[發明專利]感應式協調信號自主控制方法

有效

• 申請號: 201810440056.7
• 申請日: 2018-05-03
• 公開（公告）號: CN108648448B
• 公開（公告）日: 2020-10-20
• 發明（設計）人: 徐洪峰;章琨;鄭啟明
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G08G1/01
• 分類號: G08G1/01;G08G1/08;G08G1/081;G08G1/083;G08G1/095
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

1.一種感應式協調信號自主控制方法，適用于干道沿線歸屬于同一協調信號控制范圍的四路信號控制交叉口，其特征在于，所述的感應式協調信號自主控制方法的執行主體包括控制中心和信號機，涉及實施條件、相位設置、時間軸、符號說明、感應控制邏輯、期望綠燈時間、背景方案、第N個信號周期的基礎綠燈時間增加量、允許綠燈切斷時段、強制綠燈切斷時刻10個方面的內容，具體如下：

一、實施條件

交叉口層面的實施條件包括：

(1)交叉口由雙向通行的兩條道路相交而成，每個進口方向均設置直行機動車相位和左轉機動車相位，直行機動車相位以下簡稱直行相位，左轉機動車相位簡稱左轉相位；

(2)直行相位施劃直行進口車道，采用機動車圓形信號燈，左轉相位施劃左轉進口車道，采用機動車箭頭信號燈；

(3)機動車信號燈的燈色顯示順序為“紅色→綠色→黃色→紅色”，行人信號燈的燈色顯示順序為“紅色→綠色→紅色”，信號燈色每秒更新1次；

(4)已知直行相位和左轉相位的信號配時參數，采用適當的方法得到其他相位的信號配時參數；

(5)相對進口方向首先啟亮綠燈的直行相位或左轉相位稱為前置相位，與之沖突的左轉相位或直行相位稱為后置相位，不同的前置相位采用相同的黃燈時間和紅燈清空時間，不同的后置相位亦采用相同的黃燈時間和紅燈清空時間；

(6)前置相位切斷綠燈后，與之沖突的后置相位將啟亮綠燈，相對進口方向的兩個后置相位必須同時切斷綠燈；

(7)在直行相位和左轉相位的每條進口車道的停止線上游40米處安裝機動車檢測器，每個檢測器獨立采集車輛時距；

干道層面的實施條件包括：

(1)干道沿線的所有交叉口均具備上述實施條件；

(2)為干道沿線的所有交叉口配備1個控制中心，為干道沿線的每個交叉口配備1臺信號機，控制中心與信號機之間能夠實時進行數據傳輸；

(3)干道是主要道路，與干道相交的道路是次要道路；

(4)主要道路的直行相位是協調相位，主要道路的左轉相位以及次要道路的直行相位和左轉相位均是非協調相位；

(5)主要道路實施雙向協調時，必須區分主要協調相位和次要協調相位；

(6)背景方案中，將主要道路的前置相位的綠燈啟亮時刻視為信號周期時長起點和背景方案啟用時刻，各個交叉口的主要協調相位的綠燈啟亮時間差始終小于信號周期時長；

二、相位設置

交叉口的相位編號方式如下：

機動車相位K2：次要道路、進出口方向1的直行相位；

機動車相位K3：次要道路、進出口方向1的左轉相位；

機動車相位K5：主要道路、進出口方向1的直行相位；

機動車相位K6：主要道路、進出口方向1的左轉相位；

機動車相位K8：次要道路、進出口方向2的直行相位；

機動車相位K9：次要道路、進出口方向2的左轉相位；

機動車相位K11：主要道路、進出口方向2的直行相位；

機動車相位K12：主要道路、進出口方向2的左轉相位；

行人相位F1：次要道路、進出口方向1的行人相位；

行人相位F2：主要道路、進出口方向1的行人相位；

行人相位F3：次要道路、進出口方向2的行人相位；

行人相位F4：主要道路、進出口方向2的行人相位；

相位K5、K11是協調相位，相位K2、K3、K6、K8、K9和K12是非協調相位；沿著相位K11的行車方向，從1至I為各個交叉口編號；

主要道路的相對進出口方向采用的相位顯示順序如下：

(1)相位K5、K6前置，相位K11、K12后置；

(2)相位K5、K11前置，相位K6、K12后置；

(3)相位K6、K12前置，相位K5、K11后置；

(4)相位K11、K12前置，相位K5、K6后置；

次要道路的相對進出口方向采用的相位顯示順序如下：

(1)相位K2、K3前置，相位K8、K9后置；

(2)相位K2、K8前置，相位K3、K9后置；

(3)相位K3、K9前置，相位K2、K8后置；

(4)相位K8、K9前置，相位K2、K3后置；

三、時間軸

以連續N個信號周期作為1個生成背景方案的步距；

計劃啟用時刻，控制中心生成各個交叉口在第1個步距的背景方案，下發至信號機；信號機生成第1個步距的允許綠燈切斷時段和強制綠燈切斷時刻；

自第1個步距、第1個信號周期的背景方案啟用時刻開始，信號機每秒運行1次感應控制邏輯；

當前步距的第1個至第N-1個信號周期，信號機計算協調相位和非協調相位在每個信號周期的期望綠燈時間；

當前步距的第N個信號周期，信號機將協調相位和非協調相位在第1個至第N-1個信號周期的期望綠燈時間上報至控制中心；控制中心收到所有信號機上報的數據后，預測各個交叉口的協調相位和非協調相位在下一步距的期望基礎綠燈時間，生成各個交叉口在下一步距的背景方案，下發至信號機；信號機收到數據后，調整當前步距、第N個信號周期的背景方案、允許綠燈切斷時段和強制綠燈切斷時刻，實現新舊背景方案的過渡，生成下一步距的允許綠燈切斷時段和強制綠燈切斷時刻；

計劃停用時刻，控制中心將停用指令下發至信號機；信號機收到停用指令后，繼續運行感應控制邏輯至當前信號周期結束；而后，信號機開始運行其他信號控制方法；

四、符號說明

α：平滑系數；

β_i,Kj：第i個交叉口、相位Kj的允許綠燈切斷時段在基礎信號周期時長中所占的比例；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距的期望基礎綠燈時間預測水平；

表示第i個交叉口的信號機收到控制中心在第m個步距下發的數據時，相位Kj是活躍相位；表示第i個交叉口的信號機收到控制中心在第m個步距下發的數據時，相位Kj是非活躍相位；

第i個交叉口在第m個步距、第N個信號周期的基礎綠燈時間增加量；

第i個交叉口的主要道路在第m個步距、第N個信號周期的基礎綠燈時間增加量；

第i個交叉口的次要道路在第m個步距、第N個信號周期的基礎綠燈時間增加量；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距、第N個信號周期的基礎綠燈時間增加量；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距的期望基礎綠燈時間預測趨勢；

BasC^m：第m個步距的基礎信號周期時長；

第i個交叉口的主要道路在第m個步距的基礎信號周期時長；

第i個交叉口的次要道路在第m個步距的基礎信號周期時長；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距的基礎綠燈時間；

第i個交叉口在第m個步距的基礎方案差；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距的基礎相位差；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距的基礎綠信比時間；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距、第n個信號周期的連續通行需求持續時段；

d_{i+1,K5→i,K5}：第i+1個交叉口的相位K5至第i個交叉口的相位K5的停止線間距；

d_{i-1,K11→i,K11}：第i-1個交叉口的相位K11至第i個交叉口的相位K11的停止線間距；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距、第n個信號周期的保護綠燈延長時段內的有效利用綠燈時間；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距、第n個信號周期的允許綠燈切斷時段終點；

第i個交叉口在第m個步距的期望基礎信號周期時長；

第i個交叉口的主要道路在第m個步距的期望基礎信號周期時長；

第i個交叉口的次要道路在第m個步距的期望基礎信號周期時長；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距的期望基礎綠燈時間；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距的期望基礎綠信比時間；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距、第n個信號周期的期望綠燈時間；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距的期望綠燈時間一次指數平滑值；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距的期望綠燈時間二次指數平滑值；

f_ExpBasG：期望基礎綠燈時間放大系數；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距、第n個信號周期的強制綠燈切斷時刻；

GapT_i,Kj：第i個交叉口、相位Kj的車輛時距閾值；

i：交叉口編號，i＝1,2,…,I；

IG_i,Kj：第i個交叉口、相位Kj的綠燈間隔時間；

Kj：協調相位和非協調相位的編號；

m：步距編號，m＝1,2,…,M；

MaxBasC：最大基礎信號周期時長；

MaxExpAddG_i,Kj：第i個交叉口、相位Kj的最大期望增加綠燈時間；

MinG_i,Kj：第i個交叉口、相位Kj的最小綠燈時間；

n：每個步距內的信號周期編號，n＝1,2,…,N；

NL_i,Kj：第i個交叉口、相位Kj的進口車道數；

表示相位Kj是第m個步距的主要協調相位；表示相位Kj是第m個步距的次要協調相位；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距的允許綠燈切斷時段；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距的排隊服務時間；

RC_i,Kj：第i個交叉口、相位Kj的紅燈清空時間；

第i個交叉口在第m個步距的基礎方案差參考值；

SBP_i^m,n：第i個交叉口在第m個步距、第n個信號周期的背景方案啟用時刻；

第i個交叉口的相位Kj在第m個步距、第n個信號周期的允許綠燈切斷時段起點；

SR^m,n：第m個步距、第n個信號周期的系統時間參考點；

START：計劃啟用時刻；

第i+1個交叉口至第i個交叉口在第m個步距的設計行進車速；

第i-1個交叉口至第i個交叉口在第m個步距的設計行進車速；

第i個交叉口的相位Kj在分配時的權重；

第i個交叉口的主要道路在分配時的權重；

第i個交叉口的次要道路在分配時的權重；

X_i,Kj：X_i,Kj＝1表示第i個交叉口的相位Kj是前置相位；X_i,Kj＝0表示第i個交叉口的相位Kj是后置相位；

YC_i,Kj：第i個交叉口、相位Kj的黃燈時間；

五、感應控制邏輯

感應控制邏輯是信號機動態調整協調相位和非協調相位的綠燈時間的規則集合；以服務連續的機動車通行需求為目標，構造協調相位和非協調相位的綠燈切斷條件；

協調相位的綠燈切斷條件包括：

(1)協調相位的綠燈時間延長至當前信號周期的允許綠燈切斷時段起點及以后，同時，協調相位不存在連續的通行需求，自允許綠燈切斷時段起點開始，協調相位的所有檢測器采集的車輛時距先后或同時大于車輛時距閾值；

(2)協調相位的綠燈時間延長至當前信號周期的允許綠燈切斷時段終點；

非協調相位的綠燈切斷條件包括：

(1)非協調相位的綠燈時間達到最小綠燈時間，同時，非協調相位不存在連續的通行需求，自最小綠燈時間結束時刻開始，非協調相位的所有檢測器采集的車輛時距先后或同時大于車輛時距閾值；

(2)非協調相位的綠燈時間延長至當前信號周期的強制綠燈切斷時刻；

一旦前置的協調相位或非協調相位滿足它的任意一個綠燈切斷條件，立即切斷它的綠燈；

當且僅當后置的一個協調相位或非協調相位與另一個協調相位或非協調相位均滿足它們的任意一個綠燈切斷條件時，同時切斷它們的綠燈；

六、期望綠燈時間

期望綠燈時間是第i個交叉口的協調相位或非協調相位在第m個步距的第1個至第N-1個信號周期期望獲得的綠燈時間；

協調相位的由最小綠燈時間MinG_i,Kj、保護綠燈延長時段內的有效利用綠燈時間和連續通行需求持續時段構成，見公式(1)；

協調相位的最小綠燈時間結束時刻至允許綠燈切斷時段起點的時間范圍稱為保護綠燈延長時段，在此期間，無論協調相位是否存在通行需求，都將延長它的綠燈時間；等于保護綠燈延長時段內，協調相位的半數或超過半數的檢測器采集的車輛時距同時小于等于車輛時距閾值GapT_i,Kj的總時間；

協調相位的等于自允許綠燈切斷時段起點開始，協調相位的所有檢測器采集的車輛時距先后或同時大于GapT_i,Kj所經歷的時間；一旦超出了允許綠燈切斷時段終點，超出部分不得大于協調相位的最大期望增加綠燈時間MaxExpAddG_i,Kj；

非協調相位的由MinG_i,Kj和構成，見公式(2)；

非協調相位的等于自最小綠燈時間結束時刻開始，非協調相位的所有檢測器采集的車輛時距先后或同時大于GapT_i,Kj所經歷的時間；一旦超出強制綠燈切斷時刻，超出部分不得大于非協調相位的MaxExpAddG_i,Kj；

七、背景方案

背景方案中定義的信號配時參數包括：基礎信號周期時長、基礎綠信比時間、基礎綠燈時間、基礎相位差、基礎方案差和系統時間參考點；以按需分配基礎綠信比時間、精準達成基礎相位差為目標，生成各個交叉口在每個步距的背景方案；

(1)基礎信號周期時長

期望基礎綠燈時間是第i個交叉口的協調相位或非協調相位在第m個步距期望獲得的基礎綠燈時間；

第1、2個步距，令等于MinG_i,Kj，見公式(3)；

自第3個步距開始，采用二次指數平滑法預測

期望基礎綠信比時間等于第i個交叉口的協調相位或非協調相位在第m個步距的期望基礎綠燈時間與綠燈間隔時間之和；

相位Kj的綠燈間隔時間IG_i,Kj等于黃燈時間YC_i,Kj加上紅燈清空時間RC_i,Kj，見公式(11)；

IG_i,Kj＝YC_i,Kj+RC_i,Kj (11)

利用公式(12)計算

利用公式(13)、(14)計算第i個交叉口的主要道路和次要道路在第m個步距的期望基礎信號周期時長

利用公式(15)計算第i個交叉口在第m個步距的期望基礎信號周期時長

基礎信號周期時長BasC^m是各個交叉口在第m個步距統一采用的基礎信號周期時長；

若各個交叉口的的最大值小于最大基礎信號周期時長MaxBasC，選擇前者作為BasC^m，反之，選擇后者作為BasC^m，見公式(16)；

(2)基礎綠信比時間和基礎綠燈時間

基礎綠信比時間是第i個交叉口的協調相位或非協調相位在第m個步距的基礎信號周期時長中所占的份額；

將BasC^m分配給第i個交叉口的主要道路和次要道路，得到它們在第m個步距的基礎信號周期時長見公式(17)、(18)；

將分配給相位K5、K11、K6和K12，得到它們在第m個步距的基礎綠信比時間見公式(19)～(21)；

將分配給相位K2、K8、K3和K9，得到它們在第m個步距的基礎綠信比時間見公式(22)～(24)；

基礎綠燈時間等于第i個交叉口的協調相位或非協調相位在第m個步距的基礎綠信比時間減去綠燈間隔時間，見公式(25)；

(3)基礎相位差和基礎方案差

基礎相位差或是第i個交叉口的主要協調相位與最上游交叉口的主要協調相位在第m個步距的基礎綠燈啟亮時間差；

若相位K5是第m個步距的主要協調相位，第i+1個交叉口位于第i個交叉口的上游，利用公式(26)計算若相位K11是第m個步距的主要協調相位，第i-1個交叉口位于第i個交叉口的上游，利用公式(27)計算

計算時，僅考慮以下4個因素：

(1)上游交叉口的基礎相位差

(2)相鄰交叉口的主要協調相位的停止線間距d_{i+1,K5→i,K5}、d_{i-1,K11→i,K11}；

(3)相鄰交叉口的主要協調相位在第m個步距的設計行進車速

(4)下游交叉口的主要協調相位在第m個步距的排隊服務時間

通過調節交叉口在下一步距的背景方案啟用時刻，達成下一步距的基礎相位差；

基礎方案差是第i個交叉口在第m個步距的背景方案啟用時刻與系統時間參考點的差值；

利用公式(28)計算第i個交叉口在第m個步距的基礎方案差參考值利用各個交叉口的的最小值修正得到始終非負的見公式(29)；

(4)系統時間參考點

系統時間參考點SR^m,n是各個交叉口在第m個步距、第n個信號周期的基礎方案差基準時刻；

第1個步距，將計劃啟用時刻START視為SR^1,1；第2個及后續每個步距，根據SR^m-1,N、BasC^m-1、計算SR^m,1，見公式(30)；由于和均是非負值，SR^m,1與SR^m-1,N的差值始終大于等于BasC^m-1；

利用公式(31)計算第m個步距、第2個至第N個信號周期的SR^m,n；

SR^{m,n|n∈[2,N]}＝SR^m,n-1+BasC^m (31)

利用公式(32)計算第i個交叉口在第m個步距、第n個信號周期的背景方案啟用時刻SBP_i^m,n；

八、第N個信號周期的基礎綠燈時間增加量

信號機收到下一步距的背景方案時，交叉口處于當前步距的第N個信號周期，信號機必須調整第N個信號周期的基礎信號周期時長，使某些協調相位或非協調相位獲得額外的基礎綠燈時間，完成新舊背景方案的過渡；

利用公式(33)計算第i個交叉口在第m個步距、第N個信號周期的基礎綠燈時間增加量

將信號機收到下一步距的背景方案時正在顯示綠燈或尚未顯示綠燈的協調相位或非協調相位稱為活躍相位，已經切斷綠燈的協調相位或非協調相位稱為非活躍相位；只有活躍相位才能獲得額外的基礎綠燈時間；

利用公式(34)計算相位Kj在分配時的權重

利用公式(35)、(36)計算主要道路和次要道路在分配時的權重

將分配給主要道路和次要道路，得到它們在第m個步距、第N個信號周期的基礎綠燈時間增加量見公式(37)、(38)；

將分配給相位K5、K11、K6和K12，得到它們在第m個步距、第N個信號周期的基礎綠燈時間增加量見公式(39)～(41)；

將分配給相位K2、K8、K3和K9，得到它們在第m個步距、第N個信號周期的基礎綠燈時間增加量見公式(42)～(44)；

九、允許綠燈切斷時段

允許綠燈切斷時段是第i個交叉口的協調相位在第m個步距的基礎綠燈時間后部允許利用感應控制邏輯切斷綠燈的時間范圍，見公式(45)；

利用公式(46)、(47)計算第i個交叉口的協調相位在第m個步距、第n個信號周期的允許綠燈切斷時段起點和終點進入第N個信號周期后，和將隨著基礎綠燈時間增加量的出現而發生變化；

十、強制綠燈切斷時刻

強制綠燈切斷時刻是第i個交叉口的非協調相位在第m個步距、第n個信號周期必須利用感應控制邏輯切斷綠燈的時刻，見公式(48)、(49)；進入第N個信號周期后，將隨著基礎綠燈時間增加量的出現而發生變化；

2.根據權利要求1所述的一種感應式協調信號自主控制方法，其特征在于，為了生成第i個交叉口在第3個及后續每個步距的期望基礎信號周期時長采用二次指數平滑法預測的具體過程如下：

利用公式(4)計算相位Kj在第1個步距的期望綠燈時間一次指數平滑值利用公式(5)計算相位Kj在第2個及后續每個步距的期望綠燈時間一次指數平滑值

利用公式(6)計算相位Kj在第2個步距的期望綠燈時間二次指數平滑值利用公式(7)計算相位Kj在第3個及后續每個步距的期望綠燈時間二次指數平滑值

利用公式(8)、(9)計算相位Kj在第2個及后續每個步距的期望基礎綠燈時間預測水平和預測趨勢

利用公式(10)計算相位Kj在第3個及后續每個步距的根據相位Kj的進口車道數NL_i,Kj和期望基礎綠燈時間放大系數f_ExpBasG，修正的預測結果，同時，應當確保的預測結果大于等于MinG_i,Kj；