CN109448403B - 一种干线协调控制下公交信号优先必要性分析方法 - Google Patents

一种干线协调控制下公交信号优先必要性分析方法 Download PDF

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CN109448403B CN201811569035.1A CN201811569035A CN109448403B CN 109448403 B CN109448403 B CN 109448403B CN 201811569035 A CN201811569035 A CN 201811569035A CN 109448403 B CN109448403 B CN 109448403B
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Abstract

本发明涉及一种干线协调控制下公交信号优先必要性分析方法，统筹考虑社会车辆和公交车辆在协调子区交叉口群的运行特性，提出以双向绿波带宽、公交信号优先效益和公交主动优先策略的响应执行次数为综合指标的分析方法，评判在干线协调控制下公交信号优先的必要性，为公交信号优先策略方式的优选、实施和后评估等提供定量化支撑。

Description

一种干线协调控制下公交信号优先必要性分析方法
技术领域
本发明涉及一种专用道干线协调控制下公交信号优先必要性分析的方法，属于公交信号优先控制领域。
背景技术
优先发展公共交通是缓解交通拥堵、转变城市交通发展方式、提升人民群众生活品质、提高政府基本公共服务水平的必然要求，“公交都市”正是在这种背景所提出的一项城市交通战略，也是理论上和实践中探索解决城市与交通问题的认识飞跃。为此各地在公共交通基础设施规划建设、行业信息化、区域化交通管理和绿色交通等方面加大建设力度，其中充分发挥公共交通的快速通达成为重要的课题，尤其是地面公交在道路交通系统中的畅达。公交专用道建设，实现了地面公交的空间优先，而要发挥专用道的作用让公交车辆真正快起来还需要从通行时间上给予优先，即通过公交信号优先控制手段让公交车辆在路口拥有优先通行权，减少在交叉口的延误时间和停车次数。可以应用于独立交叉口直接为某一类型的公交车辆服务，也可以应用于交通走廊为保证公交行程时间的稳定性、准点率服务。
公交信号优先一般常分为被动优先、主动优先和实时优先三种策略方法。被动优先只针对离线方案进行优化，不考虑交叉口是否有公交车辆到达，同时不需要车辆检测/优先申请生成系统，主动优先基于实时检测数据，为特定车辆提供优先。实时优先基于实时检测数据为公交车辆提供信号优先的同时，以某一指标为目标对信号方案进行优化。对于公交信号优先的研究和应用较为常见的是以独立交叉口为控制对象，采用主动优先策略方式来实现，或只面对公交车辆的信号协调优先控制，而对于二者之间的联系和结合没有进行深入细致的考虑研究。一般只针对单点信号优先或协调信号优先，一方面无法克服现有控制策略的不足，另一方面无法解决优先策略与干道绿波的冲突。
以交叉口群的角度来看，公交信号优先的效益不具有简单叠加性，公交车辆减少的延误不是每个交叉口信号优先效益的直接加和，也就是说一部分的公交信号优先策略是不必要的，例如，采用绿灯提前策略使得公交车提前通过本交叉口，而可能在下游交叉口或再下游交叉口的红灯期间到达，公交车的延误并没有减少，只是转移到另一路口，但也不是上游交叉口的信号优先效益都会被抵消。交叉口的优先策略可以提高公交车提前到达下游交叉口的概率，为减少公交车的延误，应该考虑尽量减少公交车在下游交叉口的延误，使得公交车尽快提前通过下游交叉口。因此应该从路网的全局上来进行公交信号优先的效益分析，对公交信号优先的设计也应该放在整个路网上系统性的考虑，提升公交信号优先的有效性，不顾及交叉口上下游协调的信号优先可能是不必要的，其效益是无效或打折扣的，还会对社会交通产生一定的负面影响。
发明内容
本发明的目的是：提供一种专用道条件下交叉口群干线协调控制下公交信号优先实施必要性分析的方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种干线协调控制下公交信号优先必要性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、以绿波带最大化为目标函数，建立面向社会车辆和公交车辆双向不同带宽需求的干道协调控制优化模型，设在干线路网中有n个信号控制交叉口，用Si表示第i个交叉口编号，则所述干道协调控制优化模型，其中相位差
Figure BDA0001915015610000021
式中：ui为信号控制交叉口Si红灯结束时间与公交车辆上行绿波带边缘的时间差，公交车辆绿波带位置变量；tij为第j辆公交车交叉口Si和Si+1之间的行驶时间；xij为第j辆公交车上行在交叉口Si的停车时间；M为整数；wi为信号控制交叉口Si红灯结束时间与社会车辆上行)绿波带边缘的时间差，社会车辆绿波带位置变量；ti为交叉口Si和Si+1之间的社会车辆行驶时间：
Figure BDA0001915015610000022
Figure BDA0001915015610000023
Figure BDA0001915015610000024
Figure BDA0001915015610000025
Figure BDA0001915015610000026
Figure BDA0001915015610000031
Figure BDA0001915015610000032
Figure BDA0001915015610000033
Figure BDA0001915015610000034
式中：kp和kp′为带宽分配影响系数；kr和kr′为上下行方向的绿波带宽的需求比例；ri为信号控制交叉口Si上行的红灯时间；
Figure BDA0001915015610000035
为信号控制交叉口Si红灯开始时间与社会车辆下行绿波带边缘的时间差，社会车辆绿波带位置变量；
Figure BDA0001915015610000036
为信号控制交叉口Si下行的红灯时间；
Figure BDA0001915015610000037
为交叉口Si+1和Si之间的社会车辆行驶时间；Δi为交叉口Si上行红灯中点至其相近下行方向红灯中点的时间差；
Figure BDA0001915015610000038
为信号控制交叉口Si红灯开始时间与公交车辆下行绿波带边缘的时间差，公交车辆绿波带位置变量；b为上行社会车辆的绿波带宽度；
Figure BDA0001915015610000039
为下行社会车辆的绿波带宽度；B为上行公交车辆的绿波带宽度；
Figure BDA00019150156100000310
为下行公交车辆的绿波带宽度；B′为上行方向公交车辆的带宽中间变量；
Figure BDA00019150156100000311
为下行方向公交车辆的带宽中间变量；第二步、对于绿灯延长策略，有：
设交叉口Si有pi个相位，公交相位有K个进口道，其上一相位和下一相位分别有L和M个进口道，设定绿灯延长时间Δtgi，第j辆在上行交叉口Si公交车辆减少的延误为
Figure BDA00019150156100000312
第j辆在下行交叉口Si公交车辆减少的延误为
Figure BDA00019150156100000313
则有：
Figure BDA00019150156100000314
在Δtgi时段内在交叉口Si公交相位第k车道的车辆减少的延误为
Figure BDA00019150156100000315
则有：
Figure BDA00019150156100000316
式(10)中：qik为交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆到达率，单位为pcu/s；Sik为交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆离开的饱和流率，单位为pcu/s；
交叉口Si非公交相位第l车道的车辆减少的延误为
Figure BDA00019150156100000317
则有：
Figure BDA00019150156100000318
式(11)中：qil为交叉口Si非公交相位第l进口道社会车辆到达率，单位为pcu/s；Sil为交叉口Si非公交相位第l进口道社会车辆离开的饱和流率，单位为pcu/s；
对于绿地提前策略，有：
设交叉口Si设定绿灯提前时间Δtgi′，第j辆在上行交叉口Si公交车辆减少的延误为
Figure BDA0001915015610000041
第j辆在下行交叉口Si公交车辆减少的延误为
Figure BDA0001915015610000042
则有：
Figure BDA0001915015610000043
在Δtgi′时段内在交叉口Si公交相位第k车道的车辆减少的延误为
Figure BDA0001915015610000044
则有：
Figure BDA0001915015610000045
式中：qik为交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆到达率，单位为pcu/s；Sik为交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆离开的饱和流率，单位为pcu/s；
交叉口Si非公交相位第m车道的车辆减少的延误为
Figure BDA0001915015610000046
则有：
Figure BDA0001915015610000047
式中：qim为交叉口Si非公交相位第m进口道社会车辆到达率，单位为pcu/s；Sim为交叉口Si非公交相位第m进口道社会车辆离开的饱和流率，单位为pcu/s；
对于相位插入策略，有：
设交叉口Si设定相位插入时间
Figure BDA0001915015610000048
根据绿信比每个相位压缩的时长分别为
Figure BDA0001915015610000049
对应的进口道数量分别为
Figure BDA00019150156100000410
第j公交车辆在上行交叉口Si公交车辆减少的延误为
Figure BDA00019150156100000411
第j公交车辆在下行交叉口Si公交车辆减少的延误为
Figure BDA00019150156100000412
则有：
Figure BDA00019150156100000413
式(15)中，ph为上行插入相位结束至正常公交通行相位启亮的时长，
Figure BDA00019150156100000414
为下行插入相位结束至正常公交通行相位启亮的时长；
在
Figure BDA00019150156100000415
时段内在交叉口Si公交相位第k车道的车辆减少的延误为
Figure BDA00019150156100000416
则有：
Figure BDA00019150156100000417
式(16)中：qik为交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆到达率，单位为pcu/s；Sik为交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆离开的饱和流率，单位为pcu/s；ph′为正常公交通行相位结束至插入相位开始启亮的时长；
相位插入后对其他非公交相位的车辆延误为
Figure BDA0001915015610000051
则有：
Figure BDA0001915015610000052
第三步、由公式(9)～(17)以上可得到公交信号优先效益的目标函数Z2，则有：
Figure BDA0001915015610000053
第四步、绿灯延长策略、绿灯提前策略和相位插入策略对于每个交叉口检测到的公交车辆以公交主动优先策略的响应执行次数最小为目标函数Z3，则有：
Figure BDA0001915015610000054
Figure BDA0001915015610000055
Figure BDA0001915015610000056
Figure BDA0001915015610000057
Figure BDA0001915015610000058
Figure BDA0001915015610000059
Figure BDA00019150156100000510
Figure BDA00019150156100000511
是0～1变量，i＝1，2，...，n；
Figure BDA00019150156100000512
Figure BDA00019150156100000513
Figure BDA00019150156100000514
Figure BDA00019150156100000515
Figure BDA00019150156100000516
Figure BDA0001915015610000061
Figure BDA0001915015610000062
是0～1变量，i＝1，2，...，n；
式(19)至式(31)中，δji表示第j辆公交车在上行交叉口Si未采取任何主动优先策略绿灯通过；
Figure BDA0001915015610000063
表示第j辆公交车在下行交叉口Si未采取任何主动优先策略绿灯通过；
Figure BDA0001915015610000064
表示第j辆公交车在上行交叉口Si绿灯延长通过，延长时间Δtgi；
Figure BDA0001915015610000065
表示第j辆公交车在下行交叉口Si绿灯延长通过，延长时间
Figure BDA0001915015610000066
Figure BDA0001915015610000067
表示第j辆公交车在上行交叉口Si绿灯提前通过，提前时间Δtgi；
Figure BDA0001915015610000068
表示第j辆公交车在下行交叉口Si绿灯提前通过，提前时间
Figure BDA0001915015610000069
Figure BDA00019150156100000610
表示第j辆公交车在上行交叉口Si相位插入通过，插入时间是TB1i～TF1i；
Figure BDA00019150156100000611
表示第j辆公交车在下行交叉口Si相位插入通过，插入时间是
Figure BDA00019150156100000612
Figure BDA00019150156100000613
表示第j辆公交车在上行交叉口Si相位插入通过，插入时间是TB2i～TF2i；
Figure BDA00019150156100000614
表示第j辆公交车在下行交叉口Si相位插入通过，插入时间是
Figure BDA00019150156100000615
第五步、获得在干线协调控制下公交信号优先必要性的指标Z＝Z1+Z2+Z3。
本发明的控制对象包括专用道条件下行驶公交车辆和社会车道行驶的社会车辆，在保证不对协调交叉口群的通行效率产生较大或严重影响的基础上，进行协调子区内公交信号优先实施效益的分析评判，包括协调干道各个交叉口之间相位差调整的协调优先以及各个交叉口实施的主动优先策略，以减少不必要公交信号优先控制策略的响应执行，解决单点信号控制策略的不足和优先策略与干道绿波的冲突，也是对通行时空资源的合理优化，从而可以做到公共交通与城市道路交通协调运行，减少公交车的停车次数与延误，提高公交准点率和服务水平，并且可以降低对社会车辆运行的负面影响，提升公交专用道的通行效率和交通系统的整体效率。
附图说明
图1为模型变量说明示意图；
图2为公交优先相位进口道车辆到达与离开过程示意图；
图3为非公交优先相位进口道车辆到达与离开过程示意图；
图4为绿灯提前公交相位车辆到达与离开过程示意图；
图5为绿灯提前非公交相位车辆到达与离开过程示意图；
图6为相位插入公交相位车辆到达与离开过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明提供的一种干线协调控制下公交信号优先必要性分析方法，统筹考虑社会车辆和公交车辆在协调子区交叉口群的运行特性，提出以双向绿波带宽、公交信号优先效益和公交主动优先策略的响应执行次数为综合指标的分析方法，评判在干线协调控制下公交信号优先的必要性，为公交信号优先策略方式的优选、实施和后评估等提供定量化支撑。
具体步骤如下：
干线绿波协调控制是一种优先选用的城市主干道交通信号控制方式，具有良好的交通信号控制效果，可以提高车流行驶的顺畅平滑性和交通运行效率。基于最大绿波带宽法(MAXBAND方法)是干道协调控制优化的基本模型，以绿波带最大化为目标，可以使得干道行驶的车辆获取安全快速的通行权，形成连续的交通流通过协调子区的各个交叉口。对于干线协调控制下的公交信号优先，在进行最大绿波带宽的求取中将同时考虑社会车辆和公交车辆。公交车运行同社会车辆有很大的不同，尤其在行驶速度方面，公交车速一般要明显低于社会车辆车速，同时公交车需要考虑进出和停靠站点的情况。
在干线路网中有n个信号控制交叉口，用Si表示第i个交叉口编号，对于公交车进出和停靠站台的两交叉口间，通过将站点延误通过转换修正为空间行驶速度，建立在同一时空上的社会车辆和公交车辆的控制模型，所涉及的时间变量未特别说明均以信号周期为基准。涉及的部分变量如下：
C——协调控制子区系统的周期时长；
Figure BDA0001915015610000071
——上行(下行)社会车辆的绿波带宽度；
Figure BDA0001915015610000072
——上行(下行)公交车辆的绿波带宽度；
Figure BDA0001915015610000081
——交叉口Si(Si+1)和Si+1(Si)的相位差；
Figure BDA0001915015610000082
——信号控制交叉口Si上行(下行)的红灯时间；
Figure BDA0001915015610000083
——信号控制交叉口Si红灯结束(开始)时间与社会车辆上行(下行)绿波带边缘的时间差，社会车辆绿波带位置变量；
Figure BDA0001915015610000084
——信号控制交叉口Si红灯结束(开始)时间与公交车辆上行(下行)绿波带边缘的时间差，公交车辆绿波带位置变量；
Figure BDA0001915015610000085
——交叉口Si(Si+1)和Si+1(Si)之间的距离，单位为m；
Figure BDA0001915015610000086
——交叉口Si(Si+1)和Si+1(Si)之间的社会车辆行驶时间；
Figure BDA0001915015610000087
——第j辆公交车交叉口Si(Si+1)和Si+1(Si)之间的行驶时间；
Figure BDA0001915015610000088
——第j辆公交车上行(下行)在交叉口Si的停车时间；
Figure BDA0001915015610000089
——第j辆公交车上行(下行)在交叉口Si的是否发生停车，0～1变量；
Figure BDA00019150156100000810
——公交车上行(下行)Si和Si+1之间的站点驻站时间，单位s；
Δi——交叉口Si上行红灯中点至其相近下行方向红灯中点的时间差；
以绿波带最大化为目标函数，建立面向社会车辆和公交车辆双向不同带宽需求的干道协调控制优化模型，其中相位差
Figure BDA00019150156100000811
Figure BDA00019150156100000812
M是整数。
Figure BDA00019150156100000813
Figure BDA00019150156100000814
Figure BDA00019150156100000815
Figure BDA00019150156100000816
Figure BDA00019150156100000817
Figure BDA00019150156100000818
Figure BDA00019150156100000819
Figure BDA00019150156100000820
式中，kp和kp′为带宽分配影响系数，通常取为较小的正纯小数；kr和kr′为上下行方向的绿波带宽的需求比例；定义
Figure BDA0001915015610000091
为上行(下行)方向社会车辆的带宽中间变量，
Figure BDA0001915015610000092
为上行(下行)方向公交车辆的带宽中间变量，δ(x)为跃阶函数，当x≥0时，δ(x)＝1，当x＜0时，δ(x)＝0。
公交信号优先是相对优先，是在保证系统整体效益下实施的，但在交叉口实施公交信号优先，同样也会对车辆的行驶状态产生一定的影响，包括行驶速度和延误等。为了分析公交信号优先效益，需从公交优先相位减少的延误和非优先相位增加的延误两方面考虑，本发明主要考虑绿灯延长、绿灯提前和相位插入三种策略方式。
绿灯延长是延长当前公交相位的绿灯时间，定周期下必然需要通过压缩非公交相位的绿灯时间来实现，在这种控制策略下，公交优先相位减少的延误由公交车辆和社会车辆减少的延误两部分组成，非公交相位是缩短绿灯时间造成增加的社会车辆延误。
公交车辆在绿灯延长下不停车通过交叉口，等待时间为零，其减少延误的时间等于原本在交叉口停留产生的延误。对于交叉口Si有pi个相位，公交相位有K个进口道，其上一相位和下一相位分别有L和M个进口道，设定绿灯延长时间Δtgi，所以第j辆在上行(下行)交叉口Si公交车辆减少的延误。
Figure BDA0001915015610000093
在不执行绿灯延长情况下，该时段到达的社会车辆必须在交叉口排队等待下一周期通过，如图2所示，四边形AEFG的面积表示在Δtgi时段内在交叉口Si公交相位第k车道的车辆减少的延误。
Figure BDA0001915015610000094
式中：qik——交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆到达率，单位为pcu/s；
Sik——交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆离开的饱和流率,单位为pcu/s；
公交优先相位的绿灯时间增加，一般是通过压缩公交下一非公交相位，压缩时间等于绿灯延长的时长，因此会引起非公交相位延误的增加。由于绿灯迟亮该时段到达车辆的等待时间增加，如图3所示，四边形BDEF的面积表示交叉口Si非公交相位第l车道的车辆减少的延误。
Figure BDA0001915015610000101
式中：qil——交叉口Si非公交相位第l进口道社会车辆到达率，单位为pcu/s；
Sil——交叉口Si非公交相位第l进口道社会车辆离开的饱和流率,单位为pcu/s；
绿灯提前是缩短优先相位之前的相位来提前启亮公交相位，提前的绿灯时间来自前一非优先相位，在这种控制策略下，公交优先相位减少的延误由公交车辆和社会车辆减少的延误两部分组成，非公交相位是缩短绿灯时间造成增加的社会车辆延误。
公交车辆在绿灯提前下提前启动通过交叉口，减少了等待时间，其减少的延误等于原本在交叉口停留产生的延误。对于交叉口Si设定绿灯提前时间Δtgi′，所以第j辆在上行(下行)交叉口Si公交车辆减少的延误。
Figure BDA0001915015610000102
在绿灯提前响应执行时，该相位各进口道上社会车辆提前通过交叉口，延误将会减少，如图4所示，四边形BDEF的面积表示在Δtgi′时段内在交叉口Si公交相位第k车道的车辆减少的延误。
Figure BDA0001915015610000103
式中：qik——交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆到达率，单位为pcu/s；
Sik——交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆离开的饱和流率,单位为pcu/s；
公交相位提前启亮，绿灯时间增加，公交相位上一相位的绿灯时间提前结束，这就使得部分车辆不能够及时的通过交叉口，导致车辆延误增加。如图5所示，四边形EFBA的面积表示交叉口Si非公交相位第m车道的车辆减少的延误。
Figure BDA0001915015610000104
式中：qim——交叉口Si非公交相位第m进口道社会车辆到达率，单位为pcu/s；
Sim——交叉口Si非公交相位第m进口道社会车辆离开的饱和流率,单位为pcu/s；
相位插入是当公交车辆通行方向为红灯信号，且交叉口当前相位的下一个执行相位仍不允许公交车辆通过，在当前相位结束(正常结束或提前结束)后，插入一个公交通行相位，增加一段公交通行时间，达到公交车辆优先通过的目的一般插入相位时间较长，定周期下有多种可采用的补偿恢复方法。本发明针对当前相位正常结束，相位插入时长根据各相位绿信比进行压缩补偿，则各个相位的综合延误可类比绿灯延长和绿灯提前的方式进行计算。
对于交叉口Si设定相位插入时间
Figure BDA0001915015610000111
根据绿信比每个相位压缩的时长分别为
Figure BDA0001915015610000112
对应的进口道数量分别为
Figure BDA0001915015610000113
所以第j公交车辆在上行(下行)交叉口Si公交车辆减少的延误。
Figure BDA0001915015610000114
式中，ph为上行插入相位结束至正常公交通行相位启亮的时长，
Figure BDA0001915015610000115
为下行插入相位结束至正常公交通行相位启亮的时长。
在相位插入响应执行时，该相位各进口道上社会车辆可同时通过交叉口，延误将会减少。如图6所示，四边形BDEF表示在
Figure BDA0001915015610000116
时段内在交叉口Si公交相位第k车道的车辆减少的延误。
Figure BDA0001915015610000117
式中：qik——交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆到达率，单位为pcu/s；
Sik——交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆离开的饱和流率,单位为pcu/s；
ph′——正常公交通行相位结束至插入相位开始启亮的时长。
对于其他相位根据绿信比进行压缩后，车辆通行时间缩短，延误增加，可以通过类比绿灯提前中公式(14)进行计算，得到相位插入后对其他非公交相位的车辆延误。
Figure BDA0001915015610000118
由公式(9)～(17)以上可得到公交信号优先效益的目标函数。
Figure BDA0001915015610000119
协调子区交叉口群中减少策略的响应执行可降低对社会车辆运行的影响，系统设定可采取绿灯延长、绿灯提前和相位插入策略对于每个交叉口检测到的公交车辆，则以公交主动优先策略的响应执行次数最小为目标函数。
Figure BDA0001915015610000121
Figure BDA0001915015610000122
Figure BDA0001915015610000123
Figure BDA0001915015610000124
Figure BDA0001915015610000125
Figure BDA0001915015610000126
Figure BDA0001915015610000127
Figure BDA0001915015610000128
是0～1变量，i＝1，2，...，n；
Figure BDA0001915015610000129
Figure BDA00019150156100001210
Figure BDA00019150156100001211
Figure BDA00019150156100001212
Figure BDA00019150156100001213
Figure BDA00019150156100001214
Figure BDA00019150156100001215
是0～1变量，i＝1，2，...，n；
其中，
Figure BDA00019150156100001216
表示第j辆公交车在上行(下行)交叉口Si未采取任何主动优先策略绿灯通过；
Figure BDA00019150156100001217
表示第j辆公交车在上行(下行)交叉口Si绿灯延长通过，延长时间
Figure BDA00019150156100001218
Figure BDA00019150156100001219
表示第j辆公交车在上行(下行)交叉口Si绿灯提前通过，提前时间
Figure BDA00019150156100001220
Figure BDA00019150156100001221
表示第j辆公交车在上行(下行)交叉口Si相位插入通过，插入时间是
Figure BDA00019150156100001222
Figure BDA00019150156100001223
表示第j辆公交车在上行(下行)交叉口Si相位插入通过，插入时间是
Figure BDA0001915015610000131
Figure BDA0001915015610000132
通过以上对双向绿波带宽、公交信号优先效益和公交主动优先策略的响应执行次数的分析和计算，得到在干线协调控制下公交信号优先必要性的指标Z＝Z1+Z2+Z3，根据前述的指标的一种公交信号优先必要性分析方法，可以保证社会车辆的干道协调控制效果，弥补现有控制策略可能失效的不足，为合理有效利用有限且紧张的通行时空资源提供了一种可实施的方法。

Claims (1)

1.一种干线协调控制下公交信号优先必要性分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步、以绿波带最大化为目标函数，建立面向社会车辆和公交车辆双向不同带宽需求的干道协调控制优化模型，设在干线路网中有n个信号控制交叉口，用Si表示第i个交叉口编号，则所述干道协调控制优化模型，其中相位差
Figure FDA0002997987500000011
式中：ui为信号控制交叉口Si红灯结束时间与公交车辆上行绿波带边缘的时间差，公交车辆绿波带位置变量；tij为第j辆公交车交叉口Si和Si+1之间的行驶时间；xij为第j辆公交车上行在交叉口Si的停车时间；M为整数；wi为信号控制交叉口Si红灯结束时间与社会车辆上行绿波带边缘的时间差，社会车辆绿波带位置变量；ti为交叉口Si和Si+1之间的社会车辆行驶时间：
Figure FDA0002997987500000012
Figure FDA0002997987500000013
Figure FDA0002997987500000014
Figure FDA0002997987500000015
Figure FDA0002997987500000016
Figure FDA0002997987500000017
Figure FDA0002997987500000018
Figure FDA0002997987500000019
式中：kp和kp′为带宽分配影响系数；kr和kr′为上下行方向的绿波带宽的需求比例；ri为信号控制交叉口Si上行的红灯时间；
Figure FDA00029979875000000110
为信号控制交叉口Si红灯开始时间与社会车辆下行绿波带边缘的时间差，社会车辆绿波带位置变量；
Figure FDA00029979875000000111
为信号控制交叉口Si下行的红灯时间；
Figure FDA00029979875000000112
为交叉口Si+1和Si之间的社会车辆行驶时间；Δi为交叉口Si上行红灯中点至其相近下行方向红灯中点的时间差；
Figure FDA00029979875000000113
为信号控制交叉口Si红灯开始时间与公交车辆下行绿波带边缘的时间差，公交车辆绿波带位置变量；b为上行社会车辆的绿波带宽度；
Figure FDA0002997987500000021
为下行社会车辆的绿波带宽度；B为上行公交车辆的绿波带宽度；
Figure FDA0002997987500000022
为下行公交车辆的绿波带宽度；B′为上行方向公交车辆的带宽中间变量；
Figure FDA0002997987500000023
为下行方向公交车辆的带宽中间变量；
第二步、对于绿灯延长策略，有：
设交叉口Si有pi个相位，公交相位有K个进口道，其上一相位和下一相位分别有L和M个进口道，设定绿灯延长时间Δtgi，第j辆在上行交叉口Si公交车辆减少的延误为
Figure FDA0002997987500000024
第j辆在下行交叉口Si公交车辆减少的延误为
Figure FDA0002997987500000025
则有：
Figure FDA0002997987500000026
在Δtgi时段内在交叉口Si公交相位第k车道的车辆减少的延误为
Figure FDA0002997987500000027
则有：
Figure FDA0002997987500000028
式(10)中：qik为交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆到达率，单位为pcu/s；Sik为交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆离开的饱和流率，单位为pcu/s；
交叉口Si非公交相位第l车道的车辆减少的延误为
Figure FDA0002997987500000029
则有：
Figure FDA00029979875000000210
式(11)中：qil为交叉口Si非公交相位第l进口道社会车辆到达率，单位为pcu/s；Sil为交叉口Si非公交相位第l进口道社会车辆离开的饱和流率，单位为pcu/s；
对于绿灯提前策略，有：
设交叉口Si设定绿灯提前时间Δtgi′，第j辆在上行交叉口Si公交车辆减少的延误为
Figure FDA00029979875000000211
第j辆在下行交叉口Si公交车辆减少的延误为
Figure FDA00029979875000000212
则有：
Figure FDA00029979875000000213
在Δtgi′时段内在交叉口Si公交相位第k车道的车辆减少的延误为
Figure FDA00029979875000000214
则有：
Figure FDA00029979875000000215
式中：qik为交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆到达率，单位为pcu/s；Sik为交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆离开的饱和流率，单位为pcu/s；
交叉口Si非公交相位第m车道的车辆减少的延误为
Figure FDA0002997987500000031
则有：
Figure FDA0002997987500000032
式中：qim为交叉口Si非公交相位第m进口道社会车辆到达率，单位为pcu/s；Sim为交叉口Si非公交相位第m进口道社会车辆离开的饱和流率，单位为pcu/s；
对于相位插入策略，有：
设交叉口Si设定相位插入时间
Figure FDA0002997987500000033
根据绿信比每个相位压缩的时长分别为
Figure FDA0002997987500000034
对应的进口道数量分别为
Figure FDA0002997987500000035
第j公交车辆在上行交叉口Si公交车辆减少的延误为
Figure FDA0002997987500000036
第j公交车辆在下行交叉口Si公交车辆减少的延误为
Figure FDA0002997987500000037
则有：
Figure FDA0002997987500000038
式(15)中，ph为上行插入相位结束至正常公交通行相位启亮的时长，
Figure FDA0002997987500000039
为下行插入相位结束至正常公交通行相位启亮的时长；
在
Figure FDA00029979875000000310
时段内在交叉口Si公交相位第k车道的车辆减少的延误为
Figure FDA00029979875000000311
则有：
Figure FDA00029979875000000312
式(16)中：qik为交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆到达率，单位为pcu/s；Sik为交叉口Si公交相位第k进口道社会车辆离开的饱和流率，单位为pcu/s；ph′为正常公交通行相位结束至插入相位开始启亮的时长；
相位插入后对其他非公交相位的车辆延误为
Figure FDA00029979875000000313
则有：
Figure FDA00029979875000000314
第三步、由以上公式(9)～(17)可得到公交信号优先效益的目标函数Z2，则有：
Figure FDA00029979875000000315
第四步、绿灯延长策略、绿灯提前策略和相位插入策略对于每个交叉口检测到的公交车辆以公交主动优先策略的响应执行次数最小为目标函数Z3，则有：
Figure FDA0002997987500000041
Figure FDA0002997987500000042
Figure FDA0002997987500000043
Figure FDA0002997987500000044
Figure FDA0002997987500000045
Figure FDA0002997987500000046
Figure FDA0002997987500000047
δji，
Figure FDA0002997987500000048
是0～1变量，i＝1，2，...，n；
Figure FDA0002997987500000049
Figure FDA00029979875000000410
Figure FDA00029979875000000411
Figure FDA00029979875000000412
Figure FDA00029979875000000413
Figure FDA00029979875000000414
Figure FDA00029979875000000415
是0～1变量，i＝1，2，...，n；
式(19)至式(31)中，δji表示第j辆公交车在上行交叉口Si未采取任何主动优先策略绿灯通过；
Figure FDA00029979875000000416
表示第j辆公交车在下行交叉口Si未采取任何主动优先策略绿灯通过；
Figure FDA00029979875000000417
表示第j辆公交车在上行交叉口Si绿灯延长通过，延长时间Δtgi；
Figure FDA00029979875000000418
表示第j辆公交车在下行交叉口Si绿灯延长通过，延长时间
Figure FDA00029979875000000419
Figure FDA00029979875000000420
表示第j辆公交车在上行交叉口Si绿灯提前通过，提前时间Δtgi；
Figure FDA00029979875000000421
表示第j辆公交车在下行交叉口Si绿灯提前通过，提前时间
Figure FDA0002997987500000051
Figure FDA0002997987500000052
表示第j辆公交车在上行交叉口Si相位插入通过，插入时间是TB1i～TF1i；
Figure FDA0002997987500000053
表示第j辆公交车在下行交叉口Si相位插入通过，插入时间是
Figure FDA0002997987500000054
Figure FDA0002997987500000055
表示第j辆公交车在上行交叉口Si相位插入通过，插入时间是TB2i～TF2i；
Figure FDA0002997987500000056
表示第j辆公交车在下行交叉口Si相位插入通过，插入时间是
Figure FDA0002997987500000057
第五步、获得在干线协调控制下公交信号优先必要性的指标Z＝Z1+Z2+Z3。
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