双模式全感应信号控制方法

本发明属于交通信号控制，涉及一种双模式全感应信号控制方法。

背景技术：

1、独立信号控制，亦称非协调信号控制，是指信号机不考虑与相邻交叉口的信号灯联动关系，独立对一个交叉口的信号灯施加影响。

2、全感应信号控制方法是独立信号控制方法的一种类型，它的主要特点包括：①在所有机动车相位的进口车道上设置机动车检测器；②设计和部署感应逻辑；③根据实时感知的机动车交通需求，在一定范围内自动调整机动车相位的绿灯时长。与其他类型的独立信号控制方法相比，全感应信号控制方法不需要预测机动车交通需求，不依赖优化模型确定机动车相位的绿灯时长，工作原理简单，数据使用保守，计算开销小，响应速度快，适应能力强，运维难度低。即使在数据资源和算力资源都十分丰富的环境中，出于效益成本比的考虑，全感应信号控制方法仍将表现出强大的生命力并继续演进。

3、现有全感应信号控制方法的核心任务是适时切断机动车相位的绿灯。由此导致的一个结果是，周期时长随着机动车相位绿灯时长的变化而变化，但不会对信号运行过程产生任何影响。如果每个机动车相位都在最小绿灯时长结束后立即或者不久切断绿灯，周期时长小，几乎没有机动车相位会经历大的红灯时长。如果每个机动车相位都在接近或者达到最大绿灯时长时切断绿灯，周期时长大，几乎所有机动车相位都会经历大的红灯时长。对于一个交通需求高涨的机动车相位，红灯时长越大，车均延误越大。进一步说，车均延误大的机动车相位越多，交叉口的车均延误越大。

4、就交叉口性能而言，现有全感应信号控制方法的优点是中低交通负荷场景中可以使周期时长和车均延误足够小，缺点是高交通负荷场景中无法遏制周期时长和车均延误变大。

技术实现思路

1、为了继承现有方法的优点，弥补现有方法的缺点，本发明依托常规的交通控制设施和易得的机动车检测数据，改变数据使用方式和信号运行过程，提出一种双模式全感应信号控制方法。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种双模式全感应信号控制方法，所述的双模式全感应信号控制方法面向两条干路相交形成的信号控制交叉口，在所有机动车相位的进口车道上设置机动车检测器，采集空当时长和到达车辆数。沿用最小绿灯时长、最大绿灯时长的概念，引入期望绿灯时长、期望周期时长、最小周期时长、基础周期时长、绿灯强制切断点的概念。信号机具有两种信号运行模式：周期时长自由模式下，运行无显式定义周期时长的感应逻辑，核心任务是适时切断机动车相位的绿灯；周期时长受限模式下，运行有显式定义周期时长的感应逻辑，核心任务是严格限制周期时长、适时切断机动车相位的绿灯。两种信号运行模式可以自动切换。本发明在中低交通负荷场景中可以使周期时长和车均延误足够小，在高交通负荷场景中可以有效遏制周期时长和车均延误变大。

4、从交通控制设施、信号相位设置、机动车检测、信号运行模式、感应逻辑、配时参数等方面，介绍本发明的技术方案。

5、一、交通控制设施

6、信号控制交叉口由两条干路相交形成，共有四个分支。每个交叉口分支设置左转进口车道、直行进口车道、直右进口车道和人行横道。进口车道长度不小于40米。当人行横道长度超过16米时，在人行横道中央设置宽度不小于2米的行人过街安全岛。

7、按照现行国家标准《道路交通信号灯设置与安装规范》的规定，设置左转方向指示信号灯、机动车信号灯和行人信号灯。

8、左转方向指示信号灯和机动车信号灯的灯色转换顺序是红→绿→黄→红。行人信号灯的灯色转换顺序是红→绿→绿闪→红。

9、二、信号相位设置

10、每个交叉口分支设置两个机动车相位和一个行人相位。两个机动车相位中，一个是左转相位，一个是直行相位。左转相位是左转方向指示信号灯的控制单元。直行相位是机动车信号灯的控制单元。行人相位是行人信号灯的控制单元。

11、机动车相位按照所属交叉口分支的命名方式如下：

12、相位v1是主要道路分支a的左转相位；相位v2是主要道路分支b的直行相位；

13、相位v3是次要道路分支a的左转相位；相位v4是次要道路分支b的直行相位；

14、相位v5是主要道路分支b的左转相位；相位v6是主要道路分支a的直行相位；

15、相位v7是次要道路分支b的左转相位；相位v8是次要道路分支a的直行相位。

16、行人相位按照所属交叉口分支的命名方式如下：

17、相位p2是次要道路分支a的行人相位；相位p4是主要道路分支b的行人相位；

18、相位p6是次要道路分支b的行人相位；相位p8是主要道路分支a的行人相位。

19、相位p2和v2同步显示绿灯，相位p4和v4同步显示绿灯，相位p6和v6同步显示绿灯，相位p8和v8同步显示绿灯。

20、采用两个环和两个屏障组织机动车相位显示顺序，每个环上有四个相位。

21、相位按照所属环的命名方式如下：

22、相位rj(m)是第j个环左数的第m个相位；

23、相位rj(1)和rj(3)是两个屏障之间的前置相位；

24、相位rj(2)和rj(4)是两个屏障之间的后置相位。

25、三、机动车检测

26、在每个机动车相位的每条进口车道的停止线上游30米设置一个机动车检测器。

27、从机动车相位的最小绿灯时长结束时刻至期望绿灯时长估计算法停止时刻，记录该相位的所有检测器采集的空当时长。

28、机动车相位的黄灯结束前第2秒，将该相位的所有检测器记录的到达车辆数清零。

29、从机动车相位的黄灯结束前第2秒至红灯结束时刻，记录该相位的所有检测器采集的到达车辆数。

30、四、信号运行模式

31、信号机具有两种信号运行模式：周期时长自由模式和周期时长受限模式。无论何种信号运行模式，所有的机动车相位和行人相位每个周期都按照固定的顺序显示一次绿灯；机动车相位的绿灯时长是可变的，行人相位的绿灯时长和绿闪时长是固定的。

32、周期时长自由模式下，运行无显式定义周期时长的感应逻辑，简称“传统感应逻辑”，核心任务是适时切断机动车相位的绿灯。

33、周期时长受限模式下，运行有显式定义周期时长的感应逻辑，简称“新式感应逻辑”，核心任务包括严格限制周期时长，适时切断机动车相位的绿灯。

34、信号机在启动后的前两个周期处于周期时长自由模式。从第3个周期开始，采用以下方式切换信号运行模式：

35、如果信号机在过去的两个周期都处于周期时长自由模式，并且这两个周期的实际周期时长都大于等于周期时长阈值，信号机在下一周期进入周期时长受限模式；

36、如果信号机在过去的两个周期都处于周期时长受限模式，并且这两个周期的实际周期时长都小于周期时长阈值，信号机在下一周期进入周期时长自由模式。

37、五、感应逻辑

38、感应逻辑是用来感知机动车交通需求、切断机动车相位绿灯的一系列规则。

39、假设相位rj(m)正在显示绿灯。相位rj(m)存在连续交通需求的判断条件是该相位的最小绿灯时长结束后，至少一个检测器采集的空当时长小于等于空当时长阈值。

40、传统感应逻辑运行期间，当满足下列条件之一时，相位rj(m)发出切断绿灯请求：

41、(1)相位rj(m)不存在连续交通需求；

42、(2)相位rj(m)的绿灯时长达到最大绿灯时长。

43、新式感应逻辑运行期间，当满足下列条件之一时，相位rj(m)发出切断绿灯请求：

44、(1)相位rj(m)不存在连续交通需求；

45、(2)周期时长达到相位rj(m)的绿灯强制切断点。

46、无论何种感应逻辑，如果相位rj(m)是前置相位，一旦相位rj(m)发出切断绿灯请求，立即切断它的绿灯；如果相位rj(m)是后置相位，一旦相位rj(m)和并发的另一个后置相位都发出切断绿灯请求，立即切断它们的绿灯。

47、六、配时参数

48、(1)最小绿灯时长

49、周期时长自由模式和周期时长受限模式下，最小绿灯时长是一个机动车绿灯相位至少能够显示的绿灯时长。

50、如果信号机在第n个周期处于周期时长自由模式，相位rj(m)的绿灯开始时刻，利用公式(1)、(2)确定相位rj(m)在第n个周期的最小绿灯时长

51、

52、

53、式中，mingrj(m),s表示相位rj(m)考虑行车安全的最小绿灯时长；mingrj(m),p表示相位rj(m)考虑行人过街的最小绿灯时长；表示相位rj(m)在第n个周期考虑排队服务的最小绿灯时长；xrj(m)＝1表示相位rj(m)是直行相位，xrj(m)＝0表示相位rj(m)是左转相位；表示相位rj(m)的检测器在第n个周期相位rj(m)的绿灯开始时刻返回的最大到达车辆数；sthrj(m)表示相位rj(m)的饱和车头时距；ddrj(m)表示相位rj(m)的检测器上游端到停止线的距离；dvrj(m)表示相位rj(m)停止线后的一列排队车辆中相邻两台静止小汽车尾部之间的平均距离。

54、如果信号机在第n个周期处于周期时长受限模式，不考虑相位rj(m)停止线后的排队车辆带来的影响，相位rj(m)的绿灯开始时刻，利用公式(3)确定

55、

56、(2)最大绿灯时长

57、周期时长自由模式下，最大绿灯时长是一个机动车绿灯相位在任意一个机动车红灯相位存在交通需求的情况下至多能够显示的绿灯时长。

58、一个机动车红灯相位存在交通需求的判断条件是该相位的任意一个检测器返回的到达车辆数大于0。

59、利用公式(4)计算相位rj(m)在第n个周期的最大绿灯时长

60、

61、式中，表示相位rj(m)在第n个周期首次确认一个机动车红灯相位存在交通需求时的绿灯时长；表示相位rj(m)在第n个周期的最大绿灯时长与最小绿灯时长的差值。

62、为设置下限值和上限值周期时长自由模式的前两个周期，从周期时长自由模式的第3个周期开始，采用以下方式调整的数值：

63、如果信号机在第(n-2)个和第(n-1)个周期都处于周期时长自由模式，并且相位rj(m)在这两个周期都因为不存在连续交通需求发出了切断绿灯请求，第(n-1)个周期相位rj(m)的绿灯结束时刻，利用公式(5)确定

64、

65、式中，δd表示相位rj(m)的最大绿灯时长与最小绿灯时长差值的调整步长。

66、如果信号机在第(n-2)个和第(n-1)个周期都处于周期时长自由模式，并且相位rj(m)在这两个周期都因为绿灯时长达到最大绿灯时长发出了切断绿灯请求，第(n-1)个周期相位rj(m)的绿灯结束时刻，利用公式(6)确定

67、

68、(3)期望绿灯时长

69、周期时长自由模式和周期时长受限模式下，期望绿灯时长是一个机动车相位为了兑现最小绿灯时长和服务连续交通需求，期望在一个周期得到的绿灯时长。期望绿灯时长有可能小于、等于或者大于实际绿灯时长。

70、以相位rj(m)为例，期望绿灯时长估计算法在相位rj(m)的绿灯开始时刻启动，在不晚于相位rj(m)红灯开始后的第x秒停止。x的取值取决于红灯开始后车辆排队从停止线延伸至检测器所需的时间。理想情况是，当期望绿灯时长估计算法运行至红灯开始后的第x秒时，车辆排队没有或者刚好延伸至检测器。

71、相位rj(m)的绿灯开始后，时钟每向前一秒，期望绿灯时长估计算法运行一次，期望绿灯时长增加一秒。当满足下列条件之一时，期望绿灯时长估计算法停止运行，返回相位rj(m)的期望绿灯时长：

72、①相位rj(m)不存在连续交通需求；

73、②相位rj(m)的连续交通需求一直持续到相位rj(m)红灯开始后的第x秒。

74、显然，如果相位rj(m)切断绿灯时仍然存在连续交通需求，期望绿灯时长估计算法将继续运行。对于黄灯和红灯期间继续以车队形式到达进口车道的车辆，考虑到后车驾驶员可能采取比前车驾驶员更积极的减速行为，导致检测器采集的空当时长变大，应当适度放宽绿灯结束后机动车相位存在连续交通需求的判断条件，具体做法是：设置两个空当时长阈值；阈值2的取值略大于阈值1；绿灯结束前，采用阈值1，绿灯结束后，采用阈值2。

75、(4)期望周期时长

76、周期时长自由模式和周期时长受限模式下，期望周期时长是主要道路相位和次要道路相位的期望周期时长份额之和。

77、利用公式(7)计算相位rj(m)在第n个周期的期望周期时长份额

78、

79、式中，ycrj(mn)表示相位rj(m)的黄灯时长；rcrj(m)表示相位rj(m)的红灯清空时长。

80、利用公式(8)计算主要道路相位在第n个周期的期望周期时长份额

81、

82、利用公式(9)计算次要道路相位在第n个周期的期望周期时长份额

83、

84、利用公式(10)计算第n个周期的期望周期时长expcn：

85、

86、(5)最小周期时长

87、周期时长受限模式下，最小周期时长是主要道路相位和次要道路相位的最小周期时长份额之和。

88、利用公式(11)计算相位rj(m)在第n个周期的最小周期时长份额

89、

90、利用公式(12)计算主要道路相位在第n个周期的最小周期时长份额

91、

92、利用公式(13)计算次要道路相位在第n个周期的最小周期时长份额

93、

94、利用公式(14)计算第n个周期的最小周期时长mincn：

95、

96、(6)基础周期时长

97、周期时长受限模式下，基础周期时长是交叉口能够使用的最大周期时长。

98、为基础周期时长设置上限值。周期时长受限模式的前两个周期，基础周期时长等于用来切换信号运行模式的周期时长阈值。从周期时长受限模式的第3个周期开始，采用以下方式调整基础周期时长的数值：

99、如果信号机在第(n-2)个和第(n-1)个周期都处于周期时长受限模式，并且这两个周期的实际周期时长都小于基础周期时长，第(n-1)个周期的结束时刻，利用公式(15)确定第n个周期的基础周期时长bascn：

100、

101、式中，δc表示基础周期时长的调整步长。

102、如果信号机在第(n-2)个和第(n-1)个周期都处于周期时长受限模式，并且这两个周期的实际周期时长都等于基础周期时长，第(n-1)个周期的结束时刻，利用公式(16)确定bascn：

103、

104、式中，bascub表示基础周期时长的上限值。

105、(7)绿灯强制切断点

106、周期时长受限模式下，绿灯强制切断点是一个机动车绿灯相位在一个周期内必须切断绿灯的时刻。

107、基础周期时长中除去机动车相位的最小绿灯时长、黄灯时长和红灯清空时长的部分是由所有机动车相位竞争使用的绿灯时长，即交叉口的共享绿灯时长。本质上，确定每个机动车相位的绿灯强制切断点就是将交叉口的共享绿灯时长预分配给每个机动车相位。新式感应逻辑将对每个机动车相位得到的预分配共享绿灯时长进行实时调整。

108、利用公式(17)计算相位rj(m)预分配交叉口在第n个周期的共享绿灯时长的权重

109、

110、利用公式(18)计算主要道路相位预分配交叉口在第n个周期的共享绿灯时长的权重

111、

112、利用公式(19)计算次要道路相位预分配交叉口在第n个周期的共享绿灯时长的权重

113、

114、已知(bascn-mincn)是交叉口在第n个周期的共享绿灯时长，利用公式(20)计算主要道路相位在第n个周期的预分配基础周期时长份额

115、

116、利用公式(21)计算次要道路相位在第n个周期的预分配基础周期时长份额

117、已知是第j个环的主要道路相位在第n个周期的预分配共享绿灯时长，利用公式(22)计算相位rj(1)在第n个周期的绿灯强制切断点

118、利用公式(23)计算相位rj(2)在第n个周期的绿灯强制切断点

119、

120、已知是第j个环的次要道路相位在第n个周期的预分配共享绿灯时长，利用公式(24)计算相位rj(3)在第n个周期的绿灯强制切断点

121、利用公式(25)计算相位rj(4)在第n个周期的绿灯强制切断点

122、

123、本发明产生的有益效果如下：

124、本发明从数据使用方式和信号运行过程两个方面，对现有全感应信号控制方法进行了一次重大升级，在中低交通负荷场景中可以使周期时长和车均延误足够小，在高交通负荷场景中可以有效遏制周期时长和车均延误变大。