一种针对突发性溢流风险的单点交叉口信号配时方法

1.本发明属于交叉口信号配时方法技术领域，尤其涉及一种针对突发性溢流风险的单点交叉口信号配时方法。

背景技术：

2.信号交叉口是城市路网中的重要节点，信号配时是对其进行管控的重要手段。当交叉口下游路段发生交通事故等突发事件，路段通行能力下降并小于交通需求时，路段车辆排队会不断增加，并溢流至交叉口内部。当上述突发溢流现象发生时，交叉口正常运行将受到严重影响。不仅是交叉口流入该路段的溢流相关流向，而且其它非溢流相关流向都会被堵塞。
3.针对突发的溢流风险，目前在交叉口信号配时中主要采取绿灯早断的应对措施。虽然能够预防溢流，但对于溢流相关流向的绿灯时间分配缺乏合理的分配方法。导致交叉口通行效率降低。
4.经对现有技术的文献检索发现，交叉口信号配时方法主要有以下几种：
5.1、常规的交叉口信号配时方法。常规的交叉口信号配时方法有很多，按类型可分为定时控制、感应控制以及自适应控制；按范围可分为单点控制、干线控制以及区域协调控制。针对常态下交叉口信号配时的控制框架和各控制参数取值都有着详细的论述。代表性论著包括《城市交通控制》、《交通管理与控制》等。
6.2、常发性溢流风险的交叉口信号配时方法。该方法针对常发性溢流风险，如短连线交叉口，道路瓶颈通行能力已知。在此条件下根据交通流理论、可靠性理论、大数据分析等，对信号配时方案进行优化，从而在预防溢流风险的基础上，提高交叉口通行效率。代表性论著包括《adaptive coordinated traffic control for stochastic demand》、《一种基于广域雷达检测的城市道路交叉口溢流控制方法》(专利申请号cn201811165527.4)。
7.3、突发性溢流风险的交叉口信号配时方法。对于突发性的溢流现象，例如事故造成的拥堵，此时下游瓶颈的通行能力未知，仅能通过实时的出口道排队情况判断是否溢流，现有方法主要通常通过绿灯早断措施对溢流加以预防。代表性论著包括《an adaptive signal control scheme to prevent intersection traffic blockage》、《一种基于双检测器的过饱和交叉口反溢流控制方法》(专利申请号cn201910949272.9)。
8.方法1是针对常规的交叉口信号配时方法，目前已有了较为成熟的技术成果，未对溢流风险做特别的考虑。
9.方法2是针对常发性溢流风险，基于瓶颈通行能力已知的情况所提出的信号配时方法。由于瓶颈通行能力已知，便可精心设计协调信号配时，其目的是在预防溢流风险的基础上，提高交叉口通行效率。但对于瓶颈通行能力未知的突发性溢流风险，该方法无法应用。
10.方法3是针对突发性溢流风险，由于瓶颈通行能力未知的，现有方法主要是从溢流风险预防角度出发进行的，但对于溢流相关流向的绿灯时间分配未进行深入探讨，缺乏合
理的分配方法。导致现有方法虽能实现溢流的有效预防，但对于在此基础上的交叉口通行效率提升考虑不周。
11.交叉口信号配时方法有着丰富的手段。然而，针对突发性溢流风险，现有的交叉口信号控制主要采用绿灯早断的策略，未深入探讨这种策略下隐含的绿灯时间再分配问题：对于多个溢流相关流向，在总通行时间受出口道溢流限制情况下，如何对其通行时间进行合理地再分配。因此，现有技术缺乏针对突发性溢流风险情况下交叉口信号配时较为科学合理的设置方法。

技术实现要素：

12.针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种针对突发性溢流风险的单点交叉口信号配时方法。该方法针对交叉口下游路段由于突发事件通行能力骤降的情况，在传统无溢流风险情况下的信号配时基础上，通过识别溢流风险，运用模糊控制确定溢流相关流向的优先级，进而确定溢流相关流向绿灯时间，并对交叉口各流向绿灯时间进行重新分配，达到在预防溢流的基础上提高通行效率的目的。
13.本发明的技术方案如下：
14.一种针对突发性溢流风险的单点交叉口信号配时方法，通过以存在突发性溢流风险的交叉口为研究对象，交叉口相位相序按照图2所示的双环相位进行切换，依次实施以下5个步骤，计算得到各流向绿灯时间。
15.步骤1：确定无溢流风险情况下的信号配时。通过求解下述优化模型，确定无溢流风险情况下的信号配时。优化模型以交叉口车均延误d最小为目标，如式1所示，各流向车均延误d
i,j
为由公式2得出，各流向饱和度x
ij
由公式3得出，周期时长c应限制在合理范围内，如公式4所示。
[0016][0017][0018][0019]cmin
≤c≤c
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0020]
式中：d为交叉口车均延误，s；i为交叉口岔口编号的集合；j为进口道流向编号的集合；i∈i为进口道编号，1为东，2为北，3为西，4为南；j∈i为进口道流向编号，1为左转，2为直行，3为右转；d
i,j
为进口道i流向j的车均延误，s；q
i,j
为进口道i流向j的车流量，veh/h；g
i,j
为非溢流情况下进口道i流向j的绿灯时长，s；x
ij
为进口道i流向j的饱和度；s为单车道饱和流率，veh/h；n
i,j
为进口道i流向j的车道数；t为研究分析时长，h；c为周期时长，s；c
min
和c
max
分别代表最小周期时长以及最大周期时长，s。
[0021]
步骤2：溢流风险识别。通过比较交叉口出口道实时剩余排队长度和出口道最小剩余排队长度来确定是否存在溢流风险。出口道最小剩余排队长度要求l
min
由公式5计算。当出口道实时剩余排队长度le小于l
min
时，交叉口存在溢流风险，并将相关溢流流向变为红灯。相关溢流流向可通过公式6确定。
[0022][0023][0024]
式中：l
min
为出口道最小剩余排队长度要求，m；hd为平均车头间距，m；g
min
为最小绿灯时长，s；r为溢流流向集合；e∈i为出口道编号，1为东，2为北，3为西，4为南；le为出口道实时剩余排队长度，m。
[0025]
步骤3：确定溢流相关流向的优先级。根据溢流相关流向的排队长度和红灯持续时间，运用模糊控制确定各溢流相关流向的放行优先级。模糊控制的设计包括模糊器、模糊推理器和解模糊器三个部分。
[0026]
在模糊器中，考虑溢流相关流向的排队长度和红灯持续时间两个要素。对于排队长度，其理论域为[0,x
l
]，在理论域上定义五个子区域{vs,s,m,l,vl}，每个子区域均为三角形隶属度函数，每个子区域的界限为同理，对于红灯持续时间，其理论域为[0,x
t
]，在理论域上定义五个子区域{vs,s,m,l,vl}，每个子区域均为三角形隶属度函数，每个子区域的界限为形隶属度函数，每个子区域的界限为排队长度和红灯持续时间的模糊子集隶属度a'(x
lij
,x
tij
)函数如公式7所示。
[0027]
在模糊推理器中，本发明共定义了25个规则，如公式8-10所示。建立模糊控制规则的主要原则是，当排队长度或红灯时间较长时，优先级较高，反之亦然。根据所建立的模糊规则，输出模糊子集b
ij
'可由公式11确定。
[0028]
在解模糊器中，本发明运用了中心解模糊法，排队长度和红灯持续时长的五个模糊子集的模糊中心分别为以及以及放行优先级p
i,j
由公式12计算确定。
[0029][0030]
[0031][0032][0033][0034][0035]
式中：x
l,i,j
为进口道i流向j的实时排队长度；x
t,i,j
为进口道i流向j的实时红灯持续时间；x
lk
为排队长度模糊子集的区界；x
tk
为红灯持续时间模糊子集的区界；a'
i,j
(x
l,i,j
,x
t,i,j
)为输入变量模糊子集的隶属度函数；m
l
为排队长度模糊规则的序号；m
t
为红灯持续时间模糊规则的序号；为排队长度模糊规则的输入条件；为红灯持续时间模糊规则的输入条件；为放行优先级模糊规则的输出结果；p
i,j
为进口道i流向j的优先级。
[0036]
步骤4：确定溢流相关流向绿灯时间。当出口道实时剩余排队长度le大于l
min
时，当前溢流相关流向将根据其优先级，结合冲击波模型分配该流向的绿灯时间go。计算得到的绿灯时间由公式13确定。其中冲击波波速we由公式14确定。
[0037][0038][0039]
式中：go为分配给当前溢流相关流向的绿灯时间，s；d
l
为绿灯前损失时间，s；we为交通冲击波波速，km/h；qe为出口道e的交通流量，veh/h；ke为出口道e的车辆密度，veh/km；k0为自由流状态下的车辆密度，veh/km。
[0040]
步骤5：确定溢流风险情况下的信号配时。通过在求解下述优化模型，确定存在溢
流风险情况下的信号配时。优化模型以交叉口车均延误d最小为目标，如式15所示，各流向车均延误d
i,j
为由公式16得出，各流向饱和度x
ij
由公式17得出，周期时长c应限制在合理范围内，如公式18所示，溢流相关流向绿灯时长约束，如公式19所示。
[0041][0042][0043][0044]cmin
≤c≤c
max
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0045][0046]
式中：g'
i,j
为调整后各流向绿灯时长，s；rc为当前溢流流向集合。
[0047]
针对突发性溢流风险的单点交叉口信号配时方法的关键在于，确定溢流相关流向并考虑溢流相关流向的优先级对于绿灯时间的影响。本发明的上述计算过程中充分考虑了交叉口溢流条件下所有溢流流向的放行优先级情况，通过模糊控制和交通冲击波模型量化了优先级与绿灯时间之间的关系，从而提高了交叉口绿灯时间分配的合理性，提高了交叉口的通行效率。
[0048]
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
[0049]
1、发明提供了一种针对突发性溢流风险的单点交叉口信号配时方法，适用于交叉口存在突发性溢流风险情况下的信号配时计算。
[0050]
2、本发明的方法可在不改变原来单点交叉口信号配时基本框架的基础上，通过对溢流相关流向绿灯时间的再分配，合理调整交叉口信号配时。
[0051]
3、本发明的方法考虑了所有溢流相关流向的放行优先级情况，通过模糊控制和冲击波模型量化了优先级与绿灯时间之间的关系。
附图说明
[0052]
图1为本发明的控制流程图；
[0053]
图2为本发明实施的双环信号相位相序图；
[0054]
图3为本发明实施例1中道路几何条件和突发事件位置；
[0055]
图4为本发明实施例1中交通需求。
具体实施方式
[0056]
下面将结合示意图对本发明一种针对突发性溢流风险的单点交叉口信号配时方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果，因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
[0057]
实施例1：
[0058]
本发明实施例1中道路几何条件如图3所示，交通需求如图4所示。其中，绿灯前损失时间d
l
＝4s，最小周期时长c
min
以及最大周期时长c
max
分别为60s和120s，饱和流率s＝1800pcu/h/ln，出口道自由流状态下的车辆密度ke＝36pcu/km/ln，各流向最小绿灯时间g
min
＝5s，平均车头间距hd＝8m。模糊子集的上界x
l
和x
t
分别为1000m和300s。0-2600s时突发事件发生在出口道3距离交叉口200m处，出口道通行能力变为300pcu/h/ln。在2600s后，突发事件移除，出口道3恢复正常通行能力。研究分析时长t为3600s。
[0059]
采用本发明方法对该交叉口进行信号配时，总体方案流程图如图1所示，具体过程简述如下：
[0060]
步骤1：确定非溢流情况下的信号配时。根据图4所示交通流量，运用公式一至公式四的自适应控制方法计算非溢流状态下各流向的绿灯时长g
i,j
。
[0061]
步骤2：溢流风险识别。根据已设定的相关参数，通过公式三确定出口道最小剩余容量l
min
＝80m。实时检测出口道剩余容量，当出口到剩余容量l
3e
小于80m时视为发生溢流，此时触发反溢流控制，通过公式六得到三个溢流流向分别为进口道4的左转流向、进口道1的直行流向以及进口道2的右转流向，并进入步骤3。若没有发生溢流，则继续执行步骤1中的自适应信号控制。
[0062]
步骤3：确定溢流流向优先级。将检测到的溢流流向排队长度以及红灯持续时间代入公式七至公式十二的模糊控制器，输出得到各溢流流向的放行优先级。计算结果如表1所示。
[0063][0064]
表1
[0065]
步骤4：确定溢流流向绿灯时间。当出口道剩余排队长度le大于80m时，溢流流向将根据计算得到的优先级比较情况，利用公式十三计算得到溢流流向的绿灯时间。
[0066]
步骤5：溢流情况下的自适应信号参数调整。将步骤4中得到的溢流流向绿灯时间代入公式十七的新约束，并由公式一、公式四、公式十五、公式十六和公式十七重新计算自适应信号配时，计算结果如表2所示。
[0067]
溢流流向初始绿灯时间配时g
i,j
(s)调整后的绿灯时间g'
i,j
(s)
进口道1左转1010进口道1直行011进口道2左转1515进口道2直行2323进口道2右转05进口道3左转1919进口道3直行1820进口道4左转00进口道4直行1616
[0068]
表2
[0069]
步骤6：以秒为单位，循环计算步骤1到步骤5，直至研究分析时长结束。本发明与传统方法(采用绿灯早断措施的自适应控制)的对比如表3所示。可见，本发明较传统方法，交叉口通行效率由较大提升，其中溢流相关流向延误降低4.1％，总延误降低31.8％，最大排队长度减少11.0％。
[0070][0071]
表3
[0072]
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种针对突发性溢流风险的单点交叉口信号配时方法，其特征在于，针对存在突发性溢流风险的交叉口，在原本交叉口信号配时基本框架的基础上，通过对溢流相关流向绿灯时间的再分配，合理调整交叉口信号配时，提高交叉口的通行效率，具体包括如下步骤：s1：确定无溢流风险情况下的信号配时；s2：通过比较交叉口出口道实时剩余排队长度l
e
和出口道最小剩余排队长度来l
min
确定是否存在溢流风险，对交叉口进行溢流风险识别；s3：对于确定有溢流风险的交叉口，根据溢流相关流向的排队长度和红灯持续时间，运用模糊控制确定各溢流相关流向的放行优先级p
i,j
；s4：当出口道实时剩余排队长度l
e
大于出口道最小剩余排队长度l
min
时，当前溢流相关流向将根据其优先级，结合冲击波模型分配溢流相关流向的绿灯时间g
o
；s5：通过求解溢流风险情况下的优化模型，确定存在溢流风险情况下的信号配时。2.根据权利要求1所述的针对突发性溢流风险的单点交叉口信号配时方法，其特征在于，所述s1中，确定无溢流风险情况下的信号配时通过求解优化模型得到结果，所述优化模型以交叉口车均延误d最小为目标并通过公式一表示，所述公式一具体表示为：所述公式一中，d
i,j
通过公式二得出，所述公式二具体表示为：所述公式二中，x
ij
由公示三得出，所述公示三具体表示为：所述公式二和所述公式三中，c为周期时长，所述周期时长通过公式四限定时长范围，所述公式四具体表示为：c
min
≤c≤c
max
式中：d为交叉口车均延误，s；i为交叉口岔口编号的集合；j为进口道流向编号的集合；i∈i为进口道编号，1为东，2为北，3为西，4为南；j∈i为进口道流向编号，1为左转，2为直行，3为右转；d
i,j
为进口道i流向j的车均延误，s；q
i,j
为进口道i流向j的车流量，veh/h；g
i,j
为非溢流情况下进口道i流向j的绿灯时长，s；x
ij
为进口道i流向j的饱和度；s为单车道饱和流率，veh/h；n
i,j
为进口道i流向j的车道数；t为研究分析时长，h；c为周期时长，s；c
min
和c
max
分别代表最小周期时长以及最大周期时长，s。3.根据权利要求2所述的针对突发性溢流风险的单点交叉口信号配时方法，其特征在于，所述s2中，当出口道实时剩余排队长度l
e
小于出口道最小剩余排队长度l
min
，交叉口存在溢流风险，并将相关溢流流向变为红灯，其中，出口道最小剩余排队长度要求l
min
通过公式五计算，相关溢流流向通过公式六确定，所述公式五表示为：
式中：l
min
为出口道最小剩余排队长度要求，m；h
d
为平均车头间距，m；g
min
为最小绿灯时长，s；r为溢流流向集合；所述公式六表示为：式中：r为溢流流向集合；e∈i为出口道编号，1为东，2为北，3为西，4为南；l
e
为出口道实时剩余排队长度，m。4.根据权利要求3所述的针对突发性溢流风险的单点交叉口信号配时方法，其特征在于，所述s3中，所述模糊控制的设计包括模糊器、模糊推理器和解模糊器。5.根据权利要求4所述的针对突发性溢流风险的单点交叉口信号配时方法，其特征在于，在所述模糊器中，所述排队长度的理论域为[0,x
l
]，于所述排队长度的理论域中定义五个子区域，所述排队长度的五个子区域为{vs,s,m,l,vl}，每个所述排队长度的子区域皆为三角形隶属度函数，且每个所述排队长度的子区域的界限为所述红灯持续时间的理论域为[0,x
t
]，于所红灯持续时间的理论域中定义五个子区域，所述红灯持续时间的五个子区域为{vs,s,m,l,vl}，每个所述红灯持续时间的子区域皆为三角形隶属度函数，且每个所述红灯持续时间的子区域的界限为所述排队长度和所述红灯持续时间的模糊子集隶属a'(x
lij
,x
tij
)函数如公式七所示，所述公式七表示为：式中：x
l,i,j
为进口道i流向j的实时排队长度；x
t,i,j
为进口道i流向j的实时红灯持续时间；x
lk
为排队长度模糊子集的区界；x
tk
为红灯持续时间模糊子集的区界；a'
i,j
(x
l,i,j
,x
t,i,j
)为输入变量模糊子集的隶属度函数。6.根据权利要求5所述的针对突发性溢流风险的单点交叉口信号配时方法，其特征在于，于所述模糊推理器中定义如公式八、公式九和公式十所示的25个模糊规则，根据25个所述模糊规则输出通过公式十一确定的输出模糊子集b
ij
'，所述公式八为：所述公式九为：
所述公式十为：所述公式十一为：式中，m
l
为排队长度模糊规则的序号；m
t
为红灯持续时间模糊规则的序号；为排队长度模糊规则的输入条件；为红灯持续时间模糊规则的输入条件；为放行优先级模糊规则的输出结果。7.根据权利要求6所述的针对突发性溢流风险的单点交叉口信号配时方法，其特征在于，于所述解模糊器中，通过中心解模糊法，确定所述排队长度和所述红灯持续时长的五个子集的模糊中心分别为和所述放行优先级p
i,j
通过公式十二计算确定，所述公式十二表示为：式中，p
i,j
为进口道i流向j的优先级。8.根据权利要求7所述的针对突发性溢流风险的单点交叉口信号配时方法，其特征在于，所述s4中，所述绿灯时间g
o
通过公式十三确定，所述冲击波模型的冲击波波速w
e
通过公式十四确定，所述公式十三表示为：所述公式十四表示为：
式中：g
o
为分配给当前溢流相关流向的绿灯时间，s；d
l
为绿灯前损失时间，s；w
e
为交通冲击波波速，km/h；q
e
为出口道e的交通流量，veh/h；k
e
为出口道e的车辆密度，veh/km；k0为自由流状态下的车辆密度，veh/km。9.根据权利要求8所述的针对突发性溢流风险的单点交叉口信号配时方法，其特征在于，所述s5中，确定溢流风险情况下的信号配时同样通过求解优化模型得到结果，求解过程如下：如下：如下：c
min
≤c≤c
max
式中：g'
i,j
为调整后各流向绿灯时长，s；r
c
为当前溢流流向集合。

技术总结

本发明提供一种针对突发性溢流风险的单点交叉口信号配时方法，针对交叉口下游路段由于突发事件通行能力骤降的情况，在传统无溢流风险情况下的信号配时基础上，通过溢流风险识别、确定溢流相关流向的优先级、确定溢流相关流向绿灯时间和确定溢流风险情况下的信号配时等步骤，达到在预防溢流的基础上提高通行效率的目的；该方法通过模糊控制和冲击波模型量化了优先级与绿灯时间之间的关系，为突发性溢流风险情况下交叉口绿灯时间分配提供了一种合理的方法，提升了交叉口的通行效率。提升了交叉口的通行效率。提升了交叉口的通行效率。