一种考虑车速不均匀性的城市干线单向绿波控制优化方法

1.一种考虑车速不均匀性的城市干线单向绿波控制优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
1)获取控制时段干线各交叉口各流向交通需求、各路段平均行程车速、车速波动区间，以及信号设计相序、损失时间、各流向饱和流率、非协调阶段最小饱和度、非协调阶段最大饱和度作为输入数据；
2)确定干线交叉口公用周期，基于非协调阶段最小和最大饱和度，计算各交叉口非协调阶段最大和最小有效绿时，并得到各交叉口协调阶段有效绿时的调整区间：
各交叉口非协调阶段最大和最小有效绿时的计算公式为：
其中，g'max，g'min分别为非协调阶段最大和最小有效绿时，C0为干线交叉口公用周期，qm为非协调阶段临界流向m的交通需求，sm为各非协调阶段临界流向m的饱和流率，Xmin，Xmax分别为非协调阶段最小和最大饱和度；
各交叉口协调阶段有效绿时的调整区间[gmin,gmax]的计算公式为：
gmin＝C0-L-Σg'max
gmax＝C0-L-Σg'min
其中，gmin，gmax分别为协调阶段最小和最大有效绿时，L为损失时间，Σg'max，Σg'min分别表示非协调阶段最大和最小有效绿时的总和；
3)基于各交叉口协调阶段最小有效绿时和路段平均行程车速，确定干线单向绿波带宽，并计算时空坐标中各交叉口的有效绿时中点坐标、最小有效绿时起始和终止坐标、最大有效绿时起始和终止坐标，绿波带宽起始和终止边界坐标：
各交叉口的有效绿时中点坐标 的计算公式为：
其中，xi为第i个交叉口的空间位置坐标， 为第i个交叉口上游路段平均车辆行驶速度， 为单向首个交叉口协调阶段最小有效绿时；
各交叉口协调阶段最小有效绿时起始坐标 和终止坐标 的计算公式为：
其中， 为交叉口n协调最小有效绿时；
除单向首个交叉口的各交叉口协调阶段最大有效绿时起始坐标 和终止坐标 的计算公式为：
其中， 为交叉口n协调阶段最大有效绿时；
各交叉口绿波带宽起始边界坐标 和终止边界坐标 的计算公式为
其中，为b为绿波带宽；
4)基于路段速度波动区间，计算各交叉口绿波带宽起始和终止扩展边界的坐标：
除单向首个交叉口的各交叉口绿波带宽起始边扩展边界坐标 和终止扩展边界坐标的计算公式为：
其中， 分别为交叉口n上游路段最小和最大路段车辆行驶速度；
5)调整干线各交叉口协调阶段有效绿时，确定各交叉口协调阶段有效绿时起始坐标和相对相位差，得到干线各交叉口的优化信号配时方案：
各交叉口协调阶段有效绿时起始坐标取最小有效绿时起始坐标、最大有效绿时起始坐标及绿波带起始扩展边界三者的中间值，即 n≥2；
各交叉口协调阶段有效绿时终止坐标取最小有效绿时终止坐标、最大有效绿时终止坐标及绿波带终止扩展边界三者的中间值，即 n≥2；
各交叉口协调阶段绿时起始时刻与单向首个交叉口协调阶段绿时起始时刻的相对相位差为： 其中％表示取余运算；
得到的干线各交叉口的优化信号配时方案为：相对相位差为Δn，协调阶段有效绿时为各非协调阶段有效绿时为 其中，L为损失时间，
Σg'min为各非协调阶段的有效绿时总和。
2.根据权利要求1所述的考虑车速不均匀性的城市干线单向绿波控制优化方法，其特征在于，所述步骤1)中，
干线各交叉口各流向交通需求、各路段平均行程车速来源于实时采集或预测的交通流数据；
车速波动区间可采用历史交通流数据标定的结果，或其他方法实时估计或预测后得出的结果；
信号设计相序规定了多个信号执行阶段的次序和每个阶段内的放行方向，由唯一的协调阶段和若干非协调阶段组成；
损失时间依据信号设计相序的具体形式确定，取黄灯时长和全红时长的总和为损失时间；
各流向饱和流率、非协调阶段最小饱和度、非协调阶段最大饱和度为先验配置参数。
3.根据权利要求1所述的考虑车速不均匀性的城市干线单向绿波控制优化方法，其特征在于，所述步骤2)中，
干线交叉口公用周期可直接采用先验公用周期，或利用通用的周期计算公式计算获得干线各交叉口周期时长，并取其中的最大值作为公用周期。
4.根据权利要求1所述的考虑车速不均匀性的城市干线单向绿波控制优化方法，其特征在于，所述步骤3)中，
干线单向绿波带宽为干线各交叉口最小协调阶段有效绿时中的极小值；
时空坐标以单向首个交叉口的绿时起点和空间位置为时间横轴和空间纵轴的原点。

一种考虑车速不均匀性的城市干线单向绿波控制优化方法 \n技术领域\n[0001] 本发明涉及智能交通信号控制技术领域，具体是一种考虑车速不均匀性的城市干线单向绿波控制优化方法。\n背景技术\n[0002] 单向绿波控制是城市干线信号协同控制中最为常用的手段之一。针对城市干线以某向交通流为主导的交通运行模式（如早晚高峰时段的潮汐流，单行线交通流、节假日期间城市干线出入境交通流等），以及需要对某向干线交通流进行优先疏散等情况下，采用单向绿波控制手段往往会有效提高干线道路交通运行效率，减少车辆停车次数，缩短车辆行程时间，保障干线道路交通流的平稳通行。显然，城市干线单向绿波控制优化方法的优劣直接决定了最终实施效果的好坏。\n[0003] 为了充分发挥干线单向绿波控制的效益，国内外研究和应用领域提出了诸多优化方法，其中，基于绿波带宽最大化的一类方法在当前获得了广泛使用，并取得了良好的应用效果，代表性的有MAXBAND、MULTIBAND等，此类方法的基本原理为通过构建周期、绿时、相位差、行驶车速等参数的关系，以实现最大绿波带宽为目标，进而获得相位差参数的理论优化解。\n[0004] 就单向绿波带宽最大化而言，由于不存在对向协调相位差的约束，单向绿波带宽主要受到干线交叉口的公用周期和最小协调绿时限制，传统绿波带宽最大化方法无法基于实际采集的交通流数据，对周期和绿时进行优化，往往需要借助外部算法或模型实现，限制了进一步优化扩大绿波带宽的能力；除此之外，传统绿波带宽最大化方法采用了路段平均车速的假设，忽略了车辆行驶速度的不均匀性，诸多研究结论表明，城市道路交通流因受到交叉口信号控制、道路等级、天气环境、路测停车、行人和非机动车等外界因素的影响和干扰，交通流状态具有显著的不确定性特征，而车辆行驶速度的不均匀性为其具体表现之一。\n在交通流状态表现出较强波动性特征时，传统方法平均车速的假设将导致较大的误差累计，尤其是当交通状况临近饱和或过饱和时，此类效应更为显著，无法有效保障交通流运行状态的平稳与连贯，甚至会引起干线协调的整体失效。\n发明内容\n[0005] 发明目的：针对现有干线单向绿波带宽最大化方法无法兼顾优化干线交叉口信号周期和绿时，以及采用平均车速假设，忽略车速不均匀性的弊端，本发明提出了一种考虑车速不均匀性的城市干线单向绿波控制优化方法。该方法采用不等饱和度信号配时思想，在满足非协调相位的交通需求，为协调相位绿时提供灵活的调整优化范围，同时依据路段车辆行驶车速的不均匀性特征，通过量化的车辆行驶速度波动区间，实现了车速不均匀情况下的协调相位绿时和相位差参数的优化。本发明提出方法将交通流运行状态的不确定性特征融入了带宽最大化优化过程，可有效增强干线单向绿波协调控制对外界干扰的容抗能力，提升干线交通流的运行效率，良好的实时性和实用性特点确保了实际应用的可操作性，对于城市道路交通信号控制优化系统建设，提升城市交通管控水平具有积极的意义。\n[0006] 技术方案：一种考虑车速不均匀性的城市干线单向绿波控制优化方法，所述方法包括如下步骤：\n[0007] 1）获取控制时段干线各交叉口各流向交通需求、各路段平均行程车速、车速波动区间，以及信号设计相序、损失时间、各流向饱和流率、非协调阶段最小饱和度、非协调阶段最大饱和度作为输入数据；\n[0008] 2）确定干线交叉口公用周期，基于非协调阶段最小和最大饱和度，计算各交叉口非协调阶段最大和最小有效绿时，并得到各交叉口协调阶段有效绿时的调整区间；\n[0009] 3）基于各交叉口协调阶段最小有效绿时和路段平均行程车速，确定干线单向绿波带宽，并计算时空坐标中各交叉口的有效绿时中点坐标、最小有效绿时起始和终止坐标、最大有效绿时起始和终止坐标，绿波带宽起始和终止边界坐标；\n[0010] 4）基于路段速度波动区间，计算各交叉口绿波带宽起始和终止扩展边界的坐标；\n[0011] 5）调整干线各交叉口协调阶段有效绿时，确定各交叉口协调阶段有效绿时起始坐标和相对相位差，得到干线各交叉口的优化信号配时方案。\n[0012] 进一步地，发明内容还包括：\n[0013] 步骤1）中，干线各交叉口各流向交通需求、各路段平均行程车速来源于实时采集或预测的交通流数据；车速波动区间可采用历史交通流数据标定的结果，或其他方法实时估计或预测后得出的结果；信号设计相序规定了多个信号执行阶 段的次序和每个阶段内的放行方向，由唯一的协调阶段和若干非协调阶段组成；损失时间依据信号设计相序的具体形式确定，一般可取黄灯时长和全红时长的总和为损失时间；各流向饱和流率、非协调阶段最小饱和度、非协调阶段最大饱和度一般为先验配置参数；\n[0014] 步骤2）中，干线交叉口公用周期可直接采用先验公用周期，或利用通用的周期计算公式计算获得干线各交叉口周期时长，并取其中的最大值作为公用周期；计算各交叉口非协调阶段最大和最小有效绿时的公式为：\n[0015] \n[0016] \n[0017] 其中，g'max，g'min分别为非协调阶段最大和最小有效绿时（秒），C0为干线交叉口公用周期（秒），qm为非协调阶段临界流向m的交通需求（辆/小时），sm为各非协调阶段临界流向m的饱和流率（辆/小时），Xmin，Xmax分别为非协调阶段最小和最大饱和度；各交叉口协调阶段有效绿时的调整区间[gmin,gmax]的计算公式为：\n[0018] gmin＝C0-∑g'max\n[0019] gmax＝C0-∑g'min\n[0020] 其中，gmin，gmax分别为协调阶段最小和最大有效绿时（秒），∑g'max，∑g'min分别表示非协调阶段最大和最小有效绿时的总和；\n[0021] 步骤3）中，干线单向绿波带宽为干线各交叉口最小协调阶段有效绿时中的极小值；时空坐标以单向首个交叉口的绿时起点和空间位置为时间横轴（秒）和空间纵轴（米）的原点；各交叉口的有效绿时中点坐标 的计算公式为：\n[0022] \n[0023] \n[0024] 其中，xi为第i个交叉口的空间位置坐标， 为第i个交叉口上游路段平均车辆行驶速度（米/秒）， 为单向首个交叉口协调阶段最小有效绿时；各交叉口协调阶段最小有效绿时起始坐标 和终止坐标 的计算公式为：\n[0025] \n[0026] \n[0027] \n[0028] \n[0029] 其中， 为交叉口n协调最小有效绿时；各交叉口（除单向首个交叉口）协调阶段最大有效绿时起始坐标 和终止坐标 的计算公式为：\n[0030] \n[0031] \n[0032] 其中， 为交叉口n协调阶段最大有效绿时；各交叉口绿波带宽起始边界坐标 和终止边界坐标 的计算公式为\n[0033] \n[0034] \n[0035] 其中，为b为绿波带宽；\n[0036] 步骤4）中，各交叉口（除单向首个交叉口）绿波带宽起始边扩展边界坐标 和终止扩展边界坐标 的计算公式为：\n[0037] \n[0038] \n[0039] 其中， 分别为交叉口n上游路段最小和最大路段车辆行驶速度；\n[0040] 步骤5）中，各交叉口协调阶段有效绿时起始坐标取最小有效绿时起始坐标、最大有效绿时起始坐标及绿波带起始扩展边界三者的中间值，即 \nn≥2；各交叉口协调阶段有效绿时终止坐标取最小有效绿时终止坐标、最大有效绿时终止坐标及绿波带终止扩展边界三者的中间值，即 n≥2；各交叉口协\n调阶段绿时起始时刻与单向首个交叉口协调阶段绿时起始时刻的相对相位差为：\n[0041] \n[0042] 其中%表示取余运算；得到的干线各交叉口的优化信号配时方案为：相对相位差n\n为Δ，协调阶段有效绿时为 各非协调阶段有效绿时为：\n[0043] \n[0044] 其中，L为损失时间，∑g'min为各非协调阶段的有效绿时总和。\n[0045] 本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：\n[0046] 本发明提出方法将交通流运行状态的不确定性特征融入了带宽最大化优化过程，克服了传统方法无法兼顾优化干线交叉口信号周期和绿时，以及采用平均车速假设，忽略车速不均匀性的弊端，可有效增强干线单向绿波协调控制对外界干扰的容抗能力，提升干线交通流的运行效率，同时良好的实时性和实用性特点确保了实际应用的可操作性，对于城市道路交通信号控制优化系统建设，提升城市交通管控水平具有积极的意义。\n附图说明\n[0047] 图1为本发明实施例的方法流程图；\n[0048] 图2为本发明实施例的时空坐标及参数示意图；\n[0049] 图3为本发明实施例的干线几何信息及各类交通流数据示意图。\n具体实施方式\n[0050] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发 明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。\n[0051] 如图1所示为一种考虑车速不均匀性的城市干线单向绿波控制优化方法的算法流程，所述方法包括如下步骤：\n[0052] 1）获取控制时段干线各交叉口各流向交通需求、各路段平均行程车速、车速波动区间，以及信号设计相序、损失时间、各流向饱和流率、非协调阶段最小饱和度、非协调阶段最大饱和度作为输入数据；\n[0053] 干线各交叉口各流向交通需求、各路段平均行程车速来源于实时采集或预测的交通流数据；车速波动区间可采用历史交通流数据标定的结果，或其他方法实时估计或预测后得出的结果；信号设计相序规定了多个信号执行阶段的次序和每个阶段内的放行方向，由唯一的协调阶段和若干非协调阶段组成；损失时间依据信号设计相序的具体形式确定，一般可取黄灯时长和全红时长的总和为损失时间；各流向饱和流率、非协调阶段最小饱和度、非协调阶段最大饱和度一般为先验配置参数；\n[0054] 2）确定干线交叉口公用周期，基于非协调阶段最小和最大饱和度，计算各交叉口非协调阶段最大和最小有效绿时，并得到各交叉口协调阶段有效绿时的调整区间；\n[0055] 干线交叉口公用周期可直接采用先验公用周期，或利用通用的周期计算公式计算获得干线各交叉口周期时长；\n[0056] 计算各交叉口非协调阶段最大和最小有效绿时的公式为：\n[0057] \n[0058] \n[0059] 其中，g'max，g'min分别为非协调阶段最大和最小有效绿时（秒），C0为干线交叉口公用周期（秒），qm为非协调阶段临界流向m的交通需求（辆/小时），sm为各非协调阶段临界流向m的饱和流率（辆/小时），Xmin，Xmax分别为非协调阶段最小和最大饱和度；各交叉口协调阶段有效绿时的调整区间[gmin,gmax]的计算公式为：\n[0060] gmin＝C0-∑g'max\n[0061] gmax＝C0-∑g'min\n[0062] 其中，gmin，gmax分别为协调阶段最小和最大有效绿时（秒），∑g'max，∑g'min分别表示非协调阶段最大和最小有效绿时的总和；\n[0063] 3）基于各交叉口协调阶段最小有效绿时和路段平均行程车速，确定干线单向绿波带宽，并计算时空坐标中各交叉口的有效绿时中点坐标、最小有效绿时起始和终止坐标、最大有效绿时起始和终止坐标，绿波带宽起始和终止边界坐标；\n[0064] 干线单向绿波带宽为干线各交叉口最小协调阶段有效绿时中的极小值；时空坐标以单向首个交叉口的绿时起点和空间位置为时间横轴（秒）和空间纵轴（米）的原点；各交叉口的有效绿时中点坐标 的计算公式为：\n[0065] \n[0066] \n[0067] 其中，xi为第i个交叉口的空间位置坐标， 为第i个交叉口上游路段平均车辆行驶速度（米/秒）， 为单向首个交叉口协调阶段最小有效绿时；各交叉口协调阶段最小有效绿时起始坐标 和终止坐标 的计算公式为：\n[0068] \n[0069] \n[0070] \n[0071] \n[0072] 其中， 为交叉口n协调最小有效绿时；各交叉口（除单向首个交叉口）协调阶段最大有效绿时起始坐标 和终止坐标 的计算公式为：\n[0073] \n[0074] \n[0075] 其中， 为交叉口n协调阶段最大有效绿时；各交叉口绿波带宽起始边界坐标 和终止边界坐标 的计算公式为\n[0076] \n[0077] \n[0078] 其中，为b为绿波带宽；\n[0079] 4）基于路段速度波动区间，计算各交叉口绿波带宽起始和终止扩展边界的坐标；\n各交叉口（除单向首个交叉口）绿波带宽起始边扩展边界坐标 和终止扩展边界坐标 的计算公式为：\n[0080] \n[0081] \n[0082] 其中， 分别为交叉口n上游路段最小和最大路段车辆行驶速度；\n[0083] 5）调整干线各交叉口协调阶段有效绿时，确定各交叉口协调阶段有效绿时起始坐标和相对相位差，得到干线各交叉口的优化信号配时方案；\n[0084] 各交叉口协调阶段有效绿时起始坐标取最小有效绿时起始坐标、最大有效绿时起始坐标及绿波带起始扩展边界三者的中间值，即 n≥2；各交叉口协\n调阶段有效绿时终止坐标取最小有效绿时终止坐标、最大有效绿时终止坐标及绿波带终止扩展边界三者的中间值，即 n≥2；各交叉口协调阶段绿时起始时\n刻与单向首个交叉口协调阶段绿时起始时刻的相对相位差为：\n[0085] \n[0086] 其中%表示取余运算；得到的干线各交叉口的优化信号配时方案为：相对相位差为Δn，协调阶段有效绿时为 各非协调阶段有效绿时为：\n[0087] \n[0088] 其中，L为损失时间，∑g'min为各非协调阶段的有效绿时总和。\n[0089] 图2以四个连续的干线交叉口为例，对步骤3）、步骤4）中涉及的主要参数进行了说明。其中， 为绿波带宽起始边界坐标， 为相应的终止边界坐\n标； 为绿波带宽中点坐标； 为根据车速波动区间调整后的绿\n波带宽起始扩展边界坐标， 为相应的终止扩展边界坐标。\n[0090] 图3为本实例的干线几何信息及各类交通流数据示意图，包含四个连续的交叉口；干线交叉口信号设计相序包含南北直行阶段、东西直行阶段两个阶段，南北直行阶段为协调阶段，设置对由南向北交通流进行单向绿波控制优化。干线单向绿波控制优化所需的输入数据如表1、表2所示，表1中的交通需求为相应阶段临界流向的交通需求。\n[0091] 表1交叉口基础信息\n[0092] \n[0093] 表2路段基础信息\n[0094] \n路段 路段长度（m） 平均速度（km/h） 速度区间（km/h）\n交叉口1-2 972 50 [44,70]\n交叉口2-3 833 60 [50,75]\n交叉口3-4 563 45 [37,58]\n[0095] 本实例选取先验周期165s作为干线交叉口公共周期，根据交叉口非协调阶段的交通需求及饱和流率，计算得到的各交叉口协调阶段的最小有效绿时分别为90s、90s、70s、\n100s，有效绿灯时间调整范围见表3。\n[0096] 表3各交叉口有效绿灯时间调整范围\n[0097] \n[0098] 由表3可知，干线单向绿波带宽为70s，计算各交叉口协调阶段有效绿时和绿波带的相关特征点坐标，表4为各交叉口的最小有效绿时起始坐标、最大有效绿时起始坐标及绿波带扩展边界起始坐标。\n[0099] 表4交叉口最小有效绿时起始、最大有效绿时起始及绿波带扩展边界起始坐标[0100] \n交叉口 最小绿时起始坐标 最大绿时起始坐标 绿波带扩展边界起始坐标\n1 0 —— ——\n2 70 68. 60\n3 130 127 120\n4 160 158 165\n[0101] 各交叉口的协调阶段有效绿时起始坐标 终止坐标 以及干线各交叉口的优化配时方案具体见表5。\n[0102] 表5各交叉口调整后优化的配时参数\n[0103] \n[0104]