一种二相位交通信号配时方法 |
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申请号 | CN202410174985.3 | 申请日 | 2024-02-07 | 公开(公告)号 | CN117935581A | 公开(公告)日 | 2024-04-26 |
申请人 | 辽宁警察学院; | 发明人 | 邹存名; | ||||
摘要 | 本 发明 公开了一种二 相位 交通 信号 配时方法,涉及智能交通技术领域,该方法包括:获取二相位交通信号配时的输入参数;所述输入参数包括:协同周期、车流量、距上一个路口距离最小值、双向车流量差值最大值、双向车流量差值最小值;构建模糊控 制模 型,并基于所述模糊控制模型确定绿信比,所述模糊控制模型以所述输入参数为输入,以绿信比为输出;基于所述模糊控制模型输出的绿信比,得到二相位交通信号配时。本发明创新性的提出输入参数采用距离上一个路口距离作为考虑因素,这样使得信号配时更具用协同性,给出的配时方案更具有效果。 | ||||||
权利要求 | 1.一种二相位交通信号配时方法,其特征在于,所述方法包括: |
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说明书全文 | 一种二相位交通信号配时方法技术领域[0001] 本发明涉及智能交通技术领域,特别是涉及一种二相位交通信号配时方法。 背景技术[0002] 交通信号灯是城市交通管理的重要工具,其主要目的是通过合理分配交通流的时间和空间,提高道路的通行能力,减少交通拥堵,保障交通安全。其中,二相位交通信号配时是一种常见的信号控制方式,主要用于处理相对简单的交叉口交通流。 [0003] 在二相位交通信号配时中,交通流被分为两个相位,即主相位和次相位。主相位通常给予主干道上的车辆优先通行权,而次相位则给予次干道或行人过街的通行权。通过调整两个相位的绿灯时间,可以实现对交叉口交通流的有效控制。 [0004] 现阶段,对于信号单点交叉口的控制方式,也就是传统的二相位交通信号配时方法主要为定时控制、感应式控制以及自适应控制三种方式,定时控制主要是将一天分为若干控制时段,根据每个控制时段的交通量设置不同的信号控制方式,与感应式控制和自适应控制两种控制方式相比,定时控制无法根据交叉口的流量动态和实时地调整信号控制参数,存在时效性差的问题,通常需要在一定的时间间隔内对现有的信号控制方案进行调整。尽管如此,但定时式控制仍然是国内交叉口信号控制的主要方式。其主要原因在于:(1)机动车、非机动车、行人混行的交通环境下,主要考虑以机动车运行为主的感应控制和自适应控制在实际应用中的效果并不是十分理想;(2)定时式控制方式对于信号机、路侧设备等要求较低,投入成本低,可靠性高,维护容易。 [0005] 目前在实际应用中,在一天中的交通流量呈现复杂多变的情况,大多数路口的控制方式以多时段控制定时控制为主,主要采用人工调控的方法。控制效率和效果的好坏主要取决于管控人员的主观判断,这不仅效率低下,而且容易出错,缺乏科学和精准地控制和管理。 发明内容[0007] 为此,本发明采用以下技术方案: [0008] 本发明提供了一种二相位交通信号配时方法,所述方法包括: [0009] 获取二相位交通信号配时的输入参数;所述输入参数包括:协同周期、东‑西双向车流量、南‑北双向车流量、东‑西双向距上一个路口距离最小值、南‑北双向距上一个路口距离最小值、东‑西和南‑北双向车流量差值最大值、东‑西和南‑北双向车流量差值最小值; [0010] 构建模糊控制模型,并基于所述模糊控制模型确定绿信比,所述模糊控制模型以所述输入参数为输入,以绿信比为输出; [0011] 基于所述模糊控制模型输出的绿信比,得到二相位交通信号配时。 [0012] 进一步地,构建模糊控制模型,包括: [0013] 创建东‑西与南‑北双向车流量差值ef和东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值ed,以及绿信比u模糊论域; [0014] 采用尺度变换,将东‑西与南‑北双向车流量差值输入量、东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值输入量变换到要求的模糊论域范围; [0015] 采用三角形作为东‑西与南‑北双向车流量差值、东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值以及绿信比模糊集合隶属度函数; [0016] 基于专家知识和控制目标,制定模糊规则表; [0017] 采用最大‑最小法,根据模糊规则表求得每条规则关系矩阵 和 [0018] [0019] 由RA和RB得到绿信比输出为: [0020] 采用加权平均法对模糊量绿信比进行清晰化计算; [0021] 在求得清晰值u0后,将u0尺度变换为实际的控制量。 [0022] 进一步地,创建东‑西与南‑北双向车流量差值ef和东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值ed,以及绿信比u模糊论域,包括: [0023] 设定东‑西与南‑北双向车流量差值ef为{‑3,‑2,‑1,0,1,2,3}; [0024] 东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值ed为{‑3,‑2,‑1,0,1,2,3}; [0025] 绿信比u为{‑3,‑2,‑1,0,1,2,3}; [0026] 设定模糊子集: [0027] 东‑西与南‑北双向车流量差值ef的模糊子集为{NMef,NSef,ZOef,PSef,PMef}; [0028] 东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值ed的模糊子集为{NMed,NSed,ZOed,PSed,PMed}; [0029] 绿信比u模糊子集为{NMu,NSu,ZOu,PSu,PMu}。 [0030] 进一步地,采用尺度变换,将东‑西与南‑北双向车流量差值输入量、东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值输入量变换到要求的模糊论域范围,包括: [0031] 东‑西与南‑北双向车流量差值实际输入量 的实际变化范围为模糊论域为[‑3,3],则: [0032] [0033] 其中, 为东‑西与南‑北双向车流量差值实际输入量的最大值, 为东‑西与南‑北双向车流量差值实际输入量的最小值; [0034] 东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值实际输入量 的实际变化范围为 模糊论域为[‑3,3],则: [0035] [0036] 其中, 为东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值实际输入量的最大值, 为东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值实际输入量的最小值。 [0037] 进一步地,东‑西与南‑北双向车流量差值ef隶属度函数为: [0038] [0039] 东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值ed隶属度函数为: [0040] [0041] 绿信比u隶属度函数为: [0042] [0043] 其中,NMef、NSef、ZOef、PSef、PMef分别代表东‑西与南‑北双向车流量差值ef的负中、负小、零、正小、正中;NMed、NSed、ZOed、PSed、PMed分别代表东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值ed的负中、负小、零、正小、正中;NMu、NSu、ZOu、PSu、PMu分别代表绿信比u的负中、负小、零、正小、正中。 [0044] 进一步地,所述模糊规则表为: [0045] [0046] 其中,NMef、NSef、ZOef、PSef、PMef分别代表东‑西与南‑北双向车流量差值ef的负中、负小、零、正小、正中;NMed、NSed、ZOed、PSed、PMed分别代表东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值ed的负中、负小、零、正小、正中;NMu、NSu、ZOu、PSu、PMu分别代表绿信比u的负中、负小、零、正小、正中。 [0047] 进一步地,将u0尺度变换为实际的控制量,包括:u0的变换范围为[‑3,3],实际绿信比的变换范围为[umin,umax],则: [0048] [0049] 其中, 称为量化因子,umax=1,umin=0。 [0050] 本发明的优点和积极效果: [0051] (1)本发明创新性的提出输入参数采用距离上一个路口距离作为考虑因素,这样使得信号配时更具用协同性,给出的配时方案更具有效果。传统方法考虑因素为排队长度、整体延误等,通过这些因素给出配时往往调好这个路口,在调下一个路口过程中经常会影响上一个已经调好的路口。但是本方法采用路口变化较小因素作为输入量,车流量及距离上一个路口距离为影响因素,这样使得本方法将配时路口对周围相邻路口配时影响降到最低。进而使得配时效果更好,使用更方便,一个路口只用配时调整一次,即可实现区域协同配时。 [0052] (2)传统二相位单点交叉口配时方法,只考虑当前路口车流量和整体延误时间,且有些参数在应用过程中根本无法获得,如延误时间,因此本发明选用实际应用过程中能够获得的参数作为输入量,使得算法更具有实用性。附图说明 [0053] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0054] 图1为本发明实施例中一种二相位交通信号配时方法的流程图; [0055] 图2为本发明实施例中东‑西与南‑北双向车流量差值ef隶属度函数示意图; [0056] 图3为本发明实施例中东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值ed隶属度函数示意图; [0057] 图4为本发明实施例中绿信比u隶属度函数示意图。 具体实施方式[0058] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都应当属于本发明保护的范围。 [0059] 需要说明的是,本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象,而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换,以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外,术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形,意图在于覆盖不排他的包含,例如,包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元,而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。 [0060] 如图1所示,本发明实施例中的一种二相位交通信号配时方法,具体包括以下步骤: [0061] S1、获取二相位交通信号配时的输入参数; [0062] 其中,输入参数包括:协同周期、东‑西双向车流量、南‑北双向车流量、东‑西双向距上一个路口距离最小值、南‑北双向距上一个路口距离最小值、东‑西和南‑北双向车流量差值最大值、东‑西和南‑北双向车流量差值最小值。 [0063] 这些参数通常用于交通工程和交通信号配时领域,以描述和分析交叉口的交通状况,在实际应用过程中,能够准确获取到这些参数的数值,以下是对这些参数的解释说明: [0064] 协同周期:是指为了实现多个相邻交叉口信号灯之间的协调而设置的信号周期。通过调整相邻交叉口的信号周期,可以使车辆在主干道上连续行驶,减少停车次数,提高通行效率。 [0065] 东‑西双向车流量:东‑西双向车流量是指在特定时间内,沿着东西方向通过某一路段或交叉口的车辆总数。这个参数反映了东西方向上的交通需求。 [0066] 南‑北双向车流量:南‑北双向车流量是指在特定时间内,沿着南北方向通过某一路段或交叉口的车辆总数。这个参数反映了南北方向上的交通需求。 [0067] 东‑西双向车道数:东‑西双向车道数是指交叉口东西方向上的车道总数。这个参数影响该方向的交通容量,即能够同时容纳多少车辆。 [0068] 南‑北双向车道数:南‑北双向车道数是指交叉口南北方向上的车道总数。这个参数影响该方向的交通容量。 [0069] 东‑西双向距上一个路口距离最小值:这是指东西方向上当前交叉口与上游相邻交叉口之间的最小距离。这个参数对于设置合适的信号配时非常重要,以确保车辆能够在绿灯期间顺利通过两个交叉口,避免频繁停车。 [0070] 南‑北双向距上一个路口距离最小值:这是指南北方向上当前交叉口与上游相邻交叉口之间的最小距离。同样,这个参数对于信号配时的设置至关重要。 [0071] 东‑西和南‑北双向车流量差值最大值:这是指在观测期内,东西方向与南北方向车流量差的最大值。这个参数有助于了解在不同时间段内,哪个方向的交通压力更大,以便进行更合理的信号配时。 [0072] 东‑西和南‑北双向车流量差值最小值:这是指在观测期内,东西方向与南北方向车流量差的最小值。这个参数同样有助于了解不同时间段内各方向的交通状况,以及如何平衡各方向上的绿灯时间分配。 [0073] S2、创建东‑西与南‑北双向车流量差值ef和东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值ed,以及绿信比u模糊论域。 [0074] (1)设定东‑西与南‑北双向车流量差值ef为{‑3,‑2,‑1,0,1,2,3}; [0075] 东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值ed为{‑3,‑2,‑1,0,1,2,3}; [0076] 绿信比u为{‑3,‑2,‑1,0,1,2,3};绿信比是指交通灯一个周期内可用于车辆通行的时间比例,即某相位有效绿灯时间和周期时长的比值。 [0077] (2)设定模糊子集 [0078] 东‑西与南‑北双向车流量差值ef的模糊子集为{NMef,NSef,ZOef,PSef,PMef}; [0079] 东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值ed的模糊子集为{NMed,NSed,ZOed,PSed,PMed}; [0080] 绿信比u模糊子集为{NMu,NSu,ZOu,PSu,PMu}。 [0081] S3、采用尺度变换,将输入量变换到要求的模糊论域范围。 [0082] (1)东‑西与南‑北双向车流量差值实际输入量 的实际变化范围为模糊论域为[‑3,3],则: [0083] [0084] (2)东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值实际输入量 的实际变化范围为 模糊论域为[‑3,3],则: [0085] [0086] S4、模糊集合隶属度函数选择取三角形。 [0087] (1)东‑西与南‑北双向车流量差值ef隶属度函数,如图2和表1所示。 [0088] 表1 [0089] [0090] (2)东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值ed隶属度函数,如表2和图3所示。 [0091] 表2 [0092] [0093] (3)绿信比u隶属度函数,如表3和图4所示。 [0094] 表3 [0095] [0096] S5、定义模糊规则表; [0097] 在模糊控制系统中,模糊规则是用来描述输入变量和输出变量之间关系的一系列规则。这些规则通常基于人类的自然语言和经验知识,使用诸如“如果‑那么”结构来表达。模糊规则中的术语模糊规则中的NM、NS、ZO、PS、PM分别代表负中(Negative Middle)、负小(Negative Small)、零(Zero)、正小(Positive Small)、正中(Positive Middle)。这些术语用于描述模糊集合中元素的隶属程度,是模糊控制中用来描述输入和输出变量状态的词汇。具体来说: [0098] NM(Negative Middle):表示某个值处于负区域的中间范围,即倾向于负数但不是特别大。 [0099] NS(Negative Small):表示某个值在负区域且数值较小。 [0100] ZO(Zero):表示某个值接近于零或处于正负之间的中立状态。 [0101] PS(Positive Small):表示某个值在正区域且数值较小。 [0102] PM(Positive Middle):表示某个值处于正区域的中间范围,即倾向于正数但不是特别大。 [0103] 这些术语用于表示隶属度的程度,即一个值属于某个模糊集合的程度。 [0104] 本实施例中基于专家知识和控制目标,制定一系列模糊规则,如表4所示。 [0105] 表4 [0106] [0107] S6、模糊推理求出模糊关系矩阵。 [0108] 本实施例中模糊推理采用最大‑最小法,根据模糊规则表求得每条规则关系矩阵RAi,RBi得到模糊关系矩阵 和 其中: [0109] [0110] [0111] 由RA和RB可以得到绿信比输出为: 其中,代表合成符号,一种运算符。 [0112] S7、反模糊化,采用加权平均法对模糊量进行清晰化计算: [0113] [0114] 其中,xi为论域值,μi(xi)为论域值xi隶属度值。 [0115] S8、绿信比论域变换; [0116] 在求得清晰值u0后,需要经过尺度变换为实际的控制量。u0的变换范围为[‑3,3],实际绿信比的变换范围为[umin,umax],则: [0117] [0118] 其中, 称为量化因子,umax=1,umin=0。 [0119] 上述步骤通过模糊算法求得绿信比。 [0120] S9、基于绿信比,得到信号配时。 [0121] 上述实施例中,创新性的提出输入参数采用距离上一个路口距离作为考虑因素,这样使得信号配时更具用协同性,给出的配时方案更具有效果。上述实施例中采用路口变化较小因素作为输入量,车流量及距离上一个路口距离为影响因素,这样使得本方法将配时路口对周围相邻路口配时影响降到最低。进而使得配时效果更好,使用更方便,一个路口只用配时调整一次,即可实现区域协同配时。 [0122] 传统二相位单点交叉口配时方法,只考虑当前路口车流量和整体延误时间,且有些参数在应用过程中根本无法获得,如延误时间,因此本发明选用实际应用过程中能够获得的参数作为输入量,使得算法更具有实用性。 [0123] 为了便于理解,下面以具体示例对上述二相位交通信号配时方法进行详细说明。 [0124] 假设东‑西与南‑北双向车流量差值,则 [0125] 根据实际输入 根据得: [0126] 假设东‑西与南北双向距上一个路口距离最小值的差值,则 [0127] 根据实际输入 根据得 [0128] 根据隶属度函数:ef=[0,0,0,0.5,1,0.5,0];ed=[0,0.5,1,0.5,0,0,0]; [0129] [0130] 根据 得到: [0131] [0132] 根据 得到:u=0.5+0.135/6=0.5225; [0133] 进而得到绿信比52.25%,即得到东西和南北方向信号配时。 [0134] 最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。 |