一种面向阶段-相位信号控制方案的配时参数优化方法与流程

本发明涉及一种信号控制方案的优化方法，尤其涉及一种面向阶段-相位信号控制方案的配时参数优化方法。

背景技术：

交通信号控制是城市道路交通管控的核心手段之一，路口信号配时调优对于缓解城市道路交通拥堵，提升路网运行效率具有重要作用。据统计，我国交通信号控制路口保有量大约有13万个。面对如此巨大的工作量，城市交通管理部门迫切需要智能化的路口信号调优技术、工具及系统的支持。

现阶段，我国城市采用的信号控制方式主要包括固定配时、感应式和自适应控制三大类。固定配时将一天分成了若干个控制时段，并对每个控制时段内设置了固定不变的信号控制方案。与其他两类方式相比，固定配时无法根据路口交通流量对信号配时进行动态调整优化，存在时效性差的问题，通常每隔1-2年需要对现有方案进行一次调优。尽管如此，固定配时依然是我国绝大部分城市采用的主流方式，主要原因包括：1)固定配时方式对信号机要求低，投入成本低，可靠性高，维护容易；2)针对行人和非机动车交通量大的城区路口，以机动车为主的感应式和自适应控制适用性不高；3)目前的感应式和自适应控制仍难以应对我国城市普遍存在的区域拥堵问题，应用效果不佳。综上所述，我国城市以固定式配时为主，感应式和自适应控制为辅的现状仍将维持一段较长时间。因而，如何提升固定配时方案调优的效率、质量和效果是当前我国城市交通信号控制管理首要解决的关键问题。

近十年来，我国城市道路交通信息化建设取得了显著发展，城市道路交通流的感知手段和方式得到了极大的丰富。以路口卡口式电子警察数据为代表的新型精细化交通流数据正在成为支撑城市交通运行管理的重要基础。按照预期，在此类数据的基础上，借助于现有的信号配时调优工具，典型代表为美国的synchro和英国的transyt软件，将很大程度上提升现状信号配时调优的效率。然而，事实上，此类调优工具并未得到大规模的推广应用，究其原因，主要包括：1)我国采用了基于阶段-相位结构的单环信号配时方案结构，与国外以双环结构为代表的一类方法兼容性差；2)以延误、排队长度等指标最小为代表的一类优化算法，指标建模和估计方法复杂度高，准确性和可靠性还需进一步验证和测试；3)现有工具采用方法对数据完备性要求较高，需要各个流向的完备数据为基础，无法基于部分数据进行合理的优化；4)我国信号配时方案定义的标准不统一，各个城市间存在较大差异，方案设计也呈现多样化，需要有更高灵活度的优化方法。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种用于优化信号控制方案的方法，该方法面向我国采用的基于阶段-相位结构的单环信号配时方案结构，可以灵活准确优化信号配时，效率高。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种面向阶段-相位信号控制方案的配时参数优化方法，包括以下步骤：

(1)根据现有交通信号系统数据，获取信号交叉口的车道信息、信号控制方案和各车道交通量，生成车到信息表和信号配时方案表；

(2)根据车道信息表和信号配时方案表，构建车道-相位映射；

(3)获取各时段信号控制方案，提取相位-阶段分布关系表；

(4)设定各相位的目标饱和度，计算各相位的需求绿信比；设定周期和阶段时长的约束，以各相位实际饱和度与目标饱和度偏差最小为目标，构建线性规划方程模型，得出最优的周期时长和各阶段绿灯时长作为配时方案优化结果；

(5)将信号配时方案优化结果输入到路口交通信号控制器中，实现优化控制。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：1、避免在路口信号配时调优时发生经验主义的错误，数据利用率高，具有科学性；2、符合我国采用的基于阶段-相位结构的单环信号配时方案结构，兼容性较优；3、可以根据不同城市的交通设计，灵活实现配时自优化的交通信号控制。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2(a)是交叉口阶段图，图2(b)是相位-阶段图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，一种面向阶段-相位信号控制方案的配时参数优化方法，包括步骤：

(1.1)选取所需要进行优化的单点信号交叉口，获取车道信息，生成车道信息表，所述车道信息表包括交叉口名称及编号、进口道方向编号、车道编号、车道类型及其编号；

(1.2)获取信号控制方案，针对一天内所有控制时段，提取每个控制时段的配时方案，生成信号配时方案表，所述信号配时方案表包括交叉口编号、信号配时方案编号、信号阶段编号及名称和阶段中所包含的相位编号；

(1.3)利用交叉口的卡口电警数据，按照设定的相同时间间隔汇聚各车道的交通流量，时间间隔一般可取5min、10min、15min等；

(2)根据车道信息表和信号配时方案表，构建车道-相位映射，可识别一个相位可对应的多个车道；

(3)获取各时段信号控制方案，提取相位-阶段分布关系表，该表记录了相位一次启亮绿灯的起始阶段和终止阶段，若同一相位在一个周期内启亮绿灯多次，则记录多个起始阶段和终止阶段，包括相位号、起始阶段编号、终止阶段编号，交叉口阶段图和相位-阶段图2(a)(b)所示；

(4.1)根据车道信息数据，设定各车道的饱和车头时距，一般直行车道的饱和车头时距在2s～3s；可以根据经验自行设定；

(4.2)针对每个控制时段n，在所有对应相位i的车道中，将交通量乘以饱和车头时距值最大的车道取为相位i的关键车道；

(4.3)针对每个控制时段n，选取相位i的关键车道的最大的交通流量扩大为关键车道交通量vi(veh/h)，其饱和车头时距为hi(s)，根据关键车道交通量vi和饱和车头时距hi计算相位i的需求绿信比

其中，dosi为相位i的目标饱和度；gi为相位i的绿灯时长；c为信号周期长度；

(4.4)设定周期和阶段时长的区间范围，构建线性规划方程，求解得出最优的阶段和周期时长，线性规划方程为：

目标函数：

约束条件：

x1+x2+…+xm-c0＝l

gi，min≤xj≤gi，max

c0+l≤cmax

c0+l≥cmin

其中，xj为阶段j的绿灯时长；c0为优化后的信号周期长度(不包括周期内的黄灯时间和全红时间)；l表示一个周期内的黄灯时间和全红时间之和；其中c＝co+l；和表示相位i绿灯时长的松弛变量，指优化后相位i的绿灯时长与根据相位需求绿信比pi计算的绿灯时长的差值，表示需要减少的绿灯时长，表示需要增加的绿灯时长；cmin，cmax分别表示最小周期长度和最大周期长度；gi，min，gi，max表示相位i的最小绿灯时长和最大绿灯时长；m、n分别为信号配时方案的阶段数和相位数；

(4.5.1)判断步骤(4.4)中，在目标饱和度下优化后的目标函数w值是否大于0；若w≤0，满足条件，将其所对应的所对应的周期长度和阶段绿灯时长作为最终的优化结果，步骤停止；若w＞0，则存在某些交叉口的饱和度大于设定的目标饱和度，执行步骤(4.5.2)；

(4.5.2)将目标的饱和度增加一个步长值△，dosi＝dosi+δ；跳转至步骤(4.3)重复上述步骤，直至w＝0，将w＝0时所对应的周期长度和阶段绿灯时长作为最终的优化结果；若当指定的饱和度达到某一最大容忍饱和度vm时，w大于0，则将输入饱和度为vm的优化后结果作为最终优化结果；

(5)将信号配时方案优化结果输入到路口交通信号控制器中，实现优化控制。

本发明实施例为对苏州市昆山市长江路与春晖路的十字交叉口的信号控制，通过整理现有信号控制系统中的信号配时方案，形成相位信息表和信号配时方案表，如表1和表2所示。

根据交叉口的车道信息和信号配时方案，形成交叉口的车道-相位映射关系表；如表3所示；

其中intersection_id表示交叉口编号；direction表示方向编号；lane_id表示车道编号；phase_id表示相位编号；phase_name代表相位名称；program_id表示全天的信号配时方案编号；stage_id表示信号阶段编号；phase_list表示阶段中所包含的相位编号；phase_id表示相位编号；green、yellow、all_red、min_green、max_green分别表示绿灯时长、黄灯时长、全红时长、最小绿灯时长、最大绿灯时长。

表1交叉口相位信息表

表2信号配时方案表

表3车道-相位映射关系表

根据上述交叉口的相关信息，构建优化周期长度和各阶段的绿灯时长的线性回归方程。

xj为阶段j的绿灯时长；c0为优化后的信号周期长度(不包括周期内的黄灯时间和全红时间)；pi为在相位i在饱和度为v(输入值)的绿信比；vi为相位i的交通量(veh/h)；hi为相位i的饱和车头时距；l为各个阶段的黄灯时间和全红时间之和；和表示相位i绿灯时长的松弛变量，指优化后相位i的绿灯时长与利用饱和度v计算的绿灯时长的差值，表示需要减少的绿灯时长，表示增加的绿灯时长；cmin，cmax分别表示最小周期长度和最大周期长度；gi，min，gi，max表示相位i的最小绿灯时长和最大绿灯时长。

其中初步将目标饱和度设为0.8；直行车道的饱和车头时距为2.5s；左转车道、直左车道、直右车道和直左右车道的饱和车头时距为3s。

各相位绿信比：

目标函数：

约束条件：

相位约束条件

相位1约束条件：

相位2约束条件：

相位4约束条件：

相位5约束条件：

相位6约束条件：

相位8约束条件：

绿灯时长约束条件

阶段1绿灯时长约束条件：g1，min≤x1≤g1，max

阶段2绿灯时长约束条件：g2min≤x2≤g2，max

阶段3绿灯时长约束条件：g3，min≤x3≤g3，max

周期长度约束条件

最大周期长度约束：c0+l≤cmax

最小周期长度约束：c0+l≥cmin

由于相位3、7为右转相位，不需要优化，故上述相位约束条件中并未出现相位3、7的约束条件。

运算结果如下：

表4表示优化后的交叉口各阶段的绿灯时长、饱和度的变化情况；current_green各表示优化前绿灯时长、new_green表示优化后绿灯时长、pre_degree表示优化前饱和度、new_degree表示优化后饱和度。

表5表示优化后的周期变化情况，其中dow表示日期，cycle_length表示现状周期长度，new_cycle表示优化后的周期长度。

表4优化后的交叉口各阶段的绿灯时长和饱和度的变化情况

表5优化后的周期变化情况