城市快速路入匝道與主線協(xié)同信號控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種快速路入匝道與主線協(xié)同信號控制系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)包括：入匝道上、下游檢測器、主線上、下游檢測器；入匝道及主線信號燈；處理控制中心。處理控制中心根據(jù)主線上、下游檢測器檢測的速度和時間占有率，判斷主線是否堵塞，主線堵塞啟動入匝道與主線的協(xié)同信號控制；處理控制中心根據(jù)匝道檢測器檢測的流量和主線及匝道需求量，確定控制的配時方案；周期結(jié)束后，處理控制中心根據(jù)主線上游檢測器檢測的速度和時間占有率，判斷主線堵塞是否結(jié)束，若堵塞，則繼續(xù)信號控制；否則關(guān)閉。本發(fā)明在快速路堵塞時段通過協(xié)同信號輪流放行主線和匝道車輛，將兩股無序的沖突流變成有序的飽和流，提高了主線瓶頸點(diǎn)通行能力，大大改善了匯入安全性。
【專利說明】城市快速路入匝道與主線協(xié)同信號控制系統(tǒng)及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于快速路交通控制領(lǐng)域，具體涉及一種城市快速路入匝道與主線協(xié)同信 號控制系統(tǒng)及方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 快速路系統(tǒng)在大城市交通中起著主骨架路網(wǎng)的作用，承擔(dān)了城市大量的機(jī)動車出 行，保障快速路系統(tǒng)的高效運(yùn)行一直是交通管理部門重中之重的工作。
[0003] 入匝道是城市快速路連續(xù)流和地面道路間斷流轉(zhuǎn)換的通道。在快速路主線位于入 匝道匯入點(diǎn)的下游，由于匝道車流的匯入，而主線車道數(shù)沒有相應(yīng)增加，因此成為了制約快 速路通行能力的瓶頸，在高峰時段，常常會誘發(fā)快速路堵塞；同時由于匝道車輛匯入造成車 輛之間的相互搶道和互不讓行行為，引起大量事故。
[0004] 目前，對于快速路主線匯入瓶頸點(diǎn)的管理，主要是采取入口匝道控制的方法?？焖?路入口匝道控制是指通過對入匝道上行駛的車輛采取一系列的控制措施，如限速、信號控 制等，從而調(diào)節(jié)匯入主線的車流量，以達(dá)到減少快速路主線交通擁堵、提升整體使用性能的 目的，目前上海、北京等大城市陸續(xù)實施了快速路入口匝道控制。然而，隨著我國大、中城市 機(jī)動車保有量不斷增加，快速路車流量激增，特別是在早、晚高峰時段，快速路路網(wǎng)已經(jīng)呈 現(xiàn)出飽和或接近飽和的狀態(tài)，在這樣的情況下，單一的入口匝道控制主要存在以下問題： 1. 主線匯入瓶頸點(diǎn)通行能力利用不足 在堵塞時段，主線流量很大，此時入匝道車輛的匯入會對主線車流產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。相關(guān) 實證研究表明，在主線堵塞時段，入匝道車輛的匯入會造成主線匯入瓶頸點(diǎn)單車道的通行 能力損失約16%-25% ; 2. 入匝道車輛匯入發(fā)生事故可能性大 在堵塞時段，主線車流車頭空距較小，入匝道車輛匯入時需小心翼翼，極易造成車輛之 間的相互碰撞。
[0005] 本發(fā)明針對上述存在的問題，提出一種快速路入匝道與主線協(xié)同信號控制系統(tǒng)及 方法，來具體解決堵塞時段快速路主線匯入瓶頸點(diǎn)管理中的實際問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服快速路主線匯入瓶頸點(diǎn)在堵塞時段通行能力 利用不足、匯入安全性差的問題，提供一種城市快速路入匝道與主線協(xié)同信號控制系統(tǒng)及 方法。
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。技術(shù)方案中的城市快 速路入匝道與主線協(xié)同信號控制系統(tǒng)，由以下部分組成： 1) 在快速路匯流處設(shè)置主線停車線和入匝道停車線； 2) 在主線設(shè)置上游檢測器和下游檢測器，下游檢測器設(shè)置于主線停車線附近；上游檢 測器和下游檢測器之間的距離根據(jù)協(xié)同信號控制系統(tǒng)的最大周期時間C max、主線和入匝道 的平均需求量之比進(jìn)行確定；同時考慮匝道排隊長度對主線信號控制的影響，一般取200 米以內(nèi)為宜； 3) 在入匝道設(shè)置入匝道上游檢測器和入匝道下游檢測器，其中下游檢測器設(shè)置在入匝 道停車線附近；入匝道上游檢測器設(shè)置在入匝道所能允許的最大排隊位置處； 4) 在主線停車線下游設(shè)置主線信號燈及信號機(jī)，在入匝道停車線下游設(shè)置匝道信號 燈及信號機(jī)； 5) 處理控制中心，它包括根據(jù)主線下游檢測器和入匝道下游檢測器檢測的流量數(shù)據(jù)所 建立的歷史流量數(shù)據(jù)庫，處理控制中心具備如下功能： (1) 根據(jù)主線下游檢測器所檢測的平均速度和時間占有率數(shù)據(jù)，判斷主線當(dāng)前是否處 于堵塞狀態(tài)，并在主線處于堵塞狀態(tài)時啟動主線和入匝道的協(xié)同信號控制； (2) 根據(jù)入匝道下游檢測器所檢測的流量，并結(jié)合從歷史流量數(shù)據(jù)庫所獲取的主線 和入匝道需求量數(shù)據(jù)，確定信號控制的配時方案，包括周期時間和主線及入匝道的綠燈時 間； (3) 根據(jù)主線上游檢測器所檢測的平均速度和時間占有率數(shù)據(jù)，判斷主線堵塞是否結(jié) 束，并在主線堵塞結(jié)束時關(guān)閉信號控制； 6) 將所述主線上游檢測器、主線下游檢測器、匝道上游檢測器、匝道下游檢測器、主線 信號機(jī)及信號燈、入匝道信號燈及信號機(jī)分別通過光纜和/或電線和/或無線等通信系統(tǒng) 與處理控制中心相連接。
[0008] 本發(fā)明提出一種快速路入匝道與主線協(xié)同信號控制方法，包括以下步驟： 1) 獲取當(dāng)前時刻主線上游檢測器和主線下游檢測器所檢測到的平均速度和時間占有 率數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)傳輸給處理控制中心； 2) 處理控制中心根據(jù)兩個不等式K*和況Γ >況?來判斷當(dāng)前時刻主線是否處于 堵塞狀態(tài)，其中Κ和況Γ分別是主線上游檢測器/主線下游檢測器當(dāng)前時刻檢測的平均速 度和時間占有率，和分別是堵塞狀態(tài)下速度和時間占有率的臨界值。若從步驟1) 中獲取的主線上游檢測器和主線下游檢測器的數(shù)據(jù)都能使這兩個不等式同時成立，則處理 控制中心判斷當(dāng)前時刻主線處于堵塞狀態(tài)；否則判斷當(dāng)前時刻主線處于非堵塞狀態(tài)； 3) 若當(dāng)前時刻主線處于堵塞狀態(tài)，處理控制中心則立即啟動對入匝道和主線的協(xié)同信 號控制，轉(zhuǎn)入步驟4);否則不啟動信號控制，返回步驟1); 4) 處理控制中心確定協(xié)同信號控制的配時方案，將配時方案傳輸給信號機(jī)，信號機(jī)根 據(jù)配時方案指揮信號燈工作，配時方案的確定包括如下步驟： (1) 根據(jù)入匝道檢測器檢測的流量和查詢歷史流量數(shù)據(jù)庫所確定的當(dāng)前時刻主線需求 量和匝道需求量，計算主線排隊車輛和入匝道排隊車輛以飽和流量消散所需的時間，同時 考慮最大、最小周期時間的約束，確定一個合適的周期時間； (2) 根據(jù)所確定的周期時間和當(dāng)前時刻的主線需求量和匝道需求量，采取按需求量 均分綠燈時間的原則，同時考慮入匝道最大排隊車輛數(shù)的約束，確定主線和入匝道綠燈時 間； 5) 周期時間結(jié)束后，處理控制中心根據(jù)當(dāng)前時刻主線上游檢測器檢測的平均速度和時 間占有率數(shù)據(jù)，判斷主線堵塞是否結(jié)束，從而決定是否繼續(xù)實施協(xié)同信號控制： (1)若當(dāng)前時刻主線上游檢測器的檢測數(shù)據(jù)能夠使得兩個不等式Κ*和況Γ >況? 同時成立，則判定主線仍處于堵塞中，繼續(xù)實施協(xié)同信號控制，返回步驟4); (2)若當(dāng)前時刻主線上游檢測器的檢測數(shù)據(jù)不能夠使得兩個不等式K*和 ?同時成立，則判定主線堵塞結(jié)束，關(guān)閉入匝道和主線的協(xié)同信號控制，返回步驟 1)。
[0009] 本發(fā)明中，所述的確定周期時間，具體計算步驟如下： 1) 數(shù)據(jù)采集 (1) 查詢主線和入匝道歷史流量數(shù)據(jù)庫，確定當(dāng)前時刻的主線需求量Α (輛Α)和匝道 需求量久（輛/s); (2) 采取實際觀測或理論模型計算或微觀仿真的方法確定入匝道的通行能力0 (輛/ s); (3) 根據(jù)入匝道上游檢測器和入匝道下游檢測器所檢測的流量數(shù)據(jù)，利用排隊長度計 算方法，例如利用流量累計變形曲線法，確定當(dāng)前時刻處在這兩個檢測器之間的匝道排隊 車輛數(shù)7 (輛）； 2) 計算周期時間 (1) 根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范和實際操作經(jīng)驗，確定周期時間的最大值Cmax (s)和最小值Cmin (s)，以及綠燈間隔時間（或黃燈時間）J (s); (2) 根據(jù)入匝道排隊車輛數(shù)/和通行能力仏按公式（7 /仍計算得到入匝道車輛消散 所需綠燈時間G (s);根據(jù)匕及主線與入匝道的需求量之比A /久，按公式（G* A /久） 可計算得到主線綠燈時間i2 (s);根據(jù)匕、?2和/，按公式（6+^+2/)計算得到周期時間C (s)； (3) 為了使綠燈時間能夠充分利用，此時要求周期時間不能大于G同時考慮到最大周 期時間的約束，?。椋ê虲max中的較小者，更新（的值； (4) 為了保證周期時間不小于最小值，取C為C和Cmin中的較大者，更新C的值，將此時 的C值作為最終確定的周期時間G
[0010] 本發(fā)明中，所述的確定主線及入匝道綠燈時間，具體計算步驟如下： 1) 數(shù)據(jù)采集 (1) 獲取當(dāng)前時刻的主線需求量A (輛/s)和匝道需求量A (輛/s); (2) 獲取入匝道的通行能力0 (輛/s)，同時根據(jù)入匝道的實際幾何條件確定入匝道所 能容納的最大排隊車輛數(shù)Z (輛）； 2) 計算主線和入匝道的綠燈時間 (1) 根據(jù)計算得到的周期時間^判斷下列不等式是否成立： C-D2-(C-2I)·D2/CA + 4) ρ <￡ 式中：〃入匝道排隊最大容忍度系數(shù)，取值范圍為[0，1]，其值越大，表明所容忍的最 大匝道排隊長度越長，當(dāng)其取值為1時，表示容忍匝道車輛排隊到最大排隊位置處； 若不等式成立轉(zhuǎn)入步驟（2)，否則轉(zhuǎn)入步驟（3); (2) 在此種情況下，若根據(jù)主線和入匝道需求量按比例均分綠燈時間，不會致使入匝道 上的排隊車輛數(shù)在周期時間內(nèi)超過所設(shè)定的最大容忍值，此時按照以下公式計算主線和匝 道上的綠燈時間：

【權(quán)利要求】
1. 城市快速路入匝道與主線協(xié)同信號控制系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)組成包括如下部分： 1) 在快速路匯流處設(shè)置主線停車線和入匝道停車線； 2) 在主線設(shè)置上游檢測器和下游檢測器，下游檢測器設(shè)置于主線停車線附近；上游檢 測器和下游檢測器之間的距離根據(jù)協(xié)同信號控制系統(tǒng)的最大周期時間C max、主線和入匝道 的平均需求量之比進(jìn)行確定； 3) 在入匝道設(shè)置入匝道上游檢測器和入匝道下游檢測器，其中下游檢測器設(shè)置在入匝 道停車線附近，入匝道上游檢測器設(shè)置在入匝道所能允許的最大排隊位置處； 4) 在主線停車線下游設(shè)置主線信號燈及信號機(jī)，在入匝道停車線下游設(shè)置匝道信號燈 及信號機(jī)； 5) 處理控制中心，它包括根據(jù)主線下游檢測器和入匝道下游檢測器檢測的流量數(shù)據(jù)所 建立的歷史流量數(shù)據(jù)庫，處理控制中心具備如下功能： (1) 根據(jù)主線下游檢測器所檢測的平均速度和時間占有率數(shù)據(jù)，判斷主線當(dāng)前是否處 于堵塞狀態(tài)，并在主線處于堵塞狀態(tài)時啟動主線和入匝道的協(xié)同信號控制； (2) 根據(jù)入匝道下游檢測器所檢測的流量，并結(jié)合從歷史流量數(shù)據(jù)庫所獲取的主線 和入匝道需求量數(shù)據(jù)，確定信號控制的配時方案，包括周期時間和主線及入匝道的綠燈時 間； (3) 根據(jù)主線上游檢測器所檢測的平均速度和時間占有率數(shù)據(jù)，判斷主線堵塞是否結(jié) 束，并在主線堵塞結(jié)束時關(guān)閉信號控制； 6) 將所述主線上游檢測器、主線下游檢測器、匝道上游檢測器、匝道下游檢測器、主線 信號機(jī)及信號燈、入匝道信號燈及信號機(jī)分別通過光纜和/或電線和/或無線等通信系統(tǒng) 與處理控制中心相連接。
2. -種如權(quán)利要求1所述的城市快速路入匝道與主線協(xié)同信號控制系統(tǒng)的控制方法， 其特征在于具體步驟如下： 1) 獲取當(dāng)前時刻主線上游檢測器和主線下游檢測器所檢測到的平均速度和時間占有 率數(shù)據(jù)，并將該數(shù)據(jù)傳輸給處理控制中心； 2) 處理控制中心根據(jù)兩個不等式K*和況Γ >況?來判斷當(dāng)前時刻主線是否處 于堵塞狀態(tài)，其中Κ和況Γ分別是主線上游檢測器/主線下游檢測器當(dāng)前時刻檢測的平均 速度和時間占有率，和分別是堵塞狀態(tài)下速度和時間占有率的臨界值；若從步驟1) 中獲取的主線上游檢測器和主線下游檢測器的數(shù)據(jù)都能使這兩個不等式同時成立，則處理 控制中心判斷當(dāng)前時刻主線處于堵塞狀態(tài)；否則判斷當(dāng)前時刻主線處于非堵塞狀態(tài)； 3) 若當(dāng)前時刻主線處于堵塞狀態(tài)，處理控制中心則立即啟動對入匝道和主線的協(xié)同信 號控制，轉(zhuǎn)入步驟4);否則不啟動信號控制，返回步驟1); 4) 處理控制中心確定協(xié)同信號控制的配時方案，將配時方案傳輸給信號機(jī)，信號機(jī)根 據(jù)配時方案指揮信號燈工作，配時方案的確定包括如下步驟： (1) 根據(jù)入匝道檢測器檢測的流量和查詢歷史流量數(shù)據(jù)庫所確定的當(dāng)前時刻主線需求 量和匝道需求量，計算主線排隊車輛和入匝道排隊車輛以飽和流量消散所需的時間，同時 考慮最大、最小周期時間的約束，確定一個合適的周期時間； (2) 根據(jù)所確定的周期時間和當(dāng)前時刻的主線需求量和匝道需求量，采取按需求量 均分綠燈時間的原則，同時考慮入匝道最大排隊車輛數(shù)的約束，確定主線和入匝道綠燈時 間； 5)周期時間結(jié)束后，處理控制中心根據(jù)當(dāng)前時刻主線上游檢測器檢測的平均速度和時 間占有率數(shù)據(jù)，判斷主線堵塞是否結(jié)束，從而決定是否繼續(xù)實施協(xié)同信號控制： (1) 若當(dāng)前時刻主線上游檢測器的檢測數(shù)據(jù)能夠使得兩個不等式K*和況Γ >況? 同時成立，則判定主線仍處于堵塞中，繼續(xù)實施協(xié)同信號控制，返回步驟4); (2) 若當(dāng)前時刻主線上游檢測器的檢測數(shù)據(jù)不能夠使得兩個不等式Κ*和 ?同時成立，則判定主線堵塞結(jié)束，關(guān)閉入匝道和主線的協(xié)同信號控制，返回步驟 1)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于所述的確定周期時間，具體計算步驟 如下： 1) 數(shù)據(jù)采集 (1) 查詢主線和入匝道歷史流量數(shù)據(jù)庫，確定當(dāng)前時刻的主線需求量Α (輛Α)和匝道 需求量久（輛/s); (2) 采取實際觀測或理論模型計算或微觀仿真的方法確定入匝道的通行能力0 (輛/ s); (3) 根據(jù)入匝道上游檢測器和入匝道下游檢測器所檢測的流量數(shù)據(jù)，利用排隊長度計 算方法，確定當(dāng)前時刻處在這兩個檢測器之間的匝道排隊車輛數(shù)7 (輛）； 2) 計算周期時間 (1) 根據(jù)相關(guān)設(shè)計規(guī)范和實際操作經(jīng)驗，確定周期時間的最大值Cmax (s)和最小值Cmin (s)，以及綠燈間隔時間或黃燈時間J (s); (2) 根據(jù)入匝道排隊車輛數(shù)/和通行能力仏按公式（7 /仍計算得到入匝道車輛消散 所需綠燈時間G (s);根據(jù)入匝道車輛消散所需綠燈時間匕及主線與入匝道的需求量之比 A / Α，按公式（G* A / Α)計算得到主線綠燈時間h(s);根據(jù)入匝道車輛消散所需綠燈 時間G、主線綠燈時間?2和綠燈間隔時間/，按公式Ui+h+2/)計算得到周期時間C (s); (3) 為使綠燈時間能夠充分利用，要求周期時間不能大于G同時考慮到最大周期時間 的約束，取C為C和Cmax中的較小者，更新C的值； (4) 為保證周期時間C不小于最小值，取C為C和Cmin中的較大者，更新C的值，將此時 的C值作為最終確定的周期時間G
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于所述的確定主線及入匝道綠燈時間， 具體計算步驟如下： 1) 數(shù)據(jù)采集 (1) 獲取當(dāng)前時刻的主線需求量A (輛/s)和匝道需求量A (輛/s); (2) 獲取入匝道的通行能力0 (輛/s)，同時根據(jù)入匝道的實際幾何條件確定入匝道所 能容納的最大排隊車輛數(shù)Z (輛）； 2) 計算主線和入匝道的綠燈時間 (1)根據(jù)計算得到的周期時間^判斷下列不等式是否成立： σ·Α-(σ-2/)·Α/(Α + Α)·β 式中：〃入匝道排隊最大容忍度系數(shù)，取值范圍為[ο，ι]，其值越大，表示所容忍的最 大匝道排隊長度越長，當(dāng)其取值為1時，表示容忍匝道車輛排隊到最大排隊位置處； 若不等式成立轉(zhuǎn)入步驟（2)，否則轉(zhuǎn)入步驟（3); (2) 若根據(jù)主線和入匝道需求量按比例均分綠燈時間，不會致使入匝道上的排隊車輛 數(shù)在周期時間內(nèi)超過所設(shè)定的最大容忍值，按照以下公式計算主線和匝道上的綠燈時間：
式中：g±主線綠燈時間； 入匝道綠燈時間； (3) 若根據(jù)主線和入匝道需求量按比例均分綠燈時間，入匝道所分配得到的綠燈時間 不足，會造成入匝道上的排隊車輛數(shù)在周期時間內(nèi)超過所設(shè)定的最大容忍值，因此需要給 予入匝道車輛更多的綠燈時間，按照以下公式計算主線和匝道上的綠燈時間：
【文檔編號】G08G1/08GK104103180SQ201410333667
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月15日
【發(fā)明者】孫劍, 李宙峰, 李克平 申請人:同濟(jì)大學(xué)