一種基于多源數據的逆向可變車道智能控制方法與流程
本發明涉及交通管控領域，具體涉及一種基于多源數據的逆向可變車道智能控制方法。
背景技術：
交叉口逆向可變車道是變向交通管理的一種新興形式，主要設置在信號控制交叉口的出口道內側，既具有出口道行車道功能又具有進口左轉導向車道功能，由于其工程投資小且能有效緩解交叉口高峰時段的左轉過飽和擁堵，而逐步被認可和應用。
隨著城市交通壓力的進一步增大，逆向可變車道的效益正在逐步減弱，主要原因是以人工和定時段為主的管理模式，無法主動適應脆弱多變的城市交通發展形勢，致使逆向可變車道的效益未得到充分發揮。近年來，各個城市的交通檢測設備不斷完善，如何合理利用多源交通數據來有效解決交通問題顯得尤為重要。為此，有必要針對設置逆向可變車道的交叉口運行特征進行系統深入的研究，提出一種基于多源數據的逆向可變車道智能控制方法，以充分發揮逆向可變車道的功能效益。
技術實現要素：
本發明針對現有技術的不足，提供了一種基于多源數據的逆向可變車道智能控制方法。
本發明采用的技術方案是：
本發明包括以下步驟：
a)交叉口交通需求預測
a)交叉口進口流向比例預測
這里的參數包括：tn周期的左轉流量l(tn)、直行流量s(tn)、右轉流量r(tn)、各流向比例ki(tn)，i取l、s、r分別代表左轉、直行、右轉；
b)獲取上游路段車輛到達率
這里包括如下參數：在tn周期中統計時間間隔為δt的第k個時間段內路段微波采集的交通量為
c)交叉口車輛到達率預測
獲取上游路段的車輛到達率后，結合車輛離散情況下的幾何分布模型，預測交叉口的車輛到達率；
這里包括如下幾個參數：tn周期交叉口的車輛到達率qdown(tn)，上游路段的車輛到達率
d)交叉口分流向交通需求預測
這里包括如下幾個參數：tn周期內上游路段的車輛到達率
b)逆向可變車道開關判別指標
a)左轉車道排隊長度預測
這里的計算參數包括：tn周期內一條左轉車道的最大排隊車輛數pl(tn)，交叉口的車輛到達率qdown(tn)，交叉口內左轉的流向比例kl(tn)，到達車輛修正系數γ，左轉的紅燈時長trl，左轉的車道數ml，上一周期一條左轉車道的滯留車輛數rl(tn-1)；
b)交叉口各流向平均飽和度
這里的參數包括：tn周期內i流向的流量值qi(tn)，i流向的通行能力si，tn周期內各流向的平均飽和度xav(tn)，各流向總的車道數m。
c)逆向可變車道開關控制條件
a)逆向可變車道開啟條件
這里的參數包括：tn周期內一條左轉車道的最大排隊車輛數pl(tn)，一條左轉車道的最大通過車輛數qmax(l)，各流向的平均飽和度xav(tn)；
b)逆向可變車道關閉條件
這里的參數同樣為：tn周期內一條左轉車道的最大排隊車輛數pl(tn)，一條左轉車道的最大通過車輛數qmax(l)，各流向的平均飽和度xav(tn)。
d)交叉口信號協同優化
在逆向可變車道的進口處，加設一處逆向可變車道信號燈，由該信號燈實現逆向可變車道的開啟或關閉，逆向可變車道信號燈與交叉口內信號燈實現協同控制，信號協同優化計算方法如下：
a)計算交叉口流量比之和
在環結構配時模式下，交叉口流量比之和計算參數包括：交叉口流量比之和y，環結構中的環編號a，環結構中的信號屏障編號b，信號屏障b內環a的流量比之和y’ab，交通流量q，飽和流量s；
b)計算信號周期時長
采用韋伯斯特公式計算交叉口信號周期時長，這里的計算參數包括：最佳周期時長c，信號總損失時間l，交叉口流量比之和y；
c)分配各相位有效綠燈時長
根據等飽和度原則計算每個相位的綠信比，進而合理分配各相位有效綠燈時間，這里的計算參數包括：相位i的有效綠燈時間gi，信號屏障b內環a的流量比之和y’ab，最佳周期時長c，信號總損失時間l，相位i的流量比yi，交叉口流量比之和y；
d)逆向可變車道的清空時間
逆向可變車道的清空時間由逆向可變車道的長度與車輛行駛特征計算，計算參數包括：逆向可變車道的清空時間tlc，逆向可變車道的長度a，車輛的啟動加速度a，左轉車輛通過交叉口的穩定車速v，逆向可變車道的安全時間tls；
e)逆向可變車道的提前開啟時間
逆向可變車道的提前開啟時間取逆向可變車道的清空時間；
f)信號配時方案
以一般的四路交叉口為例，在交叉口南進口的左轉相位設置逆向可變車道，通過以上優化計算方法，得到交叉口的信號配時方案；
這里的參數包括：t1為階段1東西向左轉的綠燈時長，t2為階段2東西向直行但逆向可變車道未開啟的綠燈時長，t3為階段3東西向直行且逆向可變車道的提前開啟時長，t4為階段4南口逆向可變車道的綠燈時長，t5為階段5南口逆向可變車道的清空時長，t4+t5為南北向正常左轉的綠燈時長，t6為階段6南北向直行的綠燈時長，c為周期時長。
e)逆向可變車道智能控制流程
a)逆向可變車道開啟變量初始化；
b)對下一周期的左轉流量和左轉排隊長度進行預測；
c)對逆向可變車道的開啟條件進行判斷：
d)將方案下載至信號控制機或在下一周期關閉逆向可變車道；
e)對下一周期的逆向可變車道是否開啟進行動態判斷。
本發明在基于多源數據的逆向可變車道智能控制方法中，結合地磁、微波等多源數據預測交叉口的交通需求，明確了逆向可變車道的開關判別指標及開關控制條件，將逆向可變車道信號燈與交叉口內信號燈實現協同控制，達到逆向可變車道動態智能化控制的效果。
本發明有益效果：本發明與現有技術相比具有如下特點：
1)本發明根據車流沖突及運行特征提出交叉口相位相序設計方案，建立逆向可變車道飽和流量、清空時間及提前開啟時間的計算模型，并確定周期及相位有效綠燈時長計算方法。
2)本發明能夠根據交叉口不同車道組機動車需求的實時變化，智能化控制逆向可變車道的開啟和關閉，有效克服了人工控制的盲目性和時間滯后性。
附圖說明
圖1是本發明方法流程圖；
圖2是交叉口信號協同優化示意圖；
圖3是逆向可變車道智能控制流程圖；
圖4是得到交叉口的信號配時方案圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步說明：
本發明實質上是根據進口道地磁設備和路段微波設備所采集的交通數據預測交叉口交通需求，明確逆向可變車道開關的判別指標，對逆向可變車道開關控制條件進行判斷，并使逆向可變車道信號燈與交叉口內信號燈協同控制，最終實現基于多源數據的逆向可變車道智能控制方法。
如圖1所示，一種基于多源數據的逆向可變車道智能控制方法，步驟包括：交叉口交通需求預測、逆向可變車道開關判別指標、逆向可變車道開關控制條件、交叉口信號協同優化、逆向可變車道智能控制流程。
a)交叉口交通需求預測
為達到對逆向可變車道開關條件進行提前預判的目的，體現交通多源數據信息的時效性，利用地磁和微波數據預測交叉口的交通需求，地磁和微波設備布局如圖2所示；
a)交叉口進口流向比例預測
這里的參數包括：tn周期的左轉流量l(tn)、直行流量s(tn)、右轉流量r(tn)、各流向比例ki(tn)，i取l、s、r分別代表左轉、直行、右轉；
通過交叉口進口道布設的地磁設備，檢測到tn周期的左轉流量l(tn)、直行流量s(tn)、右轉流量r(tn)，得到tn周期各流向比例為：
b)獲取上游路段車輛到達率
這里包括如下參數：在tn周期中統計時間間隔為δt的第k個時間段內路段微波采集的交通量為
c)交叉口車輛到達率預測
獲取上游路段的車輛到達率后，結合車輛離散情況下的幾何分布模型，預測交叉口的車輛到達率；
這里包括如下幾個參數：tn周期交叉口的車輛到達率qdown(tn)，上游路段的車輛到達率
以交叉口的地磁設備所在截面為參照線，結合車輛離散情況下幾何分布模型，預測交叉口的車輛到達率為：
d)交叉口分流向交通需求預測
這里包括如下幾個參數：tn周期內上游路段的車輛到達率
基于上述分析，利用流向比例預測與交叉口車輛到達率預測模型得到交叉口流向需求動態預測模型：
b)逆向可變車道開關判別指標
通過對設有逆向可變車道的交叉口實地調研和對交叉口交通運行狀態的分析，選取左轉車道排隊長度、交叉口各流向平均飽和度作為逆向可變車道開關的判別指標；
a)左轉車道排隊長度預測
這里的計算參數包括：左轉的車道數ml，tn周期內一條左轉車道的最大排隊車輛數pl(tn)，交叉口的車輛到達率qdown(tn)，交叉口內左轉的流向比例kl(tn)，到達車輛修正系數γ，左轉的紅燈時長trl，上一周期一條左轉車道的滯留車輛數rl(tn-1)；
利用本周期交叉口的車輛到達率和流向比例的關系，并用到達車輛修正系數加以修正先求得左轉紅燈期間總的到達車輛數，再除以該流向的車道數，最后加上上一周期所滯留的車輛數，得到一條左轉車道的最大排隊長度為：
b)交叉口各流向平均飽和度
這里的參數包括：tn周期內i流向的流量值qi(tn)，i流向的通行能力si，tn周期內各流向的平均飽和度xav(tn)，各流向總的車道數m；
利用交叉口進口的地磁獲取該周期內各流向的實際流量值，結合各流向的通行能力得到該周期內各流向的飽和度，進而求得該周期內各流向的平均飽和度：
c)逆向可變車道開關控制條件
a)逆向可變車道開啟條件
這里的參數包括：tn周期內一條左轉車道的最大排隊車輛數pl(tn)，一條左轉車道的最大通過車輛數qmax(l)，各流向的平均飽和度xav(tn)；
①預測的左轉車道最大排隊長度大于或等于一條左轉車道的最大通過車輛數，即
pl(tn)≥qmax(l)
②當交叉口各流向平均飽和度大于或等于0.9，即
xav(tn)≥0.9
若在連續的兩個信號周期內，同時滿足以上條件，則下一周期開啟逆向可變車道；
b)逆向可變車道關閉條件
這里的參數同樣為：tn周期內一條左轉車道的最大排隊車輛數pl(tn)，一條左轉車道的最大通過車輛數qmax(l)，各流向的平均飽和度xav(tn)；
①預測的左轉車道最大排隊長度小于一條左轉車道的最大通過車輛數，即
pl(tn)<qmax(l)
②當交叉口各流向平均飽和度小于0.9，即
xav(tn)<0.9
若在連續的兩個信號周期內，至少滿足其中一個條件，則下一周期關閉逆向可變車道。
d)交叉口信號協同優化
在逆向可變車道的進口處，加設一處逆向可變車道信號燈，如圖2所示，由該信號燈實現逆向可變車道的開啟或關閉，逆向可變車道信號燈與交叉口內信號燈實現協同控制，信號協同優化計算方法如下：
a)計算交叉口流量比之和
交叉口流量比計算參數包括：交叉口流量比之和y，環結構中的環編號a，環結構中的信號屏障編號b，信號屏障b內環a的流量比之和y’ab，交通流量q，飽和流量s；
設有逆向可變車道的交叉口僅僅是通行能力發生了變化，仍然采用傳統的信號周期計算公式，即確定好關鍵相位的流向比之和后進行計算，只是流向比計算中要考慮逆向可變車道是否開啟，在環結構配時模式下，交叉口的流量比之和為：
b)計算信號周期時長
這里的計算參數包括：最佳周期時長c，信號總損失時間l，交叉口流量比之和y；
采用韋伯斯特公式計算交叉口的信號周期時長為：
c＝(1.5l+5)/(1-y)
c)分配各相位有效綠燈時長
這里的計算參數包括：相位i的有效綠燈時間gi，信號屏障b內環a的流量比之和y’ab，最佳周期時長c，信號總損失時間l，相位i的流量比yi，交叉口流量比之和y；
根據等飽和度原則合理分配每個相位的綠信比，進而得到各相位的有效綠燈時間為：
gi＝max(y’ab)*(c-l)*yi/(y*y’ab)
d)逆向可變車道的清空時間
計算參數包括：逆向可變車道的清空時間tlc，逆向可變車道的長度a，車輛的啟動加速度a，左轉車輛通過交叉口的穩定車速v，逆向可變車道的安全時間tls；
逆向可變車道的清空時間由逆向可變車道的長度與車輛行駛特征計算，逆向可變車道的安全時間tls取3-5秒；
e)逆向可變車道的提前開啟時間
這里的參數包括：逆向可變車道的提前開啟時間tlt，逆向可變車道的清空時間tlc；
為了保證安全性，同時提高逆向車道的運行效率，逆向可變車道的提前開啟時間取逆向可變車道的清空時間：
tlt＝tlc
f)信號配時方案
這里的參數包括：t1為階段1東西向左轉的綠燈時長，t2為階段2東西向直行但逆向可變車道未開啟的綠燈時長，t3為階段3東西向直行且逆向可變車道的提前開啟時長，t4為階段4南口逆向可變車道的綠燈時長，t5為階段5南口逆向可變車道的清空時長，t4+t5為南北向正常左轉的綠燈時長，t6為階段6南北向直行的綠燈時長，c為周期時長；
以一般的四路交叉口為例，在交叉口南進口的左轉相位設置逆向可變車道，通過以上優化計算方法，得到交叉口的信號配時方案，如圖4：
e)逆向可變車道智能控制流程
逆向可變車道智能控制流程如圖3所示，主要流程如下：
a)逆向可變車道開啟變量初始化，令初始化開啟變量ki＝0；
b)對下一周期的交通需求進行預測，主要預測左轉流量和左轉排隊長度；
c)對逆向可變車道的開啟條件進行判斷：
①當同時滿足以下兩個判別條件：預測的左轉車道最大排隊長度大于或等于一條左轉車道的最大通過車輛數、交叉口各流向平均飽和度大于或等于0.9，且開啟變量為2即在連續兩個周期的情況下滿足判別條件，此時在下一周期開啟逆向可變車道，并進行交叉口信號配時優化；
②當至少不滿足兩個判別條件中的一個，則對開啟變量進行判斷：若此時下一周期的開啟變量不為0，則在下一周期開啟逆向可變車道進行交叉口信號配時優化；若此時下一周期的開啟變量為0且當前周期的開啟變量為1，則在下一周期關閉逆向可變車道；若此時下一周期的開啟變量為0且當前周期的開啟變量不為1，則執行常規信號配時方案；
d)根據以上智能控制判斷流程，將方案下載至信號控制機或在下一周期關閉逆向可變車道；
e)將方案下載至信號控制機后重新開始對下一周期的逆向可變車道是否開啟進行動態判斷。
應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
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