CN113724509A - 一种时空协同的公交优先控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种时空协同的公交优先控制方法和装置，该方法包括：在目标公交车辆到达进入交叉口之前的设定区域后直至驶离交叉口前的时段，发送目标公交车辆优先通行请求；根据该请求判断目标公交车辆距交叉口是否过远；当判定过远时，拒绝本次目标公交车辆优先通行请求，重新接受新的目标公交车辆优先通行请求；当判定并未过远时，确定目标公交车辆应采用的公交车辆优先控制策略，向到达交叉口的目标公交车辆发送公交车辆优先控制策略的相关信息，以控制目标公交车辆优先通过交叉口；公交车辆优先控制策略包括时间优先策略、空间优先策略或时空一体化优先策略。通过该实施例方案，大幅提高了目标公交车辆优先控制的决策精度和效率。

Description

一种时空协同的公交优先控制方法和装置

技术领域

本文涉及智能交通技术、城市公共交通系统以及交通信号控制领域，尤指一种时空协同的公交优先控制方法和装置。

背景技术

为了应对小汽车高速增长所带来的交通拥堵、环境污染等问题，提高公交出行方式的效率和服务质量，“公交优先”的理念开始在城市交通管理中出现。由于其低成本、经济效益高等特点，公交优先的管理措施已在许多城市得到了广泛的实践应用，公交优先控制也成为了城市智能交通系统的重要组成部分。

目前城市道路中的公交优先措施主要分为空间优先措施和时间优先措施两类。空间优先措施是指在道路空间资源的层面采取措施，以减小社会车辆对公交车辆运行的干扰。常见的空间优先措施主要分为三类：1)路段公交专用道：在整个路段上施划公交专用的车道，社会车辆在规定时段内不得进入； 2)交叉口进口公交专用道：在交叉口渠化处施划公交专用的排队车道，社会车辆不得从该车道进入交叉口；3)间歇式路段公交专用道(Intermittent Bus Lane，IBL)：在公交专用车道上设置IBL信号灯，平时为普通车道，当检测到公交车到达时转换为公交车专用道。时间优先措施主要是指交叉口的公交信号优先(Transit Signal Priority，TSP)。常见的时间优先策略主要分为三类： 1)被动优先策略：无论公交车辆实际是否到达，都会按照优先配时方案进行控制；2)主动优先策略：通过触发公交优先请求，根据公交车的实际运行状态，有条件或无条件地提供优先；3)自适应优先控制：基于自动车辆定位系统和车路协同运行系统，实时估计公交车到达交叉口的时间，基于多个控制目标制定决策。

随着我国公共交通系统和智能交通系统的不断发达，公交优先已经成为交通管理的重要措施。但是在公交优先的实施中仍然存在以下几个问题：其一，目前的公交信号优先策略大多基于响应公交优先到达请求来实施，而由于交叉口的道路空间条件复杂，公交车时常因为社会车辆排队等情况无法在优先时间中通过，导致无效优先；其二，目前在路段上大量设置的公交专用道对道路条件有一定的要求(例如需要有单向三条以上的车道)，同时路段公交专用道存在一定的资源浪费；其三，公交车的实际运行条件还没有在公交优先中充分量化考虑。

发明内容

本申请实施例提供了一种时空协同的公交优先控制方法和装置，能够大幅提高目标公交车辆优先控制的决策精度和效率。

本申请实施例提供了一种时空协同的公交优先控制方法，所述方法可以包括：

在目标公交车辆到达进入交叉口之前的设定区域之后，直至驶离所述交叉口之前的时段，由所述目标公交车辆每隔第一预设时长生成并发送目标公交车辆优先通行请求；

根据所述目标公交车辆优先通行请求判断所述目标公交车辆距离所述交叉口是否过远；

当判定所述目标公交车辆距离所述交叉口过远时，拒绝本次的目标公交车辆优先通行请求，并重新接受新的目标公交车辆优先通行请求；当判定所述目标公交车辆距离所述交叉口并未过远时，确定所述目标公交车辆应采用的公交车辆优先控制策略，向到达所述交叉口的目标公交车辆发送所确定的公交车辆优先控制策略的相关信息，以控制所述目标公交车辆优先通过所述交叉口；其中，所述公交车辆优先控制策略包括：时间优先策略、空间优先策略或时空一体化优先策略。

在本申请的示例性实施例中，所述根据所述目标公交车辆优先通行请求判断所述目标公交车辆距离所述交叉口是否过远，可以包括：

获取当前目标公交车辆的目标公交车辆状态信息及交叉口状态信息；

根据所述目标公交车辆状态信息及所述交叉口状态信息计算所述目标公交车辆到达交叉口停车线的理论到达时刻；

根据所述理论到达时刻距离当前时刻的时长大小判断所述目标公交车辆距离所述交叉口是否过远。

在本申请的示例性实施例中，所述确定所述目标公交车辆应采用的公交车辆优先控制策略，可以包括：

根据所述目标公交车辆状态信息及所述交叉口状态信息计算所述目标公交车辆离开所述交叉口的理论离开时刻；

根据所述理论离开时刻计算结果及所述交叉口状态信息，建立并求解单目标优化模型，根据所述单目标优化模型确定针对所述目标公交车辆优先通行请求采用的公交车辆优先控制策略；其中，所述单目标优化模型以目标公交车辆运行时刻表延误绝对值最小为目标函数。

在本申请的示例性实施例中，所述根据所述单目标优化模型确定针对所述目标公交车辆优先通行请求采用的公交车辆优先控制策略，可以包括：

当所述单目标优化模型的第一决策变量最优值等于预设值时，采用所述空间优先策略；

当所述单目标优化模型的第二决策变量的最优值、和第三决策变量的最优值中的其一大于预设阈值时，采用所述时间优先策略；

当同时满足上述采用所述空间优先策略、采用所述时间优先策略的条件时，采用所述时空一体化优先策略。

在本申请的示例性实施例中，所述方法还可以包括：

当所述目标公交车辆的理论离开时刻提前于所述目标公交车辆运行时刻表的设定时刻时，忽略所述理论离开时刻以拒绝向所述目标公交车辆提供所述公交车辆优先控制策略。

在本申请的示例性实施例中，所述目标公交车辆状态信息可以包括以下任意一种或多种：

所述目标公交车辆的当前位置L_i(t)、速度v_i(t)、运行时刻表延误d_i和期望运营速度v_Bi；

所述交叉口状态信息可以包括以下任意一种或多种：

当前时刻目标公交车辆所在流向的排队长度q(t)和平均到达率λ(t)。

在本申请的示例性实施例中，所述时间优先策略可以包括：根据绿灯提前功能或绿灯延长功能确定目标公交车辆相位的开始时刻和结束时刻，并根据目标公交车辆相位的开始时刻和结束时刻更新信号等方案；

所述绿灯提前功能可以包括：当所述目标公交车辆相位显示红灯时，减少所述非目标公交车辆相位的绿灯显示时长，以使得目标公交车辆相位的绿灯提前点亮；

所述绿灯延长功能可以包括：当所述目标公交车辆相位未达到最大绿灯时长时，延长所述目标公交车辆相位的绿灯时长，以使得所述目标公交车辆能够在本周期内通过所述交叉口；

所述空间优先策略可以包括：将进口可变车道切换为目标公交车辆专用进口道，拒绝非目标公交车辆进入所述目标公交车辆专用进口道进行排队。

在本申请的示例性实施例中，在确定所述目标公交车辆应采用的公交车辆优先控制策略之前，所述方法还可以包括：

开启目标公交车辆检出机制，在根据所述目标公交车辆检出机制检测出目标公交车辆离开交叉口前，拒绝后续的目标公交车辆优先通行请求。

在本申请的示例性实施例中，在向到达所述交叉口的目标公交车辆发送所确定的公交车辆优先控制策略的相关信息之后，所述方法还可以包括：

检测所述目标公交车辆的实时位置和检出状态，根据所述目标公交车辆检出机制检测出所述目标公交车辆离开所述交叉口后，关闭所述目标公交车辆检出机制，使所述交叉口的信号灯方案变换为原始方案，并将所述进口可变车道由目标公交车辆专用车道切换为普通车道。

本申请实施例还提供了一种时空协同的公交优先控制装置，可以包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述指令被所述处理器执行时，实现上述任意一项所述的时空协同的公交优先控制方法。

与相关技术相比，本申请实施例可以包括：在目标公交车辆到达进入交叉口之前的设定区域之后，直至驶离所述交叉口之前的时段，由所述目标公交车辆每隔第一预设时长生成并发送目标公交车辆优先通行请求；根据所述目标公交车辆优先通行请求判断所述目标公交车辆距离所述交叉口是否过远；当判定所述目标公交车辆距离所述交叉口过远时，拒绝本次的目标公交车辆优先通行请求，并重新接受新的目标公交车辆优先通行请求；当判定所述目标公交车辆距离所述交叉口并未过远时，确定所述目标公交车辆应采用的公交车辆优先控制策略，向到达所述交叉口的目标公交车辆发送所确定的公交车辆优先控制策略的相关信息，以控制所述目标公交车辆优先通过所述交叉口；其中，所述公交车辆优先控制策略包括：时间优先策略、空间优先策略或时空一体化优先策略。通过该实施例方案，大幅提高了目标公交车辆优先控制的决策精度和效率。

本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。

图1为本申请实施例的时空协同的公交优先控制方法流程图；

图2为本申请实施例的时空协同的公交信号优先控制系统组成框图；

图3为本申请实施例的交叉口设计示意图；

图4为本申请实施例的公交车辆轨迹与到达时刻的计算示意图；

图5为本申请实施例的临界红灯时间的计算示意图；

图6为本申请实施例的公交车实际离开时刻的计算示意图；

图7为本申请实施例的实施空间优先措施时的公交车运行轨迹示意图；

图8为本申请实施例的公交车辆时空协同优先控制示意图；

图9为本申请实施例的交叉口信号控制方案示意图；

图10为本申请实施例的时空协同的公交优先控制装置组成框图。

具体实施方式

本申请描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本申请所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。

本申请包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本申请已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本申请中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。

此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本申请实施例的精神和范围内。

本申请实施例提供了一种时空协同的公交优先控制方法，如图1所示，所述方法可以包括步骤S101-S103：

S101、在目标公交车辆到达进入交叉口之前的设定区域之后，直至驶离所述交叉口之前的时段，由所述目标公交车辆每隔第一预设时长生成并发送目标公交车辆优先通行请求；

S102、根据所述目标公交车辆优先通行请求判断所述目标公交车辆距离所述交叉口是否过远；

S103、当判定所述目标公交车辆距离所述交叉口过远时，拒绝本次的目标公交车辆优先通行请求，并重新接受新的目标公交车辆优先通行请求；当判定所述目标公交车辆距离所述交叉口并未过远时，确定所述目标公交车辆应采用的公交车辆优先控制策略，向到达所述交叉口的目标公交车辆发送所确定的公交车辆优先控制策略的相关信息，以控制所述目标公交车辆优先通过所述交叉口；其中，所述公交车辆优先控制策略包括：时间优先策略、空间优先策略或时空一体化优先策略。

在本申请的示例性实施例中，为了克服现有技术存在的缺陷，提供了一种通过时空协同的方式实现交叉口公交信号优先的实时预测控制方法。

在本申请的示例性实施例中，该方案还可以适用于但不限于消防车、急救车等，在下文中以公交车为例进行说明。

在本申请的示例性实施例中，本申请实施例的方法可以通过预先设置的时空协同的公交信号优先控制系统来实现。下面对该系统的组成框架进行详细介绍。

在本申请的示例性实施例中，如图2所示，该系统可以包括车路协同模块、车道检测模块、可变车道控制模块和公交优先信号控制模块。如图3所示，为适用于本申请实施例方案的时空协同公交信号优先控制系统的交叉口设计示意图。

在本申请的示例性实施例中，车路协同模块：能够采集、更新和传输公交车辆的实时运行状态信息(即下述的目标公交车辆状态信息)；能够接入公交运营系统，具备与交叉口基础设施和信号控制系统的通信功能；能够向到达的公交车辆发送实时信息，提示公交车即将被提供优先，并为公交车推荐行驶车道和合适的运行速度。具体输入数据可以包括静态公交数据(公交车站位置、公交线路信息、运行时刻表等)和动态公交数据(公交实时位置、速度，到下一站距离，离开上一站的时刻，运行时刻表延误等)。输出数据可以包括交叉口信号控制的实时状态(包括具体配时方案、当前各相位显示等)，以及是否为到达的公交车提供优先策略(包括采用的优先方式、可变车道的位置、推荐运行速度等)。

在本申请的示例性实施例中，车道检测模块：负责提供交叉口附近的交通流检测信息，具体可以包括交叉口各进口流向的实时到达率(输出间隔不大于5min)和历史交通流量，进口可变车道的实时排队占用长度、车道占用等信息。

在本申请的示例性实施例中，可变车道控制模块：负责实现空间优先功能。通过可变信息标志(Variable Message Sign，VMS)和车道指示信号灯来向上游的到达车辆传达进口可变车道当前的通行权归属状态。

在本申请的示例性实施例中，公交信号优先控制模块：负责实现时间优先功能。使用信号控制机的单点自适应控制和公交信号优先控制功能。具体能够实现的功能包括公交所在流向的绿灯提前、绿灯延长和公交车辆离开检出机制等。

在本申请的示例性实施例中，下面对本申请实施例方案中使用到的技术用语进行解释说明：

1、运行时刻表延误：是指公交车辆(目标公交车辆)离开上一车站的时刻与运行时刻表上的预计离开时刻的偏移程度，例如，运行时刻表延误大于0 表示公交车在离开上一车站时已晚点于运行时刻表，运行时刻表延误小于0 则表示公交车在离开上一车站时提前于运行时刻表。

2、进口可变车道的实时排队占用长度：是指进口可变车道内停车排队的最后一辆车的末尾到停车线的相对距离。需要指出的是，只要车道内有停车排队的车辆，无论它前方的车辆是否正在行驶，都按最后一辆正在停车的车辆计算。

3、进口可变车道的车道占用信息：是指是否有公交车辆(目标公交车辆) 或社会车辆(非目标公交车辆)位于进口可变车道内部的信息。

4、公交所在流向：是指目标公交车辆在交叉口的行驶方向(例如，左转或直行)；公交所在流向的所属相位(称为公交相位)：是指交叉口的信号灯控制方案中，包含公交所在流向的所有信号控制相位；进口可变车道的流向应包含公交所在流向。

5、可变车道控制模块的运行规则可以如下：1)进口可变车道的车道指示信号灯包括三种显示状态，分别为非公交专用、公交专用以及闪烁清空；2) 非公交专用灯亮时，社会车辆和公交车辆均可以进入进口车道排队；公交专用灯亮时，仅允许公交车辆进入排队，社会车辆不得进入，已在车道内排队的社会车辆不受影响；闪烁清空亮时，表示信号灯即将切换到公交专用，提醒上游未进入进口车道的社会车辆换道，无法安全换道的社会车辆可以进入；

3)与进口可变车道相同流向的公交车只能从进口可变车道进入交叉口。

6、绿灯提前功能：是指当公交相位(目标公交车辆相位)显示红灯时，减少其他相位(非目标公交车辆相位)的绿灯显示时间，使公交相位的绿灯提前启亮。

7、绿灯延长功能：是指当公交相位未达到最大绿灯时间时，延长其显示绿灯时间使公交车能够在本周期内通过。

8、公交离开检出机制：是指通过检测公交车是否离开交叉口实时更新信号显示的机制。可以在实施时间优先策略或空间优先策略时同步开启，同时利用车道检测模块的输出结果，实时更新公交车的位置信息。例如，如果在预计绿灯结束时公交车仍在进口车道内，则给予公交相位的单位绿灯延长时间(不超过最大绿灯时间)；当绿灯延长未结束而公交车已经离开交叉口，则提前结束公交相位的绿灯延长时间。

在本申请的示例性实施例中，基于所述的时空协同的公交信号优先控制系统，并在必需的基础设施、检测条件、信息基础和通信条件下可以实现本申请实施例的时空协同公交优先控制方法。

在本申请的示例性实施例中，提供了一种基于车路协同技术、进口车道检测设备、进口可变车道控制技术以及公交信号优先算法的时空协同公交信号优先控制综合方法。在详细介绍本申请实施例的时空协同公交优先控制方法之前，表1给出了该方法所涉及的模型变量、参数及其含义。

表1

在本申请的示例性实施例中，在实施本申请实施例方案之前，可以首先进行系统初始化，确定交叉口基础设施条件和信号灯控制基本参数。

在本申请的示例性实施例中，所述的基本参数具体可以包括进口可变车道的饱和流率s、公交所在流向的车道数N_lane、公交车的启动损失时间T_s、标准小汽车长度l_c、公交相位的有效红灯时间r_e、有效绿灯时间g_e、最大绿灯时间G_max等。

在本申请的示例性实施例中，公交车辆(目标公交车辆)到达交叉口上游，在驶离交叉口之前，公交车辆可以每隔一段时间生成并向交叉口的公交优先控制模块发送公交优先请求(即，目标公交车辆优先通行请求)。

在本申请的示例性实施例中，公交优先控制模块可以接收公交优先请求，获取当前公交车辆及交叉口状态信息(即目标公交车辆状态信息及所述交叉口状态信息)。

在本申请的示例性实施例中，所述目标公交车辆状态信息可以包括以下任意一种或多种：

所述目标公交车辆的当前位置L_i(t)、速度v_i(t)、运行时刻表延误d_i和期望运营速度v_Bi；

所述交叉口状态信息可以包括以下任意一种或多种：

当前时刻目标公交车辆所在流向的排队长度q(t)和平均到达率λ(t)。

在本申请的示例性实施例中，可以首先将本周期公交相位的有效红灯开始时刻标定为时间坐标零点，将公交所在流向的进口停车线标定为空间坐标零点。如图4所示，l₀表示在当前控制条件下目标公交车辆的运行轨迹，l₁表示目标公交车辆按当前速度行驶且不受控制延误时的运行轨迹，l₂表示目标公交车辆按期望运营速度行驶的运行轨迹。

在本申请的示例性实施例中，可以获取当前时刻t，当前公交所在流向的排队长度q(t)和平均到达率λ(t)；公交车的当前位置L_i(t)、速度v_i(t)、运行时刻表延误d_i、期望运营速度v_Bi。其中排队长度可由进口可变车道的车道检测器测得，平均到达率可由最近5～15分钟的实时流量估计，目标公交车辆状态信息可由公交运营系统、公交自动定位系统和车路协同系统获取得到。

在本申请的示例性实施例中，根据所述目标公交车辆优先通行请求可以首先判断所述目标公交车辆距离所述交叉口是否过远。

在本申请的示例性实施例中，所述根据所述目标公交车辆优先通行请求判断所述目标公交车辆距离所述交叉口是否过远，可以包括：

获取当前目标公交车辆的目标公交车辆状态信息及交叉口状态信息；

根据所述目标公交车辆状态信息及所述交叉口状态信息计算所述目标公交车辆到达交叉口停车线的理论到达时刻；

根据所述理论到达时刻距离当前时刻的时长大小判断所述目标公交车辆距离所述交叉口是否过远。

在本申请的示例性实施例中，可以由公交优先控制模块根据所述目标公交车辆状态信息及所述交叉口状态信息计算所述目标公交车辆到达交叉口停车线的理论到达时刻，并根据计算结果判断所述目标公交车辆距离所述交叉口是否过远。

在本申请的示例性实施例中，计算理论到达停车线的时刻可以通过以下计算式实现：

在本申请的示例性实施例中，如果判定公交车辆距离所述交叉口过远，则确定无法在本周期内为公交车辆提供优先通行，并拒绝本次的目标公交车辆优先通行请求，并重新接受新的目标公交车辆优先通行请求；如果判定公交车辆距离所述交叉口并未过远，可以确定公交车辆应采用的车辆优先策略。

在本申请的示例性实施例中，根据交叉口当前信号控制方案，判断是否有PT_i≥2r_e+g_e。若是，则目标公交车辆距离过远，该请求不予响应；否则确定公交车辆应采用的车辆优先策略，例如，根据当前信号灯控制显示状态，确定能够为本相位提供的最大绿灯提前时间G_cmax。

在本申请的示例性实施例中，所述确定所述目标公交车辆应采用的公交车辆优先控制策略，可以包括：

根据所述目标公交车辆状态信息及所述交叉口状态信息计算所述目标公交车辆离开所述交叉口的理论离开时刻；

当所述目标公交车辆的理论离开时刻等于或落后于所述目标公交车辆运行时刻表的设定时刻时，根据所述理论离开时刻计算结果建立并求解单目标优化模型，根据所述单目标优化模型确定针对所述目标公交车辆优先通行请求采用的公交车辆优先控制策略；其中，所述单目标优化模型以目标公交车辆运行时刻表延误绝对值最小为目标函数。

在本申请的示例性实施例中，公交车辆的理论离开时刻的计算方法可以如下：

(1)计算当前控制方案下的公交理论离开时间：

首先计算公交所在流向的停止波速和启动波速：

w₂＝sl_c。 (3)

计算公交车的假想停车时间和假想排队位置：

q(T_1i)＝q(t)+w₁(T_1i-t)。 (5)

如图5所示，计算公交车对应的临界红灯时刻：

判断公交车是否在本周期停车排队：

其中M为大数，上式保证了r_e＞r_ci时

否则

计算公交车i在本周期的理论离开时刻：

因此判断在当前控制方案下，公交车i是否在本周期绿灯结束后滞留排队而无法通过交叉口：

上式保证了DT_i0＞r_e+g_e时ψ_i＝1，否则ψ_i＝0。

如图6所示，计算当前控制方案下公交车i的实际离开时刻：

则当前公交车i的控制延误为：

D_ic＝DT_i-PT_i。 (11)

(2)计算时空协同优先方案下的模型参数：

1)采用绿灯提前时，本周期的有效红灯长度变为：

r′_e＝r_e-ΔG₁； (12)

2)采用绿灯延长时，本周期的有效绿灯长度变为：

g′_e＝g_e+ΔG₂； (13)

3)采用空间优先方案时，w₁＝0，从而如图7所示，有：

w′₁＝(1-x)w₁；

此时临界红灯时间时间变为：

(3)计算时空协同优先方案下的公交理论离开时刻：

此时，式(7)～式(11)分别变为

D′_ic＝DT′_i-PT_i；(19)

所述的单目标优化模型具体如下：

在本申请的示例性实施例中，目标函数((20)的第一项为，在最优方案下，公交车在离开交叉口后的运行时刻表延误；第二项保证了在不影响优化后延误的前提下最小化对原本相位方案的影响，其中K可以为一个较小数，如0.01。

在本申请的示例性实施例中，求解该单目标优化模型，得到决策变量x、ΔG₁、ΔG₂。其中，x＝1时，表示使用空间优先策略，x＝0表示不使用空间优先策略；ΔG₁＞0或ΔG₂＞0表示使用时间优先策略，二者分别表示该周期执行提前和延长的有效绿灯时长。

在本申请的示例性实施例中，所述根据所述单目标优化模型确定针对所述目标公交车辆优先通行请求采用的车辆优先策略，可以包括：

当所述单目标优化模型的第一决策变量最优值等于预设值时，采用所述空间优先策略；

当所述单目标优化模型的第二决策变量的最优值、和第三决策变量的最优值中的其一大于预设阈值时，采用所述时间优先策略；

当同时满足上述采用所述空间优先策略、采用所述时间优先策略的条件时，采用所述时空一体化优先策略。

在本申请的示例性实施例中，所述方法还可以包括：

当所述目标公交车辆的理论离开时刻提前于所述目标公交车辆运行时刻表的设定时刻时，忽略所述理论离开时刻以拒绝向所述目标公交车辆提供所述公交车辆优先控制策略。

在本申请的示例性实施例中，所述时间优先策略可以包括：根据绿灯提前功能或绿灯延长功能确定目标公交车辆相位的开始时刻和结束时刻，并根据目标公交车辆相位的开始时刻和结束时刻更新信号控制方案；

所述绿灯提前功能可以包括：当所述目标公交车辆相位显示红灯时，减少所述非目标公交车辆相位的绿灯显示时长，以使得目标公交车辆相位的绿灯提前启亮；

所述绿灯延长功能可以包括：当所述目标公交车辆相位未达到最大绿灯时长时，延长所述目标公交车辆相位的绿灯时长，以使得所述目标公交车辆能够在本周期内通过所述交叉口；

所述空间优先策略可以包括：将进口可变车道切换为目标公交车辆专用进口车道，拒绝非目标公交车辆进入所述目标公交车辆专用进口道进行排队。

在本申请的示例性实施例中，在确定所述目标公交车辆应采用的公交车辆优先控制策略之前，所述方法还可以包括：

开启目标公交车辆检出机制，在根据所述目标公交车辆检出机制检测出目标公交车辆离开交叉口前，拒绝后续的其他公交车辆的优先通行请求。

在本申请的示例性实施例中，根据目标公交车辆状态信息及所述交叉口状态信息，计算在当前控制方案下该公交车辆的理论离开时刻。建立以公交车辆运行时刻表延误绝对值最小为目标函数的单目标优化模型，求解该模型，确定针对该公交优先请求的时间或空间优先策略。

在本申请的示例性实施例中，公交车辆优先控制策略信息具体可以包括如下：1)交叉口信号控制的显示状态(例如更新后的信号显示情况，当前已显示的红/绿灯时长，剩余红/绿灯时长)；2)提示目标公交车辆本交叉口已为其提供优先；3)若采用空间优先，则指示进口可变车道的位置，提示公交车可从该车道进入交叉口；4)若采用时间优先，则推荐公交车按当前行驶速度继续行驶进入交叉口。

在本申请的示例性实施例中，若执行空间优先策略或时间优先策略，则开启公交车辆检出机制，在目标公交车辆离开交叉口前，拒绝后续其他公交车辆的优先通行请求。

在本申请的示例性实施例中，若执行空间优先策略，则进口可变车道切换为公交专用进口车道，不允许社会车辆进入排队。

在本申请的示例性实施例中，若执行时间优先策略，则可以根据绿灯提前或绿灯延长策略优化结果确定公交相位的开始和结束时刻，并更新信号控制方案。

在本申请的示例性实施例中，若执行时间优先策略或空间优先策略，则可以由车路协同系统向目标公交车辆发送执行的公交车辆优先控制策略信息。

在本申请的示例性实施例中，在向到达所述交叉口的目标公交车辆发送所确定的公交车辆优先控制策略的相关信息之后，所述方法还可以包括：

检测所述目标公交车辆的实时位置和检出状态，根据所述目标公交车辆检出机制检测出所述目标公交车辆离开所述交叉口后，关闭所述目标公交车辆检出机制，使所述交叉口的信号灯方案变换为原始方案，并将所述进口可变车道由目标公交车辆专用车道切换为普通车道。

在本申请的示例性实施例中，如图8所示，时空协同的公交信号优先控制方法的完整执行步骤可以包括：

步骤0：系统初始化，确定交叉口基础设施条件和信号控制基本参数。

步骤1：公交车辆到达交叉口上游，在驶离交叉口之前，公交车每隔一段时间生成并向交叉口的公交优先控制模块发送公交优先请求。

步骤2：接收公交优先请求，获取当前公交车辆及交叉口状态信息。

步骤3：预测公交车辆到达交叉口停车线的理论时刻，判断公交车距离是否过远，若是，则无法在本周期提供优先，拒绝本次公交优先请求，回到步骤1；否则，继续下一步骤。

步骤4：根据目标公交车辆状态信息及交叉口状态信息，计算在当前控制方案下该公交车辆的理论离开时刻。

步骤5：建立以公交车辆运行时刻表延误绝对值最小为目标函数的单目标优化模型，求解该模型，确定针对该公交优先请求的时间或空间优先策略。

步骤61：若执行空间优先策略或时间优先策略，则开启公交车辆检出机制，在公交车离开交叉口前，拒绝后续其他公交优先请求。

步骤62：若执行空间优先策略，则进口可变车道切换为公交专用进口道，不允许社会车辆进入排队。

步骤63：若执行时间优先策略，则根据绿灯提前或绿灯延长策略优化结果确定公交相位的开始和结束时刻，并更新信号控制方案。

步骤7：若执行时间或空间优先策略，车路协同系统向到达的公交车发送执行的公交车辆优先控制策略信息。

步骤8：更新系统状态、公交车辆实时位置和检出状态。

步骤9：公交车辆离开交叉口后，关闭检出机制，使所述交叉口的信号灯方案变换为原始方案，并将所述进口可变车道由目标公交车辆专用车道切换为普通车道。

与现有技术相比，本申请实施例方案的优势包括以下几点：

1、提供了一种时空协同公交信号优先的方式，相比于交叉口的传统时间优先(公交信号优先)和固定式的空间优先(进口公交专用道)方式，本申请实施例同时实时优化交叉口信号和利用进口道路空间资源，结合时间优先和空间优先的特点，采用时空协同优先的方法，给予公交车充分的时间和空间资源，从而进一步提高优先车辆在交叉口的通行效率和整个交叉口时空资源的使用效率。本申请实施例能够适用于不具备设置路段公交专用道条件的城市道路，针对大部分城市交叉口，利用交叉口进口展宽段设置可变车道，同时配合公交信号优先控制，在交叉口附近区域实现公交车的优先通行，提供了提高空间优先效率的有效措施。

2、本申请实施例使公交车的实际运行条件在公交优先控制中充分量化考虑，即充分考虑公交车辆运行时刻表延误的绝对值，对于延误较多的公交车，可以采用时空协同优先的方式，最大限度地给予优先；对于延误较少的公交车，则选择仅使用时间优先策略或空间优先策略，给予适度的优先通行权；而对于提前于运行时刻表的公交车则不会给予优先。这种控制方式能够有条件、有针对性地给予公交车辆优先通行权，从而避免资源浪费，提高优先效率。

3、提供了一种面向车路协同环境的公交优先控制方法。当公交车离开车站时，公交运行系统就可以立刻采集运行时刻表延误、生成公交优先请求。通过车路协同技术，能够在公交车到达交叉口进口之前预测其到达时刻，确定相应的优先策略并向公交车反馈，指示其是否得到优先，以及推荐合适的行驶速度和进口车道等。这种通信方式会实时更新，其预测精度随着公交车临近交叉口而不断上升，从而大幅提高了优先控制的决策精度和效率。

4、本申请实施例方案的实现方法简单、计算效率高，控制方法与传统公交信号优先方法不冲突，能够应用于实际城市道路的公交优先系统中。

在本申请的示例性实施例中，下面结合附图和具体实施例来对本申请实施例方案进行详细说明。本实施方式以本申请的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流程。

在本申请的示例性实施例中，使用图3所示的交叉口设计示例。图示中，南进口第2车道设进口可变车道，同时设有相应的车道指示信号灯，用以指示该进口车道处于公交专用还是非专用状态。从上游路段进入可变车道的区域设机动车禁停区，车辆不得在此区域内排队等待。途径该交叉口的公交线路为南进口直行方向，在进口上游500m处设公交车站。公交线路的期望运营速度为20km/h。交叉口采用四相位信号方案(如图9所示)，其中相位1为公交所在相位，可知公交所在流向的有效绿灯时间g_e＝28s，有效红灯时间 r_e＝112s，采用感应控制策略时，最大绿灯时间G_max＝50s，允许给予本相位绿灯提前的最长时间G_cmax＝30s。取公交车的启动损失时间T_s＝5s，排队中的标准小汽车长度l_c＝6.3m，公交车所在流向的进口车道饱和流率为 s＝1500pcu/h。

在本申请的示例性实施例中，下面结合两种公交车到达交叉口的具体实例，对本申请实施例方案提供的控制系统和控制方法进行详细说明：

(1)公交车晚点于运行时刻表到达

根据步骤1，首先公交车驶离上游公交车站，以相位1的红灯启亮时刻为时间原点，当前时刻为t＝100s，此时交叉口的公交相位显示红灯，公交车距离交叉口500m，公交行驶速度为35km/h。公交车获取当前运行时刻表延误为 35s，同时向交叉口发送公交优先请求。

根据步骤2，由车路协同模块接收上述公交运行信息，车道检测模块获取当前排队占用长度为63m，同时根据10min以内的数据得知，当前进口可变车道的实时到达率为180pcu/h。

根据步骤3，由式(1)计算公交车到达交叉口的理论时刻为：

PT_i＝151.4s≤2r_e+g_e＝252s；

车辆距离交叉口较近，因此能够响应本车辆的优先请求。

根据步骤4，由式(2)～(19)计算得，在当前方案下，公交车的实际离开时间为DT_i＝259.3s，控制延误为D_ic＝107.8s。由式((20)的第一项得，相对于运行时刻表，该交叉口的原本控制方案使得公交车的延误从35s进一步增加到了104.4s。

根据步骤5，如式((20)、式((21)所示，建立本车辆运行时刻表延误绝对值最小化的单目标优化函数。求解该优化问题，得ΔG₁＝0，ΔG₂＝12s，x＝1，此时目标函数最小值为

优化结果表明，对于该公交车的优先请求，在本周期内同时采用绿灯延长和空间优先的时空协同优先策略，其中绿灯延长的延长量为12s。在当前条件下，优化后公交车的理论离开时间为 DT′_i＝151.4s，控制延误为D′_ic＝0s。由式((20)的第一项得，相比原本控制方案，该交叉口的时空协同优化方案使得公交车的延误从104.4s减小到了-3.49s。

根据步骤6，开启公交检出机制，拒绝其他公交车在该公交车离开前的请求，同时可变车道指示灯切换为闪烁清空，之后切换为公交专用状态；公交优先控制模块执行当前周期的绿灯延长方案。

根据步骤7，由车路协同系统向该车辆发送公交车辆优先控制策略信息，具体内容包括：1)系统已向该车辆提供公交优先，经过交叉口后，该车辆的运行时刻表延误将降低至提前3.49s；2)指示公交车辆经交叉口南进口的第二车道(可变车道)进入交叉口，该车道已开启公交专用优先；3)指示公交车辆按当前速度行驶，从而得到本次公交优先进入交叉口。

根据步骤8，在公交车辆接近交叉口时，更新其状态和相应的优先控制方案，此处从略。

根据步骤9，当车道检测模块和车路协同模块检测到该公交车离开交叉口时，关闭公交优先检出机制，公交优先模块将控制方案切换为普通方案，可变车道指示灯切换为非公交专用状态。

(2)公交车提前于运行时刻表到达

根据步骤1，首先公交车驶离上游公交车站，以相位1的红灯启亮时刻为时间原点，当前时刻为t＝110s，此时交叉口的公交相位显示红灯，公交车距离交叉口430m，公交行驶速度为35km/h。公交车获取当前运行时刻表延误为 -50s(即公交车提前于运行时刻表50s)，同时向交叉口发送公交优先请求。

根据步骤2，由车路协同模块接收上述公交运行信息，车道检测模块获取当前排队占用长度为13.2m，同时根据10min以内的数据得知，当前进口可变车道的实时到达率为180pcu/h。

根据步骤3，由式(1)计算公交车到达交叉口的理论时刻为：

PT_i＝154.2s≤2r_e+g_e＝252s；

车辆距离交叉口较近，因此能够响应本车辆的优先请求。

根据步骤4，由式(2)～(19)计算得，在当前方案下，公交车的实际离开时间为DT_i＝258.4s，控制延误为D_ic＝104.1s。由式((20)的第一项得，相对于运行时刻表，该交叉口的原本控制方案使得公交车的延误从-50s变为21.1s。

根据步骤5，同样地求解本车辆运行时刻表延误绝对值最小化的单目标优化问题，得ΔG₁＝20s，ΔG₂＝0，x＝1，此时目标函数最小值为F_i ^*＝0.34s。优化结果表明，对于该公交车的优先请求，在本周期内同时采用绿灯提前和空间优先的时空协同优先策略，其中绿灯提前的提前量为20s。在当前条件下，优化后公交车的理论离开时间为DT′_i＝237s，控制延误为D′_ic＝82.8s。由式 ((20)的第一项得，相比原本控制方案，该交叉口的时空协同优化方案使得公交车的延误变为-0.34s，几乎保证了经过该交叉口后准时进入下一公交车站。

根据步骤6，开启公交检出机制，拒绝其他公交车在该公交车离开前的请求，同时可变车道指示灯切换为闪烁清空，之后切换为公交专用状态；公交优先控制模块执行当前周期的绿灯提前方案。

根据步骤7，由车路协同系统向该车辆发送公交车辆优先控制策略信息，具体内容包括：1)该车辆目前提前于运行时刻表，但现有控制方案会导致延误，系统已向该车辆提供公交优先，经过交叉口后，该车辆将准时到达下一车站；2)指示公交车辆向交叉口南进口的第二车道(可变车道)进入交叉口，该车道已开启公交专用优先；3)指示公交车辆按当前速度行驶，从而获得相应的时空优先。

根据步骤8，更新其状态和相应的优先控制方案，此处从略。

根据步骤9，当车道检测模块和车路协同模块检测到该公交车离开交叉口时，关闭公交优先检出机制，公交优先模块将控制方案切换为普通方案，可变车道指示灯切换为非公交专用状态。

本申请实施例还提供了一种时空协同的公交优先控制装置1，如图10所示，可以包括处理器11和计算机可读存储介质12，所述计算机可读存储介质 12中存储有指令，当所述指令被所述处理器执行时，实现上述任意一项所述的时空协同的公交优先控制方法。

在本申请的示例性实施例中，上述的公交信号优先控制实施例中的任意实施例均适用于该装置实施例中，在此不再一一赘述。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质) 和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims (10)

1.一种时空协同的公交优先控制方法，其特征在于，所述方法包括：

在目标公交车辆到达进入交叉口之前的设定区域之后，直至驶离所述交叉口之前的时段，由所述目标公交车辆每隔第一预设时长生成并发送目标公交车辆优先通行请求；

根据所述目标公交车辆优先通行请求判断所述目标公交车辆距离所述交叉口是否过远；

当判定所述目标公交车辆距离所述交叉口过远时，拒绝本次的目标公交车辆优先通行请求，并重新接受新的目标公交车辆优先通行请求；当判定所述目标公交车辆距离所述交叉口并未过远时，确定所述目标公交车辆应采用的公交车辆优先控制策略，向到达所述交叉口的目标公交车辆发送所确定的公交车辆优先控制策略的相关信息，以控制所述目标公交车辆优先通过所述交叉口；其中，所述公交车辆优先控制策略包括：时间优先策略、空间优先策略或时空一体化优先策略。

2.根据权利要求1所述的时空协同的公交优先控制方法，其特征在于，所述根据所述目标公交车辆优先通行请求判断所述目标公交车辆距离所述交叉口是否过远，包括：

获取当前目标公交车辆的目标公交车辆状态信息及交叉口状态信息；

根据所述目标公交车辆状态信息及所述交叉口状态信息计算所述目标公交车辆到达交叉口停车线的理论到达时刻；

根据所述理论到达时刻距离当前时刻的时长大小判断所述目标公交车辆距离所述交叉口是否过远。

3.根据权利要求1所述的时空协同的公交优先控制方法，其特征在于，所述确定所述目标公交车辆应采用的公交车辆优先控制策略，包括：

根据所述目标公交车辆状态信息及所述交叉口状态信息计算所述目标公交车辆离开所述交叉口的理论离开时刻；

根据所述理论离开时刻计算结果及所述交叉口状态信息，建立并求解单目标优化模型，根据所述单目标优化模型确定针对所述目标公交车辆优先通行请求采用的公交车辆优先控制策略；其中，所述单目标优化模型以目标公交车辆运行时刻表延误绝对值最小为目标函数。

4.根据权利要求3所述的时空协同的公交优先控制方法，其特征在于，所述根据所述单目标优化模型确定针对所述目标公交车辆优先通行请求采用的公交车辆优先控制策略，包括：

当所述单目标优化模型的第一决策变量最优值等于预设时，采用所述空间优先策略；

当所述单目标优化模型的第二决策变量的最优值和第三决策变量的最优值中的其一大于预设阈值时，采用所述时间优先策略；

当同时满足上述采用所述空间优先策略、采用所述时间优先策略的条件时，采用所述时空一体化优先策略。

5.根据权利要求3所述的时空协同的公交优先控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述目标公交车辆的理论离开时刻提前于所述目标公交车辆运行时刻表的设定时刻时，忽略所述理论离开时刻以拒绝向所述目标公交车辆提供所述公交车辆优先控制策略。

6.根据权利要求2-5任意一项所述的时空协同的公交优先控制方法，其特征在于，

所述目标公交车辆状态信息包括以下任意一种或多种：

所述目标公交车辆的当前位置L_i(t)、速度v_i(t)、运行时刻表延误d_i和期望运营速度v_Bi；

所述交叉口状态信息包括以下任意一种或多种：

当前时刻目标公交车辆所在流向的排队长度q(t)和平均到达率λ(t)。

7.根据权利要求1-5任意一项所述的时空协同的公交优先控制方法，其特征在于，

所述时间优先策略包括：根据绿灯提前功能或绿灯延长功能确定目标公交车辆相位的开始时刻和结束时刻，并根据目标公交车辆相位的开始时刻和结束时刻更新信号等方案；

所述绿灯提前功能包括：当所述目标公交车辆相位显示红灯时，减少非目标公交车辆相位的绿灯显示时长，以使得目标公交车辆相位的绿灯提前点亮；

所述绿灯延长功能包括：当所述目标公交车辆相位未达到最大绿灯时长时，延长所述目标公交车辆相位的绿灯时长，以使得所述目标公交车辆能够在本周期内通过所述交叉口；

所述空间优先策略包括：将进口可变车道切换为目标公交车辆专用进口道，拒绝非目标公交车辆进入所述目标公交车辆专用进口道进行排队。

8.根据权利要求7所述的时空协同的公交优先控制方法，其特征在于，在确定所述目标公交车辆应采用的公交车辆优先控制策略之前，所述方法还包括：

开启目标公交车辆检出机制，在根据所述目标公交车辆检出机制检测出目标公交车辆离开交叉口前，拒绝后续的目标公交车辆优先通行请求。

9.根据权利要求8所述的时空协同的公交优先控制方法，其特征在于，在向到达所述交叉口的目标公交车辆发送所确定的公交车辆优先控制策略的相关信息之后，所述方法还包括：

检测所述目标公交车辆的实时位置和检出状态，根据所述目标公交车辆检出机制检测出所述目标公交车辆离开所述交叉口后，关闭所述目标公交车辆检出机制，使所述交叉口的信号灯方案变换为原始方案，并将所述进口可变车道由目标公交车辆专用车道切换为普通车道。

10.一种时空协同的公交优先控制装置，包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，其特征在于，当所述指令被所述处理器执行时，实现如权利要求1-9任意一项所述的时空协同的公交优先控制方法。

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