基于尾车驶离模型的干线周期分配方法及系统

1.本发明涉及智能交通、信控技术领域，具体涉及一种基于尾车驶离模型的干线周期分配方法及系统。


背景技术：

2.随着城市的发展，城市道路交通量逐年增加，道路拥堵成为常态。特别是对于城市干道而言，交通需求集中，早晚高峰的停车次数及停车延误都非常大，因此研究干线绿波优化方法，提升车辆在城市干线的通行效率具有重要意义。对城市干道信号协调控制进行研究，研究目标通常分成两大类，一类是获取最大的绿波带宽，一类是使干线中行驶车辆的延误最少。在实际应用中最大带宽法具有较好的效果。经典的最大带宽法有数解法、图解法以及maxband模型法等。
3.干线控制是在单点配时的基础上进行的，干线中各交叉口的理想单点配时是不同的。对干线进行协调控制时，首选选取一个统一周期c
p
进行控制。一般选取单点周期的最大值作为c
p
的取值，所以通常干线中各交叉口单点的周期ck≤c
p
。经典算法数解法中，在确定周期后直接对相位差进行计算，并未给出明确的剩余周期分配方法，然而剩余周期的分配影响着绿波相位的时长，进而会影响相位差的计算。干线周期分配不当则会出现下面两种问题。
4.1)如果干线控制前后绿信比不变，则会出现下面情况：当支路的车较少时，实际所需绿灯时间小于最短绿灯时间，非绿波相位会出现空放现象，此时绿波相位达不到理想的绿波效果。
5.2)如果将剩余时间全部分配给绿波相位，则其余相位可能会出现多次排队现象，降低交叉口的服务水平。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提出一种基于尾车驶离模型的干线周期分配方法及系统。
7.实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于尾车驶离模型的干线周期分配方法，包括以下步骤：
8.步骤一，根据交叉口车道流量数据转换成相位流量数据，根据相位流量数据进行交叉口单点配时、交叉口各相位流量区间确定。
9.步骤二，确定干线控制公共周期。
10.步骤三，通过分析交叉口排队车辆的尾车驶离特性，建立相位流量与相位所需绿灯时长之间的模型，即尾车驶离模型。根据所建立的尾车驶离模型，计算各相位流量区间上下限所对应的绿灯时长。
11.步骤四，通过设计完整的控制流程来控制干线周期时间的分配，分配过程遵循“保证非绿波相位的通行能力的基础上尽量为绿波相位提供较高的服务水平”的原则。
12.进一步的，步骤一，根据交叉口车道流量数据转换成相位流量数据，根据相位流量
数据进行交叉口单点配时、交叉口各相位流量区间确定，具体方法为：
13.1)将交叉口的车道流量数据转换成相位流量数据
14.采集每5分钟的交叉口车道流量作为车道流量数据，并将车道流量数据处理成相位流量数据，如下式所示：
15.qi＝max{qj},j∈li16.其中qi表示第i相位的相位流量，qj表示第j条车道的车道流量，li表示第i相位所包含车道的集合；
17.2)交叉口单点配时
18.采用webster算法进行交叉口单点配时，得到干线中各交叉口的周期和各相位绿信比数据；
19.3)交叉口各相位的相位流量区间确定
20.使用相位流量的标准差s作为区间半径，样本均值为相位流量区间下限，由此到第i个交叉口第i相位的相位流量区间
21.进一步的，步骤二，确定干线控制公共周期c
p
，具体方法为：
22.干线控制公共周期c
p
为各交叉口单点配时所得最大周期与数解法计算所得周期间的两者最大值。
23.进一步的，步骤三，分析交叉口排队车辆的尾车驶离特性，建立相位流量与相位所需绿灯时长之间的模型，即尾车驶离模型，根据所建立的尾车驶离模型，计算各相位流量区间上下限所对应的绿灯时长，具体方法为：
24.计算出各相位红灯末期对应排队车辆的长度；
25.n＝c
p
*r
26.其中n表示各相位红灯末期对应排队车辆的长度；r表示单车道车辆到达率，由相位流量数据确定，单位为veh/s；c
p
表示干线控制公共周期；
27.计算各相位的绿灯时长，具体方法为：
28.a)只控制直行车道的直行相位
29.计算清空直行车道排队车辆所需的时间：
[0030][0031]
其中tg表示清空直行车道排队车辆所需的时间，l0表示排队车辆平均车间距，a表示直行车辆的平均加速度，v
max
表示车辆的最大速度，t0表示直行相位车辆的启动间隔时间，q表示引入饱和度，ξ表示直行相位的车辆启动影响因子；
[0032]
确定直行相位的最短绿灯时间：
[0033]gmin
＝3*n
l
[0034]
其中g
min
表示直行相位最短绿灯时间，n
l
表示路段车道数；
[0035]
最终确定直行相位的绿灯时长：
[0036]gs
＝max{tg，g
min
)
[0037]
其中gs表示直行相位的绿灯时长；
[0038]
b)含有左转待转区的左转相位
[0039]
确定含有左转待转区的左转相位最短绿灯时长：
[0040][0041]
其中g
′
min
表示含有左转待转区的左转相位最短绿灯时长，α表示左转待转区域可容纳车辆数；
[0042]
计算清空左转车道排队车辆所需时间：
[0043][0044]
其中t
′g表示清空左转车道排队车辆所需时间；ξ
‘
表示含有左转待转区左转相位的车辆启动影响因子；t'0表示含有左转待转区左转相位车辆的启动间隔时间，与直行相位的t0一致；a'表示左转车辆的平均加速度；
[0045]
最终确定含有左转待转区相位的绿灯时长：
[0046]gl
＝max{t
′g，g
′
min
}
[0047]
其中g
l
表示含有左转待转区相位的绿灯时长；
[0048]
c)不含左转待转区的左转相位
[0049]
确定不含左转待转区的左转相位相位的绿灯时长：
[0050][0051][0052]g′
l
＝max{t
″g，g
″
min
}
[0053]
其中l表示对应路段的宽度；g'
l
表示普通左转相位相位绿灯时间，g”min
表示普通左转相位的最短绿灯时长；t
″g表示清空含左转待转区左转车道排队车辆所需的时间；ξ”表示普通左转相位的车辆启动影响因子；t
″0表示含有左转待转区左转相位车辆的启动间隔时间，与直行相位的t0一致；
[0054]
d)右转相位
[0055]
确定右转相位的绿灯时长，采用不含左转待转区的左转相位模型c)；
[0056]
e)含有直行左转或直行右转混合车道的直行相位
[0057]
确定含有直行左转或直行右转混合车道的直行相位的绿灯时长，采用只控制直行
车道的直行相位模型a)；
[0058]
f)混合放行相位
[0059]
混合放行相位需要控制四类车道中两类及其以上类型车道的放行，所述四类车道中第一类包括直行车道、直行左转混合车道、直行右转混合车道、直行左转右转混合车道；第二类包括不含左转待转区的左转车道、左转右转混合车道、左转掉头车道；第三类只包括含左转待转区的左转车道；第四类只包括右转车道，确定混合放行相位的绿灯时长，首先根据车道的类型将不同类型的车道划分成不同的子相位，再对不同的子相位根据所对应的模型计算所需绿灯时长，最终相位绿灯时长取子相位绿灯时长的最大值；
[0060]
根据第k交叉口第i相位的相位流量区间上下限和计算对应的单车道车辆到达率r，即得到k交叉口i相位的最大绿灯时长和最小绿灯时长
[0061]
进一步的，步骤四，遵循“保证非绿波相位的通行能力的基础上尽量为绿波相位提供较高的服务水平”的原则，控制干线周期时间的分配，其中第k交叉口的相位数记为n，i＝0表示绿波相位，i＝1,
…
,n-1表示其余相位，具体方法为：
[0062]
步骤4.1，如果时，非绿波相位i的绿灯时长绿波相位绿灯时长结束；否则执行步骤4.2；
[0063]
步骤4.2，如果时，绿波相位的绿灯时长时，绿波相位的绿灯时长非绿波相位i绿灯时长结束；否则执行步骤4.3；
[0064]
步骤4.3，如果时，非绿波相位i的绿灯时长绿波相位绿灯时长结束；否则执行步骤步骤4.4；
[0065]
步骤4.4，如果c
p
《180s时，c
p
＝c
p
+δc，返回执行步骤三；否则，+δc，返回执行步骤三；否则，结束。
[0066]
一种基于尾车驶离模型的干线周期分配系统，基于所述的基于尾车驶离模型的干线周期分配方法，实现基于尾车驶离模型的干线周期分配。
[0067]
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，基于所述的基于尾车驶离模型的干线周期分配方法，实现基于尾车驶离模型的干线周期分配。
[0068]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，基于所述的基于尾车驶离模型的干线周期分配方法，实现基于尾车驶离模型的干线周期分配。
[0069]
本发明与现有技术相比，其显著优点为：建立的尾车驶离模型，可根据相位流量区间得到某一周期下各相位所需要的绿灯时长区间，然后通过周期分配算法来确定各相位的绿灯时长，在能满足非绿波相位通行能力的同时，又能对绿波相位有较好地优化效果。
附图说明
[0070]
图1为本发明基于尾车驶离模型的干线周期分配方法的流程图。
[0071]
图2为尾车驶离模型的示意图。
[0072]
图3为本发明实施例路口一天车流量的数据变化图。
[0073]
图4为相位车流量数据的流量区间。
[0074]
图5为本发明方法与经典绿信比不变方法，绿波方向车辆平均停车次数及旅程时间的对比图。
[0075]
图6为本发明方法与经典绿信比不变方法，绿波方向路网平均每5分钟停车数的对比图。
具体实施方式
[0076]
为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
[0077]
一种基于尾车驶离模型的干线周期分配方法，主要流程图如图1，具体实施包括如下步骤：
[0078]
步骤一，将交叉口的车道流量数据转换成相位流量数据，根据相位流量数据进行交叉口单点配时、交叉口各相位流量区间确定；
[0079]
1)将交叉口的车道流量数据转换成相位流量数据
[0080]
采集每5分钟的交叉口车道流量作为车道流量数据，并将车道流量数据处理成相位流量数据，如下式所示：
[0081]
q＝max{qj}，j∈li[0082]
其中qi表示第i相位的相位流量，qj表示第j条车道的车道流量，li表示第i相位所包含车道的集合。
[0083]
2)交叉口单点配时
[0084]
采用webster算法或其它经典算法，进行交叉口单点配时，从而得到干线中各单交叉口的周期、各相位绿信比数据。黄灯时长固定为ty＝3秒。
[0085]
3)交叉口各相位的相位流量区间确定
[0086]
将某一时段中i相位5分钟相位流量数据表示为xi，由于每5分钟的相位流量数据具有随机性，根据大数定理可以得知，当相互独立样本点的数量超过30时，样本的均值就会服从正态分布其中μ、σ2分别为期望均值和期望方差。根据正态分布的概率分布函数可知，以均值为中心标准差为半径的区间数据量占数据总量的68.2％。又由于流量点具有异常值，因此使用相位流量的标准差s作为区间半径，样本均值为相位流量区间下限，由此可得到交叉口第i相位的相位流量区间
[0087]
步骤二：确定干线控制公共周期c
p
；
[0088]
公共周期c
p
为各交叉口单点配时所得最大周期与数解法计算所得周期间的两者最大值。
[0089]
步骤三：分析交叉口排队车辆的尾车驶离特性，建立相位流量与相位所需绿灯时
长之间的模型，即尾车驶离模型，根据所建立的尾车驶离模型，计算各相位流量区间上下限所对应的绿灯时长；
[0090]
尾车驶离模型建立了不同排队长度与所需绿灯时长之间的对应关系，通过分析尾车的启动延误特性及驶离交叉口时的速度特性来得出绿灯起亮后尾车驶离交叉口所需的时间，此时间与理想的绿灯时长相对应。尾车驶离模型如图2所示。
[0091]
在各相位的红灯末期，对应车道上会形成排队车辆，根据相位流量数据和确定好的干线控制公共周期c
p
可以计算出各相位红灯末期对应排队车辆的长度n，n＝c
p
*r，其中r为单车道车辆到达率，由相位流量数据确定，单位为veh/s。此公式是假设车辆在经过交叉口时均由排队等待状态到驶离状态。
[0092]
a)对于只控制直行车道的直行相位，在绿灯初期，排队车辆的启动波会由首车经历启动延误后传播至尾车，此时尾车在绿灯起亮后的启动时间可以表示为：
[0093]
ta＝(t1+t2)*(n-1)＝t0(n-1)
[0094]
其中t1表示驾驶员看到前一辆车启动后的反应时间，t2表示驾驶员从操作到车辆启动需要的时间，ta表示由绿灯起亮到尾车启动所需的时间。实际上，排队车辆的首车会在红灯末期就启动车辆，这样在绿灯启亮时就能通过停车线。而在车队中间的车辆会在前车启动后才会启动，此过程包括驾驶员的反应时间及启动时间，模型中将这两种时间综合表示为车辆启动损失t0。在车辆启动后，假设车辆的平均加速度为a，并且在达到最大速度v
max
时车辆保持匀速运动。
[0095]
排队车辆的长度s可表示为：
[0096]
s＝n(l1+l2)＝n*l0[0097]
其中l0表示排队车辆平均车间距，一般取值为5-7m；l1表示车辆的平均长度，单位米；l2表示排队车辆中后车头与前车尾之间的距离，单位米。可以根据车辆的排队长度s计算出不同位置的车辆从启动到驶离交叉口所需要的时间t：
[0098][0099]
当时：
[0100][0101]
当时：
[0102][0103]
将所得时间t加上从绿灯起亮到尾车启动所需的时间ta，即是不同排队长度所需的绿灯时间。
[0104]
通常为了配时方案具有一定的稳定性，绿灯时长要有一定的饱和度q，q的取值一
般为0.9，并且行人等因素对车辆启动的影响也应被考虑在内，因此引入饱和度q及车辆启动影响因子ξ得到清空直行车道排队车辆所需的时间tg：
[0105][0106]
为了避免在车辆较少时段算出的直行相位绿灯时长过短而满足不了行人过街的问题，本发明根据路口实际情况为直行相位确定一个最短绿灯时间。
[0107]gmin
＝3*n
l
[0108]
其中g
min
表示直行相位最短绿灯时间，n
l
表示路段车道数。最终确定直行相位的绿灯时长为下式所示：
[0109]gs
＝max(tg，g
min
}
[0110]
b)对于含有左转待转区的左转相位，一般左转待转区可容纳1-3辆车，因此在计算绿灯时长时需要考虑左转待转区的作用。
[0111]
首先规定含有左转待转区左转相位的最短绿灯时间为清空左转待转区内车辆的时间，由于在绿灯起亮时启动延误的影响主要在头4辆车，因此最短绿灯时长g
′
min
可用下面公式计算：
[0112][0113]
其中α表示左转待转区域可容纳车辆数，根据a)中的推导方式得到清空左转车道排队车辆所需时间t
′g：
[0114][0115]
其中ξ
‘
表示含有左转待转区左转相位的车辆启动影响因子；t'0表示含有左转待转区左转相位车辆的启动间隔时间，与直行相位的t0一致；a'表示左转车辆的加速度。
[0116]
最终确定含有左转待转区相位的绿灯时长g
l
为：
[0117]gl
＝max{t
′g，g
′
min
}
[0118]
c)对于不含有左转待转区的左转相位，按照a)中的推导方式，相位绿灯时间g'
l
按下面方法确定：
[0119]
[0120][0121]g′
l
＝max(t
″g，g
″
min
}
[0122]
其中l表示对应路段的宽度；g”min
表示普通左转相位的最短绿灯时长；t
″g表示清空含左转待转区左转车道排队车辆所需的时间；ξ”表示普通左转相位的车辆启动影响因子；t
″0表示含有左转待转区左转相位车辆的启动间隔时间，与直行相位的t0一致。
[0123]
d)右转相位
[0124]
当交叉口需要单独控制右转车辆时，采用不含左转待转区的左转相位模型c)；
[0125]
e)含有直行左转或直行右转混合车道的直行相位
[0126]
当直行相位含有直行左转或直行右转混合车道时，采用只控制直行车道的直行相位模型a)；
[0127]
f)混合放行相位
[0128]
首先将车道分成四类，第一类包括直行车道、直行左转混合车道、直行右转混合车道、直行左转右转混合车道；第二类包括不含左转待转区的左转车道、左转右转混合车道、左转掉头车道；第三类只包括含左转待转区的左转车道；第四类只包括右转车道。当相位需要对上述四类车道中两类及其以上类型车道的放行进行控制时，首先可根据车道的类型将不同类型的车道划分成不同的子相位，例如当相位中既含有第一类的车道又含有第二类的车道时，将第一类的车道划分为一个子相位，同理将第二类的车道也划分为一个子相位。再对不同的子相位根据所对应的模型计算所需绿灯时长，第一类车道所属子相位对应模型a)，第二类和第四类车道所属子相位对应模型c)，第三类车道所属子相位对应模型b)。最终相位绿灯时长取子相位绿灯时长的最大值；
[0129]
由于步骤一中的相位流量数据为每5分钟的相位流量数据，因此通过k交叉口i相位的相位流量区间上限所对应的单车道车辆到达率得到k交叉口i相位的最大绿灯时长同理，通过得到k交叉口i相位的最小绿灯时长
[0130]
步骤四，遵循“保证非绿波相位的通行能力的基础上尽量为绿波相位提供较高的服务水平”的原则，控制干线周期时间的分配。其中第k交叉口的相位数记为n，i＝0表示绿波相位，i＝1,
…
,n-1表示其余相位。
[0131]
步骤4.1，如果时，非绿波相位i的绿灯时长绿波相位绿灯时长结束；否则执行步骤4.2；
[0132]
步骤4.2，如果时，绿波相位的绿灯时长时，绿波相位的绿灯时长非绿波相位i绿灯时长结束；否则执行步骤4.3；
[0133]
步骤4.3，如果时，非绿波相位i的绿灯时长绿
波相位绿灯时长结束；否则执行步骤步骤4.4；
[0134]
步骤4.4，如果c
p
《180s时，c
p
＝c
p
+δc，返回执行步骤三；否则，+δc，返回执行步骤三；否则，结束。
[0135]
本发明还提出一种基于尾车驶离模型的干线周期分配系统，基于所述的基于尾车驶离模型的干线周期分配方法，实现基于尾车驶离模型的干线周期分配。
[0136]
一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，基于所述的基于尾车驶离模型的干线周期分配方法，实现基于尾车驶离模型的干线周期分配。
[0137]
一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，基于所述的基于尾车驶离模型的干线周期分配方法，实现基于尾车驶离模型的干线周期分配。
[0138]
实施例
[0139]
为了验证本发明方案的有效性，以10：00-15：00某干线为例进行仿真实验。
[0140]
本实施例中，该干线有9个交叉口a-i，绿波相位为东西直行，采用各路口每5分钟卡口数据进行仿真。路口间距(米)分别为：318，205，173，171，311，522，409，233。干线交叉口的数据为车道每5分钟的流量数据，以干线中g路口的车道流量数据的处理进行展示，如图3所示。
[0141]
将车道流量数据处理成相位流量数据，相位采用传统的四相位，并根据相位流量数据确定各相位的相位流量区间，如图4。
[0142]
根据webster单点配时算法进行单点配时，单点配时中的最大周期为98s。经数解法计算所得公共周期为68s，最终公共周期确定为98s。分别采用本发明方法、数解法前后绿信比不变的方法两种方法来分配各单点多余周期时长，为了方便表述分别将上述2种方法表述成方案1和方案2，绿波相位分配结果如表：
[0143]
表1各路口绿波协调相位的绿灯时长(s)
[0144][0145]
获取到相应绿灯时间后，利用数解法计算三种配时方案所对应的绝对相位差，具体结果如下：
[0146]
表2各路口相位差
[0147][0148][0149]
两种方案，沿干线绿波方向行驶车辆的平均停车次数及平均行程时间如图5所示。两种方案，东西与南北方向每5分钟平均停车数对比图如图6所示。
[0150]
根据整体指标分析，沿干线绿波方向行驶车辆的平均行程时间由539.01秒减少到446.65秒，优化了17.14％；平均停车次数由原来的7.54次减少到5.67次，优化了24.8％。此结果说明本发明方法对优化干线绿波效果有着很好的作用。
[0151]
根据每五分钟主次方向平均停车数量指标可以看出，与较传统方法相比，虽然在非绿波方向上的平均停车数量有少量的增加，但本发明方法对于优化绿波方向停车数量有着很好的效果。此结果说明，本发明方法实现了在保证干线非绿波相位的车辆通行需求的同时，也可使绿波方向达到最优效果的目的。
[0152]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0153]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。