本發(fā)明涉及智慧交通和交通信號(hào)控制，尤其涉及一種多交叉口可變導(dǎo)向車道與交通信號(hào)協(xié)同控制優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

1、在城市交通系統(tǒng)中，交通信號(hào)控制在減少交通擁堵、提高道路安全性和改善環(huán)境污染方面發(fā)揮了重要作用，信號(hào)控制一直被認(rèn)為是避免或緩解交通擁堵的最有效和最經(jīng)濟(jì)的方法之一。隨著人口和經(jīng)濟(jì)的快速增長，目前迫切需要通過先進(jìn)的智能交通控制技術(shù)來提高城市交通路網(wǎng)整體性能?，F(xiàn)有關(guān)于區(qū)域交通信號(hào)控制的研究主要致力于控制策略和信號(hào)控制參數(shù)優(yōu)化，如信號(hào)周期、綠燈時(shí)長和用于干線信號(hào)協(xié)調(diào)控制的相位差等。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的區(qū)域交通信號(hào)控制策略，一些相關(guān)的仿真平臺(tái)和商業(yè)軟件也得到了廣泛應(yīng)用。然而，區(qū)域交通信號(hào)控制在改善道路交通擁堵和應(yīng)用效果有限，即使在線實(shí)時(shí)信號(hào)控制系統(tǒng)可以獲得排隊(duì)長度和交通流量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，但這些研究僅考慮單一的信號(hào)控制參數(shù)，并沒有充分結(jié)合實(shí)際道路交通狀況和車道空間資源的分配問題。

2、為了填補(bǔ)目前的技術(shù)空白，本發(fā)明在單交叉口可變導(dǎo)向車道與交通信號(hào)協(xié)同控制優(yōu)化模型的基礎(chǔ)上，考慮到交叉口之間的關(guān)聯(lián)性，結(jié)合區(qū)域信號(hào)控制參數(shù)，分析可變導(dǎo)向車道功能劃分與區(qū)域信號(hào)控制參數(shù)之間的交互關(guān)系，發(fā)明了了一種多交叉口可變導(dǎo)向車道與交通信號(hào)協(xié)同控制雙層優(yōu)化控制方法，為多交叉口可變導(dǎo)向車道功能劃分和信號(hào)協(xié)同控制提供科學(xué)的理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域路網(wǎng)道路空間資源和時(shí)間資源的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，提高整個(gè)區(qū)域路網(wǎng)時(shí)空資源的利用率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、一、解決的技術(shù)問題

2、本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種用于提高區(qū)域路網(wǎng)時(shí)空資源利用率的多交叉口可變導(dǎo)向車道與交通信號(hào)協(xié)同控制優(yōu)化方法。

3、二、技術(shù)方案

4、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種多交叉口可變導(dǎo)向車道與交通信號(hào)協(xié)同控制優(yōu)化方法，包括以下步驟：

5、s1、判斷車道是否滿足可變導(dǎo)向車道的設(shè)置及開啟條件；

6、s2、計(jì)算交叉口之間的關(guān)聯(lián)度；

7、s3、計(jì)算區(qū)域車均延誤；

8、s4、計(jì)算多交叉口的可變導(dǎo)向車道功能劃分方案和信號(hào)配時(shí)方案；

9、s5、多交叉口可變導(dǎo)向車道與交通信號(hào)協(xié)同控制雙層優(yōu)化模型求解；

10、s6、判斷各個(gè)車道是否產(chǎn)生溢流。

11、進(jìn)一步地，所述s1判斷車道是否滿足可變導(dǎo)向車道的設(shè)置及開啟條件，具體包括如下步驟：

12、s11、獲取區(qū)域內(nèi)每個(gè)交叉口進(jìn)口道渠化設(shè)計(jì)及車道分布；

13、s12、計(jì)算交叉口進(jìn)口道飽和度；

14、s13、計(jì)算轉(zhuǎn)向不均衡系數(shù)。

15、進(jìn)一步地，所述s2計(jì)算交叉口之間的關(guān)聯(lián)度，具體包括如下步驟：

16、s21、計(jì)算交叉口交通需求關(guān)聯(lián)度；

17、s22、計(jì)算交叉口幾何尺寸關(guān)聯(lián)度；

18、s23、計(jì)算交叉口信號(hào)周期關(guān)聯(lián)度；

19、s24、計(jì)算區(qū)域多交叉口關(guān)聯(lián)度，確定交叉口劃分區(qū)域。

20、進(jìn)一步地，所述步驟s3計(jì)算區(qū)域車均延誤，具體包括如下步驟：

21、s31、計(jì)算交叉口車輛延誤；

22、s32、計(jì)算車輛通過交叉口的延誤；

23、s33、計(jì)算路段車均延誤。

24、進(jìn)一步地，所述步驟s4計(jì)算多交叉口的可變導(dǎo)向車道功能劃分方案和信號(hào)配時(shí)方案，具體包括如下步驟：

25、s41、計(jì)算區(qū)域延誤最小下的多交叉口可變導(dǎo)向車道劃分方案；

26、s42、計(jì)算區(qū)域最佳公共信號(hào)周期；

27、s43、計(jì)算關(guān)鍵交叉口協(xié)調(diào)相位的最小綠燈時(shí)長；

28、s44、計(jì)算非關(guān)鍵交叉口協(xié)調(diào)相位的有效綠燈時(shí)長；

29、s45、相位差優(yōu)化模型。

30、進(jìn)一步地，所述步驟s5多交叉口可變導(dǎo)向車道與交通信號(hào)協(xié)同控制雙層優(yōu)化模型求解，包括如下步驟：

31、s51、初始化變量；

32、s52、計(jì)算初始解集；

33、s53、生成新的子代種群解集；

34、s54、將初始解集與子代種群解集合并為新的解集；

35、s55、計(jì)算適應(yīng)度值；

36、s56、判斷是否生成新的父代種群；

37、s57、輸出模型的最優(yōu)解。

38、進(jìn)一步地，所述步驟s6判斷各個(gè)車道是否產(chǎn)生溢流，包括如下步驟：

39、s61、使用車道檢測器檢測各個(gè)車道的排隊(duì)長度；

40、s62、判斷車道是否溢流，否則維持現(xiàn)狀，是則采用模型繼續(xù)優(yōu)化車道和信號(hào)配時(shí)方案。

41、進(jìn)一步地，所述s3中的s35在計(jì)算區(qū)域車均延誤方面，采用實(shí)時(shí)排隊(duì)長度計(jì)算，所構(gòu)建的實(shí)時(shí)排隊(duì)長度計(jì)算模型包括了可變導(dǎo)向車道控制參數(shù)，不同飽和度下不同車道的車輛在交叉口的延誤不同。

42、進(jìn)一步地，所述s4的步驟s41在計(jì)算區(qū)域車均延誤最小下的多交叉口可變導(dǎo)向車道劃分方案方面，依據(jù)的是構(gòu)建的多交叉口可變導(dǎo)向車道與交通信號(hào)協(xié)同控制優(yōu)化雙層模型，其中，上層模型是基于車均延誤的多交叉口可變導(dǎo)向車道功能劃分模型，下層模型是考慮可變導(dǎo)向車道的多交叉口交通信號(hào)協(xié)同控制優(yōu)化模型，上層模型的輸出結(jié)果作為下層模型的輸入，同樣地，下層模型的輸出作為上層模型的輸入，實(shí)現(xiàn)空間資源與時(shí)間資源的動(dòng)態(tài)交互，迭代直至輸出兩者的最優(yōu)解。

43、進(jìn)一步地，所述s4中的s42在計(jì)算最佳公共周期時(shí)長方面，由于區(qū)域內(nèi)多個(gè)交叉口設(shè)置了可變導(dǎo)向車道，導(dǎo)致區(qū)域的交通流量重新分配，每個(gè)交叉口各個(gè)相位的流量比和總流量比也會(huì)改變，而構(gòu)建的交叉口信號(hào)周期時(shí)長的計(jì)算模型包括了可變導(dǎo)向車道控制參數(shù)，因此模型求解的公共信號(hào)周期時(shí)長，是實(shí)現(xiàn)區(qū)域路網(wǎng)時(shí)空資源的最優(yōu)解；

44、所述s4中的s45在計(jì)算相位差方面，結(jié)合了構(gòu)建的交叉口車輛延誤模型以及交叉口之間距離和行車速度建立了相位差優(yōu)化模型，相位差優(yōu)化模型可以提高選擇可變導(dǎo)向車道的車輛通過區(qū)域的通行效率，也可以對(duì)從可變導(dǎo)向車道駛出的車輛的速度進(jìn)行誘導(dǎo)，減少車輛在交叉口的延誤。

45、進(jìn)一步地，所述的可變導(dǎo)向車道設(shè)置及開啟條件需要的交通參數(shù)包括：各個(gè)交叉口不同轉(zhuǎn)向的交通流量、各個(gè)通行方向的車道數(shù)、每個(gè)車道通行能力、進(jìn)口道飽和度、轉(zhuǎn)向流量不均衡系數(shù)，開啟判斷流程見圖1。

46、進(jìn)一步地，所述的具體參數(shù)還包括信號(hào)配時(shí)方案設(shè)計(jì)與要求，具體包括：信號(hào)控制方案設(shè)置要求和信號(hào)相序設(shè)計(jì)，具體見圖2。

47、進(jìn)一步地，結(jié)合交叉口之間的關(guān)聯(lián)度模型，為多交叉口協(xié)調(diào)區(qū)域劃分提供判定條件和理論依據(jù)。交叉口關(guān)聯(lián)度模型需要的參數(shù)包括：相鄰交叉口上游到下游的交通需求、車流密度、最大信號(hào)周期和最小信號(hào)周期,交叉口關(guān)聯(lián)度劃分依據(jù)見圖3。

48、進(jìn)一步地，采用多交叉口可變導(dǎo)向車道與交通信號(hào)協(xié)同控制雙層優(yōu)化模型，對(duì)多交叉口的可變導(dǎo)向車道功能劃分方案和信號(hào)配時(shí)方案進(jìn)行優(yōu)化，輸出模型結(jié)果；模型應(yīng)用場景和假設(shè)見圖4，模型框架見圖5。

49、其中，上層模型是基于車均延誤的多交叉口可變導(dǎo)向車道功能劃分模型，車均延誤包括了三個(gè)部分：信號(hào)控制引起的車輛延誤、通過交叉口的延誤和路段延誤，如圖6所示。具體計(jì)算如下公式所示：

50、

51、其中，dijk表示i交叉口j入口k車道上信號(hào)控制導(dǎo)致的車輛延誤，s；dijk表示i交叉口j入口k車道車輛通過交叉口的延誤，s；tijk表示i交叉口j入口k車道的路段延誤，s；zijk表示分析時(shí)段內(nèi)i交叉口j入口k車道的車輛數(shù)，pcu。

52、進(jìn)一步地，車輛延誤的計(jì)算是根據(jù)車輛排隊(duì)長度得出的，排隊(duì)長度通常由均勻相位隊(duì)列長度nu和過飽和隊(duì)列長度n0組成。因此，i交叉口j入口k車道上車輛延誤dijk計(jì)算公式如下：

53、dijk＝(nuijk+noijk)·qijk/(1-j/vijk)

54、其中，i表示交叉口；j表示進(jìn)口道；k表示車道；j表示每輛車的長度，m；nuijk表示i交叉口j入口k車道上均勻相位隊(duì)列長度，pcu；n0ijk表示i交叉口j入口k車道上過飽和隊(duì)列長度，pcu；qijk表示i交叉口j入口k車道上的車輛到達(dá)率，pcu/s；vijk表示i交叉口j入口k車道上車輛的平均速度，m/s。

55、進(jìn)一步地，車輛通過交叉口的延誤是由于車輛加減速以及轉(zhuǎn)向不同導(dǎo)致的交叉口排隊(duì)消散造成的。為了更接近實(shí)際運(yùn)行情況，交叉口延誤計(jì)算公式如下：

56、d′ijk＝nijk·((vijkt-vijk0/a)-(kijk/vijkt))+ls

57、其中，vijkt表示通過i交叉口的j入口車道中k車道的車速，m/s；vijk0表示通過i交叉口的j入口車道中k車道的初始車速，m/s；a表示加速度，m2/s；lijk表示交叉口的距離(從上游入口i交叉口停止線處j入口車道中的k車道到下游交叉口出口的距離)，m；ls表示通過交叉口的車輛在加速和減速時(shí)的損失時(shí)間，s。

58、進(jìn)一步地，路段延誤tijk的計(jì)算公式如下：

59、

60、其中，tijk表示i交叉口j入口k車道的行程時(shí)間，s；t0ijk表示i交叉口j入口k車道的自由流時(shí)間，s；qijk表示i交叉口j入口k車道的車輛到達(dá)率，pcu/s；qijk表示i交叉口j入口k車道的通行能力，pcu/s；α表示擁堵系數(shù)，一般取0.15；β表示一般取4。

61、進(jìn)一步地，通過上層模型得到多交叉口可變導(dǎo)向車道功能劃分方案后，區(qū)域內(nèi)各個(gè)車道的流量比和飽和度也會(huì)發(fā)生改變，因此為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域路網(wǎng)通行效率在空間層面和時(shí)間層面的協(xié)同優(yōu)化，有必要根據(jù)可變導(dǎo)向車道功能劃分方案對(duì)區(qū)域交通信號(hào)控制方案進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化，下層區(qū)域信號(hào)控制優(yōu)化模型包括兩個(gè)部分：考慮可變導(dǎo)向車道的多交叉口交通信號(hào)協(xié)同控制優(yōu)化模型和用于協(xié)調(diào)控制的相位差優(yōu)化模型。

62、其中，考慮可變導(dǎo)向車道的多交叉口交通信號(hào)協(xié)同控制優(yōu)化模型，主要是對(duì)信號(hào)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，主要包括公共周期、綠信比和相位差。

63、進(jìn)一步地，對(duì)每個(gè)交叉口的信號(hào)周期進(jìn)行優(yōu)化，如以下公式所示：

64、

65、其中，

66、

67、其中，ln表示相位n的損失時(shí)間，s；n表示交叉口i的相位數(shù)；ynk表示相位n車道k的流量比；yi表示交叉口i的流量比之和。

68、進(jìn)一步地，為了便于區(qū)域信號(hào)協(xié)調(diào)控制，在優(yōu)化了每個(gè)交叉口的信號(hào)周期后，需要確定區(qū)域信號(hào)控制的公共信號(hào)周期，計(jì)算公式如下：

69、cm＝max(c1，c2…ci)

70、其中，cm表示道路網(wǎng)絡(luò)中的公共信號(hào)周期，s。

71、進(jìn)一步地，計(jì)算關(guān)鍵交叉口協(xié)調(diào)相位的最小綠燈時(shí)間，計(jì)算公式如下：

72、

73、其中，tegm表示關(guān)鍵交叉口m協(xié)調(diào)相位的最小綠燈時(shí)間，s；lm表示關(guān)鍵交叉口m的總損失時(shí)間，s；ym表示關(guān)鍵交叉口m的協(xié)調(diào)相位的關(guān)鍵交通流量比；ym表示關(guān)鍵交叉口m各相位的關(guān)鍵交通流量比之和。

74、

75、其中，yn表示關(guān)鍵交叉口m各相位的交通流量比；m表示關(guān)鍵交叉口m的相位數(shù)。

76、其中，如果d＝1，可變導(dǎo)向車道為左轉(zhuǎn)車道，則ym＝max{yij-l，yij-v}；如果d＝0，可變導(dǎo)向車道為直行車道，則ym＝max{yij-sr，yij-v}。

77、各相位各車道的流量比計(jì)算如以下公式所示：

78、yij-l＝qij-l/(sij-l(1+dij)

79、yij-v＝(qij-l·dij+qij-s·(1-dij))2sij-v

80、yij-sr＝qij-sr/(sij-sr(2-dij))

81、其中，dij表示i交叉口j入口可變導(dǎo)向車道通行方向；yij-l表示i交叉口j入口左轉(zhuǎn)車道的流量比；yij-v表示i交叉口j入口可變導(dǎo)向車道的流量比；yij-sr表示i交叉口j入口直行和右轉(zhuǎn)車道的流量比。

82、進(jìn)一步地，計(jì)算非關(guān)鍵交叉口非協(xié)調(diào)相位的最小綠燈時(shí)間，計(jì)算公式如下：

83、

84、其中，tegn表示非關(guān)鍵交叉口n非協(xié)調(diào)相位的最小綠燈時(shí)間，s；qn表示非關(guān)鍵交叉口n非協(xié)調(diào)相位的關(guān)鍵交通流量，pcu/h；sn表示非臨界交叉口n非協(xié)調(diào)相位的車道飽和流量，pcu/h；yn表示非關(guān)鍵交叉口n非協(xié)調(diào)相位關(guān)鍵車道的交通流量比；xp表示非關(guān)鍵交叉口n非協(xié)調(diào)相位的飽和度。

85、其中，如果d＝1，可變導(dǎo)向車道為左轉(zhuǎn)車道，則yn＝max{yij-sr，yij-v}；如果d＝0，可變導(dǎo)向車道為直行車道，則yn＝{yij-l，yij-v}。

86、進(jìn)一步地，計(jì)算非關(guān)鍵交叉口協(xié)調(diào)相位的有效綠燈時(shí)間，計(jì)算公式如下：

87、

88、其中，teg表示協(xié)調(diào)相位的最小綠燈時(shí)間，s；ln表示非關(guān)鍵交叉口的總損失時(shí)間，s；k表示非關(guān)鍵交叉口非協(xié)調(diào)相位的總數(shù)。

89、進(jìn)一步地，為了實(shí)現(xiàn)區(qū)域信號(hào)協(xié)調(diào)控制，根據(jù)下游可變導(dǎo)向車道的功能劃分方案，對(duì)相位差優(yōu)化模型進(jìn)行分類。相位差優(yōu)化模型主要分為：關(guān)鍵路徑相位差優(yōu)化模型和非關(guān)鍵路徑相位差優(yōu)化模型。

90、其中，關(guān)鍵路徑相位差優(yōu)化模型，模型如以下公式所示：

91、

92、其中，表示交叉口i和交叉口i+1之間的相位差，s；li，i+1表示從交叉口i入口處的停車線到交叉口i+1的停車線的距離，m；vi，i+1表示交叉口i到交叉口i+1車輛的行駛速度，m/s；ls表示車輛通過交叉口的加減速引起的損失時(shí)間，s；di，i+1表示車輛在交叉口i和交叉口i+1之間協(xié)調(diào)相位的車輛延誤，s。

93、進(jìn)一步地，在實(shí)際交通運(yùn)行過程中，考慮到交通流的消散需要一定時(shí)間，結(jié)合如下公式對(duì)下游交叉口i+1的車輛消散時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，具體如下：

94、

95、其中，ti，i+1表示車輛從交叉口i駛出的消散時(shí)間，s；nijk表示i交叉口j入口k車道排隊(duì)長度，pcu；sijk表示i交叉口j入口k車道飽和流量，pcu/h。

96、最終得到交叉口i和交叉口i+1之間協(xié)調(diào)相位的相位差如下公式所示：

97、

98、同理，反向交叉口i+1和交叉口i之間協(xié)調(diào)相位的相位差計(jì)算公式如下所示：

99、

100、其中，di+1,i表示車輛在交叉口i和交叉口i+1之間協(xié)調(diào)相位的車輛延誤，s；ni+1,jk表示i+1交叉口j入口k車道排隊(duì)長度，pcu；si+1,jk表示i+1交叉口j入口k車道飽和流量，pcu/h；li+1,i表示從交叉口i+1入口處的停車線到交叉口i的停車線的距離，m；vi+1,i表示交叉口i+1到交叉口i車輛的行駛速度，m/s。

101、進(jìn)一步地，在非關(guān)鍵路徑相位差優(yōu)化模型方面，通過引入基于交通流量的權(quán)重系數(shù)來確定相位差，計(jì)算公式如下所示：

102、

103、其中，

104、

105、其中，表示i交叉口到i+1交叉口的非關(guān)鍵路徑相位差，s；qijk表示i交叉口j入口k車道交通流量，pcu/h；qi+1,jk表示i+1交叉口j入口k車道交通流量，pcu/h；ω表示權(quán)重系數(shù)。

106、進(jìn)一步地，對(duì)多交叉口可變導(dǎo)向車道與交通信號(hào)協(xié)同控制雙層優(yōu)化模型地求解，基于對(duì)模型復(fù)雜程度的考慮，優(yōu)化不同的控制參數(shù)(可變導(dǎo)向車道設(shè)計(jì)方案、信號(hào)周期、綠燈時(shí)間和相位差)，選取非支配排序遺傳算法ⅱ(nsga-ⅱ算法)，該算法可以較好地為多目標(biāo)優(yōu)化問題尋求最優(yōu)解，模型的詳細(xì)求解流程如圖7所示。

107、進(jìn)一步地，對(duì)比模型優(yōu)化后的區(qū)域車均延誤，如果比上次迭代結(jié)果小則繼續(xù)優(yōu)化，否則停止優(yōu)化，采用上次迭代優(yōu)化得到的車道方案和信號(hào)配時(shí)方案。

108、進(jìn)一步地，為了防止排隊(duì)長度過長，對(duì)周邊交叉口的通行效率造成影響，需要采用車道檢測器，對(duì)車道排隊(duì)長度進(jìn)行監(jiān)測，以此判斷模型結(jié)果是否導(dǎo)致交叉口溢流，是則擴(kuò)大優(yōu)化的子區(qū)域范圍，否則將車道方案和信號(hào)配時(shí)方案下發(fā)至信號(hào)機(jī)。

109、三、有益效果

110、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

111、首先，根據(jù)實(shí)時(shí)收集的每個(gè)交叉口各個(gè)進(jìn)口道每個(gè)轉(zhuǎn)向的交通流量數(shù)據(jù)，對(duì)區(qū)域多交叉口可變導(dǎo)向車道的設(shè)置及開啟條件進(jìn)行判別；然后考慮到交叉口之間的關(guān)聯(lián)性，將研究范圍擴(kuò)展到多交叉口，根據(jù)交叉口關(guān)聯(lián)度模型，計(jì)算交叉口之間的關(guān)聯(lián)度，確定多交叉口的協(xié)調(diào)區(qū)域；進(jìn)而，結(jié)合車輛通過交叉口的延誤模型和路段阻抗模型以及區(qū)域信號(hào)控制參數(shù)，本發(fā)明構(gòu)建了多交叉口可變導(dǎo)向車道與交通信號(hào)協(xié)同控制雙層優(yōu)化模型；模型以區(qū)域車均延誤最小為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)多交叉口的可變導(dǎo)向車道功能劃分方案進(jìn)行優(yōu)化；根據(jù)區(qū)域多交叉口可變導(dǎo)向車道功能劃分方案，對(duì)區(qū)域內(nèi)各個(gè)轉(zhuǎn)向的交通流量進(jìn)行重新分配，根據(jù)變化后的流量比，重新計(jì)算多交叉口的最佳公共周期時(shí)長、各交叉口每個(gè)相位的有效綠燈時(shí)長及相位差；最后，判斷模型的結(jié)果是否導(dǎo)致溢流，是則擴(kuò)大優(yōu)化的子區(qū)域范圍，否則將車道方案和信號(hào)配時(shí)方案下發(fā)至信號(hào)機(jī)；

112、綜上，本發(fā)明考慮到交叉口之間的關(guān)聯(lián)性，結(jié)合區(qū)域信號(hào)控制參數(shù)，分析可變導(dǎo)向車道功能劃分與區(qū)域信號(hào)控制參數(shù)之間的交互關(guān)系，構(gòu)建了一種多交叉口可變導(dǎo)向車道與交通信號(hào)協(xié)同控制雙層優(yōu)化數(shù)理模型，為多交叉口可變導(dǎo)向車道功能劃分和信號(hào)協(xié)同控制提供科學(xué)的理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域路網(wǎng)道路空間資源和時(shí)間資源的動(dòng)態(tài)優(yōu)化，提高整個(gè)區(qū)域路網(wǎng)時(shí)空資源的利用率。