一种基于动态O-D矩阵估计的干线协调信号控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于动态O-D矩阵估计的干线协调信号控制方法，该方法利用干线上各路口进出口道检测的路段流量，采用卡尔曼滤波和反向传播神经网络算法分别估计路口的动态O-D矩阵，并设计贝叶斯组合方法提高估计结果的精度和稳定性，在此基础上建立单路口多目标信号控制模型，并将计算出的各路口信号周期最大值作为干线公共周期。进一步设计以干线车辆不受阻率最大为目标函数的干线协调信号控制方法，求解得到各路口干线方向的绿信比及相邻路口间的相位差，从而形成干线协调信号控制方案。本方法在保证干线车辆优先通行的前提下，兼顾各单路口的通行效率，解决了现有技术无法根据交通量变化实时调整控制方案的问题，具有高精度、在线应用等优点。

【技术实现步骤摘要】
—种基于动态O-D矩阵估计的干线协调信号控制方法
本专利技术属于智能交通控制
，具体涉及一种基于动态O-D矩阵估计的干线协调信号控制方法。
技术介绍
实时的信号控制系统作为先进的交通管理系统的核心部分，对于缓解城市交通拥堵起着至关重要的作用。同时，由于实时信号控制系统的控制方案随着时间不断变化，因此需要以实时的交通流数据作为信号控制方案的基础数据。作为信号控制的基本单元，路口的实时信号控制需要动态的路口进出口流量及转向流量作为输入数据，而在现有流量检测系统的条件下，路口在各进出口道处的路段流量很容易获得，但实时转向流量则无法检测得到。路口动态O-D矩阵估计模型可以根据检测到的路口进出口流量的时间序列，反推得到路口动态O-D矩阵，即动态转向流量。随着智能交通技术的发展，该模型受到广泛关注，提出了递推估计算法(1987)、Bell车队扩散法(1991)、遗传算法(2005)、卡尔曼滤波算法(2006)、反向传播(Back propagation，简称BP)神经网络算法(2007)等路口动态O-D矩阵估计方法，这些方法可以为单路口的信号控制提供很好的基础支撑。另外，在城市道路网中，路口之间的间隔一般都不大，尤其对于某条干线上的多个单独路口，在实施相互独立的信号控制方案时，经常会出现路口间的车队没有完全消散或者车队总因红灯而停车的情况，致使车辆排队现象频繁出现并累积，从而导致干线严重的交通拥堵。为了使干道上的大部分甚至全部车辆在绿灯时间顺利通过，避免对下一个信号周期到达的车辆通行造成影响，需要建立一种考虑车队消散的干线协调控制方法。在现有的干线协调控制方法中，协调控制的主要参数有公共周期、绿信比和相位差。为了得到最优的控制参数，学者们已经提出了多种控制方法，如最大绿波带法和基于延误最小的相位差优化法等。现有的路口动态O-D矩阵估计方法及干线协调信号控制方法还存在以下不足:在路口动态O-D矩阵估计方法中，递推估计算法、Bell车队扩散法都是以线性模型推导和估计动态O-D矩阵，适合较长时间经过流量平滑处理的估计，难以估计实时非线性变化的动态O-D矩阵，不适于在线应用；遗传算法在路口动态O-D估计中被用来求解最小化观测值和估计值的误差绝对值之和的优化模型，经过迭代使结果进化到包含或接近最优解的状态，效率相对较低；卡尔曼滤波算法递推的本质决定了其效率较高但精度相对欠佳；BP神经网络算法根据历史数据进行训练和学习，并与实际数据进行比较得到误差，通过反向传播误差来不断调整网络的权值和阈值，使网络的误差平方和最小，在稳定的权值和阈值条件下实现对当前数据的估计，但具有训练速度慢、易陷入局部最优等不足之处。在干线协调信号控制方法中，最大绿波带法和基于延误最小的相位差优化法等方法均得到了广泛应用，但是这些方法均对干线上各路口的几何条件、相邻路口间的距离、各路口处车辆的到达规律等有着较严格的限制，并且求出的信号控制方案在一定时间内是固定的，不能根据交通流量的变化进行真正的实时调整。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是现有技术中，路口动态O-D矩阵估计的不同方法具有不同缺点，如估计偏差大、稳定性差或效率低等；干线协调信号控制方法对道路条件要求高，且得到的信号控制方案不能根据交通情况的变化进行真正的实时调整；进而提供一种基于动态O-D矩阵估计的干线协调信号控制方法，以各路口进出口道的路段流量检测值为基础，计算得到干线公共周期、各路口绿信比及相邻路口相位差等参数，实现干线的实时协调信号控制，提高通行能力。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种基于动态O-D矩阵估计的干线协调信号控制方法:本控制方法包括基于动态O-D矩阵估计的干线公共周期计算方法和基于车辆不受阻率最大的干线绿信比和相位差计算方法，两种方法共同构成基于动态O-D矩阵估计的干线协调信号控制方法，根据流量检测器得到的各路口进出口道路段流量，可以计算出干线各路口的最佳公共周期、绿信比和相邻路口间的相位差，实现干线协调控制，其主要步骤如下:(I)路口进出口道流量检测:在干线上各个路口进出口道运行路段流量检测器，检测得到每个时段路口进出口道的路段交通流量；(2)路口动态O-D矩阵的估计:将路口的动态转向比例作为自变量，以检测得到的路口进出口道流量为已知量，在远端计算机中运行基于贝叶斯加权的路口动态转向比例估计模型程序，求解各个路口的动态转向比例，进一步得到路口的动态O-D矩阵；(3)干线公共周期的确定:在远端计算机中运行多目标信号控制模型的算法程序，以路口动态O-D矩阵为已知量，求解以车辆延误和平均排队长度最小、道路有效通行能力最大为目标的多目标信号控制模型，得到各路口最优的信号配时周期，选择最大的周期值作为干线公共周期；(4)车辆消散时间的计算:通过检测器判断每对邻近路口下一路口车队是否在上一路口车队到达之前已经消散，并分为未消散和已消散两种情形，分别计算每个路口的车辆消散时间；(5)干线协调控制方案的确定:将干线公共周期、各路口车辆消散时间输入到基于车辆不受阻率最大的干线绿信比和相位差计算模型中，以干线的不受阻率最大为目标函数，求解每个路口的绿信比和相位差，公共周期、绿信比和相位差三组参数共同构成干线协调信号控制方案；(6)将得到的控制参数传输到信号机实施，实现干线协调信号控制。在采用基于动态O-D矩阵估计的单路口多目标信号控制模型计算出干线上各单独路口最优周期的基础上，选择最大的周期值作为干线公共周期C，并建立基于车辆不受阻率最大的干线绿信比和相位差计算方法，求解干线协调控制的绿信比和相位差，保证干线方向车辆顺利通过；车辆在相邻路口之间行驶所需的间隔周期数:N = IrnO式中I为干线上相邻路口之间的距离；v为车辆在相邻路口之间行驶的平均速度；C为干线公共周期；INT()为取整函数。干线路段上行驶的车辆在到达路口时，会出现两种情况:第一种情况是路口信号灯为绿灯，车辆可以直接通过路口，即不受阻碍直接通过；第二种情况是路口信号灯为黄灯或红灯，车辆需要等待信号灯变为绿灯后才能通过，即车辆通过受阻。①第一种情况:通过路口 η-1行驶至路口 η的时间小于路口 η在上周期红灯积累下的车辆消散的时间，车辆行驶至路口 η时需排队通过，即:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于动态O‑D矩阵估计的干线协调信号控制方法，其特征在于：本控制方法包括基于动态O‑D矩阵估计的干线公共周期计算方法和基于车辆不受阻率最大的干线绿信比和相位差计算方法，两种方法共同构成基于动态O‑D矩阵估计的干线协调信号控制方法，根据流量检测器得到的各路口进出口道路段流量，可以计算出干线各路口的最佳公共周期、绿信比和相邻路口间的相位差，实现干线协调控制，其主要步骤如下：(1)路口进出口道流量检测：在干线上各个路口进出口道运行路段流量检测器，检测得到每个时段路口进出口道的路段交通流量；(2)路口动态O‑D矩阵的估计：将路口的动态转向比例作为自变量，以检测得到的路口进出口道流量为已知量，在远端计算机中运行基于贝叶斯加权的路口动态转向比例估计模型程序，求解各个路口的动态转向比例，进一步得到路口的动态O‑D矩阵；(3)干线公共周期的确定：在远端计算机中运行多目标信号控制模型的算法程序，以路口动态O‑D矩阵为已知量，求解以车辆延误和平均排队长度最小、道路有效通行能力最大为目标的多目标信号控制模型，得到各路口最优的信号配时周期，选择最大的周期值作为干线公共周期；(4)车辆消散时间的计算：通过检测器判断每对邻近路口下一路口车队是否在上一路口车队到达之前已经消散，并分为未消散和已消散两种情形，分别计算每个路口的车辆消散时间；(5)干线协调控制方案的确定：将干线公共周期、各路口车辆消散时间输入到基于车辆不受阻率最大的干线绿信比和相位差计算模型中，以干线的不受阻率最大为目标函数，求解每个路口的绿信比和相位差，公共周期、绿信比和相位差三组参数共同构成干线协调信号控制方案；(6)将得到的控制参数传输到信号机实施，实现干线协调信号控制。...

【技术特征摘要】
1.一种基于动态O-D矩阵估计的干线协调信号控制方法，其特征在于: 本控制方法包括基于动态O-D矩阵估计的干线公共周期计算方法和基于车辆不受阻率最大的干线绿信比和相位差计算方法，两种方法共同构成基于动态O-D矩阵估计的干线协调信号控制方法，根据流量检测器得到的各路口进出口道路段流量，可以计算出干线各路口的最佳公共周期、绿信比和相邻路口间的相位差，实现干线协调控制，其主要步骤如下: (1)路口进出口道流量检测:在干线上各个路口进出口道运行路段流量检测器，检测得到每个时段路口进出口道的路段交通流量； (2)路口动态O-D矩阵的估计:将路口的动态转向比例作为自变量，以检测得到的路口进出口道流量为已知量，在远端计算机中运行基于贝叶斯加权的路口动态转向比例估计模型程序，求解各个路口的动态转向比例，进一步得到路口的动态O-D矩阵； (3)干线公共周期的确定:在远端计算机中运行多目标信号控制模型的算法程序，以路口动态O-D矩阵为已知量，求解以车辆延误和平均排队长度最小、道路有效通行能力最大为目标的多目标信号控制模型，得到各路口最优的信号配时周期，选择最大的周期值作为干线公共周期； (4)车辆消散时间的计算:通过检测器判断每对邻近路口下一路口车队是否在上一路口车队到达之前已经消散，并分为未消散和已消散两种情形，分别计算每个路口的车辆消散时间； (5)干...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦朋朋，郭金，杜林，孙拓，李扬威，王红霖，刘美琪，
申请(专利权)人：北京建筑大学，
类型：发明
国别省市：北京;11