本發(fā)明涉及交通管控領(lǐng)域，具體涉及一種設(shè)置逆向可變車道的交叉口信號(hào)配時(shí)方法。

背景技術(shù)：

交叉口逆向可變車道是變向交通管理的一種新興形式，主要設(shè)置在信號(hào)控制交叉口的出口道內(nèi)側(cè)，既具有出口道行車道功能又具有進(jìn)口左轉(zhuǎn)導(dǎo)向車道功能，由于其工程投資小且能有效緩解交叉口高峰時(shí)段的左轉(zhuǎn)過飽和擁堵，而逐步被認(rèn)可和應(yīng)用。

隨著城市交通壓力的進(jìn)一步增大，逆向可變車道的效益正在逐步減弱，主要原因是缺少與交叉口信號(hào)控制的協(xié)同優(yōu)化，未實(shí)現(xiàn)交叉口的整體管控效益最大化。為此，有必要針對(duì)設(shè)置逆向可變車道的交叉口運(yùn)行特征進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，提出一種設(shè)置逆向可變車道的交叉口信號(hào)配時(shí)方法，以充分發(fā)揮逆向可變車道的功能效益。

設(shè)置逆向可變車道的交叉口信號(hào)配時(shí)方法，實(shí)質(zhì)上是在確定好環(huán)結(jié)構(gòu)信號(hào)相位相序的前提下，依據(jù)設(shè)置逆向可變車道的車流運(yùn)行特征提出信號(hào)周期、有效綠燈時(shí)間、清空時(shí)間等配時(shí)參數(shù)計(jì)算方法，進(jìn)而基于安全和效率最優(yōu)構(gòu)建逆向可變車道控制和信號(hào)控制參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化函數(shù)，在一系列約束條件下對(duì)其進(jìn)行求解，最終得到設(shè)置逆向可變車道的交叉口最優(yōu)信號(hào)配時(shí)方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供了一種設(shè)置逆向可變車道的交叉口信號(hào)配時(shí)方法，克服了目前對(duì)設(shè)有逆向可變車道交叉口信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)的盲目性，通過構(gòu)建逆向可變車道控制參數(shù)和信號(hào)控制參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化函數(shù)，并在運(yùn)行安全約束條件下尋求最優(yōu)的逆向可變車道及信號(hào)配時(shí)方案，實(shí)現(xiàn)了逆向可變車道安全性最大條件下的交叉口管控效益最大，提高了設(shè)置逆向可變車道的交叉口信號(hào)配時(shí)方法的科學(xué)性和實(shí)用性。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

本發(fā)明包括以下步驟：

a)設(shè)置逆向可變車道交叉口環(huán)結(jié)構(gòu)信號(hào)相位相序設(shè)計(jì)

以一般的四路交叉口為例，在交叉口南進(jìn)口的左轉(zhuǎn)相位設(shè)置逆向可變車道，在信號(hào)相序設(shè)計(jì)中，同一個(gè)進(jìn)口先左轉(zhuǎn)再直行；逆向可變車道的信號(hào)相位作為交叉口信號(hào)中相位3和相位6的跟隨相位來處理，基于環(huán)結(jié)構(gòu)的相位相序設(shè)計(jì)如圖2所示。

b)確定逆向可變車道的飽和流量

按照逆向可變車道與正常左轉(zhuǎn)車道的有效綠燈時(shí)間的比例關(guān)系，確定逆向可變車道的飽和流量；

這里的計(jì)算參數(shù)包括：逆向可變車道的飽和流量slr，逆向可變車道的有效綠燈時(shí)長(zhǎng)glr，逆向可變車道所在左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時(shí)長(zhǎng)gl，一條正常左轉(zhuǎn)車道的飽和流量sl。

c)設(shè)置逆向可變車道交叉口信號(hào)配時(shí)參數(shù)計(jì)算

a)計(jì)算交叉口流量比之和

在環(huán)結(jié)構(gòu)配時(shí)模式下，交叉口流量比之和計(jì)算參數(shù)包括：交叉口流量比之和y，環(huán)結(jié)構(gòu)中的環(huán)編號(hào)a，環(huán)結(jié)構(gòu)中的信號(hào)屏障編號(hào)b，信號(hào)屏障b內(nèi)環(huán)a的流量比之和y’ab，交通流量q，飽和流量s；

b)計(jì)算信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)

采用韋伯斯特公式計(jì)算交叉口信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)，這里的計(jì)算參數(shù)包括：最佳周期時(shí)長(zhǎng)c，信號(hào)總損失時(shí)間l，交叉口流量比之和y；

c)分配各相位有效綠燈時(shí)長(zhǎng)

根據(jù)等飽和度原則計(jì)算每個(gè)相位的綠信比，進(jìn)而合理分配各相位有效綠燈時(shí)間，這里的計(jì)算參數(shù)包括：相位i的有效綠燈時(shí)間gi，信號(hào)屏障b內(nèi)環(huán)a的流量比之和y’ab，最佳周期時(shí)長(zhǎng)c，信號(hào)總損失時(shí)間l，相位i的流量比yi，交叉口流量比之和y；

d)逆向可變車道的清空時(shí)間

逆向可變車道的清空時(shí)間由逆向可變車道的長(zhǎng)度與車輛行駛特征計(jì)算，計(jì)算參數(shù)包括：逆向可變車道的清空時(shí)間tlc，逆向可變車道的長(zhǎng)度a，車輛的啟動(dòng)加速度a，左轉(zhuǎn)車輛通過交叉口的穩(wěn)定車速v，逆向可變車道的安全時(shí)間tls；

e)逆向可變車道的提前開啟時(shí)間

逆向可變車道的提前開啟時(shí)間取逆向可變車道的清空時(shí)間。

d)控制變量約束條件確定

為確保得到合理的信號(hào)配時(shí)方案，需要滿足以下四項(xiàng)約束條件：

①對(duì)于每一股車流，車道組有效綠燈時(shí)間應(yīng)大于或等于最小綠燈時(shí)間，這里的參數(shù)包括相位i的有效綠燈時(shí)間gi，最小綠燈時(shí)間gmin；

②所有相位有效綠燈時(shí)間之和加上一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的總損失時(shí)間即為信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)，這一信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)應(yīng)在臨界的上、下限之間，這里的參數(shù)包括最小周期時(shí)長(zhǎng)cmin，最大周期時(shí)長(zhǎng)cmax，相位i的有效綠燈時(shí)間gi，信號(hào)周期總損失時(shí)間l；

③為了提高逆向可變車道的使用率，逆向可變車道所在左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時(shí)長(zhǎng)必須大于或等于逆向可變車道的提前開啟時(shí)間，這里的參數(shù)包括逆向可變車道所在左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時(shí)長(zhǎng)gl，逆向可變車道的提前開啟時(shí)間tlt；

④為確保逆向可變車道使用的安全性，逆向可變車道的提前開啟時(shí)間應(yīng)小于上一個(gè)直行相位的有效綠燈時(shí)間，這里的參數(shù)包括逆向可變車道的提前開啟時(shí)間tlt，上一個(gè)直行相位的有效綠燈時(shí)間gs。

e)協(xié)同優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建及求解

以上四項(xiàng)為約束條件，以安全和效率最優(yōu)為目標(biāo)構(gòu)建逆向可變車道控制和信號(hào)控制參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化函數(shù)，當(dāng)增加一個(gè)周期的延誤減少率低于1％，即可確定此時(shí)優(yōu)化求解結(jié)束，輸出最優(yōu)方案，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的計(jì)算參數(shù)包括：交叉口的總延誤時(shí)間d，各進(jìn)口車流量qj，逆向可變車道所在左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時(shí)長(zhǎng)gl，逆向可變車道的安全清空時(shí)長(zhǎng)tls，tn周期內(nèi)的交叉口的延誤時(shí)間d(tn)，tn+1周期內(nèi)的交叉口的延誤時(shí)間d(tn+1)。

f)最優(yōu)信號(hào)控制方案輸出

通過以上計(jì)算及約束條件，得到交叉口的信號(hào)配時(shí)方案，這里的參數(shù)包括：t1為階段1東西向左轉(zhuǎn)的綠燈時(shí)長(zhǎng)，t2為階段2東西向直行但逆向可變車道未開啟的綠燈時(shí)長(zhǎng)，t3為階段3東西向直行且逆向可變車道的提前開啟時(shí)長(zhǎng)，t4為階段4南口逆向可變車道的綠燈時(shí)長(zhǎng)，t5為階段5南口逆向可變車道的清空時(shí)長(zhǎng)，t4+t5為南北向正常左轉(zhuǎn)的綠燈時(shí)長(zhǎng)，t6為階段6南北向直行的綠燈時(shí)長(zhǎng)，c為周期時(shí)長(zhǎng)。

本發(fā)明在設(shè)置逆向可變車道的交叉口信號(hào)配時(shí)方法中，首先明確交叉口信號(hào)相序、確定逆向可變車道的飽和流量，再基于環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)，結(jié)合有效綠燈時(shí)間、周期時(shí)長(zhǎng)等約束條件，以安全和效率最優(yōu)為目標(biāo)構(gòu)建逆向可變車道控制和信號(hào)控制參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化函數(shù)，求解最優(yōu)信號(hào)配時(shí)方案。

本發(fā)明有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下特點(diǎn)：

1)本發(fā)明提出了基于環(huán)結(jié)構(gòu)的設(shè)置逆向可變車道交叉口信號(hào)配時(shí)方法，首先根據(jù)車流沖突及運(yùn)行特征提出了交叉口相位相序設(shè)計(jì)方案，然后依據(jù)逆向可變車道的長(zhǎng)度與車輛行駛特征，建立逆向可變車道飽和流量、清空時(shí)間及提前開啟時(shí)間的計(jì)算模型，并確定周期及相位有效綠燈時(shí)長(zhǎng)計(jì)算方法。

2)本發(fā)明以安全和效率最優(yōu)為目標(biāo)，構(gòu)建了交叉口逆向可變車道和信號(hào)控制參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化模型，確定了控制參數(shù)的約束條件，并設(shè)計(jì)了科學(xué)的求解方法，能夠在保障安全性最大的前提下實(shí)現(xiàn)交叉口逆向可變車道管理模式的效益最優(yōu)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明方法流程圖；

圖2是基于環(huán)結(jié)構(gòu)的相位相序設(shè)計(jì)圖；

圖3是交叉口的信號(hào)配時(shí)方案圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明：如圖1所示，一種設(shè)置逆向可變車道的交叉口信號(hào)配時(shí)方法，步驟包括：設(shè)置逆向可變車道交叉口信號(hào)相位相序設(shè)計(jì)、確定逆向可變車道的飽和流量、設(shè)置逆向可變車道交叉口信號(hào)配時(shí)參數(shù)計(jì)算、控制變量約束條件確定、協(xié)同優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建及求解、最優(yōu)信號(hào)控制方案輸出。

a)設(shè)置逆向可變車道交叉口環(huán)結(jié)構(gòu)信號(hào)相位相序設(shè)計(jì)

以一般的四路交叉口為例，在交叉口南進(jìn)口的左轉(zhuǎn)相位設(shè)置逆向可變車道，在信號(hào)相序設(shè)計(jì)中，為確保行車安全高效，同一個(gè)進(jìn)口先左轉(zhuǎn)再直行；逆向可變車道的信號(hào)相位作為交叉口信號(hào)中相位3和相位6的跟隨相位來處理，基于環(huán)結(jié)構(gòu)的相位相序設(shè)計(jì)如圖2所示。

b)確定逆向可變車道的飽和流量

這里的計(jì)算參數(shù)包括：逆向可變車道的飽和流量slr，逆向可變車道的有效綠燈時(shí)長(zhǎng)glr，逆向可變車道所在左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時(shí)長(zhǎng)gl，一條正常左轉(zhuǎn)車道的飽和流量sl；

按照逆向可變車道與正常左轉(zhuǎn)車道的有效綠燈時(shí)間的比例關(guān)系，確定逆向可變車道的飽和流量為：

c)設(shè)置逆向可變車道交叉口信號(hào)配時(shí)參數(shù)計(jì)算

在交叉口的信號(hào)配時(shí)中，基于全球范圍通用的環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行信號(hào)配時(shí)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：

a)計(jì)算交叉口流量比之和

交叉口流量比計(jì)算參數(shù)包括：交叉口流量比之和y，環(huán)結(jié)構(gòu)中的環(huán)編號(hào)a，環(huán)結(jié)構(gòu)中的信號(hào)屏障編號(hào)b，信號(hào)屏障b內(nèi)環(huán)a的流量比之和y’ab，交通流量q，飽和流量s；

設(shè)有逆向可變車道的交叉口僅僅是通行能力發(fā)生了變化，仍然采用傳統(tǒng)的信號(hào)周期計(jì)算公式，即確定好關(guān)鍵相位的流向比之和后進(jìn)行計(jì)算，只是流向比計(jì)算中要考慮逆向可變車道是否開啟，在環(huán)結(jié)構(gòu)配時(shí)模式下，交叉口的流量比之和為：

b)計(jì)算信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)

這里的計(jì)算參數(shù)包括：最佳周期時(shí)長(zhǎng)c，信號(hào)總損失時(shí)間l，交叉口流量比之和y；

采用韋伯斯特公式計(jì)算交叉口的信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)為：

c＝(1.5l+5)/(1-y)

c)分配各相位有效綠燈時(shí)長(zhǎng)

這里的計(jì)算參數(shù)包括：相位i的有效綠燈時(shí)間gi，信號(hào)屏障b內(nèi)環(huán)a的流量比之和y’ab，最佳周期時(shí)長(zhǎng)c，信號(hào)總損失時(shí)間l，相位i的流量比yi，交叉口流量比之和y；

根據(jù)等飽和度原則合理分配每個(gè)相位的綠信比，進(jìn)而得到各相位的有效綠燈時(shí)間為：

gi＝max(y’ab)*(c-l)*yi/(y*y’ab)

d)逆向可變車道的清空時(shí)間

計(jì)算參數(shù)包括：逆向可變車道的清空時(shí)間tlc，逆向可變車道的長(zhǎng)度a，車輛的啟動(dòng)加速度a，左轉(zhuǎn)車輛通過交叉口的穩(wěn)定車速v，逆向可變車道的安全時(shí)間tls；

逆向可變車道的清空時(shí)間由逆向可變車道的長(zhǎng)度與車輛行駛特征計(jì)算，逆向可變車道的安全時(shí)間tls取3-5秒；

這里考慮了逆向可變車道的行車安全性，依據(jù)逆向可變車道的長(zhǎng)度與車輛行駛特征，建立了逆向可變車道的清空時(shí)間計(jì)算方法，并為計(jì)算后面逆向可變車道的提前開啟時(shí)間提供了依據(jù)。

e)逆向可變車道的提前開啟時(shí)間

這里的參數(shù)包括：逆向可變車道的提前開啟時(shí)間tlt，逆向可變車道的清空時(shí)間tlc；

為了保證安全性，同時(shí)提高逆向車道的運(yùn)行效率，逆向可變車道的提前開啟時(shí)間取逆向可變車道的清空時(shí)間：

tlt＝tlc

d)控制變量約束條件確定

為確保得到合理的信號(hào)配時(shí)方案，需要滿足以下四項(xiàng)約束條件：

①對(duì)于每一股車流，車道組有效綠燈時(shí)間應(yīng)大于或等于最小綠燈時(shí)間：

這里的參數(shù)包括相位i的有效綠燈時(shí)間gi，最小綠燈時(shí)間gmin；

②對(duì)于信號(hào)交叉口，所有相位有效綠燈時(shí)間之和加上一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)的總損失時(shí)間即為信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)，這一信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)應(yīng)在臨界的上、下限之間：

這里的參數(shù)包括最小周期時(shí)長(zhǎng)cmin，最大周期時(shí)長(zhǎng)cmax，相位i的有效綠燈時(shí)間gi，信號(hào)周期總損失時(shí)間l；

③為了提高逆向可變車道的使用率，逆向可變車道所在左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時(shí)長(zhǎng)必須大于或等于逆向可變車道的提前開啟時(shí)間，這里的參數(shù)包括逆向可變車道所在左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時(shí)長(zhǎng)gl，逆向可變車道的提前開啟時(shí)間tlt：

gl≥tlt

④為保證逆向可變車道的安全性，逆向可變車道的提前開啟時(shí)間應(yīng)小于上一個(gè)直行相位的有效綠燈時(shí)間：

tlt<gs

這里的參數(shù)包括逆向可變車道的提前開啟時(shí)間tlt，上一個(gè)直行相位的有效綠燈時(shí)間gs。

e)協(xié)同優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)構(gòu)建及求解

由于交叉口車均延誤、排隊(duì)長(zhǎng)度和停車次數(shù)具有明顯的正相關(guān)性，考慮設(shè)置逆向可變車道的安全性和效率最優(yōu)，因此設(shè)置逆向可變車道的交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型中只選取交叉口車均延誤和逆向可變車道開啟時(shí)長(zhǎng)最小作為優(yōu)化目標(biāo)，并將約束條件判定中的四項(xiàng)條件為約束條件，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)模型如下：

上式為四個(gè)約束條件下兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的的多目標(biāo)優(yōu)化問題，可由matlab軟件提供的fminimax函數(shù)進(jìn)行求解，當(dāng)增加一個(gè)周期的延誤減少率低于1％，即

此時(shí)可確定此時(shí)優(yōu)化求解結(jié)束，輸出最優(yōu)方案；

計(jì)算參數(shù)包括：交叉口的總延誤時(shí)間d，各進(jìn)口車流量qj，逆向可變車道所在左轉(zhuǎn)相位的有效綠燈時(shí)長(zhǎng)gl，逆向可變車道的安全清空時(shí)長(zhǎng)tls，tn周期內(nèi)的交叉口的延誤時(shí)間d(tn)，tn+1周期內(nèi)的交叉口的延誤時(shí)間d(tn+1)，約束條件中的計(jì)算參數(shù)與約束條件判定中的參數(shù)一致。

f)最優(yōu)信號(hào)控制方案輸出

這里的參數(shù)包括：t1為階段1東西向左轉(zhuǎn)的綠燈時(shí)長(zhǎng)，t2為階段2東西向直行但逆向可變車道未開啟的綠燈時(shí)長(zhǎng)，t3為階段3東西向直行且逆向可變車道的提前開啟時(shí)長(zhǎng)，t4為階段4南口逆向可變車道的綠燈時(shí)長(zhǎng)，t5為階段5南口逆向可變車道的清空時(shí)長(zhǎng)，t4+t5為南北向正常左轉(zhuǎn)的綠燈時(shí)長(zhǎng)，t6為階段6南北向直行的綠燈時(shí)長(zhǎng)，c為周期時(shí)長(zhǎng)；

通過以上計(jì)算及約束條件，得到交叉口的信號(hào)配時(shí)方案，如圖3所示。

應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。