相鄰交叉口的干道協調控制模型及其優化方法技術

相鄰交叉口的干道協調控制模型及其優化方法，相鄰交叉口四相位干道協調控制模型的建立；進行個體編碼、初始化數據，并設定參數；進行種群初始化；計算種群內個體的適應度值；對種群進行最小生成樹聚類；選擇種群內個體參加遺傳操作；對選擇的個體進行遺傳和變異操作；重復迭代直到得到最佳個體。本發明專利技術以各車隊排隊等候的總延誤最小為性能指標，通過分析由上游交叉口在不同相位下放行車隊的對首和隊尾車輛到達下游交叉口前遇到的信號狀態以及路口前車輛在放行期間是否完全放行建立的更為完善的相鄰交叉口干道協調控制模型，并以改進的遺傳算法作為優化算法，同時以周期長度，主街配時，信號配時以及相位差作為參數進行優化求解。

【技術實現步驟摘要】
相鄰交叉口的干道協調控制模型及其優化方法
本專利技術屬于城市交通控制中相鄰交叉口信號配時優化
，尤其涉及一種相鄰交叉口的干道協調控制模型及其優化方法。
技術介紹
目前城市在以很快的速度發展壯大，同時帶來的問題便是城市交通擁擠狀況日益嚴重，在這樣的情況下，對交叉口的信號控制問題就顯得尤為重要，尤其對車流量較大的干道交叉口，因此合理的對干道交叉口的協調控制可以有效緩解城市交通擁擠狀況。傳統的針對干道交叉口的信號控制方法有：數解法和圖解法，它們是以獲取最大綠波寬度為目標進行求解得到協調控制系統時差從而對系統進行控制。其中數解法較為常用，但在數解法本身的計算過程中，考慮的因素過少，致使得到的信號解并不能獲得較好的實際控制效果。針對傳統的干道交叉口控制方法中存在的問題，許多學者進行了研究：盧凱，谷遠利等人均以最小延誤為性能指標，建立了干道協調控制相位差模型。但分別采用的標準遺傳算法與枚舉法的優化算法存在一定的缺陷。萬緒軍等人分析了上、下行車輛在交叉口的延誤規律，建立了相位差的協調優化模型，但所分析的規律并不全面，并且是以兩相位控制的相鄰交叉口為研究對象。劉廣萍等人提出了在非飽和，飽和以及過飽和情況下的交叉口延誤計算方法，但僅僅是以單交叉路口為研究目標提出了一種計算延誤的方法，且并沒有提出完善的交通控制模型。因此，本文在這些研究的基礎上，以上、下行車輛在交叉口前的總延誤為性能指標，建立了在四相位控制條件下的相鄰路口間的干道協調控制方法，并采用改進的遺傳算法作為優化算法，同時以周期長度、主街配時、信號配時以及相位差作為參數進行優化求解。最后與采用標準遺傳算法作為優化算法得到的結果進行比較，驗證所建立的干道協調控制模型以及改進遺傳算法的有效性，合理性。
技術實現思路
本專利技術的目的是以兩相鄰交叉口間干道路口上游不同相位所到達車隊的隊首與隊尾車輛遇到的信號燈狀態，以及下游路口在放行期間是否達到平衡點分情況建立較為完善的以干道路口前車輛總延誤最小為性能指標的交通控制數學模型，利用基于最小生成樹聚類改進遺傳算法對該模型進行優化求解，得到合理有效的周期長度、主街配時、信號配時以及相位差，從而對相鄰交叉口進行交通控制。本專利技術的干道協調控制模型如下：針對相鄰交叉口(圖1)的干道協調控制系統采用更為完善的四相位設計方法，且兩個交叉口的距離取300～800m。針對連接干道上的車輛，不考慮車輛的離散情況，車輛到達率不變，同時不同交叉口不同車道的車輛放行率不同且不變。針對信號燈，不考慮信號燈轉換的損失時間。針對交叉口以及道路，不考慮行人的影響以及右轉車輛的延誤，不考慮駕駛員以及行人等因素，相鄰交叉口的兩交叉口共用同一周期長度。以圖1所示的相鄰交叉路口系統建立數學模型，以從路口A到路口B下行為例，分析計算從路口A放行車隊到達路口B的延誤時間；定義路口A第一相位綠燈啟亮時刻為0時刻，按照上游路口A放行車隊的隊首與隊尾車輛到達下游路口B遇到的信號燈狀態，以及下游路口B在放行期間是否達到平衡點分以下幾種情況：在以下模型中用到的術語解釋如下：第一紅燈：將交叉口A第一相位綠燈啟亮時刻作為0時刻，即0時刻后，放行車隊在達到下游交叉口B時，進入對應車道的車隊在該車道方向上的信號燈第一次為紅燈第二紅燈：0時刻后，放行車隊在達到下游交叉口B時，進入對應車道的車隊在該車道方向上的信號燈第二次為紅燈平衡狀態：到達的車輛能夠順利通過交叉口為平衡狀態。(1)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，且車隊尾部到達交叉口B遇到第二紅燈，在交叉口B綠燈放行期間，達到平衡狀態，滿足如下條件：車隊頭部到達交叉口B的時刻：車隊尾部到達交叉口B的時刻：交叉口B對應相位的綠燈啟亮時刻與達到平衡狀態時刻的時間間隔：其中，a為車隊頭部在上游交叉口A準備出發時已經過了的時間長，L為兩相鄰交叉口A、B間的間距，L1為放行車隊到達下游交叉口B時路口前的車輛排隊長度，v為車輛在道路上的平均行駛速度，T為相位差，rB為交叉口B南北向的綠燈時長，T1為交叉口B對應放行相位的綠燈啟亮時刻，N為上游交叉口A在放行相位綠燈時間內放行的車隊車輛總數，有N＝sd*g，g為放行相位的綠燈時長，sd為車輛到達率，q為車輛放行率，gB為下游交叉口B對應放行相位的綠燈時間長，C為周期長度，t為車隊達到交叉口在綠燈放行期間達到平衡點的時刻，n1為放行車輛到達交叉口B對應車道的排隊車輛數，有Vr為一輛車的平均車身長度；該車隊延誤描述如圖2所示。t1為車隊頭部到達交叉口B的時刻，t2為車隊尾部到達交叉口B的時刻，t為車隊到達交叉口B在綠燈放行期間達到平衡狀態的時刻，x為交叉口B對應相位的綠燈啟亮時刻與達到平衡狀態的時間間隔，該車隊的受阻時間長，受阻延誤Dd為：(2)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，車隊尾部到達交叉口B遇到第二紅燈，且在交叉口B綠燈放行期間，未達到平衡狀態，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：未達到平衡狀態：N+n1＞sd*gB其中，N為上游交叉口A在放行相位綠燈時間內放行的車隊車輛總數。該車隊延誤描述如圖3所示。車隊受阻描述下，車隊的受阻延誤Dd為：(3)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，車隊尾部到達交叉口B遇到綠燈，且在交叉口B綠燈放行期間，達到平衡狀態，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：該車隊延誤描述如圖4所示。其中x為交叉口B對應相位的綠燈啟亮時刻與達到平衡狀態的時間間隔，該車隊的受阻時間長，受阻延誤Dd為：(4)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，車隊尾部到達交叉口B遇到綠燈，且在該綠燈時長內到達平衡狀態前，隊尾最后一輛車已經到達交叉口B，沒有車輛繼續到達，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：在達到平衡狀態前，車隊最后一輛車已經到達交叉口B：x＜gB該車隊延誤描述如圖5所示。其中x為交叉口B對應相位的綠燈啟亮時刻與達到平衡狀態的時間間隔，該車隊的受阻時間長，受阻延誤Dd為：(5)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，車隊尾部到達交叉口B遇到綠燈，且在隊尾最后一輛車到達交叉口B時，都未達到平衡狀態，即在綠燈時長內，未完全把車隊放行，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：交叉口B綠燈時長內未完全把車隊放行：N+n1＞sd*gB該車隊延誤描述如圖6所示。車隊受阻延誤Dd為：(6)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，車隊尾部到達交叉口B也遇到第一紅燈，且在交叉口B的綠燈時長內可以把車隊車輛完全放行，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：交叉口B綠燈時長內未完全把車隊放行：N+n1≤sd*gB該車隊延誤描述如圖7所示。車隊受阻延誤Dd為：(7)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，車隊尾部到達交叉口B也遇到第一紅燈，且在交叉口B的綠燈時長內車隊車輛未完全放行，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：交叉口B綠燈時長內未完全把車隊放行：N+n1＞sd*gB該車隊延誤描述如圖8所示。車隊受阻延誤Dd為：(8)車隊頭部到達交叉口B遇到綠燈，且到達交叉口B前的排隊車輛數未消散，車隊尾部到達交叉口B遇到第二紅燈，且在交叉口B綠燈放行期間，達到平衡狀態本文檔來自技高網...

【技術保護點】
相鄰交叉口的干道協調控制模型，其特征在于：針對相鄰交叉口的干道協調控制系統采用更為完善的四相位設計方法，且兩個交叉口的距離取300～800m；針對連接干道上的車輛，不考慮車輛的離散情況，車輛到達率不變，同時不同交叉口不同車道的車輛放行率不同且不變；針對信號燈，不考慮信號燈轉換的損失時間；針對交叉口以及道路，不考慮行人的影響以及右轉車輛的延誤，不考慮駕駛員以及行人等因素，相鄰交叉口的兩交叉口共用同一周期長度；相鄰交叉路口系統建立數學模型，并以從路口A到路口B下行為例，分析計算從路口A放行車隊到達路口B的延誤時間；定義路口A第一相位綠燈啟亮時刻為0時刻，按照上游路口A放行車隊的隊首與隊尾車輛到達下游路口B遇到的信號燈狀態，以及下游路口B在放行期間是否達到平衡點分以下幾種情況：(1)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈(將交叉口A第一相位綠燈啟亮時刻作為0時刻，即0時刻后，放行車隊在達到下游交叉口B時，進入對應車道的車隊在該車道方向上的信號燈第一次為紅燈)，且車隊尾部到達交叉口B遇到第二紅燈(0時刻后，放行車隊在達到下游交叉口B時，進入對應車道的車隊在該車道方向上的信號燈第二次為紅燈)，在交叉口B綠燈放行期間，達到平衡狀態(到達的車輛可以順利通過交叉口)，滿足如下條件：車隊頭部到達交叉口B的時刻：車隊尾部到達交叉口B的時刻：交叉口B對應相位的綠燈啟亮時刻與達到平衡狀態時刻的時間間隔：x=t-T1=n1+q*(T1-t1)sd-q<gB]]>其中，a為車隊頭部在上游交叉口A準備出發時已經過了的時間長，L為兩相鄰交叉口A、B間的間距，L1為放行車隊到達下游交叉口B時路口前的車輛排隊長度，v為車輛在道路上的平均行駛速度，T為相位差，rB為交叉口B南北向的綠燈時長(此時東西向是紅燈)，T1為交叉口B對應放行相位的綠燈啟亮時刻，N為上游交叉口A在放行相位下放行的車隊車輛數，有N＝sd*g，g為放行相位的時間長，sd為車輛到達率，q為車輛放行率，gB為下游交叉口B對應放行相位的綠燈時間長，C為周期長度，t為達到平衡點的時刻，n1為放行車輛到達交叉口B對應車道的排隊車輛數，有Vr為一輛車的平均車身長度(車輛數與車隊長度的換算值)；該車隊延誤描述如下，t1為車隊頭部到達交叉口B的時刻，t2為車隊尾部到達交叉口B的時刻，t為車隊到達交叉口B在綠燈放行期間達到平衡狀態的時刻，x為交叉口B對應相位的綠燈啟亮時刻與達到平衡狀態的時間間隔，該車隊的受阻時間長，受阻延誤Dd為：Dd=(n1+sd*x)*(x+T1-t1)-ssd*x22+(2*T+2*C-ts2-T1-gB)*q*(t2-T1-gB)2---(1)]]>(2)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，車隊尾部到達交叉口B遇到第二紅燈，且在交叉口B綠燈放行期間，未達到平衡狀態，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：未達到平衡狀態：N+n1＞sd*gB其中，N為上游路口A在綠燈時間內放行車隊的總車輛數；該車隊延誤描述如下，車隊受阻描述下，車隊的受阻延誤Dd為：Dd=(2*n1+N)*Nq2+(N+n1)*(T+C-t2)-(2*T+2*C-2*T1-gB)*gB*sd2---(2)]]>(3)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，車隊尾部到達交叉口B遇到綠燈，且在交叉口B綠燈放行期間，達到平衡狀態，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：該車隊延誤描述如下，其中x為交叉口B對應相位的綠燈啟亮時刻與達到平衡狀態的時間間隔，該車隊的受阻時間長，受阻延誤Dd為：Dd=(n1+sd*x)*(x+T1-t1)-sd*x22---(3)]]>(4)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，車隊尾部到達交叉口B遇到綠燈，且在該綠燈時長內到達平衡狀態前，隊尾最后一輛車已經到達交叉口B，沒有車輛繼續到達，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：在達到平衡狀態前，車隊最后一輛車已經到達交叉口B：x＜gB該車隊延誤描述如下，其中x為交叉口B對應相位的綠燈啟亮時刻與達到平衡狀態的時間間隔，該車隊的受阻時間長，受阻延誤Dd為：Dd=(2*n1+N)*Nq2+(N+n1)*(T1+N+n1sd-t2)-(N+n1)22*sd---(4)]]>(5)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，車隊尾部到達交叉口B遇到綠燈，且在隊尾最后一輛車到達交叉口B時，都未達到平衡狀態，即在綠燈時長內，未完全把車隊放行，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：交叉口B綠燈時長內未完全把車隊放行：N+n1＞sd*gB該車隊延誤描述如下，車隊受阻延誤Dd為：Dd=(2*n1+N)*Nq2+(N+n1)*(T+C-t2)-(2*T+2*C-2*T1-gB)*gB*sd2...

【技術特征摘要】
1.一種基于最小生成樹聚類改進遺傳算法的相鄰交叉口干道協調控制方法，其特征在于：針對相鄰交叉口的干道協調控制系統采用更為完善的四相位設計方法，且兩個交叉口的距離取300～800m；針對連接干道上的車輛，不考慮車輛的離散情況，車輛到達率不變，同時不同交叉口不同車道的車輛放行率不同且不變；針對信號燈，不考慮信號燈轉換的損失時間；針對交叉口以及道路，不考慮行人的影響以及右轉車輛的延誤，不考慮駕駛員及行人的影響，相鄰交叉口的兩交叉口共用同一周期長度；相鄰交叉路口系統建立數學模型，分析計算從交叉口A放行車隊到達交叉口B的延誤時間；定義交叉口A第一相位綠燈啟亮時刻為0時刻，按照上游交叉口A放行車隊的隊首與隊尾車輛到達下游交叉口B遇到的信號燈狀態，以及下游交叉口B在放行期間是否達到平衡狀態分以下幾種情況：在以下模型中用到的術語解釋如下：第一紅燈：將交叉口A第一相位綠燈啟亮時刻作為0時刻，即0時刻后，放行車隊在達到下游交叉口B時，進入對應車道的車隊在該車道方向上的信號燈第一次為紅燈第二紅燈：0時刻后，放行車隊在達到下游交叉口B時，進入對應車道的車隊在該車道方向上的信號燈第二次為紅燈平衡狀態：到達的車輛能夠順利通過交叉口為平衡狀態；(1)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，且車隊尾部到達交叉口B遇到第二紅燈，在交叉口B綠燈放行期間，達到平衡狀態，滿足如下條件：車隊頭部到達交叉口B的時刻：車隊尾部到達交叉口B的時刻：交叉口B對應相位的綠燈啟亮時刻與達到平衡狀態時刻的時間間隔：其中，a為車隊頭部在上游交叉口A準備出發時已經過了的時間長，L為兩相鄰交叉口A、B間的間距，L1為放行車隊到達下游交叉口B時路口前的車輛排隊長度，v為車輛在道路上的平均行駛速度，T為相位差，rB為交叉口B南北向的綠燈時長，T1為交叉口B對應放行相位的綠燈啟亮時刻，N為上游交叉口A在放行相位綠燈時間內放行的車隊車輛總數，有N＝sd*g，g為放行相位的綠燈時長，sd為車輛到達率，q為車輛放行率，gB為下游交叉口B對應放行相位的綠燈時間長，C為周期長度，t為車隊達到交叉口在綠燈放行期間達到平衡狀態的時刻，n1為放行車輛到達交叉口B對應車道的排隊車輛數，有Vr為一輛車的平均車身長度；該車隊延誤描述如下，t1為車隊頭部到達交叉口B的時刻，t2為車隊尾部到達交叉口B的時刻，t為車隊到達交叉口B在綠燈放行期間達到平衡狀態的時刻，x為交叉口B對應相位的綠燈啟亮時刻與達到平衡狀態時刻的時間間隔，該車隊的受阻時間長，受阻延誤Dd為：1(2)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，車隊尾部到達交叉口B遇到第二紅燈，且在交叉口B綠燈放行期間，未達到平衡狀態，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：未達到平衡狀態：N+n1>sd*gB其中，N為上游交叉口A在綠燈時間內放行的車隊車輛總數；該車隊延誤描述如下，車隊受阻描述下，車隊的受阻延誤Dd為：(3)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，車隊尾部到達交叉口B遇到綠燈，且在交叉口B綠燈放行期間，達到平衡狀態，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：該車隊延誤描述如下，其中x為交叉口B對應相位的綠燈啟亮時刻與達到平衡狀態時刻的時間間隔，該車隊的受阻時間長，受阻延誤Dd為：(4)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，車隊尾部到達交叉口B遇到綠燈，且在該綠燈時長內到達平衡狀態前，隊尾最后一輛車已經到達交叉口B，沒有車輛繼續到達，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：在達到平衡狀態前，車隊最后一輛車已經到達交叉口B：x<gB該車隊延誤描述如下，其中x為交叉口B對應相位的綠燈啟亮時刻與達到平衡狀態時刻的時間間隔，該車隊的受阻時間長，受阻延誤Dd為：(5)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，車隊尾部到達交叉口B遇到綠燈，且在隊尾最后一輛車到達交叉口B時，都未達到平衡狀態，即在綠燈時長內，未完全把車隊放行，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：交叉口B綠燈時長內未完全把車隊放行：N+n1>sd*gB該車隊延誤描述如下，車隊受阻延誤Dd為：(6)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，車隊尾部到達交叉口B也遇到第一紅燈，且在交叉口B的綠燈時長內車隊車輛能被完全放行，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：交叉口B綠燈時長內未完全把車隊放行：N+n1≤sd*gB該車隊延誤描述如下，車隊受阻延誤Dd為：(7)車隊頭部到達交叉口B遇到第一紅燈，車隊尾部到達交叉口B也遇到第一紅燈，且在交叉口B的綠燈時長內車隊車輛未完全放行，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：交叉口B綠燈時長內未完全把車隊放行：N+n1>sd*gB該車隊延誤描述如下，車隊受阻延誤Dd為：(8)車隊頭部到達交叉口B遇到綠燈，且到達交叉口B前的排隊車輛數未消散，車隊尾部到達交叉口B遇到第二紅燈，且在交叉口B綠燈放行期間，達到平衡狀態，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：車隊頭部達到交叉口B的時刻與達到平衡狀態的時刻的時間間隔：其中，L2為車隊頭部到達交叉口B時剩余車輛的排隊長度，n2為車隊頭部到達下游交叉口B時剩余的排隊車輛數，有由下式：n2＝n1-(t1-T1)*sd得到：L2＝a*v+L-t1*v該車隊延誤描述如下，車隊受阻延誤Dd為：(9)車隊頭部到達交叉口B遇到綠燈，且到達交叉口B前的排隊車輛數未消散，車隊尾部到達交叉口B遇到第二紅燈，且在交叉口B綠燈放行期間，未達到平衡狀態，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：未到達平衡狀態：N+n2>sd*(T1+gB-t1)該車隊延誤描述如下，車隊受阻延誤Dd為：(10)車隊頭部到達交叉口B遇到綠燈，且到達交叉口B前的排隊車輛數未消散，車隊尾部到達交叉口B也遇到綠燈，且在最后一輛車到達交叉口B前，已達到平衡狀態，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：該車隊延誤描述如下，車隊受阻延誤Dd為：(11)車隊頭部到達交叉口B遇到綠燈，且到達交叉口B前的排隊車輛數未消散，車隊尾部到達交叉口B也遇到綠燈，且達到平衡狀態前，車隊最后一輛車已經到達交叉口B，滿足如下條件：車隊頭部到達路口B的時刻：車隊尾部到達路口B的時刻：該車隊延誤描述如下，車隊受阻延誤Dd為：

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊新武，王巧慧，薛慧斌，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：北京;11