CN102236970B - 基于预信号的主动式公交信号优先控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于预信号的主动式公交信号优先控制方法，旨在保证通过交叉口的社会车辆服务水平不显著降低的同时，最大限度地提高通过交叉口公交车辆的服务水平。首先，在符合条件的交叉口安装检测器、布设装有计算机程序的信号机及信号灯。其次，设置预信号停车线与主信号、预信号之间的绿时差。再次，在检测器检测到公交优先申请时根据交叉口运行状态判断是否给予信号优先。随后，根据当前相位状况判断执行何种主动式公交优先控制策略。最后，根据绿灯延长、公交相位插入、红灯缩短三种主动式公交信号优先控制策略的控制逻辑与算法实现对公交车辆的信号优先服务。

Description

基于预信号的主动式公交信号优先控制方法

技术领域

本发明涉及一种公交信号优先的控制方法，尤其涉及一种在多相位信号控制交叉口结合预信号技术实现公交优先通行的主动式公交信号优先控制方法。

背景技术

主动式公交信号优先控制方法是根据设置在交叉口进口道上的车辆检测器采集到的公交到达信息，合理采用绿灯延长、红灯缩短、插入相位、跳跃相位、相位倒转等控制策略调整原有信号配时参数实现交叉口公交优先，最大限度地提高交叉口公共交通的通行能力和服务水平。

进入21世纪后，北美、欧洲等发达国家越来越重视对交叉口公交信号优先控制方法的研究，并在此基础上在一些城市中尝试了实际运用，取得了很好的效果。另一方面，由于发达国家的城市交通网络所具有的高密度、多支路的特点，国外的信号控制交叉口多采用两相位信号控制方式，因此，国外学者对公交信号优先控制方法的研究也主要集中在绿灯延长和红灯缩短两种控制策略上。

同时，随着我国经济的飞速发展，我国城市的交通需求呈现出爆发性增长的趋势，为提高公共交通出行比例，缓解城市交通拥堵，我国学者开始了对交叉口公交信号优先控制方法的研究。然而，受国外已有研究成果的影响，我国的研究方向也集中在绿灯延长和红灯缩短这两种控制策略的模型算法、适用条件等方面，但由于我国主要交叉口多采用多相位信号控制，这两种控制策略缺乏对通行方向为红灯信号且下一个执行相位仍为红灯信号的进口道上公交车辆的优先服务。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种多相位信号控制交叉口的基于预信号的主动式公交信号优先控制方法，在保证通过交叉口的社会车辆服务水平不显著降低的同时，最大限度的提高通过交叉口公交车辆的服务水平。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

步骤1：在信号控制系统为三相位或三相位以上、具有一条或一条以上的右转专用车道且与相邻交叉口的间距超过200米的交叉口，安装检测器、布设装有计算机程序的信号机及信号灯，并利用光缆和电线依次将检测器与信号机连接起来，所述的检测器采用视频车辆检测器，并且能够自动识别公交车辆并记录公交车辆通过检测器时的瞬时车速，车辆检测器布设在交叉口进口道停车线上游25米处，

步骤2：在主信号停车线上游40米处设置预信号停车线，且设定预信号与主信号之间的绿时差为6秒，

步骤3：信号机在检测器检测到公交优先申请时判断是否给予信号优先：

步骤3.1：设置在车道上的检测器检测到有公交车辆通过时，触发公交优先的申请，并将公交优先的申请反馈给信号机，

步骤3.2：信号机停止接收检测器公交优先的申请，

步骤3.3：若交叉口饱和度不大于0.9，转入步骤3.4；否则，转入步骤5，所述交叉口饱和度为通过设置在交叉口各进口道上的车辆检测器得到的交叉口的当前交通量与交叉口设计通行能力的比值，

步骤3.4：若当前相位在优先公交通行方向为红灯信号，转入步骤3.5；否则，转入步骤5，所述当前相位为优先公交到达主停车线时刻所处相位，若g⁰ _Δt≥L₁/v，则当前相位为优先公交通过检测器时所处相位；若g⁰ _Δt＜L₁/v，则当前相位为优先公交通过检测器时所处相位的下一执行相位，其中，g⁰ _Δt：优先公交通过检测器时所处相位在优先公交通过检测器时刻的剩余时间；L₁：检测器与主停车线之间的距离；v：检测器检测到的公交车辆平均车速，

步骤3.5：计算优先公交到达主停车线时当前相位的剩余时间g¹ _Δt，转入步骤4，计算公式为：

若g⁰ _Δt≥L₁/v，则g¹ _Δt＝g⁰ _Δt-L₁/v

若g⁰ _Δt＜L₁/v，则g¹ _Δt＝g⁰ _Δt+Q₀-L₁/v

式中，Q₀：当前相位持续时间，

步骤4：若当前相位的上一执行相位在优先公交通行方向为绿灯信号，且当前相位的剩余时间g¹ _Δt大于等于Q₀/2，转入步骤4.1，执行绿灯延长控制；若当前相位的上一执行相位在优先公交通行方向为绿灯信号，且当前相位的剩余时间g¹ _Δt小于Q₀/2，转入步骤4.2，执行公交相位插入控制；若当前相位的上一执行相位在优先公交通行方向为红灯信号，且当前相位的下一执行相位在优先公交通行方向也为红灯信号，转入步骤4.2，执行公交相位插入控制；若当前相位的下一执行相位在优先公交通行方向为绿灯信号，转入步骤4.3，执行红灯缩短控制，

步骤4.1：绿灯延长控制的方法如下：

A1)计算所需绿灯延长时间g₁，执行步骤A2)，计算公式为：

g₁＝(Q⁰ ₁₁-g¹ _Δt)+L₂/v

式中，Q⁰ ₁₁：绿灯延长控制下当前相位的持续时间；

g¹ _Δt：优先公交到达主停车线时当前相位的剩余时间；

L₂：主停车线至公交车辆驶入出口道时的公交车辆行驶轨迹的长度；

v：检测器检测到的公交车辆平均车速，

A2)控制参数初始化，令压缩信号周期编号为m且m＝1，绿灯延长控制下的总压缩时间为g^m-1 ₁且g^m-1 ₁＝0，执行步骤A3)，

A3)预测绿灯延长控制下后续第m周期内的各个非最后相位的富裕绿灯时间F^m _1i且i＝1，2，…n-1，n≤8，其中n为周期相位数，及最后相位的富裕绿灯时间F^m _1n，所述富裕绿灯时间是指相位持续时间扣除上一红灯期间到达预信号停车线并停车等待车辆通过交叉口所需的绿灯时间，后续第m周期各相位富裕绿灯时间的预测值分别为检测器检测到的当前相位所处周期的上一周期各对应相位的富裕绿灯时间，执行步骤A4)，

A4)分配绿灯延长控制下后续第m周期内的各个非最后相位的压缩时间g^m _1i及最后相位的压缩时间g^m _1n，执行步骤A5)，计算公式为：

${g^m}_{1i}=\min \{(g_1-{g^{m-1}}_1)\×[{Q^m}_{1i}/(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{Q^m}_{1i}+{Q^m}_{1n})],{F^m}_{1i}\}$

${g^m}_{1n}=\min (g_1-{g^{m-1}}_1-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{g^m}_{1i},{F^m}_{1n})$

式中，Q^m _1i：绿灯延长控制下后续第m周期内非最后相位i的持续时间；

Q^m _1n：绿灯延长控制下后续第m周期最后相位的持续时间，

A5)计算绿灯延长控制下第m周期内的各个非最后相位的绿灯时间P^m _1i及最后相位的绿灯时间P^m _1n，执行步骤A6)，计算公式为：

P^m _1i＝int(Q^m _1i-g^m _1i+0.5)

P^m _1n＝int(Q^m _1n-g^m _1n+0.5)

A6)计算绿灯延长控制下后续m周期的总压缩时间g^m ₁，执行步骤A7)，计算公式为：

${g^m}_1={g^{m-1}}_1+(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{g^m}_{1i}+{g^m}_{1n})$

A7)判断绿灯延长控制下后续m周期的总压缩时间g^m ₁是否等于所需绿灯延长时间g₁，若是，则执行步骤5，若否，则执行步骤A8)，

A8)进入下一周期各相位的压缩，令m＝m+1，执行步骤A3)，

步骤4.2：公交相位插入控制的方法如下：

B1)计算所需专用公交相位时间g₂，执行步骤B2)，计算公式为：

g₂＝L₂/v+3

式中，L₂：主停车线至公交车辆驶入出口道时的公交车辆行驶轨迹的长度；

v：检测器检测到的公交车辆平均车速，

B2)预测公交相位插入控制下当前相位富裕绿灯时间F⁰ ₂₁，执行步骤B3)，当前相位富裕绿灯时间的预测值为检测器检测到的当前相位所处周期的上一周期中对应相位的富裕绿灯时间，

B3)确定当前相位压缩时间g⁰ ₂₁，执行步骤B4)，计算公式为：

g⁰ ₂₁＝min(g₂，F⁰ ₂₁，g¹ _Δt)

式中，g¹ _Δt：优先公交到达主停车线时当前相位的剩余时间；

B4)计算公交相位插入控制下当前相位的绿灯时间P⁰ ₂₁，执行步骤B5)，计算公式为：

P⁰ ₂₁＝int(Q⁰ ₂₁-g⁰ ₂₁+0.5)

式中，Q⁰ ₂₁：公交相位插入控制下当前相位的持续时间，

B5)判断公交相位插入控制下当前相位压缩时间g⁰ ₂₁是否小于所需专用公交相位时间g₂，若是，则执行步骤B6)，若否，则执行步骤5，

B6)控制参数初始化，令压缩信号周期编号为m且m＝1，公交相位插入控制下的总压缩时间为g^m-1 ₂且g^m-1 ₂＝g⁰ ₂₁，执行步骤B7)，

B7)预测公交相位插入控制下后续第m周期内的各个非最后相位的富裕绿灯时间F^m _2i且i＝1，2，…n-1，n≤8，其中n为周期相位数，及最后相位的富裕绿灯时间F^m _2n，后续第m周期各相位富裕绿灯时间的预测值为检测器检测到的当前相位所处周期的上一周期各对应相位的富裕绿灯时间，执行步骤B8)，

B8)分配公交相位插入控制下后续第m周期内的各个非最后相位的压缩时间g^m _2i及最后相位的压缩时间g^m _2n，执行步骤B9)，计算公式为：

${g^m}_{2i}=\min \{(g_2-{g^{m-1}}_2)\×[{Q^m}_{2i}/(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{Q^m}_{2i}+{Q^m}_{2n})],{F^m}_{2i}\}$

${g^m}_{2n}=\min (g_2-{g^{m-1}}_2-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{g^m}_{2i},{F^m}_{2n})$

式中，Q^m _2i：公交相位插入控制下后续第m周期非最后相位i的持续时间；

Q^m _2n：公交相位插入控制下后续第m周期最后相位的持续时间，

B9)计算公交相位插入控制下第m周期内的各个非最后相位的绿灯时间P^m _2i及最后相位的绿灯时间P^m _2n，执行步骤B10)，计算公式为：

P^m _2i＝int(Q^m _2i-g^m _2i+0.5)

P^m _2n＝int(Q^m _2n-g^m _2n+0.5)

B10)计算公交相位插入控制下当前相位与后续m周期的总压缩时间g^m ₂，执行步骤B11)，计算公式为：

${g^m}_2={g^{m-1}}_2+(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{g^m}_{2i}+{g^m}_{2n})$

B11)判断公交相位插入控制下当前相位与后续m周期的总压缩时间g^m ₂是否等于所需专用公交相位时间g₂，若是，则执行步骤5，若否，则执行步骤B12)，

B12)进入下一周期各相位压缩，令m＝m+1，执行步骤B7)，

步骤4.3：红灯缩短控制的方法如下：

C1)计算所需红灯缩短时间g₃，执行步骤C2)，计算公式为：

g₃＝g¹ _Δt

式中，g¹ _Δt：优先公交到达主停车线时当前相位的剩余时间，

C2)预测红灯缩短控制下当前相位富裕绿灯时间F⁰ ₃₁，执行步骤C3)，当前相位富裕绿灯时间的预测值为检测器检测到的当前相位所处周期的上一周期中对应相位的富裕绿灯时间，

C3)确定红灯缩短控制下当前相位压缩时间g⁰ ₃₁，执行步骤C4)，计算公式为：

g⁰ ₃₁＝min(g₃，F⁰ ₃₁)

C4)计算红灯缩短控制下当前相位的绿灯时间P⁰ ₃₁，执行步骤5，计算公式为：

P⁰ ₃₁＝int(Q⁰ ₃₁-g⁰ ₃₁+0.5)

式中，Q⁰ ₃₁：当前相位的持续时间，

步骤5：信号机恢复接收检测器公交车辆的优先申请，转入步骤3。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明所述的基于预信号的主动式公交信号优先控制布局方案不仅使未设置公交专用车道的交叉口也可以运用公交相位插入控制策略为公交车辆提供优先服务，同时对于优先控制系统判断不提供优先信号的公交车辆，也能通过预信号的实施得到一定的通行优先。

2.本发明所述的主动式公交信号控制方法，在考虑绿灯延长与红灯缩短这两种较常用控制策略的基础上，融入了公交相位插入这一控制策略，实现了控制方法在多相位信号控制交叉口任一相位下均能为公交车辆提供公交信号优先。

3.本发明所述的绿灯延长、公交相位插入、红灯缩短三种控制策略的控制逻辑结构和控制参数模型能够在保证交叉口各进口道上车辆不会因控制方法的实施而造成二次停车的同时，根据相位的持续时间按比例分配压缩时间，均衡各进口道交通负荷。

附图说明

图1是基于预信号的主动式公交信号优先控制方法的示意图；

图2是多相位信号控制交叉口不同相位对应控制策略的示意图；

图3是基于预信号的主动式公交信号优先控制进口道布局方案的示意图；

图4是步骤3中的信号优先判断流程框图；

图5是步骤4中的控制策略判断流程框图；

图6是步骤4.1中的绿灯延长控制策略流程框图；

图7是步骤4.2中的公交相位插入控制策略流程框图；

图8是步骤4.3中的红灯缩短控制策略流程框图；

图9是公交车辆行驶轨迹相关参数的示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

1.多相位信号控制交叉口不同相位对应控制策略介绍。(请参阅图2)

以四相位信号控制交叉口为例：

当检测器检测到公交车辆的时刻处于相位1前半段时，通过执行绿灯延长控制延长相位4的绿灯时间，使公交车辆无需停车等待直接通过交叉口。

当检测器检测到公交车辆的时刻处于相位1后半段或相位2时，通过执行公交相位插入控制为公交车辆提供一个专用公交相位，减少公交车辆的停车等待时间。

当检测器检测到公交车辆的时刻处于相位3时，通过执行红灯缩短控制缩短相位3的红灯时间，减少公交车辆的停车等待时间。

2.基于预信号的主动式公交信号优先控制进口道布局方案。

1)预信号控制方法介绍

预信号控制方法是在交叉口进口道的通行区域内设置前后两条停车线，通过设置在后一条停车线上的预信号来控制非优先车辆的通行；即预信号为红灯时，非优先车辆在预信号控制停车线之后等待，而公交车辆可以直接进入主信号控制的前一条停车线之后的公交候驶区排队等待。

主动式公交信号优先控制方法中的公交相位插入控制策略的实施需要在正常的相位相序中增加一个相位，由于公交车辆混杂在非优先车辆中，因此插入相位的持续时间难以确定。而预信号控制方法可以将公交车辆从非优先车辆中分离出来，仅为公交车辆提供优先信号，从而实现控制策略的实际运用。

2)进口道渠化设计

针对我国多相位信号控制交叉口冲突车辆的时空分离、交叉口公交专用车道未普遍设置及右转车道排队较少的特点，本发明设计了如下预信号控制下交叉口进口道的布局方法：当公交车辆行驶至交叉口，发现预信号为红灯时，公交车辆将通过右转车道进入公交候驶区，等待优先控制系统判断是否给予公交信号优先。(请参阅图3)

3)布局方案参数设定

根据我国的数据统计，一辆公交车辆的长度约为8～12米。考虑到车辆间安全间距及公交候驶区一条车道能够停放3辆公交车的要求，设定公交候驶区长度(预信号停车线至主信号停车线之间的直线距离)为40米。

根据相关文献的研究，汽车启动时，驾驶员的反应-知觉时间为0.4秒，汽车启动反应时间为0.3秒。一般而言，小汽车的加速度在3m/s²左右，故小汽车由预信号停车线启动到达主停车线的时间为5.2秒。综上，设定预信号与主信号之间的绿时差计算值为0.4+0.3+5.2＝5.9秒，四舍五入后确定最终绿时差为6秒。

3.信号机信号优先控制判断机制。(请参阅图4)

3.1设置在车道上的检测器检测到有公交车辆通过时，触发公交优先的申请，并将申请反馈给信号机。

3.2信号机停止接收检测器公交优先的申请。此步骤的目的是在先到先服务的基础上，信号机在上一公交车辆信号优先恢复期内不再接收后续公交车辆的优先申请，直至交叉口信号控制方案恢复为预设控制方案后，信号机再重新恢复接收检测器公交车辆的优先申请，以保证基于预信号的主动式公交信号优先控制方法的正常运行。信号优先恢复期是指上一次执行基于预信号的主动式公交优先控制方法后相位持续时间重新分配的各个相位；预设控制方案是指未执行基于预信号的主动式公交优先控制方法时相关交通部门根据交叉口各进口道交通流量计算得到的信号控制方案。

3.3若交叉口饱和度不大于0.9，则信号机给予公交车辆信号优先，转入步骤3..4；否则，跳出信号优先判断机制，转入步骤5，使信号机恢复接收检测器公交车辆的优先申请。交叉口饱和度的获取方法为：通过设置在交叉口各进口道上的车辆检测器得到的交叉口现有交通量与交叉口设计通行能力的比值。

此步骤的目的是在交叉口接近饱和的情况下不使用基于预信号的主动式公交信号优先控制方法，防止非优先车辆延误的进一步增加。

3.4：若当前相位在优先公交通行方向为红灯信号，转入步骤3.5；否则，转入步骤5，所述当前相位为优先公交到达主停车线时刻所处相位，若g⁰ _Δt≥L₁/v，则当前相位为优先公交通过检测器时所处相位；若g⁰ _Δt＜L₁/v，则当前相位为优先公交通过检测器时所处相位的下一执行相位，其中，g⁰ _Δt：优先公交通过检测器时所处相位在优先公交通过时刻的剩余时间；L₁：检测器与主停车线之间的距离；v：检测器检测到的公交车辆平均车速。

此步骤的目的是检测优先公交能否在不使用基于预信号的主动式公交信号优先控制方法就能够在通行方向绿灯期间不停车直接通过交叉口。

3.5：计算优先公交到达主停车线时当前相位的剩余时间g¹ _Δt，转入步骤4，计算公式为：

若g⁰ _Δt≥L₁/v，则g¹ _Δt＝g⁰ _Δt-L₁/v

若g⁰ _Δt＜L₁/v，则g¹ _Δt＝g⁰ _Δt+Q₀-L₁/v

式中，Q₀：当前相位持续时间。

此步骤的目的是计算不同情况下的当前相位剩余时间，以便于后续步骤统一运用。

4.信号机控制策略判断机制。(请参阅图5)

4.1判断当前相位的上一执行相位在优先公交通行方向是否为绿灯，若是，则执行步骤4.2，若否，则执行步骤4.3。

4.2判断当前相位剩余时间g¹ _Δt是否不小于Q₀/2，若是，则执行步骤4.4，若否，则执行步骤4.5。

4.3判断当前相位的下一执行相位在优先公交通行方向是否为红灯，若是，则执行步骤4.5，若否，则执行步骤4.6。

4.4执行绿灯延长控制策略。(请参阅具体实施方式第5点)

4.5执行公交相位插入控制策略。(请参阅具体实施方式第6点)

4.6执行红灯缩短控制策略。(请参阅具体实施方式第7点)

5.绿灯延长控制策略逻辑结构与参数模型。(请参阅图6)

A1)计算所需绿灯延长时间g₁，执行步骤A2)，计算公式为：

g₁＝(Q⁰ ₁₁-g¹ _Δt)+L₂/v

式中，Q⁰ ₁₁：绿灯延长控制下当前相位的持续时间；

g¹ _Δt：优先公交到达主停车线时当前相位的剩余时间；

L₂：主停车线至公交车辆驶入出口道时的公交车辆行驶轨迹的长度；

v：检测器检测到的公交车辆平均车速，

其中L₂的确定方法请参阅具体实施方式第9点。

A2)控制参数初始化，令压缩信号周期编号为m且m＝1，绿灯延长控制下的总压缩时间为g^m-1 ₁且g^m-1 ₁＝0，执行步骤A3)。

此步骤的目的是初始化控制参数，使下一步首先压缩后续第1周期，并将总压缩时间初始化为0。

A3)预测绿灯延长控制下后续第m周期内的各个非最后相位的富裕绿灯时间F^m _1i且i＝1，2，…n-1，n≤8，其中n为周期相位数，及最后相位的富裕绿灯时间F^m _1n，所述富裕绿灯时间是指相位持续时间扣除上一红灯期间到达预信号停车线并停车等待车辆通过交叉口所需的绿灯时间，执行步骤A4)。

后续第1周期为当前相位下一执行相位开始至下一与当前相位通行规则一致的相位结束，第m周期非最后相位是指第m周期中与当前相位通行规则不同的相位，第m周期最后相位是指第m周期中与当前相位通行规则一致的相位。

后续第m周期各相位富裕绿灯时间的预测值分别为检测器检测到的当前相位所处周期的上一周期各对应相位的富裕绿灯时间，相位富裕绿灯时间的确定方法请参阅具体实施方式第8点。

A4)分配绿灯延长控制下后续第m周期内的各个非最后相位的压缩时间g^m _1i及最后相位的压缩时间g^m _1n，执行步骤A5)，计算公式为：

${g^m}_{1i}=\min \{(g_1-{g^{m-1}}_1)\×[{Q^m}_{1i}/(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{Q^m}_{1i}+{Q^m}_{1n})],{F^m}_{1i}\}$

${g^m}_{1n}=\min (g_1-{g^{m-1}}_1-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{g^m}_{1i},{F^m}_{1n})$

式中，Q^m _1i：绿灯延长控制下后续第m周期内非最后相位i的持续时间；

Q^m _1n：绿灯延长控制下后续第m周期最后相位的持续时间。

此步骤的目的是在保证交叉口各进口道上车辆不会二次停车的同时，根据相位的持续时间按比例分配压缩时间，均衡各进口道交通负荷。

A5)计算绿灯延长控制下第m周期内的各个非最后相位的绿灯时间P^m _1i及最后相位的绿灯时间P^m _1n，执行步骤A6)，计算公式为：

P^m _1i＝int(Q^m _1i-g^m _1i+0.5)

P^m _1n＝int(Q^m _1n-g^m _1n+0.5)

此步骤的目的是确定绿灯延长控制方案中第m周期内各相位的绿灯时间，并通过对结果取整与实际运用接轨。

A6)计算绿灯延长控制下后续m周期的总压缩时间g^m ₁，执行步骤A7)，计算公式为：

${g^m}_1={g^{m-1}}_1+(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{g^m}_{1i}+{g^m}_{1n})$

此步骤的目的是累积后续m周期各相位的总压缩时间。

A7)判断绿灯延长控制下后续m周期的总压缩时间g^m ₁是否等于所需绿灯延长时间g₁，若是，则执行步骤5，若否，则执行步骤A8)。

g^m _1n不小于0且g^m ₁小于等于g₁，证明过程如下：

$\underset{\·}{\·\·}{g^m}_{1i}=\min \{(g_1-{g^{m-1}}_1)\×[{Q^m}_{1i}/(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{Q^m}_{1i}+{Q^m}_{1n})],{F^m}_{1i}\}$

$\stackrel{\·}{\·\·}{g^m}_{1i}\≤(g_1-{g^{m-1}}_1)\×[{Q^m}_{1i}/(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{Q^m}_{1i}+{Q^m}_{1n})]$

$\stackrel{\·}{\·\·}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{g^m}_{1i}\≤\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\{(g_1-{g^{m-1}}_1)\×[{Q^m}_{1i}/(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{Q^m}_{1i}+{Q^m}_{1n})\left]\right\}$

$\stackrel{\&CenterDot;}{\&CenterDot;\&CenterDot;}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g^m}_{1i}\&le;(g_1-{g^{m-1}}_1)\&times;[\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q^m}_{1i}/(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q^m}_{1i}+{Q^m}_{1n})]<g_1-{g^{m-1}}_1$

$\stackrel{\&CenterDot;}{\&CenterDot;\&CenterDot;}{g}_1-{g^{m-1}}_1-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g^m}_{1i}>0$

$\underset{\&CenterDot;}{\&CenterDot;\&CenterDot;}{g^m}_{1n}=\min (g_1-{g^{m-1}}_1-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g^m}_{1i},{F^m}_{1n}),{F^m}_{1n}\&GreaterEqual;0$

∴g^m _1n≥0

$\stackrel{\&CenterDot;}{\&CenterDot;\&CenterDot;}{g^m}_{1n}\&le;g_1-{g^{m-1}}_1-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g^m}_{1i}$

$\stackrel{\&CenterDot;}{\&CenterDot;\&CenterDot;}{g^{m-1}}_1+(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g^m}_{1i}+{g^m}_{1n})\&le;g_1$

∴g^m ₁≤g₁

此步骤的目的是判断通过压缩后续m周期是否能够提供所需的绿灯延长时间。

A8)进入下一周期各相位压缩，令m＝m+1，执行步骤A3)。

此步骤的目的是在后续m周期不能完全提供所需的绿灯延长时间时，进入后续第m+1周期进行相位持续时间的压缩。

6.公交相位插入控制策略逻辑结构与参数模型。(请参阅图7)

B1)计算所需专用公交相位时间g₂，执行步骤B2)，计算公式为：

g₂＝L₂/v+3

式中，L₂：主停车线至公交车辆驶入出口道时的公交车辆行驶轨迹的长度；

v：检测器检测到的公交车辆平均车速，

公式中的常数3表示的是公交插入相位的黄灯时间为3秒，L₂的确定方法请参阅具体实施方式第9点。

B2)预测公交相位插入控制下当前相位富裕绿灯时间F⁰ ₂₁，所述富裕绿灯时间是指相位持续时间扣除上一红灯期间到达预信号停车线并停车等待车辆通过交叉口所需的绿灯时间，执行步骤B3)。

当前相位富裕绿灯时间的预测值为检测器检测到的当前相位所处周期的上一周期中对应相位的富裕绿灯时间。当前相位所处周期为上一与当前相位通行规则一致的相位的下一执行相位开始至当前相位结束。相位富裕绿灯时间的确定方法请参阅具体实施方式第8点。

B3)确定当前相位压缩时间g⁰ ₂₁，执行步骤B4)，计算公式为：

g⁰ ₂₁＝min(g₂，F⁰ ₂₁，g¹ _Δt)

式中，g¹ _Δt：优先公交到达主停车线时当前相位的剩余时间；

此步骤在所需专用公交相位时间、当前相位富裕绿灯时间、公交车辆到达主停车线时当前相位剩余时间中取最小值作为当前相位的压缩时间，在保证车辆不二次停车的同时，最大限度的为公交相位插入控制提供压缩时间。

B4)计算公交相位插入控制下当前相位的绿灯时间P⁰ ₂₁，执行步骤B5)，计算公式为：

P⁰ ₂₁＝int(Q⁰ ₂₁-g⁰ ₂₁+0.5)

式中，Q⁰ ₂₁：公交相位插入控制下当前相位的持续时间。

此步骤的目的是确定公交相位插入控制方案中当前相位的绿灯时间，并通过对结果取整与实际运用接轨。

B5)判断公交相位插入控制下当前相位压缩时间g⁰ ₂₁是否小于所需专用公交相位时间g₂，若是，则执行步骤B6)，若否，则执行步骤5。

g⁰ ₂₁小于等于g₂，证明过程如下：

∵g⁰ ₂₁＝min(g₂，F⁰ ₂₁，g_Δt-L₁/v)

∴g⁰ ₂₁≤g₂

此步骤的目的是判断通过压缩当前相位是否能够提供所需的专用公交相位时间。

B6)制参数初始化，令压缩信号周期编号为m且m＝1，公交相位插入控制下的总压缩时间为g^m-1 ₂且g^m-1 ₂＝g⁰ ₂₁，执行步骤B7)。

此步骤的目的是初始化控制参数，使下一步首先压缩后续第1周期，并将总压缩时间初始化为当前相位压缩时间。

B7)预测公交相位插入控制下后续第m周期内的各个非最后相位的富裕绿灯时间F^m _2i且i＝1，2，…n-1，n≤8，其中n为周期相位数，及最后相位的富裕绿灯时间F^m _1n，执行步骤B8)。

后续第1周期为当前相位下一执行相位开始至下一与当前相位通行规则一致的相位结束，第m周期非最后相位是指第m周期中与当前相位通行规则不同的相位，第m周期最后相位是指第m周期中与当前相位通行规则一致的相位。

后续第m周期各相位富裕绿灯时间的预测值分别为检测器检测到的当前相位所处周期的上一周期各对应相位的富裕绿灯时间，相位富裕绿灯时间的确定方法请参阅具体实施方式第8点。

B8)分配公交相位插入控制下后续第m周期内的各个非最后相位的压缩时间g^m _2i及最后相位的压缩时间g^m _2n，执行步骤B9)，计算公式为：

${g^m}_{2i}=\min \{(g_2-{g^{m-1}}_2)\&times;[{Q^m}_{2i}/(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q^m}_{2i}+{Q^m}_{2n})],{F^m}_{2i}\}$

${g^m}_{2n}=\min (g_2-{g^{m-1}}_2-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g^m}_{2i},{F^m}_{2n})$

式中，Q^m _2i：公交相位插入控制下后续第m周期非最后相位i的持续时间；

Q^m _2n：公交相位插入控制下后续第m周期最后相位的持续时间。

此步骤的目的是在保证交叉口各进口道上车辆不会二次停车的同时，根据相位的持续时间按比例分配压缩时间，均衡各进口道交通负荷。

B9)计算公交相位插入控制下第m周期内的各个非最后相位的绿灯时间P^m _2i及最后相位的绿灯时间P^m _2n，执行步骤B10)，计算公式为：

P^m _2i＝int(Q^m _2i-g^m _2i+0.5)

P^m _2n＝int(Q^m _2n-g^m _2n+0.5)

此步骤的目的是确定公交相位插入控制方案中第m周期内各相位的绿灯时间，并通过对结果取整与实际运用接轨。

B10)计算公交相位插入控制下当前相位与后续m周期的总压缩时间g^m ₂，执行步骤B11)，计算公式为：

${g^m}_2={g^{m-1}}_2+(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g^m}_{2i}+{g^m}_{2n})$

此步骤的目的是累积当前相位与后续m周期各相位的总压缩时间。

B11)判断公交相位插入控制下当前相位与后续m周期的总压缩时间g^m ₂是否等于所需专用公交相位时间g₂，若是，则执行步骤5，若否，则执行步骤B12)，

g^m _2n不小于0且g^m ₂小于等于g₂，证明过程同步骤A7)。

此步骤的目的是判断通过压缩当前相位与后续m周期是否能够提供所需的专用公交相位时间。

B12)进入下一周期各相位压缩，令m＝m+1，执行步骤B7)。

此步骤的目的是在后续m周期不能完全提供所需的专用公交相位时间时，进入后续第m+1周期进行相位持续时间的压缩。

7.红灯缩短控制策略逻辑结构与参数模型。(请参阅图8)

C1)计算所需红灯缩短时间g₃，执行步骤C2)，计算公式为：

g₃＝g¹ _Δt

式中，g¹ _Δt：优先公交到达主停车线时当前相位的剩余时间。

C2)预测公交相位插入控制下当前相位富裕绿灯时间F⁰ ₃₁，所述富裕绿灯时间是指相位持续时间扣除上一红灯期间到达预信号停车线并停车等待车辆通过交叉口所需的绿灯时间，执行步骤C3)。

当前相位富裕绿灯时间的预测值为检测器检测到的当前相位所处周期的上一周期中对应相位的富裕绿灯时间。当前相位所处周期为上一与当前相位通行规则一致的相位的下一执行相位开始至当前相位结束。相位富裕绿灯时间的确定方法请参阅具体实施方式第8点。

C3)确定红灯缩短控制下当前相位压缩时间g⁰ ₃₁，执行步骤C4)，计算公式为：

g⁰ ₃₁＝min(g₃，F⁰ ₃₁)

此步骤在所需红灯缩短时间、当前相位富裕绿灯时间中取最小值作为当前相位的压缩时间，在保证车辆不二次停车的同时，最大限度的为红灯缩短控制提供压缩时间。

C4)计算红灯缩短控制下当前相位的绿灯时间P⁰ ₃₁，执行步骤5，计算公式为：

P⁰ ₃₁＝int(Q⁰ ₃₁-g⁰ ₃₁+0.5)

式中，Q⁰ ₃₁：当前相位的持续时间。

此步骤的目的是确定红灯缩短控制方案中当前相位的绿灯时间，并通过对结果取整与实际运用接轨。

8.相位富裕绿灯时间的确定。

在红灯期间到达的交叉口排队车辆，在绿灯放行期间，开始几辆车辆通过停车线时会因为驾驶员的反应过程、车辆的加速过程造成一定的启动损失时间，根据相关文献的研究，我国交叉口的启动损失时间为4秒。同时，排队车辆通过停车线时，经过开始几辆车辆车头时距的变化后，后续车辆的车头时距趋于稳定，排队车辆将以饱和车头时距通过停车线，根据相关文献的研究，我国交叉口排队车辆的饱和车头时距在2秒左右。故相位富裕绿灯时间的确定方法为：

F＝Q₀-(x×2+4)

式中，Q₀：当前相位持续时间；

x：检测器检测到的上一绿灯期间以饱和车头时距通过的车辆数。

9.公交车辆行驶轨迹相关参数的确定。(请参阅图9)

公交车辆行驶轨迹需要确定的相关参数有L₁与L₂。

其中L₁为检测器与主停车线之间的直线距离。L₂则与车辆在交叉口的转向相关，对于直行车辆，L₂为主停车线与出口道起始位置之间的直线距离；而对于左转车辆，L₂＝πr/2，其中r为左转车道停车线中点至左侧路缘石之间的直线距离。

实施例1

通过对南京市丹凤街-大石桥街四相位信号控制交叉口的实地数据采集，获得该交叉口高峰小时交通量，如下表所示：

表1丹凤街-大石桥街交叉口高峰小时流量表(veh/h)

交叉口四个进口道的几何布局形式均为：3个专用进口车道(左转、直行、右转各一)，2个出口车道。交叉口的信号配时情况为：南北直行(37s)、南北左转(17s)、东西直行(29s)、东西左转(13s)。所有车辆右转均无限制。

运用VISSIM微观仿真软件对该交叉口执行基于预信号的主动式公交信号优先控制方法实施前后分别建立仿真模型，其中控制方法的实施通过软件的VisVAP模块编程实现。

在仿真阶段，每次仿真时段取4000秒，其中包括400秒路网车流初始化阶段。仿真结果如表2、表3所示。

表2未执行基于预信号的主动式公交信号优先控制方法时交叉口车辆平均延误

表3执行基于预信号的主动式公交信号优先控制方法时交叉口车辆平均延误

仿真结果为：公交车辆的车均延误平均值由26.82s下降为12.17s，降幅超过54％；同时，控制方法执行下的非优先车辆的车均延误平均值由26.82s上升为31.05s，升幅不到16％。相较于交叉口公交车辆的服务水平由C级提升为B级，非优先车辆的服务水平维持在C级不变，控制方法的实施对交叉口的整体运行影响不大。

Claims (1)

1.一种基于预信号的主动式公交信号优先控制方法，其特征在于，

步骤1：在信号控制系统为三相位或三相位以上、具有一条或一条以上的右转专用车道且与相邻交叉口的间距超过200米的交叉口，安装检测器、布设装有计算机程序的信号机及信号灯，并利用光缆和电线依次将检测器与信号机连接起来，所述的检测器采用视频车辆检测器，并且能够自动识别公交车辆并记录公交车辆通过检测器时的瞬时车速，车辆检测器布设在交叉口进口道停车线上游25米处，

步骤2：在主信号停车线上游40米处设置预信号停车线，且设定预信号与主信号之间的绿时差为6秒，

步骤3：信号机在检测器检测到公交优先申请时判断是否给予信号优先：

步骤3.1：设置在车道上的检测器检测到有公交车辆通过时，触发公交优先的申请，并将公交优先的申请反馈给信号机，

步骤3.2：信号机停止接收检测器公交优先的申请，

步骤3.3：若交叉口饱和度不大于0.9，转入步骤3.4；否则，转入步骤5，所述交叉口饱和度为通过设置在交叉口各进口道上的车辆检测器得到的交叉口的当前交通量与交叉口设计通行能力的比值，

步骤3.4：若当前相位在优先公交通行方向为红灯信号，转入步骤3.5；否则，转入步骤5，所述当前相位为优先公交到达主停车线时刻所处相位，若g⁰ _Δt≥L₁/v，则当前相位为优先公交通过检测器时所处相位；若g⁰ _Δt＜L₁/v，则当前相位为优先公交通过检测器时所处相位的下一执行相位，其中，g⁰ _Δt：优先公交通过检测器时所处相位在优先公交通过检测器时刻的剩余时间；L₁：检测器与主停车线之间的距离；v：检测器检测到的公交车辆平均车速，

步骤3.5：计算优先公交到达主停车线时当前相位的剩余时间g¹ _Δt，转入步骤4，计算公式为：

若g⁰ _Δt≥L₁/v    则g¹ _Δt＝g⁰ _Δt-L₁/v

若g⁰ _Δt＜L₁/v    则g¹ _Δt＝g⁰ _Δt+Q₀-L₁/v

式中，Q₀：当前相位持续时间，

步骤4：若当前相位的上一执行相位在优先公交通行方向为绿灯信号，且当前相位的剩余时间g¹ _Δt大于等于Q₀/2，转入步骤4.1，执行绿灯延长控制；若当前相位的上一执行相位在优先公交通行方向为绿灯信号，且当前相位的剩余时间g¹ _Δt小于Q₀/2，转入步骤4.2，执行公交相位插入控制；若当前相位的上一执行相位在优先公交通行方向为红灯信号，且当前相位的下一执行相位在优先公交通行方向也为红灯信号，转入步骤4.2，执行公交相位插入控制；若当前相位的下一执行相位在优先公交通行方向为绿灯信号，转入步骤4.3，执行红灯缩短控制，

步骤4.1：绿灯延长控制的方法如下：

A1)计算所需绿灯延长时间g₁，执行步骤A2)，计算公式为：

g₁＝(Q⁰ ₁₁-g¹ _Δt)+L₂/v

式中，Q⁰ ₁₁：绿灯延长控制下当前相位的持续时间；

L₂：主停车线至公交车辆驶入出口道时的公交车辆行驶轨迹的长度；

A2)控制参数初始化，令压缩信号周期编号为m且m＝1，绿灯延长控制下的总压缩时间为g^m-1 ₁且g^m-1 ₁＝0，执行步骤A3)，

A3)预测绿灯延长控制下后续第m周期内的各个非最后相位的富裕绿灯时间F^m _1i且i＝1，2，…n-1，n≤8，其中n为周期相位数，及最后相位的富裕绿灯时间F^m _1n，所述富裕绿灯时间是指相位持续时间扣除上一红灯期间到达预信号停车线并停车等待车辆通过交叉口所需的绿灯时间，后续第m周期各相位富裕绿灯时间的预测值分别为检测器检测到的当前相位所处周期的上一周期各对应相位的富裕绿灯时间，执行步骤A4)，

A4)分配绿灯延长控制下后续第m周期内的各个非最后相位的压缩时间g^m _1i及最后相位的压缩时间g^m _1n，执行步骤A5)，计算公式为：

${g^m}_{1i}=\min \{(g_1-{g^{m-1}}_1)\&times;[{Q^m}_{1i}/(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q^m}_{1i}+{Q^m}_{1n})],{F^m}_{1i}\}$

${g^m}_{1n}=\min (g_1-{g^{m-1}}_1-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g^m}_{1i},{F^m}_{1n})$

式中，Q^m _1i：绿灯延长控制下后续第m周期内非最后相位i的持续时间；

Q^m _1n：绿灯延长控制下后续第m周期最后相位的持续时间，

A5)计算绿灯延长控制下第m周期内的各个非最后相位的绿灯时间P^m _1i及最后相位的绿灯时间P^m _1n，执行步骤A6)，计算公式为：

P^m _1i＝int(Q^m _1i-g^m _1i+0.5)

P^m _1n＝int(Q^m _1n-g^m _1n+0.5)

A6)计算绿灯延长控制下后续m周期的总压缩时间g^m ₁，执行步骤A7)，计算公式为：

${g^m}_1={g^{m-1}}_1+(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g^m}_{1i}+{g^m}_{1n})$

A7)判断绿灯延长控制下后续m周期的总压缩时间g^m ₁是否等于所需绿灯延长时间g₁，若是，则执行步骤5，若否，则执行步骤A8)，

A8)进入下一周期各相位的压缩，令m＝m+1，执行步骤A3)，

步骤4.2：公交相位插入控制的方法如下：

B1)计算所需专用公交相位时间g₂，执行步骤B2)，计算公式为：

g₂＝L₂/v+3

式中，L₂：主停车线至公交车辆驶入出口道时的公交车辆行驶轨迹的长度；

B2)预测公交相位插入控制下当前相位富裕绿灯时间F⁰ ₂₁，执行步骤B3)，当前相位富裕绿灯时间的预测值为检测器检测到的当前相位所处周期的上一周期中对应相位的富裕绿灯时间，

B3)确定当前相位压缩时间g⁰ ₂₁，执行步骤B4)，计算公式为：

g⁰ ₂₁＝min(g₂，F⁰ ₂₁，g¹ _Δt)

B4)计算公交相位插入控制下当前相位的绿灯时间P⁰ ₂₁，执行步骤B5)，计算公式为：

P⁰ ₂₁＝int(Q⁰ ₂₁-g⁰ ₂₁+0.5)

式中，Q⁰ ₂₁：公交相位插入控制下当前相位的持续时间，

B5)判断公交相位插入控制下当前相位压缩时间g⁰ ₂₁是否小于所需专用公交相位时间g₂，若是，则执行步骤B6)，若否，则执行步骤5，

B6)控制参数初始化，令压缩信号周期编号为m且m＝1，公交相位插入控制下的总压缩时间为g^m-1 ₂且g^m-1 ₂＝g⁰ ₂₁，执行步骤B7)，

B7)预测公交相位插入控制下后续第m周期内的各个非最后相位的富裕绿灯时间F^m _2i且i＝1，2，…n-1，n≤8，其中n为周期相位数，及最后相位的富裕绿灯时间F^m _2n，后续第m周期各相位富裕绿灯时间的预测值为检测器检测到的当前相位所处周期的上一周期各对应相位的富裕绿灯时间，执行步骤B8)，

B8)分配公交相位插入控制下后续第m周期内的各个非最后相位的压缩时间g^m _2i及最后相位的压缩时间g^m _2n，执行步骤B9)，计算公式为：

${g^m}_{2i}=\min \{(g_2-{g^{m-1}}_2)\&times;[{Q^m}_{2i}/(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q^m}_{2i}+{Q^m}_{2n})],{F^m}_{2i}\}$

${g^m}_{2n}=\min (g_2-{g^{m-1}}_2-\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g^m}_{2i},{F^m}_{2n})$

式中，Q^m _2i：公交相位插入控制下后续第m周期非最后相位i的持续时间；

Q^m _2n：公交相位插入控制下后续第m周期最后相位的持续时间，

B9)计算公交相位插入控制下第m周期内的各个非最后相位的绿灯时间P^m _2i及最后相位的绿灯时间P^m _2n，执行步骤B10)，计算公式为：

P^m _2i＝int(Q^m _2i-g^m _2i+0.5)

P^m _2n＝int(Q^m _2n-g^m _2n+0.5)

B10)计算公交相位插入控制下当前相位与后续m周期的总压缩时间g^m ₂，执行步骤B11)，计算公式为：

${g^m}_2={g^{m-1}}_2+(\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{g^m}_{2i}+{g^m}_{2n})$

B11)判断公交相位插入控制下当前相位与后续m周期的总压缩时间g^m ₂是否等于所需专用公交相位时间g₂，若是，则执行步骤5，若否，则执行步骤B12)，

B12)进入下一周期各相位压缩，令m＝m+1，执行步骤B7)，

步骤4.3：红灯缩短控制的方法如下：

C1)计算所需红灯缩短时间g₃，执行步骤C2)，计算公式为：

g₃＝g¹ _Δt

C2)预测红灯缩短控制下当前相位富裕绿灯时间F⁰ ₃₁，执行步骤C3)，当前相位富裕绿灯时间的预测值为检测器检测到的当前相位所处周期的上一周期中对应相位的富裕绿灯时间，

C3)确定红灯缩短控制下当前相位压缩时间g⁰ ₃₁，执行步骤C4)，计算公式为：

g⁰ ₃₁＝min(g₃，F⁰ ₃₁)

C4)计算红灯缩短控制下当前相位的绿灯时间P⁰ ₃₁，执行步骤5，计算公式为：

P⁰ ₃₁＝int(Q⁰ ₃₁-g⁰ ₃₁+0.5)

式中，Q⁰ ₃₁：当前相位的持续时间，

步骤5：信号机恢复接收检测器公交车辆的优先申请，转入步骤3。

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