CN112669643B - 一种基于双层规划的公交实时调度与信号控制方法 - Google Patents
一种基于双层规划的公交实时调度与信号控制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于双层规划的公交实时调度与信号控制方法,首先采集研究路段上公交车辆之间、公交车与交叉口之间的距离,各交叉口的公交请求相位的信号配时方案,其次计算公交车辆在交叉口的现状信号延误以及初始车头时距,最后建立面向车头时距均衡的上层模型,建立面向交叉口公交延误最小的下层模型,计算获得信号配时方案和公交调度方案。本发明方法能用于均衡公交车头时距,缓解公交串车。
Description
技术领域
本发明属于交通运输和交通信息工程及控制领域,涉及实时公交调度和交叉口信号控制领域,更具体地说,涉及一种基于双层规划的公交实时调度与信号控制方法。
背景技术
随着社会和经济的发展,汽车保有量增加,道路设施供不应求,公共汽车作为一种重要的道路公共交通方式,由于其大容量的属性,有着较小的人均道路占用率,优先发展公交是当前交通行业的共识。
目前大多数关于公交优先的研究是通过给予公交车在交叉口的优先通行权来实现时间优先,在此基础上,公交优先信号对个别公交车的优先导致公交车车头时距不均衡的问题加剧体现出来,进而造成公交车辆聚束到达的问题。
公交车头时距可靠性作为评价公交服务水平的重要指标,一定程度上体现了乘客的候车时间,影响了乘客对公交服务水平的感知。因此,本发明提出一种基于双层规划的公交实时调度与信号控制方法,首先从整条线路的角度,分析在当前公交运行实际情况下,如何提高公交车头时距可靠性,而后从单个交叉口的角度,分析如何实施信号控制实现公交优先,是本专利主要解决的问题。
经对现有技术的文献检索发现,现有公交实时调度与信号控制方法在均衡车头时距的问题上取得了较多的成果,但大部分交叉口信号控制只为满足车头时距的约束而忽略公交车在交叉口的延误,或者提高公交畅达度而忽略了对车头时距造成的影响,或者没有兼顾信号配时方案、车速和驻站时间对车头时距的影响。
发明内容
针对现有研究的不足,本发明的目的是提供一种基于双层规划的公交实时调度与信号控制方法,考虑车路协同环境下,建立双层规划模型,上层为公交车提供使所有车头时距分布最均衡的目标车头时距,下层为交叉口提供满足车头时距更均衡后公交延误最小的信号配时方案和车辆调度方案。
为解决上述技术问题,本发明的公交实时调度与信号控制方法,包括如下步骤:
步骤1:以一条公交线路的上行方向或下行方向为研究对象,采集正在运行的公交车辆总数,记为N,并将公交车辆进行编号,记为n,n∈{1,2…N};第n辆公交车辆的期望行驶车速为vn;采集该公交线路包含的公交站点总数,记为J,公交站点的编号用j表示,j∈{1,2,…,J};公交车n在站台j的期望驻站时间,记为收集公交车n与紧邻前车(n-1)之间包含的公交站点,记为集合Zn;采集线路包含的交叉口总数,记为I,并将所有交叉口进行编号,记为i,i∈{1,2…I};收集公交车n与紧邻前车(n-1)之间包含的交叉口集合,记为Yn;收集公交车n与交叉口i之间包含的公交站点的集合,记为公交车n与交叉口i之间包含的交叉口集合,记为i∈Yn;交叉口的相位用m表示,m∈M,M表示相位集合,M={12…8};交叉口i的当前相位用c表示,c∈M,交叉口i的当前信号相位c已经运行的绿灯时间,记为c∈M.公交请求相位用s表示;采集公交请求相位在当前周期的绿灯开始时刻和结束时刻,分别记为科信号控制环的编号用q表示,q∈{1,2};采集交叉口i公交请求相位所在环的周期长度,记为Ci;采集公交车n与紧邻前车(n-1)的距离,记为Ln;采集公交车辆n与交叉口i之间距离,记为i∈Yn;参数定义参见附图2;
步骤2:计算公交车n在交叉口i的现状信号延误,i∈Yn,计算公交车辆n与紧邻前车(n-1)之间的初始车头时距;
步骤3:以公交车n的车头时距分布均衡为上层目标函数,计算各公交车的期望车头时距;
步骤4:考虑公交驻站,行驶车速和信号配时,建立公交车辆延误预测模型;
步骤5:以公交车辆的延误最小为下层目标函数,考虑公交运行的期望车头时距约束,确定公交车辆的最佳行驶车速、驻站时间和交叉口信号优化方案。
所述步骤2中公交车在各交叉口i,i∈Yn的现状信号延误和初始车头时距的计算方法包括如下步骤:
公式(1)中,表示公交车辆n与交叉口i之间距离,vn表示第n辆公交车辆的期望行驶车速,表示公交车n在站台j的期望驻站时间,表示公交车n与交叉口i之间包含的公交站点集合,表示公交车n与交叉口i之间包含的交叉口集合,表示公交车n在交叉口a的信号延误,t为当前时刻;
步骤24:计算公交车辆n与前车(n-1)之间的初始车头时距hn,如公式(5)所示:
所述步骤3中各公交车辆的期望车头时距的计算方法包括如下步骤:
公式(7)中,βsq为二元参数,当且仅当公交请求相位s属于环q时,值为1,否则值为0,βmq为二元参数,当且仅当相位m属于环q时,值为1,否则值为0,为交叉口i相位m最大绿灯时间,为交叉口i公交请求相位s的最大绿灯时间,和分别表示交叉口i相位m的黄灯时间和全红时间;
步骤34:公交车辆n的期望车头时距Hn满足公式(9):
步骤36:将线路上所有相邻公交车车头时距的差异,和所有公交车车头时距与线路平均车头时距的差异进行加权平均,以加权平均值最小为上层目标函数,如公式(11)所示,根据公式(1)-(10),可以计算获得期望车头时距Hn:
公式(11)中,ω为相邻两辆公交车车头时距间差异的权重。
公式(18)中,βcq为二元参数,当且仅当当前相位c属于环q时值为1,否则为0;
步骤44:交叉口i相位一和相位五的绿灯开始时刻相同,相位三和相位七的绿灯开始时刻相同,如公式(19)和(20)所示:
所述步骤5包括如下步骤:
步骤52:优化后公交车辆n的期望行驶车速vn′满足路段车速限制,如公式(24)所示:
步骤54:当公交车辆n在两个信号周期内通过交叉口i,则对交叉口i的信号配时进行优化,考虑车速、驻站时间和信号配时对车头时距的影响,使优化后的车头时距从初始车头时距向期望车头时距调整,如公式(26)和(27)所示:
步骤55:当公交车辆n在两个信号周期内不能通过交叉口i,则不对交叉口i的信号配时进行优化,只考虑车速和驻站时间对车头时距的影响,使优化后的车头时距从初始车头时距向期望车头时距调整,如公式(28)和(29)所示:
步骤56:以交叉口的公交延误最小为下层目标函数,如公式(30)所示,结合公式(10)-(29),优化得出公交最佳行驶速度,最佳驻站时间和信号配时方案:
本发明与现有技术相比,具有以下优点:
同时考虑了信号配时方案、车速和驻站时间对车头时距的影响,上层规划以均衡公交车头时距为目标,下层规划以减小公交车在交叉口的延误为目标,能够实现在提高车头时距可靠性的基础上,为公交车辆提供信号优先。
附图说明
图1为本发明方法的流程图;
图2为本发明方法的研究对象示意图;
图3为本发明方法的双环信号控制相位图;
图4为本发明方法的具体实施例示意图。
具体实施方式
结合附图1-4和实施例,对本发明技术方案作进一步说明如下:
示例:选择如图3所示的一条公交线路为研究对象,研究路段共包含7个公交站点,6个信号控制交叉口,当前时刻线路上运行的公交车总数为N=7,并依次进行编号。对于路段内所有公交车辆的行驶速度信息为,站点停靠时间为25s,研究路段的车辆最低行驶速度30km/h,最高行驶速度50km/h,驻站时间最少需要20s,最多30s。对于路段内所有交叉口,各个相位的相位最小绿灯时间均为15s,绿灯时间均为40s,黄灯时间均为3s,全红时间均为2s。当前时刻为,采集的公交数据和交叉口数据如表1所示。
表1公交数据和交叉口数据
根据步骤2,计算公交车辆在各交叉口的现状信号延误及初始车头时距,如表2所示。
表2公交车辆n在交叉口i的现状信号延误及初始车头时距
根据步骤3,以目标函数公式(11),约束条件公式(1)-(10),求解目标车头时距,其中权重ω=0.3,结果如表3。
表3公交车辆n的目标车头时距
根据步骤4和5,以目标函数公式(26),约束条件公式(10)-(25),求解信号配时方案、优化后的行驶车速和驻站时间,结果如表4和表5。
表4公交调度方案
表5交叉口相位配时方案
目标函数公式(11)的目标函数值越小即车头时距越均衡,根据初始车头时距以及优化后公交车的车头时距,计算得优化前目标函数值为1557.8,采取本发明的方法后,优化后的目标函数值为784.5,公交车辆的车头时距得到有效均衡。
Claims (3)
1.一种基于双层规划的公交实时调度与信号控制方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:
步骤1:以一条公交线路的上行方向或下行方向为研究对象,采集正在运行的公交车辆总数,记为N,并将公交车辆进行编号,记为n,n∈{12…N};第n辆公交车辆的期望行驶车速为vn;采集该公交线路包含的公交站点总数,记为J,公交站点的编号用j表示,j∈{1,2,…,J};公交车n在站台j的期望驻站时间,记为收集公交车n与紧邻前车(n-1)之间包含的公交站点,记为集合Zn;采集线路包含的交叉口总数,记为I,并将所有交叉口进行编号,记为i,i∈{1,2…I};收集公交车n与紧邻前车(n-1)之间包含的交叉口集合,记为Yn;收集公交车n与交叉口i之间包含的公交站点的集合,记为公交车n与交叉口i之间包含的交叉口集合,记为i∈Yn;交叉口的相位用m表示,m∈M,M表示相位集合,M={1,2…8};交叉口i的当前相位用c表示,c∈M,交叉口i的当前信号相位c已经运行的绿灯时间,记为c∈M,公交请求相位用s表示;采集公交请求相位在当前周期的绿灯开始时刻和结束时刻,分别记为和信号控制环的编号用q表示,q∈{1,2};采集交叉口i公交请求相位所在环的周期长度,记为Ci;采集公交车n与紧邻前车(n-1)的距离,记为Ln;采集公交车辆n与交叉口i之间距离,记为i∈Yn;
步骤2:计算公交车n在交叉口i的现状信号延误,i∈Yn,计算公交车辆n与紧邻前车(n-1)之间的初始车头时距;
步骤3:以公交车n的车头时距分布均衡为上层目标函数,计算各公交车的期望车头时距;
步骤4:考虑公交驻站,行驶车速和信号配时,建立公交车辆延误预测模型;
步骤5:以公交车辆的延误最小为下层目标函数,考虑公交运行的期望车头时距约束,确定公交车辆的最佳行驶车速、驻站时间和交叉口信号优化方案;
所述步骤2中公交车在各交叉口i,i∈Yn的现状信号延误和初始车头时距的计算方法包括如下步骤:
公式(1)中,表示公交车辆n与交叉口i之间距离,vn表示第n辆公交车辆的期望行驶车速,表示公交车n在站台j的期望驻站时间,表示公交车n与交叉口i之间包含的公交站点集合,表示公交车n与交叉口i之间包含的交叉口集合,表示公交车n在交叉口a的信号延误,t为当前时刻;
公式(2)和公式(3)中Ci表示交叉口i公交请求相位所在环的周期长度,单位为s;
步骤24:计算公交车辆n与前车(n-1)之间的初始车头时距hn,如公式(5)所示:
公式(5)中Ln表示公交车n与紧邻前车(n-1)的距离,Zn表示公交车n与紧邻前车(n-1)之间包含的公交站点集合,Yn表示公交车n与紧邻前车(n-1)之间包含的交叉口集合;
所述步骤3中各公交车辆的期望车头时距的计算方法包括如下步骤:
公式(7)中,βsq为二元参数,当且仅当公交请求相位s属于环q时,值为1,否则值为0,βmq为二元参数,当且仅当相位m属于环q时,值为1,否则值为0,为交叉口i相位m最大绿灯时间,为交叉口i公交请求相位s的最大绿灯时间,和分别表示交叉口i相位m的黄灯时间和全红时间;
步骤34:公交车辆n的期望车头时距Hn满足公式(9):
步骤36:将线路上所有相邻公交车车头时距的差异,和所有公交车车头时距与线路平均车头时距的差异进行加权平均,以加权平均值最小为上层目标函数,如公式(11)所示,根据公式(1)-(10),可以计算获得期望车头时距Hn:
公式(11)中,ω为相邻两辆公交车车头时距间差异的权重。
公式(18)中,βcq为二元参数,当且仅当当前相位c属于环q时值为1,否则为0;
步骤44:交叉口i相位一和相位五的绿灯开始时刻相同,相位三和相位七的绿灯开始时刻相同,如公式(19)和(20)所示:
3.根据权利要求2所述的一种基于双层规划的公交实时调度与信号控制方法,其特征在于,所述步骤5包括如下步骤:
步骤51:计算优化后公交车n的车头时距,记为hn′,如公式(23)所示:
步骤52:优化后公交车辆n的期望行驶车速vn′满足路段车速限制,如公式(24)所示:
步骤54:当公交车辆n在两个信号周期内通过交叉口i,则对交叉口i的信号配时进行优化,考虑车速、驻站时间和信号配时对车头时距的影响,使优化后的车头时距从初始车头时距向期望车头时距调整,如公式(26)和(27)所示:
步骤55:当公交车辆n在两个信号周期内不能通过交叉口i,则不对交叉口i的信号配时进行优化,只考虑车速和驻站时间对车头时距的影响,使优化后的车头时距从初始车头时距向期望车头时距调整,如公式(28)和(29)所示:
步骤56:以交叉口的公交延误最小为下层目标函数,如公式(30)所示,结合公式(10)-(29),优化得出公交最佳行驶速度,最佳驻站时间和信号配时方案:
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