交叉口供需协同优化控制方法技术

本发明专利技术公开了交叉口供需协同优化控制方法，克服目前缺乏对交叉口下游出口道容纳量的考虑，无法满足交叉口交通流全状态下控制要求的问题，其步骤：1)交通供需时变协同控制框架构建：(1)交通供需时变模型构建；(2)供需协同控制问题描述；2)供需时变协同控制问题规约；3)供需时变协同控制问题优化求解：(1)适应度函数构建；(2)基于集群智能的供需协同控制问题求解：信号控制方案初始化；信号控制方案适应度评价；信号控制方案的变化量计算；更新信号控制方案；迭代优化计算：返回信号控制方案适应度评价，进行信号控制方案适应度评价，如此迭代计算，直到适应度函数收敛或达到最大迭代次数；选择适应度值最大为最终信号控制方案。

【技术实现步骤摘要】
交叉口供需协同优化控制方法
本专利技术涉及智能交通、交通信号控制研究领域中的一种控制方法，更确切地说，本专利技术涉及一种交叉口供需协同优化控制方法。
技术介绍
交通信号控制是提高交叉口运行效率、缓解交通拥堵的重要手段。目前TRANSYT、SCATS、SCOOT、OPAC、RHODES等控制系统虽然提高了路网的通行效率，但当交叉口处于饱和、过饱和状态时，极易引发车辆排队溢出，造成交叉口死锁甚至大面积的交通拥堵。其根本原因是现有的研究主要是基于交通需求开展的优化控制方法，缺乏下游出口道的可容纳量的考虑，即交通供给量。为避免上述问题，本专利技术从交叉口供需协同的角度，构建了一种交叉口供需协同信号优化控制方法，实现交叉口交通供给量和需求量之间的协同，能够满足交通流全状态下的控制需求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是为了克服现存信号控制系统缺乏对交叉口下游出口道可容纳量的考虑，无法满足交叉口交通流全状态下的控制要求的问题，提出了一种交叉口供需协同优化控制方法。为解决上述技术问题，本专利技术是采用如下技术方案实现的：所述的交叉口供需协同优化控制方法包括步骤如下：1)交通供需时变协同控制框架构建：(1)交通供需时变模型构建；(2)供需协同控制问题描述；2)供需时变协同控制问题规约：将交叉口供需协同控制问题规约为供需协同约束的多维空间的搜索寻优问题；根据供需协同控制问题描述，构建其优化求解的搜索空间，具体步骤如下：(1)将交叉口供需协同控制优化问题的搜索空间SS表达为：其中:ti表示第i股交通流的绿灯起始时间，gi表示第i股交通流的绿灯时长；(2)根据交叉口供需协同控制问题，其约束条件包括两个部分：一是交通供需协同约束，二是对绿灯时长的约束；其中交通流的转移比例由绿灯时长和车头时距确定，对转移比例的约束主要体现在绿灯时长约束上,为满足上述两方面的约束，搜索空间应能满足公式：其中：∩—协同操作；t0—信号周期的初始时刻；Di—t0到ti+gi期间的交通流i的交通需求量；Sj—t0到ti+gi期间的交通流i对应出口道j的交通供给量；3)供需时变协同控制问题优化求解：(1)适应度函数构建；(2)基于集群智能的供需协同控制问题求解。按照技术方案中所述的交通供需时变模型构建是指：交叉口的交通需求量，即进口道需要释放的交通量，受进口道到达车辆的影响；交通供给量，即出口道能够提供的排队容量，受出口道释放车辆的影响，通常，交叉口车辆的到达和释放是一个时变的过程，用r(t)、l(t)分别表示进口道车辆的到达率和出口道车辆的释放率，那么车辆在Δt期间的到达量RA和释放量LE表达为公式：因此，交叉口交通供需时变模型可表达为公式：其中：tp—tp时刻；tc—当前时刻；D(tc+Δt)—tc到tc+Δt期间的交通需求量；QA—进口道的排队车辆数；S(tc+Δt)—tc到tc+Δt期间的交通供给量；SC—出口道的静态存储容量；QE—出口道的排队车辆数。按照技术方案中所述的供需协同控制问题描述是指：交叉口供需协同控制方法的基本思想是通过交叉口交通供需量之间的协同，最大化交叉口的运行效率并避免交叉口排队溢出,交叉口运行效率最大化往往会造成交通量较小的车流长时间得不到释放，因此为了实现交叉口公平和效率的折中最优，交叉口供需协同控制问题可表达为式(3)：目标函数：约束条件：其中：Φ—交叉口单位时间内通过的车辆数；η＝[η1,η2,……,ηM]—惩罚矩阵；ηi表示对第i股交通流的惩罚系数，ηi由交通流的等待时间、排队长度、所在道路等级等综合决定；D＝[D1,D2,……,DM]—需求矩阵；M是交叉口进口道的交通流方向数，Di表示第i股交通流的交通需求量；η*D(C)—矩阵η和D(C)哈达马乘积；Tr′E＝[tr′E1,tr′E2,…,tr′EM]T—进口道车辆的转移矩阵；tr′Ei表示第i股交通流车辆的转移比例，C—决策时长；S＝[S1,S2,……,SN]—供给矩阵；N表示出口道数目，Sj表示第j出口道的交通供给量，通常S和D分别按照顺时针方向标号；Tr'M×N—可达转移矩阵；tr′ij表示第i股交通流向第j出口道的车辆转移比例，tr′ij是一个时变的量；O1＝[0,0,…,0]—0矩阵，维度为N；g1×M—绿灯时间矩阵；gi是第i股交通流的绿灯时长；EM×M—进口道车辆的释放率矩阵；EM×M是一个对角矩阵，对角线上的元素Eii为第i股交通流车辆的释放率；combine(g1,g2,…,gM,L)≤C—决策时长是各交通流的绿灯时间及损失时间L的组合，当交叉口没有足够的交通供给量，需要插入全红相位时不等号成立；Tmin,Tmax—最小绿灯时间和最大绿灯时间矩阵；Tmin,i,Tmax,i分别表示第i股交通流的最小绿灯时间和最大绿灯时间；O2＝[0,0,…,0]—0矩阵；维度为M；∪—集合的并操作。按照技术方案中所述的适应度函数构建是指：根据交叉口供需协同控制问题描述，为实现交叉口供需协同控制的目标，选取交叉口单位时间内通过的车辆数作为适应度函数,因此适应度函数F可表达为公式(6)；其中:LAi为第i股交通流绿灯期间释放的车辆数；h为车头时距；max(ti+gi)+I-t0为信号周期时长；I为黄灯时间。按照技术方案中所述的基于集群智能的供需协同控制问题求解是指：(1)信号控制方案初始化；(2)信号控制方案适应度评价:根据适应度函数公式(6)，计算各交通流在绿灯期间释放的交通量LAi,i∈[1,M]及信号控制周期max(ti+gi)+I-t0，实现信号控制方案的适应度评价，用于指导信号控制方案变化量的计算；(3)信号控制方案的变化量计算：根据生物群体在寻优过程中的运动情况，结合信号控制方案的适应度值，计算信号控制方案的变化量ΔG；(4)更新信号控制方案：利用信号控制方案的变化量，对信号控制方案进行更新，信号控制方案的更新通过公式(8)完成；G(k+1)＝G(k)+w×ΔG(8)其中：k表示迭代次数，w表示更新步长；(5)迭代优化计算：返回信号控制方案适应度评价步骤，再次进行信号控制方案适应度评价，如此迭代计算，直到适应度函数收敛，或达到最大迭代次数；选择适应度值最大的方案为最终的信号控制方案。按照技术方案中所述的信号控制方案初始化是指:根据集群智能的优化求解思想，需对一定种群数量的信号控制方案进行初始化，根据搜索空间的表达形式，将信号控制方案表达为:采取一定的策略对公式(7)所述的控制方案进行初始化，并使其满足公式此外ti的大小需根据交叉口的相位相序及各相位绿灯时间确定；对于第一相位来说，ti＝0；对于其他相位，其绿灯启亮时间是其前一相位的绿灯结束时间和黄灯时间之和。与现有技术相比本专利技术的有益效果是：1.本专利技术所述的交叉口供需协同优化控制方法能够避免交叉口排队溢出，防止交叉口死锁，满足交叉口非饱和、饱和、过饱和状态下的控制要求；2.本专利技术所述的交叉口供需协同优化控制方法将交叉口供需协同优化控制问题规约为供需协同约束多维空间的搜索寻优问题，建立了其搜索空间表达，降低了系统控制的复杂度；3.本专利技术所述的交叉口供需协同优化控制方法借鉴集群智能思想，建立了生物群体寻优的适应度函数，实现了供需时变协同控制问题的快速优化求解。附图说明下面结合附图对本专利技术作进一步的说明：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种交叉口供需协同优化控制方法,其特征在于,所述的交叉口供需协同优化控制方法包括步骤如下：1)交通供需时变协同控制框架构建：(1)交通供需时变模型构建；(2)供需协同控制问题描述；2)供需时变协同控制问题规约：将交叉口供需协同控制问题规约为供需协同约束的多维空间的搜索寻优问题；根据供需协同控制问题描述，构建其优化求解的搜索空间，具体步骤如下：(1)将交叉口供需协同控制优化问题的搜索空间SS表达为：

【技术特征摘要】
1.一种交叉口供需协同优化控制方法,其特征在于,所述的交叉口供需协同优化控制方法包括步骤如下：1)交通供需时变协同控制框架构建：(1)交通供需时变模型构建；(2)供需协同控制问题描述；2)供需时变协同控制问题规约：将交叉口供需协同控制问题规约为供需协同约束的多维空间的搜索寻优问题；根据供需协同控制问题描述，构建其优化求解的搜索空间，具体步骤如下：(1)将交叉口供需协同控制优化问题的搜索空间SS表达为：其中:ti表示第i股交通流的绿灯起始时间，gi表示第i股交通流的绿灯时长；(2)根据交叉口供需协同控制问题，其约束条件包括两个部分：一是交通供需协同约束，二是对绿灯时长的约束；其中交通流的转移比例由绿灯时长和车头时距确定，对转移比例的约束主要体现在绿灯时长约束上,为满足上述两方面的约束，搜索空间应能满足公式：其中：∩—协同操作；t0—信号周期的初始时刻；Di—t0到ti+gi期间的交通流i的交通需求量；Sj—t0到ti+gi期间的交通流i对应出口道j的交通供给量；3)供需时变协同控制问题优化求解：(1)适应度函数构建；(2)基于集群智能的供需协同控制问题求解。2.按照权利要求1所述的交叉口供需协同优化控制方法,其特征在于,所述的交通供需时变模型构建是指：交叉口的交通需求量，即进口道需要释放的交通量，受进口道到达车辆的影响；交通供给量，即出口道能够提供的排队容量，受出口道释放车辆的影响，通常，交叉口车辆的到达和释放是一个时变的过程，用r(t)、l(t)分别表示进口道车辆的到达率和出口道车辆的释放率，那么车辆在Δt期间的到达量RA和释放量LE表达为公式：因此，交叉口交通供需时变模型可表达为公式：其中：tp—tp时刻；tc—当前时刻；D(tc+Δt)—tc到tc+Δt期间的交通需求量；QA—进口道的排队车辆数；S(tc+Δt)—tc到tc+Δt期间的交通供给量；SC—出口道的静态存储容量；QE—出口道的排队车辆数。3.按照权利要求1所述的交叉口供需协同优化控制方法,其特征在于,所述的供需协同控制问题描述是指：交叉口供需协同控制方法的基本思想是通过交叉口交通供需量之间的协同，最大化交叉口的运行效率并避免交叉口排队溢出,交叉口运行效率最大化往往会造成交通量较小的车流长时间得不到释放，因此为了实现交叉口公平和效率的折中最优，交叉口供需协同控制问题可表达为式(3)：目标函数：约束条件：其中：Φ—交叉口单位时间内通过的车辆数；η＝[η1,η2,……,ηM]—惩罚矩阵；ηi表示对第i股交通流的惩罚系数，ηi由交通流的等待时间、排队长度、所在道路等级等综合决定；D＝[D1,D2,……,DM]—需求矩阵；M是交叉口进口道的交通流方向数，Di表示第i股交通流的交通需求量；η*D(C)—矩阵η和D(C)哈达马乘积；Tr'E＝[tr'E1,tr'E2,…,tr'EM]T—进口道车辆的转移矩阵；tr'Ei表示第i股交通流车辆的转移比例...

【专利技术属性】
技术研发人员：李志慧，曹倩，曲昭伟，宋现敏，陈永恒，陶鹏飞，魏巍，马永建，李海涛，钟涛，卓瑞，高少杰，田婧，吴丛，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22