考虑边界交叉口排队长度的信号灯控制方法及系统

1.本发明属于交通管控技术领域，尤其涉及一种考虑边界交叉口排队长度的信号灯控制方法及系统。


背景技术：

2.城市交通是城市的动脉系统，是城市的重要基础设施，在城市经济生活和社会生活中具有特别重要的地位和作用。从当前城市早晚高峰路段拥堵分布来看，如今的交通拥堵不仅仅是单个交叉口或者是某条主干路段的拥堵问题，而是已经蔓延到区域性交通拥堵问题。
3.发明人发现，传统单个交叉口的管控或者主干线路段的管控已经无法解决区域性拥堵问题；采用单个子区边界控制缓解区域性交通拥堵问题时，往往会忽略边界交叉口的排队问题，不仅会影响控制策略的实施效果，也会造成区域性拥堵问题继续向上游蔓延。


技术实现要素：

4.本发明为了解决上述问题，提出了一种考虑边界交叉口排队长度的信号灯控制方法及系统，本发明从宏观角度出发，基于宏观基本图(macroscopicfundamental diagram，mfd)理论，从分析高峰时期的基础上进行宏观控制，从而缓解交通拥堵；针对目前现有的城市路网单子区边界控制方法研究中，大多都只考虑了子区内部的交通运行情况，而未考虑子区边界交叉口的交通状况，如果边界交叉口的排队长度超过排队阈值会造成交通拥堵向上游蔓延，影响子区外部的交通，本发明基于子区mfd交通流模型的基础上，对边界交叉口基于单点交叉口排队模型进行二次调控。
5.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
6.第一方面，本发明提供了一种考虑边界交叉口排队长度的信号灯控制方法，包括：
7.获取路网信息；
8.对获取的路网进行划分，得到多个路网子区；
9.根据路网子区的相关数据，拟合得到宏观基本图，并根据宏观基本图的拟合度选取受控子区；
10.确定受控子区内累计车辆数和受控子区边界交叉口路段实际排队长度；
11.依据确定的受控子区内累计车辆数和受控子区边界交叉口路段实际排队长度，以及预设的控制策略，得到绿灯时长控制结果；
12.其中，预设的控制策略控制绿灯时长时，首先，根据受控子区内累计车辆数确定当前周期的第一边界交叉口调整的绿灯时长，以及根据受控子区边界交叉口路段实际排队长度确定第二边界交叉口调整的绿灯时长；当前周期边界交叉口的绿灯时长为：前一周期边界交叉口进入受控子区的绿灯时长与所述第一边界交叉口调整的绿灯时长的差，再加上所述第二边界交叉口调整的绿灯时长。
13.进一步的，对路网进行划分包括：
14.获取交通参数，并依据所述交通参数构建路网的加权无向图；
15.根据所述加权无向图，计算路网中相邻交叉口之间的关联度；根据所述关联度构建路网无向加权图的加权矩阵；
16.根据所述关联度和所述加权矩阵，进行归一化分割，得到路网子区。
17.进一步的，根据路网子区的相关数据，拟合得到宏观基本图，包括：
18.采集各路网子区内累计的车辆数和达到目的地行程完成的车辆数；
19.以某时刻路网子区内累计的车辆数为横坐标，以对应时刻驶离的车辆总数为纵坐标，绘制路网散点图，根据散点图数据对路网宏观基本图曲线进行拟合，并获取宏观基本图的方程以及子区内的最佳累计车辆数。
20.进一步的，受控子区内累计车辆数为：某时刻目的地在受控子区内的累计车辆数，与对应时刻目的地在外围子区的累计车辆数的和。
21.进一步的，受控子区边界交叉口路段实际排队长度为在t δt时刻当前交叉口j处的排队车辆数：
[0022][0023]
其中，t
ij
表示从交叉口i到交叉口j的车辆转移数；ai表示交叉口i的车辆到达率；xi(t)表示在t时刻当前交叉口j处的排队车辆数。
[0024]
进一步的，当受控子区内累计车辆数维持在最佳累计车辆数时，受控子区的行程完成量最大；当受控子区内的累计车辆数小于预设值范围的最小值时，路网处于畅通状态，受控子区内车辆行程完成车辆随累计车辆数的增加而增加；当受控子区内累计车辆数超过阈值范围的最大值时，受控子区内交通发生交通拥堵。
[0025]
进一步的，绿灯时长控制包括：
[0026]
计算受控子区内累计车辆数与最佳累计车辆数的差值，并根据受控子区各边界交叉口的进入受控子区占总进入子区内车辆数的比例将差值分配到各个边界交叉口，从而调整交叉口绿灯时长；
[0027]
若受控子区边界交叉口路段实际排队长度超过排队阈值绿灯时长，增加单位绿灯时间；若受控子区边界交叉口路段实际排队长度小于最小排队长度，减少单位绿灯时间，对边界交叉口信号灯的路灯时长进行二次优化。
[0028]
第二方面，本发明还提供了一种考虑边界交叉口排队长度的信号灯控制系统，包括：
[0029]
数据采集模块，被配置为：获取路网信息；
[0030]
子区划分模块，被配置为：对获取的路网进行划分，得到多个路网子区；
[0031]
宏观基本图建立模块，被配置为：根据路网子区的相关数据，拟合得到宏观基本图，并根据宏观基本图的拟合度选取受控子区；
[0032]
车辆状况确定模块，被配置为：确定受控子区内累计车辆数和受控子区边界交叉口路段实际排队长度；
[0033]
控制模块，被配置为：依据确定的受控子区内累计车辆数和受控子区边界交叉口路段实际排队长度，以及预设的控制策略，得到绿灯时长控制结果；
[0034]
其中，预设的控制策略控制绿灯时长时，首先，根据受控子区内累计车辆数确定当
前周期的第一边界交叉口调整的绿灯时长，以及根据受控子区边界交叉口路段实际排队长度确定第二边界交叉口调整的绿灯时长；当前周期边界交叉口的绿灯时长为：前一周期边界交叉口进入受控子区的绿灯时长与所述第一边界交叉口调整的绿灯时长的差，再加上所述第二边界交叉口调整的绿灯时长。
[0035]
第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了第一方面所述的考虑边界交叉口排队长度的信号灯控制方法的步骤。
[0036]
第四方面，本发明还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了第一方面所述的考虑边界交叉口排队长度的信号灯控制方法的步骤。
[0037]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0038]
本发明从宏观角度出发，基于宏观基本图理论进行宏观控制，从而缓解交通拥堵现象，同时，针对未考虑子区边界交叉口的交通状况，如果边界交叉口的排队长度超过排队阈值会造成交通拥堵向上游蔓延，影响子区外部的交通问题，本发明基于宏观基本图理论的基础上，考虑了边界交叉口的排队长度，实现了对边界交叉绿灯时间的二次调控。
附图说明
[0039]
构成本实施例的一部分的说明书附图用来提供对本实施例的进一步理解，本实施例的示意性实施例及其说明用于解释本实施例，并不构成对本实施例的不当限定。
[0040]
图1为本发明实施例1的流程示意图；
[0041]
图2为本发明实施例1的受控子区宏观基本图；
[0042]
图3为本发明实施例1的子区交通流模型示意图；
[0043]
图4为本发明实施例1的单点交叉口模型示意图；
[0044]
图5为本发明实施例1的子区边界信号灯配时修改方案示意图。
具体实施方式：
[0045]
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0046]
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0047]
实施例1：
[0048]
本实施例提供了一种考虑边界交叉口排队长度的信号灯控制方法，包括：
[0049]
获取路网信息；
[0050]
对获取的路网进行划分，得到多个路网子区；
[0051]
根据路网子区的相关数据，拟合得到宏观基本图，并根据宏观基本图的拟合度选取受控子区；
[0052]
确定受控子区内累计车辆数和受控子区边界交叉口路段实际排队长度；
[0053]
依据确定的受控子区内累计车辆数和受控子区边界交叉口路段实际排队长度，以及预设的控制策略，得到绿灯时长控制结果；
[0054]
其中，预设的控制策略控制绿灯时长时，首先，根据受控子区内累计车辆数确定当前周期的第一边界交叉口调整的绿灯时长，以及根据受控子区边界交叉口路段实际排队长度确定第二边界交叉口调整的绿灯时长；当前周期边界交叉口的绿灯时长为：前一周期边界交叉口进入受控子区的绿灯时长与所述第一边界交叉口调整的绿灯时长的差，再加上所述第二边界交叉口调整的绿灯时长。
[0055]
一种考虑边界交叉口排队长度的信号灯控制方法，具体实现步骤为：
[0056]
s1、选定研究路网，并对路网进行子区划分；
[0057]
s2、路网子区划分后利用各子区仿真数据拟合宏观基本图，并选取受控子区，确保受控子区有清晰稳定的宏观基本图；
[0058]
s3、基于宏观基本图理论知识，构建受控子区的车流平衡模型和边界单点交叉口的排队模型；
[0059]
s4、判断受控子区的交通运行状况，若受控子区为拥堵状态，则实施边界控制；否则继续监测受控子区路网交通运行状态；
[0060]
s5、实施边界控制策略时，不仅考虑受控子区内部的交通状况；还要根据单点交叉口排队模型考虑边界交叉口路段的排队长度对边界信号灯的配时进行二次调控。
[0061]
本实施例中，步骤s1包括：
[0062]
s1.1、本实施例中，可以选择城市中早晚高峰期交通复杂容易发生拥堵的区域作为本方法的研究对象，可以采用百度地图和人工实测等方法获取路网中路段的交通参数，并构建路网的加权无向图g。
[0063]
s1.2、基于获取路网的无向加权图g以及路段的实际交通流数据，可以利用 whitson模型计算路网中相邻交叉口之间的关联度；根据关联度构建路网无向加权图g的加权矩阵w，加权矩阵w中的第i行j列元素w
i，j
的计算公式如下：
[0064][0065][0066]
其中，i
i,j
表示交叉口i和交叉口j之间的关联度值；t表示相邻交叉之间的行程时间；n表示上游交叉口进口道流向数；q表示路段中流量；a(i，j)＝1表示交叉口i和交叉口j在空间上相邻。
[0067]
s1.3、根据路网中相邻交叉口之间的关联度信息和无向加权图g的权值矩阵 w，进行归一化分割，将关联度值大的交叉口分割成一个子区，而不同子区之间的关联度值相差较大。
[0068]
本实施例中，步骤s2包括：
[0069]
s2.1、根据划分后各子区的交通参数，可以基于vissim4.3绘制路网、设置路网参数和仿真参数，仿真时采集各子区内累计的车辆数和达到目的地行程完成的车辆数。
[0070]
s2.2、对路网中车辆数进行处理，剔除明显有误差的数据点，获取有效的宏观基本图样本值。
[0071]
s2.3、以路网内采样时间时刻子区内累计的车辆数n为横坐标，以路网内采样时间t时刻驶离路网的车辆总数为纵坐标，绘制路网mfd散点图，并根据散点图数据对路网宏观基本图曲线进行三次方程的拟合获取mfd方程，利用 matlab求解子区内的最佳累计车辆数。利用matlab求解各个子区划分子区的mfd拟合度值，选取拟合度最高的子区作为受控子区。
[0072]
本实施例中，步骤s3包括：
[0073]
s3.1、设一个城市路网，根据车流密度或者其他相关参数划分为若干具有良好定义的宏观基本图子区，各子区之间的交通流的流入和流出保持相对平衡。受控子区i可以是早晚高峰时间处于过饱和或者极易发生交通拥堵的子区，子区 j为受控子区的外围区域，则子区i的车流平衡模型可以表示为：
[0074]
n(t)＝n
ii
(t) n
ij
(t)
[0075][0076][0077]
其中，n(t)表示受控子区i内的累计车辆数；n
ii
(t)表示t时刻目的地在受控子区i内的累计车辆数；n
ij
(t)表示t时刻目的地在外为子区j的累计车辆数；q
ii
(t)表示t时刻在受控子区i，目的地也在子区i的交通流；q
ji
(t)表示t时刻在外围子区 j，目的地在子区i的交通流；ui(t)和uj(t)表示t时刻，通过受控子区i边界进入和驶出受控子区的比例；g(n(t))表示t时刻，受控子区i内累计车辆数为n(t)时对应的行程完成车辆数。
[0078]
s3.2、构建受控子区边界单点交叉口的排队模型；本实施例中，以实际生活中常规的四向交叉口为例，对单个交叉口的几何结构和车辆排队进行了建模；在(t δt)时刻当前交叉口i处的排队车辆数可以描述为：
[0079][0080]
其中，t
ij
表示了从交叉口i到交叉口j的车辆转移数；ai表示交叉口i的车辆到达率；xi(t)表示在t时刻交叉口i的排队车辆数。
[0081]
s3.3、采用边界控制方法计算过程中，在当前控制周期t内，每个信号灯的配时保持不变，直到进入下一个控制周期时，再根据上一控制周期计算得到的绿灯时长进行调整，将路网的车辆平衡方程离散化后得：
[0082]
n(j 1)＝n(j) ∑mq
m,in
(j 1)
·
t
m,in
(j 1)-∑mq
m,out
(j 1)
·
t
m,out
(j 1)
[0083]
其中，q
m，in
(j 1)表示j 1个周期从边界交叉口m进入受控子区的交通流； t
m，in
( 1)表示第j 1个周期边界交叉m进入受控子区的绿灯时间； q
m，out
(j 1)表示第j 1个周期从边界交叉口m离开受控子区的交通流； t
m，out
(j 1)表示第j 1个周期从边界交叉口m离开受控子区的绿灯时长。
[0084]
本实施例中，步骤s4包括：
[0085]
s4.1、根据子区mfd的基本特性，受控子区内累计车辆数存在一个最佳值，当子区内累计车辆数维持在最佳值附近的预设阈值范围时，受控子区的行程完成量最大；当子区内的累计车辆数小于预设值范围的最小值时，路网处于畅通状态，子区内车辆行程完成车
辆随累计车辆数的增加而增加；当累计车辆数一旦超过阈值范围的最大值时，该子区内交通发生大面积交通拥堵。
[0086]
s4.2、若路网中的累计车辆数超过最佳累计车辆数时，认为子区处于拥堵状态，开始实施边界控制策略；当路网中累计车辆数小于最佳累计车辆数时，则继续监测受控子区内的运行状况。
[0087]
本实施例中，步骤s5包括：
[0088]
s5.1计算受控子区内累计车辆数与最佳车辆数的差值δn(j 1)＝n(j 1)-n
*
，并根据受控子区各边界交叉口的进入受控子区占总进入子区内车辆数的比例将差值分配到各个子区，从而调整交叉口绿灯时长，第j 1个周期边界交叉口i调整的绿灯时长(第一边界交叉口调整的绿灯时长)：
[0089][0090]
其中，n
in
(j 1)表示第j 1个周期进入受控子区的车辆总数；n
*
表示受控子区内的最佳累计车辆数；n(j 1)表示第j 1个周期受控子区内的累计车辆数； t
i，in
(j)表示第j个周期边界交叉i进入受控子区的绿灯时长。
[0091]
s5.2根据受控子区边界交叉口路段实际排队长度，若排队长度超过排队阈值绿灯时长增加单位绿灯时间；若排队长度小于最小排队长度，相应交叉口的信号灯绿灯时长减少单位绿灯时间，对边界交叉口信号灯的路灯时长进行二次优化；第j 1个周期边界交叉口i调整的绿灯时长(第二边界交叉口调整的绿灯时长)：
[0092]
δt
i2,in
(j 1)＝δgε(x-x
max
)-δgε(x
min-x)
[0093]
其中，δg表示单位绿灯时长；x表示排队长度；x
min
表示最短排队长度；x
max
表示最长排队长度；ε的计算公式如下：
[0094][0095]
那么，边界交叉口i经过两次调整后第j 1个周期的绿灯时长为：
[0096]
t
i,in
(j 1)＝t
i,in
(j)-δt
i1,in
(j 1) δt
i2,in
(j 1)
[0097]
其中，t
i，in
(j)表示第j个周期边界交叉口i进入受控子区的绿灯时长。
[0098]
s5.3调整后的边界交叉口的绿灯时长应满足最小绿灯时长g
min
和最大绿灯时长g
max
的限制，即最短绿灯时长满足行人最短的过街时间，最大绿灯时长太长造成资源浪费。
[0099]
区别于现有技术，本实施例提供了一种考虑受控子区边界交叉口排队长度的子区边界控制方法，基于子区宏观基本图的理论知识，构建受控子区的车流平衡模型以及边界单点交叉口的排队模型。根据子区内累计车辆数和边界交叉口的排队长度两次优化边界信号灯的配时，将子区内的累计车辆数维持在最佳值附近，从而提高了整个路网的交通运行效益。
[0100]
实施例2：
[0101]
本实施例提供了一种考虑边界交叉口排队长度的信号灯控制系统，包括：
[0102]
数据采集模块，被配置为：获取路网信息；
[0103]
子区划分模块，被配置为：对获取的路网进行划分，得到多个路网子区；
[0104]
宏观基本图建立模块，被配置为：根据路网子区的相关数据，拟合得到宏观基本图，并根据宏观基本图的拟合度选取受控子区；
[0105]
车辆状况确定模块，被配置为：确定受控子区内累计车辆数和受控子区边界交叉口路段实际排队长度；
[0106]
控制模块，被配置为：依据确定的受控子区内累计车辆数和受控子区边界交叉口路段实际排队长度，以及预设的控制策略，得到绿灯时长控制结果；
[0107]
其中，预设的控制策略控制绿灯时长时，首先，根据受控子区内累计车辆数确定当前周期的第一边界交叉口调整的绿灯时长，以及根据受控子区边界交叉口路段实际排队长度确定第二边界交叉口调整的绿灯时长；当前周期边界交叉口的绿灯时长为：前一周期边界交叉口进入受控子区的绿灯时长与所述第一边界交叉口调整的绿灯时长的差，再加上所述第二边界交叉口调整的绿灯时长。
[0108]
所述系统的工作方法与实施例1的考虑边界交叉口排队长度的信号灯控制方法相同，这里不再赘述。
[0109]
实施例3：
[0110]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现了实施例1所述的考虑边界交叉口排队长度的信号灯控制方法的步骤。
[0111]
实施例4：
[0112]
本实施例提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现了实施例1 所述的考虑边界交叉口排队长度的信号灯控制方法的步骤。
[0113]
以上所述仅为本实施例的优选实施例而已，并不用于限制本实施例，对于本领域的技术人员来说，本实施例可以有各种更改和变化。凡在本实施例的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实施例的保护范围之内。