CN115223372B - 一种基于区段优先的公交信号优先控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区段优先的公交信号优先控制方法，主要包括如下步骤：首先采集研究道路区段内的公交信号优先基础数据；其次，确定交叉口各相位的理论信号优先请求时长，并对交叉口各相位的实际信号优先时长进行约束；再针对多公交优先请求进行防冲突约束；建立公交优先请求方案下交叉口各相位对应的绿灯时长关系式，并对优化后的绿灯时长进行约束；最后以公交车获得信号优先节省的乘客总延误最大为目标函数，优化获得公交优先请求结果和交叉口信号配时方案。本发明方法主要针对城市道路上多交叉口多线路多冲突公交信号优先请求控制问题，本方法的目标不仅是减少公交乘客延误，还考虑了优先让与交叉口相匹配的公交车辆获得信号优先权，以实现区段公交信号优先控制。

Description

一种基于区段优先的公交信号优先控制方法

技术领域

本发明属于交通控制领域，更具体地说，涉及一种基于区段优先的公交信号优先控制方法。

背景技术

公交车具有运量大、人均排放量低等优点，且公交信号优先的实施能有效保障乘客出行效率，进而提高公交吸引力。现有公交信号优先控制方法主要从以下四个方面展开：①公交车头时距均衡，②干线协调控制，③延误最小，④基于先到先服务(First ComeFirst Served，FCFS)。以上方法的公交优先效果不显著，且无法为特定的公交车辆提供优先权。

已有大量研究成果表明，公交信号优先的实施能为乘客出行效益提供有效保障，进一步提高公交吸引力。而交叉口公交信号优先控制环境下，存在着公交信号优先不准(应该获得信号优先却没有获得优先权)的问题，尤其是存在特定公交线路需要获得首要优先权的情况下，此时现有公交信号优先控制方法无法解决这一问题。

因此，基于以上不足，本发明提出一种基于区段优先的公交信号优先控制方法，首先满足特定公交线路的信号优先请求，再解决多线路多冲突公交信号优先请求控制问题。该方法基于区段公交信号优先控制思想，在公交线路与道路优先区段相匹配的基础上，实现优先区段内的交叉口为与之相匹配的公交车辆提供首要信号优先权，以保障特定公交线路在该区段道路的通行效益，再按照公交车内乘客总延误越大越应获得优先权作为信号优先原则，以实现交叉口信号优先控制。其中首先满足特定公交线路的信号优先请求，再考虑其它非优先线路的公交优先请求是本专利重点解决的问题。

发明内容

技术问题：现有公交信号优先研究主要从先到先服务、公交车头时距均衡和确定公交优先请求顺序等方面出发，针对以上方法难以实现为特定的公交线路车辆提供首要信号优先权的不足，本发明的目的是提供一种基于区段优先的公交信号优先控制方法，在交叉口首先为特定公交线路提供信号优先请求服务，再为其它公交线路车辆提供信号优先请求服务。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于区段优先的公交信号优先控制方法，包含如下步骤：

步骤1：采集研究道路区段内的交叉口数量，用m表示，并将交叉口进行编号，用I表示，I＝{1，2...，m}；采集通过各交叉口的公交线路数量，用a表示，并将公交线路进行编号，用R表示，R＝{1，2...，a}；采集当前时刻交叉口i的公交车数量，用n表示，并将公交车进行编号，用B表示，B＝{1，2...，n}；采集交叉口的信号相位数量，用j表示，并将信号相位进行编号，用P表示，P＝{1，2...，j}；采集线路为r编号为b的公交车在交叉口i相位p的乘客数，用表示，其中r∈R，b∈B，i∈I，p∈P，单位为人每辆；采集交叉口i相位p的现状绿灯时长，用G_ip表示，其中i∈I，p∈P，单位为秒；采集各交叉口的信号周期时长，用C_i表示，其中i∈I；采集交叉口i相位p的最小绿灯时长，用/>表示，其中i∈I，p∈P，单位为秒；采集线路为r编号为b的公交车在交叉口i相位p的公交优先时长，绿灯延长时间用/>表示，红灯早断时间用/>表示，其中r∈R，b∈B，i∈I，p∈P，单位为秒；采集交叉口i相位p的公交优先策略，用0-1参数σ_ip表示，σ_ip＝1 表示绿灯延长，σ_ip＝0表示红灯早断，其中i∈I，p∈P；采集公交线路r和交叉口i的匹配情况，用0-1参数/>表示，/>表示公交线路r和交叉口i相匹配，当公交线路为r的公交车通过交叉口i时，首先满足该公交车的优先请求，该公交车享有首要优先权；/>表示公交线路r和交叉口i不相匹配，该公交车在交叉口没有首要优先权，其中i∈I，r∈R。

步骤2：建立公交信号优先请求和交叉口信号配时方案的关系式，主要包括：①建立交叉口优先相位执行信号优先时长的关系式，②建立交叉口全部信号相位的公交优先请求防冲突约束关系式，③建立交叉口公交优先时长、优先策略和信号配时方案的关系式。

所述步骤2，包含如下步骤：

步骤21：首先确定交叉口各相位的理论信号优先请求时长；交叉口各相位的理论绿灯延长时间等于该相位下全部公交优先请求中最长的绿灯延长时间，如公式(1)所示，交叉口各相位的理论红灯早断时间等于该相位下全部公交优先请求中最长的红灯早断时间，如公式(2)所示：

公式(1)中，GE_ip表示交叉口i相位p的理论绿灯延长时长，表示线路为r编号为b的公交车在交叉口 i相位p请求绿灯延长的时长，单位均为秒；公式(2)中，RT_ip表示交叉口i相位p的理论红灯早断时长，/>表示线路为r编号为b的公交车在交叉口i相位p请求红灯早断的时长，单位均为秒；公式(1)和公式(2)中，δ_ip为0-1变量，表示交叉口i相位p是否执行公交优先请求，δ_ip＝1表示执行公交信号优先请求，δ_ip＝0表示不执行公交信号优先请求。

其次对交叉口各相位的实际绿灯延长时长和实际红灯早断时长进行限制，满足的约束如公式(3)和公式 (4)所示：

公式(3)中，表示交叉口i相位p的实际绿灯延长时长，单位均为秒；公式(4)中，/>表示交叉口i相位p的实际红灯早断时长，单位均为秒。

步骤22：建立交叉口全部信号相位的公交优先请求防冲突约束关系式，前一相位实施绿灯延长策略与下一相位实施红灯早断策略存在冲突，此时最多只能执行一种公交优先请求，满足的约束如公式(5)所示：

公式(5)中，σ_ip表示交叉口i相位p的公交优先策略，σ_i，p+1表示交叉口i相位p+1的公交优先策略，δ_ip表示交叉口i相位p是否执行公交优先请求，δ_i，p+1表示交叉口i相位p+1是否执行公交优先请求。

步骤23：优化后各相位的绿灯时长如公式(6)所示，满足的约束如公式(7)和公式(8)所示：

公式(6)-(8)中，G′_ip表示交叉口i相位p优化后各相位的绿灯时长，单位为秒。

步骤3：根据公交线路和交叉口的匹配情况和公交乘客数，以公交车获得信号优先节省的乘客总延误最大为目标函数，如公式(9)所示，实现优先让公交延误越大和与交叉口相匹配的公交车获得信号优先权；

公式(9)中，M表示一个大正数；结合公式(1)-(9)，优化获得公交优先请求结果和交叉口信号配时方案。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明方法能为与交叉口相匹配的特定公交线路车辆提供首要信号优先权，保障了特定公交线路车辆在优先区段道路内交叉口的通行效益，此外，本发明方法对交叉口各信号相位的冲突优先请求进行了防冲突约束，以解决交叉口多冲突公交优先请求控制问题，获取最佳公交信号优先请求控制方案和交叉口对应的信号配时方案。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明方法实施例的研究对象示意图；

图3为本发明方法实施例的交叉口与公交线路匹配示意图；

图4为本发明方法实施例的交叉口信号相位示意图；

图5为本发明方法实施例的公交信号优先请求情况示意图。

具体实施方式

结合附图和实施例，对本发明方法作详细的描述如下：

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明方法实施例的研究对象示意图，实施例中包含了2个交叉口，8条公交线路，公交线路编号如图2所示。

图3为本发明方法实施例的交叉口与公交线路匹配示意图，交叉口与公交线路进行匹配时，该交叉口优先为与之相匹配的公交线路提供信号优先权，如图3所示，交叉口1与公交线路4相匹配，因此交叉口 1优先为公交线路4提供优先权，交叉口2与公交线路2相匹配，故交叉口2优先为公交线路2提供优先权。

图4为本发明方法实施例的交叉口信号相位示意图，两个交叉口的信号相位相同，均为4相位，第一相位为东西左转，第二相位为东西直行，第三相位为南北左转，第四相位为南北直行。

图5为本发明方法实施例的公交信号优先请求情况示意图。

根据步骤1所述，采集研究道路区段内一个信号周期的基础数据，交叉口现状信号配时参数见表1所示，两个交叉口的信号周期时长C₁＝C₂＝160秒，将当前时刻发出信号优先请求的公交车辆按照时间先后顺序进行编号，各公交车辆在交叉口对应的乘客数和优先请求时长见表2所示，交叉口各相位信号优先策略见表3所示，σ_ip＝1表示优先策略为绿灯延长，σ_ip＝0表示优先策略为红灯早断。采集公交线路r和交叉口i的匹配情况，用0-1参数表示，/>表示公交线路r和交叉口i相匹配，当公交线路为r的公交车通过交叉口i时，首先满足该公交车的优先请求，该公交车享有首要优先权；/>表示公交线路r和交叉口i不相匹配，该公交车在交叉口没有首要优先权，具体情况见表4所示。

表1交叉口现状信号配时参数

表2公交乘客数和信号优先请求时长

表3交叉口各相位信号优先策略

表4公交线路和交叉口的匹配情况

根据步骤2，建立公交信号优先请求和交叉口信号配时方案的关系式，再结合步骤3，以公交车获得信号优先节省的乘客总延误最大为目标函数，其中大正数M的取值为1000，优化得到交叉口一个信号周期内的公交优先执行情况δ_ip和信号配时方案，结果见表5，在交叉口1处，可见相位一执行了公交信号优先请求，将绿灯时间延长了8秒，相位二和相位三没有执行公交信号优先请求，相位四执行了公交信号优先请求，该相位的绿灯时间早启了9秒；在交叉口2处，可见相位一、相位二和相位三都执行了公交信号优先请求，分别将绿灯时间延长了8秒、13秒、7秒，相位四没有执行公交信号优先请求。执行公交信号优先请求后交叉口各相位的绿灯时长如表5所示。

表5一个信号周期内的公交优先执行情况和信号配时方案

Claims (2)

1.一种基于区段优先的公交信号优先控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：采集研究道路区段内的公交优先基础数据，主要包括：①区段内的交叉口数量和交叉口信号相位情况，②通过各交叉口的公交线路数量，③公交车在交叉口的乘客数，④全部交叉口的信号配时方案，⑤交叉口各相位最小绿灯时长，⑥全部公交车的优先请求时间和优先策略，⑦公交线路和交叉口的匹配情况；

步骤2：建立公交信号优先请求和交叉口信号配时方案的关系式，主要包括：①建立交叉口优先相位执行信号优先时长的关系式，②建立交叉口全部信号相位的公交优先请求策略防冲突约束关系式，③建立交叉口公交优先时长、优先策略和信号配时方案的关系式；

步骤3：结合公交区段优先思想，交叉口优先为与之相匹配的公交线路提供优先权，以公交优先节省的乘客总延误最大为目标函数，优化获得公交优先请求结果和交叉口信号配时方案；

所述步骤1中，基础数据的采集包括如下步骤：

步骤11：采集研究道路区段内的交叉口数量，用m表示，并将交叉口进行编号，用I表示，I＝{1,2…,m}；采集通过各交叉口的公交线路数量，用a表示，并将公交线路进行编号，用R表示，R＝{1,2…,a}；采集当前时刻交叉口i的公交车数量，用n表示，并将公交车进行编号，用B表示，B＝{1,2…,n}；采集交叉口的信号相位数量，用j表示，并将信号相位进行编号，用P表示，P＝{1,2…,j}；采集线路为r编号为b的公交车在交叉口i相位p的乘客数，用表示，其中r∈R，b∈B，i∈I，p∈P，单位为人每辆；采集交叉口i相位p的现状绿灯时长，用G_ip表示，其中i∈I，p∈P，单位为秒；采集各交叉口的信号周期时长，用C_i表示，其中i∈I；采集交叉口i相位p的最小绿灯时长，用/>表示，其中i∈I，p∈P，单位为秒；采集线路为r编号为b的公交车在交叉口i相位p的公交优先时长，绿灯延长时间用/>表示，红灯早断时间用表示，其中r∈R，b∈B，i∈I，p∈P，单位为秒；采集交叉口i相位p的公交优先策略，用0-1参数σ_ip表示，σ_ip＝1表示绿灯延长，σ_ip＝0表示红灯早断，其中i∈I，p∈P；采集公交线路r和交叉口i的匹配情况，用0-1参数/>表示，/>表示公交线路r和交叉口i相匹配，当公交线路为r的公交车通过交叉口i时，首先满足该公交车的优先请求，享有首要优先权；表示公交线路r和交叉口i不相匹配，该公交车在交叉口没有首要优先权，其中i∈I，r∈R；

所述步骤3，包含如下步骤：

步骤31：根据公交线路和交叉口的匹配情况和公交乘客数，以公交车获得信号优先节省的乘客总延误最大为目标函数，如公式(1)所示，实现优先让公交延误越大和与交叉口相匹配的公交车获得信号优先权；

公式(1)中，D表示公交车获得信号优先节省的乘客总延误，单位为秒，表示线路为r编号为b的公交车在交叉口i相位p的乘客数，单位为人每辆，δ_ip为0-1变量，表示交叉口i相位p是否执行公交优先请求，δ_ip＝1表示执行公交信号优先请求，δ_ip＝0表示不执行公交信号优先请求，σ_ip表示交叉口i相位p的公交优先策略，为0-1参数，σ_ip＝1表示绿灯延长，σ_ip＝0表示红灯早断，/>表示线路为r编号为b的公交车在交叉口i相位p请求绿灯延长的时长，单位为秒，/>表示线路为r编号为b的公交车在交叉口i相位p请求红灯早断的时长，单位为秒，/>表示公交线路r和交叉口i的匹配情况，为0-1参数，/>表示公交线路r和交叉口i相匹配，/>表示公交线路r和交叉口i不相匹配，M表示一个大正数。

2.根据权利要求1所述一种基于区段优先的公交信号优先控制方法，其特征在于，所述步骤2，包含如下步骤：

步骤21：首先确定交叉口各相位的理论信号优先请求时长；交叉口各相位的理论绿灯延长时间等于该相位下全部公交优先请求中最长的绿灯延长时间，如公式(2)所示，交叉口各相位的理论红灯早断时间等于该相位下全部公交优先请求中最长的红灯早断时间，如公式(3)所示：

公式(2)中，GE_ip表示交叉口i相位p的理论绿灯延长时长，表示线路为r编号为b的公交车在交叉口i相位p请求绿灯延长的时长，单位均为秒；公式(3)中，RT_ip表示交叉口i相位p的理论红灯早断时长，/>表示线路为r编号为b的公交车在交叉口i相位p请求红灯早断的时长，单位均为秒；公式(2)和公式(3)中，δ_ip为0-1变量，表示交叉口i相位p是否执行公交优先请求，δ_ip＝1表示执行公交信号优先请求，δ_ip＝0表示不执行公交信号优先请求；

其次对交叉口各相位的实际绿灯延长时长和实际红灯早断时长进行限制，满足的约束如公式(4)和公式(5)所示：

公式(4)中，表示交叉口i相位p的实际绿灯延长时长，单位为秒；公式(5)中，/>表示交叉口i相位p的实际红灯早断时长，单位为秒；

步骤22：建立交叉口全部信号相位的公交优先请求策略防冲突约束关系式，前一相位实施绿灯延长策略与下一相位实施红灯早断策略存在冲突，此时最多只能执行一种公交优先请求，满足的约束如公式(6)所示：

公式(6)中，σ_ip表示交叉口i相位p的公交优先策略，σ_i,p+1表示交叉口i相位p+1的公交优先策略，δ_ip表示交叉口i相位p是否执行公交优先请求，δ_i,p+1表示交叉口i相位p+1是否执行公交优先请求；

步骤23：优化后各相位的绿灯时长如公式(7)所示，满足的约束如公式(8)和公式(9)所示：

公式(7)中，G′_ip表示交叉口i相位p优化后的绿灯时长，单位为秒，G_ip表示交叉口i相位p的现状绿灯时长，单位为秒，δ_ip表示交叉口i相位p是否执行公交优先请求，σ_ip表示交叉口i相位p的公交优先策略，表示交叉口i相位p的实际绿灯延长时长，单位为秒，/>表示交叉口i相位p的实际红灯早断时长，单位为秒；公式(8)中，/>表示交叉口i相位p的最小绿灯时长，单位为秒；公式(9)中，C_i表示交叉口i的信号周期时长，单位为秒。