饱和交叉口的双向红绿波协调设计数解算法

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.210809

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2022, Vol. 50 ›› Issue (9): 1-11.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.210809

所属专题： 2022年交通运输工程

饱和交叉口的双向红绿波协调设计数解算法

卢凯^1,², 赵世杰¹, 吴焕³, 等

^1.华南理工大学土木与交通学院/亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州 510640
^2.人工智能与数字经济广东省实验室（广州），广东广州 510335
^3.深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司广东省交通信息工程技术研究中心，广东深圳 518021

收稿日期:2021-12-21 出版日期:2022-09-25 发布日期:2022-04-22
通信作者: 吴焕（1991-），男，工程师，主要从事交通建模与规划研究。 E-mail:wuhuan@sutpc.com
作者简介:卢凯（1979-），男，教授，博士生导师，主要从事智能交通控制研究。E-mail：kailu@scut. edu. cn
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(52172326);广州市重点研发计划资助项目(202103050002)

Algebraic Method of Coordination Design for Bi-directional Red and Green Waves of Saturated Intersection

LU Kai^1,², ZHAO Shijie¹, WU Huan³, et al

^1.School of Civil Engineering and Transportation/State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China University of Technology，Guangzhou 510640，Guangdong，China
^2.Guangzhou Lab of Artificial Intelligence and Digital Economy，Guangzhou 510330，Guangdong，China
^3.Shenzhen Urban Transport Planning Center Co. Ltd. ，Guangdong Transport Information Engineering Technology Research Center，Shenzhen 518021，Guangdong，China

Received:2021-12-21 Online:2022-09-25 Published:2022-04-22
Contact: 吴焕（1991-），男，工程师，主要从事交通建模与规划研究。 E-mail:wuhuan@sutpc.com
About author:卢凯（1979-），男，教授，博士生导师，主要从事智能交通控制研究。E-mail：kailu@scut. edu. cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(52172326);the Key Research and Development Program of Guangzhou(202103050002)

摘要/Abstract

摘要：

当干道上出现饱和交叉口时，需对饱和交叉口驶入方向进行截流调控以免路段排队溢流，对驶出方向进行绿波疏导以便车流迅速驶离。针对饱和交叉口不同方向的协调控制需求，本文给出了一种干道双向红绿波协调设计数解算法。首先，利用时距分析图推导了交叉口之间理想间距的计算通式，给出了交叉口协调相位时间中心偏移率的计算方法；然后，针对不同公共信号周期取值，分别计算各个交叉口在不同信号相位设置方式下的协调相位时间中心偏移率，将绝对值最小的中心偏移率所对应的相位设置方式作为各交叉口的优选相位；接着，比较不同公共信号周期取值下优选相位所对应的最大中心偏移率之差，对应最大中心偏移率之差最小的公共信号周期取值即为最佳公共信号周期；最后，结合红绿波设计特点给出了微调相位差的优化方法，使得交叉口绿波带方向的中心偏移率最小，从而确保干道双向获得较大的红绿波带宽。案例分析表明，本文算法设计得到的双向红绿波协调控制方案相比于双向绿波协调控制方案，在保证驶入饱和交叉口方向存在最大红波带的同时，可以使得驶离饱和交叉口方向的绿波带宽明显增加。VISSIM仿真实验发现，本文方法设计得到的方案既能够缩短饱和交叉口的最大排队长度23.1%、平均排队长度33.8%，推迟饱和交叉口车辆排队溢出至上游交叉口的时间，也能够使饱和交叉口驶出车辆在下游路段的行程时间与停车次数分别减少17.5%与76.3%，实现了对于饱和交叉口的溢流防控与绿波疏导。

关键词: 交通工程, 协调控制, 双向红绿波, 数解算法, 饱和交叉口, 理想位置

Abstract:

When there is a saturated intersection on the arterial road, it is necessary to intercept and regulate the traffic flow in the entry direction of the saturated intersection, so as to avoid the overflow of the section queue, and to conduct green wave dredging in the exit direction of the saturated intersection to facilitate the rapid departure of traffic flow. According to the coordination control requirements in different directions of saturated intersection, this paper proposed an algebraic method of coordination design for bi-directional red and green waves on arterial roads. Firstly, the general formula for calculating the ideal intersection distance was derived by using the time-space diagram, and the calculation method of bias-split for the coordinated phase was given. Secondly, for different common signal cycles, the bias-split for the coordinated phase under different signal phase modes of each intersection was calculated respectively. The signal phase mode corresponding to the bias-split with the smallest absolute value was taken as the preferred phase of each intersection. Then, the max difference of bias-split corresponding to the preferred phase under different common signal cycles was compared, and the common signal cycle with the minimum of the max difference of bias-split was selected as the best common signal cycle. Finally, based on the characteristics of red and green waves, the optimization method of fine-tuning signal offsets was given to minimize the bias-split of the green wave direction, so as to ensure that the arterial road can obtain bi-directional red and green wave bandwidth as wider as possible. The case analysis shows that, compared with the scheme of bi-directional green wave coordinated control, the bi-directional red and green waves coordinated control scheme designed by this method can significantly increase the green wave bandwidth in the direction of leaving the saturated intersection while ensuring that there is a maximum red wave bandwidth in the direction of entering the saturated intersection. The VISSIM simulation experiment shows that the scheme designed by this method can not only shorten the maximum queue length by 23.1% and the average queue length by 33.8%, and delay the time of vehicles queuing to overflow to the upstream intersection, but also reduce the travel time and the number of stops of the vehicles leaving at the saturated intersection in the downstream section by 17.5% and 76.3%, respectively. It can realize the overflow prevention and green wave dredging of the saturated intersection.

Key words: traffic engineering, coordination control, bi-directional red and green waves, algebraic method, saturated intersection, ideal position

中图分类号:

U491.4

卢凯, 赵世杰, 吴焕, 等. 饱和交叉口的双向红绿波协调设计数解算法[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2022, 50(9): 1-11.

LU Kai, ZHAO Shijie, WU Huan, et al. Algebraic Method of Coordination Design for Bi-directional Red and Green Waves of Saturated Intersection[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2022, 50(9): 1-11.

图/表 16

图1

图2

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表3

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表5

表6

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表7

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表8

表9

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图6

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参考文献 18

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交叉口编号	信号周期变化范围/s	绿信比
交叉口编号	信号周期变化范围/s	南进口	北进口	东进口	西进口
1	［95，125］	0.38	0.34	0.13	0.15
2	［90，125］	0.37	0.39	0.13	0.11
3	［90，135］	0.37	0.36	0.14	0.13
4	［100，130］	0.26	0.27	0.24	0.23
5	［95，130］	0.36	0.39	0.12	0.13
6	［85，120］	0.35	0.38	0.13	0.14
7	［95，125］	0.38	0.36	0.14	0.12
8	［100，135］	0.36	0.35	0.15	0.14

公共信号周期/s	理想间距/m				中心偏移率				优选相位
公共信号周期/s	北南东西	南东北西	南西北东	南北东西	北南东西	南东北西	南西北东	南北东西	优选相位
100	180.0	262.5	277.5	360.0	0.320	0.210	0.190	0.080	南北东西
102	183.6	267.8	283.1	367.2	0.309	0.199	0.179	0.069	南北东西
104	187.2	273.0	288.6	374.4	0.298	0.188	0.168	0.058	南北东西
106	190.8	278.3	294.2	381.6	0.288	0.178	0.158	0.048	南北东西
108	194.4	283.5	299.7	388.8	0.279	0.169	0.149	0.039	南北东西
110	198.0	288.8	305.3	396.0	0.269	0.159	0.139	0.029	南北东西
112	201.6	294.0	310.8	403.2	0.260	0.150	0.130	0.020	南北东西
114	205.2	299.3	316.4	410.4	0.251	0.141	0.121	0.011	南北东西
116	208.8	304.5	321.9	417.6	0.243	0.133	0.113	0.003	南北东西
118	212.4	309.8	327.5	424.8	0.235	0.125	0.105	-0.005	南北东西
120	216.0	315.0	333.0	432.0	0.227	0.117	0.097	-0.013	南北东西

交叉口1~8的最佳相位组合		公共信号周期/s	最大中心偏移率之差
1	北南东西，北南东西，北南东西，南东北西，北南东西，南西北东，南北东西，南西北东	100	0.165
2	南东北西，南西北东，南东北西，南东北西，北南东西，南西北东，南北东西，南西北东	106	0.095
3	南西北东，南西北东，南东北西，南东北西，北南东西，南西北东，南北东西，南西北东	104	0.109
4	南北东西，南北东西，南北东西，南西北东，北南东西，南西北东，南北东西，南西北东	110	0.114

交叉口	信号相位	理想间距/m	中心偏移率	区间行驶速度/（m?s^-1）	相位差调整率	绝对相位差/s
1	南东北西	0	0.000	15	0.000	-20.1
2	南西北东	397.5	0.028	15	-0.014	58.4
3	南东北西	783.1	-0.016	15	-0.008	33.4
4	南东北西	1 180.6	-0.026	15	-0.013	13.3
5	北南东西	1 482.7	-0.041	15	-0.006	27.3
6	南西北东	1 975.6	-0.057	15	-0.003	59.9
7	南北东西	2 480.4	0.037	15	0.045	96.9
8	南西北东	2 778.5	0.002	15	0.027	10.0

行驶方向	交叉口编号	直行相位绿信比	中心偏移率	绿信比		绿波带宽/%
行驶方向	交叉口编号	直行相位绿信比	中心偏移率	中心线上方	中心线下方	绿波带宽/%
上行方向	4	0.260	0	0.130	0.130	26.0
	5	0.360	0	0.180	0.180
	6	0.350	0	0.175	0.175
	7	0.380	0	0.190	0.190
	8	0.360	0	0.180	0.180
下行方向	4	0.270	0	0.135	0.135	27.0
	3	0.360	0	0.180	0.180
	2	0.390	0	0.195	0.195
	1	0.340	0	0.170	0.170

饱和交叉口的双向红绿波协调设计数解算法

Algebraic Method of Coordination Design for Bi-directional Red and Green Waves of Saturated Intersection

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红波带区段		直行相位绿信比	直行相位红灯时间比	中心偏移率	绿信比		红信比		红波带宽/%
红波带区段		直行相位绿信比	直行相位红灯时间比	中心偏移率	中心线上方	中心线下方	中心线上方	中心线下方	红波带宽/%
上行方向	1→2	0.380	0.630	0.028	0.190	0.190	0.287	0.343	38.0
	2→3	0.370	0.630	-0.044	0.185	0.185	0.359	0.271	37.0
	3→4	0.370	0.740	-0.010	0.185	0.185	0.380	0.360	37.0
下行方向	8→7	0.350	0.640	-0.035	0.175	0.175	0.355	0.285	35.0
	7→6	0.360	0.620	0.094	0.180	0.180	0.216	0.404	36.0
	6→5	0.380	0.610	-0.016	0.190	0.190	0.321	0.289	38.0
	5→4	0.390	0.730	-0.015	0.195	0.195	0.380	0.350	39.0

交叉口编号	相位相序组合	中心偏移率	绿信比		绿信比		绝对相位差/s
交叉口编号	相位相序组合	中心偏移率	上行中心线上方	上行中心线下方	下行中心线上方	下行中心线下方	绝对相位差/s
1	北南东西	0.000	0.190	0.190	0.170	0.170	-19.8
2	南北东西	0.278	0.046	0.324	0.334	0.056	98.3
3	北南东西	-0.018	0.194	0.176	0.171	0.189	33.0
4	南北东西	0.112	0.074	0.186	0.191	0.079	58.0
5	北南东西	-0.156	0.258	0.102	0.117	0.273	86.1
6	南北东西	0.199	0.075	0.275	0.290	0.090	100.1
7	南北东西	-0.052	0.216	0.164	0.154	0.206	46.3
8	南北东西	0.279	0.040	0.320	0.315	0.035	48.1

交叉口区间段		行程时间/s		停车次数
交叉口区间段		策略1	策略2	策略1	策略2
由南往北	1→4	433.2	434.3	6.4	5.5
	4→8	191.5	146.0	1.0	0.1
	1→8	626.5	581.2	6.6	5.1
由北往南	8→4	428.0	440.7	5.4	5.2
	4→1	145.9	129.7	0.8	0.3
	8→1	569.7	564.9	5.7	5.0

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交叉口编号	平均排队长度/m				最大排队长度/m
	南进口		北进口		南进口		北进口
	策略1	策略2	策略1	策略2	策略1	策略2	策略1	策略2
1	42	41	7	6	102	106	18	17
2	48	86	5	0	80	155	33	7
3	72	95	25	15	148	147	41	39
4	350	284	271	139	377	333	289	189
5	4	1	59	67	34	7	95	133
6	14	4	22	53	26	13	82	126
7	2	3	42	92	22	10	67	142
8	7	1	61	64	14	8	129	136