[发明专利]面向活跃相位的干道协调信号控制方案的过渡方法

摘要

本发明属于智能交通控制技术领域，涉及一种干道协调信号控制方案的过渡方法，其特征在于：建立了主导相位链、活跃相位等概念，将活跃相位的过渡绿灯时间作为吸纳当前方案和新方案的技术参数取值差异的主导力量；方案切换指令下发时刻，立即启动过渡过程；对活跃相位的过渡绿灯时间变化幅度加以严格限制，将活跃相位的过渡绿灯时间边界值引入过渡过程持续时间、过渡信号周期时间和过渡绿灯时间的求解过程；对于经历多个过渡信号周期的过渡过程，已知过渡过程持续时间和过渡信号周期数，分别建立过渡信号周期时间和过渡绿灯时间的非线性整数规划模型。本发明具有快速、平稳的特点，可以在交通信号控制系统中得到广泛应用。

主权项

1.一种面向活跃相位的干道协调信号控制方案的过渡方法，其特征是，（1）命名相位相位名称是相位的惟一性标识；相位名称由单个英文大写字母和正整数构成，字母表示相位类型，数字表示序号；按照“北、东、南、西”的顺时针顺序，为交叉口各个进口方向的相位命名；（2）给主导相位链和主导相位的编号绿灯间隔时间是指控制方案中，对于互为冲突且存在通行权传承关系的两个相位，当前绿灯相位的绿灯结束时刻至下一绿灯相位的绿灯启亮时刻的时间间隔；主导相位链是指根据相位显示顺序，由互为冲突且存在通行权传承关系的相位，按照通行权的传承顺序串联而成的链式结构，记为“相位名称→…→相位名称”；主导相位链上各个相位的绿灯时间加上绿灯间隔时间等于信号周期时间；主导相位链上的相位称为主导相位；一个主导相位可以归属于多条主导相位链；交叉口的协调相位必然是主导相位；不包含在主导相位链中的相位称为非主导相位；关键协调相位是指以交叉口相位差为绿灯启亮时刻的协调相位；交叉口相位差是指交通信号控制系统的某一协调通行方向上，各个交叉口的协调相位相对于系统时间参考点的绿灯启亮时刻；主导相位链和主导相位的序号均为正整数；将关键协调相位所属的主导相位链的序号设置为1，按照升序的方式，为其他主导相位链编号；第1主导相位链上，将关键协调相位的位置序号设置为1，按照升序的方式，为后续获得通行权的主导相位编号；其他主导相位链上，根据当前方案的技术参数取值，将关键协调相位绿灯启亮时刻正在显示绿灯或尚未显示绿灯的主导相位的位置序号设置为1，按照升序的方式，为后续获得通行权的主导相位编号；本发明中，利用主导相位所属主导相位链的序号及其在主导相位链上的位置序号表示主导相位的相关信息；（3）提取当前方案和新方案的技术参数取值，计算新方案的系统时间参考点系统时间参考点是指以交通信号控制系统的绝对时间表示的交叉口相位差的基准点；本地信号控制机收到方案切换指令时，立即提取当前方案和新方案的技术参数取值，包括主导相位链构成、交叉口相位差、信号周期时间、各个相位在信号周期内的绿灯启亮和结束时刻等，计算新方案的系统时间参考点；将方案切换指令下发时刻TP右侧紧邻的系统时间参考点视为当前方案的最后1个系统时间参考点SR_old，m，将SR_old，m右侧紧邻的系统时间参考点视为新方案的第1个系统时间参考点SR_new，1，如图1所示；利用公式1计算新方案的系统时间参考点SR_new，s；SR_new，s=SR_old，m+s×C_new    (1)其中，s表示新方案的系统时间参考点编号，C_new表示新方案的信号周期时间；（4）计算新方案的可能启用时刻新方案的可能启用时刻是指以当前方案的最后1个系统时间参考点为基准，根据新方案的交叉口相位差和信号周期时间确定的关键协调相位的可能绿灯启亮时刻；若新方案与当前方案的交叉口相位差相同，则在方案切换指令下发时刻所在信号周期的结束时刻启用新方案；若新方案与当前方案的交叉口相位差不同，则应计算新方案的可能启用时刻；以系统时间参考点SR_old，m为基准，根据新方案的交叉口相位差O_new和信号周期时间C_new，计算新方案的可能启用时刻SNP_s，如公式2所示；SNP_s＝SR_old，m+(s-1)×C_new+O_new    (2)（5）搜索活跃相位，计算活跃相位的过渡绿灯时间边界值；活跃相位是指过渡过程中，可以调整自身的绿灯时间以吸纳当前方案和新方案的技术参数取值差异的主导相位；第1过渡信号周期内，将方案切换指令下发时刻正在显示绿灯和尚未显示绿灯的主导相位视为活跃相位；第2及后续的过渡信号周期内，将所有的主导相位视为活跃相位；过渡过程中，无法调整自身绿灯时间的主导相位称为非活跃相位；根据活跃相位的已运行绿灯时间、最小绿灯时间、过渡绿灯时间基准值及其调整系数，计算任意过渡信号周期内活跃相位的过渡绿灯时间边界值，如公式3~8所示；G(n)i,j,Bassa=Gi,jold,n=1Gi,jnew,n∈[2,N]---(3)]]>G(1)i,j,na=max{GDi,jTP,Gmini,jnew,cell[G(1)i,j,Bassa×(1-Fi,j-)]},ifGDi,jTP>0max{Gmini,jnew,cell[G(1)i,j,Bassa×(1-Fi,j-)]},ifGDi,jTP=0---(6)]]>G(n)i,j,na=max{Gmini,jmew,cell[G(n)i,j,Bassa×(1-Fi,j-)]},n∈[2,N]---(7)]]>G(n)i,j,ula=int[G(n)i,j,Bassa×(1+Fi,j+)]---(8)]]>其中，N表示过渡信号周期总数；n表示过渡信号周期序号，n∈[1，N]；表示第n过渡信号周期内，位于第i条主导相位链、第j个位置的活跃相位的过渡绿灯时间基准值；表示当前方案中，位于第i条主导相位链、第j个位置的主导相位的绿灯时间；表示新方案中，位于第i条主导相位链、第j个位置的主导相位的绿灯时间；表示任意过渡信号周期内，位于第i条主导相位链、第j个位置的主导相位的绿灯时间正向调整系数；表示任意过渡信号周期内，位于第i条主导相位链、第j个位置的主导相位的绿灯时间负向调整系数；表示方案切换指令下发时刻，位于第i条主导相位链、第j个位置的主导相位的已运行绿灯时间，若说明该相位正在显示绿灯，反之，说明该相位正在显示黄灯或红灯；表示新方案中，位于第i条主导相位链、第j个位置的主导相位的最小绿灯时间；表示第n过渡信号周期内，位于第i条主导相位链、第j个位置的活跃相位的过渡绿灯时间下限值；表示第n过渡信号周期内，位于第i条主导相位链、第j个位置的活跃相位的过渡绿灯时间上限值；cell()表示返回大于或者等于括号内表达式的最小整数的函数；int()表示返回小于或者等于括号内表达式的最大整数的函数；（6）计算任意过渡信号周期时间的边界值根据主导相位链构成、非活跃相位的绿灯时间、活跃相位的过渡绿灯时间边界值和绿灯间隔时间，计算任意过渡信号周期时间边界值，如公式9~12所示；C(1)n=max(1)Σj=1Ji[Gi,jold×L(1)i,jtna+G(1)i,j,lla×L(1)i,ja+tntgi,j,rsold](2)Σj=1Ji′[Gi′,jold×L(1)i′,jtna+G(1)i′,j,lla×L(1)i′,a+tntgi′,j,rsold]---(9)]]>C(1)ul=min(1)Σj=1Ji[Gi,jold×L(1)i,jina+G(1)i,j,ula×L(1)i,ja+intgi,j,rsold(2)Σj=1Ji′[Gi′,jold×L(1)i′,jina+G(1)i′,j,ula×L(1)i′,ja+intgi′,j,rsold(3)Cmax---(10)]]>C(n)n=max(1)Σj=1Ji[G(n)i,j,na+tntgi,j,rsnew(2)Σj=1Ji′[G(n)i′,j,na+intgi′,j,rsnewn∈[2,N]---(11)]]>C(n)ul=min(1)Σj=1Ji[G(n)i,j,ula+tmtgi,j,rsnew(2)Σj=1Ji′[G(n)i′,j,ula+tntgi′,j,rsnew(3)Cmaxn∈[2,N]---(12)]]>其中，I表示控制方案的主导相位链总数；i，i′表示主导相位链序号，i∈[1，I]；i′∈[1，I]；i≠i′；J_i表示第i条主导相位链上的主导相位总数；j表示主导相位在主导相位链上的位置序号，j∈[1，J_i]；C(n)_ll表示第n过渡信号周期时间的下限值；C(n)_ul表示第n过渡信号周期时间的上限值；表示第1过渡信号周期内，位于第i条主导相位链、第j个位置的主导相位的活跃属性，若该相位是活跃相位，反之，表示第n过渡信号周期内，位于第i条主导相位链、第j个位置的主导相位的非活跃属性，若该相位是非活跃相位，反之，表示当前方案中，位于第i条主导相位链、第j个位置的主导相位与其右侧紧邻主导相位的绿灯间隔时间；表示新方案中，位于第i条主导相位链、第j个位置的主导相位与其右侧紧邻主导相位的绿灯间隔时间；Cmax表示控制过程中，允许采用的最大信号周期时间；（7）计算过渡过程持续时间和过渡信号周期数过渡过程持续时间是指第1过渡信号周期内关键协调相位的绿灯启亮时刻至新方案正式启用时刻的时间间隔；以系统时间参考点SR_old，m-2或SR_old，m-1为基准，根据方案切换指令下发时刻、当前方案的交叉口相位差和过渡信号周期时间的边界值，计算任意过渡信号周期内关键协调相位的最早绿灯启亮时刻和最迟绿灯启亮时刻，如公式13~15所示；EBG(1)1,1=LBG(1)1,1=SRold,m-2+Oold,ifTP<SRold,m-1+OoldSRold,m-1+Oold,ifTP≥SPold,m-1+Oold---(13)]]>EBG(n)_1，1＝EBG(n-1)_1，1+C(n-1)_ll，n∈[2，N]    (14)LBG(n)_1，1＝LBG(n-1)_1，1+C(n-1)_ul，n∈[2，N]    (15)其中，EBG(n)_1，1表示第n过渡信号周期内，关键协调相位的最早绿灯启亮时刻；LBG(n)_1，1表示第n过渡信号周期内，关键协调相位的最迟绿灯启亮时刻；O_old表示当前方案的交叉口相位差；自SNP₁开始，逐一对比新方案的可能启用时刻与第n过渡信号周期内关键协调相位的最早和最迟绿灯启亮时刻的数值关系；当首次满足公式16时，将SNP_s确定为新方案的正式启用时刻，过渡过程包含n-1个过渡信号周期；EBG(n)_1，1≤SNP_s≤LBG(n)_1，1，n∈[2，N]    (16)一旦确定了新方案的正式启用时刻，即可得到过渡过程持续时间T_ttd，如公式17所示；Tttd=SNPs-(SRold,m-2+Oold),ifTP<SRold,m-1+OoldSNPs-(SRold,m-1+Oold),ifTP≥SRold,m-1+Oold---(17)]]>（8）计算过渡信号周期时间已知过渡过程持续时间，若过渡信号周期数等于1，令过渡信号周期时间等于T_ttd，若过渡信号周期数大于1，将过渡信号周期时间的求解描述为一种非线性整数规划问题，如公式18所示；目标函数：所有过渡信号周期时间相对于新方案的信号周期时间的差值的平方和最小；约束条件1：所有过渡信号周期时间之和等于过渡过程持续时间；约束条件2：过渡信号周期时间在其边界值限定的范围内取值；约束条件3：过渡信号周期时间为正整数；min[C_new-C(n)]²，n∈[1，N]；N≥2其中，C(n)表示第n过渡信号周期的信号周期时间；（9）计算活跃相位的过渡绿灯时间已知活跃相位和过渡信号周期时间，将活跃相位的过渡绿灯时间求解描述为一种非线性整数规划问题；目标函数：所有活跃相位的过渡绿灯时间与该相位在新方案中的绿灯时间差值的平方和最小；约束条件1：任意过渡信号周期内，各条主导相位链的长度均等于过渡信号周期时间；约束条件2：第n过渡信号周期内，位于第i条主导相位链、第j个位置的主导相位名称在公式17中的首次出现次数属性是一个0-1变量；约束条件3：任意过渡信号周期内，位于第i条主导相位链、第j个位置的主导相位的非活跃属性是一个0-1变量；约束条件4：任意过渡信号周期内，位于第i条主导相位链、第j个位置的主导相位的活跃属性是一个0-1变量；约束条件5：活跃相位的过渡绿灯时间在其边界值限定的范围内取值；约束条件6：活跃相位的过渡绿灯时间为正整数；第1过渡周期内活跃相位的过渡绿灯时间计算模型，如公式19所示，第n过渡周期内活跃相位的过渡绿灯时间计算模型，如公式20所示：minΣi=1iΣj=1Ji{[G(1)i,ja-Gi,jnew]*L(1)i,jname}2]]>minΣi=1iΣj=1Ji{[G(n)i,ja-Gi,jnew]*L(n)i,jname}2---(20)]]>其中，表示第n过渡信号周期内，位于第i条主导相位链、第j个位置的活跃相位的过渡绿灯时间；表示第n过渡信号周期内，位于第i条主导相位链、第j个位置的主导相位名称在公式19或20中的首次出现属性，若该名称的主导相位首次出现在公式19或20中，反之，L(n)i,jname=0;]]>（10）计算主导相位的绿灯启亮和结束时刻根据主导相位链构成、非活跃相位的绿灯时间、活跃相位的过渡绿灯时间以及绿灯间隔时间，计算任意过渡信号周期内各个主导相位的绿灯启亮时刻和绿灯结束时刻，如公式21~26所示；G(n)i,j=Gi,jold,ifL(n)i,jtna=1G(n)i,ja,lfL(n)i,ja=1---(21)]]>BG(1)i,1=SRold,m-2+BGi,1old,ifTP<SRold,m-1+OoldSRold,m-1+BGi,1old,ifTP≤SRold,m-1+Oold---(22)]]>BG(1)i,j=BG(1)i,j-1+G(1)i,j-1+intgi,j-1,rsnew,j∈[2,Ji]---(23)]]>BG(n)_i，1＝BG(1)_i，1+C(n-1)，n∈[2，N]    (24)BG(n)i,j=BG(n)i,j-1+G(n)i,j-1+intgi,j-1,rsnew,n∈[2,N];j∈[2,Ji]---(25)]]>EG(n)_i，j＝BG(n)_i，j+G(n)_i，j             (26)其中，G(n)_i，j表示第n过渡信号周期内，位于第i条主导相位链、第j个位置的主导相位的过渡绿灯时间；BG(n)_i，j表示第n过渡信号周期内，位于第i条主导相位链、第j个位置的主导相位的绿灯启亮时刻，以交通信号控制系统的绝对时间表示；表示当前方案中，位于第i条主导相位链、第1个位置的主导相位在信号周期内的绿灯启亮时刻；EG(n)_i，j表示第n过渡信号周期内，位于第i条主导相位链、第j个位置的主导相位的绿灯结束时刻；（11）计算非主导相位的绿灯启亮和结束时刻根据相位显示顺序、主导相位的绿灯启亮和结束时刻以及绿灯间隔时间，计算非主导相位的绿灯启亮和结束时刻；非主导相位的绿灯启亮时刻=与该相位冲突的上一主导相位的绿灯结束时刻+二者在新方案中的绿灯间隔时间；非主导相位的绿灯结束时刻=与该相位冲突的下一主导相位的绿灯启亮时刻-二者在新方案中的绿灯间隔时间；（12）生成过渡控制方案根据相位显示顺序、主导相位的绿灯启亮和结束时刻、非主导相位的绿灯启亮和结束时刻，生成各个过渡信号周期的控制方案。