可具有負系統損失時間的動態信號控制系統的控制方法

專利名稱：可具有負系統損失時間的動態信號控制系統的控制方法
專利說明可具有負系統損失時間的動態信號控制系統的控制方法 (一)所屬領域 本申請涉及交通信息工程及控制領域的一種采用計算機程序的單個交叉口動態交通信號控制系統的控制方法，以及最短綠燈間隔時間和最小綠燈時間的確定方法。
(二)技術背景 1、定義01-1自然規律就是自然界事物(包括人)在發展、運動、變化過程中所顯示的固有的、本質的真實客觀聯系；這種聯系可以比較準確地用敘述句來描述，或用圖式、公式表達，不以任何人的意志為轉移，可以重復性地檢驗，表現為某種條件下的不變性。■| 自然規律1-1任何參與交通的人和物，包括機動車、非機動車、行人，都具有一定的質量和體積，都占據一定的物理空間；任何參與交通的人和物，如果試圖在同一時間占據空間中的同一位置點，就會產生交通沖突；潛在發生沖突的地點就是潛在沖突點。■| 自然規律1-2平面交叉口的道路渠化，分道行駛，可以使潛在沖突點的位置比較固定地分布在各渠化路面上，便于駕駛員集中注意力，但并未徹底隔離各種交通流。■| 自然規律1-3在燈控交叉口，通過信號機周期性控制不同信號變化，讓不同流向交通參與者分不同時間順序通過，從而可以分離交通流，防止在潛在沖突點發生交通沖突。■| 正是遵循上述這3個自然規律，才有如下傳統的平面交叉路口信號控制方法利用交通標線進行道路渠化，引導交通流沿確定的軌跡空間行走；在各進口處設置停止線，在紅燈信號工作時，所控交通流必須在停止線后面，為其它交通流讓行；在綠燈信號工作時，所控交通流越過停止線，通過路口；從而從空間和時間上分離了交通流和交通流的交通沖突。
根據GA47-2002《道路交通信號機》(中華人民共和國公安部，中國公共安全行業標準)，可知 定義1-2道路交通信號機，是一種能夠改變道路交通信號順序、調節配時并能控制道路交通信號燈運行的裝置，具有對交通信號的控制能力和安排信號相位和相位順序的參數設置程序通過參數的設置，可以把在同時工作的綠燈定義為同一個相位結構；相位結構各綠燈同時都工作的時間階段稱為相位階段，允許相位結構有的綠燈具有早亮或遲滅階段，甚至跨接相位階段；如果一個周期的相位階段數超過2個，則稱為多相位控制；為了避免交通沖突，相鄰接的沖突綠燈之間設置有綠燈間隔時間，相鄰接的沖突相位階段之間設置有相位間隔時間，且相位間隔時間大于等于所包含的綠燈間隔時間；各個相位階段的先后工作順序稱為相位順序結構，相位順序結構也可以通過內部參數的設置來確定。■| 在機動車流量進入極度飽和的今天，必須根據各股車流的流量需求，充分發掘、利用交叉口的時空資源，以提高交叉口的直行和左轉機動車(簡稱框架車流)的通行能力為設計理念，寸土必奪，分秒必爭，用精細化的科學精神改進交通信號控制系統的設計。即使國際上開發的TRANSYT、SCOOT、SCATS等經典信號控制系統也存在許多可改進、可突破之處。
本發明提出的黃燈倒計時顯示裝置、車流鏈的最短鏈長及系統損失時間、王式鏈族、王式道路渠化和具有負系統損失時間的信號控制系統等，都是自主創新的事物。本發明公開的一種具有負系統損失時間的動態信號控制系統設計、運行、配時方法，就可為交叉口發掘大量的難能可貴的時間資源。本發明提出的各框架車流的最短綠燈間隔時間以及最小綠燈時間、與直行車流同向的行人綠閃時間的新確定方法，則較傳統方法更科學、更準確了。
2、定義2-1綠燈間隔時間是從綠燈A結束到與A有沖突的綠燈B啟亮所需要設置的安全時間間隔長度，其最小值稱為A-B最短綠燈間隔時間。■| 自然規律2-1(最短綠燈間隔時間定理)如果綠燈A、B控制的機動車有沖突，則A-B最短綠燈間隔時間應該包含從結束綠燈A放行的最后一輛車越過停止線時刻到開始綠燈B放行的第一輛車進入停止線時刻所需要的最小時間間隔(簡稱為A-B間隔損失時間)，以及從綠燈A結束時刻到綠燈A放行的最后一輛車越過停止線時刻的時間，即黃燈時間。■| 最短綠燈間隔時間是信號控制方案設計的基本約束條件。傳統信號控制方案設計卻存在許多主觀“規定” 比如，著名的交通規劃研究大師全永燊先生1989年出版的經典文獻著作《城市交通控制》(北京人民交通出版社，9頁)雖提出設置綠燈間隔時間的方法，但又引用了國際上通行的不科學硬性統一規定了綠燈間隔時間最低限值的論述 “綠燈間隔時間實質上是在一個信號階段結束后，為了騰清路口所安排的一段時間，通常它也有一個最低限值。在國外目前采用4s為最短綠燈間隔時間”。
再比如，在2007年，著名的交通流研究大師王殿海先生在其獲得的專利ZL200710055390.2的說明書12頁說“根據交通控制理論研究結論交叉口信號周期長度應該在30秒-200秒之間，相位損失時間取為3秒。”也采用了把間隔損失時間當作相位損失時間，進行籠統規定的做法。
這些硬性統一規定綠燈間隔時間的最低限值4s或3s的做法必須廢除一因此做法忽略了最短綠燈間隔時間的區別因素，禁錮了人們對縮小綠燈間隔時間的改進創新欲望；二因不科學的最短綠燈間隔時間，必然較實際需要或過長、或過短。如時間過短，則勢必危害安全；如時間過長，則浪費已十分緊張的時間資源，導致交叉口通行能力更低。最短綠燈間隔時間必須按科學規律合理地設置。
定義2-2結束綠燈A放行的框架車流稱為清空車流，清空特指由清空車流的尾車騰出交叉口沖突路面的運動；開始綠燈B放行的框架車流稱為進入車流，進入特指由進入車流的首車進入交叉口沖突路面的運動；在清空車流與進入車流所有可能發生沖突的區域中，距離清空車流停止線的最遠點，距離進入車流停止線最近點，就是最危險的關鍵沖突點；清空距離sA為從清空車流停止線到越過關鍵沖突點的運動跡線長度；清空車流走完清空距離的時間即清空時間tA；進入距離sB為從進入車流停止線到達關鍵沖突點的運動跡線長度；進入車流走完進入距離的時間即進入時間tB。■| 請注意2-1到達與越過關鍵沖突點之間的差別是差一個車身的長度。■| 自然規律2-2因允許車輛外緣可擦車道邊緣行駛，故關鍵沖突點位于相交車道的邊緣，清空車流的尾車的尾部側面，進入車流首車的前端側面。■| 自然規律2-3A-B最短綠燈間隔時間可以由下式確定，即 I＝A+Max{tA}-Min{tB}(1) 式中I——沖突最短綠燈間隔時間，(s)； A——黃燈時間，(s)； tA——信號燈A清空車流的清空時間，(s)； tB——信號燈B進入車流的進入時間，(s)。■| 自然規律2-4(清空車流的勻速運動模型)清空運動一般可以簡化為勻速運動，結合路面的坡度情況，具有不同計算速度條件參數平均清空速度vA，清空時間tA＝sA/vA。■| 機動車合法行經交叉口或人行橫道時，由于可能突然出現違法的行人和非機動車，為保交通安全，機動車必須提高注意力，并適當減速行駛。如上海市工程建設規范《城市道路平面交叉口規劃與設計規程》(DGJ08-96-2001，上海，2001)3.0.3款就規定“平面交叉口計算車速應視車流行駛方向而定，直行車在進口道部分的計算車速一般宜取路段車速的0.7倍，左右轉車輛的計算車速宜取路段車速的0.5倍。”但實際上，具體減速數值應該視交叉口實際情況測定。
自然規律2-5(進入車流的運動模型)進入運動一般為初始速度為0的變加速運動，可近似為有速度上限的勻加速運動，計算速度條件參數為平均加速度aB，和進入速度上限vB；在速度上限內，瞬時速度v＝aBt，走過路程s＝aBt2/2，則進入時間tB按如下方法計算 進入車流達到速度上限的時間為t0＝vB/aB； 達到速度上限時走過的路程為s0＝aBt02/2； 如果進入距離sB＜s0，則進入時間tB＝[(sB)/2]1/2； 如果進入距離sB≥s0，則進入時間tB＝t0+(sB-s0)/vB。■| 注這種進入車流的初始速度為0的變加速運動也可以有不同的近似模型，比如也可以視為勻速運動運動速度即為平均進入速度vB，則進入時間tB＝sB/vB。有人甚至取平均進入速度vB＝平均清空速度vA，使計算更加簡化。當然，計算越簡化，結果也就可能會越不精確。
當然，自然規律2-6的簡化模型也并不是最精確的，隨著技術的進步，運動模型和計算方法也與時俱進，有可能對這種進入車流的初始速度為0的變加速運動給出更精確的模型。
交叉口區域不同的車道寬度、上下坡度、道路線形、環境條件、氣候條件、路面摩擦力都會對不同流向的車輛速度產生影響。這些計算速度條件參數的取得，都需要設計人員到實地考查。對于新構建的交叉口，在交通信號控制方案實施之前，如無法考查，就只能參考經驗和鄰近交叉口的統計情況給出假定參數，先根據假定參數進行最短綠燈間隔時間計算，設計交通信號控制系統，等系統實際運行后，再根據實際運行情況，及時進行核對、修正。
自然規律2-7如果結束綠燈A要停止路權的框架車流不止一種i，或開始綠燈B放行的框架車流不止一種j，則對所有有關的清空車流i與進入車流j，有 A-B最短綠燈間隔時間≥Max{Min Iij}(2)■| 3、自然規律2-1中，把黃燈結束時刻當作信號A放行的最后一輛車越過停止線時刻，是因為 自然規律3-1黃燈表示警示，表示禁止通行的紅燈信號將亮(見《中華人民共和國道路交通安全法》第26條)。使守法車輛能夠不闖紅燈充分必要條件是，所有在黃燈初亮時看到信號的車輛，或能夠在停止線外安全停車，或能夠在紅燈信號出現前順利越過停止線。■| 自然規律3-2有生理特性的車輛駕駛員，從看到信號發生變化到做出剎車反應動作需要有感知反應時間tf，感知反應時間tf內該車輛可能走過的距離記為L反；具有質量和速度的機動車輛從開始制動到完全停止需要車輛制動時間ts，在制動時間ts內車輛行駛的距離稱為剎車距離S制。L反和S制與路口的最高限速有關，由機動車性能和路面狀況決定。■| 定義3-1所謂最大安全停車距離S停就是最大感知反應時間內其所駕駛的車輛可能走過的最大距離L反與最大剎車距離S制之和(見圖3)。■| 自然規律3-3在黃燈出現時與停止線的距離小于最大安全停車距離S停的一般汽車，不可能安全停止在停止線外，屬于已靠近停止線來不及停車的車輛，可越過停止線進入交叉口繼續行駛；但如前車正在停下來，則后車不能超越正在停下來的前車越過停止線。■| “來不及停車”是一個動態行駛瞬間，外人難于監督、判斷、取證，若化為方便遵守和執行、并易于大家監督的法律語言，應是 自然規律3-4黃燈期間，允許車輛越過停止線；但如果前車正在停下來，則后車不能超越正在停下來的前車而越過停止線。■| 請注意3-1自然規律3-4的觀點與目前許多新聞輿論觀點不一樣。但新聞輿論和法律制定也必須服從科學自然規律。
自然規律3-5(最短黃燈時間定理)這些來不及在停止線外停車的車輛，到達、越過停止線的也需要時間，在此期間，不應出現紅燈，故應有一個最短黃燈時間。最短黃燈時間，作為條件信號，應該大于等于駕駛員最大的感覺反應時間與車輛最大制動時間之和。■| 自然規律3-6為了信號簡單，對于同一交叉口的所有交通流，黃燈時間一般都統一取同一值，并不區別對待，更不進行細致劃分。■| 交通控制研究大師李克平先生于2006年5月翻譯出版的《交通信號控制指南——德國現行規范(RiLSA)》，([德]道路與交通工程研究學會編，中國建筑工業出版社)，在14頁也特別注明 “過渡的黃燈時間由進口道容許的最高速度決定。” “對應于50公里/小時容許最高速度，過渡的黃燈時間取3秒。
對應于60公里/小時容許最高速度，過渡的黃燈時間取4秒。
對應于70公里/小時容許最高速度，過渡的黃燈時間取5秒。”■| 依據上述自然規律，故在自然規律2-1中，把黃燈熄滅時刻當作信號A放行的尾車越過停止線時刻。
還需要特別說明的是交通控制研究大師李克平先生于2006年5月翻譯出版的《交通信號控制指南——德國現行規范(RiLSA)》在21頁也介紹了一個與本發明的(1)相近卻完全不同的計算最短綠燈間隔時間的公式，即 最短綠燈間隔時間＝通過時間+清空時間-進入時間(3) (3)式與(1)式的不同在于(3)式的“通過時間”該資料沒有詳細說明(3)式中的通過時間的具體含義，只分別列舉了直行車輛、轉彎車輛、在交叉口前不停車的有軌電車和公共汽車、在交叉口須停車的有軌電車和公共汽車、自行車等機動車和非機動車的通過時間有不同的取值。根據這些機動車和非機動車的通過時間可有不同取值，可以明確確認，(3)式中的“通過時間”確實與(1)式中“對于同一交叉口的所有交通流，都統一取同一值”的“黃燈時間”，不屬于同一個科學技術概念。因此，(3)式與(1)式是不同的。
4、自然規律4-1因嚴禁闖紅燈，故在黃燈結束前，越過停止線的車流已非飽和流量，損失的通行時間，簡稱黃后損失時間；在綠燈開始時，車流難以飽和流量進入，損失的通行時間，簡稱綠前損失時間；綠前、黃后損失時間，統一簡稱啟動損失時間。(見圖4)■| 啟動損失時間是單個車流自身的一種非飽和損失時間，與保障2個沖突車流安全的間隔損失時間既無關也屬完全不同的概念。
據科學統計，機動車流的啟動損失時間約為1.5秒(《交通工程手冊》，北京人民交通出版社，1998年，1184頁)。
也正因為“黃燈期間，允許車輛越過停止線”，才可能有如下定義 定義4-1某框架車流的有效綠燈時間就是一周期內允許以飽和流量放行的時間，即 Ge＝G+A-l(4) 式中Ge——該框架車流的有效綠燈時間，(s)； G——該交通流的綠燈時間，(s)； A——黃燈時間，(s)； l——啟動損失時間，(s)。■| 定義4-2為了描述框架車流在交叉口的擁擠程度，特定義車流飽和度q＝Qj/VjNjQsj。
式中q——框架車流j的飽和度； Vj——框架車流j的綠信比(有效綠燈時間與周期時間之比)； Qj——框架車流j的實際流量，(pcu/h)； Nj——框架車流j的車道數； Qsj——框架車流j的單車道飽和流量，(pcu/h)。■| 自然規律4-2當車流飽和度小于等于0.9時不擁擠，故框架車流配時的綠信比一般滿足 Vj≥Qj/qNjQsj(q＝0.9)(5)■| 5、在傳統的二相位方案的相位結構中還沒有完全消除交通沖突，還存在沖突框架車流，即左轉彎車流與對面方向直行車流的沖突。也正是為了消除這種有沖突的框架車流混合放行(簡稱無車流沖突)，才出現多相位控制方案設置。
自然規律5-1在交叉口，設置多相位控制，嚴格禁止框架車流混合放行沖突，要比允許有沖突的框架車流混合放行的秩序更好、更安全。■| 自然規律5-2只要滿足各自最短綠燈間隔時間約束，組成同一相位階段的綠燈不必同時起亮或關斷；比相位階段結束時刻還晚斷的延續綠燈信號所在的時間開區間簡稱為遲斷階段，比相位階段開始時刻還早亮的前延綠燈信號所在的時間開區間簡稱為早亮階段。通過設置遲斷階段和/或早亮階段可把各最短綠燈間隔時間的約束條件都用到極值，增加交通時間資源。■| 自然規律5-3在十字交叉口，每個無車流沖突放行的相位階段至多可整幅放行2個框架車流；若要把8個框架車流都輪番放行一遍，一個周期至少4個相位階段；具有這樣特性的4個相位階段稱為多相位控制方案的基本相位階段；以基本相位階段為基礎，因有框架車流綠燈存在早起、遲斷或搭接而形成的其它類型的相位階段稱為衍生相位階段。■| 定義5-1如果把各個清空車流按順序縱向排列，把各個進入車流按順序橫向排列；把各個清空車流i與進入車流j之間的最短綠燈間隔時間Iij對應填入對應表格，則形成的矩陣表格稱為框架車流最短綠燈間隔時間矩陣表。■| 自然規律5-4框架車流最短綠燈間隔時間矩陣表中空格、非空格呈斜對稱分布。■| 自然規律5-5最短綠燈間隔時間大小具有綠燈順序性A-B與B-A的最短綠燈間隔時間并不一定相等。可通過比較最短綠燈間隔時間大小來篩選框架車流的綠燈順序。■| 6、定義6-1在相位配時工作中對各個綠燈工作時間起決定性作用的那些框架車流，被稱為關鍵車流。由車流綠燈和綠燈間隔前后有序銜接組成的可以成為周期路線的車流綠燈鏈稱為車流鏈。由關鍵車流組成的車流鏈稱為關鍵車流鏈。除綠燈時間等于最小綠燈時間者外，關鍵車流的飽和度較大。■| 這個定義排除了研究那些不可以成為周期路線的車流綠燈序列。
但不應排除車流鏈本身具有如下固有屬性 定義6-2車流鏈各綠燈時間與最短綠燈間隔時間之和稱為車流鏈最短鏈長 CL＝∑(G+I)(6) 式中CL——車流鏈最短鏈長，(s)； G——各車流綠燈時間，(s)； I——各車流的最短綠燈間隔時間，(s)。■| 傳統資料把車流鏈定義為運行路線，定義關鍵車流鏈為關鍵路線。最初的關鍵路線法是美國杜邦公司1957車研究成功的。用于在網絡模型上直觀地分析大型工程項目所需時間和費用的關系，找到縮短工程日期和節約費用的關鍵所在。
顯然，在控制方案中，所有車流鏈的長度都等于周期時間。而本發明則更強調車流鏈的最短鏈長。之所以能研究此固有屬性，是因為存在如下自然規律 自然規律6-1通過設置某些框架車流綠燈早起、遲斷或搭接階段，可使關鍵車流鏈的所有關鍵車流的綠燈間隔時間都等于各自的最短綠燈間隔時間。■| 自然規律6-2關鍵車流鏈具有最大的最短鏈長，且等于周期時間。■| 這個特性非常重要，它使本發明把尋找關鍵車流鏈的任務轉化為尋找具有最大的最短鏈長的車流鏈，并借關鍵車流鏈的最短鏈長找到方案的最短周期時間。
定義6-3系統損失時間為關鍵車流鏈有效綠燈時間總和與周期之差。■| 自然規律6-3存在如下計算關系式 L＝∑I-(A-l)×n(7) 式中L——系統損失時間，(s)； I——關鍵車流鏈的各個最短綠燈間隔時間，(s)； A——黃燈時間，(s)； l——啟動損失時間，(s)； n——間隔數量。■| 自然規律6-4系統損失時間可以脫離系統配時而提前計算、比較，故系統損失時間并非由關鍵車流鏈專屬；系統損失時間大小是各車流鏈自身的一種固有屬性，任何車流鏈都可以計算其系統損失時間，數值大小與最短鏈長無關。■| 這個自然規律非常重要，它使本發明可以脫離系統配時而提前計算、比較各車流鏈的系統損失時間，從而通過優選車流鏈實現優選相位結構方案。
定義6-4稱具有相同的基本相位階段相位結構、相同的基本相位階段順序的2個車流鏈具有相通關系，具有相通關系的車流鏈可以劃分在同一種相通車流鏈族中。為了簡單，把相通車流鏈族簡稱鏈族。■| 定義6-6在鏈族中，把因某個框架車流最小綠燈時間與其前后2個最短綠燈間隔時間之總和小于其前后2個框架車流之間的最短綠燈間隔時間所形成的車流鏈簡稱為跨階段車流鏈。■| 自然規律6-5在十字交叉口，按基本相位階段相位結構和基本相位階段順序，可把除跨階段車流鏈外的全部113個車流鏈劃分為9個有車流沖突的鏈族和12個無車流沖突的鏈族；無車流沖突的鏈族圖具有雙列結構，各自首尾銜接，形成循環。■| 自然規律6-6由于首尾銜接，形成循環，鏈族圖只關注順序，并不關心由哪個車流起始。■| 相位設計是信號控制交叉口進行配時設計時需要首先解決的問題，直接決定著控制方案的效果。而當前使用的相位設計主要依賴經驗判斷或并不完全的窮舉來確定，范圍不足，并不能保證方案確實最優。
本發明的按基本相位階段相位結構和基本相位階段順序把除跨階段車流鏈外的全部113個車流鏈都劃分為9個有車流沖突鏈族和12個無車流沖突鏈族的方法，為在所有的相位階段和相位順序結構中進行優選提供了研究渠道和可能。
定義6-7在雙列結構的鏈族圖中，可以把各個最短綠燈間隔時間約束用帶有數字的有向箭頭表示，稱為弧(Arc)，而把各個框架車流的綠燈時間稱為節點(Node)，則每個鏈族圖都可以構成一種網絡拓撲圖，每一條從始節點通往終節點的弧-節點鏈圖部可以構成一條車流鏈。在鏈族圖中，從始節點通往終節點，存在有限個可以成為周期路線的車流鏈。■| 這里的鏈族圖，不同于一般的網絡拓撲圖，其特殊性就在于其各個節點并不僅只是一個個點，而是一個個具有綠燈時間的框架車流放行過程，而且這些過程的時間有可能比各個弧的時間都長。
顯然，這里的鏈族圖，也不同于傳統教材《交通管理與控制》(徐建閩主編，楊兆升主審，北京人民交通出版社，2007.11，106頁)中的“信號相位與車流對應關系圖”，因為，傳統教材中的“信號相位與車流對應關系圖”只能用來尋找、判斷其所謂的關鍵車流。
該傳統教材(106頁)把本發明的關鍵框架車流定義為關鍵車流。該傳統教材在108頁指出對關鍵車流的判斷過程常常需要經過如下步驟 1)編制“關鍵車流判定表”； 2)繪制“信號相位(階段)與車流對應關系圖”； 3)進行非搭接車流處理； 4)進行搭接車流處理； 5)關鍵車流的確定。
該傳統教材在108頁指出需要特別說明的是，由于交叉口的信號配時需要事先確定好關鍵車流，根據關鍵車流的基本數據進行；而關鍵車流的確定又與信號周期的大小有關，因此關鍵車流的確定與信號配時關系密切，需要同步進行。通常的思路是先假設一個初始信號周期，試探性地確定好關鍵車流，再按關鍵車流進行信號配時，并重新校核關鍵車流。初始信號周期的大小既可以通過經驗估計，也可以通過實用信號周期公式估算。
由此可見，在傳統教材中，對關鍵車流的判斷過程確實很復雜，而且需要反復多次。
而本發明對關鍵車流的判斷過程是通過鏈族圖本身的一些獨特特點進行的 自然規律6-7鏈族圖的雙列結構之間，除直線箭頭最短綠燈間隔時間約束弧外，還存在側向斜線最短綠燈間隔時間約束弧關系；在存在側向斜線最短綠燈間隔時間約束弧關系的相位間隔內，如果4個約束弧的矢量和為0，則稱對應的4個綠燈間隔時間相容。對于不相容的4個最短綠燈間隔時間，可以通過適當增加某些綠燈間隔時間，使不相容的4個綠燈間隔時間變為相容，其中必然存在使使4個綠燈間隔時間總和增加最少的相容方案，簡稱為最小相容方案，而且存在多種最小相容方案。■| 最小相容方案存在的設計自由度，可以允許設計者自己規定一些選擇原則。
自然規律6-8任何可實施控制方案皆屬于綠燈間隔時間的相容方案。■| 自然規律6-9在多種最小相容方案中，存在使其2個直向間隔時間之和等于2個斜向間隔時間之和的方案。■| 自然規律6-10在多種最小相容方案中，存在使其中任意1個最短綠燈間隔時間約束弧所對應的綠燈間隔時間不再擴大的方案。■| 這個自然規律與自然規律6-1是等同的。
定義6-8在多種最小相容方案中，任何綠燈間隔時間部存在上限。可以稱該綠燈間隔時間的上限為該綠燈間隔時間的最大相容綠燈間隔時間。■| 對綠燈間隔時間進行的相容設計還應該包括如下內容 自然規律6-11任何框架車流的最小綠燈時間加上其前后最大相容綠燈間隔時間的總和不應小于其前后2個框架車流之間的最短綠燈間隔時間。■| 這個性質非常重要，實質上構成了框架車流最小綠燈時間的一種必須遵守的約束條件，且是不可或缺的一種新的必須遵守的約束條件。其不可或缺性可見實施例。
自然規律6-12存在跨階段車流鏈是高水平道路渠化的自然產物。■| 因此，可以告慰的是，傳統道路渠化不存在跨階段車流鏈，所以傳統控制理論未發現、未提出自然規律6-11類最小綠燈時間約束條件是完全可以理解的。
而由自然規律6-11得到的最小綠燈時間，完全有可能使該框架車流的最小綠燈時間加上其前后最短綠燈間隔時間的總和小于其前后2個框架車流之間的最短綠燈間隔時間。
為遵守自然規律6-11，需要繪制附有各種跨階段車流鏈的鏈族圖，如圖10。
自然規律6-13如果出現某個框架車流的綠燈時間加上其前后綠燈間隔時間的總和等于其前后2個框架車流之間的最短綠燈間隔時間的情況，則說明該框架車流的有效綠燈時間完全是利用其前后2個框架車流之間的最短綠燈間隔時間的空擋進行放行的，設置該相位階段并不比不設置該相位階段多占用任何時間。■| 此自然規律說明，對于以跨階段車流鏈為關鍵車流鏈的交叉口完全可以增加左轉相位階段，只要階段時間適度，并不比不設置該相位階段多占用任何時間。
自然規律6-14在多相位方案的調整中，如只改變周期長和綠燈配時，不改變基本相位階段相位結構和基本相位階段順序，則只會在同一鏈族中引起關鍵車流鏈的變換和相應系統損失時間的變更，從而在方案改變時無結構跳變，不需要過渡方案，容易讓所有的交通參與者適應，故更應關注在同一鏈族中進行的方案調整和同一鏈族的系統損失時間均值。■| 自然規律6-15如果關鍵車流鏈為跨階段車流鏈，則因其跨階段綠燈間隔時間已經被所跨階段的車流有效利用，不能計算為整體系統損失時間，為簡單、清晰、可比，故不計算跨階段車流鏈的系統損失時間。■| 自然規律6-16統計計算鏈族系統損失時間均值，一般把同一鏈族各車流鏈的系統損失時間相加，除以此鏈族的車流鏈數量，即可得到。而為簡單、清晰、可比，統計計算鏈族系統損失時間均值時，并不計算那些可能存在的跨階段車流鏈的系統損失時間。此省略、簡化并不會影響鏈族的分類與篩選。■| 定義6-9在所有無車流沖突的鏈族中，把系統損失時間均值最小的鏈族簡稱為王式鏈族。■| 7、自然規律7-1改變交叉口道路渠化，可以改變某些關鍵沖突點的位置，乃至清空距離和進入距離，從而改變最短綠燈間隔時間和王式鏈族的系統損失時間均值。■| 自然規律7-2對于占地面積較大的交叉口，存在這樣一種王式道路渠化 1)主要由環形道路(可以是類環形，如直通橋下路口)與穿越環形道的道路構成； 2)按照交叉口占地面積空間，因地制宜，使環形道路外緣盡可能大； 3)環形道路主供直行車、非機動車行駛；環形道路內部中心區域為直行車禁駛區； 4)穿越環形道和中心區域的道路供左轉彎車行駛，與直行機動車環形路面形成平面交叉，所存在的潛在沖突點遠離交叉口中心。
5)按照交叉口的允許占地面積空間，盡可能擴大各進、出口車道數量，并按不同流向的年流量需求比例分配左、直、右車道數，如非整數，則對直行車道數量舍去小數部分，對左轉車道數量則將小數部分進位，右轉車道數量四舍五入，至少為1；為避免合流沖突和出口擁擠，需使進口車道數≤交叉口內車道數≤出口車道數。■| 自然規律7-3王式道路渠化較傳統那些使沖突點相對集中在路口中心的道路渠化，其王式鏈族的系統損失時間均值具有絕對值較大的負值。■| 自然規律7-4在關鍵車流有效綠燈時間比例基本滿足流量比例的條件下，負系統損失時間的絕對值越大，和/或，信號周期長度越短，交叉口增加的這種“負系統損失時間”的附加時間資源就占比例越大，并且交叉口的通行能力和效率就越大。■| 故應該努力利用這些自然規律，發掘這種“負系統損失時間”的附加時間資源。盡管存在因“可能存在跨階段車流鏈”帶來的煩瑣工作。
自然規律7-5王式道路渠化和王式鏈族的控制方案適宜于為交通流設置王式半幅待行區，進行半幅路權控制。■| 8、自然規律8-1黃燈信號不僅是警示的信號和條件信號，而且是計算最短綠燈間隔時間中的一種調節信號，可以通過調節黃燈時間長度使所有最短綠燈間隔時間皆非負值。■| 要求所有最短綠燈間隔時間皆非負值由《道路交通信號控制機》標準3.9款和5.5.2.1款規定。綠沖突故障是“規定不允許同時放行的信號組的綠色信號燈同時點亮”。“發生以下嚴重故障，信號機應立即進入黃閃或關燈狀態a)本標準3.9定義的綠沖突故障；...。” 因為信號機露天安裝在交叉口，身處風、雪、雷、電、塵、酷暑、嚴寒的環境，而又長期不間斷地工作，非常可能在某不確定的時刻出現某不可預知的故障。不能讓這些偶發故障危害安全，安全保護各種交通流，需使信號機具有“綠沖突”自動檢測功能。
但另一方面，負最短綠燈間隔時間又的確是一種提高通行能力附加的時間，要鼓勵盡可能造成絕對值更大的負最短綠燈間隔時間；要協調這個矛盾，保留“綠沖突”自動檢測功能，就需要遵循、利用自然規律8-1，適度延長黃燈時間，從而使所有框架車流之間不會出現負最短綠燈間隔時間。
牽一發而動全身。把黃燈信號的時間長度延長到9s，將涉及如下3個問題 問題1弱化了黃燈的警示作用； 問題2將會對最小綠燈時間約束產生影響； 問題3可能導致原來小于5s的綠燈無法顯示。
把黃燈的時間長度有限延長，肯定會弱化黃燈的警示作用，必須消除這個弊端，才能確保方案的有效實施。本發明提出，可以通過安裝黃燈倒計時顯示裝置來強化黃燈的警示作用。
在交通信息工程與控制的歷史上，曾經出現過綠燈倒計時顯示裝置和紅燈倒計時顯示裝置，惟獨沒有單獨出現過黃燈倒計時顯示裝置。
但綠燈和紅燈倒計時顯示裝置沒有大面積推廣，且因為實時動態控制，需要隨時能夠調整綠燈和紅燈信號的工作時間。因此，大有要取消已安裝的綠燈和紅燈倒計時顯示裝置之勢。
但實時動態控制，并不需調整固定不變的黃燈時間，故黃燈時間與實時動態控制互不影響。
通過黃燈倒計時顯示裝置的信息來強化黃燈的警示作用，還具有克服“一刀切”的弊病、“還政于民”的好處。讓駕駛員根據自身車輛載重量、速度情況和路面摩擦力，以及車輛與停止線的距離，自行決定應該何時開始剎車或加速通過停止線。
因黃燈時間是有效綠燈時間的一部分，在有效綠燈時間不變的條件下，延長增加黃燈時間，就必然要相應縮短綠燈時間，包括縮短各種最小綠燈時間約束。
自然規律8-2確定各框架車流的最小綠燈時間需要保證4個條件 a)任何框架車流的最小綠燈時間加上其前后最大相容綠燈間隔時間的總和不應小于其前后2個框架車流之間的最短綠燈間隔時間； b)框架車流的最小綠燈時間+黃燈時間，應保證行人安全地通過人行橫道； c)框架車流的最小綠燈時間+黃燈時間，應保證見到綠燈啟動的車輛能夠安全停車； d)框架車流的最小綠燈時間+黃燈時間，應保證在上周期停留在檢測器與停止線之間的車輛在本次放行期間能夠通過停止線。■| 注如果把黃燈時間延長，可能導致原來較小的綠燈無法顯示。但原來一般并不會出現小于5s的綠燈。即使有，在把黃燈時間延長到9s后，這種框架車流最小綠燈時間，可取為1s。不必擔心綠燈時間太短駕駛員看不到，因為“紅、綠、黃”信號顯示順序固定，只要在紅燈后面見到黃燈，就必可以認定，是綠燈已經顯示過了，后面還有9s的黃燈時間，允許機動車通過。■| 9、行人的交通路權是交通信號控制系統必須保證的。
研究統計表明，行人的步行速度受性別、年齡及身體狀況的制約，我國行人步行速度通常變化范圍為0.7-1.7m/s，單人步行速度平均為1.29m/s，結伴步行速度為1.17m/s，學生的步行速度較快一些，平均為1.6m/s。
行人速度的差別很大，各種速度的人群都有權安全過街，必須分別考慮，區別對待，統籌兼顧，不應采用唯一的平均速度簡單處理。故應該遵照統計規律，定義不同速度的人群 定義9-1過街速度只有0.7m/s左右的需要照顧的人群稱為“慢速人”，過街速度超過1.5m/s的人群稱為“快速人”，速度在1.0m/s左右的人群稱為“一般人”。■| 自然規律9-1行人過街時間由三部分組成行人綠燈時間、行人綠閃時間和行人清空時間；在此時間內，皆不允許與該行人有沖突的交通流通過人行橫道。行人綠燈為通行信號，兒童、老人或需要照顧的殘疾“慢速人”，都只在綠燈初亮時進入人行橫道；而“一般人”，都只應在綠燈時期進入人行黃道；行人綠閃為警示信號，表示紅燈即將起亮，只允許“快速人”在綠閃信號階段進入人行橫道，(參見圖4)；出現紅燈后，絕對禁止任何人再進入人行橫道；所有已進入人行橫道的行人不得停留，應盡可能快速通過沖突區域，進入前方的安全區域；沖突車輛要停車為已進入人行橫道的行人讓行。■| 在信號燈綠燈時間中，最基本的是行人最小綠燈時間G行min，不得低于3秒。符合廣州報道規定，“行人燈綠燈時間隨車流多少的變化而變化，但最低不得低于3秒”。因“慢速人”不是每次都有，其的過路安全主要依靠車輛讓路，而非依靠擴大行人最小綠燈時間的長度。
請注意，在自然規律9-1中，提到了一個機動車信號中沒有的信號，那就是行人綠閃信號。
行人綠閃信號的法律含義應類似于機動車的黃燈信號的法律含義，但又有所不同。由于不同行人過人行橫道的速度不同，所以關于行人綠閃信號的法律含義也要對“快速人”和“慢速人”區別對待、統籌兼顧。
表1行人綠閃信號與機動車的黃燈信號的異同
注意，GA47-2002《道路交通信號機》標準雖規定“行人綠閃信號的持續時間應根據路口實際情況設置。”但沒有提及行人綠閃持續時間的確定原則和方法。
由于綠閃時間既不應包括清空時間，也不應被包含在行人綠燈與沖突綠燈之間的綠燈間隔時間之內，行人綠閃時間應屬于一個非常特殊的部分。按照本發明自然規律9-1，存在有 自然規律9-2因為“一般人”在綠閃時間開始時就已經禁止進路，就對“一般人”實際上已經開始清空，故行人綠閃信號持續時間加行人綠閃信號后的清空時間，應確保綠燈時進入人行橫道的“一般人”能安全到達人行橫道的另一端；行人綠閃信號后的清空時間，應能確保綠閃信號結束時進入人行橫道的“快速人”能安全到達人行橫道的另一端；故有 行人綠閃時間(s)＝“一般人”清空時間(s)-“快速人”清空時間(s)(8)如“快速人”速度為1.5m/s，“一般人”速度為1.0m/s，則從數值上有關系式 行人綠閃時間(s)≥人行橫道的長度(m)/3(m/s) (9)■| 計算行人綠閃時間的式(9)非常簡單、易記、易計算，方便大家遵守、執行、設置。
定義9-1設置在往返車道間，供行人橫穿道路臨時停留的交通島，稱為安全島。■| 這類交通島的最小寬度為1.5米。一般設置在道路較寬，行人較集中的地方。
自然規律9-3設置行人二次過街交通島，可縮短直行車信號燈的最小綠燈時間。■| 同理可有行人、非機動車與機動車之間最短綠燈間隔時間的計算方法(略)。
在允許行人過街的交叉路口，構成直行車流的最小綠燈時間的有關因素如圖5所示，有 與人行橫道平行的直行車流信號燈A1與同向行人信號燈A2的綠燈受制于同樣的沖突框架車流，即受制于相同的前沖突框架車流綠燈B1的停止時刻T1及后沖突框架車流綠燈B2的開始時刻T2，只是因為沖突點位置存在的差異，導致各自與同一沖突框架車流綠燈B1有不同的最短綠燈間隔I11、I12，與同一沖突框架車流綠燈B2有不同的最短綠燈間隔I21、I22。
自然規律9-4可以確保同向行人綠燈時間≥G行min的充要條件是，與人行橫道平行的直行車流最小綠燈時間G機min滿足如下關系式 G機min≥G行min+G行閃+(I21+I22)-(I11+I12)(9) 式中G行min——同向行人最小綠燈時間，(s)； G行閃——同向行人綠閃時間，(s)； (I21+I22)——同向行人與前、后沖突框架車流間最大最短綠燈間隔時間的和，(s)； (I11+I12)——與人行橫道平行的直行車流與前、后沖突框架車流間最短綠燈間隔時間的和，(s)；■|
發明內容
遵循上述自然規律，本申請公開了一種單個交叉口交通信號的控制方法，以及各種可能道路渠化的篩選方法，清空車流i和進入車流j的最短綠燈間隔時間Iij的確定方法等。
1、一種采用計算機程序的單個交叉口交通信號的控制方法，該方法包括有下列步驟安裝檢測器、信號顯示裝置、信號控制機，并用光纜、無線和電線把它們連接起來，其特征在于所述的單個交叉口交通信號的控制方法還采用下列步驟 I、靜態設置部分與參數計算 1)以使王式鏈族的系統損失時間均值更小為指標，對各種可能道路渠化進行篩選，確定最優道路渠化，以及對應的王式鏈族和框架車流最短綠燈間隔時間矩陣表{Iij}； 2)分別確定各框架車流的車道數{Nj}，單車道飽和流量{Qsj}；飽和度要求q；并確定最短黃燈時間A0＝最大感知反應時間+最大車輛制動時間； 3)在框架車流最短綠燈間隔時間集合{Iij}中，如果存在具有負值的最短綠燈間隔時間Iij，則針對Min{Iij}＜0，重新取黃燈時間A＝A0-Min{Iij}，并重新確定各最短綠燈間隔時間矩陣表；并且在黃燈近旁設置黃燈倒計時顯示裝置；否則，繼續； 4)計算并制作行人、非機動車與框架車流、右轉車最短綠燈間隔時間矩陣表； 5)確定行人最小綠燈時間、行人綠閃時間，如果存在跨階段車流鏈，繪制附有各種跨階段車流鏈的鏈族圖，確定各框架車流的最小綠燈時間{Dj}； II、動態在線配時設計部分與參數計算 6)定期、定時在線按各車流的實測流量，按一定模型預測下一階段的設計流量集合{Qj}，確定各框架車流綠信比要求Vj＝Qj/qNjQsj； 7)把框架車流最小可能綠燈時間集合{Di}，即各流向皆使用最小綠燈時間只代入王式鏈族的各車流鏈，包括可能存在的跨階段車流鏈，取各車流鏈中最大的最短鏈長為可能最小周期時間C0； 8)對所有框架車流，把C0按各自的綠信比要求Vj分各自的整數綠燈時間Gj＝Max{C0Vj-A+l，Dj}； 9)把此組整數綠燈時間集合{Gj}，代入王式鏈族各車流鏈，包括可能存在的跨階段車流鏈，取各車流鏈中最大的最短鏈長為周期時間C1； 10)如果周期時間C1≤C0，則合格，就以此組最大的最短鏈長涉及的整數綠燈時間集合{Gj}作為綠燈時間框架，確定綠燈間隔時間的最小相容方案；并以非關鍵框架車流、行人、非機動車、右轉車與框架車流最短綠燈間隔時間為約束，為其它交通流配置綠燈時間，配時數據投入運行；否則，繼續； 11)取可能最小周期時間C0＝C1，返回8)； III、運行后整體校核部分 12)在根據最短綠燈間隔時間設計的信號控制系統運行后，定期根據實際情況進行校核，如最短綠燈間隔時間有誤差，則調整計算速度條件參數，返回靜態設置部分。
2、一種按照權利要求1所述的單個交叉口交通信號控制方法，其特征在于所述的控制方法可將全部可能的各車流實測流量集合{Qj}離線計算出對應配時方案，列成表格，使動態在線配時設計只需要查表，根據各車流實測流量集合{Qj}，找到對應配時方案的配時數據，投入運行。
3、一種按照權利要求2所述的單個交叉口交通信號的控制方法，其特征在于把一天分成分幾種時段，根據各時段預定設計流量集合{Qj}，對應設計定時控制配時方案，無須在線配時；并且，因為不存在隨機動態變換方案的可能，對應配時方案并不一定要屬于王式鏈族，也可以屬于系統損失時間更小的某些確定車流鏈。
4、一種按照權利要求1、2或3的單個交叉口交通信號的控制方法所述的以王式鏈族的系統損失時間均值更小為指標對各種可能道路渠化的篩選方法，其特征在于包括下述步驟 1)對各種可能道路渠化，分別把所有框架車流分別當作清空車流i，把所有與清空車流i有沖突的框架車流分別當作進入車流j計算清空車流i和進入車流j的最短綠燈間隔時間Iij； 2)制作框架車流最短綠燈間隔時間矩陣表把各清空車流縱向排列，把各進入車流橫向排列；把各清空車流i與進入車流j的最短綠燈間隔時間集合{Iij}填入對應表格； 3)按照框架車流基本相位階段相位結構、基本相位階段順序，把所有車流鏈劃分為不同鏈族；利用最短綠燈間隔時間矩陣表的數據，除可能存在的跨階段車流鏈外，分別計算各車流鏈的系統損失時間 L＝∑I-(A-1)×n 式中L——系統損失時間，(s)； I——車流鏈的各個最短綠燈間隔時間，(s)； A——黃燈時間，(s)； l——啟動損失時間，(s)； n——間隔數量； 繼而，把同一鏈族各車流鏈的系統損失時間相加，除以此鏈族的車流鏈數量，得到此鏈族的系統損失時間均值；比較、選擇系統損失時間均值最小的鏈族為王式鏈族； 4)比較、選擇可以使王式鏈族的系統損失時間均值更小的道路渠化，及對應的王式鏈族和框架車流最短綠燈間隔時間矩陣表{Iij}。
5、一種按照權利要求1、2、3或4的單個交叉口交通信號控制方法所述的參與篩選的各種可能道路渠化，按照交叉口的允許占地面積，盡可能擴大各進、出口車道數量，按不同流向的年流量需求比例分配各進口道左、直、右車道數，如非整數，則對直行車道數量舍去小數部分，對左轉車道數量則將小數部分進位，右轉車道數量四舍五入，至少為1，為避免合流沖突和出口擁擠，需使進口車道數≤交叉口內車道數≤出口車道數，其特征在于還包括如下王式道路渠化 1)主要由環形道路(可以是類環形，如直通橋下路口)與穿越環形道的道路構成； 2)按照交叉口占地面積空間，因地制宜，使環形道路外緣盡可能大； 3)環形道路主供直行車、非機動車行駛；環形道路內部中心區域為直行車禁駛區； 4)穿越環形道和中心區域的道路供左轉彎車行駛，與直行機動車環形路面形成平面交叉，所存在的潛在沖突點遠離交叉口中心。
6、一種按照權利要求1、2、3、4或5的單個交叉口交通信號的控制方法，其特征在于省略所述的對各種道路渠化進行的篩選過程，而根據經驗或過去篩選的結果，直接對王式道路渠化方案進行設計，確定對應王式鏈族，并計算對應的框架車流最短綠燈間隔時間矩陣表。
7、一種按照權利要求1、2、3、4、5、6或7的單個交叉口交通信號的控制方法所述的清空車流i和進入車流j的最短綠燈間隔時間Iij的確定方法，其特征在于包括下述步驟 1)測量清空車流i的最大清空距離si(m)，即從清空車流i的交叉口停止線到其越過關鍵沖突點的長度；測量進入車流j的最小進入距離sj(m)，即從進入車流j的交叉口停止線到越過關鍵沖突點長度； 2)確定計算速度條件參數清空車流i的最小平均清空速度vi(m/s)和進入車流j的最大平均加速度aj(m2/s)，進入速度的上限vj(m/s)； 3)數值計算最長清空時間，ti＝si/vi(s)，精確到秒，四舍五入，保留2位小數； 4)數值計算最短進入時間，精確到秒，四舍五入，保留2位小數 i、進入車流達到速度上限的時間為t0j＝vj/aj(s)； ii、進入車流達到速度上限時走過的路程為s0j＝ajt0j2/2(m)； iii、如果進入距離sj＜s0j，則進入時間tj＝[sj/2]1/2(s)； iv、如果進入距離sj≥s0j，則進入時間tj＝t0j+(sj-s0j)/vj(s)； 5)計算清空車流i和進入車流j的最短綠燈間隔時間Iij＝A+ti-tj，如有小數，則整數加一； 6)校核，如最短綠燈間隔時間有誤，則調整速度條件參數最小平均清空速度vi(m/s)和進入車流j的最大平均加速度aj(m2/s)，進入速度的上限vj(m/s)，返回3)。
8、一種按照權利要求1、2、3、4、5、6或7的單個交叉口交通信號的控制方法所述的各框架車流的最小綠燈時間集合{Dj}的確定方法，其特征在于各框架車流的最小綠燈時間Dj應該根據調整后的實際黃燈時間和最短綠燈間隔，取如下4個值中最大的一個 1)任何框架車流的最小綠燈時間加上其前后最大相容綠燈間隔時間的總和不應小于其前后2個框架車流之間的最短綠燈間隔時間； 2)與人行橫道平行的直行車流的最小綠燈時間 G機min＝G行min+G行閃+(I21+I22)-(I11+I12)(s) 式中G行min——同向行人最小綠燈時間，(s)； G行閃——同向行人綠閃時間，(s)； (I21+I22)——同向行人與前、后沖突框架車流間最大最短綠燈間隔時間的和，(s)； (I11+I12)——與人行橫道平行的直行車流與前、后沖突框架車流間最短綠燈間隔時間的和，(s)； 3)框架車流的最小綠燈時間+黃燈時間，應保證在上周期停留在檢測器與停止線之間的車輛在本次放行期間能通過停止線； 4)框架車流的最小綠燈時間+黃燈時間，應保證見到綠燈后啟動了的車輛能安全停車。
9、一種按照權利要求8的單個交叉口交通信號控制方法所述的確定行人綠閃時間G行閃的方法，其特征在于與直行車流同向行人的G行閃＝“一般人”清空時間-“快速人”清空時間。
10、一種按照權利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9的單個交叉口交通信號的控制方法所述的在黃燈近旁設置的倒計時顯示裝置，具有外殼部分、電源部分、計時部分、顯示部分，可以從初始顯示數字開始，逐秒倒計時顯示距離滅燈時刻所剩余的時間信息，其特征在于 所述的外殼部分使其易于安裝、固定在黃燈近旁； 所述的電源部分提供適配的電壓和功率，并有線路與黃燈相連，與黃燈同時接通電源、同時斷掉電源； 所述的計時部分還具有初始顯示的數字設定部分，由之可以提前離線設定初始顯示數字，每次都為固定的黃燈時間，不隨動態方案的調整而變化；其不需要接收信號機的通訊信息，也不需要能夠與信號機通訊的接收裝置； 所述的顯示部分只顯示與黃燈相同的顏色；且如果黃燈時間總小于等于9s，所述的顯示部分就只具有一位數字，否則所述的顯示部分就只具有2位數字，且十位數字最大是1； 更關鍵的是，倒計時顯示裝置顯示的信息能夠加強黃燈的警示作用，在黃燈時間大于4s的交叉口必須配置安裝。
上述最短綠燈間隔時間、最大相容綠燈間隔時間、車流鏈系統損失時間、跨階段車流鏈系統損失時間、鏈族系統損失時間均值、王式鏈族、行人綠閃時間與人行橫道平行的直行車流的最小綠燈時間等計算方法和道路渠化的篩選方法，乃至黃燈倒計時顯示裝置都是有別于傳統方法或產品的王式自主創新的新方法或新產品。
上述配時方案從最小可能周期開始，只在王式鏈族中逐步搜索，把選擇關鍵車流鏈、基本相位結構和關鍵車流綠燈配時工作同時完成；簡化了系統配時流程和動態在線配時速度，且方案改變時無基本相位順序結構跳變，不需過渡方案，易讓所有的交通參與者適應，且信號控制系統具有負系統損失時間；更是有別于傳統方法的王式自主創新的新方法。


圖1一個王式道路渠化方案及沖突點位置圖； 圖2最大安全停車距離的相關因素； 圖3綠初損失時間和黃末損失時間示意圖； 圖4自然規律8-1的行人過街信號示意圖； 圖5因行人過街構成的直行機動車最小綠燈時間的有關因素之間的關系示意圖； 圖6單個交叉口交通信號的控制方法的靜態離線設計部分示意圖； 圖7篩選各種可能道路渠化和鏈族的示意圖； 圖8單個交叉口交通信號的控制方法的動態在線設計部分示意圖； 圖9確定清空車流i和進入車流j的最短綠燈間隔時間Iij的示意圖； 圖10附帶有跨階段車流鏈的鏈族圖與最小綠燈時間； 圖11交叉口圖1的對應框架車流信號控制方案的相容車流鏈； 圖12交叉口圖1的具有負系統損失時間的信號燈組-相位階段圖； 圖13一個直通立交橋下交叉口的王式道路渠化方案。
具體實施例方式 1、作為實施例，一個十字交叉口的與傳統交叉口不同的王式道路渠化方案，如圖1所示。
2、明確如圖1所示王式道路渠化方案的各個框架車流關鍵沖突點位置1-10。并按比例分別測算各個框架車流的最大清空距離集合{Si}和最小進入距離集合{Sj}，對應列于表2中。
3、給出此實施例一組比較合理的計算速度條件參數 假定各進口路段框架車流最高限速同樣為60km/h，交叉口路面平整，各流向參數一致。
因所有車道都存在轉彎部分，取計算速度條件參數為清空車速vi＝12m/s，進入車的平均加速度aj＝4m/s2，最高進入車速vj＝10m/s計算，黃燈時間＝4s。
按此計算速度條件參數，進入車經過t0j＝2.5s就可以達到進入車速的最高速度vj，而此時走過的距離是s0j＝12.5m。如果進入距離sj≥s0j，則進入時間tj(s)可以按下式計算 tj＝2.5+(sj-12.5)/10＝1.25+sj/10(s)(10) 如果進入距離sj＜s0j，則進入時間tj可以按下式計算 tj＝[sj/2]1/2(s)(11) 計算結果列于表2。
表2計算速度條件參數下王式渠化方案最短綠燈間隔時間有關參數 (清空車速vi＝12m/s，進入車的加速度ai＝4m/s2，最高進入車速vi＝10m/s，黃燈時間＝4s) 4、把各個清空車流按順序縱向排列，把各個進入車流按順序橫向排列；把各個清空車流i與進入車流j之間的最短綠燈間隔時間Iij對應填入對應表格，制作框架車流最短綠燈間隔時間矩陣表表3 表3計算速度條件參數下圖1交叉口最短綠燈間隔時間矩陣(s)
5、請注意，在表2和表3中確實出現了負值的最短綠燈間隔時間。遵循自然規律7-1，把黃燈時間長度延長到9s，已不會出現負值的最短綠燈間隔時間。調整后見表4。
表4黃燈時間加上偏移量5s后圖1交叉口最短綠燈間隔時間矩陣(s)
6、給出王式渠化方案的鏈族分類，據表4計算各車流鏈系統損失時間，結果列于表5。
表5、王式渠化方案各鏈族的各種車流鏈的系統損失時間與鏈族的系統損失時間均值

注1表5中各框架車流后面的數字如果只有一個，則表示的就是以該框架車流為結束綠燈的最短綠燈間隔時間；各框架車流后面的數字如果有2個，則分別表示的就是以該框架車流為結束綠燈、以后面2個框架車流為開始綠燈的2個最短綠燈間隔時間，其中前一個數字對應上面的框架車流，后一個數字對應下面的框架車流；在結束綠燈的框架車流不止一種或開始綠燈的框架車流不止一種的情況下(如前9個順序結構的混合車流)，對所有可能的i、j，沖突綠燈之間的最短綠燈間隔時間I＝Max{Iij}。
注2表5中列出了所有鏈族；附在序號下面的數字是系統損失時間的均值。
注3因為這里的計算速度條件參數都是針對各種無車流沖突信號控制方案選取的，限于篇幅，對于有車流沖突的混合放行方案并未計算，按理速度應該更慢一些，從而有關沖突綠燈之間的最短綠燈間隔時間要比表5中的數值可能更大一些。因此，在這里并不推薦，僅僅是為了進行定性地比較而列出。■| 從表5的比較中可以看到，系統損失時間最小的車流鏈是鏈族18給出的東、南、西、北單放的一個框架車流順序結構。但鏈族18的系統損失時間均值為-5.5秒，比較小，但不是最小的。如出現有3個以上的左轉車流是關鍵車流所形成的關鍵車流鏈，就會出現系統損失時間為正值的情況。當然，對于不存在方案動態調整的分時段定時控制可以考慮選擇此鏈族中系統損失時間較小的各個車流鏈，如果各時段預定設計流量{Qj}恰好需要的話。
而鏈族11的系統損失時間均值為-12秒，是最小的。其4種車流鏈的系統損失時間分別為-14、-11、-11、-12秒，比較相近，而且都是接近最好的負值，均方差為0.75，也是4相位階段方案中最小的。故應優先選擇這種鏈族為王式鏈族。最小者比多種車流混合放行的2相位階段方案的縮小了計算速度條件參數的系統損失時間15秒還小近29秒，而且交通秩序卻更好、更安全，通行速度也更快。
在非機動車速＝4m/s/h，快速行人速度＝1.5m/s的附加計算速度條件參數下，同樣可以計算并制作行人、非機動車與框架車流、右轉車最短綠燈間隔時間矩陣表(具體表格略)。
7、為王式渠化方案設計具有絕對值較大的負系統損失時間的交通信號控制系統 車道數量分別記為東直N1＝2、西左N2＝1、北直N3＝2、南左N4＝1、西直N5＝2、東左N6＝1、南直N7＝2、北左N8＝1；單車道飽和流率皆為Qsi＝1600輛/h，i∈8； 針對設計流量分別是東直Q1＝998輛/h、西左Q2＝302輛/h、北直Q3＝893輛/h、南左Q4＝294輛/h、西直Q5＝886輛/h、東左Q6＝198輛/h、南直Q7＝665輛/h、北左Q8＝318輛/h； 各流向黃燈時間一致，皆為A＝9s；各流向損失時間一致，皆為l＝1.5s； 最大飽和度要求q，則按傳統經驗，一般取q＝0.9； 根據流量比和飽和度要求，可以確定，各流向的綠信比要求為 V1＝Q1/qN1Qs1＝0.347；V2＝0.210；V3＝0.310；V4＝0.204；V5＝0.308；V6＝0.138；V7＝0.231；V8＝0.221。各最短綠燈間隔時間分別為I1＝5s、I2＝4s、I2`＝2s、I3＝7s、I4＝2s、I4`＝3s、I5＝5s、I6＝4s、I6`＝3s、I7＝6s、I8＝4s、I8`＝3s、I1、3＝15s、I5、7＝14s、I7、1＝15s、I3、5＝15s。
因路面寬度為36m，中間有8m見方的安全島，故可只考慮半個路面寬度14m，考慮行人最小綠燈3s和一般人速度＝1.0m/s、機動車黃燈時間A＝9s后，可以確定行人綠閃4s及各框架車流最小綠燈時間分別為D1＝13s、D2＝1s、D3＝12s、D4＝1s、D5＝13s、D6＝1s、D7＝12s、D8＝1s。
然而，這里確實存在的跨階段車流鏈，為了遵守自然規律6-11，根據王式鏈族的跨階段車流鏈圖10可以確認，各框架車流最小綠燈時間應分別為D1＝13s、D2＝5s、D3＝12s、D4＝5s、D5＝13s、D6＝3s、D7＝12s、D8＝6s。
注意也只有遵守自然規律6-11，才有可能導出D4＝5s、D8＝6s。
由此事實可以突顯出，本發明提出由自然規律6-11作為最小綠燈時間的一種必須遵守的約束條件的重要性，和不可或缺性。否則程序難以實施。
只尋找王式鏈族中的車流鏈即把框架車流最小可能綠燈時間只代入王式鏈族各車流鏈，包括可能存在的跨階段車流鏈，取各車流鏈中最大的最短鏈長為可能最小周期時間C0，即 C0＝Max{∑i＝14(Di+Ii)，∑i＝58(Di+Ii)，D1+I1+D2+I2`+D7+I7+D8+I8`，D5+I5+D6+I6`+D3+I3+D4+I4`，D1+I1、3+D3+I3+D4+I4，D5+I5、7+D7+I7+D8+I8， D1+I1+D2+I2`+D7+I7、1，D5+I5+D6+I6`+D3+I3、5} ＝Max{51，52，54，52，54，55，54，52}＝55 按各流向的綠信比要求Vj分配整數綠燈時間 G1＝Max{C0V1-A+l，D1}＝13，G2＝5，G3＝12，G4＝5，G5＝13，G6＝3，G7＝12，G8＝6 把此組{Gi}，代入王式鏈族各車流鏈，包括可能存在的跨階段車流鏈，取各車流鏈中最大的最短鏈長為周期時間C1，即 C1＝Max{∑i＝14(Gi+Ii)，∑i＝58(Gi+Ii)，G1+I1+G2+I27+G7+I7+G8+I81， G5+I5+G6+I6`+G3+I3+G4+I4`，G1+I1、3+G3+I3+G4+I4，G5+I5、7+G7+I7+G8+I8， G1+I1+G2+I2`+G7+I7、1，G5+I5+G6+I6`+G3+I3、5} ＝Max{51，52，54，52，54，55，54，52}＝55＝C0 確實匹配。
故以此組最大的最短鏈長涉及的整數綠燈時間{Gi}作為綠燈時間框架，進行綠燈間隔時間的最小相容方案設計，比如使I6＝6，如圖11所示。
并擴張各Gi充滿車流鏈G1＝14s，G2＝8s，G3＝12s，G4＝5s，G5＝13s，G6＝3s，G7＝12s，G8＝6s。
繼而，以非關鍵車流、行人、非機動車、右轉車與框架車流最短綠燈間隔時間、及各最小綠燈時間為約束條件，很容易地推導出其它各種交通流的綠燈時間(具體推導計算過程略)，繪制信號燈組-相位階段圖，如圖12所示。
圖12的控制方案是一個4相位階段方案，沒有搭接相位階段，各相位階段時間分別是13、3、11、4s，相位間隔時間分別是5、7、8、4s，東直、南直、北左分別早亮1、1、2s，西左、北直、南左分別遲斷5、1、1s，周期為55秒。關鍵車流鏈為跨階段車流鏈西直15、南直6、北左4，其西直與南直的綠燈間隔時間已經被東左和西左有效利用，不能計算為系統損失時間。不得以求其次關鍵車流鏈為西直5、東左4`、北直7、南左3`，系統損失時間為-11秒。
如果傳統控制系統具有也為55秒的同樣周期，按大師王殿海先生所說的相位損失時間平均3秒計算，可合理假設傳統控制系統的系統損失時間為12秒，當然，這只是假設，則一天24小時只能通行大約19.76小時；而本發明每周期實際發掘了11秒的時間資源，一天能通行大約28.8小時。這控制系統的系統損失時間的正、負之間，竟然在一天24小時之內存在9個多小時的巨大的通行時間的反差！故本發明的具有負系統損失時間的控制系統確有大力推廣的價值。
此實施例省略了道路渠化的篩選，既因要節約篇幅，也因眾所周知，傳統道路渠化的信號控制系統尚未發現具有負值的系統損失時間，故必然會在篩選中被篩選掉，從而篩選出此實施例的王式渠化方案。
此實施例也說明，本發明各項篩選、計算的計算量極大，必須采用計算機程序才有可能在線運行，及時處理各種數據。
此實施例不僅足以說明，本發明各項技術方案切實可行，具有極大的技術優勢；而且與傳統交叉口的方案相比，具有極大的效益優勢。更是突破了許多傳統習慣、理念、規范。
本發明的以使王式鏈族的系統損失時間均值更小為指標，篩選的王式渠化方案，完全不同于傳統各種城市道路平面交叉口規劃與設計規程的推薦方案。
對于本發明的系統損失時間為負值的王式信號控制系統，那些在系統損失時間為正值時的成立的“相位階段越多系統損失時間越大”、“交叉口渠化最好使機動車沖突點盡可能集中在路口中心”、“周期時間越長通行能力越大”等傳統習慣、理念、規范就完全被突破了，需要重新認識。更是廢除了“硬性統一規定綠燈間隔時間的最低限值4s或3s”等不科學做法。
本發明最新揭示的許多自然規律，都是客觀存在的，可重復性地檢驗。
權利要求
1.一種采用計算機程序的單個交叉口交通信號的控制方法，該方法包括有下列步驟安裝檢測器、信號顯示裝置、信號控制機，并用光纜、無線和電線把它們連接起來，其特征在于所述的單個交叉口交通信號的控制方法還采用下列步驟
I、靜態設置部分與參數計算
1)以使王式鏈族的系統損失時間均值更小為指標，對各種可能道路渠化進行篩選，確定最優道路渠化，以及對應的王式鏈族和框架車流最短綠燈間隔時間矩陣表{Iij}；
2)分別確定各框架車流的車道數{Nj}，單車道飽和流量{Qsj}；飽和度要求q；并確定最短黃燈時間A0＝最大感知反應時間+最大車輛制動時間；
3)在框架車流最短綠燈間隔時間集合{Iij}中，如果存在具有負值的最短綠燈間隔時間Iij，則針對Min{Iij}＜0，重新取黃燈時間A＝A0-Min{Iij}，并重新確定各最短綠燈間隔時間矩陣表；并且在黃燈近旁設置黃燈倒計時顯示裝置；否則，繼續；
4)計算并制作行人、非機動車與框架車流、右轉車最短綠燈間隔時間矩陣表；
5)確定行人最小綠燈時間、行人綠閃時間，如果存在跨階段車流鏈，繪制附有各種跨階段車流鏈的鏈族圖，確定各框架車流的最小綠燈時間{Dj}；
II、動態在線配時設計部分與參數計算
6)定期、定時在線按各車流的實測流量，按一定模型預測下一階段的設計流量集合{Qj}，確定各框架車流綠信比要求Vj＝Qj/qNjQsj；
7)把框架車流最小可能綠燈時間集合{Di}，即各流向皆使用最小綠燈時間只代入王式鏈族的各車流鏈，包括可能存在的跨階段車流鏈，取各車流鏈中最大的最短鏈長為可能最小周期時間C0；
8)對所有框架車流，把C0按各自的綠信比要求Vj分各自的整數綠燈時間Gj＝Max{C0Vj-A+1，Dj}；
9)把此組整數綠燈時間集合{Gj}，代入王式鏈族各車流鏈，包括可能存在的跨階段車流鏈，取各車流鏈中最大的最短鏈長為周期時間C1；
10)如果周期時間C1≤C0，則合格，就以此組最大的最短鏈長涉及的整數綠燈時間集合{Gj}作為綠燈時間框架，確定綠燈間隔時間的最小相容方案；并以非關鍵框架車流、行人、非機動車、右轉車與框架車流最短綠燈間隔時間為約束，為其它交通流配置綠燈時間，配時數據投入運行；否則，繼續；
11)取可能最小周期時間C0＝C1，返回8)；
III、運行后整體校核部分
12)在根據最短綠燈間隔時間設計的信號控制系統運行后，定期根據實際情況進行校核，如最短綠燈間隔時間有誤差，則調整計算速度條件參數，返回靜態設置部分。
2.一種按照權利要求1所述的單個交叉口交通信號控制方法，其特征在于所述的控制方法可將全部可能的各車流實測流量集合{Qj}離線計算出對應配時方案，列成表格，使動態在線配時設計只需要查表，根據各車流實測流量集合{Qj}，找到對應配時方案的配時數據，投入運行。
3.一種按照權利要求2所述的單個交叉口交通信號的控制方法，其特征在于把一天分成分幾種時段，根據各時段預定設計流量集合{Qj}，對應設計定時控制配時方案，無須在線配時；并且，因為不存在隨機動態變換方案的可能，對應配時方案并不一定要屬于王式鏈族，也可以屬于系統損失時間更小的某些確定車流鏈。
4.一種按照權利要求1、2或3的單個交叉口交通信號的控制方法所述的以王式鏈族的系統損失時間均值更小為指標對各種可能道路渠化的篩選方法，其特征在于包括下述步驟
1)對各種可能道路渠化，分別把所有框架車流分別當作清空車流i，把所有與清空車流i有沖突的框架車流分別當作進入車流j計算清空車流i和進入車流j的最短綠燈間隔時間Iij；
1)制作框架車流最短綠燈間隔時間矩陣表把各清空車流縱向排列，把各進入車流橫向排列；把各清空車流i與進入車流j的最短綠燈間隔時間集合{Iij}填入對應表格；
2)按照框架車流基本相位階段相位結構、基本相位階段順序，把所有車流鏈劃分為不同鏈族；利用最短綠燈間隔時間矩陣表的數據，除可能存在的跨階段車流鏈外，分別計算各車流鏈的系統損失時間
L＝∑I-(A-l)×n
式中L——系統損失時間，(s)；
I——車流鏈的各個最短綠燈間隔時間，(s)；
A——黃燈時間，(s)；
l——啟動損失時間，(s)；
n——間隔數量；
繼而，把同一鏈族各車流鏈的系統損失時間相加，除以此鏈族的車流鏈數量，得到此鏈族的系統損失時間均值；比較、選擇系統損失時間均值最小的鏈族為王式鏈族；
3)比較、選擇可以使王式鏈族的系統損失時間均值更小的道路渠化，及對應的王式鏈族和框架車流最短綠燈間隔時間矩陣表{Iij}。
5.一種按照權利要求1、2、3或4的單個交叉口交通信號控制方法所述的參與篩選的各種可能道路渠化，按照交叉口的允許占地面積，盡可能擴大各進、出口車道數量，按不同流向的年流量需求比例分配各進口道左、直、右車道數，如非整數，則對直行車道數量舍去小數部分，對左轉車道數量則將小數部分進位，右轉車道數量四舍五入，至少為1，為避免合流沖突和出口擁擠，需使進口車道數≤交叉口內車道數≤出口車道數，其特征在于還包括如下王式道路渠化
1)主要由環形道路(可以是類環形，如直通橋下路口)與穿越環形道的道路構成；
2)按照交叉口占地面積空間，因地制宜，使環形道路外緣盡可能大；
3)環形道路主供直行車、非機動車行駛；環形道路內部中心區域為直行車禁駛區；
4)穿越環形道和中心區域的道路供左轉彎車行駛，與直行機動車環形路面形成平面交叉，所存在的潛在沖突點遠離交叉口中心。
6.一種按照權利要求1、2、3、4或5的單個交叉口交通信號的控制方法，其特征在于省略所述的對各種道路渠化進行的篩選過程，而根據經驗或過去篩選的結果，直接對王式道路渠化方案進行設計，確定對應王式鏈族，并計算對應的框架車流最短綠燈間隔時間矩陣表。
7.一種按照權利要求1、2、3、4、5、6或7的單個交叉口交通信號的控制方法所述的清空車流i和進入車流j的最短綠燈間隔時間Iij的確定方法，其特征在于包括下述步驟
1)測量清空車流i的最大清空距離si(m)，即從清空車流i的交叉口停止線到其越過關鍵沖突點的長度；測量進入車流j的最小進入距離sj(m)，即從進入車流j的交叉口停止線到越過關鍵沖突點長度；
2)確定計算速度條件參數清空車流i的最小平均清空速度vi(m/s)和進入車流j的最大平均加速度aj(m2/s)，進入速度的上限vj(m/s)；
3)數值計算最長清空時間，ti＝si/vi(s)，精確到秒，四舍五入，保留2位小數；
4)數值計算最短進入時間，精確到秒，四舍五入，保留2位小數
i、進入車流達到速度上限的時間為t0j＝vj/aj(s)；
ii、進入車流達到速度上限時走過的路程為s0j＝ajt0j2/2(m)；
iii、如果進入距離sj＜s0j，則進入時間tj＝[sj/2]1/2(s)；
iv、如果進入距離sj≥s0j，則進入時間tj＝t0j+(sj-s0j)/vj(s)；
5)計算清空車流i和進入車流j的最短綠燈間隔時間Iij＝A+ti-tj，如有小數，則整數加一；
6)校核，如最短綠燈間隔時間有誤，則調整速度條件參數最小平均清空速度vi(m/s)和進入車流j的最大平均加速度aj(m2/s)，進入速度的上限vj(m/s)，返回3)。
8.一種按照權利要求1、2、3、4、5、6或7的單個交叉口交通信號的控制方法所述的各框架車流的最小綠燈時間集合{Dj}的確定方法，其特征在于各框架車流的最小綠燈時間Dj應該根據調整后的實際黃燈時間和最短綠燈間隔，取如下4個值中最大的一個
1)任何框架車流的最小綠燈時間加上其前后最大相容綠燈間隔時間的總和不應小于其前后2個框架車流之間的最短綠燈間隔時間；
2)與人行橫道平行的直行車流的最小綠燈時間
G機min＝G行min+G行閃+(I21+I22)-(I11+I12)(s)
式中G行min—同向行人最小綠燈時間，(s)；
G行閃——同向行人綠閃時間，(s)；
(I21+I22)——同向行人與前、后沖突框架車流間最大最短綠燈間隔時間的和，(s)
(I11+I12)——與人行橫道平行的直行車流與前、后沖突框架車流間最短綠燈間隔時間的和，(s)；
3)框架車流的最小綠燈時間+黃燈時間，應保證在上周期停留在檢測器與停止線之間的車輛在本次放行期間能通過停止線；
4)框架車流的最小綠燈時間+黃燈時間，應保證見到綠燈后啟動了的車輛能安全停車。
9.一種按照權利要求8的單個交叉口交通信號控制方法所述的確定行人綠閃時間G行閃的方法，其特征在于與直行車流同向行人的G行閃＝“一般人”清空時間-“快速人”清空時間。
10.一種按照權利要求1、2、3、4、5、6、7、8或9的單個交叉口交通信號的控制方法所述的在黃燈近旁設置的倒計時顯示裝置，具有外殼部分、電源部分、計時部分、顯示部分，可以從初始顯示數字開始，逐秒倒計時顯示距離滅燈時刻所剩余的時間信息，其特征在于
所述的外殼部分使其易于安裝、固定在黃燈近旁；
所述的電源部分提供適配的電壓和功率，并有線路與黃燈相連，與黃燈同時接通電源、同時斷掉電源；
所述的計時部分還具有初始顯示的數字設定部分，由之可以提前離線設定初始顯示數字，每次都為固定的黃燈時間，不隨動態方案的調整而變化；其不需要接收信號機的通訊信息，也不需要能夠與信號機通訊的接收裝置；
所述的顯示部分只顯示與黃燈相同的顏色；且如果黃燈時間總小于等于9s，所述的顯示部分就只具有一位數字，否則所述的顯示部分就只具有2位數字，且十位數字最大是1；
更關鍵的是，倒計時顯示裝置顯示的信息能夠加強黃燈的警示作用，在黃燈時間大于4s的交叉口必須配置安裝。
全文摘要
本發明公開了一種采用計算機程序的單個交叉口動態交通信號控制系統的控制方法，步驟為設置有黃燈倒計時顯示裝置；采用確定最小綠燈時間、與車流同向行人綠閃時間以及框架車流最短綠燈間隔時間的程序，以王式鏈族的系統損失時間均值更小為指標，篩選渠化方案和王式鏈族；動態配時方案調整從最小可能周期開始，在所選王式鏈族中逐步搜索，把選擇關鍵車流鏈、基本相位結構和關鍵車流綠燈配時工作同時完成；方案改變時無基本相位順序結構跳變，不需過渡方案；且信號控制系統具有負系統損失時間。
文檔編號G08G1/07GK101763735SQ201010103079
公開日2010年6月30日 申請日期2010年2月1日 優先權日2010年2月1日
發明者王茜, 王大海, 葉楠 申請人:王茜, 王大海