CN103794066B - 一种无公交专用车道的公交优先通行信号控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无公交专用道的公交优先通行信号控制方法，包括步骤1：公交优先请求检测；步骤2：公交到达信息提取；步骤3：信号控制机根据公交的编号信息、位置信息、方向信息和速度信息估算公交到达交叉口停车线所需时间；步骤4：计算相位所需优先时间；步骤5：设置相位最小绿灯时间和最大绿灯时间；步骤6：信号控制机根据公交优先信号控制规则，控制信号灯显示。本发明适用于多个方向有公交车的情况，或一个方向来多辆公交车的情况，基于浮动车理论进行计算，当公交车产生停车行为或有接收到新的公交优先请求时，能够对公交到达时间重新进行计算并更新，迅速调整策略，计算速度快，实时性强，准确度高。

Description

一种无公交专用车道的公交优先通行信号控制方法

技术领域

本发明涉及公共交通优先通行方法，具体是一种无公交专用道的公交优先通行信号控制方法。

背景技术

广义的公交优先是公共交通优先发展的简称，是指在城市发展和规划中，把公共交通的建设放在优先位置，国家给予政策、资金和技术上的支持。目前，我国许多大城市机动车辆快速增加，车多路少的矛盾日益严重，交通问题成为城市发展的严重障碍。公共交通相比于私人交通，具有运量大、单位能耗低、环保的优点，而且还能节省道路资源，节省修建道路的投资，改善城市生活环境，所以说优先发展公共交通是解决城市交通拥堵问题的有效途径。

常规公交是主要的也是最完善的公共交通方式。但是在我国，城市居民采取公交出行的比例仅为10%-20%，远低于其他国家。国内一项调查显示，公交车内太挤、行车不准时、等车时间太长是市民对公交出行不满意的主要原因。而要解决这些问题，就必须减小公交的行车延误，研究公交的优先通行方法。

公交优先通行分为空间优先和时间优先两种方式。空间优先是指设立公交专用车道，这种方式成本高，占用道路空间，管理不到位容易被社会车辆占用，实施效果不理想。而时间优先是指在交叉口为公交车辆提供优先通行信号，实施容易，成本低，且不占用道路空间，是具有重要现实意义的研究方向。

现有的一些专利中，对无公交专用道下的公交优先控制策略研究不够全面。如专利《一种公交优先控制方法》中提出检测到公交后，仅仅通过延长公交相位绿灯时间和缩短其他相位红灯时间来调整配时，但公交检测距离短且无法有效解决多个方向来公交的问题；专利《一种保证公交优先的交叉口信号配时控制方法》中没有提出估算公交到达时间的方法，仅仅是将绿灯时间延长直到公交通过，而非提前确定延长的绿灯时间，当有其他公交到达时无法及时调整策略，未设置最大绿灯时间约束，可能使其他相位等待时间过长。同时国内专利都没有考虑公交停靠近交叉口站点的影响。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种降低公交延误、提高公交运行效率的无公交专用道的公交优先通行信号控制方法。

本发明一种无公交专用道的公交优先通行信号控制方法，通过下述步骤实现：

步骤1：公交优先请求检测；

公交上装有公交车载单元，公交车载单元集成无线通信模块和GPS功能模块，公交车载单元发出公交优先请求；

无线信号收发机设置在交叉口路侧，无线信号收发机不间断发出广播信息，检测在交叉口m米范围内是否有公交优先请求产生；

步骤2：公交到达信息提取；

无线信号收发机接收到公交上公交车载单元返回的公交优先请求后，与公交车载单元的无线通信模块进行实时通信，获取公交的编号信息、位置信息、方向信息和速度信息，将上述信息输出至信号控制机，无线信号收发机对上述信息进行实时更新，直到公交通过交叉口；

步骤3：信号控制机根据公交的编号信息、位置信息、方向信息和速度信息估算公交到达交叉口停车线所需时间；

信号控制机根据公交编号信息，对比公交信息库，确定公交车辆的运行路线和所属相位，相位是指各进口道不同方向所显示的不同灯色的组合，即交叉口的控制状态；

判断交叉口m米范围内是否存在该公交的近交叉口站点，并将公交的位置信息转换为距交叉口停车线的距离，然后估算公交到达交叉口停车线所需时间

步骤4：计算相位所需优先时间；

初始设置各相位所需优先时间为0，当相位n出现公交优先请求时，令该相位所需优先时间T_n更新为该公交到达停车线所需时间发生更新时T_n随之更新；

如果相位n为绿灯相位，T_n值每过1秒自减1；

当相位n出现多个公交优先请求时，令T_n为各公交的值中的最小值，最小值发生改变时，T_n也进行更新；

当T_n减小到0时，T_n更新为剩余公交的值中的最小值；

步骤5：设置相位最小绿灯时间和最大绿灯时间；

相位最小绿灯时间G_min为：

$G_{\min }\≥G_{\min 1}=7+\frac{D}{V_t}-Y---\left(4\right)$

$G_{\min }\≥G_{\min 2}=\frac{\stackrel{\‾}{L}}{v_d}+\frac{2a\stackrel{\‾}{L}-{v_r}^2}{2a{v}_f}+\frac{v}{a}---\left(5\right)$

其中，G_min1为行人过街所需最短绿灯时间；D为人行横道长度；V_t为15百分位步行速度；Y为绿灯间隔时间；G_min2为排队车辆全部通过所需最小绿灯时间，为该相位最大流量方向在高峰时期的平均排队长度；

相位最大绿灯时间根据实际情况进行设置；

步骤6：公交优先信号控制规则；

信号控制机根据公交优先信号控制规则，控制信号灯显示。

本发明的优点在于：

（1）本发明适用于多个方向有公交车的情况，或一个方向来多辆公交车的情况，基于浮动车理论进行计算，当公交车产生停车行为或有接收到新的公交优先请求时，能够对公交到达时间重新进行计算并更新，迅速调整策略，计算速度快，实时性强，准确度高；

（2）本发明基于一个完善的公交信息库，信息库中的内容包括所有通过交叉口的公交的编号信息、各公交所属相位信息、各公交在此交叉口附近是否有近交叉口站点的信息，当接收到公交请求时，能够对照公交信息库中的信息制定相应信号控制策略，充分考虑了近交叉口公交站点的影响，当新增或变更公交线路时，只需对公交信息库进行相应更新，不需要对硬件进行调整，调整过程简便；

（3）本发明基于公交GPS模块和Zigbee无线通信技术，能在交叉口150m范围内检测公交到来信息，提前调整信号显示，能够极大的降低公交的交叉口延误，相比于传统的地感线圈检测和单纯的绿灯延长方法，公交延误降低效果更加明显；

（4）本发明的公交优先信号控制策略适用于固定配时和感应式控制。

附图说明

图1为本发明的无公交专用道的公交优先通行信号控制策略的整体流程图；

图2为本发明中公交到达检测、信息提取以及信号控制的工作示意图。

图中：

1-公交车载单元  2-无线信号收发机  3-信号控制机  4-信号灯

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述。

如图2所示，本发明的系统构成包括公交车载单元1、无线信号收发机2、信号控制机3和信号灯4。公交车载单元1集成了无线通信模块和GPS功能模块，记录了公交的编号信息和GPS信息，路侧无线信号收发机2与车载单元1建立通信，并将公交编号信息和GPS信息传递至信号控制机3，信号控制机3根据编号信息识别公交、计算公交所需优先时间并运行公交优先控制规则，直接控制信号灯4显示。

本发明的一种无公交专用道的公交优先信号控制方法，流程如图1所示，通过下述步骤实现：

步骤1：公交优先请求检测；

公交上装有公交车载单元1，公交车载单元1集成了无线通信模块和GPS功能模块，公交车载单元1发出公交优先请求；

无线信号收发机2设置在交叉口路侧，无线信号收发机2不间断发出广播信息，检测在交叉口150m范围内是否有公交优先请求产生；

所述的无线通信模块以及无线信号收发机2均采用Zigbee技术；

本发明中无线信号收发机2安装在交叉口中心附近，如图2所示。

步骤2：公交到达信息提取；

无线信号收发机2接收到公交上公交车载单元1返回的公交优先请求，与公交车载单元1建立通信，通过与公交车载单元1的无线通信模块实时通信，通过公交信息库获取公交的编号信息、位置信息、方向信息和速度信息，并且，将上述信息输出至信号控制机3，无线信号收发机2对上述信息进行实时更新，直到公交通过交叉口。

步骤3：信号控制机3根据公交的编号信息、位置信息、方向信息和速度信息估算公交到达交叉口停车线所需时间；

信号控制机3根据公交编号信息，对比公交信息库，确定公交车辆的运行路线和所属相位，判断该交叉口150m范围内是否存在该公交的近交叉口站点，并将公交的位置信息转换为距交叉口停车线的距离，然后估算公交到达交叉口停车线所需时间具体为：

无线信号接收机2与公交建立通信后，信号控制机3利用第一次获取的公交位置信息、方向信息和速度信息，进行第一次的到达时间的估算，新产生一个的值：

$t_n^i=\frac{L}{v}+d_o+d_s---\left(1\right)$

其中，为相位n的第i辆公交到达交叉口停车线所需时间，相位是指各进口道不同方向所显示的不同灯色的组合，即交叉口的控制状态，十字交叉口常采用四相位信号灯控制；L为公交距交叉口停车线的距离；v为公交的速度；d_o为考虑到车辆行驶速度不稳定的延误；d_s为公交在近交叉口站点平均停靠时间，如果在该交叉口附近不存在该公交停靠站点，则d_s=0；

对于无近交叉口站点的公交，在进行第一次的到达时间估算之后，信号控制机3持续监测公交的速度信息；对于有近交叉口站点的公交，在公交驶出公交站点后，信号控制机开始持续监测公交的速度信息。每当公交速度降低至2m/s时，认为公交因排队而减速停车，对公交到达停车线所需时间重新进行估算，进行更新，考虑到公交加入排队时，公交所属相位不同，其计算方式不同；

若公交速度降为2m/s时，公交所属相位为红灯，则更新为：

$t_n^i=t_r+\frac{L}{v_d}+\frac{v_r}{a}+\frac{2\mathrm{aL}-{v_r}^2}{2a{v}_r}+d_o---\left(2\right)$

若公交速度降为2m/s时，公交所属相位为绿灯，则更新为：

$t_n^i=\frac{L}{v_d}-1+\frac{v_r}{a}+\frac{2\mathrm{aL}-{v_r}^2}{2a{v}_f}+d_o---\left(3\right)$

其中，t_r为公交所属相位剩余红灯时间；v_r为该路段平均运行车速；a为公交启动过程的平均加速度；l为公交所属相位已持续绿灯时间；v_d为排队消散的速度；

若相位n为绿灯相位，则值每过1秒自减1。

步骤4：计算相位所需优先时间；

初始设置各相位所需优先时间为0，当相位n出现公交优先请求时，令该相位所需优先时间T_n更新为该公交到达停车线所需时间发生更新时T_n随之更新；

如果相位n为绿灯相位，T_n值每过1秒自减1；

当相位n出现多个公交优先请求时，令T_n为各公交的值中的最小值，最小值发生改变时，T_n也进行更新。当T_n减小到0时，T_n更新为剩余公交的值中的最小值；

步骤5：设置相位最小绿灯时间和最大绿灯时间；

相位最小绿灯时间G_min要大于行人过街所需最短绿灯时间，也要避免造成二次排队现象；

$G_{\min }\≥G_{\min 1}=7+\frac{D}{V_t}-Y---\left(4\right)$

$G_{\min }\≥G_{\min 2}=\frac{\stackrel{\‾}{L}}{v_d}+\frac{2a\stackrel{\‾}{L}-{v_r}^2}{2a{v}_f}+\frac{v}{a}---\left(5\right)$

其中，G_min1为行人过街所需最短绿灯时间；D为人行横道长度；V_t为15百分位步行速度，一般取1.2m/s；Y为绿灯间隔时间；G_min2为排队车辆全部通过所需最小绿灯时间，为该相位最大流量方向在高峰时期的平均排队长度；

相位最小绿灯时间一般可设置为15-25s；

相位最大绿灯时间的设置要考虑驾驶员能容忍的最大等待时间，通常可设置为30-60s。

步骤6：公交优先信号控制规则；

对于绿灯相位的为首公交车，判定其能否在一定时间内到达停车线，判定方法是计算当前绿灯已持续时间与T_n之和是否在一定时间范围内；

信号控制机3根据公交优先信号控制规则，控制信号灯4显示；

当绿灯相位改变，或者存在某个相位的T_n值发生更新时，执行以下规则，覆盖掉原策略：

A.如果当前绿灯相位有公交优先请求，其他相位也有公交优先请求：

a)如果公交能在最小绿灯时间内通过，当前绿灯相位执行最小绿灯时间；

b)如果公交不能在最小绿灯时间内通过，但是能在最大绿灯时间内通过，在T_n时间后切换绿灯相位；

c)如果公交不能在最大绿灯时间内通过：

i.如果当前时间在最小绿灯时间内，绿灯相位执行最小绿灯时间；

ii.如果当前时间超过最小绿灯时间，绿灯相位立即切换为下一相位；

B.如果当前绿灯相位有公交优先请求，其他相位无公交优先请求：

a)如果公交能在原始绿灯时间内通过，当前绿灯相位执行原始绿灯时间；

b)如果公交不能在原始绿灯时间内通过，但是能在最大绿灯时间内通过，在T_n时间后切换绿灯相位；

c)如果公交不能在最大绿灯时间内通过：

i.如果当前时间在最小绿灯时间内，绿灯相位执行最小绿灯时间；

ii.如果当前时间超过最小绿灯时间，绿灯相位立即切换为下一相位；

C.如果当前绿灯相位无公交优先请求，其他相位有公交优先请求：

a）如果当前时间在最小绿灯时间内，绿灯相位执行最小绿灯时间；

b）如果当前时间超过最小绿灯时间，绿灯相位立即切换为下一相位；

D.如果当前相位无公交优先请求，其他相位无公交优先请求：

当前绿灯相位执行原始配时方案。

通过本发明方法在公交上加装车载单元，在交叉口中心附近设置无线信号收发机与车载单元进行信息交互，然后经过信号控制机的运算和控制功能对信号灯进行控制，对公交采取优先通行，保证通行能力的同时，降低公交的平均延误，提高公交运行效率，增加公交的出行吸引力。

Claims (7)

1.一种无公交专用道的公交优先信号控制方法，包括以下几个步骤：

步骤1：公交优先请求检测；

公交上装有公交车载单元，公交车载单元集成无线通信模块和GPS功能模块，公交车载单元发出公交优先请求；

无线信号收发机设置在交叉口路侧，无线信号收发机不间断发出广播信息，检测在交叉口m米范围内是否有公交优先请求产生；

步骤2：公交到达信息提取；

无线信号收发机接收到公交上公交车载单元返回的公交优先请求后，与公交车载单元的无线通信模块进行实时通信，获取公交的编号信息、位置信息、方向信息和速度信息，将上述信息输出至信号控制机，无线信号收发机对上述信息进行实时更新，直到公交通过交叉口；

步骤3：信号控制机根据公交的编号信息、位置信息、方向信息和速度信息估算公交到达交叉口停车线所需时间；

信号控制机根据公交编号信息，对比公交信息库，确定公交车辆的运行路线和所属相位，相位是指各进口道不同方向所显示的不同灯色的组合，即交叉口的控制状态；

判断交叉口m米范围内是否存在该公交的近交叉口站点，并将公交的位置信息转换为距交叉口停车线的距离，然后估算公交到达交叉口停车线所需时间

步骤4：计算相位所需优先时间；

初始设置各相位所需优先时间为0，当相位n出现公交优先请求时，令该相位所需优先时间T_n更新为该公交到达停车线所需时间 发生更新时T_n随之更新；

如果相位n为绿灯相位，T_n值每过1秒自减1；

当相位n出现多个公交优先请求时，令T_n为各公交的值中的最小值，最小值发生改变时，T_n也进行更新；

当T_n减小到0时，T_n更新为剩余公交的值中的最小值；

步骤5：设置相位最小绿灯时间和最大绿灯时间；

相位最小绿灯时间G_min为：

$G_{\min }\≥G_{\min 1}=7+\frac{D}{V_t}-Y---\left(4\right)$

$G_{\min }\≥G_{\min 2}=\frac{\stackrel{\‾}{L}}{v_d}+\frac{2a\stackrel{\‾}{L}-{v_r}^2}{2a{v}_r}+\frac{v}{a}---\left(5\right)$

其中，G_min1为行人过街所需最短绿灯时间；D为人行横道长度；V_t为15百分位步行速度；Y为绿灯间隔时间；G_min2为排队车辆全部通过所需最小绿灯时间，为该相位最大流量方向在高峰时期的平均排队长度；v_r为路段平均运行车速；a为公交启动过程的平均加速度；v为公交的速度；v_d为排队消散的速度；

相位最大绿灯时间根据实际情况进行设置；

步骤6：公交优先信号控制规则；

信号控制机根据公交优先信号控制规则，控制信号灯显示，控制规则如下：

当绿灯相位改变，或者存在某个相位的T_n值发生更新时，执行以下规则：

A.如果当前绿灯相位有公交优先请求，其他相位也有公交优先请求：

a)如果公交能在最小绿灯时间内通过，当前绿灯相位执行最小绿灯时间；

b)如果公交不能在最小绿灯时间内通过，但是能在最大绿灯时间内通过，在T_n时间后切换绿灯相位；

c)如果公交不能在最大绿灯时间内通过：

i.如果当前时间在最小绿灯时间内，绿灯相位执行最小绿灯时间；

ii.如果当前时间超过最小绿灯时间，绿灯相位立即切换为下一相位；

B.如果当前绿灯相位有公交优先请求，其他相位无公交优先请求：

a)如果公交能在原始绿灯时间内通过，当前绿灯相位执行原始绿灯时间；

b)如果公交不能在原始绿灯时间内通过，但是能在最大绿灯时间内通过，在T_n时间后切换绿灯相位；

c)如果公交不能在最大绿灯时间内通过：

i.如果当前时间在最小绿灯时间内，绿灯相位执行最小绿灯时间；

ii.如果当前时间超过最小绿灯时间，绿灯相位立即切换为下一相位；

C.如果当前绿灯相位无公交优先请求，其他相位有公交优先请求：

a)如果当前时间在最小绿灯时间内，绿灯相位执行最小绿灯时间；

b)如果当前时间超过最小绿灯时间，绿灯相位立即切换为下一相位；

D.如果当前相位无公交优先请求，其他相位无公交优先请求：当前绿灯相位执行原始配时方案。

2.根据权利要求1所述的一种无公交专用道的公交优先信号控制方法，所述的m取值为150。

3.根据权利要求1所述的一种无公交专用道的公交优先信号控制方法，所述公交车载单元内的无线通信模块以及无线信号收发机均采用Zigbee技术。

4.根据权利要求1所述的一种无公交专用道的公交优先信号控制方法，所述步骤3中，估算公交到达交叉口停车线所需时间的方法具体为：

无线信号接收机与公交建立通信后，信号控制机利用第一次获取的公交位置信息、方向信息和速度信息，进行第一次的到达时间的估算，新产生一个的值：

$t_n^i=\frac{L}{n}+d_o+d_s---\left(1\right)$

其中，为相位n的第i辆公交到达交叉口停车线所需时间，L为公交距交叉口停车线的距离；d_o为车辆行驶速度不稳定的延误；d_s为公交在近交叉口站点平均停靠时间，如果在该交叉口附近不存在该公交停靠站点，则d_s＝0；

对于无近交叉口站点的公交，在进行第一次的到达时间估算之后，信号控制机持续监测公交的速度信息；

对于有近交叉口站点的公交，在公交驶出公交站点后，信号控制机开始持续监测公交的速度信息；当公交速度降低至Am/s时，对公交到达停车线所需时间重新进行估算，进行更新，考虑到公交加入排队时，因为公交所属相位不同，其计算方式不同，具体为：

若公交速度降为Am/s时，公交所属相位为红灯，则更新为：

$t_n^i=t_r+\frac{L}{v_d}+\frac{v_r}{a}+\frac{2\mathrm{aL}-{v_r}^2}{2a{v}_r}+d_o---\left(2\right)$

若公交速度降为Am/s时，公交所属相位为绿灯，则更新为：

$t_n^i=\frac{L}{v_d}-1+\frac{v_r}{a}+\frac{2\mathrm{aL}-{v_r}^2}{2a{v}_r}+d_o---\left(3\right)$

其中，t_r为公交所属相位剩余红灯时间；l为公交所属相位已持续绿灯时间；

若相位n为绿灯相位，则值每过1秒自减1。

5.根据权利要求4所述的一种无公交专用道的公交优先信号控制方法，所述的A＝2。

6.根据权利要求1所述的一种无公交专用道的公交优先信号控制方法，所述的步骤5中，相位最小绿灯时间为15-25s。

7.根据权利要求1所述的一种无公交专用道的公交优先信号控制方法，所述的步骤5中，相位最大绿灯时间为30-60s。