CN102646338A - 基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法。旨在克服现有公交信号优先控制方法中未考虑不同方向、多辆公交车到达和未考虑公交车与普通机动车、行人和非机动车之间利益均衡的不足。该方法先检测车辆到达和等待情况，产生公交优先请求；在此基础上结合实时车流信息、公交车到达信息等，计算出绿灯相位的绿灯持有度和多个红灯相位的绿灯需求度；再通过比较绿灯持有度和最大绿灯需求度之间的大小关系确定是否切换相位：如果绿灯持有度大于等于最大绿灯需求度，则继续放行当前绿灯相位；否则切换到下一相位。下一相位可以是固定相序循环中的下一个相位，也可以是相序变化的三个红灯相位中绿灯需求度最大的相位。

Description

基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法

技术领域

本发明涉及交通信号控制技术，尤其涉及一种基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法。

背景技术

随着经济的发展和城市规模的不断扩大，城市交通需求与供给之间的矛盾越来越突出，交通拥挤、环境污染等问题日益严重。优先发展公共交通已成为世界各国应对交通拥堵的战略选择之一。

交叉口公交优先通行技术主要包括两个方面，即通行空间上和时间上的优先。空间优先是指设置公交专用进口道等；时间优先则是通过公交信号优先控制实现。公交信号优先按不同的控制策略可分为被动优先、主动优先和实时优先，随着车辆检测技术、车辆自动定位技术及车辆识别技术的发展，依靠检测和定位信息的主动优先和实时优先的研究逐渐成为新的研究热点，也取得了很多有益的成果。

国外公交优先相关研究都是针对本国交通情况进行的，研究成果很难适应我国公交线路多、发车频率高、公交网络复杂和干扰因素多等现状。国内的相关研究更多的是只针对单个交叉口中某一个方向有公交车到达的情况进行研究，未能很好地考虑不同方向同时有多辆公交车到达的普遍情况，也很少考虑公交车、普通机动车、非机动车及行人之间的利益协调和均衡。

本发明针对以上问题的思考和研究，提出了一种基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法，来具体解决公交信号优先中多向多车同时到达的实际问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有公交信号优先控制方法中未考虑不同方向、多辆公交车到达的不足，和未考虑公交车与普通机动车、行人和非机动车之间利益均衡的不足，提供了一种基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：该方法首先是安装不同类型的车辆检测器、具有逻辑编程和计算功能的信号机、信号灯组，并通过有线或无线通信方式将它们连接起来，信号机每一秒执行一次下列步骤：

1.信号机通过车辆检测器记录交叉口各个进口道的车辆到达情况：计算出当前绿灯相位的绿灯延长参考时间T_GER，检测到公交车到达时产生优先请求并记录公交优先级BP，记录不同红灯相位中公交车辆到达时刻TB_ij；

2.信号机根据上一步骤中的T_GER、BP和实时车辆检测信息，以最小绿灯时间、最大绿灯时间为参数，以当前绿灯时间作为自变量，计算当前绿灯相位的绿灯持有度GHoldD；根据公交车辆到达时刻TB_ij、各相位的头车等待时间、各相位行人和非机动车的等待时间，以最大红灯时间、行人和非机动车最大等待时间为参数，以各相位红灯时间为自变量，计算各个红灯相位的绿灯需求度GNeedD_i；

3.信号机根据上一步骤计算得到的一个绿灯相位的绿灯持有度GHoldD和多个红灯相位的绿灯需求度GNeedD_i，选取多个绿灯需求度中的最大者GNeedD_max与绿灯持有度GHoldD进行比较：若GHoldD≥GNeedD_max，继续放行当前绿灯相位；否则，切换到下一相位。

技术方案中所述的安装不同类型的车辆检测器有以下四种情况：

1.普通机动车到达检测器：一般布设在交叉口进口道展宽段内的上游较远处，具体视实际路口的道路情况而定；检测器类型没有特殊要求，可以环形线圈检测器或其他新型检测器；

2.普通机动车等待检测器：布设在交叉口进口道的停车线前，用于检测第一辆车的占有时间，即头车开始等待的时间；检测器类型必须是存在型检测器；

3.公交车到达检测器：如果道路情况有公交专用道，公交车到达检测器布设在公交专用道的上游某处，具体视实际路口的道路情况而定；如果道路情况没有公交专用道，公交车到达检测器必须是能区分检测出公交车的特殊检测器，如基于射频技术的检测器等；

若要实现有条件优先，公交车到达检测器必须能识别出不同公交车的不同优先级，如晚点的公交车可以设为较高的优先级，基于射频技术的检测器可以从公交车接收到包括晚点、载客人数等更多有用的信息；

4.行人和非机动车等待检测器：用于检测行人和非机动车的占有、等待情况，可以是行人过街按钮、基于视频的行人和非机动车检测器或其他新型检测器等；行人和非机动车使用相同的控制信号，在信号相位中统一考虑。

技术方案中所述的计算绿灯延长参考时间T_GER采用下列步骤：

1.最小绿灯时间结束前，T_GER等于当前绿灯相位的最小绿灯时间；

2.最小绿灯时间结束后，检测到社会车辆或公交车辆，增加绿灯延长参考时间T_GER，计算公式如下：

T_GER＝max{T_G+ΔT_veh，T_G+ΔT_bus}

式中：T_GER——绿灯延长参考时间，单位为sec；

T_G——当前绿灯时间，单位为sec；

ΔT_veh——普通机动车的单位延长时间，单位为sec，与普通机动车到达检测器的布设有关，取值大小必须满足刚检测到的普通机动车能在单位延长时间内通过停车线；

ΔT_bus——公交车的单位延长时间，单位为sec，与公交车到达检测器的布设有关，取值大小必须满足刚检测到的公交车能在单位延长时间内通过停车线；

3.在后续的绿灯信号中，当T_G≤T_GER时又检测到后续车辆，则按步骤2的方法重新计算T_GER；

4.如果没有继续检测到后续车辆，T_GER的值不再发生变化；

5.如果T_GER超过最大绿灯时间T_MaxG，则重置T_GER＝T_MaxG。

技术方案中所述的记录公交优先级BP是指：如果公交车到达检测器可以识别区分不同的优先级时，检测到的公交车是低优先级，置BP＝0，并将此公交车按普通的社会车辆对待处理；如果检测到的公交车是高优先级，置BP＝1，在需求度计算时区别对待高优先级的公交车；由此可以实现有条件公交优先；如果公交车到达检测器不能识别不同的优先级，则检测器公交车时，BP都置为1，只能实现无条件公交优先。

技术方案中所述的计算绿灯持有度GHoldD采用下列步骤：

1.当前绿灯时间小于最小绿灯时间时，GHoldD＝1；

2.当前绿灯时间在最小绿灯时间和最大绿灯时间之间时，在持续检测到有车辆到达的情况下，GHoldD从1线性下降，最大绿灯时降到0，下降的快慢与该相位的最小绿灯时间、最大绿灯时间有关，计算公式如下；

$\mathrm{GHoldD}=1-\frac{T_G-T_{\mathrm{MinG}}}{T_{\mathrm{MaxG}}-T_{\mathrm{MinG}}}$

式中：GHoldD——绿灯相位的绿灯持有度；

T_G——当前绿灯时间，单位为sec；

T_MinG——最小绿灯时间，单位为sec；

T_MaxG——最大绿灯时间，单位为sec；

3.期间检测到公交车时，低优先级公交车视为普通的社会车辆；高优先级公交车对绿灯的需求程度较大，此时直接将GHoldD置为1，并在更新后的绿灯延长参考时间T_GER内一直保持为1；

4.如果后续没有持续来车，即在当前绿灯时间超过绿灯延长参考时间T_GER后，GHoldD直接置为0。

技术方案中所述的计算绿灯需求度GNeedD_i采用下列步骤：

1.只考虑普通机动车时，根据相位i停车线前的头车等待时间、普通机动车的最大红灯时间计算GNeedD_i ^veh，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{veh}}=\frac{{\mathrm{WT}}_i^{\mathrm{veh}}}{T_{\mathrm{MaxR}}}$

式中：GNeedD_i ^veh——相位i中普通机动车的绿灯需求度；

WT_i ^veh——相位i中普通机动车的头车等待时间，单位为sec；

T_MaxR——最大红灯时间，单位为sec；

2.只考虑行人和非机动车时，根据相位i的行人和非机动车的等待时间、最大等待时间计算GNeedD_i ^ped，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{ped}}=\frac{{\mathrm{WT}}_i^{\mathrm{ped}}}{T_{\mathrm{MaxW}}}$

式中：GNeedD_i ^ped——相位i中行人和非机动车的绿灯需求度；

WT_i ^ped——相位i中行人和非机动车的等待时间，单位为sec；

T_MaxW——行人和非机动车的最大等待时间，单位为sec；

3.当相位i同时放行普通机动车、行人和非机动车时，必须综合考虑他们，以两者中的最大值作为绿灯需求度GNeedD_i ^veh_ped，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{veh}\_\mathrm{ped}}=\max \{{\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{veh}},{\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{ped}}\}$

如果相位i只有普通机动车通行，则可设该相位的GNeedD_i ^ped＝0；

4.相位i中有多辆公交车先后到达时，根据每辆车的到达时刻TB_ij计算每辆公交车的GNeedD_ij ^bus，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{bus}}=\frac{{\mathrm{WT}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{bus}}}{T_{\mathrm{MaxR}}}$

式中：GNeedD_ij ^bus——相位i中第j辆公交车的绿灯需求度；

WT_ij ^bus——相位i中第j辆公交车的等待时间，单位为sec，其值等于当前红灯时间减去该车的到达时刻TB_ij；

T_MaxR——最大红灯时间，单位为sec；

5.相位i中累计多辆公交车的GNeedD_ij ^bus得到该相位的GNeedD_i ^bus，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{bus}}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{GNeedD}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{bus}}$

式中：GNeedD_i ^bus——相位i中N辆公交车的绿灯需求度；

N——相位i中每周期能检测到的最大公交车辆数，与检测器布设位置有关，即N等于停车线与检测器之间最多能容纳的排队公交车数；

6.综合考虑公交车、普通机动车、行人和非机动车时，必须平衡公交车流和非公交车流之间的权重，加权计算得到相位i的绿灯需求度GNeedD_i，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_i={\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{veh}\_\mathrm{ped}}+w\×{\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{bus}}$

式中：w——相位i计算绿灯需求度时的公交优先权重；

最终计算得到的绿灯需求度GNeedD_i总是从0开始慢慢增加，最大者为1；当GNeedD_i大于1时表明需求程度已经非常高，此时直接重置GNeedD_i＝1。

技术方案中所述的切换到下一相位有以下两种情况：

1.信号控制方案的相序是固定不变时，下一相位是指按固定相序循环中的下一个相位；

2.信号控制方案的相序是可以变化时，下一相位是指多个绿灯需求度GNeedD_i中需求度最大的相位，即GNeedD_max所在的相位，同时通过设置相位切换标记PF_i来平衡各个相位间的利益关系，由此可以实现公交优先信号控制的相位跳跃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明所述的基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法中，计算绿灯需求度、绿灯持有度时充分考虑了各个相位的机动车到达情况和等待情况，可以很好地反映各个相位对绿灯的需求情况；绿灯持有度GHoldD总是从1降到0，绿灯需求度GNeedD_i总是从0增加到1，在此基础上进行两者的比较，可以实现不同相位之间对绿灯需求程度的博弈，从而使整个交叉口的控制效果更优。

2.本发明所述的基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法中，计算绿灯需求度、绿灯持有度时充分考虑了不同方向、多辆公交车的到达情况，基于此进行的比较和相位切换综合考虑了不同相位的绿灯需求程度，可以克服现有技术中未考虑不同方向、多辆公交车到达的不足；在计算绿灯需求度时，通过公交优先权重w均衡公交车流和非公交车流之间的利益关系，降低了公交优先信号控制对社会车辆的负面影响，可以克服现有技术中未能综合考虑公交车和社会车辆间均衡的不足。

3.本发明所述的基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法中，计算绿灯需求度时充分考虑了行人和非机动车的等待情况，基于此进行的比较和相位切换综合考虑了行人和非机动车的利益，可以克服现有技术中未考虑公交车与普通机动车、行人和非机动车之间利益均衡的不足。

4.本发明所述的基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法中，若采用能识别公交车优先级的公交车到达检测器，如基于射频技术的公交车检测器，可以通过设置公交优先级BP，实现有条件公交优先，可以克服现有技术中只能实现无条件优先的不足。

附图说明

图1是本发明所述的基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法的信号机每一秒执行一次的控制流程图；

图2是本发明所述的基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法中绿灯持有度GHoldD的计算示意图；

图3是本发明所述的基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法示例的常规四相位、固定相序的相位相序结构示意图；

图4是本发明所述的基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法示例的常规四相位、变化相序的相位相序结构示意图。

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.本发明技术方案的构思

本发明涉及一种基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法，其核心是计算和比较各个相位的绿灯需求度：绿灯相位对应该相位需继续保持绿灯信号的需求程度——绿灯持有度GHoldD；红灯相位对应该相位迫切需要得到绿灯信号的需求程度——绿灯需求度GNeedD。在计算绿灯持有度和绿灯需求度时，综合考虑普通机动车、公交车、行人和非机动车的到达和等待情况；通过两者之间的比较实现了当前绿灯相位和冲突相位间的博弈和效益均衡，即实现了普通机动车、公交车、行人和非机动车之间在不同相位间的博弈和效益均衡。本发明涉及的控制方法在实现了公交优先信号控制的同时，可以尽量减少对其他交通参与者产生的负面影响，并能使整个交叉口的信号控制更高效、更合理。

2.基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法中涉及的相关参数说明

本发明所述的基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法中涉及到多个信号控制参数，这些参数包括最小绿灯时间、最大绿灯时间、最大红灯时间等，这些参数的取值对本发明所述的信号控制方法有很大的影响，对这些参数的说明如下：

1)最小绿灯时间T_MinG

最小绿灯时间是机动车相位必须提供的绿灯显示时间。

确定最小绿灯时间时应考虑下列因素：①保证行车安全，避免绿灯时间过短、后车刹车不及时造成的追尾事故，取值与进口车道类型相关；②保证一定数量的行人安全过街，直行机动车相位与紧邻的非冲突行人相位同步启亮绿灯时，应保证行人相位绿灯初期进入人行横道的行人至少能够在绿灯期间通过行人过街安全岛两侧距离较长的一段人行横道；③保证一定数量的排队车辆完全通过停车线，取值与红灯期间的排队车辆数和车辆类型、各类型车辆的饱和车头时距等相关。某个相位的最小绿灯时间取三者中的最大值，不同相位的最小绿灯时间分别计算确定。

2)最大绿灯时间T_MaxG

最大绿灯时间是为了保证最佳绿信比而对各相位规定的绿灯时间的延长极限，是为了防止某相位绿灯时间过长导致出现过长的信号周期。

确定最大绿灯时间时，应考虑下列因素：①避免行人等待时间过长；②避免信号周期时间过长，取值时可参考定时信号控制中最佳周期时长及绿信比分配到各个相位的绿灯时间。

3)最大红灯时间T_MaxR

最大红灯时间是一个相位的红灯极限显示时间。最大红灯时间可以使得在提供公交优先的同时，其冲突相位的车辆等待时间在一个可控的范围内，以减少对其他车辆的影响。

确定最大红灯时间时，应考虑下列因素：①交叉口的交通流量；②交叉口各个进口道可用排队的空间。

4)行人和非机动车最大等待时间T_MaxW

行人和非机动车最大等待时间与最大红灯时间类似，是行人和非机动车的红灯极限显示时间。行人和非机动车等待时间过长时，会导致的行人和非机动车交通流可控性下降，增加他们闯红灯的比例，设置最大等待时间可以较好地解决这个问题。

确定行人和非机动车最大等待时间时，建议将最大等待时间控制在一个行人可接受的范围内；取值时应以保证行人交通流可控性为目的，参考本地行人可接受等待时间。

5)公交优先权重w

本发明所述的控制方法中，计算绿灯需求度时涉及到公交优先权重w，该值是均衡公交车流和非公交车流之间利益关系的重要参数。公交优先权重取值越大，公交车到达和等待对绿灯需求度的影响也越大，由此对非公交车流产生的负面影响也会增加；反之，若公交优先权重取值偏小，绿灯需求度受非公交车流影响较大，而公交优先效果会不明显。

在计算公交车的绿灯需求度时，先按每一辆公交车计算，再累加N辆公交车的绿灯需求度，此处已经更多地考虑了每一辆公交车的需求度；综合计算该相位最终的绿灯需求度时应适当考虑非公交车流的权益，因此建议公交优先权重w取值在0.5～1.0之间。

3.基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法中绿灯持有度的计算示例

本发明所述的控制方法中，计算绿灯持有度GHoldD的步骤比较简单，但是不容易理解。参考图2的示例，详细说明计算过程。

图2中的假设：在最小绿灯时间后，先检测到2辆普通机动车到达、再检测到1辆高优先级公交车到达、后续又检测到1辆普通机动车到达。结合图2解释如下：

1)最小绿灯时间后检测到2辆来车，如图中的2个向上的箭头所示。每检测到1辆车，T_GER延长1个单位时间，再检测到1辆车，T_GER再1个延长单位时间；

2)后续检测到1辆高优先级的公交车，如图中向下的箭头所示，此时置GHoldD为1，并在绿灯延长时间内一直保持为1；

3)之后再检测到1辆社会车辆，GHoldD的值降为折线；

4)后续再无来车时，GHoldD的值直接降为0。

二、具体实施基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法

该方法首先是安装不同类型的车辆检测器、具有逻辑编程和计算功能的信号机、信号灯组，并通过有线或无线通信方式将它们连接起来，信号机每一秒执行一次下列步骤(如图1所示)：

1.信号机通过车辆检测器记录交叉口各个进口道的车辆到达情况：计算出当前绿灯相位的绿灯延长参考时间T_GER，检测到公交车到达时产生优先请求并记录公交优先级BP，记录不同红灯相位中公交车辆到达时刻TB_ij；

2.信号机根据上一步骤中的T_GER、BP和实时车辆检测信息，以最小绿灯时间、最大绿灯时间为参数，以当前绿灯时间作为自变量，计算当前绿灯相位的绿灯持有度GHoldD；根据公交车辆到达时刻TB_ij、各相位的头车等待时间、各相位行人和非机动车的等待时间，以最大红灯时间、行人和非机动车最大等待时间为参数，以各相位红灯时间为自变量，计算各个红灯相位的绿灯需求度GNeedD_i；

3.信号机根据上一步骤计算得到的一个绿灯相位的绿灯持有度GHoldD和多个红灯相位的绿灯需求度GNeedD_i，选取多个绿灯需求度中的最大者GNeedD_max与绿灯持有度GHoldD进行比较：若GHoldD≥GNeedD_max，继续放行当前绿灯相位；否则，切换到下一相位。

技术方案中所述的安装不同类型的车辆检测器有以下四种情况：

1.普通机动车到达检测器：一般布设在交叉口进口道展宽段内的上游较远处，具体视实际路口的道路情况而定；检测器类型没有特殊要求，可以环形线圈检测器或其他新型检测器；

2.普通机动车等待检测器：布设在交叉口进口道的停车线前，用于检测第一辆车的占有时间，即头车开始等待的时间；检测器类型必须是存在型检测器；

3.公交车到达检测器：如果道路情况有公交专用道，公交车到达检测器布设在公交专用道的上游某处，具体视实际路口的道路情况而定；如果道路情况没有公交专用道，公交车到达检测器必须是能区分检测出公交车的特殊检测器，如基于射频技术的检测器等；

若要实现有条件优先，公交车到达检测器必须能识别出不同公交车的不同优先级，如晚点的公交车可以设为较高的优先级，基于射频技术的检测器可以从公交车接收到包括晚点、载客人数等更多有用的信息；

4.行人和非机动车等待检测器：用于检测行人和非机动车的占有、等待情况，可以是行人过街按钮、基于视频的行人和非机动车检测器或其他新型检测器等；行人和非机动车使用相同的控制信号，在信号相位中统一考虑。

技术方案中所述的计算绿灯延长参考时间T_GER采用下列步骤：

1.最小绿灯时间结束前，T_GER等于当前绿灯相位的最小绿灯时间；

2.最小绿灯时间结束后，检测到社会车辆或公交车辆，增加绿灯延长参考时间T_GER，计算公式如下：

T_GER＝max{T_G+ΔT_veh，T_G+ΔT_bus}                        (1)

式中：T_GER——绿灯延长参考时间，单位为sec；

T_G——当前绿灯时间，单位为sec；

ΔT_veh——普通机动车的单位延长时间，单位为sec，与普通机动车到达检测器的布设有关，取值大小必须满足刚检测到的普通机动车能在单位延长时间内通过停车线；

ΔT_bus——公交车的单位延长时间，单位为sec，与公交车到达检测器的布设有关，取值大小必须满足刚检测到的公交车能在单位延长时间内通过停车线；

3.在后续的绿灯信号中，当T_G≤T_GER时又检测到后续车辆，则按步骤2的方法重新计算T_GER；

4.如果没有继续检测到后续车辆，T_GER的值不再发生变化；

5.如果T_GER超过最大绿灯时间T_MaxG，则重置T_GER＝T_MaxG。

技术方案中所述的记录公交优先级BP是指：如果公交车到达检测器可以识别区分不同的优先级时，检测到的公交车是低优先级，置BP＝0，并将此公交车按普通的社会车辆对待处理；如果检测到的公交车是高优先级，置BP＝1，在需求度计算时区别对待高优先级的公交车；由此可以实现有条件公交优先；如果公交车到达检测器不能识别不同的优先级，则检测器公交车时，BP都置为1，只能实现无条件公交优先。

技术方案中所述的计算绿灯持有度GHoldD采用下列步骤：

1.当前绿灯时间小于最小绿灯时间时，GHoldD＝1；

2.当前绿灯时间在最小绿灯时间和最大绿灯时间之间时，在持续检测到有车辆到达的情况下，GHoldD从1线性下降，最大绿灯时降到0，下降的快慢与该相位的最小绿灯时间、最大绿灯时间有关，计算公式如下；

$\mathrm{GHoldD}=1-\frac{T_G-T_{\mathrm{MinG}}}{T_{\mathrm{MaxG}}-T_{\mathrm{MinG}}}---\left(2\right)$

式中：GHoldD——绿灯相位的绿灯持有度；

T_G——当前绿灯时间，单位为sec；

T_MinG——最小绿灯时间，单位为sec；

T_MaxG——最大绿灯时间，单位为sec；

3.期间检测到公交车时，低优先级公交车视为普通的社会车辆；高优先级公交车对绿灯的需求程度较大，此时直接将GHoldD置为1，并在更新后的绿灯延长参考时间T_GER内一直保持为1；

4.如果后续没有持续来车，即在当前绿灯时间超过绿灯延长参考时间T_GER后，GHoldD直接置为0。

技术方案中所述的计算绿灯需求度GNeedD_i采用下列步骤：

1.只考虑普通机动车时，根据相位i停车线前的头车等待时间、普通机动车的最大红灯时间计算GNeedD_i ^veh，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{veh}}=\frac{{\mathrm{WT}}_i^{\mathrm{veh}}}{T_{\mathrm{MaxR}}}---\left(3\right)$

式中：GNeedD_i ^veh——相位i中普通机动车的绿灯需求度；

WT_i ^veh——相位i中普通机动车的头车等待时间，单位为sec；

T_MaxR——最大红灯时间，单位为sec；

2.只考虑行人和非机动车时，根据相位i的行人和非机动车的等待时间、最大等待时间计算GNeedD_i ^ped，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{ped}}=\frac{{\mathrm{WT}}_i^{\mathrm{ped}}}{T_{\mathrm{MaxW}}}---\left(4\right)$

式中：GNeedD_i ^ped——相位i中行人和非机动车的绿灯需求度；

WT_i ^ped——相位i中行人和非机动车的等待时间，单位为sec；

T_MaxW——行人和非机动车的最大等待时间，单位为sec；

3.当相位i同时放行普通机动车、行人和非机动车时，必须综合考虑他们，以两者中的最大值作为绿灯需求度GNeedD_i ^veh_ped，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{veh}\_\mathrm{ped}}=\max \{{\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{veh}},{\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{ped}}\}---\left(5\right)$

如果相位i只有普通机动车通行，则可设该相位的GNeedD_i ^ped＝0；

4.相位i中有多辆公交车先后到达时，根据每辆车的到达时刻TB_ij计算每辆公交车的GNeedD_ij ^bus，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{bus}}=\frac{{\mathrm{WT}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{bus}}}{T_{\mathrm{MaxR}}}---\left(6\right)$

式中：GNeedD_ij ^bus——相位i中第j辆公交车的绿灯需求度；

WT_ij ^bus——相位i中第j辆公交车的等待时间，单位为sec，其值等于当前红灯时间减去该车的到达时刻TB_ij；

T_MaxR——最大红灯时间，单位为sec；

5.相位i中累计多辆公交车的GNeedD_ij ^bus得到该相位的GNeedD_i ^bus，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{bus}}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{GNeedD}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{bus}}---\left(7\right)$

式中：GNeedD_i ^bus——相位i中N辆公交车的绿灯需求度；

N——相位i中每周期能检测到的最大公交车辆数，与检测器布设位置有关，即N等于停车线与检测器之间最多能容纳的排队公交车数；

6.综合考虑公交车、普通机动车、行人和非机动车时，必须平衡公交车流和非公交车流之间的权重，加权计算得到相位i的绿灯需求度GNeedD_i，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_i={\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{veh}\_\mathrm{ped}}+w\×{\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{bus}}---\left(8\right)$

式中：w——相位i计算绿灯需求度时的公交优先权重；

最终计算得到的绿灯需求度GNeedD_i总是从0开始慢慢增加，最大者为1；当GNeedD_i大于1时表明需求程度已经非常高，此时直接重置GNeedD_i＝1。

技术方案中所述的切换到下一相位有以下两种情况：

1.信号控制方案的相序是固定不变时，下一相位是指按固定相序循环中的下一个相位；2.信号控制方案的相序是可以变化时，下一相位是指多个绿灯需求度GNeedD_i中需求度最大的相位，即GNeedD_max所在的相位，同时通过设置相位切换标记PF_i来平衡各个相位间的利益关系，由此可以实现公交优先信号控制的相位跳跃。

本发明所述的基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法可以适用于两相位或多相位信号控制系统中，其相位结构可以是相位相序均固定不变，或者是相位固定但相序可以变化。下面以常规四相位信号控制系统为例，结合图3和图4所示的相位相序结构，按照相序固定和变化两种情况说明基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法的实施。

1.四相位、固定相序的公交信号优先控制实施例

在图3中，相位1和相位3中的虚线箭头表示行人和非机动车通行，相位2和相位4只有普通机动车通行。固定不变的相序是：相位1→相位2→相位3→相位4→相位1，如此不断循环。

信号控制中的任意时刻，除去过渡状态下的黄灯或红灯信号，其余的时间中，四个相位总是有一个绿灯相位和三个红灯相位，对应有一个绿灯相位的绿灯持有度GHoldD和三个红灯相位的绿灯需求度GNeedD_i。

当相位1为绿灯相位时，在该相位的最小绿灯时间内，绿灯持有度GHoldD始终为1，而其他三个绿灯需求度GNeedD_i都是小于或等于1；此时根据GHoldD≥GNeedD_max条件进行比较时，即使GNeedD_max＝1时，比较结果是该条件总是成立，即总是继续放行相位1，直到最小绿灯时间结束，由此保证相位1的最小绿灯时间。

最小绿灯时间后，相位1的绿灯需求度GHoldD根据检测普通机动车、公交车到达情况变化。当检测到有公交车到达时，GHoldD重置为1，在后续的ΔT_bus时间内一直保持GHoldD为1，比较GHoldD≥GNeedD_max条件始终成立，即继续放行当前的相位1，直到ΔT_bus时间后该公交车离开停车线，由此可以实现现有技术中的绿灯延长公交优先控制策略。

三个红灯相位中，某个相位有多辆公交车到达时，该相位的绿灯需求度会增加更快。结合图3，假设左转的相位2公交到达较少，但直行的相位3有多辆公交车到达，则可能出现NeedD₃＞GNeedD₂的情况。如果绿灯相位所在的相位1中只检测到普通机动车，假设此时计算得到GHoldD＝0.85，同时三个绿灯需求度分别是：GNeedD₂＝0.5、GNeedD₃＝0.86、GNeedD₄＝0.2，则GNeedD_max＝0.86；此时进行比较时，GHoldD≥GNeedD_max条件不成立，则进行相位切换操作：由于相位相序固定不变，绿灯信号由相位1切换到相位2。相位3中的公交车等待使得GNeedD₃快速增加，促使相位1更早地结束而换到相位2，再通过相位2和相位3的切换使得相位3中的公交车可以更早地得到绿灯信号，由此可以实现现有技术中的绿灯提前公交优先控制策略。

如果在当前是绿灯信号的相位1中有公交车到达，同时多个红灯相位中也有公交车到达，此时的相位1的GHoldD重置为1，同时GNeedD_max也会很快增加到1，此时GHoldD≥GNeedD_max条件总是成立，即先继续放行当前的相位1，保证相位1的公交车通过停车线；之后比较条件GHoldD≥GNeedD_max不再成立，则立即开始考虑红灯相位中的公交车的优先通行。即在多向公交优先请求的情况下，按照“就近原则”优先响应当前绿灯相位的公交优先请求，之后再立即响应和处理冲突相位的公交优先请求，由此可以实现现有技术中未能实现的多向请求时的公交优先控制策略。

2.四相位、变化相序的公交信号优先控制实施例

在图4中，相位1和相位3中的虚线箭头表示行人和非机动车通行，相位2和相位4只有普通机动车通行，图中未标注相序变化情况，实施时是根据绿灯需求度跳转到最大绿灯需求度的相位。

相位切换标记PF_i用于记录该相位在多次的相位切换中未获得绿灯信号的次数，PF_i的初始值均为0，每进行一次相位切换都更新所有的PF_i值：获得绿灯信号的相位PF_i值重置为0，其余相位的PF_i值增加1。

如果绿灯相位所在的相位1中只检测到普通机动车，假设此时计算得到GHoldD＝0.85，同时三个绿灯需求度分别是：GNeedD₂＝0.5、GNeedD₃＝0.86、GNeedD₄＝0.2，则GNeedD_max＝0.86；此时进行比较时，GHoldD≥GNeedD_max条件不成立，则进行相位切换操作：由于相序可以随意变化，三个红灯相位中绿灯需求度最大的是相位3，则绿灯信号由当前的相位1切换到相位3，同时更新各个相位切换标记PF_i：PF₃＝0，其余PF_i均增加1。

相位2由于绿灯需求度较小，绿灯需求度最大的相位3优先获得了绿灯信号，随着时间的流逝，GNeedD₂也会逐渐增加到1。在极端的情况下，若此时同时有多个相位的绿灯需求度都增加到最大值1，则必须根据各个相位的切换标记PF_i的大小选择PF最大者作为下一个相位，即该相位已经很多没有切换到绿灯信号，在多个相位的绿灯需求度都达到最大值的情况下必须优先放行该相位。若此时出现最大相位切换标记PF_i也相等的特殊情况，可以优先选择图3所示相序循环中较近的相位。

综合以上内容，相序变化的信号控制方法可以实现现有技术中未能实现的公交优先相位跳转控制策略。

公交优先相位跳转控制策略可以更快速地响应冲突相位中的公交优先需求，直接先满足绿灯需求度最大的冲突相位，但同时也会对非公交车流产生更大的负面影响，同时还需考虑以下两个问题：

1)公交优先相位跳转控制策略在实施时需要充分考虑任意相位切换的绿灯时间间隔，即必须根据实际交叉口的道路情况、车流情况等仔细计算所有相位切换组合的绿灯时间间隔矩阵，由此保证相序变化信号控制的安全性。

2)具体实施相序变化的信号控制时，还应充分考虑当地的驾驶员、行人等交通参与者对相位切换“变化无常”的认可性和适应性。

Claims (7)

1.一种基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法，该方法首先是安装不同类型的车辆检测器、具有逻辑编程和计算功能的信号机、信号灯组，并通过有线或无线通信方式将它们连接起来，其特征在于，所述的基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法中信号机每一秒执行一次下列步骤：

1)信号机通过车辆检测器记录交叉口各个进口道的车辆到达情况：计算出当前绿灯相位的绿灯延长参考时间T_GER，检测到公交车到达时产生优先请求并记录公交优先级BP，记录不同红灯相位中公交车辆到达时刻TB_ij；

2)信号机根据上一步骤中的T_GER、BP和实时车辆检测信息，以最小绿灯时间、最大绿灯时间为参数，以当前绿灯时间作为自变量，计算当前绿灯相位的绿灯持有度GHoldD；根据公交车辆到达时刻TB_ij、各相位的头车等待时间、各相位行人和非机动车的等待时间，以最大红灯时间、行人和非机动车最大等待时间为参数，以各相位红灯时间为自变量，计算各个红灯相位的绿灯需求度GNeedD_i；

3)信号机根据上一步骤计算得到的一个绿灯相位的绿灯持有度GHoldD和多个红灯相位的绿灯需求度GNeedD_i，选取多个绿灯需求度中的最大者GNeedD_max与绿灯持有度GHoldD进行比较：若GHoldD≥GNeedD_max，继续放行当前绿灯相位；否则，切换到下一相位。

2.按照权利要求1所述的基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法，其特征在于，所述的安装不同类型的车辆检测器有以下四种情况：

1)普通机动车到达检测器：一般布设在交叉口进口道展宽段内的上游较远处，具体视实际路口的道路情况而定；检测器类型没有特殊要求，可以环形线圈检测器或其他新型检测器；

2)普通机动车等待检测器：布设在交叉口进口道的停车线前，用于检测第一辆车的占有时间，即头车开始等待的时间；检测器类型必须是存在型检测器；

3)公交车到达检测器：如果道路情况有公交专用道，公交车到达检测器布设在公交专用道的上游某处，具体视实际路口的道路情况而定；如果道路情况没有公交专用道，公交车到达检测器必须是能区分检测出公交车的特殊检测器，如基于射频技术的检测器等；

若要实现有条件优先，公交车到达检测器必须能识别出不同公交车的不同优先级，如晚点的公交车可以设为较高的优先级，基于射频技术的检测器可以从公交车接收到包括晚点、载客人数等更多有用的信息；

4)行人和非机动车等待检测器：用于检测行人和非机动车的占有、等待情况，可以是行人过街按钮、基于视频的行人和非机动车检测器或其他新型检测器等；行人和非机动车使用相同的控制信号，在信号相位中统一考虑。

3.按照权利要求1所述的基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法，其特征在于，所述的计算绿灯延长参考时间T_GER采用下列步骤：

1)最小绿灯时间结束前，T_GER等于当前绿灯相位的最小绿灯时间；

2)最小绿灯时间结束后，检测到社会车辆或公交车辆，增加绿灯延长参考时间T_GER，计算公式如下：

T_GER＝max{T_G+ΔT_veh，T_G+ΔT_bus}

式中：T_GER——绿灯延长参考时间，单位为sec；

T_G——当前绿灯时间，单位为sec；

ΔT_veh——普通机动车的单位延长时间，单位为sec，与普通机动车到达检测器的布设有关，取值大小必须满足刚检测到的普通机动车能在单位延长时间内通过停车线；

ΔT_bus——公交车的单位延长时间，单位为sec，与公交车到达检测器的布设有关，取值大小必须满足刚检测到的公交车能在单位延长时间内通过停车线；

3)在后续的绿灯信号中，当T_G≤T_GER时又检测到后续车辆，则按步骤2的方法重新计算T_GER；

4)如果没有继续检测到后续车辆，T_GER的值不再发生变化；

5)如果T_GER超过最大绿灯时间T_MaxG，则重置T_GER＝T_MaxG。

4.按照权利要求1所述的基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法，其特征在于，所述的记录公交优先级BP是指：如果公交车到达检测器可以识别区分不同的优先级时，检测到的公交车是低优先级，置BP＝0，并将此公交车按普通的社会车辆对待处理；如果检测到的公交车是高优先级，置BP＝1，在需求度计算时区别对待高优先级的公交车；由此可以实现有条件公交优先；如果公交车到达检测器不能识别不同的优先级，则检测器公交车时，BP都置为1，只能实现无条件公交优先。

5.按照权利要求1所述的基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法，其特征在于，所述的计算绿灯持有度GHoldD采用下列步骤：

1)当前绿灯时间小于最小绿灯时间时，GHoldD＝1；

2)当前绿灯时间在最小绿灯时间和最大绿灯时间之间时，在持续检测到有车辆到达的情况下，GHoldD从1线性下降，最大绿灯时降到0，下降的快慢与该相位的最小绿灯时间、最大绿灯时间有关，计算公式如下；

$\mathrm{GHoldD}=1-\frac{T_G-T_{\mathrm{MinG}}}{T_{\mathrm{MaxG}}-T_{\mathrm{MinG}}}$

式中：GHoldD——绿灯相位的绿灯持有度；

T_G——当前绿灯时间，单位为sec；

T_MinG——最小绿灯时间，单位为sec；

T_MaxG——最大绿灯时间，单位为sec；

3)期间检测到公交车时，低优先级公交车视为普通的社会车辆；高优先级公交车对绿灯的需求程度较大，此时直接将GHoldD置为1，并在更新后的绿灯延长参考时间T_GER内一直保持为1；

4)如果后续没有持续来车，即在当前绿灯时间超过绿灯延长参考时间T_GER后，GHoldD直接置为0。

6.按照权利要求1所述的基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法，其特征在于，所述的计算绿灯需求度GNeedD_i采用下列步骤：

1)只考虑普通机动车时，根据相位i停车线前的头车等待时间、普通机动车的最大红灯时间计算GNeedD_i ^veh，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{veh}}=\frac{{\mathrm{WT}}_i^{\mathrm{veh}}}{T_{\mathrm{MaxR}}}$

式中：GNeedD_i ^veh——相位i中普通机动车的绿灯需求度；

WT_i ^veh——相位i中普通机动车的头车等待时间，单位为sec；

T_MaxR——最大红灯时间，单位为sec；

2)只考虑行人和非机动车时，根据相位i的行人和非机动车的等待时间、最大等待时间计算GNeedD_i ^ped，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{ped}}=\frac{{\mathrm{WT}}_i^{\mathrm{ped}}}{T_{\mathrm{MaxW}}}$

式中：GNeedD_i ^ped——相位i中行人和非机动车的绿灯需求度；

WT_i ^ped——相位i中行人和非机动车的等待时间，单位为sec；

T_MaxW——行人和非机动车的最大等待时间，单位为sec；

3)当相位i同时放行普通机动车、行人和非机动车时，必须综合考虑他们，以两者中的最大值作为绿灯需求度GNeedD_i ^veh_ped，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{veh}\_\mathrm{ped}}=\max \{{\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{veh}},{\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{ped}}\}$

如果相位i只有普通机动车通行，则可设该相位的GNeedD_i ^ped＝0；

4)相位i中有多辆公交车先后到达时，根据每辆车的到达时刻TB_ij计算每辆公交车的GNeedD_ij ^bus，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{bus}}=\frac{{\mathrm{WT}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{bus}}}{T_{\mathrm{MaxR}}}$

式中：GNeedD_ij ^bus——相位i中第j辆公交车的绿灯需求度；

WT_ij ^bus——相位i中第j辆公交车的等待时间，单位为sec，其值等于当前红灯时间减去该车的到达时刻TB_ij；

T_MaxR——最大红灯时间，单位为sec；

5)相位i中累计多辆公交车的GNeedD_ij ^bus得到该相位的GNeedD_i ^bus，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{bus}}=\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{GNeedD}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{bus}}$

式中：GNeedD_i ^bus——相位i中N辆公交车的绿灯需求度；

N——相位i中每周期能检测到的最大公交车辆数，与检测器布设位置有关，即N等于停车线与检测器之间最多能容纳的排队公交车数；

6)综合考虑公交车、普通机动车、行人和非机动车时，必须平衡公交车流和非公交车流之间的权重，加权计算得到相位i的绿灯需求度GNeedD_i，计算公式如下：

${\mathrm{GNeedD}}_i={\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{veh}\_\mathrm{ped}}+w\×{\mathrm{GNeedD}}_i^{\mathrm{bus}}$

式中：w——相位i计算绿灯需求度时的公交优先权重；

最终计算得到的绿灯需求度GNeedD_i总是从0开始慢慢增加，最大者为1；当GNeedD_i大于1时表明需求程度已经非常高，此时直接重置GNeedD_i＝1。

7.按照权利要求1所述的基于绿灯需求度的公交信号优先控制方法，其特征在于，所述的切换到下一相位有以下两种情况：

1)信号控制方案的相序是固定不变时，下一相位是指按固定相序循环中的下一个相位；

2)信号控制方案的相序可以变化时，下一相位是指多个绿灯需求度GNeedD_i中需求度最大的相位，即GNeedD_max所在的相位，同时通过设置相位切换标记PF_i来平衡各个相位间的利益关系，由此可以实现公交优先信号控制的相位跳跃。

Images