CN106297335A - 一种交叉口‑下游停靠站相互作用环境下的公交优先绿灯延长时间优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交叉口‑下游停靠站相互作用环境下的公交优先绿灯延长时间优化方法，属于城市道路交叉口公交优先信号控制领域，包括控制区域交叉口、下游停靠站交通特征数据集搭建，交叉口‑下游停靠站相互作用环境下控制区域交叉口公交优先绿灯延长时间优化模型构建及参数标定，交叉口‑下游停靠站相互作用环境下控制区域交叉口公交优先绿灯延长时间求解的步骤。本发明避免片面的在交叉口处优先放行公交车辆而忽视了下游停靠站的公交车辆服务能力；以控制区域内乘客总延误最小与公交车辆偏离时刻表运行时间最小作为优化控制目标构建优化模型，并利用“试值法”求解，可避免片面强调乘客出行延误最小而忽视公交线路合理配置与有效调度的情况。

Description

一种交叉口-下游停靠站相互作用环境下的公交优先绿灯延 长时间优化方法

技术领域

本发明涉及城市道路交叉口公交优先信号控制优化技术领域，特别涉及一种交叉口-下游停靠站相互作用环境下的公交优先绿灯延长时间优化方法。

背景技术

随着城市道路交通拥堵程度的不断加剧，越来越多城市开始大力发展公共交通，并在交叉口处延长公交车辆绿灯通行时间来给予其优先通行权，延长的公交车辆绿灯通行时间即为公交优先绿灯延长时间。作为交叉口公交优先信号配时方案的重要参数指标，公交优先绿灯延长时间可直接反映公交车辆在交叉口处的优先程度。当交叉口公交优先绿灯延长时间确定后，可根据交叉口各信号相位的车流饱和程度确定该交叉口的信号配时方案。

显而易见，交叉口道路几何特征、交通流特征等因素将直接影响到公交优先信号绿灯延长时间的长短。然而，当一个信号周期内到达下游停靠站的公交车辆数超过该停靠站的停车泊位数时，后到的公交车辆将需要等待前车离开后才可以进入停靠站，此时上游交叉口的公交优先绿灯延长时间的优先效果就大打折扣。由此可见，交叉口下游的公交停靠站也会制约公交车辆的优先通行效果，并在很大程度上影响着上游交叉口公交优先绿灯延长时间的设置，当交叉口与下游停靠站间距较小(一般不大于300米)时，需要综合考虑交叉口与停靠站对公交车辆优先通行的影响程度，故十分需要综合考虑交叉口与下游停靠站相互作用对公交优先绿灯延长时间优化的影响程度。

因此，提出一种交叉口-下游停靠站相互作用环境下的公交优先绿灯延长时间优化方法，能够进一步优化交叉口公交优先信号配时方案、降低乘客选择公交出行的时间消耗，从而进一步提升城市地面公共交通运行效率与服务水平。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种交叉口-下游停靠站相互作用环境下的公交优先绿灯延长时间优化方法，该方法综合考虑交叉口及其下游停靠站相互作用对优先通行公交车流的影响，从而进一步优化交叉口公交优先信号配时方案、并进一步提升城市地面公共交通运行效率与服务水平。

为实现上述目的，本发明提出一种交叉口-下游停靠站相互作用环境下的公交优先绿灯延长时间优化方法，具体步骤如下：

(1)选取交叉口与下游公交停靠站间距小于300米的路段作为优化控制区域。

(2)建立交叉口-下游停靠站相互作用环境下优化控制区域交叉口、下游停靠站交通特征数据集。交叉口交通特征数据集I＝{TS,q_g(t),q_t(t),O_g(t),O_t(t)}，其中TS为交叉口现状配时方案，q_g(t)、q_t(t)分别表示单位时间内交叉口范围内社会车辆与公交车辆车流量，O_g(t)、O_t(t)分别表示交叉口各车道社会车辆和公交车辆载客人数。下游停靠站交通特征数据集S＝{T_s,T_a,T_d,P_b,P_a,O_t(t),f(t),h(t)}，其中T_s、T_a、T_d分别表示单位时间内在停靠站停靠的公交车辆时刻表到站时间、实际到站时间、实际离站时间，P_b、P_a分别为公交车辆进站时，乘客上、下车数量，f(t)、h(t)分别为候车乘客到站、离站(登车)分布函数。

(3)建立交叉口-下游停靠站相互作用环境下控制区域交叉口公交优先绿灯延长时间优化模型，该模型将以控制区域内乘客总延误最小和公交车辆运行准点性最高为优化控制目标。控制区域内乘客总延误(D)包括社会车辆在交叉口处的乘客总延误(D_Ig)、公交车辆在交叉口处的乘客总延误(D_It)、公交车辆在下游停靠站处的乘客总延误(D_Sb)、下游停靠站处候车乘客的等待延误(D_Sw)。公交车辆运行准点性特征由公交车辆偏离时刻表运行时间(ΔD_S)来反映，公交车辆偏离时刻表运行时间为公交运行关键控制节点(一般是公交停靠站)处公交车辆实际到达时间与时刻表到达时间的差值之和。

(4)利用“试值法”对交叉口公交优先绿灯延长时间优化模型进行求解，优化交叉口-下游停靠站相互作用环境下公交优先绿灯延长时间(t_ge)。

具体的，所述步骤(2)中，交叉口交通特征信息数据集I＝{TS,q_g(t),q_t(t),O_g(t),O_t(t)}的各类信息需要按照交叉口进口道方向分车道采集。公交停靠站交通特征信息数据集S＝{T_s,T_a,T_d,P_b,P_a,O_t(t),f(t),h(t)}的各类信息需要按照各停靠公交线路分班次采集。交叉口和停靠站的这些交通特征参数在交通高峰时段每隔15分钟采集一次，交通平峰时段(其他时间段)每隔1小时采集一次。

具体的，所述步骤(3)中，构建交叉口-下游停靠站相互作用环境下控制区域交叉口公交优先绿灯延长时间优化模型，并对模型中各参数指标进行标定，具体步骤如下：

(3-1)综合考虑交叉口-下游停靠站控制区内乘客总延误及公交运行准点性，构建交叉口-下游停靠站相互作用环境下控制区域交叉口公交优先绿灯延长时间优化控制模型：

$\left\{\begin{array}{c}\min D\\ \min \mathrm{\Δ}{D}_S\end{array}\right.$

式中，D＝D_Ig+D_It+D_Sb+D_Sw。其中，D_Ig和D_It属于乘客在交叉口处的延误(D_I)，D_Sb和D_Sw属于乘客在停靠站处的延误(D_S)。

在此基础上，通过分析交叉口车道车流饱和度情况，建立该优化控制模型的约束条件：

$\begin{array}{cc}max\frac{x^j}{{\mathrm{\λ}}^j}\≤0.9& j\∈J\end{array}$

式中：λ^j表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的信号配时绿信比；x^j表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的车辆饱和度；J表示交叉口的信号相位数量。x^j＝q^j/c^j，其中,q^j表示单位时间内信号周期的第j相位所允许通行的车道的交通量；c^j表示单位时间内信号周期的第j相位所允许通行的车道的通行能力，一般取1800pcu/h·lane。

(3-2)分别计算交叉口处社会车辆乘客总延误D_Ig和公交车辆乘客总延误D_It，具体步骤如下：

(3-2-1)通过计算信号控制交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的社会车辆车均延误确定单位时间内交叉口处社会车辆乘客总延误D_Ig：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{Ig}=\underset{j\∈J}{\Σ}({\stackrel{\‾}{d}}_{Ig}^j\·q_g^j\·O_g^j)\\ {\stackrel{\‾}{d}}_{Ig}^j=\frac{C{(1-{\mathrm{\λ}}^j)}^2}{2(1-{\mathrm{\λ}}^j{x}_g^j)}+\frac{x_g^{j^2}}{2q_g^j(1-x_g^j)}\\ {\mathrm{\λ}}^j=\frac{g^j}{C-L}\end{array}\right.$

式中：表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的社会车辆流量；表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的社会车辆车均载客人数；C表示信号控制交叉口信号周期时长；λ^j表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的绿信比；表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的社会车辆饱和度；g^j表示原信号配时方案的交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的绿灯通行时间；L表示信号周期的损失时间。

(3-2-2)通过计算信号控制交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的公交车辆车均延误确定单位时间内交叉口处公交车辆乘客总延误D_It：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{It}={\stackrel{\‾}{d}}_{It}\·q_t\·O_t\\ {\stackrel{\‾}{d}}_{It}=\frac{C{(1-{\mathrm{\λ}}_t)}^2}{2(1-{\mathrm{\λ}}_t{x}_t)}+\frac{{x_t}^2}{2q_t(1-x_t)}\\ {\mathrm{\λ}}_t=\frac{g_t}{C-L}\end{array}\right.$

式中：q_t表示信号控制交叉口处单位时间内公交优先相位的公交车辆流量；O_t表示信号控制交叉口处单位时间内公交优先相位的公交车辆车均载客人数；λ_t表示信号控制交叉口处单位时间内公交优先相位的绿信比；x_t表示信号控制交叉口处单位时间内公交优先相位的公交车辆饱和度；C表示信号控制交叉口信号周期时长；L表示信号周期的损失时间；g_t表示原信号配时方案的交叉口处单位时间内信号周期的公交优先通行绿灯时间。

(3-3)利用图解法，分别计算停靠站处公交车辆内乘客总延误D_Sb和停靠站处候车乘客的等待延误D_Sw，具体步骤如下：

(3-3-1)通过分析公交车辆在停靠站停靠期间车内乘客数量变化情况，利用图解法计算单位时间内停靠站处公交车辆内乘客总延误D_Sb：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{Sb}=\underset{m\∈M}{\Σ}\underset{n\∈N}{\Σ}{D}_{Sb}^{mn}\\ D_{Sb}^{mn}=O_{St}^{mn}{t}_d^{mn}+{\∫}_0^{t_d^{mn}}(t_d^{mn}-t)h^{mn}\left(t\right)dt\\ t_d^{mn}=T_d^{mn}-T_a^{mn}\end{array}\right.$

式中：表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车内乘客延误；表示第m条公交线路中第n辆公交车进入停靠站时车上的乘客数；表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车在停靠站的停靠时间；h^mn(t)表示在停靠站处等待第m条公交线路的第n辆公交车的乘客上车的分布函数；分别表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车到达与离开公交站的具体时刻；M表示停靠站处公交线路的数量；N表示某一条公交线路的公交车数量。

(3-3-2)通过分析公交停靠站处候车乘客数量变化情况，利用图解法计算单位时间内停靠站候车乘客的等待延误D_Sw

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{Sw}=\underset{m\∈M}{\Σ}\underset{n\∈N}{\Σ}{D}_{Sw}^{mn}\\ D_{Sw}^{mn}={\∫}_0^{t_f^{mn}}(t_f^{mn}-t)f^{mn}\left(t\right)dt-{\∫}_0^{t_d^{mn}}(t_d^{mn}-t)h^{mn}\left(t\right)dt\\ t_d^{mn}=T_d^{mn}-T_a^{mn}\\ t_f^{mn}=T_d^{mn}-T_d^{m(n-1)}\end{array}\right.$

式中：表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车的乘客候车等待延误；表示停靠站处第m条公交线路的第n辆与第n-1辆公交车驶离停靠站的时间间隔；f^mn(t)表示在停靠站处等待第m条公交线路的第n辆公交车的乘客到达停靠站的分布函数；分别表示停靠站处第m条公交线路的第n-1辆公交车离开公交站的具体时刻；分别表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车到达与离开公交站的具体时刻；表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车在停靠站的停靠时间；h^mn(t)表示在停靠站处等待第m条公交线路的第n辆公交车的乘客上车的分布函数；M表示停靠站处公交线路的数量；N表示某一条公交线路的公交车数量。

(3-4)结合现状调研的公交车辆时刻表到达及实际到达停靠站的时刻，并根据交叉口公交车辆轨迹-时间图确定信号配时调整后的公交车辆到达停靠站时刻，计算单位时间内不同信号配时方案下公交停靠站处公交车辆偏离时刻表运行时间ΔD_S:

${\mathrm{\ΔD}}_S=\underset{m\∈M}{\Σ}\underset{n\∈N}{\Σ}\left(\right|T_a^{mn}-T_s^{mn}\left|\right)$

式中：表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车实际到达公交站的具体时刻；表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车按照公交时刻表运行到达公交站的具体时刻。

具体的，所述步骤(4)中，利用“试值法”对交叉口公交优先绿灯延长时间优化模型进行求解，优化交叉口-下游停靠站相互作用环境下公交优先绿灯延长时间(t_ge)，具体步骤如下：

(4-1)以交叉口现状配时方案中各相位绿灯时间作为初始值，在此基础上确定初始公交优先绿灯延长时间t_ge的初始值和步长k。设定t_ge的初始值为0，步长k为1秒。

(4-2)在(4-1)基础上开始试值，令其中表示试值过程中公交优先通行绿灯延长时间，在此基础上分别计算试值过程中公交优先通行绿灯时间和各相位社会车辆通行绿灯间

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{g}}_t=g_t+k\\ {\hat{g}}^j=g^j-\frac{g^j}{C-L-{\hat{g}}_t}\end{array}\right.$

式中：g^j表示原信号配时方案的交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的绿灯通行时间；g_t表示原信号配时方案的交叉口处单位时间内信号周期的公交优先通行绿灯时间；C表示信号控制交叉口信号周期时长；L表示信号周期的损失时间。

(4-3)在(4-2)基础上，确定试值过程中新的交叉口信号配时方案，并计算交叉口各进口道饱和的情况其中分别表示试值过程中新的交叉口信号配时方案条件下交叉口各进口道车辆饱和度与绿信比。如果就终止，此时t_ge即为优化的交叉口公交优先绿灯延长时间；否则继续往下进行。

(4-4)接下来，分别计算新信号配时方案条件下控制区域内乘客总延误停靠站处公交车辆偏离总时间并分别与原信号配时方案条件下控制区域内乘客总延误D、停靠站处公交车辆偏离总时间ΔD_S进行比较。如果或者就终止，此时t_ge即为优化的交叉口公交优先绿灯延长时间；否则，令并转至(4-2)继续进行试值，直至确定最终优化结果。

相对于现有技术，本发明所达到的有益效果：本发明提供的一种交叉口-下游停靠站相互作用环境下的公交优先绿灯延长时间优化方法，将交叉口及下游停靠站作为一个统一的控制区域研究交叉口与下游公交停靠站相互作用下公交优先绿灯延长时间优化方法，从而避免片面的在交叉口处优先放行公交车辆而忽视了下游停靠站的公交车辆服务能力。本发明在对公交优先绿灯延长时间进行优化的过程中，综合考虑了交叉口-下游停靠站相互作用控制区域内所有乘客出行效率及公交车辆运行准点特性，并以控制区域内乘客总延误最小与公交车辆偏离时刻表运行时间最小作为优化控制目标构建优化模型，并利用“试值法”计算出公交优先绿灯延长时间，从而确定交叉口公交优先信号配时优化方案，该优化方案可有效避免片面强调乘客出行延误最小而忽视公交线路合理配置与有效调度的情况。因此，本发明能够从乘客出行与公交线路调配两方面综合优化交叉口-下游停靠站相互作用区域公交优先绿灯延长时间，并更加真实的反映城市地面公交车辆优先通行的运行特征，从而进一步优化交叉口公交优先信号配时方案、降低乘客选择公交出行的时间消耗、提升城市地面公共交通运行效率与服务水平。

附图说明

图1是本发明的主流程图；

图2是本发明中步骤S2的优化模型参数标定子流程图；

图3是本发明中步骤S2的停靠站处公交车辆内乘客总延误“图解法”计算示意图；

图4是本发明中步骤S2的停靠站处乘客候车等待延误“图解法”计算示意图；

图5是交叉口公交车辆轨迹-时间图；

图6是本发明中步骤S3的“试值法”求解子流程图；

图7是交叉口-下游停靠站控制区平面布局图；

图8是交叉口信号配时现状方案；

图9是交叉口公交优先信号配时优化方案。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，为一种交叉口-下游停靠站相互作用环境下的公交优先绿灯延长时间优化方法，包括如下步骤：

步骤S1：控制区域交叉口、下游停靠站交通特征数据集搭建。交叉口交通特征信息数据集I＝{TS,q_g(t),q_t(t),O_g(t),O_t(t)}的各类信息需要按照交叉口进口道方向分车道采集，其中TS为交叉口现状配时方案，q_g(t)、q_t(t)分别表示单位时间内交叉口范围内社会车辆与公交车辆车流量，O_g(t)、O_t(t)分别表示交叉口各车道社会车辆和公交车辆载客人数。公交停靠站交通特征信息数据集S＝{T_s,T_a,T_d,P_b,P_a,O_t(t),f(t),h(t)}的各类信息需要按照各停靠公交线路分班次采集，其中T_s、T_a、T_d分别表示单位时间内在停靠站停靠的公交车辆时刻表到站时间、实际到站时间、实际离站时间，P_b、P_a分别为公交车辆进站时，乘客上、下车数量，f(t)、h(t)分别为候车乘客到站、离站(登车)分布函数。交叉口和停靠站的这些交通特征参数在交通高峰时段每隔15分钟采集一次，交通平峰时段(其他时间段)每隔1小时采集一次；

步骤S2：交叉口-下游停靠站相互作用环境下控制区域交叉口公交优先绿灯延长时间优化模型构建与参数标定；

步骤S21：构建交叉口-下游停靠站相互作用环境下控制区域交叉口公交优先绿灯延长时间优化控制模型：

$\left\{\begin{array}{c}\min D\\ \min \mathrm{\Δ}{D}_S\end{array}\right.$

式中，D＝D_Ig+D_It+D_Sb+D_Sw。其中，D_Ig和D_It属于乘客在交叉口处的延误(D_I)，D_Sb和D_Sw属于乘客在停靠站处的延误(D_S)。

在此基础上，通过分析交叉口车道车流饱和度情况，建立该优化控制模型的约束条件：

$\begin{array}{cc}max\frac{x^j}{{\mathrm{\λ}}^j}\≤0.9& j\∈J\end{array}$

式中：λ^j表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的信号配时绿信比；x^j表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的车辆饱和度；J表示交叉口的信号相位数量。x^j＝q^j/c^j，其中,q^j表示单位时间内信号周期的第j相位所允许通行的车道的交通量；c^j表示单位时间内信号周期的第j相位所允许通行的车道的通行能力，一般取1800pcu/h·lane。

优化模型的参数标定(如图2所示)，具体步骤如步骤S22至S24所示：

步骤S22：通过计算交叉口处社会车辆乘客总延误D_Ig和公交车辆乘客总延误D_It，确定交叉口处乘客总延误(D_I)：

步骤S221：通过计算信号控制交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的社会车辆车均延误确定单位时间内交叉口处社会车辆乘客总延误D_Ig：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{Ig}=\underset{j\∈J}{\Σ}({\stackrel{\‾}{d}}_{Ig}^j\·q_g^j\·O_g^j)\\ {\stackrel{\‾}{d}}_{Ig}^j=\frac{C{(1-{\mathrm{\λ}}^j)}^2}{2(1-{\mathrm{\λ}}^j{x}_g^j)}+\frac{x_g^{j^2}}{2q_g^j(1-x_g^j)}\\ {\mathrm{\λ}}^j=\frac{g^j}{C-L}\end{array}\right.$

式中：表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的社会车辆流量；表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的社会车辆车均载客人数；C表示信号控制交叉口信号周期时长；λ^j表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的绿信比；表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的社会车辆饱和度；g^j表示原信号配时方案的交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的绿灯通行时间；L表示信号周期的损失时间。

步骤S222：通过计算信号控制交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的公交车辆车均延误确定单位时间内交叉口处公交车辆乘客总延误D_It：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{It}={\stackrel{\‾}{d}}_{It}\·q_t\·O_t\\ {\stackrel{\‾}{d}}_{It}=\frac{C{(1-{\mathrm{\λ}}_t)}^2}{2(1-{\mathrm{\λ}}_t{x}_t)}+\frac{{x_t}^2}{2q_t(1-x_t)}\\ {\mathrm{\λ}}_t=\frac{g_t}{C-L}\end{array}\right.$

式中：q_t表示信号控制交叉口处单位时间内公交优先相位的公交车辆流量；O_t表示信号控制交叉口处单位时间内公交优先相位的公交车辆车均载客人数；λ_t表示信号控制交叉口处单位时间内公交优先相位的绿信比；x_t表示信号控制交叉口处单位时间内公交优先相位的公交车辆饱和度；C表示信号控制交叉口信号周期时长；L表示信号周期的损失时间；g_t表示原信号配时方案的交叉口处单位时间内信号周期的公交优先通行绿灯时间。

步骤S23：利用图解法，分别计算停靠站处公交车辆内乘客总延误D_Sb和停靠站处候车乘客的等待延误D_Sw，进而确定停靠站处乘客总延误(D_S)。

步骤S231：利用图解法计算单位时间内停靠站处公交车辆内乘客总延误D_Sb(如图3所示)：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{Sb}=\underset{m\∈M}{\Σ}\underset{n\∈N}{\Σ}{D}_{Sb}^{mn}\\ D_{Sb}^{mn}=O_{St}^{mn}{t}_d^{mn}+{\∫}_0^{t_d^{mn}}(t_d^{mn}-t)h^{mn}\left(t\right)dt\\ t_d^{mn}=T_d^{mn}-T_a^{mn}\end{array}\right.$

式中：表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车内乘客延误；表示第m条公交线路中第n辆公交车进入停靠站时车上的乘客数；表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车在停靠站的停靠时间；h^mn(t)表示在停靠站处等待第m条公交线路的第n辆公交车的乘客上车的分布函数；分别表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车到达与离开公交站的具体时刻；M表示停靠站处公交线路的数量；N表示某一条公交线路的公交车数量。

步骤S232：利用图解法计算单位时间内停靠站候车乘客的等待延误D_Sw(如图4所示)：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{Sw}=\underset{m\∈M}{\Σ}\underset{n\∈N}{\Σ}{D}_{Sw}^{mn}\\ D_{Sw}^{mn}={\∫}_0^{t_f^{mn}}(t_f^{mn}-t)f^{mn}\left(t\right)dt-{\∫}_0^{t_d^{mn}}(t_d^{mn}-t)h^{mn}\left(t\right)dt\\ t_d^{mn}=T_d^{mn}-T_a^{mn}\\ t_f^{mn}=T_d^{mn}-T_d^{m(n-1)}\end{array}\right.$

式中：表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车的乘客候车等待延误；表示停靠站处第m条公交线路的第n辆与第n-1辆公交车驶离停靠站的时间间隔；f^mn(t)表示在停靠站处等待第m条公交线路的第n辆公交车的乘客到达停靠站的分布函数；分别表示停靠站处第m条公交线路的第n-1辆公交车离开公交站的具体时刻；分别表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车到达与离开公交站的具体时刻；表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车在停靠站的停靠时间；h^mn(t)表示在停靠站处等待第m条公交线路的第n辆公交车的乘客上车的分布函数；M表示停靠站处公交线路的数量；N表示某一条公交线路的公交车数量。

步骤S24：结合现状调研的公交车辆时刻表到达及实际到达停靠站的时刻，并根据交叉口公交车辆轨迹-时间图(图5)确定信号配时调整后的公交车辆到达停靠站时刻，计算单位时间内不同信号配时方案下公交停靠站处公交车辆偏离时刻表运行时间ΔD_S:

${\mathrm{\ΔD}}_S=\underset{m\∈M}{\Σ}\underset{n\∈N}{\Σ}\left(\right|T_a^{mn}-T_s^{mn}\left|\right)$

式中：表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车实际到达公交站的具体时刻；表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车按照公交时刻表运行到达公交站的具体时刻。

步骤S3：交叉口-下游停靠站相互作用环境下控制区域交叉口公交优先绿灯延长时间求解。利用“试值法”求解(如图6所示)，具体步骤如步骤S31至S34所示：

步骤S31：以交叉口现状配时方案中各相位绿灯时间作为初始值，在此基础上确定初始公交优先绿灯延长时间t_ge的初始值和步长k。设定t_ge的初始值为0，步长k为1秒。

步骤S32：开始试值，令其中表示试值过程中公交优先通行绿灯延长时间，在此基础上分别计算试值过程中公交优先通行绿灯时间和各相位社会车辆通行绿灯间

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{g}}_t=g_t+k\\ {\hat{g}}^j=g^j-\frac{g^j}{C-L-{\hat{g}}_t}\end{array}\right.$

式中：g^j表示原信号配时方案的交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的绿灯通行时间；g_t表示原信号配时方案的交叉口处单位时间内信号周期的公交优先通行绿灯时间；C表示信号控制交叉口信号周期时长；L表示信号周期的损失时间。

步骤S33：确定试值过程中新的交叉口信号配时方案，并计算交叉口各进口道饱和的情况其中分别表示试值过程中新的交叉口信号配时方案条件下交叉口各进口道车辆饱和度与绿信比。如果就终止，此时t_ge即为优化的交叉口公交优先绿灯延长时间；否则继续往下进行。

步骤S34：分别计算新信号配时方案条件下控制区域内乘客总延误停靠站处公交车辆偏离总时间并分别与原信号配时方案条件下控制区域内乘客总延误D、停靠站处公交车辆偏离总时间ΔD_S进行比较。如果或者就终止，此时t_ge即为优化的交叉口公交优先绿灯延长时间；否则，令并转至步骤S32继续进行试值，直至确定最终优化结果。

下面通过一个实例，对本案给出进一步的说明。

图7所示的交叉口-下游停靠站相互作用控制区域包括一个十字型交叉口及一个港湾式停靠站(交通流主流向为西向东)，交叉口与停靠站之间距离为200米。下面根据发明内容所述步骤，对该交叉口-下游停靠站相互作用控制区内交叉口公交优先绿灯延长时间进行优化。

步骤1：控制区域交叉口、下游停靠站交通特征数据集搭建

对于交叉口交通特征数据集，经过实地调查，调查时间选取工作日早高峰时段(8:00-9:00)，交叉口现状信号配时方案(TS)如图8所示。由于该调查时段属于交通早高峰时段，需要每隔15分钟采集一次车流量信息，交叉口各进口道社会车辆、公交车辆交通流量(q_g(t)、q_t(t))信息如表1所示。交叉口社会车辆车均乘客数(O_g(t))为1.7人/veh，公交车辆车均乘客数(O_t(t))为19.3人/bus。

表1交叉口各进口道社会车辆、公交车辆交通流量(q_g(t)、q_t(t))信息

对于下游停靠站交通特征数据集，经过实地调查，调查时间与交叉口交通数据调查时间一致。经调查，有A、B、C三条公交线路停靠本站，调查时段内各条公交线路车辆时刻表到站时间(T_S)、实际到站时间(T_a)、实际离站时间(T_d)、上车人数(P_b)、下车人数(P_a)、车上载客人数(O_t(t))如表2所示。

表2调查时段内各条公交线路车辆运营信息

通过调查分析，该公交停靠站候车乘客到达率(f(t))在每一个车辆到达间隔周期内都服从均匀分布；公交停靠站每位乘客离站率(h(t))为0.43人/秒。

步骤2：交叉口-下游停靠站相互作用环境下控制区域交叉口公交优先绿灯延长时间优化模型构建与参数标定

步骤S21：结合步骤1所搭建的交通数据集，构建本实例交叉口-下游停靠站相互作用环境下控制区域交叉口公交优先绿灯延长时间优化控制模型：

$\left\{\begin{array}{c}min(D_{Ig}+D_{It}+D_{Sb}+D_{Sw})\\ min(\mathrm{\Δ}{D}_S^{A1}+...+\mathrm{\Δ}{D}_S^{A9}+\mathrm{\Δ}{D}_S^{B1}+...+\mathrm{\Δ}{D}_S^{B9}+\mathrm{\Δ}{D}_S^{C1}+...+\mathrm{\Δ}{D}_S^{C10})\end{array}\right.$

max(x¹/λ¹；x²/λ²；x³/λ³；x⁴/λ⁴)≤0.9

步骤S22：计算交叉口处社会车辆与公交车辆乘客总延误D_I。

根据表1中的交叉口交通流量数据，分别计算出图8所示现状信号配时方案条件下的社会车辆延误(D_Ig)和公交车辆乘客延误(D_It)，进而计算出交叉口处各进口方向乘客总延误(D_I)及饱和度(x/λ)(如表3所示)

表3现状信号配时方案条件下的社会车辆延误(D_Ig)和公交车辆乘客延误(D_It)，进而计算出交叉口处各进口方向乘客总延误(D_I)及饱和度(x/λ)

步骤S23：计算停靠站处公交车辆乘客总延误D_S。

根据停靠站处各条公交线路的停站信息(表2)，利用图解法分别计算停靠站处线路A、B、C共28辆公交车辆内乘客总延误(D_Sb)和停靠站处候车乘客的等待延误(D_Sw)，进而计算出停靠站处公交车辆乘客总延误D_S＝92633秒。

步骤S24：计算单位时间内公交停靠站处公交车辆偏离时刻表运行时间ΔD_S:

根据停靠站处各条公交线路的公交车辆时刻表与实际到达停靠站的时刻信息(表2)，计算调查时段内A、B、C三条公交线路28辆公交车偏离时刻表运行时间ΔD_S＝2380秒。

步骤3：利用“试值法”(如图6所示)，对交叉口-下游停靠站相互作用环境下控制区域交叉口公交优先绿灯延长时间进行求解。

经过试值，确定该交叉口公交优先绿灯延长时间t_ge＝14秒，并确定出此时该交叉口信号配时方案(图9)。

信号配时方案优化后交叉口处各进口方向乘客延误(D_I)及饱和度如表4所示

表4信号配时方案优化后交叉口处各进口方向乘客延误(D_I)及饱和度

优化方案条件下，停靠站处公交车辆乘客总延误D_S＝91387秒。

按照优化后的信号配时方案确定交叉口公交车辆轨迹-时间图，根据该公交车辆轨迹-时间图确定交叉口信号配时优化后的各条公交线路车辆到站时间如表5所示。

表5根据公交车辆轨迹-时间图确定交叉口信号配时优化后的各条公交线路车辆到站时间

根据停靠站处各条公交线路的时刻表到站时间(表2)与信号配时优化后到站时间(表5)，计算出交叉口公交优先信号配时方案优化后的公交车偏离时刻表运行时间ΔD_S＝1498秒。

与现状方案相比，优化后的配时方案的控制区域内乘客总延误D降低了6.9％，控制区域内公交车辆偏离时刻表运行时间ΔD_S降低了37.1％。优化后的交叉口公交优先信号配时方案在乘客延误、提高公交车辆运行稳定性方面效果明显。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种交叉口-下游停靠站相互作用环境下的公交优先绿灯延长时间优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选取交叉口与下游公交停靠站间距小于300米的路段作为优化控制区域；

(2)建立交叉口-下游停靠站相互作用环境下优化控制区域交叉口、下游停靠站交通特征数据集；交叉口交通特征数据集I＝{TS,q_g(t),q_t(t),O_g(t),O_t(t)}，其中TS为交叉口现状配时方案，q_g(t)、q_t(t)分别表示单位时间内交叉口范围内社会车辆与公交车辆车流量，O_g(t)、O_t(t)分别表示交叉口各车道社会车辆和公交车辆载客人数；下游停靠站交通特征数据集S＝{T_s,T_a,T_d,P_b,P_a,O_t(t),f(t),h(t)}，其中T_s、T_a、T_d分别表示单位时间内在停靠站停靠的公交车辆时刻表到站时间、实际到站时间、实际离站时间，P_b、P_a分别为公交车辆进站时，乘客上、下车数量，f(t)、h(t)分别为候车乘客到站、离站(登车)分布函数；

(3)建立交叉口-下游停靠站相互作用环境下控制区域交叉口公交优先绿灯延长时间优化模型，该模型以控制区域内乘客总延误最小和公交车辆运行准点性最高为优化控制目标；控制区域内乘客总延误D包括社会车辆在交叉口处的乘客总延误D_Ig、公交车辆在交叉口处的乘客总延误D_It、公交车辆在下游停靠站处的乘客总延误D_Sb、下游停靠站处候车乘客的等待延误D_Sw；公交车辆运行准点性特征由公交车辆偏离时刻表运行时间ΔD_S来反映，公交车辆偏离时刻表运行时间为公交运行关键控制节点处公交车辆实际到达时间与时刻表到达时间的差值之和；

(4)利用“试值法”对交叉口公交优先绿灯延长时间优化模型进行求解，优化交叉口-下游停靠站相互作用环境下公交优先绿灯延长时间t_ge。

2.根据权利要求1所述的交叉口-下游停靠站相互作用环境下的公交优先绿灯延长时间优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中，交叉口交通特征信息数据集I＝{TS,q_g(t),q_t(t),O_g(t),O_t(t)}的各类信息需要按照交叉口进口道方向分车道采集；公交停靠站交通特征信息数据集S＝{T_s,T_a,T_d,P_b,P_a,O_t(t),f(t),h(t)}的各类信息需要按照各停靠公交线路分班次采集；交叉口和停靠站的这些交通特征参数在交通高峰时段每隔15分钟采集一次，交通平峰时段每隔1小时采集一次。

3.根据权利要求1所述的交叉口-下游停靠站相互作用环境下的公交优先绿灯延长时间优化方法，其特征在于，所述步骤(3)中，构建交叉口-下游停靠站相互作用环境下控制区域交叉口公交优先绿灯延长时间优化模型，并对模型中各参数指标进行标定，具体为：

(3-1)综合考虑交叉口-下游停靠站控制区内乘客总延误及公交运行准点性，构建交叉口-下游停靠站相互作用环境下控制区域交叉口公交优先绿灯延长时间优化控制模型：

$\left\{\begin{array}{c}\min D\\ {\mathrm{min\ΔD}}_S\end{array}\right.$

式中，D＝D_Ig+D_It+D_Sb+D_Sw。其中，D_Ig和D_It属于乘客在交叉口处的延误D_I，D_Sb和D_Sw属于乘客在停靠站处的延误D_S；

在此基础上，通过分析交叉口车道车流饱和度情况，建立该优化控制模型的约束条件：

$\begin{array}{cc}max\frac{x^j}{{\mathrm{\λ}}^j}\≤0.9& j\∈J\end{array}$

式中：λ^j表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的信号配时绿信比；x^j表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的车辆饱和度；J表示交叉口的信号相位数量；x^j＝q^j/c^j，其中,q^j表示单位时间内信号周期的第j相位所允许通行的车道的交通量；c^j表示单位时间内信号周期的第j相位所允许通行的车道的通行能力；

(3-2)分别计算交叉口处社会车辆乘客总延误D_Ig和公交车辆乘客总延误D_It；

(3-2-1)通过计算信号控制交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的社会车辆车均延误确定单位时间内交叉口处社会车辆乘客总延误D_Ig：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{Ig}=\underset{j\∈J}{\Σ}({\stackrel{\‾}{d}}_{Ig}^j\·q_g^j\·O_g^j)\\ {\stackrel{\‾}{d}}_{Ig}^j=\frac{C{(1-{\mathrm{\λ}}^j)}^2}{2(1-{\mathrm{\λ}}^j{x}_g^j)}+\frac{x_g^{j^2}}{2q_g^j(1-x_g^j)}\\ {\mathrm{\λ}}^j=\frac{g^j}{C-L}\end{array}\right.$

式中：表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的社会车辆流量；表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的社会车辆车均载客人数；C表示信号控制交叉口信号周期时长；λ^j表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的绿信比；表示交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的社会车辆饱和度；g^j表示原信号配时方案的交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的绿灯通行时间；L表示信号周期的损失时间；

(3-2-2)通过计算信号控制交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的公交车辆车均延误确定单位时间内交叉口处公交车辆乘客总延误D_It：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{It}={\stackrel{\‾}{d}}_{It}\·q_t\·O_t\\ {\stackrel{\‾}{d}}_{It}=\frac{C{(1-{\mathrm{\λ}}_t)}^2}{2(1-{\mathrm{\λ}}_t{x}_t)}+\frac{{x_t}^2}{2q_t(1-x_t)}\\ {\mathrm{\λ}}_t=\frac{g_t}{C-L}\end{array}\right.$

式中：q_t表示信号控制交叉口处单位时间内公交优先相位的公交车辆流量；O_t表示信号控制交叉口处单位时间内公交优先相位的公交车辆车均载客人数；λ_t表示信号控制交叉口处单位时间内公交优先相位的绿信比；x_t表示信号控制交叉口处单位时间内公交优先相位的公交车辆饱和度；C表示信号控制交叉口信号周期时长；L表示信号周期的损失时间；g_t表示原信号配时方案的交叉口处单位时间内信号周期的公交优先通行绿灯时间；

(3-3)利用图解法，分别计算停靠站处公交车辆内乘客总延误D_Sb和停靠站处候车乘客的等待延误D_Sw；

(3-3-1)通过分析公交车辆在停靠站停靠期间车内乘客数量变化情况，利用图解法计算单位时间内停靠站处公交车辆内乘客总延误D_Sb：

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{Sb}=\underset{m\∈M}{\Σ}\underset{n\∈N}{\Σ}{D}_{Sb}^{mn}\\ D_{Sb}^{mn}=O_{St}^{mn}{t}_d^{mn}+{\∫}_0^{t_d^{mn}}(t_d^{mn}-t)h^{mn}\left(t\right)dt\\ t_d^{mn}=T_d^{mn}-T_a^{mn}\end{array}\right.$

式中：表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车内乘客延误；表示第m条公交线路中第n辆公交车进入停靠站时车上的乘客数；表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车在停靠站的停靠时间；h^mn(t)表示在停靠站处等待第m条公交线路的第n辆公交车的乘客上车的分布函数；分别表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车到达与离开公交站的具体时刻；M表示停靠站处公交线路的数量；N表示某一条公交线路的公交车数量；

(3-3-2)通过分析公交停靠站处候车乘客数量变化情况，利用图解法计算单位时间内停靠站候车乘客的等待延误D_Sw

$\left\{\begin{array}{c}{D}_{Sw}=\underset{m\∈M}{\Σ}\underset{n\∈N}{\Σ}{D}_{Sw}^{mn}\\ D_{Sw}^{mn}={\∫}_0^{t_f^{mn}}(t_f^{mn}-t)f^{mn}\left(t\right)dt-{\∫}_0^{t_d^{mn}}(t_d^{mn}-t)h^{mn}\left(t\right)dt\\ t_d^{mn}=T_d^{mn}-T_a^{mn}\\ t_f^{mn}=T_d^{mn}-T_d^{m(n-1)}\end{array}\right.$

式中：表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车的乘客候车等待延误；表示停靠站处第m条公交线路的第n辆与第n-1辆公交车驶离停靠站的时间间隔；f^mn(t)表示在停靠站处等待第m条公交线路的第n辆公交车的乘客到达停靠站的分布函数；分别表示停靠站处第m条公交线路的第n-1辆公交车离开公交站的具体时刻；分别表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车到达与离开公交站的具体时刻；表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车在停靠站的停靠时间；h^mn(t)表示在停靠站处等待第m条公交线路的第n辆公交车的乘客上车的分布函数；M表示停靠站处公交线路的数量；N表示某一条公交线路的公交车数量；

(3-4)结合公交车辆时刻表到达及实际到达停靠站的时刻，并根据交叉口公交车辆轨迹-时间图确定信号配时调整后的公交车辆到达停靠站时刻，计算单位时间内不同信号配时方案下公交停靠站处公交车辆偏离时刻表运行时间ΔD_S:

${\mathrm{\ΔD}}_S=\underset{m\∈M}{\Σ}\underset{n\∈N}{\Σ}\left(\right|T_a^{mn}-T_s^{mn}\left|\right)$

式中：表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车实际到达公交站的具体时刻；表示停靠站处第m条公交线路的第n辆公交车按照公交时刻表运行到达公交站的具体时刻。

4.根据权利要求1所述的交叉口-下游停靠站相互作用环境下的公交优先绿灯延长时间优化方法，其特征在于，所述步骤(4)中，利用“试值法”对交叉口公交优先绿灯延长时间优化模型进行求解，优化交叉口-下游停靠站相互作用环境下公交优先绿灯延长时间t_ge，具体为：

(4-1)以交叉口现状配时方案中各相位绿灯时间作为初始值，在此基础上确定初始公交优先绿灯延长时间t_ge的初始值和步长k；设定t_ge的初始值为0，步长k为1秒；

(4-2)在(4-1)基础上开始试值，令其中表示试值过程中公交优先通行绿灯延长时间，在此基础上分别计算试值过程中公交优先通行绿灯时间和各相位社会车辆通行绿灯间

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{g}}_t=g_t+k\\ {\hat{g}}^j=g^j-\frac{g^j}{C-L-{\hat{g}}_t}\end{array}\right.$

式中：g^j表示原信号配时方案的交叉口处单位时间内信号周期的第j相位的绿灯通行时间；g_t表示原信号配时方案的交叉口处单位时间内信号周期的公交优先通行绿灯时间；C表示信号控制交叉口信号周期时长；L表示信号周期的损失时间；

(4-3)在(4-2)基础上，确定试值过程中新的交叉口信号配时方案，并计算交叉口各进口道饱和的情况其中分别表示试值过程中新的交叉口信号配时方案条件下交叉口各进口道车辆饱和度与绿信比；如果就终止，此时t_ge即为优化的交叉口公交优先绿灯延长时间；否则继续往下进行；

(4-4)分别计算试值过程中新的信号配时方案条件下控制区域内乘客总延误停靠站处公交车辆偏离总时间并分别与原信号配时方案条件下控制区域内乘客总延误D、停靠站处公交车辆偏离总时间ΔD_S进行比较；如果或者就终止，此时t_ge即为优化的交叉口公交优先绿灯延长时间；否则，令并转至(4-2)继续进行试值，直至确定最终优化结果。