一种城市饱和交叉口信号配时的优化方法技术

本发明专利技术公开了一种城市饱和交叉口信号配时的优化方法，首先利用交叉口各进口道方向实时到达车辆检测机制，结合历史分布数据预测下一周期交叉口进口道转向流量与滞留车辆数，同时在自适应调整信号相位模式、确定相位相序基础上，引入延误、停车次数与排队长度三个指标最终搭建双环配时优化模型，利用综合评价函数以衡量信号配时方案的优劣。再通过改进的遗传算法寻优求解，最终得出周期性动态信号配时方案。该方法每隔一个周期单元循环，实时分析道路交通数据来更新配时状况，从而达到提高交叉口整体运行效率的目的。

An optimization method of signal timing at urban saturation intersection

【技术实现步骤摘要】
一种城市饱和交叉口信号配时的优化方法
本专利技术属于智能交通和交通控制
，具体涉及一种城市饱和交叉口信号配时的优化方法。
技术介绍
交叉口作为道路交通网中的瓶颈区域，是交通堵点和安全事故的多发点。由于车流量具有时空分布不均的特性，且考虑到道路建设资金与空间的约束，大部分信控交叉口在高峰时段常处于过饱和状态，这时传统信号配时易使交叉口车辆出现过长排队并回溯至上游交叉口，引发大面积的交通瘫痪。而目前还没有一种有效手段来解决该问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种城市饱和交叉口信号配时的优化方法，以解决现有技术中城市中早晚高峰时期车流量增多导致交叉口出现短暂过饱和状态的问题，该方法能够在避免车辆回溯上游交叉口或快速路主路造成锁死的前提下，改良信号灯配时，将交叉口各个进口道的综合性能最优化。本专利技术的技术方案是：为解决上述技术问题，本专利技术采用一种城市饱和交叉口信号配时的优化方法，包括交叉口车流量检测方法、双环配时优化模型与改进遗传算法。具体包括以下几个步骤：S1：检测交叉口进口道上游、中游以及下游的车辆数，根据交叉口进口道上游车辆数实时获取每一信号周期内的车辆到达数；结合历史统计的转向流量比例数据和交叉口进口道上游、中游以及下游的车辆数，实时获取每一信号周期内的滞留车辆数；S2：根据每一信号周期内的车辆到达数与历史统计的转向流量比例数据，预测交叉口下一周期的进口道转向流量；S3：根据预测周期的延误、停车次数和排队长度指标计算公式，综合建立交叉口不同相序相位下的双环信号配时决策模型；S4：基于自适应改进式遗传算法框架，对下一信号周期的绿灯时长进行编码，得到绿灯配时群体；代入绿灯配时群体、S1的滞留车辆数和S2的预测周期交叉口进口道的转向流量到S3的双环信号配时决策模型中，求出不同适应度函数值，通过选择、交叉和变异的方式，从而筛选出决策模型中适应度函数最优个体的预测周期绿灯配时，将该预测周期绿灯配时作为城市饱和交叉口信号配时方案。进一步地，在S1中，在交叉口各进口道上游、中游以及下游布置检测器，通过检测器检测车辆数，具体布设原则为：将上游的检测器布设在进口道路段与其他主要道路相交距离不远处(上游交叉口、快速路下匝道衔接地面道路处等)和研究路段的进出岔路口以统计到达的车辆总数，中游检测器布设在道路交叉口实画标线起始处，认为此时车辆已经换道完成。下游检测器布设在交叉口停车线处。到达车辆数的计算，公式具体为：Do＝∑di其中，di为上游第i车道对应上游检测器在周期结束时检测到的整周期的车辆数。对滞留车辆数的计算，数据采集处理间隔为一周期一次，每一信号周期内的滞留车辆数按如下公式进行：当车辆排队Lqi小于dei时：当进口道第i车道组车辆排队Lqi大于dei，且其他车道组排队长度小于dei时：当进口道第i车道组车辆排队Lqi大于dei，且还存在其他车道组车辆排队Lqi大于dei时：其中，dei为在第i车道组中游检测器与下游检测器间的距离；Lqi为在第i车道组实际的车队长度；NM分别是进口道车道组i滞留车辆数和中游检测器通过车辆数；θi为交叉口历史转向流量数据中第i转向对应的比例。在S2中，预测下一周期各进口道转向流量具体为：对S1通过上游检测器检测的到达车辆数Do除以周期长度，再乘以θi，得到这一周期第i转向的流量qi。再将最近3个周期检测的流量数据求和取平均，并乘以修正系数S以此作为下一周期的各进口道转向流量qr，公式如下：其中，qi为此时第i相位的流量；di为上游第i流向对应检测器在周期结束时检测到的整周期的车辆数；qr为预测下一周期第i相位的流量；S为修正系数，一般取值为1.05-1.2。进一步在S3中，具体方法有：首先，根据S1中采集的流量数据，判断交叉口是否需要设置左转专用相位和双环信号配时模式以确定模型的相位相序，具体为：(1)根据左转车辆与对向直行小时车流量乘积是否大于50000决定，若流量乘积大于50000，则应设置左转保护相位，反之则不需设置；且其相关约束为周期时长在50s-200s之间，分割线内的总时长为20s-120s之间，若分割线内有两个相位，则单个相位时长占分割线内总时长的比值范围为0.25-0.75之间；(2)在双环配时优化中，将相位用一条分割线分成两部分，分割线内的相位时长之和必须相等，分割线两边的相位之和等于周期时长，并且相位绿灯时间、周期时长在合理的区间内，以此确定配时约束条件；随后，对预测周期三大指标的计算公式的确定，具体表现为：(1)延误指标公式的确定，采用AKCELIK延误模型，其中，均匀延误和随机与过饱和延误的计算公式如下：根据均匀延误和随机与过饱和延误得到交叉口车辆平均延误d*：式中：Cir为circle，代表信号周期长，单位为s，表示信号灯色按设定的相位顺序显示一周所需的时间；d*为交叉口车辆平均延误，单位为s；c为通行能力，单位为pcu/s；ge为有效绿灯时间，单位s；λ为绿信比v是车辆平均到达率，单位pcu/s；S为饱和流率，单位为pcu/s；y为流率比(v/S)；re为有效红灯时间，单位为s；x为饱和度；N0为平均过饱和滞留车队长度函数，公式如上；T为分析时段，单位为s；i为第i个进口道车道组。(2)停车次数指标公式的确定，具体有：1、稳态理论其中，h:平均停车率；u:某相位下绿信比；y:流率比；Ns:不饱和交叉口平均滞留排队长度；v:到达率；C:周期；x:饱和度；s:饱和流率；2、过渡函数h＝f(hu+ho)其中，hu:正常阻滞的停车率；ho:随机与过饱和下的停车率；f:考虑完全停车而设置的修正系数；c:通行能力；tf:dh-(gs-ge)；ge:有效绿灯时间；dh为在一次完全停车的减速加速过程中，车辆平均延误值(由平均阻滞行驶车速与平均速度变化率关系比求得)；r:有效红灯时间；z:x-1；gs:通行饱和状态持续时间；3、定数理论其中，Nd:平均过饱和滞留车辆数，即进口道方向所有车道上滞留车辆总和；T为分析时段。(3)对预测消散排队长度模型的分析，结合交通波理论和二流理论，建立当量预测消散排队长度模型，具体公式为：NU(t)＝qr×tND(t)＝c×tg式中，N0:初始时刻上下游断面之间车辆数，即代入为步骤一的周期结束时滞留车辆数；NU(t):t时刻通过上游检测器断面的车辆累计数；ND(t):t时刻通过下游检测器断面的车辆累计数；ΔN(t):t时刻上下游断面之间的车辆数；LD(t):t时刻上下游断面之间的当量排队长度；L:上下游断面间的实际距离长度；LA(t):t时刻启动波所在位置；kj：上下游之间交通流阻塞密度；km：上下游本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种城市饱和交叉口信号配时的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1：检测交叉口进口道上游、中游以及下游的车辆数，根据交叉口进口道上游车辆数实时获取每一信号周期内的车辆到达数；结合历史统计的转向流量比例数据和交叉口进口道上游、中游以及下游的车辆数，实时获取每一信号周期内的滞留车辆数；/nS2：根据每一信号周期内的车辆到达数与历史统计的转向流量比例数据，预测交叉口下一周期的进口道转向流量；/nS3，确定预测周期的延误指标、停车次数指标和排队长度指标计算公式，根据预测周期的延误指标、停车次数指标和排队长度指标计算公式，建立交叉口不同相序相位下的双环信号配时决策模型；/nS4，基于自适应改进式遗传算法框架，对下一信号周期的绿灯时长进行编码，得到绿灯配时群体，将所述绿灯配时群体、S1得到的滞留车辆数以及S2得到的预测周期交叉口进口道的转向流量代入S3得到的双环信号配时决策模型中，求解出不同适应度函数值，筛选出决策模型中适应度函数最优个体的预测周期绿灯配时，将该预测周期绿灯配时作为城市饱和交叉口信号配时方案。/n

【技术特征摘要】
1.一种城市饱和交叉口信号配时的优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：检测交叉口进口道上游、中游以及下游的车辆数，根据交叉口进口道上游车辆数实时获取每一信号周期内的车辆到达数；结合历史统计的转向流量比例数据和交叉口进口道上游、中游以及下游的车辆数，实时获取每一信号周期内的滞留车辆数；
S2：根据每一信号周期内的车辆到达数与历史统计的转向流量比例数据，预测交叉口下一周期的进口道转向流量；
S3，确定预测周期的延误指标、停车次数指标和排队长度指标计算公式，根据预测周期的延误指标、停车次数指标和排队长度指标计算公式，建立交叉口不同相序相位下的双环信号配时决策模型；
S4，基于自适应改进式遗传算法框架，对下一信号周期的绿灯时长进行编码，得到绿灯配时群体，将所述绿灯配时群体、S1得到的滞留车辆数以及S2得到的预测周期交叉口进口道的转向流量代入S3得到的双环信号配时决策模型中，求解出不同适应度函数值，筛选出决策模型中适应度函数最优个体的预测周期绿灯配时，将该预测周期绿灯配时作为城市饱和交叉口信号配时方案。


2.根据权利要求1所述的一种城市饱和交叉口信号配时的优化方法，其特征在于，S1中，在交叉口进口道上游、中游以及下游分别布置检测器，通过检测器检测车辆数；交叉口进口道上游的检测器布置于进口道路段与其他主要道路相交预设距离处和研究路段的进出岔路口；交叉口进口道中游的检测器布置于道路交叉口实画标线起始处；交叉口进口道下游的检测器布置于交叉口停车线处。


3.根据权利要求1所述的一种城市饱和交叉口信号配时的优化方法，其特征在于，S1中，每一信号周期内的车辆到达数Do的计算过程如下：
Do＝∑di
其中，di为上游第i车道对应上游检测器在周期结束时检测到的整周期的车辆数。


4.根据权利要求1所述的一种城市饱和交叉口信号配时的优化方法，其特征在于，S1中，数据采集处理间隔为一周期一次，每一信号周期内的滞留车辆数的计算过程如下：
当车辆排队Lqi小于dei时：



当进口道第i车道组车辆排队Lqi大于dei，且其他车道组排队长度小于dei时：



当进口道第i车道组车辆排队Lqi大于dei，且还存在其他车道组车辆排队Lqi大于dei时：



其中，dei为在第i车道组中游检测器与下游检测器间的距离；Lqi为在第i车道组实际的车队长度；NM分别是进口道车道组i滞留车辆数和中游检测器通过车辆数；θi为交叉口历史转向流量数据中第i转向对应的比例。


5.根据权利要求1所述的一种城市饱和交叉口信号配时的优化方法，其特征在于，S2中，预测交叉口下一周期的进口道转向流量的过程包括：
对S1中检测的每一信号周期内的车辆到达数Do除以周期长度，再乘以θi，得到这一周期第i转向的流量qi；再将最近3个周期检测的流量数据求和取平均，并乘以修正系数S以此作为下一周期的各进口道转向流量qr，计算公式如下：






其中，qi为此时第i相位的流量；di为上游第i流向对应检测器在周期结束时检测到的整周期的车辆数；qr为预测下一周期第i相位的流量；S为修正系数。


6.根据权利要求1所述的一种城市饱和交叉口信号配时的优化方法，其特征在于，S3中：
延误指标公式的确定：采用AKCELIK延误模型，其中，均匀延误和随机与过饱和延误的计算公式分别如下：












根据均匀延误和随机与过饱和延误得到交叉口车辆平均延误d*：



以交叉口车辆平均延误d*作为延误指标公式；
式中：Cir为circle，代表信号周期长，单位为s，表示信号灯色按设定的相位顺序显示一周所需的时间；d*为交叉口车辆平均延误，单位为s；c为通行能力，单位为pcu/s；ge为有效绿灯时间，单位s；λ为绿信比v是车辆平均到达率，单位pcu/s；S为饱和流率，单位为pcu/s；y为流率比(v/S)；re为有效红灯时间，单位为s；x为饱和度；N0为平均过饱和滞留车队长度函数，公式如上；T为分析时段，单位为s；i为第i个进口道车道组。


7.根据权利要求1所述的一种城市饱和交叉口信号配时的优化方法，其特征在于，S3中：
停车次数指标以平均停车率h表示，平均停车率h采用如下任意一种方式确定：
方式一：稳态理论









其中，h:平均停车率；u:某相位下绿信比；y:流率比；Ns:不饱和交叉口平均滞留排队长度；v:到达率；C:周期；x:饱和度；s:饱和流率；
方式二：过渡函数
h＝f(hu+ho...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁国华，刘师卫，张宝坤，邱映寒，邱树荣，刘星彤，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61