一种城市交通流过饱和状态下的交通控制子区划分方法

技术领域

本发明涉及智慧交通领域，尤其涉及一种城市交通流过饱和状态 下的交通控制子区划分方法。

背景技术

随着城市经济的发展，机动车保有量呈现快速增加的状态，而城 市道路增长有限且缓慢，导致城市正常的交通出行严重受阻，交通拥 堵频发，车辆运输效率显著下降，影响着城市居民的正常出行，制约 着经济的发展。特别在大城市，过饱和交通拥堵已经成为常态。过饱 和交通拥堵以及随之而来环境污染及能源短缺等问题已经成为影响 城市发展和市民生活水平的重大问题。

作为现代城市交通管理的一个极其重要的手段，城市道路交通信 号控制设计优化的好坏将在很大程度上决定着城市道路车辆运行的 疏通与否。然而车辆在过饱和交通状态下的通行效率极低，能源消耗 极大。因此设计好城市过饱和交通状态下的信号控制是治理城市交通 的重点。

复杂的城市路网在过饱和交通状态下，路网所辖范围内不同区域 有着不同交通特性(包括交通方式构成、交通量、流向等)，对其进 行整体协调是非常困难的，因为一般路网协调控制需要统一的信号控 制时间，而让城市中所有的交叉口的信号周期时间相等或成倍数关系 是不现实的。因此需要把控制范围划分为不同的控制区域，每个控制 区域根据自身的交通流特点设计相应的控制方案，即在过饱和状态下 需要划分控制子区。

作为过饱和交通状态信号协调控制的前提，过饱和交通状态下子 区的划分方法有以下特点：1.相邻交叉口之间若具有相似的交通性 质，则应将它们划分在同一个控制子区，以确保交通流运行的连续。 2.需要判断将相邻交叉口划分到同一个控制子区是否有助于过饱和 流的疏散；3.需要考虑将一些饱和度较低的路口加入到过饱和控制子 区中，以让饱和车流得到快速稳定的连续释放，缓解过饱和交通状态。

1)国内外过饱和交通状态子区划分方法已有研究成果，SCATS 系统以子系统(sub-system)形式作为最小协调单元进行自适应控制,其 子系统即子区的概念,当交通流发生变化时候,其子区将按各个路口交 通状况及它们相互之间的相关性重新调整.二是根据过饱和控制策略 对控制结构范围的界定提出要求.同济大学杨晓光从判别过饱和路段 出发,以交叉口之间的关联度为量化指标,建立并验证关联度计算模型, 并通过界定阻塞区、过渡区和常态区以及消散区提出过饱和状态下交 通控制小区的动态划分方法。但是上述研究没有及时考虑路口的过饱 和状态识别，而拥堵是由点到线再到面进行扩散的，因此会影响划分 的效果。

发明内容

本发明为克服上述的不足之处，目的在于提供一种城市交通流过 饱和状态下的交通控制子区划分方法，本方法根据路网中各路口和路 段的实时检测数据，自动识别路口和路段拥堵等级，再以路口、路段 的拥堵等级动态划分过饱和子区；可及时及时准确识别过饱和路口并 动态划分子区，有利于提高过饱和交通状态下信号控制效率。

本发明是通过以下技术方案达到上述目的：一种城市交通流过饱 和状态下的交通控制子区划分方法，包括步骤如下：

(1)根据路口及路段的实时检测数据计算单路口的各相位中主要流 向饱和度、各相位主要流向上游路段的排队比；

(2)利用各相位主要流向上游路段的排队比计算得到路段拥堵度；

(3)判断单路口各相位主要流向饱和度、上游路段排队比是否都达 到各自阈值，若都达到阈值，则将该路口作为子区划分起点；否则结 束；其中阈值是预设的；

(4)判断与子区划分起点路口相连路段的实时路段拥堵度，若实时 路段拥堵度达到阈值，则将路段及其两端相连的路口加入到该子区 中，取出新加入子区的路口后执行下一步；若无达到阈值的相连路段 则子区划分结束，将该路口单独划分为一个子区；其中阈值为预设的；

(5)将新加入子区的单个或多个路口依次作为子区延伸的起点，提 取与路口相连路段的实时路段拥堵度，若路段的实时拥堵度超过阈 值，则将该路段及其相连路口加入到子区中，取出新加入子区的路口， 进入步骤(6)；若无达到阈值路段，则终止子区的扩散，子区划分结 束；其中阈值为预设的；

(6)重复执行步骤(5)，直到子区划分结束。

作为优选，所述步骤(1)计算单路口的各相位中主要流向饱和 度的公式如下：

$x_{i,j}=\frac{q_{i,j}}{C_i}=\frac{q_{i,j}}{{\lambda }_i{q}_{s,i}}$

其中，q_i,j为相位i的主要流向j到达停车线的交通流量，单位为 veh/h；C_i为相位i的通行能力，单位为PCU/h；λ_i为相位i的绿信比； q_s,i为相位i的饱和流量，单位为PCU/h。

作为优选，所述步骤(1)中各相位主要流向上游路段的排队比 的计算公式如下：

$l=\frac{L}{L_R}$

其中，L为相位主要流向上游路段在相位绿灯结束后的的排队长 度，L_R为路段的长度。

作为优选，所述步骤(2)路段拥堵度的定义及计算公式如下：

C＝max(l₁，l₂)

$l_1=\frac{L_1}{L_{R1}}$

$l_2=\frac{L_2}{L_{R2}}$

其中，C为两个相邻交叉口之间的路段，l₁、l₂为该路段两个方 向对应的路段R₁、R₂的排队比。

本发明的有益效果在于：(1)本方法能及时准确地识别过饱和路 口并动态划分子区，有利于提高过饱和交通状态下信号控制效率；(2) 能对城市过饱和路网进行有效的子区划分，多类别的过饱和子区划分 效果优于传统单一的过饱和子区划分。

附图说明

图1是本发明实施例中的城市路网示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护 范围并不仅限于此：

实施例：如图1所示，一个具有12个路口的城市路网，每个路 口和路段都有实时检测设备用于检测各个所需的交通量：路口各流向 的流向、车辆的排队的长度、路口信号绿信比。任意两个路口之间有 两个主要的流向(也有可能只有一个流向)，记为一条路段，每条路 段都有一个实时的拥挤度。先假设这12个路口中多个路口达到了过 饱和的交通状态，具体判断方法如下1)所示，A路口是其中的一个， 其中AB、BC、AD、DE、EF表示的路段的拥挤度超过阈值，并且 路网中其他路段拥挤度都没有超过阈值。在以下步骤中假设先从路口 A开始划分子区。

一种城市交通流过饱和状态下的交通控制子区划分方法：根据实 时的交通状况，动态计算路口相位的主要流向饱和度、相连路段的排 队比，都过对这两个指标的计算，识别出达到饱和状态的路口，然后 再结合路段的拥挤度进行子区的划分，步骤如下：

1)通过定义及计算流向饱和度、路段的排队比来识别单路口的 过饱和交通状态：

首先计算单路口各相位中主要流向饱和度：

$x_{i,j}=\frac{q_{i,j}}{C_i}=\frac{q_{i,j}}{{\lambda }_i{q}_{s,i}}$

式中：q_i,j为相位i的主要流向j到达停车线的交通流量(veh/h)， C_i为相位i的通行能力(PCU/h)，λ_i为相位i的绿信比，q_s,i为相位i 的饱和流量(PCU/h)；

然后计算各相位主要流向上游路段的排队比：

$l=\frac{L}{L_R}$

式中：L为相位主要流向上游路段在相位绿灯结束后的的排队长 度，L_R为路段的长度。

可判断：当x_i,j较大时，可以认为该流向的车流量比较大。当x_i,j大 于一个阈值时，可以认为达到饱和状态。当x_i,j较小时，则可能出现 两种情况，一是车流量本来就比较小，二是因为路口达到了过饱和的 交通状态导致较低的车流消散度，因此需要借助车辆的排队情况加以 辩证，即当x_i,j小于某个阈值时，如x_i,j<0.3，则还要取主要流向j对应 上游路段的排队比l，若排队比大于某个阈值，如l>0.1，则可以判断 该流向已经处于过饱和状态。

2)定义及计算路段拥挤度：

C＝max(l₁,l₂)

$l_1=\frac{L_1}{L_{R1}}$

$l_2=\frac{L_2}{L_{R2}}$

式中：C为两个相邻交叉口之间的路段，l₁、l₂为该路段两个方 向对应的路段R₁、R₂的排队比。

3)进行子区划分：

Step1:根据要求2中的单路口交通状态识别方法对指定路网中 的所有路口进行交通状态识别，将所有达到过饱和状态的路口放入到 一个集合M_k中。令i＝j＝k＝0；

Step2:在集合M_k中选取任意一个路口(不妨记为m_k)作为单个 子区的划分起点；

Step3:将m_k路口放入一个集合A_i，记a_i,s为A_i中第s个路口元素；

Step4:取路口a_i,s相连路段的交通拥挤度l，依次判断各路段拥挤 度是否超过一个确切的拥挤度阈值l_omax，将l>l_omax路段相连的路口放 入集合B；

Step5:判断是否A_i中所有路口都经Step4处理过，如果没有则进 入Step6，如果是则进入Step7；

Step6:令s＝s+1,返回到Step4；

Step7:判断是否i>0,若是，则令集合C＝B-A_i∪A_i-1，若否，令 C＝B-A_i；

Step8:判断集合C是否为空，若不空，则进行下一步。若为空， 则进入Step10；

Step9:令i＝i+1，将集合C中路口放入集合A_i，清空集合B、C， 令s＝0回到Step4；

Step10:令T_j＝A₀∪A₁∪...A_i，k＝k+1，j＝j+1，令M_k＝M_k-1-M_k-1∩T_j-1；

Step11:判断M_k是否为空，若不为空则回到Step2。若为空则进 行下一步；

Step12:划分结束得到子区：T₁,T₂...T_j。

通过以上方法，最终可以得到一个包含了ABCDEF路口的子区。

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依 本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附 图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。