[發明專利]一種對稱放行方式下的干道雙向綠波協調作圖設計方法

有效

• 申請號: 202010547295.X
• 申請日: 2020-06-16
• 公開（公告）號: CN111739316B
• 公開（公告）日: 2021-07-20
• 發明（設計）人: 盧凱;江書妍;趙一鳴;黃達鑫;曾維嘉
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: G08G1/081
• 分類號: G08G1/081
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍;隆翔鷹

1.一種對稱放行方式下的干道雙向綠波協調作圖設計方法，協調干道上有n個信號交叉口，其特征在于，包括以下步驟：

S1：干道雙向綠波協調設計初始化計算，包括獲得干道綠波設計速度V和建立時距圖坐標系；

S2：根據干道綠波設計速度V獲得初始速度推進線，基于所述初始速度推進線進行第1輪旋轉變換，獲得初始上限速度推進線L_U0、初始下限速度推進線L_D0和各交叉口的協調控制方式；

S3：基于初始上限速度推進線L_U0和初始下限速度推進線L_D0進行第2輪旋轉變換，獲得最終的速度推進線；

S4：生成干道雙向綠波協調控制方案，根據所述干道雙向綠波協調控制方案對干道雙向綠波進行控制；

其中，所述獲得干道綠波設計速度V的具體步驟如下：

選定某個端點交叉口作為基準交叉口I₁，定義從基準交叉口I₁向非基準交叉口I_p行駛的方向為協調正向，從非基準交叉口I_p向基準交叉口I₁行駛的方向為協調反向，沿協調正向依次將干道上的第p個信號交叉口標記為非基準交叉口I_p，其中1≤p≤n；

根據路段行駛時間不變的原則，通過對交叉口的間距進行調整，將路段綠波設計速度統一轉換為干道綠波設計速度V，非基準交叉口I_p與基準交叉口I₁的交叉口調整間距D_p由式(1)進行計算：

式中，d_w為交叉口I_w與交叉口I_w+1的實際間距，1≤w≤n-1；v_w為交叉口I_w與交叉口I_w+1的路段綠波設計速度，1≤w≤n-1；

其中，所述建立時距圖坐標系的具體步驟如下：

確定初始公共信號周期C₁，公共信號周期C的取值范圍取決于各交叉口信號周期的允許變化范圍，各交叉口信號周期的允許變化范圍為[C_min,C_max]；初始公共信號周期C₁取為干道允許的最小公共信號周期C_min與最大公共信號周期C_max的中點，則

將基準交叉口協調方向直行相位的綠燈中心時刻點定義為時距圖的坐標系原點O₁；根據初始公共信號周期C₁，在時間軸即y軸上標識出基準交叉口協調方向直行相位的綠燈與紅燈中心時刻點，根據非基準交叉口I_p與基準交叉口I₁的調整間距D_p確定非基準交叉口I_p在時距圖中的橫坐標x_p，并繪制出與距離軸即x軸相垂直的時間線；

其中，進行所述第1輪旋轉變換，具體步驟如下：

從時距圖坐標系的坐標原點沿x軸引出一條水平線，將其旋轉至與x軸夾角余切等于干道綠波設計速度V，定義該過程為第1輪第1次旋轉變換，并將該射線記為初始速度推進線L₁，此時干道綠波調整速度V_(1,1)取為干道綠波設計速度V；

S201、確定當前協調交叉口；

在第1輪第p次旋轉變換過程中，選取非基準交叉口I_p作為當前協調交叉口，其中，2≤p≤n；

S202、計算協調方式判定因子；

根據上一次旋轉變換所確定的速度推進線L_p-1，作出速度推進線L_p-1與非基準交叉口I_p時間線的交點，記為O_p，從基準交叉口I₁的協調相位紅燈中心時刻水平線與非基準交叉口I_p的時間線交點集合中選出距離O_p最近的交點，記為O_Rp，O_Rp的縱坐標記為y_Rp；從基準交叉口I₁的協調相位綠燈中心時刻水平線與非基準交叉口I_p的時間線交點集合中選出距離O_p最近的交點，記為O_Gp，O_Gp的縱坐標記為y_Gp；非基準交叉口I_p在時距圖中的橫坐標為x_p；

將點O_p與O_Rp的時間差記為T_Rp，連接點O₁與O_Rp形成射線l_Rp，對應的干道綠波調整速度V_Rp為：

將點O_p與O_Gp的時間差記為T_Gp，連接點O₁與O_Gp形成射線l_Gp，對應的干道綠波調整速度V_Gp為：

根據T_Rp與T_Gp的大小，構建非基準交叉口I_p的協調方式判定因子f_p，其計算方法為：

f_p＝T_Rp-T_Gp (5)

S203、根據協調方式判定因子f_p確定交叉口協調方式：

當協調方式判定因子f_p≥0時，如果射線l_Gp未穿過已協調交叉口的紅燈時段，則當前協調交叉口與基準交叉口I₁組成同步式協調控制方式；如果射線l_Gp穿過已協調交叉口的紅燈時段，而射線l_Rp未穿過已協調交叉口的紅燈時段，則當前協調交叉口與基準交叉口I₁組成交互式協調控制方式；如果射線l_Gp和射線l_Rp均穿過已協調交叉口的紅燈時段，此時若射線l_Gp的紅燈時段穿過量小于等于射線l_Rp，則當前協調交叉口與基準交叉口I₁組成同步式協調控制方式，反之則采用交互式協調控制方式；

當協調方式判定因子f_p＜0時，如果射線l_Rp未穿過已協調交叉口的紅燈時段，則當前協調交叉口與基準交叉口I₁組成交互式協調控制方式；如果射線l_Rp穿過已協調交叉口的紅燈時段，而射線l_Gp未穿過已協調交叉口的紅燈時段，則當前協調交叉口與基準交叉口I₁組成同步式協調控制方式；如果射線l_Rp和射線l_Gp均穿過已協調交叉口的紅燈時段，此時若射線l_Rp的紅燈時段穿過量小于等于射線l_Gp，則當前協調交叉口與基準交叉口I₁組成交互式協調控制方式，反之則采用同步式協調控制方式；

S204、根據交叉口協調方式更新速度推進線：

若當前協調交叉口與基準交叉口I₁組成同步式協調控制方式，且干道綠波調整速度V_Gp在干道綠波調整速度的優化范圍內，將射線l_Gp賦予速度推進線L_p，將干道綠波調整速度V_Gp賦予干道綠波調整速度V_(1,p)；假若干道綠波調整速度V_Gp不在干道綠波調整速度的優化范圍內，則保持速度推進線不變，速度推進線L_p與L_p-1相同，干道綠波調整速度V_(1,p)與V_(1,p-1)相等；

若當前協調交叉口與基準交叉口I₁組成交互式協調控制方式，且干道綠波調整速度V_Rp在干道綠波調整速度的優化范圍內，將射線l_Rp賦予速度推進線L_p，將干道綠波調整速度V_Rp賦予干道綠波調整速度V_(1,p)；假若干道綠波調整速度V_Rp不在干道綠波調整速度的優化范圍內，則保持速度推進線不變，速度推進線L_p與L_p-1相同，干道綠波調整速度V_(1,p)與V_(1,p-1)相等；

S205、依次重復上述步驟，直至所有交叉口完成旋轉變換，可確定所有信號交叉口的協調方式并獲得最終的干道綠波調整速度V_(1,n)；將斜率等于干道綠波調整速度倒數且過基準交叉口I₁協調相位綠燈中心時刻點的速度推進線向上平移，首次穿過某交叉口協調相位綠燈終止時刻點的速度推進線定義為上限速度推進線；將斜率等于干道綠波調整速度倒數且過基準交叉口I₁協調相位綠燈中心時刻點的速度推進線向下平移，首次穿過某交叉口協調相位綠燈起始時刻點的速度推進線定義為下限速度推進線；上限速度推進線與下限速度推進線的縱向距離為綠波帶寬度，根據第1輪旋轉變換最后確定的干道綠波調整速度V_(1,n)，獲得協調正向綠波帶的初始上限速度推進線L_U0與初始下限速度推進線L_D0，進而得到干道初始綠波帶寬b₀及綠波帶占比R₀，將協調相位綠燈終止時刻點落在上限速度推進線上的交叉口定義為上限瓶頸交叉口，將初始上限瓶頸交叉口納入上限瓶頸交叉口集合S_U0；將協調相位綠燈起始時刻點落在下限速度推進線上的交叉口定義為下限瓶頸交叉口，將初始下限瓶頸交叉口納入下限瓶頸交叉口集合S_D0；

其中，進行所述第2輪旋轉變換，具體步驟如下：

基于初始上限速度推進線L_U0和初始下限速度推進線L_D0進行第2輪第1次旋轉變換；

假定經過第2輪第m次旋轉變換后得到的上限速度推進線為L_Um，下限速度推進線為L_Dm，調整后的干道綠波調整速度為V_(2,m)，干道綠波帶寬為b_m，干道綠波帶占比為R_m，若交叉口I_i，1≤i≤n上限瓶頸交叉口，則其對應的上限瓶頸節點記為P_Ui，若交叉口I_j，1≤j≤n為下限瓶頸交叉口，則其對應的下限瓶頸節點記為P_Dj，其中，

S301、進行第2輪第m次旋轉變換前，根據當前上限瓶頸交叉口集合S_Um-1與下限瓶頸交叉口集合S_Dm-1的情況判斷是否滿足停止旋轉變換的條件，若滿足，則停止對速度推進線的進一步旋轉變換，若不滿足，則繼續完成第m次旋轉變換，所述停止旋轉變換的條件為條件1：若存在交叉口I_k同時為上限和下限瓶頸交叉口，此時綠波帶占比R_m等于瓶頸交叉口I_k協調相位的綠信比，已經達到綠波帶占比的極限值，因此無需對速度推進線再進行旋轉變換；或

條件2：若I_j∈S_Dm-1、I_k∈S_Um-1，且滿足i＜j＜k，存在兩個上限瓶頸交叉口分別位于某下限瓶頸交叉口的上下游，如果增大綠波速度，沿順時針方向旋轉速度推進線，對應綠波帶寬將減小；如果減小綠波速度，沿逆時針方向旋轉速度推進線，對應綠波帶寬也將減小，因此停止對速度推進線的進一步旋轉變換；或

條件3：若I_j∈S_Um-1、I_k∈S_Dm-1，且滿足i＜j＜k，存在兩個下限瓶頸交叉口分別位于某上限瓶頸交叉口的上下游，如果增大綠波速度，沿順時針方向旋轉速度推進線，對應綠波帶寬將減小；如果減小綠波速度，沿逆時針方向旋轉速度推進線，對應綠波帶寬也將減小，因此停止對速度推進線的進一步旋轉變換；

S302、確定旋轉方向；

情形1：若均滿足k＜l，所有的上限瓶頸交叉口都位于下限瓶頸交叉口的上游時，旋轉方向為逆時針旋轉；

情形2：若均滿足k＞l，所有的上限瓶頸交叉口都位于下限瓶頸交叉口的下游時，旋轉方向為順時針旋轉；

S303、確定上下限旋轉點；

對于情形1，旋轉方向為逆時針旋轉，選取交叉口I_i∈S_Um-1、I_j∈S_Dm-1，保證均滿足i≥k、j≤l，以交叉口I_i的上限瓶頸節點P_Ui與交叉口I_j的下限瓶頸節點P_Dj分別作為上下限旋轉點；

對于情形2，旋轉方向為順時針旋轉，選取交叉口I_i∈S_Um-1、I_j∈S_Dm-1，保證均滿足i≤k、j≥l，以交叉口I_i的上限瓶頸節點P_Ui與交叉口I_j的下限瓶頸節點P_Dj分別作為上下限旋轉點；

S304、確定旋轉角度；

分別以上限瓶頸交叉口節點P_Ui與下限瓶頸交叉口節點P_Dj作為端點，計算與其它交叉口節點構成的旋轉角度，確定旋轉變換后的干道綠波調整速度；

假設交叉口I_k，1≤k≤n被上限速度推進線L_Um-1穿過的協調相位綠燈結束時刻點為P_Ek，被下限速度推進線L_Dm-1穿過的協調相位綠燈起始時刻點為P_Sk，交叉口I_i在時距圖中的橫坐標為x_i，交叉口I_j在時距圖中的橫坐標為x_j，交叉口I_k在時距圖中的橫坐標為x_k；

連接點P_Ui與P_Ek構成的旋轉線L_Ek所對應的干道綠波調整速度V_Ek為：

式中，y_Ek與y_Ui分別為點P_Ek與P_Ui的縱坐標；

連接點P_Dj與P_Sk構成的旋轉線L_Sk所對應的干道綠波調整速度V_Sk為：

式中，y_Sk與y_Dj分別為點P_Sk與P_Dj的縱坐標；

對于情形1，依次連接點P_Ui與P_Ek，滿足i+1≤k≤n，構成旋轉線L_Ek，判斷旋轉線L_Ek所對應的干道綠波調整速度V_Ek是否處于干道綠波調整速度的優化范圍內，將符合條件的干道綠波調整速度V_Ek納入第m次旋轉變換的可選車速集合S_Vm；依次連接點P_Dj與P_Sk構成旋轉線L_Sk，其中1≤k≤j-1，判斷旋轉線L_Sk所對應的干道綠波調整速度V_Sk是否處于干道綠波調整速度的優化范圍，將符合條件的干道綠波調整速度V_Sk納入第m次旋轉變換的可選車速集合S_Vm，選取可選車速集合S_Vm中的最大值作為第m次速度推進線旋轉變換所確定的干道綠波調整速度V_(2,m)；

對于情形2，依次連接點P_Ui與P_Ek，滿足1≤k≤i-1，構成旋轉線L_Ek，判斷旋轉線L_Ek所對應的干道綠波調整速度V_Ek是否處于干道綠波調整速度的優化范圍，將符合條件的V_Ek納入第m次旋轉變換的可選車速集合S_Vm；依次連接點P_Dj與P_Sk構成旋轉線L_Sk，j+1≤k≤n，判斷旋轉線L_Sk所對應的干道綠波調整速度V_Sk是否處于干道綠波調整速度的優化范圍，將符合條件的V_Sk納入第m次旋轉變換的可選車速集合S_Vm，選取可選車速集合S_Vm中的最小值作為第m次速度推進線旋轉變換所確定的干道綠波調整速度V_(2,m)；

S305、更新上下限瓶頸交叉口集合；

根據第2輪第m次旋轉變換確定的干道綠波調整速度V_(2,m)，通過在旋轉點進行旋轉變換，得到協調正向綠波帶的上限速度推進線L_Um與下限速度推進線L_Dm，在進入第2輪第m+1次旋轉變換前，根據上下限速度推進線L_Um與L_Dm，確定上限瓶頸交叉口集合與下限瓶頸交叉口集合，并對應更新為上限瓶頸交叉口集合S_Um與下限瓶頸交叉口集合S_Dm，重復上述步驟直至滿足停止旋轉條件；

其中，所述生成對稱式干道雙向綠波協調方案，包括確定最佳公共信號周期和各交叉口相位差，具體確定方式為：

完成第2輪旋轉變換后，根據最終確定的速度推進線獲得最佳干道綠波調整速度V_B，根據時距圖中時間與速度的反比關系，利用干道綠波設計速度V計算獲得最佳公共信號周期C_B：

根據最佳公共信號周期和第1輪旋轉變換確定的各交叉口協調控制方式，結合已知的綠信比分配方案計算出各交叉口協調方向的紅綠燈時長以及絕對相位差大小。