【《定时干线信号协调控制方法分析与实现分析案例》6300字】

定时干线信号协调控制方法研究与实现分析案例目录TOC\o"1-2"\h\u18473定时干线信号协调控制方法研究与实现分析案例 122001.1干线协调控制的设置依据 1267281.2干线信号协调控制的协调方式 2139071.3常用相位差优化方法 4干线协调控制在缓解城市道路交通压力中起着重要作用,有效的提高了干线的通行能力。但干线控制的设置是需要一定的前提条件的,同时在干道协调控制系统中确定合适的相位差至关重要。本章将讨论干线协调控制设置依据，干线信号协调控制的协调方式以及两种常用相位差优化方法。1.1干线协调控制的设置依据干线交通信号协调控制的应用，并非毫无前提条件的适用于所有干线上的连续交叉路口。实践证明,在交叉口某些情形条件下采用干线交通协调控制措施后反而可能会大大减少干线的运行效率,使得交叉口车辆行驶的平均延误总大大增加。所以,在需进行干线协调控制时,首先就需要判断干线是否满足了下列的各项要求:1.车辆到达特性首先对车辆的到达特性具有一定要求：当干线上的车辆到达交叉口的形式呈脉冲特性时，对该干线进行干线协调控制的效果较好。但是当车辆均匀到达交叉口时,这种情况下则不适宜采用干线协调控制。造成车辆均匀到达的因素有以下几种:如果相邻交叉口之间的距离太远,则会因为距离远而导致车队中的车辆离散最终到达下一个交叉口时不再成队列的形式。当相邻交叉口之间有大量的车流从其他街道或者交叉口之间存在车辆出入口比如小区、停车场等，会导致干线上原有交通流发生比较大的变化。有大量相邻路段上的车流在交叉口处转弯进驶入干道。2.街道运行条件干线协调控制往往更适用于单向交通的街道，在单向交通运行的干道应优先考虑采用干线协调控制系统。1.信号交叉口之间的距离使用干线协调控制时相邻交叉口的间距需要满足一定的要求，因为一般来说相邻交叉口的间距越长控制效果就越差，因为间距较长时干线上的交通流容易发生变化，因此我们希望交叉口的间距不宜超过600米，同时间距也不宜过短，交叉口的间距最好在100米至600米内。4.信号的相位一个交叉口的周期时长一般与相位有关，而干线协调控制对信号相位也有一定的要求，其最适用于相位较少的交叉口（二相位或四相位），因为相位越多相位之间转换的总绿灯损失时间就越大，会增大对干线控制系统带宽的影响。5.交通量的波动性对于一个交叉口或干线来说不同的日期或时间段车辆的到达方式以及交通量的大小是不同的。一般在在早晚高峰时段，此时的车流量较大容易形成车队,干线协调控制的的效果比较明显;但是当干线上的车流量较小、交通流比较离散时，不容易形成车队不适宜采用线控系统。1.2干线信号协调控制的协调方式1.2.1单向交通协调方式单行道即单向交通的道路，这种道路上的车辆只能向一个方向行驶，此时因为没有对向车辆的影响，车辆之间的干扰较小，一般对于一个上下行之间的流量差很大时的双向通行道路我们也可以也采用单向交通协调方式，此时我们只需要对流量大的方向进行协调控制，干线交通信号协调控制最适用于上述两种道路。计算交叉口间的相位差公式如下：式中：Qf——相邻交叉口间的相位差(S)；S——相邻交叉口间的间距(km)；V——车辆可连续通行的车速(km/h)。1.2.2双向交通协调方式双向交通的交通状况比单向交通的交通状况更加复杂，施行线控的效果往往也较差，但当双向交通干线上各交叉口间距相等控制效果较好，且车辆在路口间的行驶时间是公共周期时长的一半或其整倍数时效果会更佳。双向交通定时式干线协调控制的方式分为同步式、交互式、以及续进式协调控制，分别适用于不同的干线情况[19]：（1）同步式协调控制同步式协调控制指一个干线中全部交叉口信号灯同一时间的颜色相同，当车辆在路口间的行驶时间等于公共周期时长或其整数倍时采用同步式协调控制，即满足以下关系式：其中，s—相邻交叉口间的距离（km）；v—交叉口间车辆的平均车速（km/h）；C—系统周期时长（s）；n—正整数如果当相邻交叉口之间的距离非常短且沿协调方向的交通量远大于非协调方向时，可以将这两个路口看为一个路口并采用相同控制方案，组成同步式协调控制系统。因为同步式控制系统中的交叉口的相邻街道的车辆停车次数会明显增加与这种系统对干线的要求过高，所以现在同步式协调控制的实际应用较少。（2）交互式协调控制当车辆在路口间的行驶时间等于公共周期时长的一半或其整数倍时采用同步式协调控制，即满足以下关系式：其中，s—相邻交叉口间的距离（km）；v—交叉口间车辆的平均车速（km/h）；C—系统周期时长（s）；m为整数且为奇数。车辆能够连续通行的车速为:因为这种协调控制方式的使用条件比较苛刻，如今也很少单独采用。（3）续进式协调控制续进式协调控制亦称绿波协调控制，是应用最为广泛的一种控制系统，该系统对间距、行驶时间以及信号周期的要求较低，主要是通过干线上交叉口间距以及行程时间来确定相位差。续进式协调控制可分为简单续进协调控制与多方案续进协调控制，在简单续进系统中只使用一个信号控制方案，而多方案续进系统根据交通量的变化以及进口道、出口道上车流量的差异有不同的协调方案。1.3常用相位差优化方法相位差也是城市干道信号协调控制的主要参数之一,目前确定信号相位差最常见的二个方法为最大绿波带法和最小延误法。本文主要使用最大绿波带法进行设计,，其中最大绿波带法的算法包含数解法、图解法和模型法。1.1.1最大绿波带法最大绿波带法就是指通过对相邻连续交叉口信号进行配时，获得一定速度范围内的最大绿波带宽，得到这种情况下的相位差。即将干道上的多个交叉口以相互协调的方式互相配合，获得使得车流能持续获得最大通行权的相位差。数解法[13、15、16]数解法是通过寻找使得系统中实际信号位置离理想信号位置的最大挪移量最小来获得最优相位差控制方案。一下通过例子来说明数解法的步骤：设有A、B、C、D、E、F、G、H八个交叉路口，它们之间的间距如表1.1所示，设干线的公共周期为80秒，干线车速设为40km/h。表1.1交叉口间距交叉口编号ABCDEFGH交叉口间距350400160540280280270计算理想间距以10为单位有效数字35、40、16、54、28、28、27。首先根据设定的公共周期（C)以及带速（v），利用公式计算出各交叉口理想间距（a）：即相距440m交叉口信号的相位差，与错开了半个周期的交互式协调系统的相位差相等；相距880信号的相位差，与错开了一个周期的同步式协调系统的相位差相等。假设将交叉口A作为起始交叉口，则其下游每相距vC/2处可以作为交互式协调或者同步式协调的理想信号位置。考虑下游中各实际信号位置与各理想信号位置的距离之差，显然，它们之间的距离差越小，信号协调效果越好。考虑在vC/2数值的一定合理范围内，逐一计算寻求协调效果最好的各理想信号的位置，以求得实际信号间协调效果最好的双向相位差。为了计算方便，将44±10作为vC/2变动的范围，即34～54，如表1.2中的a列。计算理想位置与实际距离之差（a列内各行）以a=34为例，先画出各交叉口之间的间距比例轴，从A点出发向左画等距离（d=34）线段，通过比对各线段端点可以计算出各交叉口实际信号位置与各理想信号位置的距离差。如图1.1所示。图1.1a=34下的理想位置与实际距离偏差图计算最大相邻挪移量之差以a=34为列，将实际信号位置与理想信号位置的距离偏差量，按照从小到大的顺序填入下表，计算相邻距离偏差量之间的差值，将其中的最大值作为b值。如表1.2所示。表1.2a=34时各相邻交叉口挪移量差值ABCDEFGHA0137923243134124214173通过上表计算可知，当a=34时，b值取挪移量之间差值中的最大值（b=14）。我们再用上述方法计算出各行对应的b值，最终结果如表1.3所示。表1.3不同间距下的挪移量交叉口编号ABCDEFGH间距a35401654282827b34172393312414350521533261813363531912921129...........................50352541452312822...........................533522383914421614543521373711391215确定信号的理想位置通过上表可以看出，当a=50，b=22时各交叉口的实际位置到各理想位置的距离差最小。也就是说当vC/2=500m时协调效果最好，此时理想信号与G之间的距离差为（a-b）/2=14，即14为各实际信号距理想信号的最大挪移量。理想信号与交叉口G之间的距离为140m，距离A为130m，所以从A向前移130m为第一个理想信号位置，之后从左向右逐次画出500m线段，将每个理想信号位置排放在相邻的实际信号位置之间。如图1.2所示。图1.2实际信号、理想信号相对位置5）作连续行驶通过带把上图中理想位置编号按次列在最靠近的实际信号位置下（下表中的第二行），再将信号A～H相对于理想信号的左右方向填入第三行，再把各信号通过配时计算得到的绿信比填入第四行。因为实际信号与理想信号位置的不一致，会产生相应的绿灯损失，损失绿信比用位置挪移量除以理想信号的间距（a=550）再乘以百分数表示，列入下表的第5行。而各交叉口的有效绿信比等于计算绿信比减去损失绿信比，列入第六行。6）确定相位差奇数次理想信号位置的实际交叉口的相位差为（1-0.5λ）C；偶数次理想信号位置的实际交叉口的相位差为（0.5-0.5λ）C。交叉口编号ABCDEFGH理想信号位置编号①②③④⑤⑥⑦⑧各信号位置右左左右右左右左绿信比（%）5560656560657050损失（%）26424816282818有效绿信比（%）2956415744274232相位差（%）72.52067.567.52067.56525（2）图解法[13、14]人民交通出版社的《交通管理与控制》一书中对于干线协调的图解法进行了简单的介绍。图解法具有直观，易于理解的优点。顾名思义，图解法需要借助时间-距离图在上面进行几何画图求解，将交叉口的间距作为横坐标，时间作为纵坐标。以下是图解法的具体思路：1）交通干线中的设计车速与公共周期必须根据韦伯斯特法提前进行求解，再进行同步式或者交互式协调方案的建立；2）根据实地勘察的干线交通数据(交叉口数量、交叉口间距、交通量、饱和流量、机动车的车速以及交通流波动等)可以确定时间-距离图。3）通过时间-距离图，运用几何作图手法，通过做引线，对周期长度进行多次调整，也需要调整带速，得到相位差，使得绿波带最大。图2–3所示将连续五个交叉口纳入干线协调控制系统，其相邻交叉口间距见于图中横坐标，设置初始速度为36km/h，公共周期定为100秒，各交叉口均为两相位控制且相位绿信比相等（均为0.5）。下图中竖线上的加黑线段代表红灯时间，不加黑线段代表绿灯时间。图1.1干线协调图解法示意图第一步:以点A为起点引出一条直线①，代表初始绿波带速度推进线，其斜率为车辆平均行驶车速（10m/s）的倒数。此斜线与BB’的交点，与AA’1点所引水平线同的交点（BB’上的1点）很接近，BB’上的一点可取为交叉口同A交叉口组成交互式协调控制的绿时差，在BB’上相应于线画出2～3、4～5粗红线段，为B交叉口的红灯时段。第二部:连接A点与BB’上的1点成斜线②，线②与CC’的交点，同从AA’上2点所引水平线与CC’的交点（CC’上的2点）很接近，CC’上的2点也可取为C交叉口对B交叉口组成交互式协调控制的相位差，所以在CC’上也可画出1～2、3～4、5～6各粗红线段，作为交叉口的红灯时段。第三部:连接A点与CC’上的2点成斜线③，线③同DD’的交点,与从AA’上2点所引水平线与的交点（DD’上的2点）很接近，所以C交叉口与D交叉口是同步式协调，在DD’上画与CC’上相同的1～2、3～4、5～6红灯粗线段。第四步:同样，在EE’上完成上述操作，找出相应的红灯时段，如此就完成了这条干道上连续的5个交叉口的上下行双向“线控”系统的配时。第五步:画出通过带，利用图中的几何关系我们可以求得带速约为57km/h，宽约为16s，占周期时长的16%，但是此时所求的带速是高于实际带速的，不符合实际情况，此时我们可以增加干线周期时长以使带速接近真实值，一般要求带速在40km/h左右，我们相应的将周期延长到125～130秒。当然如果在计算中我们得到的带速和带宽符合实际要求，就不需要再调整周期时长。第六步:调整绿信比。（3）模型法[26]最大绿波带模型（MAXBAND）法是由Little等人提出，现在用于研究干线协调控制的模型法包括基本MAXBAND法以及一些改进模型法，本文先介绍基本MAXBAND模型法。MAXBAND模型法的主要利用混合线性规划算法，模型需要干线的公共信号周期、相位红灯时间、相邻交叉口间距、车辆行驶速度、行程时间等参数，调整相位差使干线的绿波带宽最大，通过找到图1.5中参数之间关系建立目标函数以及约束条件。图1.5时空分析图根据上图推导公式如下：将上述公式整理可以得到如下公式：因为传统MAXBAND法设定干线的上下行方向的带宽相等，绿灯时长大于机动车的通过时间，可以得到如下约束条件：根据公式1.7与1.8，设目标函数为Z=Max（b），可以整理出如下线性规划模型：上述模型可以利用LIngo求解，我们可以求解出在一定带速下的干线最大绿波带宽，最后通过时间—距离图我们可以得到干线各交叉口的相位差。以上为传统MADBAND法默认干线上行与下行的交通相同，但是在实际的交通路况之中往往是不实际的，因此下面将介绍一种最大带宽拓展模型，该模型引入了带宽比率k，k等于上行与下行之间的车流量比，根据上行与下行不同的需求可以设置相应的k，当k=1时，b=EQ\*jc0\*"Font:TimesNewRoman"\*hps12\o\ad(\s\up11(—),b)；当k≠1时，有约束条件：除了考虑了上行与下行的带宽需求因素，其他约束条件也有变化，例如对干线绿波速度、公共周期增加了约束条件，定义变量Z=1/C为干线频率，即干线周期的倒数；C1为干线周期的最大值；C2为干线周期的最小值。具体模型如下：最大绿带的改进模型法还有很多，适用于不同的实际干线交通状比如说可变带宽绿波带优化模型，考虑了干线上下行交通量的波动，本文使用最大带宽拓展模型法对实例进行分析优化，对其他方法不再赘述。1.1.2最小交通性能指标法最小交通性能指标法与最大绿波带发的主要区别是干线协调控制优化的目标不同，最大绿波带法是寻求一种控制使得干线上的车辆尽可能得通过最长的绿波带宽，而最小交通性能指标法主要是将一些控制评价指标作为主要的优化目标，如车辆延误、排队长度、停车次数等，其中将延误作为优化目标的最多，即最小延误法，该方法是研究干线的车辆延误与交叉口相位差之间的关系，建立两者间的函数关系，以减少干线所有车辆延误为目标确定相应的相位差。目前世界上干线协调控制