一种基于灯组的混合交通流信号配时优化方法

摘要

本发明提供一种基于灯组的混合交通流信号配时优化方法，包含如下步骤：对各灯组进行编号；设定求解目标函数：目标函数为以满足周期最短为求解目标的目标函数或是以满足周期最短为求解的目标函数或是以通行能力最大为求解的目标函数；设置目标函数的约束条件；根据目标函数和约束条件编写非线性优化求解程序，最终得出优化配时结果本发明具有的优点和积极效果是：能够针对不同灯组的流量需求灵活调整信号配时方案，没有使用相位的概念，灯组的启亮不再受到同一相位其他车流的影响，能够灵活地衔接不同车流的绿灯启亮时间，以达到交叉口通行效益的最大化；能有效保证非机动车和行人的通行安全，求解简便。

主权项

一种基于灯组的混合交通流信号配时优化方法，其特征在于包含如下步骤：1)对各灯组进行编号：灯组是交叉口信号控制中最小的独立控制单元，可将各进口道中不同流向的机动车、非机动车和行人分别定义为一个灯组，并按顺时针或者逆时针进行编号；2)设定求解目标函数：以满足周期最短为求解目标，目标函数如下：f＝min C       (1)式中：f为目标函数；C为周期时长，单位秒；或者是以机动车和非机动车的周期延误最小为求解目标，目标函数如下：$Z=min(\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{d}_{Mi}+\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{d}_{Bi})---\left(2\right)$式中：dMi为机动车灯组i的延误，单位秒；dBi为非机动车灯组i的延误，单位秒；i为灯组编号；M为机动车灯组总数；N为非机动车灯组总数；对于任意不饱和机动车车流或者灯组车流，都可用公式(3)计算周期延误：$d_{Mi}=0.9(\frac{s_i{(1-{\Lambda }_i)}^2\times C}{2(s_i-q_i)}+\frac{q_i}{2s_i{\Lambda }_i(s_i{\Lambda }_i-q_i)})---\left(3\right)$式中：si为饱和流量，单位辆/秒；C为周期时长，单位秒；qi为灯组所对应的流量，单位辆/秒；Λ_i为有效绿灯时间与周期时长的比值；即，${\Lambda }_i=\frac{g_i+e}{C}---\left(4\right)$式中：gi为任意机动车灯组i的绿灯时长，单位秒；e为黄灯时长与启动损失时间的差值，单位秒；对于非机动车的延误，可用公式(5)计算得出：$d_{Bi}=\frac{0.5C{(1-\frac{g_i}{C})}^2}{1-\left[\frac{g_i}{C}\min (\frac{q_i}{s_i},1)\right]}---\left(5\right)$式中：参数意义同上；或者是以通行能力最大为求解目标，目标函数如下公式(6)表示：$f=max\underset{i=1}{\overset{M+N}{\Sigma }}{s}_i(g_i+e)---\left(6\right)$式中：参数意义同上；3)上述目标函数求解时，给予以下约束条件：①绿灯启亮时间约束$C\ge {\mathrm{gb}}_i\ge 0,\forall i=1,2,...,M+N---\left(7\right)$式中：gbi为任一灯组i在某周期内的绿灯启亮时刻距周期起始时刻的时间差，单位秒；②最小绿灯时长约束:对于混合交通交叉口，保证行人绿灯时间不小于行人通过交叉口的最短时间:$C>g_i\ge g_{min},\forall i=1,2,...,M+N---\left(8\right)$式中:gmin为行人通过交叉口所需的最短时间，单位秒；③各车道组的通行能力约束在进行信号配时时，还需要注意各灯组的绿灯时长需要满足该灯组所对应的交通量需求；即：各灯组任一周期内的通行能力都必须大于等于灯组所的流量需求,具体计算如公式(9)所示：$(g_i+e)s_i\times 0.9\ge q_i\times C,\forall i,j=1,2,...,M+N---\left(9\right)$④绿灯间隔时间约束绿灯间隔时间是指任意两个存在冲突的灯组之间所必须设置的最小时间间隔,在进行信号配时计算时，必须保证两个冲突灯组之间的时间差必须大于等于绿灯间隔时间,该约束可用公式(10)表示：gb_i+g_i+I_ij≤gb_j     (10)式中：Iij为两任意灯组之间的绿灯间隔时间，单位秒；⑤周期时长C的约束在进行信号配时设计时，需要对周期时长设置一定的范围，在交通量较小时，可以将周期时长的上限值调低；反之则调高，该约束可用公式(11)表示：C_min≤C≤C_max           (11)式中，Cmin为设置的周期时长最小值，单位秒；Cmax为设置的周期时长最大值，单位秒；其余参数同上；4)求解：根据上述目标函数与约束条件，编写非线性优化求解程序，最终得出优化配时结果。