法与流程

本发明属于城市道路交叉口信号控制领域，具体涉及一种用于道路交叉口不同可控状态下下方案的切换，为一种城市道路交叉口信号切换控制方法。

背景技术：

随着汽车保有量的持续增加，城市道路拥堵状况日趋严重。而道路交叉口作为城市交通转运和安全通行的重要组成部分，承担着重要的支撑作用。而城市道路交通天然具有的宏观规律性和微观波动性、随机性的特点，使交叉口信号控制变得复杂并难以生效。尤其是在对微观波动性、随机性的适应上更是困难重重。因此，以适应交通流微观特性为核心设计交叉口信号控制方法，对于缓解城市道路交通拥堵、保持路网交通流稳定、保障行车安全有着非常重要意义。

技术实现要素：

针对当前城市道路交叉口信号控制方法在判别指标和策略适应性上存在的不足，本文利用切换控制的思想，根据交叉口可控状态分别设计控制方法，并设定可控状态切换指标，能够有效适应交通流的微观特性，实施精准控制。具体采用如下技术方案：该方法包括如下步骤

步骤一：建立有向图y＝{z,e}表示控制方法的切换，其中：z为控制方法的集合；

e＝{r<0:zi,zj∈y}为控制方法变迁的集合；

建立不同控制状态下的控制策略：

z＝{z1,z2}

式中：z1为可控状态下交叉口信号控制策略，z2为不可控状态下交叉口信号控制策略；

交叉口信号的切换过程为：在初始时刻t0，具有固定控制相序的交叉口，初始排队为xoi，控制策略为z1，在切换条件r<0发生之前，遵循可控状态下的交叉口信号控制策略z1；在t1时刻，切换条件r<0发生，控制策略变迁为z2，此后遵循不可控状态下的交叉口信号控制策略z2；

步骤二：通过判断交叉口的可控性来切换交叉口信号，具体切换规则如下：

(1)对交叉口交通状态进行判断，如果交叉口处于欠饱和状态，则采用可控状态下的交叉口信号控制策略z1；如果交叉口处于过饱和状态，则继续判断交叉口的控制状态；

(2)对交叉口的控制状态进行判断，如果交叉口处于可控状态，则交叉口采用z1；如果交叉口处于不可控状态，则将当前运行周期设置为过渡周期，并判断过渡周期是否结束，当过渡周期结束，则采用z2；

(3)对于交叉口信号控制状态的判别，一个运行周期内只进行一次判断。

优选地，

(1)所述可控状态下的交叉口信号控制策略z1，具体为：

1)设交叉口的控制相位个数为n，相位1首先获得通行权，相序为1→2...→n→1|n≥2；

2)当相位i获得通行权,且其内车流被清空xi(k)＝0,相位切换到下一相位i+1,i＝1,…,n-1|n≥2；当相位n获得通行权,且其内车流被清空xn(k)＝0,相位重新切换到相位1；

3)当相位i获得通行权，其有效绿灯满足：

如果

则有

4)当相位i切换到相位i+1时,相位损失时间为li(i+1)>0,i＝1,…,n-1|n≥2；当相位n切换到相位1时,相位损失时间为ln1；

(2)所述不可控状态下的交叉口信号控制策略z2，具体为：

1)处于不可控状态下的交叉口主要参数有如下关系：

因此有：令：则有：

设在第k周期各相位均有初始排队xio(k)，则交叉口第k周期内总排队为：

2)采用遗传算法进行优化

a)相位1首先获得通行权,相序为1→2...→n→1|n≥2(任意固定相序均可)；

b)将周期内交叉口各相位总排队车辆数最小设置为目标函数

且满足约束条件：

c)设置适应度函数为：

d)设计包括种群规模，交叉概率，变异概率，优化代数；

其中，qi(k)为k周期内相位i车辆到达流率，ui(k)为k周期内相位i车辆离开率，qm为最大流量，vm为达到最大流量时的速度，km为达到最大流量时的密度，kj为阻塞密度，si为相位i的饱和流率，xi(k)为k周期内相位i形成的排队的车辆数，xio(k)为k周期内相位i的初始排队的车辆，δxi为相位i的剩余排队长度，为标准车辆占用的空间长度，为ri结束时排队长度增加的值，为gi结束时排队长度缩短的值，qi(k)为k周期内相位i的通行能力，pi(k)为k周期内相位i的单位时间内放行的车辆，gi为相位i的绿灯时间，gci为采用webster计算的初始相位绿灯时间，gi(k)为k周期内相位i获得的绿灯时间，li(i+1)为相位i和相位i+1之间的过渡时间。

本发明具有如下有益的技术效果：

(1)切换控制方法充分考虑到利用饱和度判别交叉口交通状态做控制方法切换存在的不足，因此将可控状态作为切换判别条件，可保证不同控制方法对交通状态的适应性和切换的准确性，并可保证交叉口运行的稳定性；

(2)针对可控状态设计的清空策略能够保障交叉口信号的快速转换，提高运转效率；针对不可控状态设计的以交叉口各相位总排队车辆数最小设置为目标函数的控制方法，能够保证交叉口各方向的交通流均衡，不易造成回溯和溢出。

附图说明

图1是切换过程示意图。

图2是切换控制流程图。

图3是某交叉口流量分布图。

图4是不同控制方法下的交叉口排队状态图。

具体实施方式

在图1中，切换控制方法的切换条件由可控状态指标r确定，当r<0时，交叉口处于可控状态，此时采用可控状态控制方法；当r>0时，交叉口处于不可控状态，此时采用不可控状态控制方法。

在图2中，具体的控制逻辑给出，首先交叉口信号控制是判断交叉口是否过饱和，如果判别结果为否，则判定为欠饱和，控制进入可控过渡周期，并判断过渡周期是否结束，如果结束则实施可控状态的控制方法；如果交叉口判别为过饱和，需要进一步判断交叉口是否在可控状态，如果判别结果为是，则判定为状态可控，控制进入可控过渡周期，并判断过渡周期是否结束，如果结束则实施可控状态的控制方法；如果交叉口判定为不可控，控制进入不可控过渡周期，并判断过渡周期是否结束，如果结束则实施不可控状态的控制方法。

在图3和图4中，选取了某交叉作为实例进行分析，交叉口存在初始排队，在开始阶段由于交叉口处于“可控”状态，各相位排队长度逐渐减小直到稳定，在一段时间后由于各相位的流量增加，交叉口从“可控”转向“不可控”，此时相位排队逐渐增加，此后交叉口重复出现前述过程。从图中可以看出，当交叉口处于“可控状态”时，各种控制方法均能进行有效控制，当交叉口信号切换至“不可控撞他”时，本文所提切换控制能够使得交叉口各相位的排队总和达到最小，从而使得交叉口在“不可控状态”下得到有效控制。同时，交叉口在不同状态下转换过程中，其中切换控制能使各相位的排队变化幅度最小，避免出现排队大幅震荡的现象。

本发明的城市道路交叉口信号切换控制方法，该方法利用可控状态指标判断交叉口运行状态，并针对不同的可控制状态设计可控状态控制和不可控状态控制，并利用切换控制思想设计切换控制。不同控制状态下的控制方法是交叉口正常运行、防治拥堵的保证。交叉口信号切换控制是指多相位控制交叉口在不同控制状态下控制方法的切换。包括如下步骤：

步骤一：根据切换系统理论，控制方法的切换可以用有向图y＝{z,e}来表示，其中：z为控制方法的集合；e＝{r<0:zi,zj∈y}为控制方法变迁(离散事件)的集合，r<0表示使控制方法mi变迁到mj的条件。

根据交叉口可控性可知，不同控制状态下的控制方法分为：

z＝{z1,z2}(1)

式中：z1为可控状态下交叉口信号控制策略，z2为不可控状态下交叉口信号控制策略。

交叉口信号控制方法的切换过程描述如下：在初始时刻t0，具有固定控制相序的交叉口，初始排队为xoi，控制方法为z1，在切换条件r<0发生之前，遵循“可控状态”下的交叉口信号控制方法z1；在t1时刻，切换条件r<0发生，控制方法变迁为z2，即切换条件r<0的发生导致控制方法从z1变迁为z2，此后交叉口将遵循“不可控状态”下的交叉口信号控制方法z2，并且该切换过程随着切换条件的变化而动态变化。

步骤二：叉口控制方法的切换规则采用逻辑判断的方法，通过判断交叉口的可控性来决定交叉口应该处于哪种控制方法。具体切换规则如下：

(1)对交叉口交通状态进行判断，如果交叉口处于欠饱和状态，则交叉口采用“可控状态”下的控制方法；如果交叉口处于过饱和状态，则继续判断交叉口的控制状态；

(2)对交叉口的控制状态进行判断，如果交叉口处于“可控状态”，即r>0，则交叉口采用“可控状态”下的控制方法；如果交叉口处于“不可控状态”，即r<0，则将当前运行周期设置为过渡周期，并判断过渡周期是否结束。当过渡周期结束，则采用“不可控状态”下的控制方法；

(3)对于交叉口信号控制状态的判别，一个运行周期内只进行一次判断。

步骤三：针对上述所设计切换控制中的“可控状态”，采用如下控制方法：

step1:当交叉口处于可控状态时可采用该控制方法，其中交叉口处于可控状态是采用本控制方法的充分必要条件；

step2:设交叉口的控制相位个数为n，相位1首先获得通行权，相序为1→2...→n→1|n≥2(任意固定相序均可)；

step3:当相位i获得通行权,且其内车流被清空xi(k)＝0,相位切换到下一相位i+1,i＝1,…,n-1|n≥2；当相位n获得通行权,且其内车流被清空xn(k)＝0,相位重新切换到相位1；

step4:当相位i获得通行权，其有效绿灯满足：

如果

则有

step5:当相位i切换到相位i+1时,相位损失时间为li(i+1)>0,i＝1,…,n-1|n≥2；当相位n切换到相位1时,相位损失时间为ln1.

步骤四：针对上述切换控制模型中的“不可控状态”，采用如下控制方法：

setp1:当交叉口处于不可控状态时可采用该控制方法，其中交叉口处于不可控状态是采用本控制方法的充分必要条件；

setp2:处于不可控状态下的交叉口主要参数有如下关系：

由式(13)和(14)得：

qi(k)＝pi(k)(5)

即变换得：

因此有：令：则有：

设在第k周期各相位均有初始排队xio(k)，则交叉口第k周期内总排队为：

setp3:采用遗传算法进行优化

a)相位1首先获得通行权,相序为1→2...→n→1|n≥2(任意固定相序均可)；

b)将周期内交叉口各相位总排队车辆数最小设置为目标函数

且(9)式满足约束条件：

c)设置适应度函数为：

d)设计包括种群规模，交叉概率，变异概率，优化代数等。

符号说明：