[發明專利]一種兩段式干線協調信號控制優化方法

有效

• 申請號: 201610442701.X
• 申請日: 2016-06-20
• 公開（公告）號: CN106023611B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發明（設計）人: 姚榮涵;張曉彤;許向輝;徐洪峰
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G08G1/081
• 分類號: G08G1/081
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 梅洪玉

1.一種減少機動車延誤和尾氣排放的兩段式干線協調信號控制優化方法，其特征在于以下步驟：

(一)實施條件

(1)由2個或2個以上交叉口構成的干線道路系統；

(2)交叉口類型為三路、四路或五路，每條進口道上設置2條或2條以上車道；

(3)不設置控制右轉車流的獨立信號；

(4)每個交叉口設置2個或2個以上的信號相位；

(二)周期時長、綠信比與短車道長度優化模型

對于設計短車道空間，所建立的周期時長、綠信比與短車道長度優化模型為

式中：PI為干線道路系統性能指標；為交叉口η相位i的有效綠燈時間(s)；為交叉口η車道組j的短車道長度(m)；n^η為交叉口η的相位數；為交叉口η車道組j在相位i內是否有通行權的標識符，若是否則g_min為最小有效綠燈時間(s)；C_min為最小周期時長(s)；為交叉口η的獨立相位數；l為平均相位損失時間(s)；C_max為最大周期時長(s)；C_c為共用周期時長(s)；為平均飽和車頭時距(s)；為平均停車間距(m)；為交叉口η車道組j是否設有短車道的標識符，若是否則為交叉口η與η+1的共有路段長度(m)；為交叉口η車道組j′是否在共有路段上的標識符，若是否則

式(1)的決策變量為各交叉口的相位有效綠燈時間和短車道長度；其中，目標函數(a1)表示最小化由相位有效綠燈時間和短車道長度確定的干線道路系統性能指標；約束條件(b1)表示車道組有效綠燈時間不小于最低限值；約束條件(b2)表示交叉口信號周期時長不小于最低限值、不大于最高限值；約束條件(b3)表示所有交叉口的信號周期時長都相等；約束條件(b4)表示設有短車道的車道組的有效綠燈時間不小于該短車道上排隊車輛完全釋放所需要的時間；約束條件(b5)表示相鄰交叉口共有路段上的短車道長度之和不超過該共有路段的長度；約束條件(c1)表示相位有效綠燈時間均為非負數；約束條件(c2)表示短車道長度均為非負數；

(三)周期時長與綠信比優化模型

對于不設計短車道空間，所建立的周期時長與綠信比優化模型為

minPI=f(gpiη)(a2)s.t.Σi=1nηφijηgpiη≥gmin(b1)Cmin≤Σi=1nηgpiη+ndηl≤Cmax(b2)Σi=1nηgpiη+ndηl=Cc(b3)gpiη≥0(c1)---(2)]]>

式(2)中各符號意義同式(1)，其中決策變量為各交叉口的相位有效綠燈時間，目標函數(a2)表示最小化由相位有效綠燈時間確定的干線道路系統性能指標，約束條件(b1)、(b2)、(b3)和(c1)意義同式(1)；

(四)目標函數選擇

對于式(1)和(2)，目標函數(a1)和(a2)的具體形式包括以下三種：

其中：

式中：ψ為交叉口個數；TD^η為交叉口η的車輛總延誤(s)；m^η為交叉口η的車道組數；為交叉口η車道組j的車均延誤(s/pcu)；為機動車類別數；β_ω為ω類機動車的折算系數；為交叉口η車道組j上ω類機動車所占比例；為交叉口η車道組j的需求流率(veh/h)；T為分析期持續時間(h)；TE^η為交叉口η的機動車排放總量(mg)；κ為污染物種類數；為交叉口η車道組j上ω類機動車排放污染物k的質量(mg)；為交叉口η車道組j上ω類機動車在綠燈期間排放污染物k的因子(mg/s/veh)；為交叉口η車道組j上ω類機動車在紅燈期間排放污染物k的因子(mg/s/veh)；為交叉口η車道組j的有效綠燈時間(s)；為交叉口η車道組j上一輛ω類機動車的平均停留時間(s)；為交叉口η車道組j的進口道長度(m)；為交叉口η車道組j上ω類機動車的平均行駛速度(m/s)；

式(3)表示最小化所有車輛的總延誤；式(4)表示最小化所有車輛的總排放；式(5)表示同時最小化所有車輛的總延誤和總排放；

(五)延誤公式選擇

對于式(1)和(2)，計算每條車道組車均延誤的公式包括以下三種：

dj=0.5Cc(1-λj)21-min(1,xj)λj×PFj+900T[(xj-1)+(xj-1)2+8KIjxjcjT]+1800Qj(1+uj′)tj′/(cjT)---(6)]]>

dj=0.38Cc(1-λj)2(1-λjxj)+173xj2[(xj-1)+(xj-1)2+16xj/cj]---(7)]]>

dj=Cc(1-λj)22(1-yj)+cjxjT4qj′[(xj-1)+(xj-1)2+12(xj-x0j)cjT],xj>x0jCc(1-λj)22(1-yj),xj≤x0j---(8)]]>

其中：

λ_j＝g_j/C_c；g_j＝G_j-l_s+e；y_j＝q_j′/S_j′；

x_0j＝0.67+S_j′g_j/600；

式中：d_j為車道組j的車均延誤(s/pcu)；PF_j為車道組j的信號聯動修正系數；r_j′為車道組j的車隊比率；f_j為車道組j綠燈期間車輛成隊列到達的修正系數；K為信號控制類型的延誤修正系數；I_j為車道組j的上游調節增量延誤修正系數；X_j為車道組j的所有上游有貢獻車流按流量進行加權所得的飽和度；Q_j為車道組j上分析期初的排隊車輛數(pcu)；u_j′為車道組j的延誤參數；t_j′為分析期內車道組j不能滿足交通需求的時間(h)；c_j為車道組j的通行能力(pcu/h)；λ_j為車道組j的綠信比；x_j為車道組j的飽和度；y_j為車道組j的流量比；SF_j為車道組j的完整車道飽和流率(pcu/h)；為車道組j是否設有短車道的標識符，若是否則SS_j為車道組j的短車道飽和流率(pcu/h)；L_j為車道組j的短車道長度(m)；g_j為車道組j的有效綠燈時間(s)；G_j為車道組j的顯示綠燈時間(s)；l_s為前損失時間(s)；e為后補償時間(s)；q_j′為車道組j的標準小汽車需求流率(pcu/s)；S_j′為車道組j的當量飽和流率(pcu/s)；x_0j為平均溢出排隊近似為0時車道組j的飽和度；

式(6)～(8)分別為HCM2000、HCM1985和ARRB延誤公式；

(六)紅綠燈期間排放因子標定

對于式(1)和(2)，紅綠燈期間排放因子的標定公式如下：

其中：

VSPj,ζη(t)=vj,ζη/(t)[1.1aj,ζη(t)+9.8sin(θjη)+0.132]+0.000302(vj,ζη(t))3;]]>

式中：為時刻t交叉口η車道組j上車輛ζ排放污染物k的質量(mg)；為ω類機動車的比功率位于分區γ時污染物k的排放因子(mg/s/veh)；τ為車輛速度和加速度的采樣時間間隔的分辨率(s)；為時刻t交叉口η車道組j上綠燈期間駛離停車線的ω類機動車數(veh)；為時刻t交叉口η車道組j上紅燈期間駛離停車線的ω類機動車數(veh)；O_η為交叉口η的絕對綠時差(s)；為交叉口η車道組j的綠燈起亮時刻(s)；為交叉口η車道組j的綠燈結束時刻(s)；為時刻t交叉口η車道組j上車輛ζ的類別屬性；為時刻t交叉口η車道組j上車輛ζ的比功率(kW/t)；LVSP_ω,γ為ω類機動車比功率分區γ的下限(kW/t)；UVSP_ω,γ為ω類機動車比功率分區γ的上限(kW/t)；為時刻t交叉口η車道組j上車輛ζ的速度(m/s)；為時刻t交叉口η車道組j上車輛ζ的加速度(m/s²)；為交叉口η車道組j的道路坡度(°)；

(七)相位差優化方法

在使用式(1)獲得共用周期時長、綠信比和短車道長度的最佳組合之后，或者在使用式(2)獲得共用周期時長和綠信比的最佳組合之后，采用下述方法優化相位差：

minDη+1d+Dη+1u=f(oη,η+1)---(10)]]>

其中：

式中：為交叉口η+1下行協調方向的車隊延誤(s)；為交叉口η+1上行協調方向的車隊延誤(s)；O_η,η+1為下行協調方向交叉口η+1相對于η的理想綠時差(s)；s_η,η+1為交叉口η至η+1的停車線間距(m)；v_η,η+1為交叉口η至η+1的下行車速(m/s)；o_η,η+1為下行協調方向交叉口η+1相對于η的實際綠時差(s)；

若當下行協調方向的車隊延誤為當下行協調方向的車隊延誤為當下行協調方向的車隊延誤為

式中：為交叉口η+1下行協調方向的車隊頭車到達時刻至紅燈結束時刻的時間間隔(s)；為交叉口η至η+1的車隊車輛數(pcu)；為交叉口η+1下行協調方向的飽和流率(pcu/s)；為交叉口η+1下行協調方向的標準小汽車需求流率(pcu/s)；為交叉口η+1下行協調方向的有效綠燈時間(s)；為交叉口η+1下行協調方向的有效紅燈時間(s)；

如果若令當下行協調方向的車隊延誤為當下行協調方向的車隊延誤為當下行協調方向的車隊延誤為

式中：為交叉口η+1下行協調方向的紅燈啟亮時刻至車隊尾車到達時刻的時間間隔(s)；

上行協調方向的車隊延誤的計算方法與下行協調方向類似；

(八)技術流程

對于設計短車道空間，具體流程如下：(I)針對每個控制時段，使用式(1)確定最佳的共用周期時長、綠信比與短車道長度；(II)將各時段優化的短車道長度的最大值或85％分位數作為短車道長度的設計值，確定短車道空間；(III)在(II)的基礎上，針對每個控制時段，使用式(2)確定最佳的共用周期時長與綠信比；(IV)在(III)的基礎上，針對每個控制時段，使用式(10)確定最佳的相位差；

對于不設計短車道空間，具體流程如下：(I)針對每個控制時段，使用式(2)確定最佳的共用周期時長與綠信比；(II)在(I)的基礎上，針對每個控制時段，使用式(10)確定最佳的相位差；

對于沒有設置短車道的情況，令短車道飽和流率為0，具體流程如下：(I)針對每個控制時段，使用式(1)或(2)確定最佳的共用周期時長與綠信比；(II)在(I)的基礎上，針對每個控制時段，使用式(10)確定最佳的相位差；

目標函數使用式(4)或(5)時，在使用式(1)或(2)之前，需要使用式(9)針對每條車道組標定紅綠燈期間的排放因子。