CN111145564B - 信控交叉口的自适应可变车道控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种信控交叉口的自适应可变车道控制方法及系统，包括：采集交叉口历史流量数据，根据进道口流量变化规律确定车道功能每次转换的周期；将当前交叉口的交通负荷程度指标，作为车道功能转换的依据；根据转换周期以及当前交叉口的交通负荷程度指标，判定是否进行车道转换；如果是，切换预信号，对主信号的配时进行优化；否则，保持原信号方案；判断优化后的信号方案是否优于原方案，如果是，将当前信号方案变为优化后的方案；否则，保持原信号方案。本发明能够适应交叉口各车流随着时间不断变化的交通流，避免出现某一流向车道拥挤，另一流向车道空置的现象。

Description

信控交叉口的自适应可变车道控制方法及系统

技术领域

本发明涉及城市道路信号控制技术领域，尤其涉及一种信控交叉口的自适应可变车道控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

城市交通拥堵己经成为一个普遍存在的国际性难题，交叉口作为城市路网的关键节点，不同转向机动车流、非机动车流、行人流在此交织严重影响了交叉口的通行能力。左转交通流在交叉口产生的冲突点较多、造成的事故率较高，而且对交叉口通行能力的影响较大。城市交通流在道路网上的分布呈现出的时间和空间差异性使得交叉口资源仍然没有得到比较好的利用。

目前国内外的研究更多的是集中在潮汐式车流路段可变车道的设置方法，对于实时追踪道路交通需求来改变车道功能的研究较少。现有技术提出了一种基于检测器检测数据确定可变车道属性的控制方法，但文中提到的检测器的布设位置是根据交叉口渠化区内车流的特性布设、布设数量等条件比较苛刻，实际道路状况常难以满足。现有技术基于当前和历史交通流量数据预测下一时段的交通量，以此作为可变车道的属性判断依据，但由于需要同数据库中的大量数据作比较分析相关性等，因此时效性比较差，预测的结果也很难保证准确性。现有技术以最小延误为目标，对可变导向车道的车道功能和信号配时进行协同优化，分析了在已知流量条件下可变车道对降低交叉口延误的作用，但没有给出可变车道的控制转换策略。现有技术基于交叉口的时空关系分析，建立了动态车道功能与信号相位组合模型，但组合模型的约束条件繁多，对于短时间交通需求变化的交叉口可能不适用。

发明内容

本发明目的是为了适应交叉口各车流随着时间不断变化的交通流，避免出现某一流向车道拥挤，另一流向车道空置的现象，提出了一种信控交叉口的自适应可变车道控制方法及系统，允许对根据道路实际运行状况来对车道功能进行协调，然后针对车道功能的改变进行信号配时优化，以达到充分利用交叉口内的空间资源的目的。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种信控交叉口的自适应可变车道控制方法，包括：

(1)采集交叉口历史流量数据，根据进道口流量变化规律确定车道功能每次转换的周期；

(2)将当前交叉口的交通负荷程度指标，作为车道功能转换的依据；

(3)根据转换周期以及当前交叉口的交通负荷程度指标，判定是否进行车道转换；如果是，切换预信号，对主信号的配时进行优化，进入步骤(4)；否则，保持原信号方案；

(4)判断优化后的信号方案是否优于原方案，如果是，将当前信号方案变为优化后的方案；否则，保持原信号方案；

(5)返回步骤(3)，开始下一周期的判断。

其中，采集交叉口历史流量数据，根据进道口流量变化规律确定车道功能每次转换的周期，具体为：

选取长度为n的数据段空间作为滑动窗口，其中n为滑动窗口中包含数据的个数；

设定滑动窗口中单个数据允许的偏差，根据允许偏差设定滑动窗内n个周期流量数据的标准差阈值；

由流量数据的前n个计算流量初始均值，计算该n个流量数据的标准差；

滑动窗口由数据起始点滑至数据终点，每当移动一次，原始起点流量数据将被舍弃且有一个新的周期流量数据进入窗口，计算新的n个流量数据的均值和标准差；

若总计N个周期流量数据，则得到N-n+1个标准差计算值，统计小于等于标准差阈值的标准差的个数m_n；

改变滑动窗口长度，重复上述步骤，比较各滑动窗口长度下的m_n值，取m_n最大时的滑动窗口长度作为交叉口车道功能切换判断周期。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的信控交叉口的自适应可变车道控制方法。

在另一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的信控交叉口的自适应可变车道控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明能够适应交叉口各车流随着时间不断变化的交通流，避免出现某一流向车道拥挤，另一流向车道空置的现象；允许对根据道路实际运行状况来对车道功能进行协调，然后针对车道功能的改变进行信号配时优化，以达到充分利用交叉口内的空间资源的目的。

附图说明

图1为本发明实施例一中交通信号控制示意图；

图2为本发明实施例一中自适应可变车道的总体工作流程图；

图3为本发明实施例一中车道功能控制流程示意图；

图4为本发明实施例中交叉口渠化示意图；

图5为本发明实施例中路网图；

图6为本发明实施例中采用可变车道前后的各流向车道平均每车延误对比图；

图7为本发明实施例中采用可变车道前后的左转车平均延误对比图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

名词解释：

进口道：指的是进入道路平面交叉处的路口。

卡口：设置在交叉口处或路段上的车辆监测系统，用以对所有通过该点的机动车辆进行拍摄、记录与处理。

预信号：预信号是在交叉口上游(约30-50米)设置的一组信号灯装置，用以诱导驾驶员驶入进可变车道。

主信号：设置在交叉口处的若干组信号灯装置，用来在时间上给各方向的交通流分配通行权。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种基于卡口检测数据的自适应可变车道控制方法，首先需要说明的是，并非所有的交叉口均适用于动态可变车道的设置，在道路物理条件和交通状态等方面需要满足以下条件和假设：

条件：

(1)进口道出口道车道数>＝4；

(2)相位条件，设置可变车道的进口道须有左转专用相位；

基本假设：

(1)不考虑行人过街及非机动车的影响；

(2)本文不考虑右转受信号控制的情况；

(3)不适用于立体交叉口环形交叉口等；

(4)不考虑发生交通事故等特殊状况。

本实施例自适应可变车道的总体工作流程如图2所示，包括以下步骤：

(1)采集交叉口历史流量数据，根据进道口流量变化规律确定车道功能每次转换的周期；

(2)将当前交叉口的交通负荷程度指标，作为车道功能转换的依据；

(3)根据转换周期以及当前交叉口的交通负荷程度指标，判定是否进行车道转换；如果是，切换预信号(即左转允许和直行允许的切换)，对主信号的配时进行优化，进入步骤(4)；否则，保持原信号方案；

(4)判断优化后的信号方案是否优于原方案，如果是，将当前信号方案变为优化后的方案；否则，保持原信号方案；

(5)返回步骤(3)，开始下一周期的判断。

具体地，

1)确定每相邻两次车道转换的时间间隔

如果判断的时间间隔过长，则可能无法实时满足道路各方向车流的需求，使空间利用效率提升有限，若判断的时间间隔过短，会增加驾驶员与道路之间的协调压力，甚至导致交通秩序混乱。因此，有必要通过实际交叉口处采集到的数据的历史规律分析，来确定该处交叉口每次判断是否需要转换车道功能的时间间隔。判断方法如下：

先由卡口历史数据按一个以周期为单位的时间滑动窗统计分析进口道的流量变化特性，根据流量变化规律确定车道功能每次转换的周期。确保在各流向交通流波动不大的情况下，尽可能地缩小车道功能变换周期时长。步骤如下

(1)选取长度为n的数据段空间作为滑动窗口，用以判断流量数据段稳定的最小时间长度，其中n为滑动窗口中包含的数据个数。每个数据都是以一个周期为单位的统计值

(2)设定滑动窗中单个数据允许的偏差ε，根据允许偏差设定滑动窗内n个周期流量数据的标准差的阈值σ_n。

(3)由流量数据的前n个计算流量初始均值∈，计算该n个流量数据的标准差σ₀

(4)滑动窗口由数据起始点滑至数据终点的过程，每当移动一次，原始起点流量数据将被舍弃且有一个新的周期流量数据进入窗口，计算新的n个流量数据的均值和标准差。若总计N个周期流量数据，则得到N-n+1个标准差计算值，统计满足≤σ_n的标准差个数为m_n。

(5)改变滑动窗口长度，重复上述步骤，比较各滑动窗口长度下的m_n值，取m_n最大时的滑动窗口长度作为交叉口车道功能切换判断周期。

2)车道功能转换依据

饱和度是判断车道功能应如何转变的重要依据，由道路或交叉口的交通流量除以该道路或交叉口的通行能力而得是描述道路或交叉口的交通负荷程度的指标。

当左转车流饱和度大于直行车流饱和度时，车道功能变为左转；

当左转车流饱和度小于直行车流饱和度时，车道功能变为直行。

每个进口道的第j个车道饱和度计算公式为

C为交叉口信号周期，q_i为第j个车道的实际流量，S_j为第j个车道的饱和流率,(pcu/h)，g_i为该周期第j车道车流的有效绿灯时长,(s)。

3)信号切换方案

为了保证在车道功能发生变化可变车道上前一相位的车流清空，且不影响对向进口道和相邻进口道的车辆正常行驶，需要保证可变车道信号灯组比主信号灯组提前关闭当前流向的通行，此时下一个相位的车辆可以进入可变车道，若可变车道的车辆平均速度为v,可变车道长度为L，(停车线与可变标志牌的距离)则提前关闭可变车道的时长为

t₂为从进口道停车线驶离交叉口的时间；另外为进一步保证车辆能被清空，，可延后可变车道的放行时刻，延后时间不宜过长。

参照图1，

为主信号南北方向左转的相位时间，

为主信号南北方向直行的相位时间，

为主信号东西方向的左转相位时间，

为主信号东西方向的直行相位时间。

普通左转车道从

结束时开始积累将在下一周期通过的左转车辆，可变车道要迟放一些(延迟时长为t₂)，以避免可变车道上积累过多车辆导致左转相位期间无法及时排空,车道功能切换在t₂结束时刻完成，为保证可变车道功能切换至左转前车道上的直行车流能及时清空，需提前关闭预信号(提前时长为t₁)，只需保证关闭直行预信号时进入可变车道的最后一辆直行车辆能在

结束前驶离交叉口即可。

结束时刻至t₂结束时刻的时间段内，完成计算道路左转车道上车流的饱和度指标和右转饱和度指标。

参照图3，初始状态下可变车道为直行，用α＝0表示，α＝1表示可变车道为左转；i用来表示周期序数。从第一个周期开始，输入左转车道的车流量和直行车道的车流量，分别计算左转车道饱和度和直行车道饱和度并比较大小，如果左转车道饱和度小于直行车道饱和度，则置α＝0，此时不执行任何动作，车道功能属性保持不变；如果左转车道饱和度大于直行车道饱和度则置α＝1，此时n开始计数n＝1，表示收到一次车道功能变换请求，当请求次数累计到N次以上，可变车道功能属性转为“左转”，同时周期计数加1，进入下个周期，重复上述步骤。

4)主信号配时优化

由于各功能车道数量不停的发生变化，各信号相位配时可能需要实时优化，优化方法是一个多约束条件的最优化模型。

①以平均每车延误为优化目标：

n为交叉口的进口道个数，D_i为第i个进口道的平均每车延误,(s/pcu)。

其中，d_L为左转车流的平均延误，q_L为左转车流量，d_T为直行车流的平均延误，q_T为直行流量。

左转或直行车流的车均控制延误由控制延误、随机延误和初始排队延误三部分组成：

控制延误计算公式：

其中，λ_j为第j车道的绿信比，

x_j为第j车道的饱和度。

随机延误计算公式：

其中，x_j为第j车道的饱和度，T为分析时段持续时长,(h)，Q_j为j第车道的通行能力,(pcu/h)，I为按上游信号灯车辆换车道和调节的增量延误修正系数，K为感应控制的延误修正系数。

初始排队延误计算公式：

t′为分析期内饱和状态的持续时间,(h)，μ为延误参数，Q_b为分析期开始时的排队车辆数，当厨师排队长度为0，Q_b＝0。

②信号优化模型的约束条件：

a)每个车道组的有效绿灯时间必须满足不小于最小有效绿灯时间故,g_i为第i个相位的有效绿灯时间，

则表示第i个相位内，第j个车道有通行权

通行能力计算式为：

b)各相位绿灯时间还应满足最小周期和最大周期约束

T_loss为周期内的总损失时间，C_min和C_max分别为交叉口允许的最小周期和最大周期，由于本文是定周期下的平衡各相位绿灯时间问题，因此应该满足C_min＝C_max。

c)饱和度约束

当改变车道功能属性后，须保证左转和直行车流的饱和度均在一定范围内，避免出现某一流向饱和度过大的情况

x_i ^L≤x_imax,x_i ^T≤x_imax

x_i ^L为左转车流的平均每车道饱和度，x_i ^T为直行车流的平均每车道饱和度。

本实施例以山东省济南市经十路青年东路路口为例，进行南进口道的可变车道设置，交叉口渠化如图4所示。

交叉口信号相位如下表所示：

假设交叉口交通流随机到达，并采用单点预设信号控制，参考HCM2000，周期C＝210s；此交叉口距临近的上游交叉口距离满足大于等于1.6km，故上游信号灯车辆换车道和调节的增量延误修正系数I为1.0；对于定周期信号，感应控制的延误修正系数K取为0.5。

由上述车道属性切换判断方法得n_p＝6。

由于不能在实际道路中应用该方法，在VISSIM交通仿真软件中画出如上路网，通过python通过COM口完成程序对仿真的控制。路网图如图5所示。

仿真结果如下：采用可变车道前后的各流向车道平均每车延误对比图如图6所示，(以每十个周期为一个采样点得到)。采用可变车道前后的左转车平均延误如图7所示。

优化后的车道变换和各信号配时时间(始于6:00，结束于21:00)

实施例二

在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、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实施例一中的信控交叉口的自适应可变车道控制方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。

实施例一中的信控交叉口的自适应可变车道控制方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种信控交叉口的自适应可变车道控制方法，其特征在于，包括：

(1)采集交叉口历史流量数据，根据进道口流量变化规律确定车道功能每次转换的周期，具体为：改变滑动窗口长度，计算各滑动窗口长度下的m_n值，比较各滑动窗口长度下的m_n值，取m_n最大时的滑动窗口长度作为交叉口车道功能切换判断周期；所述m_n值为标准差计算值小于等于标准差阈值的标准差的个数；

(2)将当前交叉口的交通负荷程度指标，作为车道功能转换的依据；

(3)根据转换周期以及当前交叉口的交通负荷程度指标，判定是否进行车道转换；如果是，切换预信号，对主信号的配时进行优化，进入步骤(4)；否则，保持原信号方案；所述判定是否进行车道转换的具体步骤为：从第一个周期开始，输入左转车道的车流量和直行车道的车流量，分别计算左转车道饱和度和直行车道饱和度并比较大小；如果左转车道饱和度小于直行车道饱和度，此时不执行任何动作，车道功能属性保持不变；如果左转车道饱和度大于直行车道饱和度，表示收到一次车道功能变换请求，当请求次数累计到N次以上，可变车道功能属性切换，同时周期计数加1，进入下个周期，重复上述步骤；

(4)判断优化后的信号方案是否优于原方案，如果是，将当前信号方案变为优化后的方案；否则，保持原信号方案；

(5)返回步骤(3)，开始下一周期的判断。

2.如权利要求1所述的一种信控交叉口的自适应可变车道控制方法，其特征在于，计算各滑动窗口长度下的m_n值，具体为：

选取长度为n的数据段空间作为滑动窗口，其中n为滑动窗口中包含数据的个数；

设定滑动窗口中单个数据允许的偏差，根据允许偏差设定滑动窗内n个周期流量数据的标准差阈值；

由流量数据的前n个计算流量初始均值，计算该n个流量数据的标准差；

滑动窗口由数据起始点滑至数据终点，每当移动一次，原始起点流量数据将被舍弃且有一个新的周期流量数据进入窗口，计算新的n个流量数据的均值和标准差；

若总计N个周期流量数据，则得到N-n+1个标准差计算值，统计小于等于标准差阈值的标准差的个数m_n。

3.如权利要求1所述的一种信控交叉口的自适应可变车道控制方法，其特征在于，将当前交叉口的交通负荷程度指标，作为车道功能转换的依据，具体为：

将饱和度作为交叉口的交通负荷程度指标，当左转车流饱和度大于直行车流饱和度时，车道功能变为左转；当左转车流饱和度小于直行车流饱和度时，车道功能变为直行。

4.如权利要求3所述的一种信控交叉口的自适应可变车道控制方法，其特征在于，每个进口道的第j个车道饱和度计算公式为：

其中，C为交叉口信号周期，q_i为第j个车道的实际流量，S_j为第j个车道的饱和流率，g_i为该周期第j车道车流的有效绿灯时长。

5.如权利要求1所述的一种信控交叉口的自适应可变车道控制方法，其特征在于，可变车道信号灯组比主信号灯组提前关闭当前流向的通行，若可变车道的车辆平均速度为v,可变车道长度为L，则提前关闭可变车道的时长为：

t₂为从进口道停车线驶离交叉口的时间。

6.如权利要求1所述的一种信控交叉口的自适应可变车道控制方法，其特征在于，对主信号的配时进行优化，具体为：

以平均每车延误最小为优化目标，以最小有效绿灯时间约束、绿灯时间最小周期和最大周期约束以及饱和度约束为约束条件，建立主信号配时优化模型。

7.如权利要求6所述的一种信控交叉口的自适应可变车道控制方法，其特征在于，所述主信号配时优化模型具体为：

其中，n为交叉口的进口道个数，D_i为第i个进口道的平均每车延误；d_L为左转车流的平均延误，q_L为左转车流量，d_T为直行车流的平均延误，q_T为直行流量；

分别为控制延误、随机延误和初始排队延误。

8.如权利要求6所述的一种信控交叉口的自适应可变车道控制方法，其特征在于，所述约束条件包括：

a)每个车道组的有效绿灯时间满足不小于最小有效绿灯时间；

b)各相位绿灯时间还应满足最小周期和最大周期约束；

c)当改变车道功能属性后，保证左转和直行车流的饱和度均在设定范围内，避免出现某一流向饱和度过大的情况。

9.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-8任一项所述的信控交叉口的自适应可变车道控制方法。

10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-8任一项所述的信控交叉口的自适应可变车道控制方法。

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