干线协调控制下适用左转待转区的信号配时研究.pdf
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1、第 卷第期 年 月武汉理工大学学报(交通科学与工程版)J o u r n a l o fWu h a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y(T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&E n g i n e e r i n g)V o l N o O c t 干线协调控制下适用左转待转区的信号配时研究杜攀攀王道斌(武汉科技大学汽车与交通工程学院武汉 )摘要:基于MA X B AN D方法量化相序对相位差的影响,依据不同相序下的相位差与行程时间的关系构建绿波带在最小协调相位内的偏移模型,在保证干线协调控制效果的
2、条件下,进一步明确干线交叉口适用左转待转区的绿信比范围,并结合武汉市解放大道上两个连续设置左转待转区的交叉口进行案例分析结果表明:在该方法获得的左转待转区适用范围内,交叉口均设置l a g l a g相序相较于未全部设置l a g l a g相序的情况平均带宽增加 ,平均排队长度与平均行程延误分别降低 和 关键词:交通工程;干线协调控制;MA X B AN D;左转待转区;交通仿真中图法分类号:U d o i:/j i s s n 收稿日期:第一作者:杜攀攀(),男,硕士生,主要研究领域为智能交通系统控制理论通信作者:王道斌(),男,博士,副教授,主要研究领域为控制理论与控制工程 引言为了缩短
3、左转车辆在交叉口的通行延误,在大中型交叉口设置左转待转区已较为普遍国内外学者对左转待转区的设置条件及对服务水平的影响进行了充分的研究,结果表明:设置左转待转区有效提升了左转相位绿灯时间的利用率,同时提高了专用行车道的通行能力,还可以有效避免左转车辆溢出挤占直行车道的问题目前对于左转待转区的研究多集中于单个交叉口的排队演化过程分析与建模,而鲜有研究探讨在多个交叉口组成的干线系统中的设置条件左转待转区需要交叉口的信号采用l a g l a g相序,T i a n等研究发现l e a d l a g与l a g l e a d相序更有利于干线协调系统获取最大带宽,因此盲目设置左转待转区会影响我国城市
4、干线协调控制的效果干线协调是指对多个连续的信号交叉口进行协调控制,使车辆尽可能获得连续通行权的控制方式,其协调控制效果通常会受到相序、周期、行程时间等多因素制约针对相序限制到绿波控制效果的问题,李祥尘等通过优化干线交叉口的相位组成和相序,从而增加干线双向的绿波带宽 C h e n等考虑到同向左转交通流溢出对直行协调车流的影响,提出了一种规避两者冲突的三阶段优化模型,并通过优化相序与相位差降低左转与直行车流的行程延误针对信号配时方案无法匹配通行需求的问题王晨宇等建立了干线与支路总延误最小为目标的非公共周期干线优化模型,并根据求解得到的周期时间和相位差进行绿信比优化,从而提高干线通行效率 M o
5、h a m a d等 结合N EMA相位对绿信比设定上下阈值,基于模糊控制逻辑定义绿信比与带宽之间的隶属度函数,使各相位绿信比在可接受阈值内进行优化从而获得更大的绿波带宽此外针对优化范围较小的问题李硕等 将多个参数同时作为优化目标,利用蚁群算法和粒子群算法进行寻优求解,得到多目标优化后的最大带宽文中根据相位差与交叉口行程时间的关系提出绿波带偏移模型,以绿波带在协调相位内偏移最小为目标来确定干线交叉口适用l a g l a g相序的绿信比范围,并选取武汉市解放大道上两个连续设置左转待转区的交叉口为例,分析适合设置左转待转区的各相位绿信比取值范围 模型方法 MA X B A N D图为两个相邻交叉
6、口之间的时距图b(b)正向(逆向)绿波带宽与周期的比值;Si(Si)交叉口i和交叉口i;ri(r i)Si正向(逆向)红灯时间与周期的比值;Wi(Wi)Si干线方向红灯结束(开 始)与 正 向(逆 向)绿 波 带 边 缘 的 时 间 差 与 周 期 的 比 值,Wi(Wi);t(i,i)t(i,i)Si到Si(Si到Si)的行程时间与周期的比值:(i,i)(i,i)Si干线方向正向(逆向)红灯时间中心到Si干线方向正向(逆向)红灯时间中心的时间差与周期的比值;i相距最近的ri和ri中心的时间差与周期的比值,若ri的中心在ri的中心右边,则为负值;i(i)排队消散 时 间 与 周 期 的 比 值
7、;mi循 环 整 数 约 束 参数,代表周期的整数倍图模型时距图根据图中C到D及C到D之间的时间差,得到:(i,i)r iW i ir iW it(i,i)(i,i)r iW ir iW it(i,i)i()图中E到B的时间差始终满足周期时长的整数倍(i,i)(i,i)i imi()将式()代入式(),有:(Wi Wi)(WiWi)ii mi/(ri ri)/(riri)t(i,i)t(i,i)ii,i,n()为保证绿波带宽始终小于或等于交叉口的绿灯时间,需构建不等式约束WibCri,i,nWibCri,i,n()目标函数为双向带宽的最大值,即:F u n c t i o n m a x(bb
8、)bb()在该混合整数线性规划模型中并未具体体现相序对带宽的影响,因此需要进一步量化不同相序对模型内某些参数的影响 相序对红灯中心时间差的影响干线方向上直行与左转相位构成四种相序,结构图见图Gi、Gi交叉口i正向与逆向直行相位的绿信比;Li、Li交叉口i正向与逆向左转相位的绿信比;Ri第i个交叉口主街红灯时间即次街的通行时间与周期的比值图相序结构图结合相位结构图能够得到RiLiri,riGiC()RiLiri,riGiC()在MA X B AN D模型中i是指相距最近的ri和ri中心的时间差与周期的比值,不同相序下i的取值会有所不同,根据式()与式()可得到i满足以下关系i/(RiLi)(Ri
9、Li)()为体现出不同相序下i的正负,引入二元变量i与i,进而i为i/(i)Li(i)Li()二元变量不 同的取值及 其对应的相 序见表表各相序参数取值P a t t e r niiil e a d l e a d(/)(LiLi)l a g l a g(/)(LiLi)l e a d l a g(/)(LiLi)l a g l e a d(/)(LiLi)绿波带偏移模型根据相位差与交叉口通行时间之间的关系,干线直行车辆从上游交叉口到下游交叉口的过程中通常会面临三种场景,见图,其中i(i)为正向(逆向)交叉口i(i)相对于交叉口i(i)的信号相位差干线交叉口中绿信比最小的直行相位一般称之为最小
10、协调相位交叉口,该交叉口的直行相位即为最小协调相位,最小协调相位会直接影响干线协调可达到的最大绿波带宽,因此本文重点关注最小协调相位与绿波带之间的偏移在图中Si为最小协调相位交叉口,对于图 b)和图 c)武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷图三种场景下的绿波带宽两种场景,车流到达下游交叉口时绿波带都会在Si的最小协调相位Gm i n内产生大小为f(x)的偏移从而导致绿波带变窄干线协调的理想效果是保证尽可能多的车流以设计车速按照图 a)场景通过交叉口,即绿波带在最小协调相位内产生的偏移f(x)最小,其关键在于上下游交叉口的相位差与行程时间的关系其中,x为当前的相序选择根据图所示时距图,两
11、个方向的相位差为(i)Wi Wit(i,i)i()(i)WiWit(i,i)i()(x)为相序组合为x时,双向相位差与行程时间的差值在一个周期内(x)的取值为(x)(i)(i)t(i,i)t(i,i)Wi WiWi Wiii()结合式()与式(),(x)可进一步采用式()表示(x)/(ri ri)/(riri)ii tt()为具体量化f(x)与(x)对应关系,在M a t l a b内构造遍历算法将直行与左转相位绿信比、行程时间与周期等参数根据以上约束进行取值,直行相位绿信比与该进口的交通量相符,而左转相位的绿信比取值满足约束()、()的等式关系,同时为保证绿波带宽的取值不大于最小协调相位,在
12、算法中仍须保持约束()所列的不等式关系根据以上输入参数求解所有相序获得的最大绿波带宽,以带宽与最小协调相位之间的关系划分为两种场景:当f(x)为时,此时未产生偏移并归纳(x)的取值区间;当f(x)不为时,结合最小协调相位计算出f(x)的大小流程见图图模型归纳流程图最终获得(x)在不同取值情况下与f(x)的对应关系见表表绿波带偏移模型(x)f(x)C(x)CGiGiGm i nCGiGiGm i n(x)C/(/)(x)Cm a x(Gi,Gi)C/(x)(GiGiGm i n)(/)|(x)|m a x(Gi,Gi)(GiGiGm i n)(x)(x)Gi Gi Gm i nGiGiGm i
13、n(x)C/(/)(x)m a x(Gi,Gi)C/(x)C(GiGiGm i n)(/)|(x)C|m a x(Gi,Gi)C(GiGiGm i n)(x)C当f(x)时,表示在该协调控制系统绿波带在最小协调相位内无偏移,带宽已经达到系统可达到的最大值,即:b m i n(Gi,Gi,Gi,Gi,Gn)()第期杜攀攀,等:干线协调控制下适用左转待转区的信号配时研究 案例分析选取武汉市解放大道与澳门路和香港路作为研究对象,该连续交叉口在沿干线方向均设置了左转待转区两交叉口均属于大型交叉口,且左转交通需求规模较大,需要设置单独的左转保护相位,满足设置图的四种相序形式的条件通过实地调查得到两交叉口
14、公共周期 s、通行时间为 s,道路渠化情况见图图道路渠化示意图由于路段交通流量较大,在进口处均设有一条左转专用道拓宽而成的三条短左转车道,同时设置了左转保护相位双向车道之间设有隔离栏以保证待转区位置尽可能规避对向直行车流的行驶路线,并且为满足左转待转区的通行规则而采用了l a g l a g相序,当前的信号相序与配时方案见图图信号配时方案根据图的配时方案并利用MA X B AN D计算得到表内的结果显示,在目前的信号配时方案下采用l a g l a g相序时绿波带宽相比较l e a d l a g、l e a d l e a d最小,表明该路段的左转待转区会对干线协调产生负面影响,因此,该路段
15、在当前的配时下进行干线协调控制时不适合设置左转待转区表不同相序下带宽结果香港路解放大道交叉口澳门路解放大道交叉口绿波带宽/sl a g l a gl a g l a g l e a d l e a dl e a d l e a d l e a d l a gl e a d l a g 为探究该路段干线协调控制时适用左转待转区的配时方案,以f(x)最小为目标,根据表中(x)对应取值区间进而求解各相位的绿信比当相序均为l a g l a g时,i、i、i、i均取值为,此时的相位差与行程时间差值(l a gl a g)为(l a gl a g)/(ri ri)t(i,i)t(i,i)/(Li Li)
16、/(LiLi)/(LiLi)()将式()与式()代入式(),(l a gl a g)可进一步简化为(l a gl a g)GGt(i,i)t(i,i)()根据式()可知(l a gl a g)所含参数包括相位绿信比以及交叉口通行时间t(i,i)与t(i,i)通行时间主要受交叉口间距与绿波带通行速度的影响,本文假定交叉口间距和绿波带通行速度均保持不变,重点关注各相位绿信比的计算结果计算过程见图,利用M a t l a b遍历所有配时方案,根据表中的(x)取值范围判断在当前配时下f(l a gl a g)的取值,最终记录满足f(l a gl a g)结果最小的所有相位绿信比其中f(l a gl a
17、 g)是指交叉口相序均设置为l a g l a g时,绿波带在最小协调相位内的偏移图计算结果流程图符合条件的各相位绿信比经换算得到的有效绿灯时间以及(x)取值见表在表的配时方案中,不同相序组合形成的最大带宽平均值见表由表可知:两个交叉口均设置l a g l a g相序的平均绿波带宽为 s;其它相序组合情况获得的最大平均绿波带宽为 s,可见两交叉口在设置l a g l a g相序后平均绿波带宽增加 武汉理工大学学报(交通科学与工程版)年第 卷表各相位有效绿灯时间G/sG/sG/sG/sR/s R/sC/st(t)/s(x)()()()()表各相序组合下带宽平均值香港路交叉口澳门路交叉口B a n
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