一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法与流程

1.本发明涉及城市交通规划与管理交通控制技术领域，尤其涉及一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法。


背景技术：

2.在城市拥堵问题愈来愈严重的背景下，信号协调控制作为常规手段之一，其协调控制方法的改进及协调控制的对象研究意义显著。然而，现状信号协调控制方式仍然以干线协调控制或单一交叉口的单点信号控制为主，对于一个区域范围而言，区域范围内除了包含主干道外，还由主干道周边的次干道或支路组成，对于较为复杂的城市路网来说，通过管理城市道路上的交通流提高网络性能进行路径的协调控制更为重要。
3.城市路径信号协调控制不同于干线协调控制，通常存在车辆转向行为，故需要对路径进行子区划分，而各子区相对独立，使路径控制缺乏连续性，因此，需要解决如何对各路径协调子区之间进行合理的速度引导。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法，以克服现有技术中存在的不足。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法，包括以下步骤
6.步骤1，对确定的路径进行协调子区的划分，对各个子区及子区的衔接段进行分别的协调控制；
7.步骤2，建立速度引导模型，速度引导模型用于给与上游交叉口车辆一个建议车速以使车辆能够集结成车队高效有序的通过下游交叉口，速度引导模型包括匀速引导方式、加速引导方式和减速引导方式；
8.步骤3，在进行路径的协调子区划分和建立速度引导模型的基础上，建立不对称绿波带宽协调模型，该模型利用每个方向上的绿灯时间，适应于存在转向的路径协调控制中。
9.作为本发明的一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法的改进，在步骤1中，对于子区划分协调控制阀值的设定参照模糊数学中的隶属度函数原理，自变量为相邻交叉口路段关联度，其函数值符合正态分布，函数表征如公式(1)所示：
[0010][0011]
x即为路段关联度，当x＜0.25时，不需要对其路段进行协调划分；当x≥0.5时，需要对其路段进行协调划分；当0.25≤x＜0.5时，根据隶属度函数，求出函数的拐点处的临界值τ(x0)，若τ(x)≥τ(x0)，则需要进行协调划分。
[0012]
作为本发明的一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法的改进，在步骤2中，在进行速度引导模型选择时，需依据车辆到达下游的相位时刻进行判定：假定车辆在路段的行驶速度为v0；车辆距离下游交叉口停车线距离为l；交叉口信号周期长度为c；t0为信号周期中当前相位的时刻；a为车辆的加速度；vm为车辆最高行驶速度，车辆从引导处到达下游交叉口停车线的时间为t，车辆到达时信号周期所处的时刻为t1，[0,x]为绿灯时间，[x,c]为红灯时间。
[0013]
当车辆匀速行驶时可得公式(2)和(3)：
[0014][0015][0016]
当时，不需要对车辆进行速度引导，车辆以该速度继续行驶。
[0017]
作为本发明的一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法的改进，在步骤2中，当时，且通过车辆加速引导，使得其在赶上下游交叉口绿灯时间，即使得对其进行加速引导，设其引导速度为vg，其中vg≤vm，vm为路段最大限速，车辆经过匀加速至引导速度，并匀速行驶两个阶段，此时车辆从引导处至达下游交叉口的行程时间为：
[0018][0019]
其中，车辆在路段的行驶速度为v0；引导速度为vg，a为车辆的加速度；车辆从引导处到达下游交叉口停车线的时间为t。
[0020]
作为本发明的一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法的改进，在步骤2中，当时，若对其进行加速引导并以路段最大限速行驶，车辆无法在当前绿灯时间内通过下游交叉口，则对其进行减速引导，使车辆在交叉口集结成新的车队，在下一个周期的绿灯时间内通过下游交叉口，
[0021]
此时：
[0022]
t＝c-t0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0023]
车辆经过匀减速行驶和匀速行驶两个阶段，设其行驶时间分别为ta和tb，且t＝ta+tb，则
[0024][0025][0026]
其中，车辆从引导处到达下游交叉口停车线的时间为t，交叉口信号周期长度为c，t0为信号周期中当前相位的时刻，车辆距离下游交叉口停车线距离为l，车辆在路段的行驶速度为v0，a为车辆的加速度，引导速度为vg。
[0027]
作为本发明的一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法的改进，在步骤3中，该
不对称绿波带宽协调模型通过添加0-1变量和左转弯系数对转向行为进行表示，用δi表示为同一交叉口以用于定义驶出和驶离交叉口方向红灯中点时刻的差值，不同方向左转相位时长修正差值，其表达式为：
[0028][0029]
可得到模型关于冲突变量与左转弯系数的约束条件：
[0030][0031]
其中，li和示驶入和驶离交叉口方向左转相位的绿灯时间的两个变量，ri和为在交叉口si处驶离和驶入交叉口方向的红灯时长的两个边路，wi和为冲突变量以用于定义为红灯开始和结束时间与绿波带中心线的时间长度的两个变量，τi和为下游交叉口车辆排队消散时间的两个变量，ti和为上行和下行方向从当前交叉口驶离到达下游交叉口行程时间的两个变量。
[0032]
作为本发明的一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法的改进，在步骤3中，通过不对称绿波带宽模型，加入路径转向、速度引导条件后得到路径信号协调控制模型如下：
[0033]
[0034][0035]
其中，z为周期频率定义为公共周期的倒数；c1为最小周期；c2为最大周期；ki为上行和下行带宽的需求比；ai和为上行和下行方向路段饱和度的两个变量；di和为上行和下行方向相邻交叉口间距的两个变量；fi和为上行和下行方向路段速度上限的两个变量；ei和为上行和下行方向路段速度下限的两个变量；vg和为上行和下行方向路段减速引导车速的两个变量；vg'和为上行和下行方向路段加速引导车速的两个变量；hi和为上行和下行方向路段速度波动上限值的两个变量；gi和为上行和下行方向路段速度波动下限值的两个变量。
[0036]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该控制方法可良好的应用于城市路网中通勤路径优化研究中，不同于传统的单点信号优化和干线绿波协调优化，可针对高峰期间区域间出行的主要路径进行信号协调控制；通过模型仿真分析以及实际案例应用已得到论证，对提升路径通行效率、降低车辆延误以及提升车辆行驶速度有益。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1为路径协调划分隶属度函数图；
[0039]
图2为速度引导原理；
[0040]
图3为不对称绿波带宽模型时距图；
[0041]
图4为四种涉及左转专用相位的方案；
[0042]
图5为研究路径平面图；
[0043]
图6为路径在synchro中的仿真图。
具体实施方式
[0044]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0045]
一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法，包括以下步骤
[0046]
如图1所示，步骤1，对确定的路径进行协调子区的划分，对各个子区及子区的衔接段进行分别的协调控制。
[0047]
对于子区划分协调控制阀值的设定参照模糊数学中的隶属度函数原理，自变量为相邻交叉口路段关联度，其函数值符合正态分布，函数表征如公式(1)所示
[14]
：
[0048][0049]
x即为路段关联度，当x＜0.25时，不需要对其路段进行协调划分；当x≥0.5时，需要对其路段进行协调划分；当0.25≤x＜0.5时，根据隶属度函数，求出函数的拐点处的临界值τ(x0)，若τ(x)≥τ(x0)，则需要进行协调划分。
[0050]
如图2所示，步骤2，建立速度引导模型，速度引导模型用于给与上游交叉口车辆一个建议车速以使车辆能够集结成车队高效有序的通过下游交叉口，速度引导模型包括匀速引导方式、加速引导方式和减速引导方式。
[0051]
其中，在步骤2中，在进行速度引导模型选择时，需依据车辆到达下游的相位时刻进行判定：假定车辆在路段的行驶速度为v0；车辆距离下游交叉口停车线距离为l；交叉口
信号周期长度为c；t0为信号周期中当前相位的时刻；a为车辆的加速度；vm为车辆最高行驶速度，车辆从引导处到达下游交叉口停车线的时间为t，车辆到达时信号周期所处的时刻为t1，[0,x]为绿灯时间，[x,c]为红灯时间。
[0052]
当车辆匀速行驶时可得公式(2)和(3)：
[0053][0054][0055]
当时，不需要对车辆进行速度引导，车辆以该速度继续行驶。
[0056]
在步骤2中，当时，且通过车辆加速引导，使得其在赶上下游交叉口绿灯时间，即使得对其进行加速引导，设其引导速度为vg，其中vg≤vm，vm为路段最大限速，车辆经过匀加速至引导速度，并匀速行驶两个阶段，此时车辆从引导处至达下游交叉口的行程时间为：
[0057][0058]
其中，车辆在路段的行驶速度为v0；引导速度为vg，a为车辆的加速度；车辆从引导处到达下游交叉口停车线的时间为t。
[0059]
在步骤2中，当时，若对其进行加速引导并以路段最大限速行驶，车辆无法在当前绿灯时间内通过下游交叉口，则对其进行减速引导，使车辆在交叉口集结成新的车队，在下一个周期的绿灯时间内通过下游交叉口，
[0060]
此时：
[0061]
t＝c-t0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0062]
车辆经过匀减速行驶和匀速行驶两个阶段，设其行驶时间分别为ta和tb，且t＝ta+tb，则
[0063][0064][0065]
其中，车辆从引导处到达下游交叉口停车线的时间为t，交叉口信号周期长度为c，t0为信号周期中当前相位的时刻，车辆距离下游交叉口停车线距离为l，车辆在路段的行驶速度为v0，a为车辆的加速度，引导速度为vg。
[0066]
如图3所示，在进行了路径的协调子区划分和速度引导控制的研究后，需要对各个协调子区进行合理的协调控制。通过在multiband模型的基础上加入了带宽不对称的优势，建立不对称绿波带宽协调模型，该模型能够更好的利用每个方向上的绿灯时间，适应于存在转向的路径协调控制中。
[0067]
图中参数含义如下：si(s
i+1
)：交叉口编号；上行(下行)方向，相邻交叉口间
绿波带带宽度；上行(下行)方向，带宽中心线左侧带宽宽度；上行(下行)方向，带宽中心线右侧带宽宽度；交叉口si处，驶离(驶入)交叉口方向的红灯时长；冲突变量，定义为红灯开始(结束)时间与绿波带中心线的时间长度；下游交叉口车辆排队消散时间；红灯偏移量，定义为同交叉口，驶出和驶离交叉口方向红灯中点时刻的差值；上行(下行)方向从当前交叉口驶离到达下游交叉口的行程时间；相位差,定义为相邻交叉口同相位红灯中点时刻的差值。
[0068]
其中，在步骤3中，该不对称绿波带宽协调模型通过添加0-1变量和左转弯系数对转向行为进行表示。
[0069]
设立左转专用相位的相位模式主要有以下四种，如图4所示，其对应左转弯系数取值如表1所示。
[0070]
表1不同相位模式下左转弯系数取值
[0071][0072]
用δi表示为同一交叉口以用于定义驶出和驶离交叉口方向红灯中点时刻的差值，不同方向左转相位时长修正差值，其表达式为：
[0073][0074]
可得到模型关于冲突变量与左转弯系数的约束条件：
[0075][0076]
其中，li和示驶入和驶离交叉口方向左转相位的绿灯时间的两个变量，ri和为在交叉口si处驶离和驶入交叉口方向的红灯时长的两个边路，wi和为冲突变量以用于定义为红灯开始和结束时间与绿波带中心线的时间长度的两个变量，τi和为下游交叉口车辆排队消散时间的两个变量，ti和为上行和下行方向从当前交叉口驶离到达下游交叉口行程时间的两个变量。
[0077]
在步骤3中，通过不对称绿波带宽模型，加入路径转向、速度引导条件后得到路径信号协调控制模型如下：
[0078][0079]
其中，z为周期频率定义为公共周期的倒数；c1为最小周期；c2为最大周期；ki为上行和下行带宽的需求比；ai和为上行和下行方向路段饱和度的两个变量；di和为上行和下行方向相邻交叉口间距的两个变量；fi和为上行和下行方向路段速度上限的两个变量；ei和为上行和下行方向路段速度下限的两个变量；vg和为上行和下行方向路段减速引导车速的两个变量；vg'和为上行和下行方向路段加速引导车速的两个变量；hi和为
上行和下行方向路段速度波动上限值的两个变量；gi和为上行和下行方向路段速度波动下限值的两个变量
[0080]
注：周期单位为s；距离单位为m；速度单位为km/h。
[0081]
为了验证本技术的可行性，案例选取了江苏省苏州市工业园区的某一区域路网内主要通勤路径，进行模型编程求解及仿真数据分析。
[0082]
其中，研究路径该路径由6个交叉口组成，用s1至s6表示，其相邻路段用l1至l5表示，东西向为独墅湖大道和金鸡湖大道两条主干道，南北向为星塘街,其道路平面图如图5所示。考虑到该路径内主要为上下班通勤者，且晚高峰时车流量更大，交叉口存在车辆排队的情况，取工作日晚高峰期间对案例地点进行了调查研究，得到各个交叉口的高峰小时流量和信号配时方案。
[0083]
根据关联度界定，将交叉口s1至s4划分为第一子区，交叉口s5和s6划分为第二子区，并对衔接路段(金鸡湖大道星塘街至莲葑路段)进行速度引导，得到车辆最终通过减速引导的平均车速约为50km/h，最终到达并通过下游交叉口的车速约为20km/h。
[0084]
根据本技术在步骤1-3中提出路径信号协调控制模型，对各个子区进行研究，并输入路段引导速度。利用lingo线性规划求解编程软件进行编程求解，得到路径交叉口的公共周期为112s，并得到路段带宽、交叉口冲突变量和相位差。
[0085]
进一步的，如图6所示，在synchro软件中建立路径模型，输入流量和配时等数据，并将模型所得的公共周期、相位差及路段引导速度等条件输入，通过仿真将输出结果进行对比分析。
[0086]
为了证明本文协调方案的可行性，利用synchro信号配时优化功能，对现状路径进行吸信号配时优化并仿真输出结果，并将本文协调方案与synchro优化方案及路径现状方案三者进行数据对比分析，其绿波带宽、延误及停车次数等评价指标如表2和表3所示。
[0087]
对比分析可得，由于上行带宽的需求比高于下行带宽，synchro在优化时，保证了上行方向的绿波带宽，因此在路段l2和l3处放弃了下行方向的绿波带宽。而本文的模型虽然在部分路段绿波带宽的宽度窄于synchro优化方案，但是考虑双向车流，绿波带更连续。
[0088]
表2为双向绿波带宽对比
[0089][0090]
表3为主要评价指标对比
[0091]
[0092][0093]
相比于路径现状方案，本文模型所得到的路径总延误降低了10.8％，路径总停车次数减少219次，占6.7％，车辆平均速度提升了5.6％；相比于synchro优化方案，路径总延误降低了5.6％，路径总停车次数相差较小，车辆平均速度提升了2.2％。
[0094]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0095]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

技术特征：
1.一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤1，对确定的路径进行协调子区的划分，对各个子区及子区的衔接段进行分别的协调控制；步骤2，建立速度引导模型，速度引导模型用于给与上游交叉口车辆一个建议车速以使车辆能够集结成车队高效有序的通过下游交叉口，速度引导模型包括匀速引导方式、加速引导方式和减速引导方式；步骤3，在进行路径的协调子区划分和建立速度引导模型的基础上，建立不对称绿波带宽协调模型，该模型利用每个方向上的绿灯时间，适应于存在转向的路径协调控制中。2.根据权利要求1所述的一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法，其特征在于，在步骤1中，对于子区划分协调控制阀值的设定参照模糊数学中的隶属度函数原理，自变量为相邻交叉口路段关联度，其函数值符合正态分布，函数表征如公式(1)所示：x即为路段关联度，当x＜0.25时，不需要对其路段进行协调划分；当x≥0.5时，需要对其路段进行协调划分；当0.25≤x＜0.5时，根据隶属度函数，求出函数的拐点处的临界值τ(x0)，若τ(x)≥τ(x0)，则需要进行协调划分。3.根据权利要求1所述的一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法，其特征在于，在步骤2中，在进行速度引导模型选择时，需依据车辆到达下游的相位时刻进行判定：假定车辆在路段的行驶速度为v0；车辆距离下游交叉口停车线距离为l；交叉口信号周期长度为c；t0为信号周期中当前相位的时刻；a为车辆的加速度；v
m
为车辆最高行驶速度，车辆从引导处到达下游交叉口停车线的时间为t，车辆到达时信号周期所处的时刻为t1，[0,x]为绿灯时间，[x,c]为红灯时间。当车辆匀速行驶时可得公式(2)和(3)：当车辆匀速行驶时可得公式(2)和(3)：当时，不需要对车辆进行速度引导，车辆以该速度继续行驶。4.根据权利要求3所述的一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法，其特征在于，在步骤2中，当时，且通过车辆加速引导，使得其在赶上下游交叉口绿灯时间，即使得对其进行加速引导，设其引导速度为v
g
，其中v
g
≤v
m
，v
m
为路段最大限速，车辆经过匀加速至引导速度，并匀速行驶两个阶段，此时车辆从引导处至达下游交叉口的行程时间为：
其中，车辆在路段的行驶速度为v0；引导速度为v
g
，a为车辆的加速度；车辆从引导处到达下游交叉口停车线的时间为t。5.根据权利要求4所述的一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法，其特征在于，在步骤2中，当时，若对其进行加速引导并以路段最大限速行驶，车辆无法在当前绿灯时间内通过下游交叉口，则对其进行减速引导，使车辆在交叉口集结成新的车队，在下一个周期的绿灯时间内通过下游交叉口，此时：t＝c-t0ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)车辆经过匀减速行驶和匀速行驶两个阶段，设其行驶时间分别为t
a
和t
b
，且t＝t
a
+t
b
，则，则其中，车辆从引导处到达下游交叉口停车线的时间为t，交叉口信号周期长度为c，t0为信号周期中当前相位的时刻，车辆距离下游交叉口停车线距离为l，车辆在路段的行驶速度为v0，a为车辆的加速度，引导速度为v
g
。6.根据权利要求1所述的一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法，其特征在于，在步骤3中，该不对称绿波带宽协调模型通过添加0-1变量和左转弯系数对转向行为进行表示，用δ
i
表示为同一交叉口以用于定义驶出和驶离交叉口方向红灯中点时刻的差值，不同方向左转相位时长修正差值，其表达式为：可得到模型关于冲突变量与左转弯系数的约束条件：其中，l
i
和示驶入(驶离)交叉口方向左转相位的绿灯时间的两个变量，r
i
和为在交叉口s
i
处驶离和驶入交叉口方向的红灯时长的两个边路，w
i
和为冲突变量以用于定义为红灯开始和结束时间与绿波带中心线的时间长度的两个变量，τ
i
和为下游交叉口车辆排队消散时间的两个变量，t
i
和为上行和下行方向从当前交叉口驶离到达下游交叉口行程时间的两个变量。7.根据权利要求6所述的一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法，其特征在于，在步骤3中，通过不对称绿波带宽模型，加入路径转向、速度引导条件后得到路径信号协调控制模型如下：制模型如下：
其中，z为周期频率定义为公共周期的倒数；c1为最小周期；c2为最大周期；k
i
为上行和下行带宽的需求比；a
i
和为上行和下行方向路段饱和度的两个变量；d
i
和为上行和下行方向相邻交叉口间距的两个变量；f
i
和为上行和下行方向路段速度上限的两个变量；e
i
和为上行和下行方向路段速度下限的两个变量；v
g
和为上行和下行方向路段减速引导车速的两个变量；v
g
'和为上行和下行方向路段加速引导车速的两个变量；h
i
和为上行和下行方向路段速度波动上限值的两个变量；g
i
和为上行和下行方向路段速度波动下限值的两个变量。

技术总结
本发明提供一种考虑速度引导的城市路径协调控制方法，包括以下步骤步骤1，对确定的路径进行协调子区的划分，对各个子区及子区的衔接段进行分别的协调控制；步骤2，建立速度引导模型，速度引导模型用于给与上游交叉口车辆一个建议车速以使车辆能够集结成车队高效有序的通过下游交叉口，速度引导模型包括匀速引导方式、加速引导方式和减速引导方式；步骤3，在进行路径的协调子区划分和建立速度引导模型的基础上，建立不对称绿波带宽协调模型，该模型利用每个方向上的绿灯时间，适应于存在转向的路径协调控制中。的路径协调控制中。的路径协调控制中。


技术研发人员：王品乘 顾天奇 江雪昊 蒋韬 江勇东 朱沁宜 梁天明 王玉玲 包渊秋 张海军 徐辉
受保护的技术使用者：悉地（苏州）勘察设计顾问有限公司
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/7/6