一种子区协调自适应控制方法及装置与流程

1.本发明涉及交通信号控制技术领域，具体而言，涉及一种子区协调自适应控制方法及装置。


背景技术：

2.随着汽车保有量的急剧增加，在对城市路网中的数以百计的交叉口进行信号控制时，常将路网划分为多个相互独立的区域，每个区域包含一个或相邻的多个交叉口，该区域就是交通控制中的子区。
3.子区协调控制是指将子区内各个交叉口的交通信号联动起来进行协调控制，其能够提高路网通行效率，是解决区域交通拥堵的有效方法。但是现有的子区协调控制中，各个交叉口的信号控制方案是固定的，适用性较差，当路网中的交通流发生变化时，各个交叉口的控制方案的交通引导效果会降低。


技术实现要素：

4.本发明解决的问题是如何改善子区协调控制的交通引导效果。
5.为解决上述问题，本发明提供一种子区协调自适应控制方法及装置。
6.第一方面，本发明提供了一种子区协调自适应控制方法，包括：获取标定子区各个交叉口的实时交通状态数据和协调控制的信号配时数据；结合所述信号配时数据和预先建立的混合整数线性规划模型进行求解，获得绿波带位置，其中，所述混合整数线性规划模型用于优化所述标定子区内各个所述交叉口协调控制时的绿波带；根据所述绿波带位置和所述信号配时数据生成各个所述交叉口的绿波保障约束；根据所述实时交通状态数据生成各个所述交叉口的单点约束条件，根据所述实时交通状态数据分别确定各个所述交叉口的交通状态，并根据所述交通状态生成各个所述交叉口的优化目标；根据各个所述交叉口的所述绿波保障约束、所述单点约束条件和所述优化目标进行寻优，确定各个所述交叉口的控制方案。
7.可选地，所述混合整数线性规划模型以绿波带被打断的次数最少、绿波带的带宽最大、被打断后绿波带中心线的偏移量最小为优化目标。
8.可选地，所述信号配时数据包括协调控制周期时长和协调控制相位差，所述混合整数线性规划模型的约束条件包括周期时长约束、相位差约束、绿波带位置约束、行驶时间约束、绿波分段的相关变量约束、绿波带和实际车流运行一致性约束、过饱和情况下需求带宽约束、同一所述交叉口在协调控制阶段内的相位结构相同的约束，其中，所述周期时长约束包括各个所述交叉口的周期时长等于所述协调控制周期时长，所述相位差约束包括每相邻两个所述交叉口之间的相位差等于所述协调控制相位差。
9.可选地，所述绿波带位置包括绿波带的开始时间和结束时间，所述绿波保障约束
包括：对于任一所述交叉口，协调相位阶段的绿灯开始时间小于或等于所述绿波带的开始时间，其中，所述协调相位阶段为对各个所述交叉口进行协调控制时各个车流流向所面对的相位阶段；所述协调相位阶段的绿灯结束时间大于或等于所述绿波带的结束时间；所述交叉口的周期时长保持不变。
10.可选地，所述实时交通状态数据包括绿灯时长，所述单点约束条件包括：对于任一所述交叉口，在预设的基础绿灯时长的基础上，所述绿灯时长的允许调整量在预设范围内。
11.可选地，所述单点约束条件还包括相位相序约束、最大最小绿约束、防溢流约束和行人红灯约束。
12.可选地，所述根据所述实时交通状态数据分别确定各个所述交叉口的交通状态，并根据所述交通状态生成各个所述交叉口的优化目标包括：对于任一所述交叉口，将所述实时交通状态数据与对应的预设阈值进行对比；根据对比结果判断所述交叉口的交通状态；根据所述交通状态在预设的对应关系中查找所述交叉口的优化目标，所述对应关系包括一一对应的所述交通状态和所述优化目标，所述优化目标包括最小延误时间和最大通过量。
13.可选地，所述优化目标还包括绿灯时长的调整量最小。
14.可选地，所述确定各个所述交叉口的控制方案包括：对于任一所述交叉口，在所述绿波保障约束和所述单点约束条件的约束下，以所述交叉口各相位的绿灯时间为变量，针对所述优化目标进行寻优，获得所述交叉口的控制方案。
15.第二方面，本发明提供了一种子区协调自适应控制装置，包括：获取模块，用于获取标定子区各个交叉口的实时交通状态数据和协调控制的信号配时数据；解析模块，用于结合所述信号配时数据和预先建立的混合整数线性规划模型进行求解，获得绿波带位置，其中，所述混合整数线性规划模型用于优化所述标定子区内各个所述交叉口协调控制时的绿波带；处理模块，用于根据所述绿波带位置和所述信号配时数据生成各个所述交叉口的绿波保障约束；根据所述实时交通状态数据生成各个所述交叉口的单点约束条件，根据所述实时交通状态数据分别确定各个所述交叉口的交通状态，并根据所述交通状态生成各个所述交叉口的优化目标；优化模块，用于根据各个所述交叉口的所述绿波保障约束、所述单点约束条件和所述优化目标进行寻优，确定各个所述交叉口的控制方案。
16.第三方面，本发明提供了一种子区协调自适应控制装置，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如上所述的子区协调自适应控制方法。
17.本发明的子区协调自适应控制方法及装置的有益效果是：根据获取的子区内各个交叉口协调控制时的信号配时数据和预先建立的混合整数线性规划模型进行求解，获得各个交叉口协调控制时的绿波带位置，混合整数线性规划模型包括了各个交叉口协调控制的约束条件，例如绿波带位置的约束等。根据绿波带位置和信号配时数据生成绿波保障约束，绿波保障约束可用于限制对各个交叉口的控制方案进行优化时不破坏当前绿波带，进而减少对各个交叉口之间的协调控制的影响。根据实时交通数据生成各个交叉口的单点约束条件和交通状态，并根据交通状态生成优化目标，能够根据交叉口的实时交通状态自动选择最好的优化目标，进而提高优化得到的控制方案的优化效果。在绿波保障约束、单点约束条件下，根据优化目标进行寻优，能够在保证当前的绿波带不受破坏的情况下，根据交通流的实时变化动态地调整交叉口的控制方案，提高了子区协调控制的适用性。
附图说明
18.图1为本发明实施例的一种子区协调自适应控制方法的流程示意图；图2为本发明实施例的绿波带的示意图；图3为本发明又一实施例的一种子区协调自适应控制装置的结构示意图。
具体实施方式
19.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
20.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
21.需要说明的是，周期时长指交叉口信号灯发生变化，信号运行一个循环所需的时间，等于绿灯、黄灯、红灯时间之和。
22.绿信比指一个信号周期内，有效绿灯时间与周期时长之比。
23.相位差是针对两个信号交叉口而言，指两个相邻交叉口同一相位绿灯或红灯开始时间之差。
24.子区协调控制指对子区内各个交叉口的交通信号进行协调控制，可以让车辆保持平稳的运行速度，使得车辆以排列紧凑的车队形式连续地、不停车地通过子区内的各个交叉口，提高道路的使用效率，还可以减少交叉口停车线前滞留的车辆数。
25.现有的子区协调控制中各个交叉口的控制方案固定，而路网中的交通流是实时变化的，在子区中的交通状态发生变化时，现有的子区协调控制方法解决区域交通拥堵的能力就会下降。此时，若对发生拥堵的交叉口的控制方案进行调整，则又会造成整个子区各个交叉口之间的协调控制造成影响，可能导致新的交通拥堵。
26.如图1所示，针对上述情况，本发明实施例提供的一种子区协调自适应控制方法，包括：步骤s110，获取标定子区各个交叉口的实时交通状态数据和协调控制的信号配时数据。
27.具体地，标定子区指对包括的各个交叉口的交通信号进行协调控制的协调子区，实时交通状态数据包括交通流量和各流向的车辆排队长度等，协调控制的信号配时数据包括对各个交叉口进行协调控制时，各个交叉口的周期时长、绿信比、相位差等。可对标定子区进行实时在线交通仿真，然后在仿真得到的仿真数据库中查询实时交通数据和信号配时数据。
28.步骤s120，结合所述信号配时数据和预先建立的混合整数线性规划模型进行求解，获得绿波带位置，其中，所述混合整数线性规划模型用于优化所述标定子区内各个所述交叉口协调控制时的绿波带。
29.具体地，将各个交叉口的信号配时数据代入到混合整数线性规划模型中，对绿波带位置进行寻优，可采用遗传算法等方式对模型进行求解，得到绿波带位置，混合整数线性规划模型具体用于优化标定子区内各交叉口在各个协调路径上的绿波带。
30.步骤s130，根据所述绿波带位置和所述信号配时数据生成各个所述交叉口的绿波保障约束；根据所述实时交通状态数据生成各个所述交叉口的单点约束条件，根据所述实时交通状态数据分别确定各个所述交叉口的交通状态，并根据所述交通状态生成各个所述交叉口的优化目标。
31.具体地，绿波保障约束用于限制对交叉口控制方案的优化尽量不会影响到各个交叉口协调的绿波带，保证子区内的交通通畅。在此基础上，根据实时交通数据生成各个交叉口的单点约束条件和优化目标，单点约束条件用于约束各个交叉口信号配时方案的调整范围，优化目标根据实时的交通状态确定，使得子区协调控制适应交通流的随机波动。
32.步骤s140，根据各个所述交叉口的所述绿波保障约束、所述单点约束条件和所述优化目标进行寻优，确定各个所述交叉口的控制方案。
33.具体地，控制方案包括各个交叉口的绿灯时长，在绿波保障约束、单点约束条件下，根据优化目标进行寻优，在保证子区内各个交叉口协调控制时的绿波带尽量不受破坏的情况下，根据交通数据的实时变化情况，动态地调整各个交叉口的控制方案，适应交通流的随机波动。
34.本实施例中，根据获取的子区内各个交叉口协调控制时的信号配时数据和预先建立的混合整数线性规划模型进行求解，获得各个交叉口协调控制时的绿波带位置，混合整数线性规划模型包括了各个交叉口协调控制的约束条件，例如绿波带位置的约束等。根据绿波带位置和信号配时数据生成绿波保障约束，绿波保障约束可用于限制对各个交叉口的控制方案进行优化时不破坏当前绿波带，进而减少对各个交叉口之间的协调控制的影响。根据实时交通数据生成各个交叉口的单点约束条件和交通状态，并根据交通状态生成优化目标，能够根据交叉口的实时交通状态自动选择最好的优化目标，进而提高优化得到的控制方案的优化效果。在绿波保障约束、单点约束条件下，根据优化目标进行寻优，能够在保证当前的绿波带不受破坏的情况下，根据交通流的实时变化动态地调整交叉口的控制方案，提高了子区协调控制的适用性。
35.可选地，所述混合整数线性规划模型以绿波带被打断的次数最少、绿波带的带宽最大、被打断后绿波带中心线的偏移量最小为优化目标。
36.具体地，混合整数线性规划模型是针对子区内各个交叉口的交通信号进行协调优化的模型，其目标函数为：
，其中，为输入变量，为决策变量。
37.为多目标权重，，指远大于，即远大于，远大于，指协调单元，指路径中的交叉口序号，指协调单元中第个交叉口协调方向的目标车流量（pcu/h）；指协调单元中第个交叉口下游路段的车队离散的修正系数，其等于，t为车辆在路段上的平均行程时间（s）,为协调前的绿信比，c为周期；指协调单元中第个交叉口处绿波带是否断开，指协调单元中第个交叉口下游路段的小汽车绿波带宽度；指协调单元中第个交叉口处绿波带中心线偏移的距离。
38.本可选的实施例中，以该优化目标进行优化，可以减少车辆在各个交叉交叉口的停车时间，以保证车辆到达每个交叉口时，等待红灯的时间最少，特别是使干线上的车辆能够畅通行驶，提升交通运行效率。
39.可选地，所述信号配时数据包括协调控制周期时长和协调控制相位差，所述混合整数线性规划模型的约束条件包括周期时长约束、相位差约束、绿波带位置约束、行驶时间约束、绿波分段的相关变量约束、绿波带和实际车流运行一致性约束、过饱和情况下需求带宽约束、同一所述交叉口在协调控制阶段内的相位结构相同的约束，其中，所述周期时长约束包括各个所述交叉口的周期时长等于所述协调控制周期时长，所述相位差约束包括每相邻两个所述交叉口之间的相位差等于所述协调控制相位差。
40.具体地，绿波带位置约束包括：其中，指协调单元中第个交叉口下游路段的小汽车绿波带宽度；指协调单元中第个交叉口绿波带中心线和绿灯开始时间差值；指协调单元中第个交叉口第个相位的相位时间，，则交叉口采用第个相位结构方案，协调单元为协调控制的子区。
41.还包含每相邻两个交叉口之间的相互约束：
其中，指协调单元中第个交叉口的绝对相位差，按照周期开始时间计，指协调单元中第个交叉口的相位绿灯开始时间和周期开始时间的差值，指协调单元中第个交叉口绿波带中心线和绿灯开始时间差值；指协调单元中第个交叉口的行驶时间；指协调单元中第个交叉口处绿波带中心线偏移的距离，指协调单元中第个交叉口的绝对相位差，指协调单元中第个交叉口的相位绿灯开始时间和周期开始时间的差值，指协调单元中第个交叉口绿波带中心线和绿灯开始时间差值，为整数变量。
42.交通信号协调优化模型还包含行驶时间约束：其中，指协调单元中第个交叉口到第个交叉口的距离，指协调单元中第个交叉口下游路段的小汽车绿波带设计车速， 指公共周期的倒数。
43.绿波分段的相关变量约束：其中，指协调单元中第个交叉口处绿波带是否断开，指协调单元中第个交叉口处绿波带是否断开，指极大的正常数，指协调单元中第个交叉口处绿波带中心线偏移的距离，指协调单元中第个交叉口下游路段的小汽车绿波带宽度，指协调单元中第个交叉口下游路段的小汽车绿波带宽度。
44.绿波带和实际车流运行一致性约束：
其中，指协调单元中第个交叉口绿波带中心线和绿灯开始时间差值，指协调单元中第个交叉口下游路段的小汽车绿波带宽度，指协调单元中第个交叉口处绿波带是否断开，指协调单元中第个交叉口第个相位的相位时间，，则协调单元中第个交叉口采用第个相位结构方案，指协调单元中第个交叉口处绿波带中心线偏移的距离，协调单元中第个交叉口绿波带中心线和绿灯开始时间差值。该约束可能导致模型无解。
45.需求带宽约束，过饱和情况下，带宽无法满足需求，也不适合做绿波协调，为了让模型有解，过饱和情况下该约束中取绿信比，，其中，指协调单元中第个交叉口下游路段的小汽车绿波带宽度；协调单元中第个交叉口下游路段的绿波带需求带宽
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，其中，为饱和流率。
46.所述协调路径各个交叉口在所述协调时段内的协调子时段方案相位差一致的约束为：其中，为决策变量，表示交叉口的绝对相位差，按照周期开始时间计，表示交叉口在协调子时段的绝对相位差，表示交叉口在协调子时段的绝对相位差。
47.同一个交叉口在所述协调时段内的相位结构相同的约束指协调时段内，同一个交叉口用相同的相位结构，表示为：其中，表示交叉口在t1协调子时段是否选用第m种相位结构，表示交叉口在t2协调子时段是否选用第m种相位结构，当，表示
第m种相位结构被选用，当，表示第m种相位结构被选用。
48.可选地，所述绿波带位置包括绿波带的开始时间和结束时间，所述绿波保障约束包括：对于任一所述交叉口，协调相位阶段的绿灯开始时间小于或等于所述绿波带的开始时间，其中，所述协调相位阶段为对各个所述交叉口进行协调控制时各个车流流向所面对的相位阶段；所述协调相位阶段的绿灯结束时间大于或等于所述绿波带的结束时间；所述交叉口的周期时长保持不变。
49.具体地，如图2所示，以一个具有四个相位阶段的交叉口为例，假设协调相位阶段为第3个相位阶段，则协调相位阶段之前的时间段为[0, p1 p2 w
‑
0.5b]，其中p1为第一相位阶段时长，p2为第2相位阶段时长，w为绿灯开始时间到绿波带中心线的时长，b为绿波带的带宽。协调相位阶段之后的时间段位[p1 p2 w 0.5b, cycle]，其中cycle为周期时长。
[0050]
本可选的实施例中，根据当前各个交叉口的协调控制方案，保持协调控制中各个交叉口的周期时长和相位差不变，并对协调相位阶段的时间进行约束，使得对交叉口控制方案的自适应优化不会破坏各个交叉口协调控制的绿波带，进而保证子区内的交通通畅。
[0051]
可选地，所述实时交通状态数据包括绿灯时长，所述单点约束条件包括：对于任一所述交叉口，在预设的基础绿灯时长的基础上，所述绿灯时长的允许调整量在预设范围内。
[0052]
具体地，预设范围可优选为
±
30%，约束绿灯时长的调整量在预设范围内，能够保证周期级的信号方案切换在时间上尽量连续平滑过渡。
[0053]
可选地，所述单点约束条件还包括相位相序约束、最大最小绿约束、防溢流约束和行人红灯约束。
[0054]
具体地，相位相序约束包括保证交叉口的相位相序不变，最大最小绿约束包括最大绿灯时间和最小绿灯时间，防溢流约束包括交叉口的进口道长度大于车辆排队长度，行人红灯约束包括行人红灯时间范围。对于任一交叉口，对交叉口的信号配时方案等进行约束，降低拥堵，提高交通通行效率。
[0055]
可选地，所述根据所述实时交通状态数据分别确定各个所述交叉口的交通状态，并根据所述交通状态生成各个所述交叉口的优化目标包括：对于任一所述交叉口，将所述实时交通状态数据与对应的预设阈值进行对比；根据对比结果判断所述交叉口的交通状态；根据所述交通状态在预设的对应关系中查找所述交叉口的优化目标，所述对应关系包括一一对应的所述交通状态和所述优化目标，所述优化目标包括最小延误时间和最大通过量。
[0056]
具体地，实时交通状态数据包括交叉口各流向的饱和度和交叉口进口道的速度指数，预设阈值包括饱和度阈值和速度阈值，可根据交通状态的畅通标准和拥堵标准确定，优化目标包括最小延误和最大通过量。
[0057]
对于一个交叉口，当交叉口的任一流向的饱和度均小于饱和度阈值，且任一进口道的速度指数均小于速度阈值时，表示该交叉口的交通状态为饱和度低，存在空放情况，在对应关系中可确定该交通状态对应的优化目标为最小延误。
[0058]
当交叉口的任一流向的饱和度均小于饱和度阈值，且存在进口道的速度指数大于或等于速度阈值时，表示该交叉口的交通状态为饱和度低，部分流量流出受阻，在对应关系中可确定该交通状态对应的优化目标为最小延误，控制策略包括限流约束和防溢流约束。
[0059]
当交叉口各流向饱和度的25分位数大于或等于饱和度阈值，且任一进口道的速度指数均小于速度阈值时，表示该交叉口的交通状态为多流向高饱和，进口道通畅，在对应关系中可确定该交通状态对应的优化目标为最大通过量。各流向饱和度的25分位数为将各个流向的饱和度从小到大进行排列，取其中的25分位数。
[0060]
当存在交叉口各流向饱和度的25分位数大于或等于饱和度阈值，且存在进口道的速度指数大于或等于速度阈值时，表示该交叉口的交通状态为多流向高饱和，存在进口道拥堵，在对应关系中可确定该交通状态对应的优化目标为最大通过量，控制策略包括限流约束和防溢流约束。
[0061]
当存在流向的饱和度大于饱和度阈值，且各流向饱和度的25分位数小于饱和度阈值，且任一进口道的速度指数小于速度阈值时，表示该交叉口的交通状态为饱和度失衡，在对应关系中可确定该交通状态对应的优化目标为最小延误，控制策略包括均衡饱和度。
[0062]
当存在流向的饱和度大于饱和度阈值，且各流向饱和度的25分位数小于饱和度阈值，且存在进口道的速度指数小于速度阈值时，表示该交叉库的交通状态为饱和度失衡或流出受阻，在对应关系中可确定交通状态对应的优化目标为最小延误，控制策略为限流约束和防溢流约束。
[0063]
本可选的实施例中，根据不同的交通状态自动选择对应的优化目标，能够根据实际路况和交通流变化对各个交叉口的信号配时方案进行自适应优化，适应交通流的随机波动，实现子区内各个交叉口的自适应控制，可根据具体的交通状态选择是以最小延误时间为优化目标，还是以最大通过量为优化目标，根据实际交通情况进行适应性选择，提高了子区协调控制的适用性，以及优化得到的交叉口的控制方案在各种交通状态下交通引导效果，有效提高交叉口在不同交通状态下的车辆通行率。
[0064]
可选地，所述优化目标还包括绿灯时长的调整量最小。
[0065]
具体地，以最小延误或最大通过两为主要优化目标，在此基础上，以绿灯时长的调整量最小为次要目标，尽量减少对绿灯时长的调整。
[0066]
可选地，所述确定各个所述交叉口的控制方案包括：对于任一所述交叉口，在所述绿波保障约束和所述单点约束条件的约束下，以所述交叉口各相位的绿灯时间为变量，针对所述优化目标进行寻优，获得所述交叉口的控制方案。
[0067]
具体地，交叉口的控制方案包括交叉口的周期时长、相位相序、各相位绿灯时长和与相邻交叉口间的相位差等信号配时数据。
[0068]
如图3所示，本发明另一实施例提供的一种子区协调自适应控制装置，包括：获取模块，用于获取标定子区各个交叉口的实时交通状态数据和协调控制的信号配时数据；解析模块，用于根据所述信号配时数据对预先建立的混合整数线性规划模型进行求解，获得绿波带位置，其中，所述混合整数线性规划模型用于优化所述标定子区内各个所述交叉口协调控制时的绿波带；
处理模块，用于根据所述绿波带位置和所述信号配时数据生成各个所述交叉口的绿波保障约束；根据所述实时交通状态数据生成各个所述交叉口的单点约束条件，根据所述实时交通状态数据分别确定各个所述交叉口的交通状态，并根据所述交通状态生成各个所述交叉口的优化目标；优化模块，用于根据各个所述交叉口的所述绿波保障约束、所述单点约束条件和所述优化目标进行寻优，确定各个所述交叉口的控制方案。
[0069]
本发明又一实施例提供的一种子区协调自适应控制装置包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如上所述的子区协调自适应控制方法。
[0070]
本发明又一实施例提供的一种计算机可读存储介质上存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的子区协调自适应控制方法。
[0071]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read
‑
only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。在本技术中，所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0072]
虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。