CN107293134A - 基于虚拟电子围栏的公交信号优先控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟电子围栏的公交信号优先控制策略，包括如下步骤：1、在电子地图上设置虚拟电子围栏并采集其坐标信息，虚拟电子围栏组成多边形电子触发区；公交车驶入电子触发区时触发对应的路口信号灯对公交车实施信号优先；2、当触发公交信号优先时，获取所述电子触发区对应的虚拟电子围栏信息、对应路口信号灯当前相位及剩余时间、公交车历史通过所述电子触发区的时长；3、根据对应路口信号灯当前相位、预判的公交车到达路口停车线时信号灯的相位来选择公交信号优先配时策略。该方法在不增加额外交通设施情况下，减少了公交车通过交叉路口时因交通信号灯引起的等待时间，可以提高公交运营效率。
Description
技术领域
本发明属于公共交通控制领域，具体涉及一种公交信号优先控制策略。
背景技术
公交信号优先的实质是在不建设额外交通设施的情况下进行的公交优先方案。公交优先方案主要分为两大类：被动优先和主动优先。
被动优先是指不依靠检测器获取公交车辆到达的数据，而是根据公交线路公交车辆的发车频率、行车速度等历史数据设计、协调路网内交叉口的信号配时，同时降低交叉口信号周期长度以减少公交车辆停车、延误。主动公交优先是指依靠检测器对公交车辆运行情况进行识别分析，当检测到公交车辆即将到达交叉口，采取延长、提前、增加或跳跃相位实时调整交叉口信号控制方案，从而实现公交车辆的优先通行。在大多数城市交通情况下，相对于被动公交信号优先，主动公交信号优先更具有优势。
主动公交优先控制策略主要分为绝对优先策略、完全优先策略和部分优先策略。
1、绝对优先策略
绝对优先的公交信号控制类似于铁路列车通过交叉口时的独占式信号控制模式。在这种模式下，当安装在交叉口上游的入口检测器检测到有公交车辆到达时，交通信号控制器就会中断当前的信号相位，直接给予公交车辆通过信号；当交叉口下游的出口检测器检测到公交车辆己经通过交叉口后，再恢复原来的信号相位。这样当特定的公交车辆到达交叉口时就可以不减速直接通过。
2、完全优先策略
与绝对优先类似，在完全优先控制策略中，也需要在交叉口设置车辆检测器，通过检测公交车辆的位置确定是否给予其优先信号。但与绝对优先不同的是，该策略并不是无条件地中断当前信号相位，而是通过调整一个信号周期内不同相位出现的时间来达到公交车辆优先通行的目的。
3、部分优先策略
在完全优先策略中，对每一辆公交车都试图提供优先通行条件。当公交车流量较大时，可能会造成信号相位的频繁调整，对同向车流和横向车流造成干扰。因此，一些城市的交通控制系统采取有选择地为公交车辆提供优先信号的策略，即部分优先策略。
根据信号灯的调节方式，主动优先策略主要分为以下几类：
1、绿灯延长(Green Extension)
绿灯延长，即延长相位绿灯时间。当公交车辆到达交叉口时，若该相位的绿灯信号即将结束，这时采用延长该相位的绿灯时间，以使公交车辆有足够的时间通过交叉口。公交车辆通过交叉口后，控制系统将恢复原有的信号配时。
2、绿灯提前(Early Green/Red Truneation)
绿灯提前，也成为绿灯唤回或红灯舍去，即缩短车辆等待绿灯信号的红灯时间，当公交车辆到达交叉口时，公交车辆通行方向所在的相位处于红灯状态，这时通过缩短交叉口当前相位的绿灯执行时间，使公交车辆到达交叉口时，可以以绿灯信号顺利通过交叉口。在这种控制策略下，在周期长度不变的情况下，可以在后续执行相位相序方案中对前一相位进行绿灯补偿。
3、跳跃相位(Phase Skipping)
跳跃相位，即忽略某一相位的绿灯信号。当公交车辆到达交叉口时，公交车辆通行方向的为红灯信号，且交叉口当前相位的执行绿灯时间即将结束，而下一个执行相位仍不是公交车辆通行方向的相位，只有等到该相位执行完毕后，才能允许公交车辆通过。由于交叉口下一个执行相位等待通行的社会车辆较少，在权衡效益的基础上，跳过该下一个执行相位，直接执行公交车辆通行方向的相位绿灯。从而使公交车辆以绿灯信号顺利通过交叉口。
这三种主动优先策略的配时方法如图1所示。跳跃相位可执行的车辆需拥有绝对公交优先权利。一般情况下，只有特殊车辆如青奥专用车、有紧急任务的警务车等才具有绝对公交优先权利，公交车一般不具备该权利。
发明内容
发明目的：本发明要解决的技术问题在于，提供一种在不增加额外交通设施情况下，减少公交车通过交叉路口时因交通信号灯引起的等待的控制方法，用以提高公交运营效率。
技术方案：本发明采用如下技术方案：一种基于虚拟电子围栏的公交信号优先控制策略，包括如下步骤：
(1)在电子地图上设置虚拟电子围栏并采集其坐标信息，所述虚拟电子围栏组成多边形电子触发区；公交车驶入所述电子触发区时触发该电子触发区对应的路口信号灯对所述公交车实施信号优先；
(2)当触发公交信号优先时，获取所述电子触发区对应的虚拟电子围栏信息、对应路口信号灯当前相位及剩余时间、公交车历史通过所述电子触发区的时长；
(3)如果对应路口信号灯当前相位为红灯，判断公交车到达路口停车线时信号灯的相位：如果公交车到达路口停车线时信号灯相位为红灯，执行绿灯提前策略；否则所述路口信号灯配时不变；
(4)如果对应路口信号灯当前相位为绿灯，判断公交车到达路口停车线时信号灯的相位：如果公交车到达路口停车线时信号灯相位不是绿灯，判断是否符合绿灯延长条件，如符合，执行绿灯延长策略；如不符合绿灯延长条件，执行绿灯提前策略；如果公交车到达路口停车线时信号灯相位为绿灯，所述路口信号灯配时不变。
公交车到达路口停车线时的信号灯相位的判断步骤包括：
(2.1)计算公交车从进入电子围栏到抵达停车线的预测行驶时间Tarrv；
Tarrv＝tfree+tother；
其中为历史未停车最短通过时间；tother为抵达停车线之前由于其他交通流量而排队的时间；
(2.2)根据对应路口信号灯当前相位及剩余时间，判断经过时间Tarrv后的信号灯相位，即为公交车到达路口停车线时的信号灯相位。
所述绿灯延长条件为同时满足以下两个条件：
(3.A)当前绿灯剩余时间大于绿灯可调节安全阀值；
(3.B)所需绿灯延长时间小于当前绿灯相位最大可延长绿灯时间。
所述绿灯延长策略包括如下步骤：
(4.1)计算当前相位所需延长的绿灯时间C△+：
C△+＝Tarrv-Cgt
其中Tarrv为公交车从进入电子围栏到抵达停车线的预测行驶时间；Cgt为触发公交信号优先时绿灯剩余时间；
(4.2)当C△+≤0时，公交车到达停车线仍为绿灯，所述路口信号灯配时不变，保持原有相位；
当0<C△+≤Cmax+时，进行绿灯延长，延长时间为C△+；
当C△+>Cmax+时，进行绿灯提前；
其中Cmax+为路口信号灯当前绿灯相位最大可延长绿灯时间。
所述绿灯提前策略包括如下步骤：
(5.1)计算当前相位所需缩短的红灯时间C△-：
C△-＝Crt-Tarrv
其中Tarrv为公交车从进入电子围栏到抵达停车线的预测行驶时间；Crt为公交车到达停车线时红灯剩余时间；
(5.2)判断是否满足绿灯提前条件，如满足，执行步骤(5.3)，否则所述路口信号灯配时不变，保持原有相位，结束；
(5.3)当C△-≤0时，公交车到达停车线为绿灯，保持原有相位不变；
当0<C△-≤Cmax-时，进行绿灯提前，红灯缩短的时长为C△-；
当C△->Cmax-时，进行绿灯提前，红灯缩短的时长为Cmax-；
其中Cmax-为当前相位最大可缩短红灯时间。
所述绿灯提前条件为同时满足以下两个条件：
(6.A)当前红灯剩余时间大于红灯可调节安全阀值；
(6.B)当前相位所需缩短的红灯时间小于当前相位最大可缩短红灯时间。
服务器与公交车载GPS终端之间有延时tdelay时，Cgt计算为：
Cgt＝Cgf+tdelay
其中Cgf为触发公交信号优先时服务器端绿灯剩余时间；tdelay＝tnow-tGPS，tnow表示当前服务器时间；tGPS表示公交车载GPS终端当前时间。
Crt计算为：
Crt＝Crf+tdelay
其中Crf为公交车到达停车线时服务器端红灯剩余时间；tdelay＝tnow-tGPS，tnow表示当前服务器时间；tGPS表示公交车载GPS终端当前时间。
所述抵达停车线之前由于其他交通流量而排队的时间tother计算如下：
其中v表示公交车进入电子围栏时的速度，L为电子围栏垂直长度；，表示历史未停车最长通过时间，表示历史未停车最短通过时间。
公交车进入电子围栏时的速度v获取步骤如下：
(10.1)公交车载定位终端获取公交车的实时速度vt；
(10.2)对vt进行卡尔曼滤波去除噪声和干扰的影响，得到公交车进入电子围栏时的速度v；
定义k-1时刻的状态量预测方程为：
更新方程为：
其中，分别表示k-1时刻、k时刻后验状态估计值；表示在第k步之前的状态已知的情况下的第k步的先验状态估计值；Φ表示状态转移矩阵；Pk/k-1是先验估计误差协方差矩阵；Pk、Pk-1分别表示k时刻、k-1时刻的后验估计误差协方差矩阵；Q表示过程噪声协方差矩阵；Kk表示卡尔曼增益；R表示测量噪声协方差矩阵；Zk表示测量值。
有益效果：与现有技术相比，本发明公开的基于虚拟电子围栏的公交信号优先控制策略具有以下优点：在不增加额外交通设施情况下，减少公交车通过交叉路口时因交通信号灯引起的等待时长，可以降低公交车的停车率并有效减少对公交车的全线路运行时间延误。
附图说明
图1为三种主动优先策略的配时方法示意图；
图2为本发明公开的公交信号优先控制策略流程图；
图3为电子围栏设置示意图；
图4为绿灯提前策略流程图；
图5为公交车到停车线距离示意图；
图6为绿灯延长策略流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
一种基于虚拟电子围栏的公交信号优先控制策略，如图2所示，具体包括如下步骤：
(1)在电子地图上设置虚拟电子围栏并采集其坐标信息，所述虚拟电子围栏组成多边形电子触发区；公交车驶入所述电子触发区时触发该电子触发区对应的路口信号灯对所述公交车实施信号优先；
(2)当触发公交信号优先时，获取所述电子触发区对应的虚拟电子围栏信息、对应路口信号灯当前相位及剩余时间、公交车历史通过所述电子触发区的时长；
(3)如果对应路口信号灯当前相位为红灯，判断公交车到达路口停车线时信号灯的相位：如果公交车到达路口停车线时信号灯相位为红灯，执行绿灯提前策略；否则所述路口信号灯配时不变；
(4)如果对应路口信号灯当前相位为绿灯，判断公交车到达路口停车线时信号灯的相位：如果公交车到达路口停车线时信号灯相位不是绿灯，判断是否符合绿灯延长条件，如符合，执行绿灯延长策略；如不符合绿灯延长条件，执行绿灯提前策略；如果公交车到达路口停车线时信号灯相位为绿灯，所述路口信号灯配时不变。
电子围栏设置在公交车行驶的路段上，如图3所示，其一边为该路段的停车线1，电子围栏组成多边形电子触发区2，当公交车抵达停车线时，即公交车通过了该电子触发区。
获取公交车在此电子触发区的历史行驶数据作为参考，一般选取不少于三个月的数据，并将获取的数据保存至数据库中；通过公交车车载定位终端获取公交车的实时行驶数据，定位终端一般为GPS定位导航设备；同时监控红绿灯控制器的输出。上述数据如表1所示：
表1
公交车到达路口停车线时的信号灯相位的判断步骤包括：
(2.1)计算公交车从进入电子围栏到抵达停车线的预测行驶时间Tarrv；
Tarrv＝tfree+tother；
其中tfree表示通过路口电子围栏的自由行驶时间；tfree用历史未停车最短通过时间表示，即为历史未停车最短通过时间；tother为抵达停车线之前由于其他交通流量而排队的时间；tother计算如下：
其中，ε∈[0，1]表示车道当前通行能力，当道路完全畅通时为0，当道路严重拥堵道路通行能力饱和时为1；表示抵达停车线之前由于其他交通流量而排队的最长时间。
ε的表示公式如下：
其中，v表示公交车的进入电子围栏时的速度，也即公交车匀速行驶速度；vmax表示历史最快通行速度，即为L为电子围栏垂直长度；表示历史未停车最短通过时间。
的表示公式如下：
其中，示历史未停车最长通过时间。因此，
公交车进入电子围栏时的速度可以由车载定位终端实时获取，但是由于获取的数据可能有噪声或干扰等影响，本实施例采用了卡尔曼滤波对获取到的速度进行处理，以消除噪声、干扰的影响，具体步骤如下：
(10.1)公交车载定位终端获取公交车的实时速度vt；
(10.2)对vt进行卡尔曼滤波去除噪声和干扰的影响，得到公交车进入电子围栏时的速度v；
定义k-1时刻的状态量预测方程为：
更新方程为：
其中，分别表示k-1时刻、k时刻后验状态估计值；表示在第k步之前的状态已知的情况下的第k步的先验状态估计值；Φ表示状态转移矩阵；Pk/k-1是先验估计误差协方差矩阵；Pk、Pk-1分别表示k时刻、k-1时刻的后验估计误差协方差矩阵；Q表示过程噪声协方差矩阵；Kk表示卡尔曼增益；R表示测量噪声协方差矩阵；Zk表示测量值。
(2.2)根据对应路口信号灯当前相位及剩余时间，判断经过时间Tarrv后的信号灯相位，即为公交车到达路口停车线时的信号灯相位。
之后根据步骤(3)和步骤(4)来判断采用何种配时策略。
如图4所示，绿灯提前策略包括如下步骤：
(5.1)计算当前相位所需缩短的红灯时间C△-：
C△-＝Crt-Tarrv
其中Tarrv为公交车从进入电子围栏到抵达停车线的预测行驶时间；Crt为公交车到达停车线时红灯剩余时间；
服务器与公交车载GPS终端之间有延时tdelay时，Crt计算为：
Crt＝Crf+tdelay
其中Crf为公交车到达停车线时服务器端红灯剩余时间；tdelay＝tnow-tGPS，tnow表示当前服务器时间；tGPS表示公交车载GPS终端当前时间。
(5.2)判断是否满足绿灯提前条件，如满足，执行步骤(5.3)，否则所述路口信号灯配时不变，保持原有相位，结束；
所述绿灯提前条件为同时满足以下(6.A)和(6.B)两个条件：
(6.A)当前红灯剩余时间大于红灯可调节安全阀值；
(6.B)当前相位所需缩短的红灯时间小于当前相位最大可缩短红灯时间。
(5.3)当C△-≤0时，公交车到达停车线为绿灯，保持原有相位不变；
当0<C△-≤Cmax-时，进行绿灯提前，红灯缩短的时长为C△-；
当C△->Cmax-时，进行绿灯提前，红灯缩短的时长为Cmax-；
其中Cmax-为当前相位最大可缩短红灯时间。
绿灯延长条件为同时满足以下(3.A)和(3.B)两个条件：
(3.A)当前绿灯剩余时间大于绿灯可调节安全阀值；
(3.B)所需绿灯延长时间小于当前绿灯相位最大可延长绿灯时间。
如果公交车在绿灯期间进入电子围栏，但不满足条件(3.A)和(3.B)，无法执行绿灯延长，因此使用绿灯提前后公交车需停车才能通过路口。
当该路口相位变为红灯时公交车的位置为P(xt,yt)，停车线所在直线sl由两坐标点为Pa(xa,ya)和Pb(xb,yb)确定，如图5所示。
公交车当前位置到停车线的距离d可以表示为：
公交车当前位置到停车线的行驶时间Ta'rrv为：
此情况下公交车到达路口停车线时必定在红灯期间，因此此时执行绿灯提前方案为红灯缩短Cmax-。
如图6所示，绿灯延长策略包括如下步骤：
(4.1)计算当前相位所需延长的绿灯时间C△+：
C△+＝Tarrv-Cgt
其中Tarrv为公交车从进入电子围栏到抵达停车线的预测行驶时间；Cgt为触发公交信号优先时绿灯剩余时间；
服务器与公交车载GPS终端之间有延时时，计算为：
Cgt＝Cgf+tdelay
其中Cgf为触发公交信号优先时服务器端绿灯剩余时间。
(4.2)当C△+≤0时，公交车到达停车线仍为绿灯，所述路口信号灯配时不变，保持原有相位；
当0<C△+≤Cmax+时，进行绿灯延长，延长时间为C△+；
当C△+>Cmax+时，进行绿灯提前；
其中Cmax+为路口信号灯当前绿灯相位最大可延长绿灯时间。
Claims (10)
1.一种基于虚拟电子围栏的公交信号优先控制策略，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在电子地图上设置虚拟电子围栏并采集其坐标信息，所述虚拟电子围栏组成多边形电子触发区；公交车驶入所述电子触发区时触发该电子触发区对应的路口信号灯对所述公交车实施信号优先；
(2)当触发公交信号优先时，获取所述电子触发区对应的虚拟电子围栏信息、对应路口信号灯当前相位及剩余时间、公交车历史通过所述电子触发区的时长；
(3)如果对应路口信号灯当前相位为红灯，判断公交车到达路口停车线时信号灯的相位：如果公交车到达路口停车线时信号灯相位为红灯，执行绿灯提前策略；否则所述路口信号灯配时不变；
(4)如果对应路口信号灯当前相位为绿灯，判断公交车到达路口停车线时信号灯的相位：如果公交车到达路口停车线时信号灯相位不是绿灯，判断是否符合绿灯延长条件，如符合，执行绿灯延长策略；如不符合绿灯延长条件，执行绿灯提前策略；如果公交车到达路口停车线时信号灯相位为绿灯，所述路口信号灯配时不变。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟电子围栏的公交信号优先控制策略，其特征在于，公交车到达路口停车线时的信号灯相位的判断步骤包括：
(2.1)计算公交车从进入电子围栏到抵达停车线的预测行驶时间Tarrv；
Tarrv＝tfree+tother；
其中为历史未停车最短通过时间；tother为抵达停车线之前由于其他交通流量而排队的时间；
(2.2)根据对应路口信号灯当前相位及剩余时间，判断经过时间Tarrv后的信号灯相位，即为公交车到达路口停车线时的信号灯相位。
3.根据权利要求1所述的基于虚拟电子围栏的公交信号优先控制策略，其特征在于，所述绿灯延长条件为同时满足以下两个条件：
(3.A)当前绿灯剩余时间大于绿灯可调节安全阀值；
(3.B)所需绿灯延长时间小于当前绿灯相位最大可延长绿灯时间。
4.根据权利要求1所述的基于虚拟电子围栏的公交信号优先控制策略，其特征在于，所述绿灯延长策略包括如下步骤：
(4.1)计算当前相位所需延长的绿灯时间C△+：
C△+＝Tarrv-Cgt
其中Tarrv为公交车从进入电子围栏到抵达停车线的预测行驶时间；Cgt为触发公交信号优先时绿灯剩余时间；
(4.2)当C△+≤0时，公交车到达停车线仍为绿灯，所述路口信号灯配时不变，保持原有相位；
当0<C△+≤Cmax+时，进行绿灯延长，延长时间为C△+；
当C△+>Cmax+时，进行绿灯提前；
其中Cmax+为路口信号灯当前绿灯相位最大可延长绿灯时间。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟电子围栏的公交信号优先控制策略，其特征在于，所述绿灯提前策略包括如下步骤：
(5.1)计算当前相位所需缩短的红灯时间C△-：
C△-＝Crt-Tarrv
其中Tarrv为公交车从进入电子围栏到抵达停车线的预测行驶时间；Crt为公交车到达停车线时红灯剩余时间；
(5.2)判断是否满足绿灯提前条件，如满足，执行步骤(5.3)，否则所述路口信号灯配时不变，保持原有相位，结束；
(5.3)当C△-≤0时，公交车到达停车线为绿灯，保持原有相位不变；
当0<C△-≤Cmax-时，进行绿灯提前，红灯缩短的时长为C△-；
当C△->Cmax-时，进行绿灯提前，红灯缩短的时长为Cmax-；
其中Cmax-为当前相位最大可缩短红灯时间。
6.根据权利要求5所述的基于虚拟电子围栏的公交信号优先控制策略，其特征在于，所述绿灯提前条件为同时满足以下两个条件：
(6.A)当前红灯剩余时间大于红灯可调节安全阀值；
(6.B)当前相位所需缩短的红灯时间小于当前相位最大可缩短红灯时间。
7.根据权利要求4所述的基于虚拟电子围栏的公交信号优先控制策略，其特征在于，服务器与公交车载GPS终端之间有延时tdelay时，Cgt计算为：
Cgt＝Cgf+tdelay
其中Cgf为触发公交信号优先时服务器端绿灯剩余时间；tdelay＝tnow-tGPS，tnow表示当前服务器时间；tGPS表示公交车载GPS终端当前时间。
8.根据权利要求5所述的基于虚拟电子围栏的公交信号优先控制策略，其特征在于，服务器与公交车载GPS终端之间有延时tdelay时，Crt计算为：
Crt＝Crf+tdelay
其中Crf为公交车到达停车线时服务器端红灯剩余时间；tdelay＝tnow-tGPS，tnow表示当前服务器时间；tGPS表示公交车载GPS终端当前时间。
9.根据权利要求2所述的基于虚拟电子围栏的公交信号优先控制策略，其特征在于，所述抵达停车线之前由于其他交通流量而排队的时间tother计算如下：
其中v表示公交车进入电子围栏时的速度，L为电子围栏垂直长度；，表示历史未停车最长通过时间，表示历史未停车最短通过时间。
10.根据权利要求9所述的基于虚拟电子围栏的公交信号优先控制策略，其特征在于，公交车进入电子围栏时的速度v获取步骤如下：
(10.1)公交车载定位终端获取公交车的实时速度vt；
(10.2)对vt进行卡尔曼滤波去除噪声和干扰的影响，得到公交车进入电子围栏时的速度v；
定义k-1时刻的状态量预测方程为：
<mfenced open = "{" close = "">
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2
更新方程为：
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其中，分别表示k-1时刻、k时刻后验状态估计值；表示在第k步之前的状态已知的情况下的第k步的先验状态估计值；Φ表示状态转移矩阵；Pk/k-1是先验估计误差协方差矩阵；Pk、Pk-1分别表示k时刻、k-1时刻的后验估计误差协方差矩阵；Q表示过程噪声协方差矩阵；Kk表示卡尔曼增益；R表示测量噪声协方差矩阵；Zk表示测量值。
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