CN111028508B - 一种基于路径控制的有轨电车转向控制方法与装置 - Google Patents

一种基于路径控制的有轨电车转向控制方法与装置 Download PDF

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CN111028508B CN201911317331.7A CN201911317331A CN111028508B CN 111028508 B CN111028508 B CN 111028508B CN 201911317331 A CN201911317331 A CN 201911317331A CN 111028508 B CN111028508 B CN 111028508B
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Abstract

本发明公开了一种基于路径控制的有轨电车转向控制方法与装置，其中方法包括获取具有有轨电车绿波设计需求的路段的几何参数、交通参数以及需进行优化的目标路径；构建并求解以最大化社会车辆绿波带宽的加权和为目标的优化模型，通过调整信号周期、相位顺序与相位差，为有轨电车和社会车辆分别形成独立的绿波带；根据模型优化结果，对实际路段的信号控制参数进行调整。本发明基于对实际路段的交通流量、几何尺寸、车辆旅行时间与相位时长和组成，对各个交叉口的周期进行统一，对相位差进行优化，从而为社会车辆和有轨电车提供相互独立的绿波。并且不仅可以用于包含单线有轨电车的交通系统建模，还可以对多线路有轨电车的干线信号系统进行优化。

Description

一种基于路径控制的有轨电车转向控制方法与装置
技术领域
本发明属于交通安全控制领域，具体涉及一种考虑转向有轨电车的绿波设计的基于路径控制的有轨电车转向控制方法与装置。
背景技术
随着经济的快速发展，人们对于交通出行的需求有了显著的提高，这对城市交通系统的承载能力和运行效率都提出了巨大的挑战。有轨电车作为一种高效、环保的公共出行方式，能够有效地承载交通出行，从而降低交通系统的运营压力。但受制于包含有轨电车的绿波信号设计方法的不完善，目前有轨电车仍未得到广泛的应用。在得到应用的场景中，为保证有轨电车顺利地通过交叉口，往往需要侵占社会车辆的路权，从而降低了社会车辆的运行效率。因此，问题的关键在于，如何通过信号控制合理地为有轨电车和社会车辆分配路权。
绿波信号协调控制是目前应用最广泛的一种信号控制方式，其原理是：通过对信号控制参数进行调整，为目标车辆创建绿波通行条件，使其能在绿波带内不停车连续地通过交叉口，从而有效地减少停车次数，提升干线交通系统整体通行效率。在现阶段的绿波设计方法研究中，绿波的目标车辆主要是社会车辆、公交车辆或是同时考虑二者。对于包含有轨电车的绿波设计与研究也停留在仅能够考虑直行有轨电车的程度上。这主要是因为，当前绿波设计方法的主要目标是位于主路方向上的车辆，其控制参数也主要是主路上的信号相位。但有轨电车如果需要实现转向，除主路相位外，还必须得到次路相位的配合。因此，可以认为，现有技术对于有轨电车在实际中应用的适应性是不足的。
发明内容
发明目的：针对现有方法的不足，本发明的目的在于提供同时考虑主路与支路相位从而能为有转向需求的有轨电车提供绿波的基于路径控制的有轨电车转向控制方法与装置。该方法基于对实际路段的交通流量、几何尺寸、车辆旅行时间与相位时长和组成，对各个交叉口的周期进行统一，对相位差进行优化，从而为社会车辆和有轨电车提供相互独立的绿波。
技术方案：为实现以上发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于路径控制的有轨电车转向控制方法，包括以下步骤：
(1)获取具有有轨电车绿波设计需求的路段的几何参数、交通参数以及需进行优化的目标路径；
(2)构建并求解以最大化社会车辆绿波带宽的加权和为目标的优化模型，通过调整信号周期、相位顺序与相位差，为有轨电车和社会车辆分别形成独立的绿波带；所述优化模型的约束包含描述社会车辆与有轨电车在两个连续交叉口之间行驶的约束、各路径通过相位的约束、社会车辆与有轨电车的行驶时间约束以及分别用来确定有轨电车路径绿波带宽的下限，保证有轨电车各路径旅行时间相等以及信号周期的上下限的补充约束；
(3)根据模型优化结果，对实际路段的信号控制参数进行调整，根据优化后的旅行时间计算并公示为保持在绿波中行驶车辆应该维持的速度。
作为优选，所述步骤(1)中获取的路段几何参数包括交叉口间距、有轨电车轨道与车站设置位置，路段交通参数包括各交叉口的流量、车辆的旅行时间、有轨电车停站时间、有轨电车通过交叉口的平均速度，各交叉口的相位组成方案，以及各相位的时长，目标路径包括社会车辆路径和有轨电车路径。
作为优选，所述步骤(2)中优化模型的目标表示为：
Figure BDA0002326191120000021
其中，bi和
Figure BDA0002326191120000022
分别为路径i和路径j的绿波带宽度；
Figure BDA0002326191120000023
和
Figure BDA0002326191120000024
分别为路径i和路径j的权重系数，根据路径流量大小设置，正比于路径流量；Car和
Figure BDA0002326191120000025
分别为社会车辆上行和下行路径的集合。
作为优选，所述步骤(2)中描述社会车辆与有轨电车在两个连续交叉口之间行驶的约束表示为：
Figure BDA0002326191120000026
Figure BDA0002326191120000027
其中，k表示交叉口k；Ki为路径i经过的交叉口k的集合；θk为交叉口k的初始相位差；ri,k为路径i在交叉口k处的绿灯部分左边的总红灯长度；
Figure BDA0002326191120000028
为路径i在交叉口k处的绿灯部分右边的总红灯长度；wi,k和
Figure BDA0002326191120000031
分别为交叉口k处上行和下行路径i位于绿波前部的绿灯部分；ti,k为路径i从交叉口k行驶至交叉口k+1的时间；ni,k和
Figure BDA0002326191120000032
分别为上行和下行路径i在交叉口k处的代表信号周期数的整数变量；τi,k和
Figure BDA0002326191120000033
分别为上行和下行路径i在交叉口k处的初始排队清空时间，I和
Figure BDA0002326191120000034
分别为上行和下行路径的集合。
作为优选，所述步骤(2)中的优化模型中用0-1变量描述交叉口信号相序以及各路径在交叉口处通过特定相位，表示为：
Figure BDA0002326191120000035
Figure BDA0002326191120000036
Figure BDA0002326191120000037
Figure BDA0002326191120000038
Figure BDA0002326191120000039
作为优选，所述步骤(2)中各路径通过相位的约束表示为：
Figure BDA00023261911200000310
Figure BDA00023261911200000311
Figure BDA00023261911200000312
Figure BDA00023261911200000313
Figure BDA00023261911200000314
Figure BDA00023261911200000315
Figure BDA00023261911200000316
其中，φl,k为交叉口k处相位l的长度，某一交叉口的所有相位组成一个集合，相位l代指其中一个；tc,i,k和
Figure BDA00023261911200000317
分别为有轨电车上行和下行路径i在交叉口k处的清空时间；M为大于1的正数；Tram和
Figure BDA0002326191120000041
分别为有轨电车上行和下行路径的集合。
作为优选，所述步骤(2)中社会车辆与有轨电车的行驶时间约束表示为：
Figure BDA0002326191120000042
Figure BDA0002326191120000043
Figure BDA0002326191120000044
Figure BDA0002326191120000045
Figure BDA0002326191120000046
Figure BDA0002326191120000047
Figure BDA0002326191120000048
Figure BDA0002326191120000049
其中，Z＝1/C；C为公共周期长度，最大值为Cmax，最小值为Cmin；ti，k和
Figure BDA00023261911200000410
为上行和下行路径i从交叉口k行驶至交叉口k+1的时间；Lk为交叉口k至交叉口k+1的距离；Nk和
Figure BDA00023261911200000411
分别为交叉口k与交叉口k+1之间的上行和下行站点数量；vi，k和
Figure BDA00023261911200000412
分别为上行和下行路径i在交叉口k和k+1之间的平均旅行速度，其最大值分别为vi，max和
Figure BDA00023261911200000413
最小值分别为vi，min和
Figure BDA00023261911200000414
amin与amax分别为有轨电车减速时加速度的最大值与最小值，bmin与bmax分别为有轨电车加速时加速度的最大值；tt，i，k，j和
Figure BDA00023261911200000415
分别为有轨电车上行和下行路径i在交叉口k和k+1之间的站点j的停车时间。
作为优选，所述步骤(2)中利用Lingo求解优化模型。
作为优选，所述步骤(3)中参数调整包括以下内容：各个交叉口的信号周期，信号相位顺序，信号相位差以及利用显示设备进行公示的社会车辆与有轨电车行驶速度。
基于相同的发明构思，本发明提供的一种基于路径控制的有轨电车转向控制装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的一种基于路径控制的有轨电车转向控制方法。
有益效果：本发明以路径为基本的建模对象，并且同时考虑主路与次路的信号相位，从而可以为有转向需求的有轨电车生成绿波；相比传统交通绿波优化技术，本发明不仅可以用于包含单线有轨电车的交通系统建模，还可以对多线路有轨电车的干线信号系统进行优化。对于存在多条有轨电车线路的干线，只需要修改相应的参数，使不同路径的绿波之间不出现冲突即可，无需增加新约束。
附图说明
图1为本发明实施例的方法流程图。
图2为本发明实施例中示例的路段示意图。
图3为本发明实施例中示例的信号相位组成示意图。
图4为本发明实施例中示例的冲突区域示意图。
图5为本发明实施例中示例的绿波时空图。
具体实施方式
下面结合附图1、附图2、附图3、附图4和附图5对本发明进行详细阐述，。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明实施例公开的一种基于路径控制的有轨电车转向控制方法，包括以下步骤：
步骤1、获取具有有轨电车绿波设计需求的路段的几何参数、交通参数以及需进行优化的目标路径。
一般情况下，具有有轨电车绿波设计需求的路段应为主路流量远大于次路流量的路段，目标路径包括社会车辆路径和有轨电车路径，需调查获取的路段几何参数包括交叉口间距、有轨电车轨道与车站设置位置，路段交通参数包括各交叉口的流量、车辆的旅行时间、有轨电车停站时间、有轨电车通过交叉口的平均速度，各交叉口的相位组成方案，以及各相位的时长。
步骤2、构建并求解数学优化模型，通过调整信号周期、相位顺序与相位差，为有轨电车和社会车辆分别形成独立的绿波带。该数学优化模型以最大化社会车辆绿波带宽的加权和为优化目标，约束包含描述社会车辆与有轨电车在两个连续交叉口之间行驶的约束、各路径通过相位的约束、社会车辆与有轨电车的行驶时间约束以及分别用来确定有轨电车路径绿波带宽的下限，保证有轨电车各路径绿波及旅行时间相等以及信号周期的上下限的补充约束。
具体地，社会车辆绿波带宽的加权和表示为：
Figure BDA0002326191120000061
其中，
Figure BDA0002326191120000062
为上行路径i(下行路径j)的绿波带宽度；
Figure BDA0002326191120000063
为上行路径i(下行路径j)的权重系数；
Figure BDA0002326191120000064
为社会车辆上行(下行)路径的集合。根据路径流量大小设置社会车辆路径权重，权重正比于流量。
描述社会车辆在两个连续交叉口之间行驶的约束表示为：
Figure BDA0002326191120000065
Figure BDA0002326191120000066
其中，k表示交叉口k；Ki为路径i经过的交叉口k的集合；θk为交叉口k的初始相位差；ri,k为路径i绿灯部分左边的总红灯长度；
Figure BDA0002326191120000067
为路径i绿灯部分右边的总红灯长度；
Figure BDA0002326191120000068
为交叉口k处上行(下行)路径i位于绿波前部的绿灯部分；
Figure BDA0002326191120000069
为上行(下行)路径i代表信号周期数的整数变量；
Figure BDA00023261911200000610
为上行(下行)路径i在交叉口k处的初始排队清空时间，
Figure BDA00023261911200000611
为上行(下行)路径的集合。
数学优化模型中用0-1变量来描述交叉口信号相序以及各路径在交叉口处通过特定相位，具体表示为：
Figure BDA0002326191120000071
Figure BDA0002326191120000072
Figure BDA0002326191120000073
Figure BDA0002326191120000074
Figure BDA0002326191120000075
各路径通过相位的约束表示为：
Figure BDA0002326191120000076
Figure BDA0002326191120000077
Figure BDA0002326191120000078
Figure BDA0002326191120000079
Figure BDA00023261911200000710
Figure BDA00023261911200000711
Figure BDA00023261911200000712
其中，φl,k为交叉口k处相位l的长度，某一交叉口的所有相位组成一个集合，相位l代指其中一个；
Figure BDA00023261911200000713
为有轨电车上行(下行)路径i在交叉口k处的清空时间；M为充分大的正数；
Figure BDA00023261911200000714
为有轨电车上行(下行)路径的集合
社会车辆与有轨电车的行驶时间约束：
Figure BDA00023261911200000715
Figure BDA00023261911200000716
Figure BDA0002326191120000081
Figure BDA0002326191120000082
Figure BDA0002326191120000083
Figure BDA0002326191120000084
Figure BDA0002326191120000085
Figure BDA0002326191120000086
其中，C为公共周期长度(s)，最大值为Cmax，最小值为Cmin；Z＝1/C；Lk为交叉口k至交叉口k+1的距离；
Figure BDA0002326191120000087
为交叉口k与交叉口k+1之间的上行(下行)站点数量；
Figure BDA0002326191120000088
为上行(下行)路径i在交叉口k和k+1之间的平均旅行速度(m/s)，其最大值和最小值分别为
Figure BDA0002326191120000089
和
Figure BDA00023261911200000810
Figure BDA00023261911200000811
与
Figure BDA00023261911200000812
为有轨电车上行(下行)路径i在交叉口k和k+1之间的行程时间的第一部分的最小值与最大值，包括匀速行驶时间，加速时间和减速时间；amin与amax为有轨电车减速时加速度的最大值与最小值，bmin与bmax为有轨电车加速时加速度的最大值；
Figure BDA00023261911200000813
为有轨电车上行(下行)路径i在交叉口k和k+1之间的站点j的停车时间。
数学优化模型中的补充约束，分别用来确定有轨电车路径绿波带宽的下限，保证有轨电车各路径绿波及旅行时间相等以及信号周期的上下限，具体表示为：
Figure BDA00023261911200000814
Figure BDA00023261911200000815
Cmin≤C≤Cmax
bi,min和
Figure BDA0002326191120000091
指人为规定的绿波带宽所应取的最小值；ti,k和
Figure BDA0002326191120000092
指上行路径i和下行路径j在交叉口间的行驶时间。
上述数学优化模型的求解可以利用如Lingo等的成熟商业软件。
步骤3、根据模型优化结果，对实际路段的信号控制参数进行调整，根据优化后的旅行时间计算并公示为保持在绿波中行驶车辆应该维持的速度。参数调整包括以下内容：各个交叉口的信号周期，信号相位顺序，信号相位差以及应利用显示设备进行公示的社会车辆与有轨电车行驶速度。
基于相同的发明构思，本发明实施例公开的一种基于路径控制的有轨电车转向控制装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被加载至处理器时实现所述的一种基于路径控制的有轨电车转向控制方法。
下面结合一个具体路段设计对本发明实施例的方法做进一步说明：
(1)设计路段选取
选取南京市麒麟镇有轨电车1号线的马群至北湾营街路段进行绿波设计。该路段的主要流量集中在主路上，其相交的次路流量相对较小，因此适合建立绿波以提高主路的通行效率。
(2)路段几何参数调查
该路段的几何参数与有轨电车布设方式如图2所示。
(3)路段交通量调查
于2018年10月29日对设计路段的交通参数进行了调查，具体采集时间段为下午5点30分至6点30分，如下表所示。
表1路段交通量
Figure BDA0002326191120000093
(4)路段相位组成及其时长
案例路段每个交叉口的信号相位方案，分别编号为相位1(主路上行直行与左转)，相位2(主路上下行直行)，相位3(主路下行直行与左转)，相位4(次路直行)和相位5(次路左转)，如图3所示，各相位时长均为30s；
(5)确定路径权重比例
选取该路段的社会车辆与有轨电车上下行为路径，其中社会车辆两个方向路径路径的流量基本持平，因此其权重比设定为1：1，考虑到有轨电车的运行特性，其最小绿波带宽设置为10s；
(6)确定旅行速度上下限与有轨电车清空时间
根据相关规定，确定有轨电车与社会车辆的行程时间的上下限，如下表所示。
表2有轨电车与社会车辆行程时间
Figure BDA0002326191120000101
根据以下公式计算有轨电车在各个交叉口的清空时间；
Figure BDA0002326191120000102
式中，S0为交叉口冲突区域的长度，单位m，如图4所示，L为有轨电车的车身长度，单位m，V为有轨电车在各交叉口的平均车速，单位m/s。计算得到的清空时间如下表所示；
表3有轨电车清空时间
Figure BDA0002326191120000103
(7)进行绿波设计
利用原创模型进行绿波设计，得到优化后的各路径绿波带宽，如下表所示；
表4绿波带宽优化结果
Figure BDA0002326191120000104
以及各路径在各交叉口间的旅行速度，信号周期以及各交叉口信号间的相位差，如下表所示；
表5路段绿波优化结果
Figure BDA0002326191120000111
(8)绿波参数调整
根据步骤(7)中的优化结果，对实际路段的信号控制参数进行调整，根据优化后的旅行时间计算并在各个路段公示为保持在绿波中行驶，车辆应该维持的速度。为了更加直观地展示绿波带的效果，绘制该路段的时空绿波图，如图5所示。

Claims (5)

1.一种基于路径控制的有轨电车转向控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取具有有轨电车绿波设计需求的路段的几何参数、交通参数以及需进行优化的目标路径；
(2)构建并求解以最大化社会车辆绿波带宽的加权和为目标的优化模型，通过调整信号周期、相位顺序与相位差，为有轨电车和社会车辆分别形成独立的绿波带；所述优化模型的约束包含描述社会车辆与有轨电车在两个连续交叉口之间行驶的约束、各路径通过相位的约束、社会车辆与有轨电车的行驶时间约束以及分别用来确定有轨电车路径绿波带宽的下限，保证有轨电车各路径旅行时间相等以及信号周期的上下限的补充约束；
(3)根据模型优化结果，对实际路段的信号控制参数进行调整，根据优化后的旅行时间计算并公示为保持在绿波中行驶车辆应该维持的速度；
所述步骤(2)中优化模型的目标表示为：
Figure FDA0002827254320000011
其中，bi和
Figure FDA0002827254320000012
分别为路径i和路径j的绿波带宽度；
Figure FDA0002827254320000013
和
Figure FDA0002827254320000014
分别为路径i和路径j的权重系数，根据路径流量大小设置，正比于路径流量；Car和
Figure FDA0002827254320000015
分别为社会车辆上行和下行路径的集合；
所述步骤(2)中描述社会车辆与有轨电车在两个连续交叉口之间行驶的约束表示为：
Figure FDA0002827254320000016
Figure FDA0002827254320000017
其中，k表示交叉口k；Ki为路径i经过的交叉口k的集合；θk为交叉口k的初始相位差；ri,k为路径i在交叉口k处的绿灯部分左边的总红灯长度；
Figure FDA0002827254320000018
为路径i在交叉口k处的绿灯部分右边的总红灯长度；wi,k和
Figure FDA0002827254320000019
分别为交叉口k处上行和下行路径i位于绿波前部的绿灯部分；ti,k为路径i从交叉口k行驶至交叉口k+1的时间；ni,k和
Figure FDA00028272543200000110
分别为上行和下行路径i在交叉口k处的代表信号周期数的整数变量；τi,k和
Figure FDA0002827254320000021
分别为上行和下行路径i在交叉口k处的初始排队清空时间，I和
Figure FDA0002827254320000022
分别为上行和下行路径的集合；
所述步骤(2)中的优化模型中用0-1变量描述交叉口信号相序以及各路径在交叉口处通过特定相位，表示为：
Figure FDA0002827254320000023
Figure FDA0002827254320000024
Figure FDA0002827254320000025
Figure FDA0002827254320000026
Figure FDA0002827254320000027
所述步骤(2)中各路径通过相位的约束表示为：
Figure FDA0002827254320000028
Figure FDA0002827254320000029
Figure FDA00028272543200000210
Figure FDA00028272543200000211
Figure FDA00028272543200000212
Figure FDA00028272543200000213
Figure FDA00028272543200000214
其中，φl,k为交叉口k处相位l的长度，某一交叉口的所有相位组成一个集合，相位l代指其中一个；tc,i,k和
Figure FDA00028272543200000215
分别为有轨电车上行和下行路径i在交叉口k处的清空时间；M为大于1的正数；Tram和
Figure FDA00028272543200000216
分别为有轨电车上行和下行路径的集合；
所述步骤(2)中社会车辆与有轨电车的行驶时间约束表示为：
Figure FDA0002827254320000031
Figure FDA0002827254320000032
Figure FDA0002827254320000033
Figure FDA0002827254320000034
Figure FDA0002827254320000035
Figure FDA0002827254320000036
Figure FDA0002827254320000037
Figure FDA0002827254320000038
其中，Z＝1/C；C为公共周期长度，最大值为Cmax，最小值为Cmin；
Figure FDA0002827254320000039
为下行路径i从交叉口k行驶至交叉口k+1的时间；Lk为交叉口k至交叉口k+1的距离；Nk和
Figure FDA00028272543200000310
分别为交叉口k与交叉口k+1之间的上行和下行站点数量；vi,k和
Figure FDA00028272543200000311
分别为上行和下行路径i在交叉口k和k+1之间的平均旅行速度，其最大值分别为vi,max和
Figure FDA00028272543200000312
最小值分别为vi，min和
Figure FDA00028272543200000313
amin与amax分别为有轨电车减速时加速度的最大值与最小值，bmin与bmax分别为有轨电车加速时加速度的最大值；tt,i,k,j和
Figure FDA00028272543200000314
分别为有轨电车上行和下行路径i在交叉口k和k+1之间的站点j的停车时间。
2.根据权利要求1所述的一种基于路径控制的有轨电车转向控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中获取的路段几何参数包括交叉口间距、有轨电车轨道与车站设置位置，路段交通参数包括各交叉口的流量、车辆的旅行时间、有轨电车停站时间、有轨电车通过交叉口的平均速度，各交叉口的相位组成方案，以及各相位的时长，目标路径包括社会车辆路径和有轨电车路径。
3.根据权利要求1所述的一种基于路径控制的有轨电车转向控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中利用Lingo求解优化模型。
4.根据权利要求1所述的一种基于路径控制的有轨电车转向控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中参数调整包括以下内容：各个交叉口的信号周期，信号相位顺序，信号相位差以及利用显示设备进行公示的社会车辆与有轨电车行驶速度。
5.一种基于路径控制的有轨电车转向控制装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被加载至处理器时实现根据权利要求1-4任一项所述的一种基于路径控制的有轨电车转向控制方法。
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