CN110796877A - 一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法，包括以下步骤S1：确立协同基础；S2：建立协同约束；S3：建立发车间隔优化模型；S4：建立公交绿波协调模型；S5：构建协同控制模型；S6：求解协同控制模型。本发明通过构建单向公交线路协同控制模型来求解公交发车间隔、发车时刻、线路途经交叉口的周期、相位差等控制参数，实现在设计时段间公交线路的所有公交车辆均一路绿灯通过线路途经的所有交叉口。

Description

一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制 方法

技术领域

本发明涉及公共交通技术领域，尤其涉及一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法。

背景技术

为提升公交车辆的通行效率，不少学者提出公交信号协调控制模型以在干道中向公交车辆提供通行绿波，但是这些模型并未考虑公交线路的发车间隔、发车时刻等控制参数的影响，使得公交绿波带未能适应不同的公交调度要求；在公交发车频率的过往研究中，众多控制模型假设或隐含假设了在控制时段间公交车辆在各公交站的车头时距不随时间变化且等于发车间隔，未考虑交通信号控制对公交车辆站间行程时间的影响。

为进一步分析交通信号控制与公交调度两者之间的参数关系，本文分析和建立了车头时距与发车间隔、停站时间和信号周期的关系，并提出了单向公交线路的公交优先协同控制方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法，包括以下步骤：

S1：确立协同基础，明确了公交调度与交通信号控制相互制约、相互影响的因素；

S2：建立协同约束，依次建立发车间隔与协调周期的协同约束、站点停靠时间与协调周期的协同约束；

S3：建立发车间隔优化模型，以乘客平均等待时间最小为目标建立发车间隔优化模型。

S4：建立公交绿波协调模型，以公交绿波带宽比最大为目标建立公交绿波协调模型。

S5：构建协同控制模型，通过整合协同约束、发车间隔优化模型以及公交绿波协调模型建立交通信号控制与公交调度协同控制模型。

S6：求解协同控制模型，使用Lingo软件进行分层求解；

优选地，所述步骤S1中，通过归类描述和数学分析，确定了在车速稳定的情况下，公交行程时间取决于公交车辆通过交叉口的时间和站点停靠时间，公交车辆在站点间的行程时间不变时，公交车辆车头时距等于发车间隔。

优选地，所述步骤S2中，当公交线路的发车间隔与协调周期呈整数倍关系，且研究时段内公交线路各站点的乘客到达率符合均匀分布时，车辆站点停靠时间受到协调周期的约束，在确定合适的协调周期后，可通过调整发车时间或基准交叉口相位差实现公交线路的公交车辆均不停车经过途经交叉口。

优选地，所述步骤S3中，所述步骤S3中，综合考虑乘客等待时间以及公交企业的运营成本，以保证最低运营成本和乘客不需要二次等待的基础上最小化乘客等待时间为目标，建立了发车间隔优化模型，使发车间隔同时满足公交车辆满载率不小于最低值、公交车辆载客量大于所有站点的上车乘客以及乘客等待时间最小。

优选地，所述步骤S4中，综合考虑公交车辆的行驶时间、交叉口信号周期以及交叉口相位差的关系，以公交绿波带宽比最大为目标，建立了公交绿波协调模型，为公交车辆提供了一条绿波带宽比最大的绿波带。

优选地，所述步骤S5中，根据发车间隔优化模型的模型目标以及公交绿波协调模型的模型目标，建立了目标模型，根据协同约束、协同控制模型的模型约束以及公交绿波协调模型的模型约束，建立了约束模型，从而形成面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制模型。

优选地，所述步骤S6中，根据单向公交线路绿波协调的特性，将单向公交线路协同控制模型的求解简化为双层结构进行优化求解，上层依据公交发车间隔优化模型确定最优的协调周期和发车间隔，下层求解公交线路绿波协调控制模型确定途经交叉口的信号配时方案相位差。

本发明具有以下有益效果：

1、通过构建单向公交线路协同控制模型来求解公交发车间隔、发车时刻、线路途经交叉口的周期、相位差等控制参数，实现在设计时段间公交线路的所有公交车辆均一路绿灯通过线路途经的所有交叉口；

2、通过在单向公交线路协同控制模型加入公交线路的发车间隔、发车时刻等控制参数，使得公交绿波带可以适应不同的公交调度要求。

附图说明

图1为本发明提出的一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法中的公交车辆最小行驶区间四种类型图；

图2为本发明提出的一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法中的公交绿波与发车间隔落点模型图；

图3为本发明提出的一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法中的公交绿波设计图；

图4为本发明提出的一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法中的整体流程图；

图5为本发明提出的一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法中的Lingo求解代码图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-5，一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法，包括以下步骤：

S1：确立协同基础，明确了公交调度与交通信号控制相互制约、相互影响的因素，通过归类描述和数学分析，确定了在车速稳定的情况下，公交行程时间取决于公交车辆通过交叉口的时间和站点停靠时间，公交车辆在站点间的行程时间不变时，公交车辆车头时距等于发车间隔；

其中路段行驶时间可分为如图1所示的四种类型，行驶时间可用下式表示：

式中：s为行驶区间间距；v_φ为公交车辆行驶速度；a_as，a_ds分别为公交车辆在加速行驶和减速过程中的加速度；δ_i∈{0，1}，δ_i＝0表示公交车辆绿灯通过第i个交叉口，δ＝1表示公交车辆在第i个交叉口遇到红灯停车等待，

交叉口延误时间可由下式表示：

式中，C_i为交叉口的周期；r_i为公交车辆通行相位的红灯时长；t_i为公交车辆到达时刻，

公交车辆在站点μ的站点停靠时间d_μ由公交车头时距决定，如下式：

式中：p_μ为站点的乘客到达率；TH_μ为站点的公交车车头时距；为平均乘客上车时间，

公交站点行程时间可由下式表示：

式中：

为第φ辆公交车辆在站点间μ到μ+1的行程时间；S_μ→μ+1为公交站点μ与μ+1的间距；n为站点间交叉口数量；

为第φ辆公交车辆在第i个交叉口的交叉口延误时间。

公交路段行程时间可由下式表示：

式中：为第φ辆公交车辆由交叉口i到i+1的行程时间；z为交叉口间公交站的数量(不包括终点站)；S_i→i+1为交叉口i到i+1的间距；d_φ，μ为第φ辆在第个μ站点的停靠时间。

S2：建立协同约束，依次建立发车间隔与协调周期的协同约束、站点停靠时间与协调周期的协同约束。

为满足交通信号控制与公交调度协同约束模型条件、便于研究，且简化模型，对研究时段内的交通特性假设如下：

1)公交线路的公交车辆均为同一种车型；

2)公交车辆均按公交线路的发车计划行驶；

3)公交车辆在公交线路各区段行驶的车速在研究时段内不随时间变化，为v_φ；

4)公交线路各站点的乘客到达率符合均匀分布；

5)公交线路沿途各站点的乘客下车时间小于乘客上车时间；

6)公交站点容量允许公交车辆的站点停靠不影响其他公交车辆进站停靠；

7)公交站点形式允许公交车辆的站点停靠不影响其他机动车行驶；

8)线路途经所有交叉口均处于低饱和状态；

9)路段最多仅包含一个公交站点。

当公交线路所有公交车辆均绿灯通过交叉口时，交叉口通行时间可近似为0，则交叉口通行时间不随时间变化。根据马万经提出的落点数目模型，当落点数目为1时，公交线路的发车间隔与信号周期呈整数倍关系，此时可通过微调公交线路首班车的发车时间或交叉口绿灯的启动时间实现落点在绿灯时间内，实现公交线路的公交车辆均不停车经过交叉口。当站间经过多个交叉口，如果多个交叉口信号控制能实现绿波协调，则扩展落点数目模型表述为：当公交线路的发车间隔与协调周期呈整数倍关系，此时可通过微调公交线路的发车时间或基准交叉口相位差实现落点在绿波带时间内，实现公交线路的公交车辆均不停车经过途经交叉口，如上图2所示。

据此，发车间隔与协调周期关系约束的公式可如下表示：

F＝ωC，公式(9)

式中，ω为正整数，F为公交车发车间隔，C为协调周期；

假设研究时段内公交线路各站点的乘客到达率符合均匀分布，依据步骤S1的分析，车辆站点停靠时间由公交车头时距决定

因此当发车间隔与协调周期满足关系约束时，各站点的车头时距等于发车间隔(TH_μ＝F)，因此站点停靠时间与协调周期关系约束可由如下公式表示：

式中，d_μ为站点停靠时间，p_μ为站点乘客到达率，

为单个乘客上车时间。

S3：建立发车间隔优化模型，以乘客平均等待时间最小为目标建立发车间隔优化模型，综合考虑乘客等待时间以及公交企业的运营成本，以保证最低运营成本和乘客不需要二次等待的基础上最小化乘客等待时间为目标，建立了发车间隔优化模型，使发车间隔同时满足公交车辆满载率不小于最低值、公交车辆载客量大于所有站点的上车乘客以及乘客等待时间最小。

据此，目标模型的表述公式如下：

式中，b_r为协调绿波带宽，max b_r/C为最大绿波带宽比，为最小乘客平均等待时间，包含乘客在公交站点的候车时间和车内乘客在站点停靠时的等待时间。其中，乘客在公交站点的总候车时间是乘客到达率和候车时间关于车头时距的积分，即车内乘客在站点停靠时的等待时间不包含新上车的乘客，站点μ的车内乘客总等待时间为

根据第二个协同关系约束，易得乘客平均等待时间为

式中，z为公交线路沿途车站和站点总数；

据此可建立发车间隔控制模型可如下式表述：

式中，ρ_η为线路η的满载率，ρ_min为最低满载率要求，p_max为线路公交车辆的限定乘载人数。其中，线路满载率是公交线路上各种类型车辆满载率的里程加权平均值，计算公式为：

式中，S_μ-1→μ为线路中相邻两个公交站点的距离，S_η为线路总长度。

S4：建立公交绿波协调模型，以公交绿波带宽比最大为目标建立公交绿波协调模型，综合考虑公交车辆的行驶时间、交叉口信号周期以及交叉口相位差的关系，以公交绿波带宽比最大为目标，建立了公交绿波协调模型，为公交车辆提供了一条绿波带宽比最大的绿波带。

公交线路绿波协调模型可用如下公式表述：

式中，g_i、g_i+1为交叉口i与i+1的公交相位绿灯时间；Δt，1、Δt，2、Δt_i+1，1、Δt_i+1，2分别为绿波带在交叉口i与i+1公交相位绿灯始末时刻最短时间差；

表示交叉口i绿灯中心时刻超前交叉口i+1绿灯中心时刻的时间；z_i→i+1为整数解；b_μ表示公交绿波带；

表示公交路段行程时间。

由于实现绿波控制，公交车辆绿灯通过交叉口，可得：

S5：构建协同控制模型，通过整合协同约束、发车间隔优化模型以及公交绿波协调模型建立交通信号控制与公交调度协同控制模型，根据发车间隔优化模型的模型目标以及公交绿波协调模型的模型目标，建立了目标模型，根据协同约束、协同控制模型的模型约束以及公交绿波协调模型的模型约束，建立了约束模型，从而形成面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制模型。

据此，协同控制模型可用如下公式表示：

需要说明的是，式中

来源于公式(17)，式中C_min≤C≤C_max是协调周期初步的取值范围。

S6：求解协同控制模型，使用Lingo软件进行分层求解，根据单向公交线路绿波协调的特性，将单向公交线路协同控制模型的求解简化为双层结构进行优化求解，上层依据公交发车间隔优化模型确定最优的协调周期和发车间隔，下层求解公交线路绿波协调控制模型确定途经交叉口的信号配时方案相位差。

模型特性分析：在单向公交线路协同控制模型中，单向公交线路绿波协调总存在一组相位差满足最大绿波带宽等于各交叉口协调相位的最小绿灯时间，且对任意周期最大的公交绿波带宽比都等于各交叉口协调相位的最小绿信比。因此，单向公交线路协同控制模型求解可简化为为双层结构进行控制求解，上层依据公交发车间隔控制模型确定最优的协调周期和发车间隔，下层求解公交线路绿波协调控制模型确定途经交叉口的信号配时方案相位差。

双层结构分层求解过程中，将相应的约束条件和目标输入到Lingo软件中，通过计算可以实现对模型的求解，求解步骤如下：

1)打开lingo，进入软件主界面；

2)在主界面内输入程序框架；

3)在程序框架中间输入协同控制模型公式；

4)点击软件中“solve”按钮，软件开始计算结果；

5)查看计算结果。

Lingo求解代码如图5所示。

本发明中通过构建单向公交线路协同控制模型来求解公交发车间隔、发车时刻、线路途经交叉口的周期、相位差等控制参数，实现在设计时段间公交线路的所有公交车辆均一路绿灯通过线路途经的所有交叉口。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：确立协同基础，明确了公交调度与交通信号控制相互制约、相互影响的因素；

S2：建立协同约束，依次建立发车间隔与协调周期的协同约束、站点停靠时间与协调周期的协同约束；

S3：建立发车间隔优化模型，以乘客平均等待时间最小为目标建立发车间隔优化模型。

S4：建立公交绿波协调模型，以公交绿波带宽比最大为目标建立公交绿波协调模型。

S5：构建协同控制模型，通过整合协同约束、发车间隔优化模型以及公交绿波协调模型建立交通信号控制与公交调度协同控制模型。

S6：求解协同控制模型，使用Lingo软件进行分层求解。

2.根据权利要求1所述的一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，通过归类描述和数学分析，确定了在车速稳定的情况下，公交行程时间取决于公交车辆通过交叉口的时间和站点停靠时间，公交车辆在站点间的行程时间不变时，公交车辆车头时距等于发车间隔。

3.根据权利要求1所述的一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法，其特征在于，所述步骤S2中，当公交线路的发车间隔与协调周期呈整数倍关系，且研究时段内公交线路各站点的乘客到达率符合均匀分布时，车辆站点停靠时间受到协调周期的约束，在确定合适的协调周期后，可通过调整发车时间或基准交叉口相位差实现公交线路的公交车辆均不停车经过途经交叉口。

4.根据权利要求1所述的一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法，其特征在于，所述步骤S3中，综合考虑乘客等待时间以及公交企业的运营成本，以保证最低运营成本和乘客不需要二次等待的基础上最小化乘客等待时间为目标，建立了发车间隔优化模型，使发车间隔同时满足公交车辆满载率不小于最低值、公交车辆载客量大于所有站点的上车乘客以及乘客等待时间最小。

5.根据权利要求1所述的一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法，其特征在于，所述步骤S4中，综合考虑公交车辆的行驶时间、交叉口信号周期以及交叉口相位差的关系，以公交绿波带宽比最大为目标，建立了公交绿波协调模型，为公交车辆提供了一条绿波带宽比最大的绿波带。

6.根据权利要求1所述的一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，根据发车间隔优化模型的模型目标以及公交绿波协调模型的模型目标，建立了目标模型，根据协同约束、协同控制模型的模型约束以及公交绿波协调模型的模型约束，建立了约束模型，从而形成面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制模型。

7.根据权利要求1所述的一种面向单向公交线路的交通信号控制与公交调度协同控制方法，其特征在于，所述步骤S6中，根据单向公交线路绿波协调的特性，将单向公交线路协同控制模型的求解简化为双层结构进行优化求解，上层依据公交发车间隔优化模型确定最优的协调周期和发车间隔，下层求解公交线路绿波协调控制模型确定途经交叉口的信号配时方案相位差。

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