基于速度波动区间的双向绿波优化控制方法-夏井新.pdf
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1、第52卷第4期 西南交通大学学报 v。152 N。42017年8月 JOURNAL OF SOUTHWEST JIAOTONG UNIVERSITY Aug2017文章编号:0258-2724(2017)04-0802-08 DOI:103969jissn02582724201704020基于速度波动区间的双向绿波优化控制方法夏井新1, 陶雨潆1, 焦恬恬2(1东南大学智能运输系统研究中心,江苏南京210096;2广东方纬科技有限公司,广东广州510275)摘要:针对现有干线交通信号绿波控制方法采用平行等宽的绿波带宽,无法考虑相邻交叉口间交通流运行速度波动性的缺陷,引入了基于路段速度波动区间的
2、不等绿波带宽,提出了干线交通双向绿波优化控制方法该方法在满足非绿波相位交通需求的前提下,以相邻交叉口之间的绿波带宽最大化为优化目标,通过构建带宽最大化模型,调整相邻交叉口之间的相对相位差,并以重叠度检验为约束条件,防止了绿波带断层现象的产生,进而实现了干线道路交通信号的双向绿波控制以昆山市长江路为例,基于效率层面的评价指标对提出的干线交通双向绿波优化控制方法性能进行评估,结果表明:该方法较之传统的绿波控制方法在绿波带宽方面增加了118,在交通延误和车辆排队长度方面分别减少了1534和1086关键词:信号控制;速度波动区间;双向绿波;带宽;城市道路中图分类号:U491 文献标志码:AOptimi
3、zation Methods for Bidirectional Green WaveControl Based on Speed Volatility IntervalXIA Jingxinl,TAO Yumen91,JIAO Tiantian2(1-Intelligent Transportation System Research Center,Southeast University,Nanjing 210096,China;2GuangdongFundway Technology CoLtd,Guangzhou 5 10275,China)Abstract:In order to o
4、vercome the drawbacks of traditional arterial signal coordination methods thatapply parallel and equal green wave bandwidth and ignore the speed volatility of segments betweenintersections,a non-parallel and unequal green wave band representation is introduced here based onthe segment speed volatili
5、ty intervalsAdditionally,a bidirectional green wave optimization controlmethod was proposedThe optimization objective of the proposed method is to maximize the bandwidthOgreen waves between adjacent intersections SO as to satisfy the traffic demands of the noncoordinatedsignal phasesMoreover,the rel
6、ative offset between two adjacent intersections can be adjusted bvconstructing a maximum bandwidth model An overlap test was used as a constraint condition toprevent the fracture of green waves,which realize the bidirectional green wave control for the arterialtraffic signalsTaking Changjiang Road i
7、n Kunshan City as an example,Indexes in terms of e佑ciencvwere selected to evaluate the performance of the proposed bidirectional green wave optimization controlmethod Evaluation results show that the proposed method can effeetively increase the green wavebandwidth by 1 18and reduce traffic delays an
8、d vehicle queue lengths of the green wave phases bv1534and 1086,respectively,compared to the traditional green wave control methodKey words: signal control;speed volatility interval;bidirectional green wave:bandwidth:urban roads收稿日期:2015-09-21基金项目:新疆维吾尔自治区科技计划资助项目(201332112)作者简介:夏井新(1976-),男,教授,博士,研
9、究方向为智能运输系统,电话:13813906339,E-mail:xiaji。gxinseued。cn引文格式:夏井新,陶雨漾,焦恬恬基于速度波动区间的双向绿波优化控制方法J西南交通大学学报,2017,52(4):802809XIA Jingxin,TAO Yumeng,JIAO Tiantian Optimization methods for bidirectional green wave control basedon speed volatilitvintervall JjJournal of Southwest Jiaotong University,2017,52(4):8028
10、09。万方数据第4期 夏井新,等:基于速度波动区间的双向绿波优化控制方法803随着城市道路交通需求的不断增加,采用单个交叉口的交通信号配时优化方案来提升交通运行效率,已经不能满足人们对交通拥堵缓解的需要鉴于此,基于交叉口之间交通需求的关联性和交通流在时空上的传播特性,以整条干线作为研究对象的城市道路交通信号绿波优化控制方法已逐渐成为国内外学者的研究重点单向绿波在城市干线信号绿波控制中较易实现,但双向绿波要考虑两个方向的交通流运行情况,故双向的协调联动控制是其实现的关键目前,国内外的干线交通绿波优化控制方法大致可以分为绿波带宽最大法和“费用”最小法两类以绿波带宽最大为优化目标的干线绿波优化控制方
11、法基于图解法、数解法及数学模型求解最大绿波带宽卢顺达等o基于图解法,在设计双向绿波时,通过调整制约各方向绿波带宽的瓶颈交叉口的相位相序以及相位差,提高双向绿波带宽效率叶晓飞等。改进了经典数解法有效绿波带宽的计算原理,并考虑行车延误,搜索最优行车间隔,相较于经典数解法,其计算所得绿波带宽更大卢凯等旧1针对干线双向绿波不同带宽需求,考虑绿波带宽分配影响和带宽需求比例,构建干线双向绿波协调控制模型以“费用”最小为优化目标的干线绿波优化控制方法主要以车辆行驶过程中的平均延误最小H o或行程时间最少5 o等评价干线协调控制效果上述方法在进行干线交通绿波控制时通常采用相邻交叉口问路段设计车速或实际车辆平均
12、行驶速度来构建优化控制模型,但忽略了道路交通状况变化所引起车辆行驶速度的随机波动特性随着人工智能的发展,智能算法逐步应用于交通信号协调控制领域,主要包括模糊控制算法。7 o、神经网络算法旧1及遗传算法旧d 0等智能算法的应用有助于干线信号绿波控制取得较好的优化效果,但其存在计算时间过长、模型实时更新困难等弊端,在实际交通信号控制系统中的应用亦存在诸多缺陷考虑交叉口问路段速度的实时随机波动特性,本文的主要研究目的是基于实际采集的交通流数据,提出基于路段速度波动区间的城市干线交通双向绿波优化控制方法,并对方法的性能进行评估1 问题提出传统的干线交通绿波配时方案在设计时通常采用车辆行驶速度的平均值作
13、为绿波设计的输人参数由于整条干线上使用同一个速度均值,该方法无法有效考虑由于道路交通状况导致的车辆行驶平均速度在不同路段上的差异性鉴于此,部分研究1。提出了基于不同路段不同行驶速度均值的绿波控制方法,但在设计绿波带时采用的速度仍为路段速度均值,未能从根本上考虑路段速度的随机波动特性以10 rain时间间隔为例,图1给出了典型的城市道路路段速度随时间变化情况,从图1中可以看出:(1)短时间内,该路段速度围绕一个中心值上下波动,因此可以采用速度均值来表征该路段该时间间隔内的速度水平;(2)该路段速度在短时间内呈随机波动特性,可以通过一定置信水平上的速度区间来加以表征考虑路段速度的波动特性,图2描述
14、了典型的城市道路上下游交叉口间车辆离开上游交叉口及到达下游交叉口的速度波动情况图2中:为车速;云为路段平均车速;口。和。i。分别为路段速度区间上限和下限厂时间图1速度随时间变化示意Fig1 Speedtime graph图2基于速度波动区间的时l司一距离Fig2 Timespace diagram basedon speed volatility interval考虑到尽可能多的车辆不停车通过下游交叉口的原则,本文提出的方法是在满足交叉EI非绿波相位交通需求的前提下,以一定置信水平下的交叉口问路段速度波动值为依据,在不改变相位相序的情况下,最大化绿波相位带宽2优化控制方法本文提出的干线双向绿波
15、优化控制方法,是在万方数据804 西 南 交 通 大 学 学 报 第52卷充分考虑路段速度随机波动性和非绿波相位交通需求的基础上,以相邻交叉口之间的绿波带宽最大化为目标基于当前时间间隔采集的路段及交叉口交通流数据,在准确估计交叉口分方向交通需求、路段速度均值和波动范围(以95置信水平下的速度方差进行表征)的前提下,提出的干线双向绿波信号配时优化流程图如图3所示由图3可以看出,基于路段速度波动区间的干线双向绿波优化控制方法主要涉及干线双向绿波控制公共周期确定、各交叉口绿波相位的绿时确定、以关键交叉口为基准的干线绿波控制相邻交叉口问带宽最大化模型构建、相邻交叉口间的相对相位差确定四大关键技术获取交
16、叉口交通需求速度均值及其方差数据确定干线双向绿波控制公共周期确定各交叉口绿波相位绿时 绿波及非绿波相位的通行需求以关键交叉口为基准确定其与楣邻交叉口之间的柜对相位蓑以关键交叉口相邻交叉口为基准确定其与相邻交叉口之间的相对相位差以当前交叉口为基准确定其与相邻交叉口之间的相对相位差基于速度区间的带宽最大化模型调整相位差干线双向绿波控制信号配时优化方案图3基于速度波动区间的干线双向绿波配时优化流程Fig3 Optimization procedure of arterial bidirectionalgreen wave timing based on speed volatility interv
17、al21确定干线双向绿波控制公共周期根据城市干线道路路段及交叉口车辆检测器检测的交通流流量数据,可以实时估计控制时段干线各交叉口各转向交通需求一般情况下,交叉口交通需求的决定性参数是关键相位的关键车道组结合既有信号配时方案,基于车道组流率比确定信号相位中具有最大交通需求的关键相位及关键车道组,从而确定交叉口信号周期交叉口信号周期和损失时问的计算如式(1)和式(2)所示C:尝, (1)x。一YjJ=1L=, (2)式中:c为信号周期,S;L为交叉口一个周期的损失时问,S;x。为交叉口饱和度阈值,一般情况下,饱和度阈值范围为08092I,本文取085;yi为第J个关键车道组流率比;m为关键路径中的
18、关键相位数;Z。为关键相位的损失时间,s在确定干线各控制交叉口信号周期的基础上,取其中的最大值为绿波控制的公共周期,公共周期对应的交叉口为关键交叉口,干线上其他非关键交叉口一律采用公共周期22确定各交叉口绿波相位的绿时对于关键交叉口,各相位的交通需求均达到其控制极限值因此,以干线绿波控制关键交叉口为基准,可确定绿波相位绿时对于非关键交叉口,鉴于双向绿波的实现限制条件较多,在保障非绿波相位交通需求的前提下,最大化绿波相位的绿时,以提高双向绿波的形成率鉴于此,根据饱和度计算式(3),非关键交叉口非绿波相位的最小绿灯时间和绿波相位的最大绿灯时间可通过式(4)和式(5)进行计算戈=qC(sg。),g。
19、i。=qinCo(SinXo),g。=co一g咖i。一i,n=1式中:戈为交叉口饱和度;(3)(4)(5)q为交叉口进口流率,vehh;g。为有效绿灯时间,s;s为交叉口进口饱和流率,vehh;i为干线绿波控制交叉口编号;gi。为交叉口i第,个非绿波相位的最小绿灯时间,S;qi。为交叉口i第n个非绿波相位的关键车道组的交通需求,vehh;C。为公共周期,S;s讯为交叉口i第n个非绿波相位的关键车道组的饱和流率,vehh;戈。为干线交叉口饱和度阈值;g;为交叉口i绿波相位的最大绿灯时间,s;万方数据第4期 夏井新,等:基于速度波动区间的双向绿波优化控制方法805r为交叉口的非绿波相位数;i为交叉
20、口i的损失时间,S23构建干线绿波控制相邻交叉口间带宽最大化模型相邻交叉口之间双向绿波带宽几何关系如图4所示图4中:石扑X,i2分别为交叉El i正向绿波的开始点和结束点;戈“+川、菇():分别为交叉口i+1正向绿波的开始点和结束点;戈棚、艽地分别为交叉El i反向绿波的开始点和结束点;xm+1)1、并叭+1):分别为交叉口i+1反向绿波的开始点和结束点;b(+1)、b+1)分别为交叉口i与i+1的正向、反向绿波带宽图中各关系表达式如式(6)(11)所示靠+1)1 Xf(i+1)l Xq+1)2 xRi+1)2图4相邻交叉口之间双向绿波带宽几何关系Fig4 Geometric relation
21、ship of the bidirectional green wave bandwidth between adjacent intersections+1)。=半托。,(6)“(i,i+1)maxJ+1):=半蝇:,(7)“(i,i+1)rain铀=半螺“+1)l,(8)“f(i,i+1)maxJ铂=半托1)2,(9)“f(i,i+1)rainb(。i+1)2x垃一茗i1, (10)bf(i1)2Xf(i+1)2一戈f(i+1)1, (11)式中:d)为交叉El i与i+1之间的距离,km;1)(i,i+1)max为交叉口i与i+1之间正向绿波速度波动区间的最高车速,kmh;秽)mi。为交
22、叉口i与i+1之间正向绿波速度波动区间的最低车速,kmh;)f(i,i+1)max为交叉15 i与i+1之间反向绿波速度波动区间最高车速,kmh;口小)。i。为交叉口i与i+1之间反向绿波速度波动区间最低车速,kmh由于路段速度满足正态分布,根据本文设定的显著性水平仅=005,可推算出路段正向绿波速度波动区间如式(12)所示秽(i一1)mi。,秽(i,)。=秽+1)一1960-,口螂+1)+1960-, (12)式中:秽n。)为交叉口i与i+1之间正向绿波速度波动区间的平均车速,kmh;盯为速度标准差,同理可以推算反向绿波速度波动区间根据相邻交叉口之间双向绿波带宽与车辆到达特性的相关性,采用流
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