CN101556740B - 基于运行时刻表的公交优先信号配时方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了采用计算机程序的基于运行时刻表的公交优先信号配时方法。解决现有公交优先信号配时技术未考虑公交车准点率不足，以实现城市公交车准点率最大化的问题。方法包括信息采集；对公交车行程时间(T′)及偏离时刻表晚点程度(d_i)的计算；控制中心利用上面计算和交叉口当前信号配时得到公交车到达停车线时的灯色情况并根据不同的灯色选择公交信号优先方式；计算交叉口的人总延误变化量(PI)和由控制中心生成新的信号配时方案。其中：公交车行程时间包括公交车停靠时间(T_d)和公交车行驶时间(T)两部分；公交信号优先方式包括绿灯提前启亮和绿灯时间延长两种优先方式；人总延误分为公交站点乘客延误、公交车辆人总延误和社会车辆人总延误三部分。

Description

基于运行时刻表的公交优先信号配时方法

技术领域

本发明涉及一种用于城市交通管理控制系统中信号配时的方法，具体地说，它涉及一种基于运行时刻表的公交优先信号配时方法。

背景技术

公交运行时刻表是根据城市公交乘客流动的规律，按照客流的数量、方向、时间制定的有规律的、周而复始的行车计划。无论从乘客需求角度、车辆运行角度还是管理者的调度管理角度出发，基于公交时刻表的各公交车辆的正点运行都能在最大程度上实现公交系统与乘客出行的社会效益。用技术手段保证公交车的运营达到比较高的准点率是公众期盼的，也是公交服务水平应该满足的。

目前，对于公交时刻表的研究主要侧重于时刻表的确定，即：通过对某个目标的优化，例如以降低公交车运行时间或乘客等待时间为目的来确定行车时刻表。但是，这些方法都没有考虑公交车偏离运行时刻表时，如何通过交叉口信号配时控制使公交车尽可能的减小与时刻表的偏差。由于交叉口延误占公交整个行程时间的10％～20％，占整个延误时间的50％。因此，必须结合公交车运行状况(偏离时刻表情况)与交叉口信号控制，采取合适的配时方法，以减少公交车在交叉口的延误，而目前尚无从运行时刻表方面考虑公交信号优先的配时方法来确保公交车的准点率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有公交优先信号配时技术中未考虑公交车准点率不足，以实现城市公交车准点率最大化的问题，提供了一种基于运行时刻表的公交优先信号配时方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：采用计算机程序的基于运行时刻表的公交优先信号配时方法，首先进行信息采集步骤，然后进行下列步骤：

1.对公交车行程时间及偏离时刻表的晚点程度计算，包括如下步骤：

1)计算公交车从1号公交车停靠站行驶到2号公交车停靠站的行程时间：

T′＝T_d+T

$T=t_1^b+t_2^b+t_3^b$

式中：T_d-公交车在1号公交车停靠站停靠时间，单位，s；

T-公交车从1号公交车停靠站行驶到2号公交车停靠站的行驶时间，单位，s；

t₁ ^b-公交车从1号公交车停靠站行驶到停车线所需的时间；

t₂ ^b-公交车在停车线处停车等待时间；

t₃ ^b-公交车从停车线行驶到2号公交车停靠站(k+1)所需时间。

2)控制中心根据公交车行程时间，结合公交车运行时刻表信息，预测公交车到达2号公交车停靠站的晚点程度，判断其是否大于临界值，当d_i≥β时，申请优先通过；否则，不予优先，维持原信号配时方案不变。

3)确定给予公交车信号优先后，预测公交车到达1号公交车停靠站时公交相位是否为红灯，是，预测公交车到达交叉口停车线是否为红灯：到达交叉口停车线不是红灯，维持原信号配时方案不变；到达交叉口停车线是红灯，进入选择公交信号优先方式。

4)确定给予公交车信号优先后，预测公交车到达1号公交车停靠站时公交相位不是红灯，预测公交车到达交叉口停车线是否为红灯：不是红灯，维持原信号配时方案不变；是红灯，进入选择公交信号优先方式。

2.控制中心利用上面的计算和交叉口当前信号配时得到公交车到达停车线时的灯色情况并根据不同的灯色选择公交信号优先方式：

1)预测时刻为红灯，到达停车线时为红灯，选择公交相位绿灯提前启亮的优先方式。

2)预测时刻为绿灯，到达停车线为红灯时，选择公交相位绿灯时间延长的优先方式。

3.计算交叉口的人总延误变化量：

$\mathrm{PI}={\mathrm{\ΔD}}_i-\underset{i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔD}}_{i+1}+{\mathrm{\ΔD}}_p$

式中：ΔD_i-公交优先相位减少的延误，单位，s；

-非公交优先相位增加的延误之和，单位，s；

ΔD_p-公交站点乘客延误变化，单位，s。

4判断信号优先方案是否可行，选择合适的g_s由控制中心生成新的信号配时方案：

1)当PI＞0时，绿灯提前启亮或者绿灯时间延长信号优先方案可行，选择合适的g_s对信号配时进行调整，由控制中心生成新的信号配时方案，并下传到信号机，实现基于运行时刻表的公交信号优先。

2)当PI＜0时，维持原信号配时方案不变。

技术方案中所述的信息采集包括有下列步骤：1.利用安装在公交车上的GPS接收机以固定采样间隔采集日期、时间、公交车位置和速度信息。2.同时利用安装车门处的自动乘客计数系统采集公交车载客数。3.同时利用埋设在社会车辆进口车道上的感应线圈检测社会车辆的流量和速度信息。4.将采集的以上三方面的信息通过GSM/GPRS网络传送到进行信息处理的控制中心；所述的计算公交车从1号公交车停靠站行驶到2号公交车停靠站的行程时间及偏离时刻表的晚点程度包括有下列步骤：

1.计算公交车在1号公交车停靠站的停靠时间：

T_d＝λ_k(t)×[t_b(k)-t_b-1(k)]×T_p    (1)

式中：T_d-公交车停靠时间，单位，s。

λ_k(t)-停靠站k的乘客到达率，单位，passengers/s。

t_b(k)-公交车b到达1号公交车停靠站k的时间，单位，s。

t_b-1(k)-公交车b-1到达1号公交车停靠站k的时间，单位，s。

T_p--乘客平均的上车时间，单位，s。

2.计算公交车从1号公交车停靠站行驶到2号公交车停靠站的行驶时间：

1)计算公交车从1号公交车停靠站行驶到停车线的时间：

公交车从停止到启动再到正常速度所需的距离为S，

$S=\frac{v_b^2}{2a_b};$

其中：a_b为公交车加速度，v_b为公交车行驶速度；

当d_k，i≤S时， $t_1^b=\sqrt{\frac{2d_{k,i}}{a_b}}---\left(2a\right)$

当d_k，i＞S时， $t_1^b=\frac{v_b}{a_b}+\frac{d_{k,i}-s}{v_b}---\left(2b\right)$

2)计算公交车在停车线处停车等待的时间：

如果公交车到达交叉口遇到绿灯相位，那么停车等待时间为：

$t_2^b=0---\left(4a\right)$

如果公交车到达交叉口遇到红灯相位，那么停车等待时间为：

$t_2^b=t_g-(t+t_1^b)---\left(4b\right)$

式中：t_g-给予信号优先时公交车通过交叉口的时刻；t-公交车离开1号公交车停靠站k的时刻；

3)计算公交车从停车线行驶到2号公交车停靠站的时间：

$t_3^b=\frac{d_{i,k+1}-\frac{v_b^2}{2a}}{v_b}+\frac{v_b}{a}---\left(5\right)$

公交车辆在1号公交车停靠站和2号公交车停靠站间的行驶时间为：

$T=t_1^b+t_2^b+t_3^b---\left(6\right)$

4)计算公交车从1号公交车停靠站行驶到2号公交车停靠站偏离时刻表的晚点程度：

$d_i=\left|\frac{t_w-t_z}{h}\right|---\left(9\right)$

其中：d_i-第i辆公交车与运行时刻表的晚点程度。

β-公交运行时刻偏离状态权重补偿临界值。

t_w-公交车辆晚点到达2号公交车停靠站k+1的时刻。

t_z-公交车辆正点到达2号公交车停靠站k+1的时刻。

h-公交车辆发车时间间隔；

所述的计算交叉口的人总延误包括有下列步骤：

1)计算公交站点乘客延误。

2)计算公交车辆人总延误。

(1)计算绿灯时间延长方式下的人总延误。

(2)计算绿灯提前启亮方式下的人总延误。

3)计算社会车辆人总延误。

(1)计算绿灯时间延长方式下的社会车辆人总延误。

A.计算公交所在相位的社会车辆人总延误。

B.计算非公交所在相位的社会车辆人总延误。

(2)计算绿灯提前启亮方式下的社会车辆人总延误。

A.计算公交所在相位的社会车辆人总延误。

B.计算非公交所在相位的社会车辆人总延误。

综和上面计算的公交站点乘客延误、公交车辆人总延误和社会车辆人总延误，得出绿灯时间延长方式下的交叉口人总延误变化量(PI)为：

$\mathrm{PI}=P_B(C-t_1)+\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_C\frac{\mathrm{\Δ}{t}_1{q}_{1j}}{2}[2r_1+\frac{\mathrm{\Δ}{t}_1{q}_{1j}}{S_{1j}}-\mathrm{\Δ}{t}_1]+\mathrm{\Δ}{D}_p$

$-\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}{P}_C\{\frac{\mathrm{\Δ}{T}_i{q}_{\mathrm{ij}}{S}_{\mathrm{ij}}}{2(S_{\mathrm{ij}}-q_{\mathrm{ij}})}(2r_i+\mathrm{\Δ}{T}_i)-\frac{\mathrm{\Δ}{T}_i^{\′}{q}_{\mathrm{ij}}}{2}[2r_i+\frac{\mathrm{\Δ}{T}_i^{\′}{q}_{\mathrm{ij}}}{S_{\mathrm{ij}}}-\mathrm{\Δ}{T}_i^{\′}\left]\right\}$

其中：P_B-公交车平均载客数。

P_C-社会车辆平均载客数。

C-周期长度，单位，s。

t₁-第1相位公交车到达交叉口的时刻，单位，s。

m₁-第1相位进口道个数。

m_i-第i相位进口道个数。

q_1j-第1相位第j进口道上的车辆到达率，单位，pcu/s。

q_ij-第i相位第j进口道的车辆到达率，单位，pcu/s。

Δt₁-第1相位绿灯延长时间，单位，s。

r₁-第1相位有效红灯时间，单位，s。

r_i-第i相位有效红灯时间，单位，s。

S_1j-第1相位第j进口道上车辆离开时的饱和流率，单位，pcu/s。

S_ij-第i相位第j进口道上车辆离开时的饱和流率，单位，pcu/s。

ΔD_p-公交站点乘客延误变化，单位，s。

ΔT_i-非优先相位由于上一相位绿灯延长所导致的绿灯启亮的时间差，单位，s。

ΔT′_i-非优先相位由于上一相位绿灯延长所导致的绿灯结束的时间差，单位，s。

得出绿灯提前启亮方式下的交叉口人总延误变化量(PI)为：

$\mathrm{PI}=P_B(g_i-t_1^{\′})+\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\Σ}}}{P}_C\left\{\frac{\mathrm{\Δ}{t}_1^{\′}{q}_{11}{S}_{11}}{2(S_{11}-q_{11})}(2r_1-\mathrm{\Δ}{t}_1^{\′})\right\}$

$-\underset{i=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\Σ}}}{P}_C\frac{\mathrm{\Δ}{t}_i^{\′}{q}_{\mathrm{ij}}{S}_{\mathrm{ij}}}{2(S_{\mathrm{ij}}-q_{\mathrm{ij}})}(2r_i+\mathrm{\Δ}{t}_i^{\′})+\mathrm{\Δ}{D}_p$

其中：g_i-第i相位绿灯时间，单位，s。

t′₁-第1相位公交车辆到达停车线的时刻，单位，s。

Δt′₁-第1相位绿灯提前启亮的时间，单位，s。

Δt′_i-第i相位绿灯提前启亮的时间，单位，s。

Δt′₁-第1相位绿灯提前启亮的时间，单位，s。

q₁₁-第1相位第1进口道上的车辆到达率，单位，pcu/s。

S₁₁-第1相位第1进口道上车辆离开时的饱和流率，单位，pcu/s；

所述的选择合适的g_s由控制中心生成新的信号配时方案包括如下步骤：

1.确定公交优先方式下的绿灯时间延长和绿灯提前启亮时间参数g_s的取值范围：

1)当采用绿灯延长时， $g_s\∈[g_{t_1^b}+T_i,g_{\max }],$ g_max为公交相位最大绿灯时间。

2)当采用绿灯提前启亮时，如果其它相位满足最小绿灯时间， $g_s\∈[g_{t_1^b},g_{\mathrm{is}}].$

3)当采用绿灯提前启亮时，如果其它相位不满足最小绿灯时间，g_s∈[r_(i-1)min，g_is]，r_(i-1)min为公交前一相位最小红灯时间。

2.确定了g_s的取值范围后，在可能的取值范围内取时间的整数值分别计算人总延误变化量(PI)，选取使人总延误变化量(PI)取值最大的g_s值。

与现有技术相比本发明的有益效果是：

1.基于运行时刻表的公交优先信号配时方法可以减少公交车的晚点程度，在最大程度上实现公交系统与乘客出行的社会效益；

2.基于运行时刻表的公交优先信号配时方法通过信号交叉口的公交优先控制，尽可能的降低了公交车通过交叉口的延误，保证公交车运行的正点率；

3.基于运行时刻表的公交优先信号配时方法在保证公交车正点率的同时，兼顾了交叉口和下游乘客的人总延误，以实现总体最优。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

图1是基于运行时刻表的公交优先信号配时方法的数据流程图；

图2是基于运行时刻表的公交优先信号配时方法的公交车站点间行驶过程示意图；

图3是基于运行时刻表的公交优先信号配时方法的信号优先控制流程图；

图4是公交优先相位车辆到达与离开过程；

图5是第i相位配时调整前后相互关系示意图；

图6是非公交优先相位进口道车辆到达与离开过程；

图7是绿灯提前启亮时车辆到达与离开过程图；

图8是非优先相位某进口道车辆到达与离开过程图；

图中：k.1号公交车停靠站，k+1.2号公交车停靠站，d_k，i.1号公交车停靠站到交叉口i停车线的距离，d_i，k+1.交叉口i停车线到2号公交车停靠站的距离，t₁ ^b.公交车从1号公交车停靠站行驶到停车线所需的时间，t₂ ^b.公交车在停车线处停车等待时间，t₃ ^b.公交车从停车线行驶到2号公交车停靠站k+1所需时间，C.信号周期。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述：

一.本发明技术方案的构思及主要技术特征

1.建立公交车行程时间预测模型

参阅图2，公交车行程时间预测模型包括公交车停靠时间预测模型和公交车行驶时间预测模型。在公交车停靠时间模型中，考虑的参数包括乘客到达率、相邻公交车到达站点时间间隔、乘客上下车时间等。公交车行驶时间预测模型中，考虑的参数包括公交车从1号公交车停靠站k(上游站点)行驶到停车线所需的时间t₁ ^b、公交车在停车线处停车等待时间t₂ ^b和公交车从停车线行驶到2号公交车停靠站k+1(下游站点)所需时间t₃ ^b三部分。在公交车行程时间预测模型建立过程中，考虑公交车到达停车线时刻的信号灯色情况、1号公交车停靠站到交叉口i停车线的距离d_k，i以及公交车加、减速等情况，对公交车行程时间准确预测。

1)公交车停靠时间预测模型

T_d＝λ_k(t)×[t_b(k)-t_b-1(k)]×T_p    (1)

式中：T_d-公交车停靠时间(s)

λ_k(t)-停靠站k的乘客到达率(passengers/s)；

t_b(k)-公交车b到达1号公交车停靠站k的时间(s)；

t_b-1(k)-公交车b-1到达1号公交车停靠站k的时间(s)；

T_p-乘客平均的上车时间(s)。

2)公交车行驶时间预测模型

(1)公交车到达停车线时间预测模型

公交车从停止到启动再到正常速度所需的距离为S， $S=\frac{v_b^2}{2a_b};$ 其中，a_b为公交车加速度，v_b为公交车行驶速度。

当d_k，i≤S时，

$t_1^b=\sqrt{\frac{2d_{k,i}}{a_b}}---\left(2a\right)$

当d_k，i＞S时，

$t_1^b=\frac{v_b}{a_b}+\frac{d_{k,i}-s}{v_b}---\left(2b\right)$

设公交车离开1号公交车停靠站k的时刻为t，则公交车到达交叉口i的时间t_ei为：

$t_{\mathrm{ei}}=t+t_1^b---\left(3\right)$

预测得到的公交车到达交叉口i的时间t_ei可以与交叉口当前信号配时对照，确定公交车辆可能的优先方式。

(2)公交车在停车线处停车等待时间预测模型

如果公交车到达交叉口遇到绿灯相位，那么停车等待时间为：

$t_2^b=0---\left(4a\right)$

如果公交车到达交叉口遇到红灯相位，那么停车等待时间为：

$t_2^b=t_g-(t+t_1^b)---\left(4b\right)$

式中：t_g-给予信号优先时公交车通过交叉口的时刻。

(3)公交车驶入2号公交车停靠站k+1时间预测模型

$t_3^b=\frac{d_{i,k+1}-\frac{v_b^2}{2a}}{v_b}+\frac{v_b}{a}---\left(5\right)$

公交车辆在1号公交车停靠站k和2号公交车停靠站k+1间的行驶时间为：

$T=t_1^b+t_2^b+t_3^b---\left(6\right)$

2.建立公交车优先权重模型

预测公交车由1号公交车停靠站k到达2号公交车停靠站k+1(下游站点)的晚点时间，考虑晚点时间是否大于临界值，同时考虑发车间隔、公交车乘客人数等因素，建立公交车优先权重模型：

当检测到公交车辆接近信号控制交叉口时，公交信息检测系统开始获取公交车辆的运行状态，为每一辆到达并即将停车等待的公交车分配一定的权重。

α＝1+ψ(d_i)    (7)

$\mathrm{\&psi;}\left(d_i\right)=\left\{\begin{array}{c}0...........d_i<\mathrm{\&beta;}\\ d_i...........d_i\&GreaterEqual;\mathrm{\&beta;}\end{array}\right.---\left(8\right)$

$d_i=\left|\frac{t_w-t_z}{h}\right|---\left(9\right)$

其中：α-第i辆公交车的权重；

ψ(d_i)-公交车辆运行状态对应的权重函数；

d_i-第i辆公交车与运行时刻表的晚点程度；

β-公交运行时刻偏离状态权重补偿临界值(根据公交运行情况而定)；

t_w-公交车辆晚点到达2号公交车停靠站k+1的时刻；

t_z-公交车辆正点到达2号公交车停靠站k+1的时刻；

h-公交车辆发车时间间隔。

3.建立交叉口优化目标函数和人总延误模型

在准确预测公交车到达信息的前提下，建立交叉口优化目标函数和人总延误模型。优化目标函数是计算优先前后交叉口综合效益的一个函数；交叉口人总延误模型包括公交站点乘客延误模型、公交车辆延误模型、社会车辆延误模型。公交站点乘客延误模型主要分析2号公交车停靠站k+1(下游站点)两辆公交车到达间隔内，到达乘客在公交车提前、晚点和准时到达情况下的延误；通过分析信号优先前后公交车通过交叉口产生的延误，建立了公交车辆延误模型；社会车辆延误模型分析了实行公交信号优先对社会车辆造成的影响，建立了社会车辆延误模型。

1)优化模型建立

用交叉口的人总延误变化量来衡量公交优先的效益，引入效益指标函数PI，代表优先相位获得的效益与非优先相位损失的效益之差。优化目标PI需要大于某一个阈值(用户可自定义，本发明确定为0)，才能让公交车优先。

通过分析公交相位减少的延误是否大于非公交相位增加的延误来判断采用绿灯提前启亮或者绿灯延长方式是否可行，则建立效益指标函数反映公交相位减少延误和非公交相位增加延误之间关系。

效益指标函数PI可以按下式计算：

$\mathrm{PI}=\mathrm{\&Delta;}{D}_i-\underset{i+1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{D}_{i+1}+\mathrm{\&Delta;}{D}_p---\left(10\right)$

式中：PI-交叉口人总延误变化量；

i-公交优先相位(1≤i≤n-1)；

ΔD_i-公交优先相位减少的延误(s)；

-非公交优先相位增加的延误之和(s)；

ΔD_p-公交站点乘客延误变化(s)。

2)公交站点乘客延误模型

假设各站点乘客的到达服从泊松(Poission)分布，下游站点前后两辆公交车之间到达人数为B的概率为：

$P(B=x)=f\left(x\right)=\frac{m^x{e}^{-m}}{x!}---\left(11a\right)$

m＝λT    (11b)

式中：λ-乘客到达率(passengers/s)；

T-同一线路前后两辆公交车的发车间隔(s)；

m-在发车间隔内平均到达的人数。

设o_i-1，o_i，o_i+1分别为第i-1到第i+1辆公交车正点到达下游站点的时刻，当第i辆公交车晚点Δt₀到达下游站点时，o_i-1和o_i间到达的乘客晚点Δt₀时间，但Δt₀时间内到达的乘客则提前(T-Δt₀)时间。设下游站点乘客延误为D_p，有：

$D_p=\mathrm{T\&lambda;\&Delta;}{t}_0-\mathrm{\&Delta;}{t}_0\mathrm{\&lambda;}(T-\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_0}{2})=\frac{1}{2}\mathrm{\&lambda;\&Delta;}{t}_0^2---\left(12a\right)$

当第i辆公交车提前Δt₀到达站点时，o_i-1和(o_i-Δt₀)时刻间到达的乘客提早了Δt₀时间，但Δt₀时间内到达的乘客则晚点T时间，此时乘客延误D_p为：

$D_p=-(T-\mathrm{\&Delta;}{t}_0)\mathrm{\&lambda;\&Delta;t}+\mathrm{\&Delta;}{t}_0\mathrm{\&lambda;T}=\mathrm{\&lambda;\&Delta;}{t}_0^2---\left(12b\right)$

综上所述，公交车下游站点乘客延误为：

可以看出当Δt₀＝0时D_p最小，即公交车准点到达下游站点时乘客延误最小。因此当公交车提前到达站点时，基于运行时刻表的公交优先思想要求公交车必须准点驶离站点，即此时公交车需在站点等待至准点时刻才能离开，乘客延误和准点时一样都为零。

由行程时间预测可知优先前公交到达下游站点时刻为t_i，公交车的准点时刻为o_i，设优化后到达时刻为t′_i在交叉口给公交车信号优先后有两种情况：优先后公交车依旧晚点；优先后公交车准点或提前到达下游站点。下面对这两种情况分别进行讨论：

(1)优先后公交车仍晚点。根据公式(13)可以求得优先前后站点乘客的延误变化量ΔD_p可表达为：

$\mathrm{\&Delta;}{D}_p=\frac{\mathrm{\&lambda;}{(t_i^{\&prime;}-o_i)}^2}{2}-\frac{\mathrm{\&lambda;}{(t_i-o_i)}^2}{2}---\left(14a\right)$

(2)优先后公交车准点或提前到达站点。同理根据公式(13)可得乘客的延误变化量：

$\mathrm{\&Delta;}{D}_p=-\frac{\mathrm{\&lambda;}{(t_i-o_i)}^2}{2}---\left(14b\right)$

3)公交车辆延误模型

公交信号优先包括绿灯延长模块和绿灯提前启亮模块。因此，公交车辆的延误要分两种情况来计算，公交车辆在这两种情况下的延误模型如下：

(1)绿灯延长方式下的延误模型

公交车辆减少的延误在时间上等于公交车在交叉口停留产生的延误。假设检测器t时刻检测到公交车辆，检测器到达停车线所需时间为t_b，那么公交车辆到达交叉口的时刻为t_i＝t+t_b，若t_g+t′_g≥t_b＞t_g，则公交车需要请求第i相位绿灯延长Δt₁通过交叉口。第i相位绿灯开始时刻和终止时刻分别为g_is(start)和g_it(terminate)，公交车通过交叉口的时间为T，那么有Δt₁＝t_i-g_it+T。

如果不给予公交信号优先，单辆公交车产生的延误为：

d_b＝C-g_i-(t_i-g_it)＝C-t_i+g_is    (15)

如果给予公交车信号优先，d_b＝0，那么减少延误为：

d_b＝C-g_i-(t_i-g_it)＝C-t_i+g_is    (16)

当优先相位是第一相位时，单辆公交优先减少的人总延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{D}_1^B=P_B(C-t_1)---\left(17\right)$

式中：P_B为公交车平均载客数。如果能够检测到公交车实时的乘客人数可用检测值。

(2)绿灯提前启亮方式下的延误模型

假设第i相位公交车辆到达交叉口的时刻为t′_i，第i相位绿灯开始时刻和终止时刻分别为g_is和g_it，当需要绿灯提前启亮时，g_is＞t′_i，那么单辆公交车减少的延误为：

d_b＝g_is-t′_i    (18)

当优先相位是第一相位，预测公交车到达交叉口的时间为t′₁，公交车到达时刻上一个相位的有效绿灯时间为g_i时，单辆公交车减少的人总延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{D}_1^B=P_B(g_i-t_1^{\&prime;})---\left(19\right)$

4)社会车辆延误模型

社会车辆的延误分两种情况计算：绿灯延长方式下的社会车辆延误、绿灯提前启亮方式下的车辆延误。

(1)绿灯延长方式下的社会车辆延误模型

在计算社会车辆延误时，要考虑其所在相位是否为公交相位。因为社会车辆所在相位与公交车所在相位是否为同一相位对社会车辆延误的计算影响较大。

A.是公交相位

参阅图4，如果第一相位绿灯不延长Δt₁，则该时段内到达的车辆需要等待下一次绿灯启亮时才能离开交叉口。四边形AEFG的面积表示在Δt₁时间内到达第一进口道的车辆由于绿灯延长减少的延误。

$\mathrm{\&Delta;}{d}_{11}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1{q}_{11}}{2}[2r_1+\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1{q}_{11}}{S_{11}}-\mathrm{\&Delta;}{t}_1]---\left(20\right)$

式中：Δd₁₁-第一相位第一个进口道上车辆减少的延误(s)；

q₁₁-第一相位第一个进口道上车辆到达率(pcu/s)；

S₁₁-第一相位第一个进口道上车辆离开的饱和流率(pcu/s)；

r₁-第一相位有效红灯时间(s)。

公交优先相位的其余的直行进口道也会因此而受益，其减少的延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{d}_{1j}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1{q}_{1j}}{2}[2r_1+\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1{q}_{1j}}{S_{1j}}-\mathrm{\&Delta;}{t}_1]---\left(21\right)$

式中：Δd_1j-第一相位第j进口道上车辆减少的延误(s)；

q_1j-第一相位第j进口道上车辆到达率(pcu/s)；

S_1j-第一相位第j进口道上车辆离开时的饱和流率(pcu/s)。

第一相位所有进口道车辆减少的人总延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{D}_1^C=\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\mathrm{\&Delta;}{d}_{1j}=\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1{q}_{1j}}{2}[2r_1+\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1{q}_{1j}}{S_{1j}}-\mathrm{\&Delta;}{t}_1]---\left(22\right)$

式中：m₁-为第1相位进口道个数，P_C-为社会车辆平均载客数(建议取1.5)。

综上所述，公交优先相位减少的延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{D}_1=\mathrm{\&Delta;}{D}_1^B+\mathrm{\&Delta;}{D}_1^C---\left(23\right)$

B.非公交相位

第一相位绿灯延长Δt₁，根据非优先相位的流量比来压缩各相位绿灯时间。非优先相位第i相位的绿灯时间压缩值为：

Δt_i＝g_i-g′_i＝ΔT_i-ΔT′_i    (24)

式中ΔT_i和ΔT′_i分别为非优先相位由于前面相位绿灯延长所带来的绿灯启亮和结束的时间差。

$\mathrm{\&Delta;}{t}_1=\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{t}_i---\left(25\right)$

Δt_i由非优先相位通过等流量比分配决定，第i相位的流量比为：

$y_i=\frac{\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_{\mathrm{ij}}}{\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{\mathrm{ij}}}---\left(26\right)$

参阅图5、图6，在第i相位[a，a′]时间段内到达交叉口的车辆由于绿灯启亮时间推迟而必须等到下一周期才能离开，增加的部分延误如图6中四边形DBFE的面积；在[b，b′]的时间段内到达的车辆由于相位绿灯延长而可以直接通过交叉口，其减少的延误类似如图4中四边形AEFG的面积。

由此可得，第i相位第j进口道延误变化为：

$\mathrm{\&Delta;}{d}_{\mathrm{ij}}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i{q}_{\mathrm{ij}}{S}_{\mathrm{ij}}}{2(S_{\mathrm{ij}}-q_{\mathrm{ij}})}(2r_i+\mathrm{\&Delta;}{T}_i)-\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}}{2}[2r_i+\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}}{S_{\mathrm{ij}}}-\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}]$

$(i=\mathrm{2,3},...n;j=\mathrm{1,2},...,m_i)---\left(27\right)$

式中：Δd_ij-第i相位第j进口道上增加的车辆延误(s)；

q_ij-第i相位第j进口道上车辆到达率(pcu/s)；

S_ij-为第i相位第j进口道上车辆离开时的饱和流率(pcu/s)；

r_i-第i相位有效红灯时间(s)。

第i相位所有非公交专用进口道社会车辆增加的总延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{D}_i=\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{d}_{\mathrm{ij}}---\left(28\right)$

所有非公交相位社会车辆增加的人总延误为：

$\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{D}_i=\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\mathrm{\&Delta;}{d}_{\mathrm{ij}}---\left(29\right)$

$=\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\{\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i{q}_{\mathrm{ij}}{S}_{\mathrm{ij}}}{2(S_{\mathrm{ij}}-q_{\mathrm{ij}})}(2r_i+\mathrm{\&Delta;}{T}_i)-\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}}{2}[2r_i+\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}}{S_{\mathrm{ij}}}-\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}\left]\right\}$

综上，将公式(14a)或(14b)和(17)、(22)、(23)、(28)带入公式(10)，得出公式：

$\mathrm{PI}=P_B(C-t_1)+\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1{q}_{1j}}{2}[2r_1+\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1{q}_{1j}}{S_{1j}}-\mathrm{\&Delta;}{t}_1]+\mathrm{\&Delta;}{D}_p---\left(30\right)$

$-\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\{\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i{q}_{\mathrm{ij}}{S}_{\mathrm{ij}}}{2(S_{\mathrm{ij}}-q_{\mathrm{ij}})}(2r_i+\mathrm{\&Delta;}{T}_i)-\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}}{2}[2r_i+\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}}{S_{\mathrm{ij}}}-\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}\left]\right\}$

(2)绿灯提前启亮方式下的社会车辆延误模型

同上所述在计算社会车辆延误时，也要考虑其所在相位是否为公交相位。

A.是公交相位

参阅图7，当第一相位绿灯提前Δt′时间启亮时，该相位各进口道上社会车辆的延误将会减少。如图中四边形BFED所示，第一相位第一个进口道由于红灯提前结束而减少的延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{d}_{11}^{\&prime;}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1^{\&prime;}{q}_{11}{S}_{11}}{2(S_{11}-q_{11})}(2r_1-\mathrm{\&Delta;}{t}_1^{\&prime;})---\left(31\right)$

第一相位所有进口道减少的人总延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{D}_1^{\&prime;}=\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\mathrm{\&Delta;}{d}_{1j}^{\&prime;}=\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\left\{\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1^{\&prime;}{q}_{11}{S}_{11}}{2(S_{11}-q_{11})}(2r_1-\mathrm{\&Delta;}{t}_1^{\&prime;})\right\}---\left(32\right)$

其中：P_C-社会车辆平均载客数(建议取1.5)；

t′₁-第1相位公交车辆到达停车线的时刻(s)；

Δt′₁-第1相位绿灯提前启亮的时间(s)；

m₁-第1相位进口道个数；

Δt′₁-第1相位绿灯提前启亮的时间(s)；

q₁₁-第1相位第1进口道上的车辆到达率(pcu/s)；

S₁₁-第1相位第1进口道上车辆离开时的饱和流率(pcu/s)；

r₁-第1相位有效红灯时间(s)；

B.是非公交相位

参阅图8，对公交优先相位的前一个相位(设为第i相位)来说，绿灯提前结束了Δt′_i，在Δt′_i内到达的车辆本应该在这一周期的绿灯期间通过交叉口。如图中四边形EFBA所示，第i相位第j进口道增加的延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{d}_{\mathrm{ij}}^{\&prime;}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}{S}_{\mathrm{ij}}}{2(S_{\mathrm{ij}}-q_{\mathrm{ij}})}(2r_i+\mathrm{\&Delta;}{t}_i^{\&prime;})---\left(33\right)$

第i相位由于绿灯提前启亮所有进口道增加的人总延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{D}_i=\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\mathrm{\&Delta;}{d}_{\mathrm{ij}}=\underset{i=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}{S}_{\mathrm{ij}}}{2(S_{\mathrm{ij}}-q_{\mathrm{ij}})}(2r_i+\mathrm{\&Delta;}{t}_i^{\&prime;})---\left(34\right)$

综上，将公式(14a)或(14b)和(18)、(31)、(33)带入公式(10)，得出：

$\mathrm{PI}=P_B\left(g_i-t_1^{\&prime;}\right)+\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\left\{\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1^{\&prime;}{q}_{11}{S}_{11}}{2(S_{11}-q_{11})}(2r_1-\mathrm{\&Delta;}{t}_1^{\&prime;})\right\}---\left(35\right)$

$-\underset{i=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}{S}_{\mathrm{ij}}}{2(S_{\mathrm{ij}}-q_{\mathrm{ij}})}(2r_i+\mathrm{\&Delta;}{t}_i^{\&prime;})+\mathrm{\&Delta;}{D}_p$

二.具体实施基于运行时刻表的公交优先信号配时方法

参阅图1至图3，本发明所要解决的技术问题是克服现有公交优先信号配时技术中未考虑公交车准点率不足，以实现城市公交车准点率最大化为目标的问题，采用系统工程的方法，以定性与定量分析相结合的方式，研究基于公交运行时刻表的公交优先目标模型，并在优化目标下，提出单点公交优先信号配时方法。该方法具体操作步骤如下：

1.信息采集

1)利用安装在公交车上的GPS接收机以固定采样间隔(本发明取1s)采集日期、时间、公交车位置和速度信息；

2)同时利用安装在公交车车门处的自动乘客计数系统(APC)采集公交车载客数；

3)同时利用埋设在社会车辆进口车道上的感应线圈检测社会车辆关于流量和速度的信息；

三方面采集的信息通过GSM/GPRS网络传送到进行信息处理的控制中心。

2.对公交车行程时间及偏离时刻表的晚点程度计算

控制中心监控到公交车到达1号公交车停靠站k(上游站点)时，利用公交车行程时间预测模型预测在正常信号配时情况下，公交车从1号公交车停靠站k到达2号公交车停靠站k+1(下游站点)的行程时间。公交车行程时间包括公交车停靠时间和公交车行驶时间两部分：

1)利用模型T_d＝λ_k(t)×[t_b(k)-t_b-1(k)]×T_p计算公交车停靠时间T_d

其中：T_d为公交车停靠时间时间；λ_k(t)为1号公交车停靠站k的乘客到达率；t_b(k)为公交车b到达1号公交车停靠站k的时间，t_b-1(k)为公交车b-1到达1号公交车停靠站k的时间；T_p为乘客平均的上车时间。

2)计算公交车行驶时间T

行驶时间的预测包括三个部分，分别为公交车从1号公交车停靠站行驶到停车线所需的时间t₁ ^b；公交车在停车线处停车等待时间t₂ ^b；公交车从停车线行驶到2号公交车停靠站k+1所需时间t₃ ^b。

(1)公交车从1号公交车停靠站行驶到停车线所需的时间t₁ ^b

公交车从启动到正常速度行驶需要一段距离 $s=\frac{v_b^2}{2a_b}.$ 因此从停靠站到停车线的时间根据其距离d_k，i与s的关系分两种情况计算：

当d_k，i≤s时， $t_1^b=\sqrt{\frac{2d_{k,i}}{a_b}};$

当d_k，i＞s时， $t_1^b=\frac{v_b}{a_b}+\frac{d_{k,i}-s}{v_b}.$

设公交车离开停靠站的时刻为t，则公交车到达交叉口i停车线处的时刻为： $t_{\mathrm{ei}}=t+t_1^b.$

(2)公交车在停车线处停车等待时间t₂ ^b

公交车停车等待时间与公交车到达停车线时交叉口信号有关。当公交车遇到绿灯时，等待时间为0；当遇到红灯时，等待时间为： $t_2^b=t_g-(t+t_1^b),$ 其中t_g为给予信号优先时公交车通过交叉口的时刻。

(3)公交车从停车线行驶到2号公交车停靠站k+1所需时间t₃ ^b

公交车从停车线驶入2号公交车停靠站k+1(下游站点)时间与停车线到2号公交车停靠站k+1的距离有关，计算公式为：

$t_3^b=\frac{d_{i,k+1}-\frac{v_b^2}{2a_b}}{v_b}+\frac{v_b}{a_b}.$

公交车辆从1号公交车停靠站k行驶到2号公交车停靠站k+1的行驶时间为： $T=t_1^b+t_2^b+t_3^b.$

综上所述公交车辆从1号公交车停靠站k行驶到2号公交车停靠站k+1的行程时间为：T′＝T_d+T

3)控制中心根据公交车行程时间，结合公交车运行时刻表信息，预测公交车到达2号公交车停靠站k+1的晚点时间，判断其是否大于临界值，同时考虑发车间隔、公交车乘客人数等因素，建立公交优先权重模型：

α＝1+ψ(d_i)

其中：

$\mathrm{\&psi;}\left(d_i\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& d_i<\mathrm{\&beta;}\\ d_i& d_i\&GreaterEqual;\mathrm{\&beta;}\end{array}\right.,d_i=\left|\frac{t_w-t_z}{h}\right|$

式中：α-第i辆公交车的权重；

ψ(d_i)-公交车辆运行状态对应的权重函数；

d_i-第i辆公交车与运行时刻表的晚点程度；

β-公交运行时刻偏离状态权重补偿临界值；

t_w-公交车辆晚点到达下游站点的时刻；

t_z-公交车辆正点到达下游站点的时刻；

h-公交车辆发车时间间隔。

给公交车分配权重的同时，判断公交车是否发出优先申请：当d_i≥β时，表明公交车晚点，申请优先通过；否则，不予优先。

确定给予公交车信号优先后，预测公交车到达1号公交车停靠站(k)时公交相位是否为红灯，是，预测公交车到达交叉口停车线是否为红灯：到达交叉口停车线不是红灯，维持原信号配时方案不变；到达交叉口停车线是红灯，进入选择公交信号优先方式；

确定给予公交车信号优先后，预测公交车到达1号公交车停靠站(k)时公交相位不是红灯，预测公交车到达交叉口停车线是否为红灯：不是红灯，维持原信号配时方案不变；是红灯，进入选择公交信号优先方式；

3.控制中心利用上面的计算和交叉口当前信号配时得到公交车到达停车线时的灯色情况并根据不同的灯色选择公交信号优先方式

当需要给予公交车信号优先时，控制中心利用上面计算的公交车到达停车线的时刻和交叉口当前信号配时可以得到公交车到达停车线时该公交车所在相位的灯色情况。根据不同的灯色选择不同的公交信号优先方式：

(1)预测时刻为红灯，到达停车线时为红灯，选择公交相位绿灯提前启亮的优先方式；

(2)预测时刻为绿灯，到达停车线为红灯时，选择公交相位绿灯时间延长的优先方式；

公交车到达1号公交车停靠站k(上游站点)时刻控制中心开始预测其行程时间，此时刻即为预测时刻。

4.计算交叉口的综合效益

公交信号优先方式确定后，控制中心开始计算优先前后交叉口的综合效益，以确定公交优先方式是否可行。

用交叉口的人总延误来反映交叉口的综合效益，优先前后交叉口的人总延误变化量用PI来表示： $\mathrm{PI}=\mathrm{\&Delta;}{D}_i-\underset{i+1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{D}_{i+1}+\mathrm{\&Delta;}{D}_p,$ 包括公交优先相位减少的延误ΔD_i；非公交优先相位增加的延误之和

公交站点乘客延误变化ΔD_p。

在计算PI过程中，考虑到计算的方便性，将人总延误分为：公交站点乘客延误、公交车辆人总延误、社会车辆人总延误三部分计算。

1)计算公交站点乘客延误

假设各站点乘客的到达服从泊松(Poission)分布，2号公交车停靠站k+1(下游站点)前后两辆公交车之间到达人数为B的概率为：

$P(B=x)=f\left(x\right)=\frac{m^x{e}^{-m}}{x!},m=\mathrm{\&lambda;T}$

式中：λ为行人到达率，T为同一线路前后两辆公交车的发车间隔，m为发车间隔内平均到达的人数。

公交站点乘客延误计算：

设o_i-1，o_i，o_i+1分别为第i-1到第i+1辆公交车正点到达2号公交车停靠站k+1的时刻，当第i辆公交车晚点Δt₀到达2号公交车停靠站k+1时，o_i-1和o_i间到达的乘客晚点Δt₀时间，但Δt₀时间内到达的乘客则提前(T-Δt₀)时间。此时，2号公交车停靠站k+1乘客延误D_p为：

$D_p=\mathrm{T\&lambda;\&Delta;}{t}_0-\mathrm{\&Delta;}{t}_0\mathrm{\&lambda;}(T-\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_0}{2})=\frac{1}{2}\mathrm{\&lambda;\&Delta;}{t}_0^2;$

当第i辆公交车提前Δt₀到达站点时，o_i-1和(o_i-Δt₀)时刻间到达的乘客提早了Δt₀时间，但Δt₀时间内到达的乘客则晚点T时间，此时乘客延误D_p为：

D_p＝-(T-Δt₀)λΔt₀+Δt₀λT＝λΔt₀ ²。

综上所述，公交车2号公交车停靠站k+1乘客延误为：

可以看出当Δt₀＝0时D_p最小，即公交车准点到达2号公交车停靠站k+1时乘客延误最小。因此当公交车提前到达站点时，基于运行时刻表的公交优先思想要求公交车必须准点驶离站点，即此时公交车需在站点等待至准点时刻才能离开，乘客延误和准点时一样都为零。

由行程时间预测可知优先前公交到达2号公交车停靠站k+1时刻为t_i，公交车的准点时刻为o_i，设优化后到达时刻为t′_i，在交叉口给公交车信号优先后有两种情况：优先后公交车依旧晚点；优先后公交车准点或提前到达下游站点：

(1)优先后公交车仍晚点。此时，根据D_p计算公式可知优先前后站点乘客的延误变化量ΔD_p为：

$\mathrm{\&Delta;}{D}_p=\frac{\mathrm{\&lambda;}{(t_i^{\&prime;}-o_i)}^2}{2}-\frac{\mathrm{\&lambda;}{(t_i-o_i)}^2}{2};$

(2)优先后公交车准点或提前到达站点。同理可得乘客的延误变化量：

$\mathrm{\&Delta;}{D}_p=-\frac{\mathrm{\&lambda;}{(t_i-o_i)}^2}{2}.$

2)计算公交车辆人总延误

公交信号优先包括绿灯时间延长和绿灯提前启亮两种方式。因此，公交车辆的人总延误要分两种情况来计算。

(1)计算绿灯时间延长方式下的人总延误

公交车减少的延误在时间上等于公交车在交叉口停车线停留产生的延误。假设t时刻公交车到达1号公交车停靠站k，公交车从1号公交车停靠站k到达交叉口停车线所需时间为t_b，那么公交车辆到达交叉口停车线的时刻为t_i＝t+t_b，若t_g+t′_g≥t_b＞t_g，则公交车需要请求第i相位绿灯延长Δt₁通过交叉口。第i相位绿灯开始时刻和终止时刻分别为g_is和g_it，公交车通过交叉口的时间为T，那么有Δt₁＝t_i-g_it+T。

如果不给予公交信号优先，单辆公交车产生的延误为：

d_b＝C-g_i-(t_i-g_it)＝C-t_i+g_is；

如果给予公交车信号优先，d_b＝0，那么减少延误为：

d_b＝C-g_i-(t_i-g_it)＝C-t_i+g_is。

当优先相位是第一相位时，单辆公交车减少的人总延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{D}_1^B=P_B(C-t_1),$

其中：P_B为公交车平均载客数(如果能够检测到公交车实时的乘客人数可用检测值)，t₁为公交相位是第一相位时公交车到达交叉口时刻，t_i为公交相位是第i相位时公交车到达交叉口时刻，g_i为第i相位的绿灯时间。

(2)计算绿灯提前启亮方式下的人总延误

假设第i相位公交车辆到达交叉口停车线的时刻为t′_i，第i相位绿灯开始时刻和终止时刻分别为g_is和g_it，当需要绿灯提前启亮时，g_is＞t′_i，那么单辆公交车减少的延误为：d_b＝g_is-t′_i

当优先相位是第一相位，预测公交车到达交叉口停车线的时间为t′₁，公交车到达时刻上一个相位的有效绿灯时间为g_i时，单辆公交车减少的人总延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{D}_1^B=P_B(g_i-t_1^{\&prime;})$

3)计算社会车辆人总延误

同理社会车辆的延误也分绿灯时间延长方式下的社会车辆人总延误、绿灯提前启亮方式下的社会车辆人总延误两种情况。不同的是，计算社会车辆人总延误还要考虑其所在相位是否与公交车为同一相位。

(1)计算绿灯时间延长方式下的社会车辆人总延误

A.计算公交所在相位的社会车辆人总延误

参阅图4，如果第一相位绿灯不延长Δt₁，则该时段内到达的车辆需要等待下一次绿灯启亮时才能离开交叉口。如图中所示，四边形AEFG的面积表示在Δt₁时间内到达第一进口道的车辆由于绿灯延长减少的延误：

$\mathrm{\&Delta;}{d}_{11}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1{q}_{11}}{2}[2r_1+\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1{q}_{11}}{S_{11}}-\mathrm{\&Delta;}{t}_1]$

式中：Δd₁₁-第一相位第一个进口道上车辆减少的延误(s)；

q₁₁-第一相位第一个进口道上车辆到达率(pcu/s)；

S₁₁-第一相位第一个进口道上车辆离开的饱和流率(pcu/s)；

r₁-第一相位有效红灯时间(s)。

公交优先相位的其余的直行进口道减少的延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{d}_{1j}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1{q}_{1j}}{2}[2r_1+\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1{q}_{1j}}{S_{1j}}-\mathrm{\&Delta;}{t}_1]$

式中：Δd_1j-第一相位第j进口道上车辆减少的延误(s)；

q_1j-第一相位第j进口道上车辆到达率(pcu/s)；

S_1j-第一相位第j进口道上车辆离开时的饱和流率(pcu/s)。

因此，第一相位所有进口道车辆减少的人总延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{D}_1^C=\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\mathrm{\&Delta;}{d}_{1j}=\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1{q}_{1j}}{2}[2r_1+\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1{q}_{1j}}{S_{1j}}-\mathrm{\&Delta;}{t}_1]$

式中：m₁为第一相位直行进口道个数，P_C为社会车辆平均载客数(建议取1.5)。

综上所述公交优先相位减少的延误为： $\mathrm{\&Delta;}{D}_1=\mathrm{\&Delta;}{D}_1^B+\mathrm{\&Delta;}{D}_1^C.$

B.计算非公交所在相位的社会车辆人总延误

参阅图5与图6，第一相位绿灯延长Δt₁，根据非优先相位的流量比来压缩各相位绿灯时间。非优先相位第i相位的绿灯时间压缩值为：Δt_i＝g_i-g′_i＝ΔT_i-ΔT′_i。式中ΔT_i和ΔT′_i分别为非优先相位由于前面相位绿灯延长所带来的绿灯启亮和结束的时间差。因此， $\mathrm{\&Delta;}{t}_1=\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{t}_i.$ 其中Δt_i由非优先相位通过等流量比分配决定，第i相位的流量比为： $y_i=\frac{\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{q}_{\mathrm{ij}}}{\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{S}_{\mathrm{ij}}}$

从图5可见，在第i相位[a，a′]时间段内到达交叉口停车线的车辆由于绿灯启亮时间推迟而必须等到下一周期才能离开，增加的部分延误如图6中四边形DBFE的面积；在[b，b′]的时间段内到达的车辆由于相位绿灯延长而可以直接通过交叉口停车线，其减少的延误类似如图4中四边形AEFG的面积。由此可得，第i相位第j进口道延误变化为：

$\mathrm{\&Delta;}{d}_{\mathrm{ij}}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i{q}_{\mathrm{ij}}{S}_{\mathrm{ij}}}{2(S_{\mathrm{ij}}-q_{\mathrm{ij}})}(2r_i+\mathrm{\&Delta;}{T}_i)-\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}}{2}[2r_i+\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}}{S_{\mathrm{ij}}}-\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}]$

$(i=\mathrm{2,3},...n;j=\mathrm{1,2},...,m_i)$

式中：Δd_ij--第i相位第j进口道上增加的车辆延误(s)；

q_ij-第i相位第j进口道上车辆到达率(pcu/s)；

S_ij-为第i相位第j进口道上车辆离开时的饱和流率(pcu/s)；

r_i-第i相位有效红灯时间(s)。

第i相位所有非公交专用进口道社会车辆增加的总延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{D}_i=\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{d}_{\mathrm{ij}}$

所有非公交相位社会车辆增加的人总延误为：

$\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\mathrm{\&Delta;}{D}_i=\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\mathrm{\&Delta;}{d}_{\mathrm{ij}}$

$=\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\{\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i{q}_{\mathrm{ij}}{S}_{\mathrm{ij}}}{2(S_{\mathrm{ij}}-q_{\mathrm{ij}})}(2r_i+\mathrm{\&Delta;}{T}_i)-\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}}{2}[2r_i+\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}}{S_{\mathrm{ij}}}-\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}\left]\right\}$

(2)计算绿灯提前启亮方式下的社会车辆人总延误

A.计算公交所在相位的社会车辆人总延误

参阅图7，当第一相位绿灯提前Δt′时间启亮时，该相位各进口道上社会车辆的延误将会减少。如图中四边形BFED所示，第一相位第一个进口道由于红灯提前结束而减少的延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{d}_{11}^{\&prime;}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1^{\&prime;}{q}_{11}{S}_{11}}{2(S_{11}-q_{11})}(2r_1-\mathrm{\&Delta;}{t}_1^{\&prime;})$

因此，第一相位所有进口道减少的人总延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{D}_1^{\&prime;}=\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\mathrm{\&Delta;}{d}_{1j}^{\&prime;}=\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\left\{\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1^{\&prime;}{q}_{11}{S}_{11}}{2(S_{11}-q_{11})}(2r_1-\mathrm{\&Delta;}{t}_1^{\&prime;})\right\}$

其中：P_C-社会车辆平均载客数(建议取1.5)；

t′₁-第1相位公交车辆到达停车线的时刻(s)；

Δt′₁-第1相位绿灯提前启亮的时间(s)；

m₁-第1相位进口道个数；

Δt′₁-第1相位绿灯提前启亮的时间(s)；

q₁₁-第1相位第1进口道上的车辆到达率(pcu/s)；

S₁₁-第1相位第1进口道上车辆离开时的饱和流率(pcu/s)；

r₁-第1相位有效红灯时间(s)；

B.计算非公交所在相位的社会车辆人总延误

参阅图8，对公交优先相位的前一个相位(设为第i相位)来说，绿灯提前结束了Δt′_i，在Δt′_i内到达的车辆本应该在这一周期的绿灯期间通过交叉口。如图中四边形EFBA所示，第i相位第j进口道增加的延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{d}_{\mathrm{ij}}^{\&prime;}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}{S}_{\mathrm{ij}}}{2(S_{\mathrm{ij}}-q_{\mathrm{ij}})}(2r_i+\mathrm{\&Delta;}{t}_i^{\&prime;}).$

第i相位由于绿灯提前启亮所有进口道增加的人总延误为：

$\mathrm{\&Delta;}{D}_i=\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\mathrm{\&Delta;}{d}_{\mathrm{ij}}=\underset{i=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}{S}_{\mathrm{ij}}}{2(S_{\mathrm{ij}}-q_{\mathrm{ij}})}(2r_i+\mathrm{\&Delta;}{t}_i^{\&prime;}).$

综和上面计算的公交站点乘客延误、公交车辆人总延误和社会车辆人总延误，得出绿灯时间延长方式下的交叉口人总延误变化量为：

$\mathrm{PI}=P_B(C-t_1)+\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1{q}_{1j}}{2}[2r_1+\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1{q}_{1j}}{S_{1j}}-\mathrm{\&Delta;}{t}_1]+\mathrm{\&Delta;}{D}_p$

$-\underset{i=2}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\{\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i{q}_{\mathrm{ij}}{S}_{\mathrm{ij}}}{2(S_{\mathrm{ij}}-q_{\mathrm{ij}})}(2r_i+\mathrm{\&Delta;}{T}_i)-\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}}{2}[2r_i+\frac{\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}}{S_{\mathrm{ij}}}-\mathrm{\&Delta;}{T}_i^{\&prime;}\left]\right\}$

绿灯提前启亮方式下的交叉口人总延误变化量为：

$\mathrm{PI}=P_B(g_i-t_1^{\&prime;})+\underset{j=1}{\overset{m_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\left\{\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_1^{\&prime;}{q}_{11}{S}_{11}}{2(S_{11}-q_{11})}(2r_1-\mathrm{\&Delta;}{t}_1^{\&prime;})\right\}$

$-\underset{i=1}{\overset{m_i}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_C\frac{\mathrm{\&Delta;}{t}_i^{\&prime;}{q}_{\mathrm{ij}}{S}_{\mathrm{ij}}}{2(S_{\mathrm{ij}}-q_{\mathrm{ij}})}(2r_i+\mathrm{\&Delta;}{t}_i^{\&prime;})+\mathrm{\&Delta;}{D}_p$

5.由控制中心生成新的信号配时方案

判断信号优先方案是否可行：当PI＞0时，信号优先方案可行。选择合适的g_s对信号配时进行调整，由控制中心生成新的信号配时方案，并下发到信号机。通过信号机控制，实现基于运行时刻表的公交信号优先；当PI＜0时，保持原信号配时方案不变。

所述的选择合适的g_s对信号配时进行调整是指：将公交优先方式下的绿灯时间延长和绿灯提前启亮时间用参数g_s来表示。通过分析公交车运行情况及信号配时情况，综合考虑交叉口的综合效益，得到绿灯时间优化参数g_s的取值范围，在该范围内选择使人总延误变化量PI最大的g_s值作为绿灯时间优化的参数，对交叉口信号配时进行优化。

g_s的取值范围：

1)当采用绿灯延长时， $g_s\&Element;[g_{t_1^b}+T_i,g_{\max }],$ g_max为公交相位最大绿灯时间；

2)当采用绿灯提前启亮时，如果其它相位满足最小绿灯时间， $g_s\&Element;[g_{t_1^b},g_{\mathrm{is}}];$

3)当采用绿灯提前启亮时，如果其它相位不满足最小绿灯时间，g_s∈[r_(i-1)min，g_is]，r_(i-1)min为公交前一相位最小红灯时间。

确定了g_s的取值范围后，在可能的取值范围内取时间的整数值分别计算人总延误变化量PI，选取使PI取值最大的g_s值。

Claims (5)

1.一种采用计算机程序的基于运行时刻表的公交优先信号配时方法，首先进行信息采集步骤，其特征在于，该方法还包括有下列步骤：

1)对公交车行程时间及偏离时刻表的晚点程度计算，包括如下步骤：

(1)计算公交车从1号公交车停靠站(k)行驶到2号公交车停靠站(k+1)的行程时间(T′)：

T′＝T_d+T

式中：T_d-公交车在1号公交车停靠站(k)停靠时间，单位，s；

T-公交车从1号公交车停靠站(k)行驶到2号公交车停靠站(k+1)的行驶时间，单位，s；

-公交车从1号公交车停靠站行驶到停车线所需的时间；

-公交车在停车线处停车等待时间；

-公交车从停车线行驶到2号公交车停靠站(k+1)所需时间；

(2)控制中心根据公交车行程时间(T′)，结合公交车运行时刻表信息，预测公交车到达2号公交车停靠站(k+1)的晚点程度(d_i)，判断其是否大于临界值(β)，当d_i≥β时，申请优先通过；否则，不予优先，维持原信号配时方案不变；

(3)确定给予公交车信号优先后，预测公交车到达1号公交车停靠站(k)时公交相位是否为红灯，是，预测公交车到达交叉口停车线是否为红灯：到达交叉口停车线不是红灯，维持原信号配时方案不变；到达交叉口停车线是红灯，进入选择公交信号优先方式；

(4)确定给予公交车信号优先后，预测公交车到达1号公交车停靠站(k)时公交相位不是红灯，预测公交车到达交叉口停车线是否为红灯：不是红灯，维持原信号配时方案不变；是红灯，进入选择公交信号优先方式；

2)控制中心利用上面的计算和交叉口当前信号配时得到公交车到达停车线时的灯色情况并根据不同的灯色选择公交信号优先方式：

(1)预测时刻为红灯，到达停车线时为红灯，选择公交相位绿灯提前启亮的优先方式；

(2)预测时刻为绿灯，到达停车线为红灯时，选择公交相位绿灯时间延长的优先方式；

3)计算交叉口的人总延误变化量(PI)：

式中：ΔD_i-公交优先相位减少的延误，单位，s；

-非公交优先相位增加的延误之和，单位，s；

ΔD_p-公交站点乘客延误变化，单位，s；

4)判断信号优先方案是否可行，选择合适的g_s由控制中心生成新的信号配时方案：

(1)当PI＞0时，绿灯提前启亮或者绿灯时间延长信号优先方案可行，选择合适的g_s对信号配时进行调整，由控制中心生成新的信号配时方案，并下传到信号机，实现基于运行时刻表的公交信号优先；

(2)当PI＜0时，维持原信号配时方案不变。

2.按照权利要求1所述的基于运行时刻表的公交优先信号配时方法，其特征是所述的信息采集包括有下列步骤：

1)利用安装在公交车上的GPS接收机以固定采样间隔采集日期、时间、公交车位置和速度信息；

2)同时利用安装车门处的自动乘客计数系统采集公交车载客数；

3)同时利用埋设在社会车辆进口车道上的感应线圈检测社会车辆的流量和速度信息；

4)将采集的以上三方面的信息通过GSM/GPRS网络传送到进行信息处理的控制中心。

3.按照权利要求1所述的基于运行时刻表的公交优先信号配时方法，其特征是所述的计算公交车从1号公交车停靠站(k)行驶到2号公交车停靠站(k+1)的行程时间(T′)及偏离时刻表的晚点程度包括有下列步骤：

1)计算公交车在1号公交车停靠站(k)的停靠时间(T_d)：

T_d＝λ_k(t)×[t_b(k)-t_b-1(k)]×T_p    (1)

式中：T_d-公交车停靠时间，单位，s；

λ_k(t)-停靠站k的乘客到达率，单位，passengers/s；

t_b(k)-公交车b到达1号公交车停靠站k的时间，单位，s；

t_b-1(k)-公交车b-1到达1号公交车停靠站k的时间，单位，s；

T_p——乘客平均的上车时间，单位，s；

2)计算公交车从1号公交车停靠站(k)行驶到2号公交车停靠站(k+1)的行驶时间(T)：

(1)计算公交车从1号公交车停靠站(k)行驶到停车线的时间

公交车从停止到启动再到正常速度所需的距离为S，

其中：a_b为公交车加速度，v_b为公交车行驶速度；

当d_k，i≤S时，

当d_k，i＞S时，

式中：d_k，i-表示从1号公交车停靠站(k)到交叉口i停车线的距离；

(2)计算公交车在停车线处停车等待的时间

如果公交车到达交叉口遇到绿灯相位，那么停车等待时间为：

如果公交车到达交叉口遇到红灯相位，那么停车等待时间为：

式中：t_g-给予信号优先时公交车通过交叉口的时刻；t-公交车离开1号公交车停靠站k的时刻；

(3)计算公交车从停车线行驶到2号公交车停靠站(k+1)的时间

式中：d_i，k+1-表示从交叉口i停车线到2号公交车停靠站(k+1)的距离；

公交车辆在1号公交车停靠站k和2号公交车停靠站k+1间的行驶时间为：

(4)计算公交车从1号公交车停靠站(k)行驶到2号公交车停靠站(k+1)偏离时刻表的晚点程度(d_i)

其中：d_i-第i辆公交车与运行时刻表的晚点程度；

β-公交运行时刻偏离状态权重补偿临界值；

t_w-公交车辆晚点到达2号公交车停靠站k+1的时刻；

t_z-公交车辆正点到达2号公交车停靠站k+1的时刻；

h-公交车辆发车时间间隔。

4.按照权利要求1所述的基于运行时刻表的公交优先信号配时方法，其特征是所述的计算交叉口的人总延误变化量(PI)包括有下列步骤：

1)计算公交站点乘客延误；

2)计算公交车辆人总延误；

(1)计算绿灯时间延长方式下的人总延误；

(2)计算绿灯提前启亮方式下的人总延误；

3)计算社会车辆人总延误；

(1)计算绿灯时间延长方式下的社会车辆人总延误；

A.计算公交所在相位的社会车辆人总延误；

B.计算非公交所在相位的社会车辆人总延误；

(2)计算绿灯提前启亮方式下的社会车辆人总延误；

A.计算公交所在相位的社会车辆人总延误；

B.计算非公交所在相位的社会车辆人总延误；

综和上面计算的公交站点乘客延误、公交车辆人总延误和社会车辆人总延误，得出绿灯时间延长方式下的交叉口人总延误变化量(PI_ex)为：

其中：P_B-公交车平均载客数；

P_C-社会车辆平均载客数；

C-周期长度，单位，s；

t₁-第1相位公交车到达交叉口的时刻，单位，s；

m₁-第1相位进口道个数；

m_i-第i相位进口道个数；

q_1j-第1相位第j进口道上的车辆到达率，单位，pcu/s；

q_ij-第i相位第j进口道的车辆到达率，单位，pcu/s；

Δt₁-第1相位绿灯延长时间，单位，s；

r₁-第1相位有效红灯时间，单位，s；

r_i-第i相位有效红灯时间，单位，s；

S_1j-第1相位第j进口道上车辆离开时的饱和流率，单位，pcu/s；

S_ij-第i相位第j进口道上车辆离开时的饱和流率，单位，pcu/s；

ΔD_p-公交站点乘客延误变化，单位，s；

ΔT_i-非优先相位由于上一相位绿灯延长所导致的绿灯启亮的时间差，单位，s；

ΔT_i′-非优先相位由于上一相位绿灯延长所导致的绿灯结束的时间差，单位，s；

得出绿灯提前启亮方式下的交叉口人总延误变化量(PI_es)为：

其中：g_i-第i相位绿灯时间，单位，s；

t′₁-第1相位公交车辆到达停车线的时刻，单位，s；

Δt′₁-第1相位绿灯提前启亮的时间，单位，s；

Δt′_i-第i相位绿灯提前启亮的时间，单位，s；

Δt′₁-第1相位绿灯提前启亮的时间，单位，s；

q₁₁-第1相位第1进口道上的车辆到达率，单位，pcu/s；

S₁₁-第1相位第1进口道上车辆离开时的饱和流率，单位，pcu/s。

5.按照权利要求1所述的基于运行时刻表的公交优先信号配时方法，其特征是执行所述的判断信号优先方案是否可行，选择合适的g_s由控制中心生成新的信号配时方案后执行如下步骤：

1)确定公交优先方式下的绿灯时间延长和绿灯提前启亮时间参数g_s的取值范围：

(1)当采用绿灯延长时，g_max为公交相位最大绿灯时间；

(2)当采用绿灯提前启亮时，如果其它相位满足最小绿灯时间，

(3)当采用绿灯提前启亮时，如果其它相位不满足最小绿灯时间，g_s∈[r_(i-1)min，g_is]，r_(i-1)min为公交前一相位最小红灯时间；

2)确定了g_s的取值范围后，在可能的取值范围内取时间的整数值分别计算人总延误变化量(PI)，选取使人总延误变化量(PI)取值最大的g_s值。

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