一种协调干线管控问题研判的优化方法与优化系统与流程

1.本发明涉及交通信号控制研究技术领域，尤其是涉及一种协调干线管控问题研判的优化方法与优化系统。


背景技术：

2.干线绿波协调控制是目前常用的交通信号控制手段，实施信号协调控制方案的前提是进行协调控制路口的选定与干线协调方向的配置。传统的协调干线配置是以人工经验为主；在此基础上，还形成了干线分段绿波等干线子区划分方法专利号cn106297334b公开了绿波协调控制下的干线路段划分方法，以解决较长干线实施整体绿波控制时容易出现的绿波带宽过窄等问题，但此类方法实施的前提仍为需自主确定总体的协调控制路口范围，从而进行进一步细化分段。目前的干线协调优化控制，以信号配时参数的优化为主，通过分析提取路口间的行程时间、路口的排队长度、通行流量等参数，对协调方案的周期长度、相位差、绿时长度等配时参数的合理性进行分析，或直接根据交通流参数生成最优方案进行时段划分方案以及配时参数的优化调整。目前尚缺乏一种对协调干线配置的问题研判、合理性分析与优化的方法。


技术实现要素：

3.为了解决上述问题，本发明针对干线协调控制方案，提出一种智能化的问题研判与优化方法和系统，实现对信号控制系统已配置或已执行的干线绿波、红波等协调控制方案的合理性分析，智能识别出干线控制方案配置基础环节可能存在的问题，包括协调控制路口选择、协调方向、控制时段；进一步地，通过配置方案与最优方案的差异性分析，形成数据驱动与人工配置的互反馈机制，从直行、左转车流干扰的角度对路口进口车道组织渠化方案可能存在的问题进行研判，并提出优化建议，从而为协调干线管控的全方位优化提供依据。
4.为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现的：一种协调干线管控问题研判的优化方法与优化系统，包括如下步骤：
5.s1、搭建路网拓扑结构，link
i
表征路段，i为路段编号，link
i
包含的字段信息包括：路段id、路段长度l
i
、路段所属路线的城市道路等级r
i
、路段限速v
i
、路段下游路口node
i
、路段上游路口node
i
‑1，还包括下游路口node
i
其他方向出口道所连接的路段编号、及从link
i
通过node
i
驶入对应编号路段的转向；其中路段node
i
表征路口，包含的字段包括：路口id、路口类型(包括十字型、t字型、环形)、是否布设信号灯、进口车道类型、进口车道id；
6.其中，城市道路等级r
i
取值条件为主干路r
i
＝1，次干路r
i
＝2，支路r
i
＝3；
7.s2、构建可协调控制路段初始集合s0；
8.s3、根据历史阶段的短时间隔交通流运行检测数据，确定s0中各路段下游路口进口道在全天各短时间隔内的主流向；将主流向一致的连续短时间隔汇合为一个时段，时段长度由短时间隔数量及短时间隔的单位时间长度确定；
9.检测汇合后的时段t(t)长度是否低于阈值，t为时段编号；标记出低于阈值的时段t'(t)；若t'(t)的前一相邻时段t(t
‑
1)及其后相邻时段t(t 1)均未标记，转入s3
‑
1；否则转入s3
‑
2；
10.s4、输出s0中每个路段的时段汇集方案以及对应的主流向，通过叠加路段实际车辆通行轨迹进行可靠性分析；
11.s5、根据s1路网拓扑结构数据，通过主流向与路段的下游转向匹配情况，连接路段与下游相邻路段形成协调路线，检测两路段协调时段的重合度；
12.s6、提取s5中确定的各协调路线的起始路口、协调方向、控制时段，从路网的历史过车检测数据中检索与控制时段一致的，且在起始路口的通行流向与协调方向一致的历史过车记录；
13.对检索出的历史过车记录进行通行路线轨迹重构，即根据号牌匹配，从车辆后续其他路口的过车检测记录中进行轨迹跟踪，形成历史通行路线；
14.统计历史通行路线与s5生成的协调路线的重合度，即完全一致的路线量与历史通行路线总量的比值，将重合度超过设定阈值的路线确定为协调路线；
15.输出路网内可进行协调控制的最优路线方案l与相应的协调控制方向、协调控制时段；
16.s7、对于需要进行问题分析的协调干线l，从信号控制系统中获取干线协调控制方案配置情况，包括干线路口、协调方向、控制时段；
17.从l中检索出包含l中所配置的所有路口的线路，将其与s6输出的协调路线进行一致性比对；
18.s8、统计l中标记出的协调方向不一致的路段数量，若标记路段占已配置路线路段总量的比例超出设定阈值，则进行干线配置问题的深度研判，否则对干线配置方案、协调方向以及控制时段提出优化建议。
19.进一步地，所述s2中根据如下组合条件进行路段筛选：
20.式中th
l
为路段长度阈值，n
j
为路段下游路口各转向对应的车道数，j为转向编号，取值1～12，分别指代西左、西直、西右、南左、南直、南右、东左、东直、东右、北左、北直、北右，th
n
为车道数阈值。
21.进一步地，所述s3中还包括以下步骤：
22.s3
‑
1，若t'(t)的前一相邻时段t(t
‑
1)与其后相邻时段t(t 1)的主流向一致，则将t(t
‑
1)、t'(t)、t(t 1)合并为同一时段，时段t(t
‑
1)的起始时刻不变，终止时刻变更为原t(t 1)的终止时刻，该时段的主流向统一为t(t
‑
1)的主流向；
23.若t'(t)的前一相邻时段t(t
‑
1)与其后相邻时段t(t 1)的主流向不一致，则将t'(t)与t(t
‑
1)合并，时段t(t
‑
1)的起始时刻不变，终止时刻变更为原t'(t)的终止时刻，该时段的主流向为原t(t
‑
1)的主流向；
24.s3
‑
2，检索出距t'(t)最近的前、后非标记时段，将这两个非标记时段之间的所有标记时段合并为新的控制时段，并统计新控制时段内主流向判定指标：累计流量、或最大饱
和度、或平均排队长度，该指标的选取需与s3进行主流向初始判定时一致；将统计后的指标最大流向确定为新时段的主流向。
25.进一步地，所述步骤4中可靠性分析的具体方法为：根据路段上下游路口的过车号牌识别数据，计算车辆的路段行程时间；汇集与s3所采用的流量数据同期历史阶段路段行程时间样本，统计可靠性式中为路段i行程时间样本95％分位数，为样本均值；若可靠性不超过阈值，则结束流程。
26.进一步地，所述步骤5中检测两路段协调时段的重合度的表示为t
i
、t
i’分别为已连接为协调路线的两路段的在s3中确定的控制时段；若重合度低于设定阈值，则取消两路段连接为协调路线的方案，否则协调路线成立，且将t
i
∩t
i'
作为协调路线的控制时段；重复上述操作，直至无法再对s0中的路段进行连接操作，形成协调路线并确定对应的控制时段，由协调路线连接时的主流向走向确定协调方向；从中筛选出交叉口数不小于3的路线，进行下一步；
27.进一步地，所述步骤7中进行一致性比对的具体方法为：
28.如仅检索出一条线路，即配置线路与生成最优线路方案完全一致，或配置线路为最优线路的子路段，检测l中的协调方向、控制时段与l是否一致，若存在不一致，则输出优化建议，并输出最优路线方案l中的协调方向、控制时段，并结束流程；
29.若存在多条线路，即配置线路由最优路线方案中的多条线路组成，则将配置线路的协调方向与最优方案中的线路协调方向进行比对，若方向均一致，则根据l的线路配置情况输出干线拆分优化建议；检测控制时段一致性，对于存在不一致的情况，输出各线路的时段优化建议；若方向存在不一致，则将协调方向不一致的路段标记，转入s8；
30.进一步地，所述步骤8中因已配置的干线方案与s6输出的最优路线方案协调方向出现严重不一致，则对标记出的路段的下游路口进口道车辆运行情况进行核查，具体方法为：
31.根据最优方案中的协调方向d
o
与已配置的干线协调方向d
p
，对标记出的路段的下游路口node_mark进口道与d
o
、d
p
对应的所有车道的车辆通行与排队情况进一步分析研判，从而检测是否存在协调方向误判的情况，具体方法为：
32.(1)根据d
o
、d
p
的饱和车头时距、排队长度计算平均排队疏散时间；该参数的时间间隔与排队长度一致，一般为5min或15min；
33.(2)提取d
o
、d
p
对应的所有车道的排队长度的原始小间隔采集数据，一般为5s时间间隔；从已配置的干线方案中提取标记出的路段的下游路口的信号周期长度；以至少两个信号周期长度为时间窗口tw，形成时间窗口内的各车道排队长度的时间序列，并根据标准车辆长度转化为排队车辆数时间序列q(t)；
34.(3)提取d
o
、d
p
对应的所有车道的过车采集数据；提取d
o
、d
p
两方向指向的下游路口过车原始采集数据；通过号牌匹配确定车辆在路口node_mark的具体转向，并与车辆过车原始采集数据中的过车检测车道相关联；以(2)中所提取的原始小间隔采集数据的时间间隔作为数据汇集的时间单位，对各过车检测车道的车辆转向情况进行时间汇集，由此生成经
过过车采集数据处理的车道转向流量时间序列，该序列的时间戳为车辆在路口node_mark的过车检测时间；
35.以tw为时间窗口，以平均排队疏散时间为纠偏量，将时间窗口的起始时间向时间轴后向移动对应时长，形成时间窗口内的车道转向流量时间序列q(t)；
36.(4)对q(t)、q(t)进行同车道匹配，并对同车道的时间序列进行一致性检验，对于存在95％置信水平上存在显著差异的情况，提取转向d
o
的车道与转向d
p
的车道的空间位置关系，若存在两转向车道相邻的情况，则存在协调方向误判可能性。
37.一种执行权利要求1
‑
8任一项所述协调干线管控问题研判优化方法的优化系统，包括路网管理模块、数据对接模块、自动配置模块、手动配置模块、线路纠偏模块；
38.所述路网管理模块以电子地图为底图，构建仿真路网模型，即建立路网单元要素路口node、路段line，其中node由路口中心及其各方向的进出口端点组成，line由路段两端点及连接端点的线段组成，建立连接node与line的连接路段c
‑
line将node与line端点进行连接，从而确定路口与路段的关联关系；
39.所述数据对接模块为从路网管理模块获取系统互联表，从系统接口获取信号机动态控制方案数据、检测器动态采集交通流运行数据；并进行数据存储；
40.所述自动配置模块，从路网管理模块获取路网拓扑结构，从数据对接模块获取已存储的路口交通流运行数据；接收用户设置的历史时段起终点，输出自动干线配置方案；
41.所述手动配置模块，以电子地图为底图，在路网管理模块配置的路网拓扑网络图层之上，选定协调控制路口；模块根据路网管理模块的路网拓扑结构，自动连接相邻路口，形成明确起、终点的连续路线；配置协调控制方向；配置协调控制时段；生成手动配置方案，并进行数据存储；
42.所述线路纠偏模块，从手动配置模块获取已存储的手动配置方案；从自动配置模块获取自动干线配置方案；从数据对接模块获取已存储的信号控制方案数据，从中获取协调控制的干线方案。
43.进一步地，所述线路纠偏模块输出协调控制问题分析结论与优化建议，具体为：
44.(1)对于协调方向不一致未超阈值的情况，输出干线配置方案存在问题的结论，并提出最优干线配置方案，以及协调方向、控制时段的优化建议；
45.(2)对于协调方向误判的情况，输出相应路口进口“可能存在左转、直行车辆干扰”“可能存在左转展宽段过短”问题，并提出复核路口检测器检测范围，复核路口展宽段长度的优化建议。
46.本发明的有益效果是：
47.1、改变了传统干线协调控制仅针对配时参数进行优化的模式，从干线基础配置环节即进行问题研判与优化建议；
48.2、本发明实现了数据驱动的路口组织渠化方案的问题研判，对可能存在的展宽长度短、左转与直行交通流产生干扰的问题进行识别，为路口组织渠化改善升级提供依据。
49.3、本发明所述系统能够实现自动的可协调干线配置，基于路口的交通流运行数据识别路网内可进行协调控制的路口，并确定协调控制方向与控制时段，提升了干线协调控制方案的配置便捷性。
附图说明
50.图1是一种协调干线管控问题研判的优化方法流程图。
51.图2是路段、节点拓扑结构示意图。
52.图3是路网管理模块的路网单元要素示意图。
具体实施方式
53.下面结合附图1
‑
3对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
54.一种协调干线管控问题研判的优化方法与优化系统，具体步骤如下：
55.s1、搭建路网拓扑结构，link
i
表征路段，i为路段编号，link
i
包含的字段信息包括：路段id、路段长度l
i
、路段所属路线的城市道路等级r
i
、路段限速v
i
、路段下游路口node
i
、路段上游路口node
i
‑1，还包括下游路口node
i
其他方向出口道所连接的路段编号、及从link
i
通过node
i
驶入对应编号路段的转向；其中路段node
i
表征路口，包含的字段包括：路口id、路口类型(包括十字型、t字型、环形)、是否布设信号灯、进口车道类型、进口车道id；
56.具体如图2所示，其中，城市道路等级r
i
取值条件为主干路r
i
＝1，次干路r
i
＝2，支路r
i
＝3；
57.s2、构建可协调控制路段初始集合s0，根据下面的组合条件进行路段筛选：式中th
l
为路段长度阈值，阈值可自主设置，参考值为1km；n
j
为路段下游路口各转向对应的车道数，其中j为转向编号，取值1～12，分别指代西左、西直、西右、南左、南直、南右、东左、东直、东右、北左、北直、北右；包含多个流向的混合车道需按车道内的转向数量进行比例折算，即左直车道，左转流向、直行流向分别为0.5，左直右车道三个转向数量均为0.33；th
n
为车道数阈值，阈值可自主设置，参考值为1.5；
58.s3、根据历史阶段的短时间隔交通流运行检测数据，确定s0中各路段下游路口进口道在全天各短时间隔内的主流向；实施中可根据流量最大，或饱和度最大，或排队长度最大的流向来确定为主流向；生成各路口的主流向时间序列；
59.将主流向一致的连续短时间隔汇合为一个时段，时段长度由短时间隔数量及短时间隔的单位时间长度确定；
60.检测汇合后的时段t(t)长度是否低于阈值，t为时段编号；标记出低于阈值的时段t'(t)；
61.若t'(t)的前一相邻时段t(t
‑
1)及其后相邻时段t(t 1)均未标记，转入s3
‑
1；否则转入s3
‑
2；
62.(s3
‑
1)若t'(t)的前一相邻时段t(t
‑
1)与其后相邻时段t(t 1)的主流向一致，则将t(t
‑
1)、t'(t)、t(t 1)合并为同一时段，时段t(t
‑
1)的起始时刻不变，终止时刻变更为原t(t 1)的终止时刻，该时段的主流向统一为t(t
‑
1)的主流向；
63.若t'(t)的前一相邻时段t(t
‑
1)与其后相邻时段t(t 1)的主流向不一致，则将t'(t)与t(t
‑
1)合并，时段t(t
‑
1)的起始时刻不变，终止时刻变更为原t'(t)的终止时刻，该时段的主流向为原t(t
‑
1)的主流向；
64.(s3
‑
2)检索出距t'(t)最近的前、后非标记时段，将这两个非标记时段之间的所有标记时段合并为新的控制时段，并统计新控制时段内主流向判定指标：累计流量、或最大饱和度、或平均排队长度，该指标的选取需与s3进行主流向初始判定时一致；将统计后的指标最大流向确定为新时段的主流向；
65.s4、输出s0中每个路段的时段汇集方案以及对应的主流向，通过叠加路段实际车辆通行轨迹进行可靠性分析；具体方法为：根据路段上下游路口的过车号牌识别数据，计算车辆的路段行程时间；汇集与s3所采用的流量数据同期历史阶段路段行程时间样本，统计可靠性式中为路段i行程时间样本95％分位数，为样本均值；若可靠性不超过阈值，则结束流程；
66.s5、根据s1路网拓扑结构数据，通过主流向与路段的下游转向匹配情况，连接路段与下游相邻路段形成协调路线，检测两路段协调时段的重合度t
i
、t
i’分别为已连接为协调路线的两路段的在s3中确定的控制时段；若重合度低于设定阈值，则取消两路段连接为协调路线的方案，否则协调路线成立，且将t
i
∩t
i'
作为协调路线的控制时段；重复上述操作，直至无法再对s0中的路段进行连接操作，形成协调路线并确定对应的控制时段，由协调路线连接时的主流向走向确定协调方向；从中筛选出交叉口数不小于3的路线，进行下一步；
67.s6、提取s5中确定的各协调路线的起始路口、协调方向、控制时段，从路网的历史过车检测数据中检索与控制时段一致的，且在起始路口的通行流向与协调方向一致的历史过车记录；
68.对检索出的历史过车记录进行通行路线轨迹重构，即根据号牌匹配，从车辆后续其他路口的过车检测记录中进行轨迹跟踪，形成历史通行路线；
69.统计历史通行路线与s5生成的协调路线的重合度，即完全一致的路线量与历史通行路线总量的比值，将重合度超过设定阈值的路线确定为协调路线；
70.输出路网内可进行协调控制的最优路线方案l与相应的协调控制方向、协调控制时段；
71.s7、对于需要进行问题分析的协调干线l，从信号控制系统中获取干线协调控制方案配置情况，包括干线路口、协调方向、控制时段；
72.从l中检索出包含l中所配置的所有路口的线路，将其与s6输出的协调路线进行一致性比对：
73.(1)仅检索出一条线路，即配置线路与生成最优线路方案完全一致，或配置线路为最优线路的子路段，检测l中的协调方向、控制时段与l是否一致，若存在不一致，则输出优化建议，并输出最优路线方案l中的协调方向、控制时段，并结束流程；
74.(2)若存在多条线路，即配置线路由最优路线方案中的多条线路组成，则将配置线路的协调方向与最优方案中的线路协调方向进行比对，若方向均一致，则根据l的线路配置情况输出干线拆分优化建议；检测控制时段一致性，对于存在不一致的情况，输出各线路的时段优化建议；若方向存在不一致，则将协调方向不一致的路段标记，转入s8；
75.s8、统计l中标记出的协调方向不一致的路段数量，若标记路段占已配置路线路段
总量的比例超出设定阈值，则进行干线配置问题的深度研判，否则对干线配置方案、协调方向以及控制时段提出优化建议；
76.因已配置的干线方案与s6输出的最优路线方案协调方向出现严重不一致，则对标记出的路段的下游路口进口道车辆运行情况进行核查，具体方法为：
77.根据最优方案中的协调方向d
o
与已配置的干线协调方向d
p
，对标记出的路段的下游路口node_mark进口道与d
o
、d
p
对应的所有车道的车辆通行与排队情况进一步分析研判，从而检测是否存在协调方向误判的情况；
78.具体方法为：
79.(1)根据d
o
、d
p
的饱和车头时距、排队长度计算平均排队疏散时间；该参数的时间间隔与排队长度一致，一般为5min或15min；
80.(2)提取d
o
、d
p
对应的所有车道的排队长度的原始小间隔采集数据，一般为5s时间间隔；从已配置的干线方案中提取标记出的路段的下游路口的信号周期长度；以至少两个信号周期长度为时间窗口tw，形成时间窗口内的各车道排队长度的时间序列，并根据标准车辆长度转化为排队车辆数时间序列q(t)；
81.(3)提取d
o
、d
p
对应的所有车道的过车采集数据；提取d
o
、d
p
两方向指向的下游路口过车原始采集数据；通过号牌匹配确定车辆在路口node_mark的具体转向，并与车辆过车原始采集数据中的过车检测车道相关联；以(2)中所提取的原始小间隔采集数据的时间间隔作为数据汇集的时间单位，对各过车检测车道的车辆转向情况进行时间汇集，由此生成经过过车采集数据处理的车道转向流量时间序列，该序列的时间戳为车辆在路口node_mark的过车检测时间；
82.以tw为时间窗口，以平均排队疏散时间为纠偏量，将时间窗口的起始时间向时间轴后向移动对应时长，形成时间窗口内的车道转向流量时间序列q(t)；
83.(4)对q(t)、q(t)进行同车道匹配，并对同车道的时间序列进行一致性检验，对于存在95％置信水平上存在显著差异的情况，提取转向d
o
的车道与转向d
p
的车道的空间位置关系，若存在两转向车道相邻的情况，则存在协调方向误判可能性。在实施中，因信号路口的右转方向通常不进行灯控，所以协调方向不一致主要表现在左转与直行的差异，因此在该环节考虑路口渠化对左转与直行的车道流量、排队等数据采集的影响。
84.本发明所述的一种协调干线管控问题研判的优化系统，包括路网管理模块、数据对接模块、自动配置模块、手动配置模块、线路纠偏模块；
85.(1)路网管理模块：以电子地图为底图，构建仿真路网模型，即建立路网单元要素路口node、路段line，其中node由路口中心及其各方向的进出口端点组成，line由路段两端点及连接端点的线段组成，建立连接node与line的连接路段c
‑
line将node与line端点进行连接，从而确定路口与路段的关联关系；
86.在仿真路网模型基础上配置精细化组织信息，路口需配置进口、出口方向与车道组成情况，路段需配置路段长度、车道组成情况；连接路段需配置起点与node的出口连接关系、终点与line端点的车道连接关系；
87.在精细化组织信息基础上配置路网管控信息，路口需配置进口道车道与路口检测设备、信号机控制系统的对应关系；
88.经过上述配置，路网管理模块生成路网拓扑结构，系统通过模型渲染在电子地图
的底图上叠加路网拓扑网络图层；如图3所示。
89.系统形成包含路口id、路段id、路口与路段关联关系、路口类型、进口车道id、进口车道类型、出口车道id、出口车道类型、路段长度、路段车道id、路段车道类型、路段限速值等基础静态信息的路网信息库；
90.系统形成包含路口id与信号机id关联、进口车道id与信号机灯组关联、进口车道id与检测器id关联、路段车道id与检测器id关联的系统互联表；
91.(2)数据对接模块，从路网管理模块获取系统互联表，从系统接口获取信号机动态控制方案数据、检测器动态采集交通流运行数据；并进行数据存储；
92.(3)自动配置模块，从路网管理模块获取路网拓扑结构，从数据对接模块获取已存储的路口交通流运行数据；接收用户设置的历史时段起终点，据此确定历史数据样本，根据上述流程s1～s6，输出自动干线配置方案；
93.(4)手动配置模块，以电子地图为底图，在路网管理模块配置的路网拓扑网络图层之上，选定协调控制路口；模块根据路网管理模块的路网拓扑结构，自动连接相邻路口，形成明确起、终点的连续路线；配置协调控制方向；配置协调控制时段；生成手动配置方案，并进行数据存储；
94.(5)线路纠偏模块，从手动配置模块获取已存储的手动配置方案；从自动配置模块获取自动干线配置方案；从数据对接模块获取已存储的信号控制方案数据，从中获取协调控制的干线方案；根据上述流程s7～s8，输出协调控制问题分析结论与优化建议：
95.第一，对于s7以及s8中协调方向不一致未超阈值的情况，输出干线配置方案存在问题的结论，并提出最优干线配置方案，以及协调方向、控制时段的优化建议；
96.第二，对于s8中协调方向误判的情况，输出相应路口进口“可能存在左转、直行车辆干扰”“可能存在左转展宽段过短”问题，并提出复核路口检测器检测范围，复核路口展宽段长度的优化建议。
97.本发明实现了数据驱动的路口组织渠化方案的问题研判，对可能存在的展宽长度短、左转与直行交通流产生干扰的问题进行识别，为路口组织渠化改善升级提供依据。本发明所述系统能够实现自动的可协调干线配置，基于路口的交通流运行数据识别路网内可进行协调控制的路口，并确定协调控制方向与控制时段，提升了干线协调控制方案的配置便捷性。
98.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。