一种两段式干线协调信号控制优化方法技术

一种减少机动车延误和尾气排放的两段式干线协调信号控制优化方法，适用于有(无)左转短车道的干线协调信号控制系统。考虑短车道空间设计，建立了周期时长、绿信比与短车道长度优化模型。不考虑短车道空间设计，建立了周期时长与绿信比优化模型。根据优化目的，提出了以车辆总延误或交通总排放最小化为目标的函数形式。根据前期研究，选用了HCM2000、HCM1985和ARRB三种形式的车均延误模型。基于机动车比功率，给出了红、绿灯期间排放因子的标定方法。参考相关文献，改进了相位差优化方法。针对不同情况，提出了使用上述模型和方法的技术流程。结果表明，新方法有助于协调控制干线道路系统以降低车辆总延误和交通总排放，能广泛应用于干线协调信号控制优化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于智能交通控制领域，涉及一种适用于有(无)左转短车道的干线道路系统、减少机动车延误和尾气排放的两段式干线协调信号控制优化方法。
技术介绍
目前，许多城市由于机动车保有量增长而遭受交通拥堵和环境污染的困扰。降低车辆延误、减少交通排放是交通管理与控制领域近年来持续关注的热点问题之一。在城市道路网中，经常存在一条道路上若干个交叉口彼此之间具有很强的关联性，此时必须以交通群为单位进行干线道路系统的协调优化。因为干线道路是城市路网的主骨架，所以干线道路系统的运行效率对整个路网的服务水平起着至关重要的作用。同时，干线道路系统的排放水平也对整个路网的空气质量有着关键影响。因此，针对干线道路系统最大限度地降低车辆延误、减少交通排放是急需解决的关键问题。近年来，国内外相关研究成果主要集中于：(1)采用最大绿波带法或最小延误法，通过调整协调相位或非协调相位的绿灯开始或结束时刻，最大限度地减少干线道路上协调方向的车辆延误和停车次数，其技术缺陷在于忽略了协调方向和非协调方向的相关性；(2)使用车载尾气检测技术(PEMS)获取城市道路上的机动车排放数据，以不同行驶工况的平均排放因子为衡量指标，寻求交通控制方案对机动车排放量的影响，其技术缺陷在于忽略了红绿灯期间机动车行驶工况分布特征的差异；(3)利用交通仿真软件或大气扩散模型，建立考虑交通排放的信号配时优化模型，寻求最小化机动车排放量的信号控制方案，其技术缺陷在于所用排放因子没有考虑交通信号的影响；(4)上述研究忽略了短车道设置对车辆延误和交通排放的影响。已有研究显示，机动车处于不同行驶工况时其尾气排放量差异很大，而红绿灯期间机动车处于各种行驶工况的分布具有明显差异。基于单个交叉口信号配时优化的研究成果，本专利技术面向有(无)左转短车道的干线道路系统，以每条车道组红绿灯期间的排放因子为参数，提出车辆延误或交通排放最小化的两段式干线协调信号控制优化方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种降低车辆延误和交通排放的两段式干线协调信号控制优化方法，针对相同水平的交通需求最大限度地减少干线道路系统的机动车延误和尾气排放。1、周期时长、绿信比与短车道长度优化模型如果考虑短车道空间设计，所建立的周期时长、绿信比与短车道长度优化模型为式中：PI为干线道路系统性能指标；为交叉口η相位i的有效绿灯时间(s)；为交叉口η车道组j的短车道长度(m)；nη为交叉口η的相位数；为交叉口η车道组j在相位i内是否有通行权的标识符，若是否则gmin为最小有效绿灯时间(s)；Cmin为最小周期时长(s)；为交叉口η的独立相位数；l为平均相位损失时间(s)；Cmax为最大周期时长(s)；Cc为共用周期时长(s)；为平均饱和车头时距(s)；为平均停车间距(m)；为交叉口η车道组j是否设有短车道的标识符，若是否则为交叉口η与η+1的共有路段长度(m)；为交叉口η车道组j′是否在共有路段上的标识符，若是否则式(1)的决策变量为各交叉口的相位有效绿灯时间和短车道长度。其中，目标函数(a1)表示最小化由相位有效绿灯时间和短车道长度确定的干线道路系统性能指标；约束条件(b1)表示车道组有效绿灯时间不小于最低限值；约束条件(b2)表示交叉口信号周期时长不小于最低限值、不大于最高限值；约束条件(b3)表示所有交叉口的信号周期时长都相等(这里不考虑双周期或半周期)；约束条件(b4)表示设有短车道的车道组的有效绿灯时间不小于该短车道上排队车辆完全释放所需要的时间；约束条件(b5)表示相邻交叉口共有路段上的短车道长度之和不超过该共有路段的长度；约束条件(c1)表示相位有效绿灯时间均为非负数；约束条件(c2)表示短车道长度均为非负数。2、周期时长与绿信比优化模型如果不考虑短车道空间设计，所建立的周期时长与绿信比优化模型为 min P I = f ( g p i η ) ( a 2 ) s . t . Σ i = 1 n η φ i j η g p i η ≥ g min ( b 1 ) C min ≤ Σ i = 1 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种减少机动车延误和尾气排放的两段式干线协调信号控制优化方法，其特征在于以下步骤：(一)实施条件(1)由2个或2个以上交叉口构成的干线道路系统；(2)交叉口类型为三路、四路或五路，每条进口道上设置2条或2条以上车道；(3)不设置控制右转车流的独立信号；(4)每个交叉口设置2个或2个以上的信号相位；(二)周期时长、绿信比与短车道长度优化模型对于设计短车道空间，所建立的周期时长、绿信比与短车道长度优化模型为式中：PI为干线道路系统性能指标；为交叉口η相位i的有效绿灯时间(s)；为交叉口η车道组j的短车道长度(m)；nη为交叉口η的相位数；为交叉口η车道组j在相位i内是否有通行权的标识符，若是否则gmin为最小有效绿灯时间(s)；Cmin为最小周期时长(s)；为交叉口η的独立相位数；l为平均相位损失时间(s)；Cmax为最大周期时长(s)；Cc为共用周期时长(s)；为平均饱和车头时距(s)；s为平均停车间距(m)；为交叉口η车道组j是否设有短车道的标识符，若是否则为交叉口η与η+1的共有路段长度(m)；为交叉口η车道组j′是否在共有路段上的标识符，若是否则式(1)的决策变量为各交叉口的相位有效绿灯时间和短车道长度；其中，目标函数(a1)表示最小化由相位有效绿灯时间和短车道长度确定的干线道路系统性能指标；约束条件(b1)表示车道组有效绿灯时间不小于最低限值；约束条件(b2)表示交叉口信号周期时长不小于最低限值、不大于最高限值；约束条件(b3)表示所有交叉口的信号周期时长都相等；约束条件(b4)表示设有短车道的车道组的有效绿灯时间不小于该短车道上排队车辆完全释放所需要的时间；约束条件(b5)表示相邻交叉口共有路段上的短车道长度之和不超过该共有路段的长度；约束条件(c1)表示相位有效绿灯时间均为非负数；约束条件(c2)表示短车道长度均为非负数；(三)周期时长与绿信比优化模型对于不设计短车道空间，所建立的周期时长与绿信比优化模型为minPI=f(gpiη)(a2)s.t.Σi=1nηφijηgpiη≥gmin(b1)Cmin≤Σi=1nηgpiη+ndηl≤Cmax(b2)Σi=1nηgpiη+ndnl=Cc(b3)gpiη≥0(c1)---(2)]]>式(2)中各符号意义同式(1)，其中决策变量为各交叉口的相位有效绿灯时间，目标函数(a2)表示最小化由相位有效绿灯时间确定的干线道路系统性能指标，约束条件(b1)、(b2)、(b3)和(c1)意义同式(1)；(四)目标函数选择对于式(1)和(2)，目标函数(a1)和(a2)的具体形式包括以下三种：其中：式中：ψ为交叉口个数；TDη为交叉口η的车辆总延误(s)；mη为交叉口η的车道组数；为交叉口η车道组j的车均延误(s/pcu)；为机动车类别数；βω为ω类机动车的折算系数；为交叉口η车道组j上ω类机动车所占比例；为交叉口η车道组j的需求流率(veh/h)；T为分析期持续时间(h)；TEη为交叉口η的机动车排放总量(mg)；κ为污染物种类数；为交叉口η车道组j上ω类机动车排放污染物k的质量(mg)；为交叉口η车道组j上ω类机动车在绿灯期间排放污染物k的因子(mg/s/veh)；为交叉口η车道组j上ω类机动车在红灯期间排放污染物k的因子(mg/s/veh)；为交叉口η车道组j的有效绿灯时间(s)；为交叉口η车道组j上一辆ω类机动车的平均停留时间(s)；为交叉口η车道组j的进口道长度(m)；为交叉口η车道组j上ω类机动车的平均行驶速度(m/s)；式(3)表示最小化所有车辆的总延误；式(4)表示最小化所有车辆的总排放；式(5)表示同时最小化所有车辆的总延误和总排放；(五)延误公式选择对于式(1)和(2)，计算每条车道组车均延误的公式包括以下三种：dj=0.5Cc(1-λj)21-min(1,xj)λj×PFj+900T[(xj-1)+(xj-1)2+8KIjxjcjT]+1800Qj(1+uj′)tj′/(cjT)---(6)]]>dj=0.38Cc(1-λj)2(1-λjxj)+173xj2[(xj-1)+(xj-1)2+16xj/cj]---(7)]]>dj=Cc(1-λj)22(1-yj)+cjxjT4qj′[(xj-1)+(xj-1)2+12(xj-x0j)cjT],xj>x0jCc(1-λj)22(1-yj),x...

【技术特征摘要】
1.一种减少机动车延误和尾气排放的两段式干线协调信号控制优化方法，其特征在于以下步骤：(一)实施条件(1)由2个或2个以上交叉口构成的干线道路系统；(2)交叉口类型为三路、四路或五路，每条进口道上设置2条或2条以上车道；(3)不设置控制右转车流的独立信号；(4)每个交叉口设置2个或2个以上的信号相位；(二)周期时长、绿信比与短车道长度优化模型对于设计短车道空间，所建立的周期时长、绿信比与短车道长度优化模型为式中：PI为干线道路系统性能指标；为交叉口η相位i的有效绿灯时间(s)；为交叉口η车道组j的短车道长度(m)；nη为交叉口η的相位数；为交叉口η车道组j在相位i内是否有通行权的标识符，若是否则gmin为最小有效绿灯时间(s)；Cmin为最小周期时长(s)；为交叉口η的独立相位数；l为平均相位损失时间(s)；Cmax为最大周期时长(s)；Cc为共用周期时长(s)；为平均饱和车头时距(s)；s为平均停车间距(m)；为交叉口η车道组j是否设有短车道的标识符，若是否则为交叉口η与η+1的共有路段长度(m)；为交叉口η车道组j′是否在共有路段上的标识符，若是否则式(1)的决策变量为各交叉口的相位有效绿灯时间和短车道长度；其中，目标函数(a1)表示最小化由相位有效绿灯时间和短车道长度确定的干线道路系统性能指标；约束条件(b1)表示车道组有效绿灯时间不小于最低限值；约束条件(b2)表示交叉口信号周期时长不小于最低限值、不大于最高限值；约束条件(b3)表示所有交叉口的信号周期时长都相等；约束条件(b4)表示设有短车道的车道组的有效绿灯时间不小于该短车道上排队车辆完全释放所需要的时间；约束条件(b5)表示相邻交叉口共有路段上的短车道长度之和不超过该共有路段的长度；约束条件(c1)表示相位有效绿灯时间均为非负数；约束条件(c2)表示短车道长度均为非负数；(三)周期时长与绿信比优化模型对于不设计短车道空间，所建立的周期时长与绿信比优化模型为 min P I = f ( g p i η ) ( a 2 ) s . t . Σ i = 1 n η φ i j η g p i η ≥ g min ( b 1 ) C min ≤ Σ i = 1 n η g p i η + n d η l ≤ C max ( b 2 ) Σ i = 1 n η g p i η + n d n l = C c ( b 3 ) g p i η ≥ 0 ( c 1 ) - - - ( 2 ) ]]>式(2)中各符号意义同式(1)，其中决策变量为各交叉口的相位有效绿灯时间，目标函数(a2)表示最小化由相位有效绿灯时间确定的干线道路系统性能指标，约束条件(b1)、(b2)、(b3)和(c1)意义同式(1)；(四)目标函数选择对于式(1)和(2)，目标函数(a1)和(a2)的具体形式包括以下三种：其中：式中：ψ为交叉口个数；TDη为交叉口η的车辆总延误(s)；mη为交叉口η的车道组数；为交叉口η车道组j的车均延误(s/pcu)；为机动车类别数；βω为ω类机动车的折算系数；为交叉口η车道组j上ω类机动车所占比例；为交叉口η车道组j的需求流率(veh/h)；T为分析期持续时间(h)；TEη为交叉口η的机动车排放总量(mg)；κ为污染物种类数；为交叉口η车道组j上ω类机动车排放污染物k的质量(mg)；为交叉口η车道组j上ω类机动车在绿灯期间排放污染物k的因子(mg/s/veh)；为交叉口η车道组j上ω类机动车在红灯期间排放污染物k的因子(mg/s/veh)；为交叉口η车道组j的有效绿灯时间(s)；为交叉口η车道组j上一辆ω类机动车的平均停留时间(s)；为交叉口η车道组j的进口道长度(m)；为交叉口η车道组j上ω类机动车的平均行驶速度(m/s)；式(3)表示最小化所有车辆的总延误；式(4)表示最小化所有车辆的总排放；式(5)表示同时最小化所有车辆的总延误和总排放；(五)延误公式选择对于式(1)和(2)，计算每条车道组车均延误的公式包括以下三种： d j = 0.5 C c ( 1 - λ j ) 2 1 - min ( 1 , x j ) λ j × PF j + 900 T [ ( x j - 1 ) + ( x j - 1 ) 2 + 8 KI j x j c j T ] + 1800 Q j ( 1 + u j ′ ) t j ′ / ( c j T ) - - - ( 6 ) ]]> d j = 0.38 C c ( 1 - λ j ) 2 ( 1 - λ j x j ) + 173 x j 2 [ ( x j - 1 ) + ( x j - 1 ) 2 + 16 x j / c j ] - - - ( 7 ) ]]> d j = C c ( 1 - λ j ...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚荣涵，张晓彤，许向辉，徐洪峰，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21