CN104599513A - 一种公交信号优先的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种公交信号优先的控制方法，采用滚动周期式的信号进行配时计划操作，一个滚动周期包含以下步骤：（1）检测交通信息，形成检测记录；根据检测记录、现状配时计划、上游道路交叉口配时计划、车辆离开上游道路交叉口时间的信息估计车辆到达本道路交叉口的时间和排队长度，估计交通量状态；（2）识别出影响信号相位切换的事件，制定出多个备选配时计划；（3）在多个备选配时计划中筛选出最优配时计划；（4）实施步骤（3）中筛选出的最优配时计划。本发明通过引入基于规则的配时计划生成模型，克服了动态规划模型计算量大、实时性差的缺陷；并通过引入性能指标函数，量化了公交车辆优先对其他车辆的影响，提高了控制性能。

Description

一种公交信号优先的控制方法

技术领域

本发明涉及交通信号控制方法，尤其涉及一种公交信号优先的控制方法，属于智能交通技术领域。

背景技术

城市公共交通是现代城市中效率最高、费用最省的道路运输形式；提升公共交通服务水平，增强公共交通出行吸引力，对高效利用道路交通设施资源、缓解城市交通拥堵、改善人居环境具有重要意义。

公交信号优先系统是挖掘地面公交系统潜能，提高运行效率的有效途径；公交信号优先在交叉口给予公交车辆相对于其他类型车辆更多的优先权，使其在交叉口的延误降低，运行速度相应提升；尤其是在交叉口间距较小的城市中心区，效果更为显著。在快速公交(BRT)和有轨电车系统中，信号优先是不可或缺的元素，即使在没有布设快速公交的公交干线上，信号优先也往往和公交专用道结合在一起，形成连续的专用路权。

但是，传统的公交信号优先控制系统存在以下缺陷，限制了其在工程实践中的应用：

1)仅仅以公交延误最小为目标对所有公交车提供优先，导致背景信号频频被打断，非优先方向上的社会车辆延误过大；

2)公交车辆信号优先策略对社会车辆的影响未量化，难以保证配时计划最优；

3)配时优化过程中，采用动态规划或者线性规划方法，计算量大、耗时长，不能够适应需求实时快速变化的城市道路交通网络。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明提供一种公交信号优先的控制方法；该控制方法针对传统公交信号优先控制系统对背景信号和社会车辆考虑不足的问题。

本发明所采用的技术方案为：

一种公交信号优先的控制方法，采用滚动周期式的信号进行配时计划操作，所述一个滚动周期内还包括多个固定的控制步长，通过在每个控制步长的结尾决定是否终结正在实施的相位或切换到其它相位来确定整个滚动周期的配时计划；一个滚动周期的长短由用户指定，且所述一个滚动周期的时间为40-120秒；所述控制步长的时间为5-10秒；

一个滚动周期包含以下步骤：

(1)检测交通信息，通过放置在道路交叉口进口道的检测器检测车辆经过检测器的时间形成检测记录；且所述的车辆包括公交车辆和社会车辆；根据检测记录、现状配时计划、上游道路交叉口配时计划、车辆离开上游道路交叉口时间的信息估计车辆到达交叉口的时间和排队长度的交通量状态；

(2)根据步骤(1)估计的交通量状态，识别出影响信号相位切换的事件，并在识别出影响信号相位切换的事件基础上，通过基于规则的配时计划生成模型，提出相位切换的请求，同时考虑每个相位最大或最小绿灯限制，制定出多个备选配时计划；

其中，是在以下不同的影响信号相位切换的事件基础上，通过基于规则的配时计划生成模型，提出相应的相位切换请求：

(a)当排队长度达到用户指定值并且此排队未被放行，尽快放行此排队；

(b)当交叉口进口道排队长度达到用户指定值，立即放行此排队；

(c)如果交叉口进口道排队长度超过用户指定值，继续保持对此排队的绿灯相位；

(d)如果交叉口下游出口道上的排队即将溢出到此交叉口，立即将相位的绿灯切换为红灯；

(e)如果长度超过用户指定值的车队接近交叉口，切换为绿灯相位直至车队不受停止线前的排队影响直接通过交叉口；

(f)如果正在放行一个排队，继续放行此排队；

(g)如果正在放行一个车队，继续放行此车队；

(h)当公交车辆接近交叉口，切换公交车所在进口道相位为绿灯，放行公交车前面的排队，使得公交车能够顺利入站；

(i)当公交车辆接近交叉口，切换公交车所在进口道相位为绿灯直到公交车不需要停止而顺利通过交叉口；

进一步，所述不同的影响信号相位切换的事件被赋予不同的权重，形成事件权重排序列表，且允许用户指定多个事件权重排序列表；

(3)在多个备选配时计划中筛选出最优配时计划；所述的最优配时计划是通过计算步骤(2)所制定出的多个备选配时计划的费用函数中费用最小的；所述的费用函数包含两部分；且允许用户可以定义费用函数各部分的权重：

(a)周期费用；实施配时计划必然对车辆会造成一定的停车和延误；因此，所述周期费用为一个滚动周期内所有通过交叉口的车辆的停车次数、延误时间的线性组合；计算式为：

$\mathrm{PI}=\underset{v=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}\left[\underset{n=1}{\overset{N_v}{\mathrm{\Σ}}}\left(o_v(k_d{d}_n+k_s{s}_n)\right)\right]+\underset{i=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}\left(k_{\mathrm{TC}}{\mathrm{TC}}_i\right)$

其中，PI为费用函数值；

o_v为车型换算系数；

d_n和s_n分别是第n辆车的延误和停车次数；

k_d和k_s分别是延误和停车次数权重；

TC_i为交叉口i一个滚动周期的终止费用；

k_TC为终止费用权重；

N_v为第v种车型车辆总数；

V为道路上行驶的车型总数；

(b)终止费用；为了防止优化过程中选择出的最优配时计划的费用在当前周期较低而在当前周期之后较高，因此，定义所述终止费用为前滚动周期结束后，无车辆加入排队，此情况下所有车辆的延误；计算式为：

${\mathrm{TC}}_i=\underset{j=1}{\overset{N_L}{\mathrm{\Σ}}}\left(\frac{Q_{\mathrm{endj}}^2}{{2q}_{\mathrm{satj}}}\right[U_j+{\mathrm{\α}}_R(1-U_j)]+Q_{\mathrm{endj}}{R}_{\min j}[U_j\left]\right)$

其中，TC_i为交叉口i一个滚动周期的终止费用；

q_satj和Q_endj分别为进口道j滚动周期末期的排队长度；

U_j为进口道j上的信号显示，且U_j＝0时为绿灯，U_j＝1时为红灯；

α_R是显示绿灯进口道的延误与显示红灯进口道的延误的相对权重，且α_R≥0；

R_minj为进口道j最短剩余红灯时间；

N_L为进口道数量；

(4)实施步骤(3)中筛选出的最优配时计划；其中，步骤(4)是实施一个滚动周期内最优配时计划前的多个控制步长；而未实施的其它备选配时计划作为下一个滚动周期优化过程的起始配时计划。

本发明的有益效果在于：

(1)采用滚动周期式的信号进行配时计划操作，绿灯时间分配不受滚动周期时间长度影响，可以更有效地响应公交优先请求和适应快速变化的交通需求；

(2)采用基于规则的配时计划优化模型，通过估计各类车辆到达交叉口时间，识别影响信号切换的事件并提出信号切换请求，可以有效简化信号配时计划的优化计算过程，提高信号系统的处理速度和实时性；

(3)引入费用函数量化评价公交优先信号配时计划对包括社会车辆在内的整个交通流的影响，避免了公交优先对社会车辆的过度干扰和影响。

附图说明：

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明方法的滚动周期信号配时计划操作的示意图；

图3为本发明方法实施例的交叉口布置图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做具体的介绍。

本实例利用如图3所示的单个交叉口来说明；交叉口南北方向为主路，并在南北方向的主路上设置有4座公交站台。

本实例中交通量在滚动期间为进口道通行能力的一半。

如图1所示：本实施例采用滚动周期式的信号进行配时计划操作；一个滚动周期时间长度为100秒，包含20个控制步长，每个控制步长为5秒；通过在每个控制步长结尾的决策点决定是否终结正在实施的相位或切换到其它相位来确定整个滚动周期的配时计划。

本实例中采用3相位的信号配时计划，分别如下：

相位1：为南北向左转保护相位，最小绿灯时间为5秒，最大绿灯时间为10秒，黄灯时间为5秒；

相位2:南北向主路直行和右转相位，最小绿灯时间为10秒，最大绿灯时间为90秒黄灯时间为5秒；

相位3:支路直行左右转相位，最小绿灯时间为10秒,最大绿灯时间为60秒，黄灯时间为5秒。

如图2所示：每个滚动周期包含以下步骤：

(1)通过放置在道路交叉口进口道的检测器检测公交车辆和社会车辆经过检测器的时间并形成检测记录；根据检测记录、现状配时计划、上游道路交叉口配时计划、车辆离开上游道路交叉口时间等信息估计公交车辆和社会车辆到达交叉口的时间和排队长度的交通量状态；

本实例中，对单个道路交叉口实施公交信号优先控制；公交站台位置和检测器布设位置如图3所示；为了充分考虑公交车辆在站台的停车时间，在公交站台的上下游均布置检测器，利用检测器记录，现状配时计划信息，采用仿真模型VISSIM估计公交车辆和社会车辆到达交叉口的时间和排队长度；VISSIM估计的时间区间是从决策点以后的60秒。

(2)根据步骤(1)估计的交通量状态，识别出影响信号相位切换的事件，在此基础上通过基于规则的配时计划生成模型，提出相位切换的请求，同时考虑每个相位最大或最小绿灯限制，制定出多个可能的备选配时计划。

本实施例是按以下不同的影响信号相位切换的事件基础上，通过基于规则的配时计划生成模型，提出相应的相位切换请求：

(a)尽快放行排队：当排队长度达到用户指定值并且此排队未被放行，尽快放行此排队。此实施例中排队长度至少为2辆；

(b)立即放行防止溢出到上游：当交叉口进口道排队长度达到用户指定值，视为溢出，立即放行此排队。此实例中溢出的标志是上游进口道排队长度达到进口道长度的75％；

(c)继续放行排队防止排队过长：如果交叉口进口道排队长度超过用户指定值，继续保持对此排队的绿灯相位。此实例中进口道排队长度不得超过60辆；

(d)停止放行防止溢出到下游：如果交叉口下游出口道上的排队即将溢出到此交叉口，立即将相位的绿灯切换为红灯，此实例中溢出的标志是下游出口道排队长度达到出口道长度 的75％；

(e)立即放行车队：如果长度超过用户指定值的车队接近交叉口，切换为绿灯相位直至车队不受停止线前的排队影响直接通过交叉口。此实例中车队长度至少为10辆；

(f)继续放行排队：如果正在放行一个排队,继续放行此排队；

(g)继续放行车队：如果正在放行一个车队,继续放行此车队；

(h)放行排队保证公交入站：当公交车辆接近交叉口,切换公交车所在进口道相位为绿灯，放行公交车前面的排队，使得公交车能够顺利入站；

(i)放行保证公交不停车：当公交车辆接近交叉口,切换公交车所在进口道相位为绿灯直到公交车不需要停止而顺利通过交叉口；

不同的影响信号相位切换的事件被赋予不同的权重，形成事件权重排序列表，且允许用户指定多个事件权重排序列表。

在本实例中，对不同的进口道采用不同的优先规则形成多个事件权重排序列表；如表1所示：

表1各个规则的优先级列表

在第一个和第二个优先级列表中，北进口实行车队优先，即在满足一定条件下立即为北进口车队放行或者继续为北进口的车队放行；第三和第四个优先级列表中，南进口实行车队优先，即在满足一定条件下立即为南进口车队放行或者继续为南进口的车队放行；第五个和第六个优先级列表中，南、北进口道均实行车队优先。另外，第二、四、六个优先级列表实施南、北进口道公交优先，即通过放行公交车所在相位保证公交车直接进站或不在停车线前停车；其余三个优先级列表均不实施公交优先。

(3)通过计算步骤(2)所提出的多个备选配时计划的费用函数。

本实例的费用函数仅考虑延误而不考虑停车次数，由于公交车的载客数比小汽车要大的多，设定公交车的延误权重为60，小汽车为1.5，终止费用为所有红灯进口道上的延误总和；因此配时计划的费用函数包含三个部分：小汽车延误、公交车延误以及终止费用，计算式如下：

$\mathrm{PI}=\underset{n=1}{\overset{N_{\mathrm{cars}}}{\mathrm{\Σ}}}\left({1.5d}_{\mathrm{car\; n}}\right)+\underset{n=1}{\overset{N_{\mathrm{transit}}}{\mathrm{\Σ}}}\left({1.5d}_{\mathrm{transit\; n}}\right)+\underset{j=1}{\overset{N_L}{\mathrm{\Σ}}}{U}_j(\frac{Q_{\mathrm{endj}}^2}{{2q}_{\mathrm{satj}}}+Q_{\mathrm{endj}}{R}_{\min j})$

其中，N_cars,N_transit,d_car n,d_transit n分别为小汽车和公交车的车辆数和延误数；通过计算式计算多个备选配时计划后，得出费用最小的配时计划作为最优配时计划。

(4)实施步骤(3)中筛选出的最优配时计划；且实施的是一个滚动周期内最优配时计划前的多个控制步长；而未实施的其它备选配时计划作为下一个滚动周期优化过程的起始配时计划。

按照本实施例所述方法，在不提供公交优先和车流中无公交车的情况下，本实例中所述的方法相比周期最优的定时控制的平均延误要低9％，比感应控制要高8％；

在不提供公交优先但车流中有公交车的情况下，本实例中所述的方法相比周期最优的定时控制的平均延误要低12％，比感应控制的平均延误要低2％；

在提供公交优先且车流中有公交车的情况下，本发明方法相比周期最优的定时控制和感应控制的平均延误都要低，分别低15％和4％；这其中由于公交优先带来的增益分别达到总增益的15％和35％；这说明了本发明方法在公交优先方面相对于其他控制方法有明显的优势。

上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术 方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种公交信号优先的控制方法，其特征在于，采用滚动周期式的信号进行配时计划操作，一个滚动周期包含以下步骤：

(1)检测交通信息，形成检测记录；根据检测记录、现状配时计划、上游道路交叉口配时计划、车辆离开上游道路交叉口时间的信息估计车辆到达交叉口的时间和排队长度的交通量状态；

(2)根据步骤(1)估计的交通量状态，识别出影响信号相位切换的事件，制定出多个备选配时计划；

(3)在多个备选配时计划中筛选出最优配时计划；

(4)实施步骤(3)中筛选出的最优配时计划。

2.根据权利要求1所述的一种公交信号优先的控制方法，其特征在于，所述一个滚动周期内还包括多个固定的控制步长，通过在每个控制步长的结尾决定是否终结正在实施的相位或切换到其它相位来确定整个滚动周期的配时计划。

3.根据权利要求1或2所述的一种公交信号优先的控制方法，其特征在于，所述一个滚动周期的长短由用户指定，且所述一个滚动周期的时间为40-120秒；所述控制步长的时间为5-10秒。

4.根据权利要求1所述的一种公交信号优先的控制方法，其特征在于，步骤(1)所述检测记录是放置在道路交叉口进口道的检测器检测车辆经过检测器的时间记录；且所述的车辆包括公交车辆和社会车辆。

5.根据权利要求1所述的一种公交信号优先的控制方法，其特征在于，步骤(2)是在识别出影响信号相位切换的事件基础上，通过基于规则的配时计划生成模型，提出相位切换的请求，同时考虑每个相位最大或最小绿灯限制，制定出多个备选配时计划。

6.根据权利要求5所述的一种公交信号优先的控制方法，其特征在于，是在以下不同的影响信号相位切换的事件基础上，通过基于规则的配时计划生成模型，提出相应的相位切换请求：

(a)当排队长度达到用户指定值并且此排队未被放行，尽快放行此排队；

(b)当交叉口进口道排队长度达到用户指定值，立即放行此排队；

(c)如果交叉口进口道排队长度超过用户指定值，继续保持对此排队的绿灯相位；

(d)如果交叉口下游出口道上的排队即将溢出到此交叉口，立即将相位的绿灯切换为红 灯；

(e)如果长度超过用户指定值的车队接近交叉口，切换为绿灯相位直至车队不受停止线前的排队影响直接通过交叉口；

(f)如果正在放行一个排队，继续放行此排队；

(g)如果正在放行一个车队，继续放行此车队；

(h)当公交车辆接近交叉口，切换公交车所在进口道相位为绿灯，放行公交车前面的排队，使得公交车能够顺利入站；

(i)当公交车辆接近交叉口，切换公交车所在进口道相位为绿灯直到公交车不需要停止而顺利通过交叉口。

7.根据权利要求6所述的一种公交信号优先的控制方法，其特征在于，所述不同的影响信号相位切换的事件被赋予不同的权重，形成事件权重排序列表，且允许用户指定多个事件权重排序列表。

8.根据权利要求1所述的一种公交信号优先的控制方法，其特征在于，步骤(3)是通过计算步骤(2)所制定出的多个备选配时计划的费用函数，筛选出多个备选配时计划中费用最小的为最优配时计划。

9.根据权利要求8所述的一种公交信号优先的控制方法，其特征在于，所述的费用函数包含两部分，且允许用户定义费用函数的各部分的权重：

(a)周期费用；所述周期费用为一个滚动周期内通过交叉口所有车辆的停车次数、延误时间的线性组合；计算式为：

其中，PI为费用函数值；

o_v为车型换算系数；

d_n和s_n分别是第n辆车的延误和停车次数；

k_d和k_s分别是延误和停车次数权重；

TC_i为交叉口i一个滚动周期的终止费用；

k_TC为终止费用权重；

N_v为第v种车型车辆总数；

V为道路上行驶的车型总数；

(b)终止费用；所述终止费用为前滚动周期结束后，无车辆加入排队，此情况下所有车辆的延误；计算式为：

其中，TC_i为交叉口i一个滚动周期的终止费用；

q_satj和Q_endj分别为进口道j滚动周期末期的排队长度；

U_j为进口道j上的信号显示，且U_j＝0时为绿灯，U_j＝1时为红灯；

α_R是显示绿灯进口道的延误与显示红灯进口道的延误的相对权重，且α_R≥0；

R_minj为进口道j最短剩余红灯时间；

N_L为进口道数量。

10.根据权利要求1所述的一种公交信号优先的控制方法，其特征在于，步骤(4)是实施一个滚动周期内最优配时计划前的多个控制步长；且未实施的其它备选配时计划作为下一个滚动周期优化过程的起始配时计划。