一种定向车道与多车道合流组合优化控制方法及系统与流程

1.本发明属于智能信号控制技术领域，具体地，涉及一种定向车道与多车道合流组合优化控制方法及系统。


背景技术：

2.随着我国社会经济的快速发展，城市规模日益扩大，城市交通拥堵问题日益突显，如部分城市车辆行经干线路段的短距离合流分流区域时，车辆变道交织严重影响路段的通行效率，造成道路大面积瘫痪。为了缓解城市交通拥堵，进一步增加有多车道汇入和分流情况路段的通行效率，改善拥堵现状和交通秩序，减轻交通压力，提高道路通行能力，部分城市通过新设“定向车道”(指根据道路预设方向到达的不同地点，指定某车道仅供驶向规定地点、规定方向的车辆使用，驶向其余地点方向的车辆不得驶入的专用车道)提高道路通行效率。
3.定向车道作为一条畅通、快捷的绿色通道，在高峰时期保证了定向车辆优先，减少了合流分流交织区的车辆变道交织，提升了通行效率。但是，定向车道的存在也减少了合流分流交织区主线方向(以定向车道方向为主线方向)的非定向车辆的道路空间。当合流分流交织区汇入主线方向的交通流大于了主线方向剩余非定向车道的通行能力时将产生拥堵。若此时定向车道交通流较小，更会造成道路资源的浪费，导致定向车道通行能力过剩，而合流分流交织区却处于饱和或过饱和状态。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的是提供一种定向车道与多车道合流组合优化控制方法及系统，解决了现有技术中多车道合流分流交织区主线方向(即定向车道方向)上相邻非定向车道通行能力不足而定向车道的剩余通行能力利用不充分的问题。
5.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
6.本发明披露了一种定向车道与多车道合流组合优化控制方法，包括：
7.利用地磁检测器按周期t检测合流分流交织区进口处主线方向上每个定向车道的流量进口处每个非定向车道的流量出口处主线方向上每个定向车道的流量和出口处主线方向上每个非定向车道的流量出口处非主线方向上每个车道的流量
8.利用视频检测器实时检测合流分流交织区交通流的速度v和密度k；
9.根据所述进口处主线方向上每个定向车道的流量和所述出口处主线方向上每个非定向车道的流量确定进口处主线方向上定向车道的平均饱和度ρd和出口处主线方向上非定向车道的平均饱和度ρ
l
；
10.根据所述进口处主线方向上每个定向车道的流量确定每个定向车道的到达率
11.当满足定向车道控制的启动条件时，启动定向车道控制，并确定定向车道控制方案的信号周期t和定向车道绿灯时长g，在定向车道绿灯时间允许定向车道的车辆通行，在定向车道红灯时间不允许定向车道的车辆通行，但允许非定向车道的车辆驶入定向车道，所述启动条件用公式表示为：
[0012][0013]
当满足定向车道控制的结束条件时，结束定向车道控制，所述结束条件用公式表示为：
[0014][0015]
or
[0016]
ρd≥ρm，
[0017]
其中，i表示定向车道序号，j表示入口处非定向车道序号，f表示出口处非主线方向上的车道序号，vm表示交通量最大时的车速，km表示交通量最大时的密度，ρm表示交通量最大时的饱和度，sj表示出口处主线方向上第j条非定向车道的饱和流率，n表示出口处主线方向上非定向车道总数；n表示入口处非定向车道总数，f表示出口处非主线方向上的车道序号，f表示出口处非主线方向的车道总数。
[0018]
本发明还披露了一种定向车道与多车道合流组合优化控制系统，其特征在于，包括：多车道合流分流交织区内的定向车道虚实线、地磁检测器、视频检测器和交通控制信号灯，其中，
[0019]
所述定向车道虚实线包括左侧实线和右侧虚线，
[0020]
所述地磁检测器用于按照周期t检测所述多车道合流分流交织区进口处主线方向上每个定向车道的流量进口处每个非定向车道的流量出口处主线方向上每个定向车道的流量和出口处主线方向上每个非定向车道的流量出口处非主线方向上每个车道的流量
[0021]
所述视频检测器用于实时检测合流分流交织区交通流的速度v和密度k，
[0022]
所述交通控制信号灯包括信号机和车道控制信号灯，其中，所述信号机包括：
[0023]
交通数据处理模块，用于根据所述进口处主线方向上每个定向车道的流量和所述出口处主线方向上每个非定向车道的流量确定进口处主线方向上定向车道的平均饱和度ρd和出口处主线方向上非定向车道的平均饱和度ρ
l
，并根据所述进口处每个定向车道的流量确定每个定向车道的到达率
[0024]
定向车道控制判断模块，用于判断是否启动定向车道控制，其中，当满足定向车道控制的启动条件时，启动定向车道控制，所述启动条件用公式表示为；
[0025][0026]
当满足定向车道控制的结束条件时，结束定向车道控制，所述结束条件用公式表示为：
[0027][0028]
or
[0029]
ρd≥ρm，
[0030]
信号配时方案计算模块，用于确定定向车道控制方案的信号周期t和定向车道绿灯时长g，在定向车道绿灯时间允许定向车道的车辆通行，在定向车道红灯时间不允许定向车道的车辆通行，但允许非定向车道的车辆驶入定向车道，
[0031]
其中，i表示定向车道序号，j表示入口处非定向车道序号，f表示出口处非主线方向上的车道序号，vm表示交通量最大时的车速，km表示交通量最大时的密度，ρm表示交通量最大时的饱和度，sj表示出口处主线方向上第j条非定向车道的饱和流率，n表示出口处主线方向上非定向车道总数；n表示入口处非定向车道总数，f表示出口处非主线方向上的车道序号，f表示出口处非主线方向的车道总数。
[0032]
进一步地，确定每个定向车道的到达率用公式表示为：
[0033]
进一步地，确定进口处主线方向上定向车道的平均饱和度ρd和出口处主线方向上非定向车道的平均饱和度ρ
l
用公式表示为：
[0034][0035][0036]
其中，m表示主线方向上定向车道总数，表示第i条定向车道的饱和流率。
[0037]
进一步地，定向车道控制方案的信号周期t和定向车道绿灯时长g根据如下多目标优化模型确定：
[0038]
[0039][0040]
其中，minf表示以定向车道延误最小和主线出口通行能力最大为目标的目标函数，dd表示定向车道延误，c
out
表示非定向车道汇入主线方向车辆对应的出口道通行能力，sd表示定向车道平均单车道饱和流率，s
out
表示出口处主线方向上非定向车道平均单车道饱和流率，λd定向车道平均到达率，r表示定向车道红灯时长，sdg≥λdt表示每个周期内定向车道的排队车辆必须保证都能在绿灯时间得到完全消散。
[0041]
本发明的有益效果是：
[0042]
在本技术中，通过地磁检测器检测各车道内的车辆到达情况，通过视频检测器检测交织区交通状态，并通过信号机计算交通参数、判断定向车道控制是否启用、并以定向车道延误最小和出口处主线方向车道通行能力最大为目标，以定向车道车流能得到充分消散为约束条件，优化定向车道绿灯时间和周期时长，并按照计算好的绿灯时间控制定向车道信号灯。本发明针对合流分流交织区定向车道车流量较小，而同方向相邻车道通行能力不足造成交织区拥堵的情况，在满足定向车道车流能得到及时消散的条件下对定向车道进行信号控制，红灯期间不允许定向车道的车辆通行，但允许交织区汇入主线方向上位于非定向车道的车辆驶入定向车道，从而实现对定向车道剩余通行能力的充分利用、提高了从合流车道汇入主线的车流的通行效率，缓解了交织区的拥堵，从而降低了拥堵事件以及其他交通事故发生的可能，也减少了因拥堵造成的燃料不充分燃烧导致的环境问题。
[0043]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0044]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
[0045]
图1是根据本技术的一个实施例所示的定向车道与多车道合流组合优化控制系统布设图；
[0046]
图2是根据本技术的一个实施例所示的定向车道与多车道合流组合优化控制方法流程图。
具体实施方式
[0047]
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
[0048]
本技术提出了定向车道与多车道合流组合优化控制方法和系统。本技术通过地磁检测器检测各车道内的车辆到达情况，通过视频检测器检测交织区交通状态，并通过信号机计算交通参数、判断定向车道控制是否启用、并以定向车道延误最小和出口处主线方向
车道通行能力最大为目标，以定向车道车流能得到充分消散为约束条件，优化定向车道绿灯时间和周期时长，并按照计算好的绿灯时间控制定向车道信号灯。本发明针对合流分流交织区定向车道车流量较小，而同方向相邻车道通行能力不足造成交织区拥堵的情况，在满足定向车道车流能得到及时消散的条件下对定向车道进行信号控制，红灯期间不允许定向车道的车辆通行，但允许交织区汇入主线方向上位于非定向车道的车辆驶入定向车道，从而实现对定向车道剩余通行能力的充分利用、提高了从合流车道汇入主线的车流的通行效率，缓解了交织区拥堵，从而降低了拥堵事件以及其他交通事故发生的可能，也减少了因拥堵造成的燃料不充分燃烧导致的环境问题。
[0049]
图1是根据本技术的一个实施例所示的定向车道与多车道合流组合优化控制系统布设图。结合图1，定向车道与多车道合流组合优化控制系统可以包括多车道合流分流交织区内的定向车道虚实线、地磁检测器、视频检测器和交通控制信号灯。图1中仅示出了一条定向车道，但这只是示意性的，并不用来限制本发明。本发明的系统和方法可以用于存在任意数量的定向车道的场景。
[0050]
多车道合流分流交织区包括一条或多条定向车道以及一条或多条非定向车道。合流区的非定向车道(即进口处的非定向车道)可以包括与定向车道来向相同的非定向车道以及与定向车道来向不同的合流车道。分流区的非定向车道(即出口处的非定向车道)可以包括与定向车道的去向(也称为“主线方向”)相同的非定向车道以及与定向车道去向不同(也称为“非主线方向”)的分流车道。
[0051]
定向车道虚实线包括左侧实线和右侧虚线。左侧实线可以禁止定向车道上的车辆(也称为“定向车辆”)变道，右侧虚线可以允许非定向车道上的车辆(也称为非定向车辆)驶入定向车道。当非定向车辆驶入定向车道以后，该车辆就变为定向车辆，其在定向车道行驶期间不允许再变道至非定向车道。
[0052]
如图1所示，地磁检测器可以分别设置于多车道合流分流交织区每个进口车道的禁止变道段起点和每个出口车道上。视频检测器可以设置在合流分流交织区主线方向上进口车道停止线后的信号灯杆上。交通控制信号灯可以设置于合流分流交织区进口车道停止线后的信号灯杆上。
[0053]
地磁检测器可以包括地磁和无线地磁信号发射装置，可以用于按照周期t检测所述多车道合流分流交织区进口处主线方向上每个定向车道的流量进口处每个非定向车道的流量出口处主线方向上每个定向车道的流量出口处主线方向上每个非定向车道的流量和出口处非主线方向上每个车道的流量其中，i表示定向车道序号，j表示非定向车道序号，f表示出口处非主线方向上的车道序号。无线地磁信号发射装置可以将以上流量数据发送给信号机。
[0054]
视频检测器可以包括视频相机和无线视频信号发射装置，可以用于实时检测合流分流交织区交通流的速度v和密度k。无线视频信号发射装置可以将交通流的速度和密度信息发送给信号机。
[0055]
交通控制信号灯可以包括信号机和车道控制信号灯。其中，车道控制信号灯可以根据信号机发送的指令控制(例如，保持或变化)颜色和时长。
[0056]
信号机可以包括无线信号接收装置、交通数据处理模块、定向车道控制判断模块、
信号配时方案计算模块。
[0057]
无线信号接收装置可以用于接收来自于地磁检测器和视频检测器发送的数据，例如，以上示出的各车道的流量数据以及合流分流交织区的速度和密度信息。
[0058]
交通数据处理模块可以用于根据所述进口处主线方向上每个定向车道的流量和所述出口处主线方向上每个非定向车道的流量确定进口处主线方向上定向车道的平均饱和度ρd和出口处主线方向上非定向车道的平均饱和度ρ
l
，并根据所述进口处每个定向车道的流量确定每个定向车道的到达率
[0059]
定向车道控制判断模块可以用于判断是否启动定向车道控制，其中，当满足定向车道控制的启动条件时，启动定向车道控制，所述启动条件用公式表示为：
[0060][0061]
当满足定向车道控制的结束条件时，结束定向车道控制，所述结束条件用公式表示为：
[0062][0063]
or
[0064]
ρd≥ρm，
[0065]
其中，vm表示交通量最大时的车速，km表示交通量最大时的密度，ρm表示交通量最大时的饱和度，sj表示出口处主线方向上第j条非定向车道的饱和流率，其可以通过地磁检测器检测的交通流信息得到，n表示出口处主线方向上非定向车道总数；n表示入口处非定向车道总数，f表示出口处非主线方向上的车道序号，f表示出口处非主线方向的车道总数。
[0066]
信号配时方案计算模块可以用于确定定向车道控制方案的信号周期t和定向车道绿灯时长g。当计算出定向车道控制方案的信号周期t和定向车道绿灯时长g以后可以控制定向车道的车道控制信号灯按照计算出的配时方案来保持或变化颜色，以此来实现对定向车道和非定向车道的控制，即在定向车道绿灯时间允许进口处停止线之前(即还未超过停止线)的位于定向车道的车辆继续向前通行，在定向车道红灯时间不允许进口处停止线之前的位于定向车道的车辆通行，但允许停止线之后(即已经超过了停止线)的位于非定向车道的车辆驶入定向车道。
[0067]
图2是根据本技术的一个实施例所示的定向车道与多车道合流组合优化控制方法流程图。
[0068]
在步骤s1：可以检测多车道合流分流交织区各车道流量、速度、密度等参数，具体的，可以利用地磁检测器按周期t检测合流分流交织区进口处每个定向车道的流量进口处每个非定向车道的流量出口处主线方向上每个定向车道的流量出口处主线
方向上每个非定向车道的流量和出口处非主线方向上每个车道的流量其中，i表示定向车道序号，j表示非定向车道序号，f表示出口处非主线方向上的车道序号；还可以利用视频检测器实时检测合流分流交织区交通流的速度v和密度k；
[0069]
在步骤s2：判断步骤s1中各类交通流数据是否更新，若更新则转入步骤s3，否则转入步骤s1；
[0070]
在步骤s3：可以根据所述进口处主线方向上每个定向车道的流量和所述出口处主线方向上每个非定向车道的流量确定进口处主线方向上定向车道的平均饱和度ρd和出口处主线方向上非定向车道的平均饱和度ρ
l
。
[0071]
在一些实施例中，确定进口处主线方向上定向车道的平均饱和度ρd和出口处主线方向上非定向车道的平均饱和度ρ
l
用公式表示为：
[0072][0073][0074]
其中，m表示主线方向上定向车道总数，表示第i条定向车道的饱和流率，其可以通过地磁检测器检测的流量数据来确定，n表示出口处主线方向上非定向车道总数，sj表示出口处主线方向上第j条非定向车道的饱和流率。
[0075]
在该步骤中，还可以根据所述进口处主线方向上每个定向车道的流量确定每个定向车道的到达率在一些实施例中，确定每个定向车道的到达率用公式表示为：在一些实施例中，该步骤可以由信号机中的交通数据处理模块来完成。
[0076]
在步骤s4：判断定向车道控制是否已经处于启用状态，若处于启用状态则下转入步骤s8判断是否结束控制，否则转到步骤s5判断是否启用控制；
[0077]
在步骤s5：可以判断是否满足定向车道控制的启动条件，当满足定向车道控制的启动条件时，在步骤s6可以确定定向车道控制方案的信号周期t和定向车道绿灯时长g，并在步骤s7启动定向车道控制方案。当计算出定向车道控制方案的信号周期t和定向车道绿灯时长g以后可以控制定向车道的车道控制信号灯按照计算出的配时方案来保持或变化颜色，以此来实现对定向车道和非定向车道的控制，即在定向车道绿灯时间允许进口处停止线之前(即还未超过停止线)的位于定向车道的车辆继续向前通行，在定向车道红灯时间不允许进口处停止线之前的位于定向车道的车辆通行，但允许停止线之后(即已经超过了停止线)的位于非定向车道的车辆驶入定向车道。需要说明的是，步骤s6和步骤s7可以同时执行。步骤s2、s4、s5可以由信号机中的定向车道控制判断模块来完成。步骤s6可以由信号机中的信号配时方案计算模块来完成。
[0078]
所述启动条件可以描述为：当合流分流交织区出现拥堵，合流分流交织区的非定向车道汇入主线方向上的交通流大于出口处主线方向上的非定向车道的通行能力，并且此时，定向车道未达到饱和状态，即还有剩余通行能力时启动定向车道控制。其用公式可以表示为：
[0079][0080]
其中，vm表示交通量最大时的车速，其为预设值，km表示交通量最大时的密度，其为预设值，ρm表示交通量最大时的饱和度，其为预设值，sj表示出口处主线方向上第j条非定向车道的饱和流率，n表示出口处主线方向上非定向车道总数；n表示入口处非定向车道总数，f表示出口处非主线方向上的车道序号，f表示出口处非主线方向的车道总数。
[0081]
在一些实施例中，定向车道控制方案的信号周期t和定向车道绿灯时长g可以根据如下多目标优化模型确定：
[0082][0083][0084]
其中，minf表示以定向车道延误最小和主线出口通行能力最大为目标的目标函数，dd表示定向车道延误，c
out
表示非定向车道汇入主线方向车辆对应的出口道通行能力，sd表示定向车道平均单车道饱和流率，其可以根据定向车道的饱和流率来确定，s
out
表示出口处主线方向上非定向车道平均单车道饱和流率，其可以根据非定向车道的饱和流率sj来确定，λd定向车道平均到达率，其可以根据定向车道的到达率来确定，r表示定向车道红灯时长，sdg≥λdt表示每个周期内定向车道的排队车辆必须保证都能在绿灯时间得到完全消散。
[0085]
在按照以上计算出的配时方案执行定向车道控制之后，在步骤s8：可以进一步判断是否满足定向车道控制的结束条件。该步骤可以由信号机中定向车道控制判断模块来完成。
[0086]
当满足定向车道控制的结束条件时，转入s9结束定向车道控制，重新回到步骤s1继续检测合流分流交织区的速度、密度、各车道流量等参数。即当合流分流交织区非定向车道汇入主线的交通量小于了出口处主线方向上的非定向车道的通行能力时结束定向车道控制或者定向车道饱和度大于等于了最佳饱和度时结束定向车道控制，所述结束条件用公式可以表示为：
[0087][0088]
or
[0089]
ρd≥ρm。
[0090]
如果没有满足结束条件，则执行步骤s6继续根据当前的交通状况来重新确定配时方案。
[0091]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。