CN117058909B - 一种考虑信号协调和防串车的公交驻站补电方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种考虑信号协调和防串车的公交驻站补电方法，采集电动公交发车频率信息、公交电量信息、乘客出行需求信息、站点位置信息以及信号灯配时信息；构建同时使电动公交车头时距偏差、电量消耗、公交在交叉路口延误时间最小化以及电动公交在站点适时补充电量最大化的总目标函数；根据公交站点之间各路段的距离与决策的公交平均引导速度，获得各路段的公交电量消耗及公交在交叉路口的延误时间，根据电动公交在当前站点的离开时间与相邻下游交叉路口信号灯剩余时间确定公交驻站时间；并根据电动公交电池容量约束与各路段的公交电量消耗确认是否需要充电与充电时间，实现了在保证不发生串车的情况下使公交在站点进行补充电量，延长公交行驶里程。
Description
技术领域
本发明涉及互联网+应用服务的技术领域，尤其涉及一种考虑信号协调和防串车的公交驻站补电方法。
背景技术
随着国家城市化的进一步推进，人们的出行需求不断增加。在这种情况下，公共交通成为缓解城市交通拥堵、促进城市交通可持续发展的关键手段。城市常规公交作为公共交通的主体，其服务水平直接影响着居民的出行选择。随着环保意识的增强和对空气质量的担忧，电动公交车逐渐成为可替代传统燃油公交车辆的重要选择。另一方面，公交车辆串车问题严重影响了城市公交系统的运营质量。针对这一实际难题，通过使用“互联网+”手段，将公交防串车与驻站无线补电的技术相结合，不仅提高了公交系统的服务水平，还提高电动公交车辆的续航里程。这一方法将有助于提升公共交通的吸引力，改善居民的便捷出行体验，同时也对城市交通可持续发展产生积极影响。有助于推动城市交通的可持续发展，并在未来的城市规划中扮演重要角色。
防串车技术与驻站补电技术分别在解决公交车辆串车问题和电动公交车充电需求方面具有广阔应用前景，但结合应用存在以下不足之处：
1、复杂性与成本：结合防串车技术和驻站补电技术可能需要建设更复杂的智能调度系统和充电设施，这可能导致系统的成本较高。同时，维护和管理这些技术的复杂性也可能增加。
2、技术兼容性：将不同的技术整合到一个统一的系统中可能需要克服技术兼容性的问题。不同的防串车技术和驻站补电技术可能来自不同的供应商，需要确保它们能够无缝地协同工作。
3、技术可靠性：结合不同的技术可能增加系统的复杂性，从而可能导致技术故障的风险增加，影响公交车辆的运营稳定性。
为了克服这些不足，需要进行充分的技术研发、系统规划和实际应用测试。综合考虑不同的技术因素，确保防串车与驻站补电技术的结合能够在实际城市交通环境中发挥最佳效果，并为公共交通系统的提升和可持续发展做出贡献。
发明内容
本发明提供一种考虑信号协调和防串车的公交驻站补电方法，以克服上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种考虑信号协调和防串车的公交驻站补电方法，包括以下步骤：
步骤1：采集电动公交发车频率信息、公交电量信息、乘客出行需求信息、站点位置信息以及信号灯配时信息；
所述电动公交发车频率信息包括公交发车时刻表；所述电动公交电量信息包括公交初始剩余电量与到达每个公交站点时的公交剩余电量；所述乘客出行需求信息包括公交站点的乘客数量；所述站点位置信息包括站点位置分布信息、站点是否设置无线充电设施信息以及站点间的路段距离；所述信号灯配时信息包括红色信号灯相位时间与绿色信号灯的相位时间；
步骤2：根据所述电动公交发车频率信息、公交电量信息、乘客出行需求信息、站点位置信息以及信号灯配时信息，构建同时使电动公交车头时距偏差、电量消耗、公交在交叉路口延误时间最小化以及电动公交在站点适时补充电量最大化的总目标函数；并结合电动公交车实际情况设定公交车初始参数；所述初始参数包括公交运营参数、电池参数、耗电系数、充电速率以及每个公交站点的乘客数量；
步骤3：根据电动公交站点之间各路段的距离与公交平均引导速度，在满足速度约束的条件下，获得各路段的公交电量消耗及公交在交叉路口的延误时间，并根据所述公交在交叉路口的延误时间调整公交平均引导速度；
步骤4：根据电动公交在当前站点的离开时间与相邻下游交叉路口信号灯剩余时间以及电动公交车在站点的驻站策略确定驻站时间；在考虑电动公交电池容量约束条件下，基于所述各路段的公交电量消耗确认是否需要充电与充电的时间。
进一步的，步骤2中所述总目标函数具体为
式中：M表示总目标函数；Z表示电动公交车头时距偏差的平方；W为表示电动公交在线路中的总电量消耗；Q表示电动公交在线路中的总补充电量；i表示电动公交停靠站；j表示交叉路口；k表示电动公交车；NK表示电动公交车的数量；NI表示电动公交停靠站点的数量；表示站点i与站点i+1之间的交叉路口的数量；α1、α2、α3以及α4均表示设定的权重系数；/>表示电动公交在交叉路口j的延误时间。
进一步的，步骤1中所述站点间的路段距离的获取具体为
式中：表示相邻站点之间的距离；Li,i+1表示无交叉路口时相邻站点间的距离；/>表示站点i与下游相邻交叉路口间的距离；/>表示站点i+1与上游相邻交叉路口间的距离；d表示下游相邻交叉路口；u表示上游相邻交叉路口；/>表示站点i与站点i+1中相邻两个路口之间的距离；I表示站点i的集合；Ji,i+1表示站点i与站点i+1之间的交叉路口的集合。
进一步的，所述步骤3中具体包括以下步骤：
步骤3.1：根据站点之间不同路段的平均引导速度获得站点之间电动公交的平均引导速度；且所述站点之间的路段包括有交叉路口与无交叉路口两类；
所述站点之间电动公交的平均引导速度的计算公式为
所述速度约束包括电动公交平均引导速度上限约束与平均引导速度下限约束，且所述速度约束的表达式为
式中：表示相邻站点i与i+1之间公交k的平均引导速度，vmin表示公交的最小速度，vmax表示公交的最大速度，/>表示公交k在无交叉路口时相邻站点i与i+1间的平均引导速度，/>表示站点i与下游相邻交叉路口间公交k的平均引导速度，/>表示站点i+1与上游相邻交叉路口间公交k的平均引导速度，/>表示站点i与站点i+1中相邻两个路口j-1与j之间公交k的平均引导速度，NJ表示两个相邻站点之间交叉路口的数量；
步骤3.2：根据所述站点之间不同路段电动公交的平均引导速度，获得站点之间不同路段的电动公交电量消耗与电动公交在整条公交线路的电量总消耗；
所述站点之间不同路段的电动公交电量消耗的计算公式为
所述电动公交在整条公交线路的电量总消耗的计算公式为
式中：表示相邻站点之间的公交电量消耗；r表示导体的电阻；R表示轮胎半径；U表示中间参数变量；m表示公交车的质量；/>表示气动阻力常数；frl表示滚动阻力常数；g表示重力加速度；β表示道路坡度；/>表示电枢常数；Φ表示磁通量；W表示整条线路的公交总电量消耗；
步骤3.3：根据站点之间不同路段的公交平均引导速度与交叉路口信号灯配时信息；基于速度约束确认电动公交是否需要停留与停留时间。
进一步的，步骤3.3中所述基于速度约束确认电动公交是否需要停留与停留时间，包括第一延误时间计算策略与第二延误时间计算策略；
所述第一延误时间计算策略为：
当信号交叉口的绿灯信号剩余时间大于最小行驶时间且信号交叉口绿灯信号剩余时间与红灯的相位时间之和/>小于等于最大行驶时间/>时，所述当前公交在交叉路口不存在延误；
公式(11)表示电动公交停靠站之间有交叉路口时，电动公交车通过信号交叉口j的延误时间；
当信号交叉口的绿灯信号剩余时间大于最小行驶时间且信号交叉口的绿灯信号剩余时间与红灯的相位时间之和/>大于/>时，通过公式(12)与公式(13)表示公交平均引导速度在不同的速度区间内，则通过公式(14)计算当前公交在交叉路口延误时间；
式中：表示站点i与站点i+1中相邻两个路口之间的距离；/>表示红灯的相位时间；/>表示绿灯信号剩余时间；/>表示电动公交K从站点i到达交叉路口j的最短行驶时间；/>表示电动公交K从站点i到达交叉路口j的最大行驶时间；/>表示二进制变量，取值为0或1；
当信号交叉口的绿灯信号剩余时间小于等于最小行驶时间/>且信号交叉口的绿灯信号剩余时间与红灯的相位时间之和/>小于最大行驶时间/>时，通过公式(17)与公式(18)表示公交平均引导速度在不同的速度区间内，并通过公式(19)计算当前公交在交叉路口延误时间；
式中：表示站点i与站点i+1中相邻两个路口之间的距离；/>表示红灯的相位时间；/>表示绿灯信号剩余时间；/>表示电动公交K从站点i到达交叉路口j的最短行驶时间；/>表示电动公交K从站点i到达交叉路口j的最大行驶时间；/>表示二进制变量，取值为0或1；
当信号交叉口的绿灯信号剩余时间小于等于最小行驶时间/>并且绿灯信号剩余时间与红灯的相位时间之和/>大于等于最大行驶时间/>时，则通过公式(20)计算当前公交在交叉路口延误时间；
所述第二延误时间计算策略为：
当信号交叉口的红灯信号剩余时间小于最小行驶时间/>并且信号交叉口的红灯信号剩余时间与绿灯的相位时间之和/>大于最大行驶时间/>时，所述当前公交在交叉路口不存在延误；则通过公式(21)表示公交在交叉路口直接通过；
当信号交叉口的红灯信号剩余时间大于等于最小行驶时间/>并且信号交叉口的红灯信号剩余时间与绿灯的相位时间之和/>大于最大行驶时间/>时，通过公式(22)与公式(23)表示公交平均引导速度在不同的速度区间内，则通过公式(24)计算当前公交在交叉路口延误时间；
式中：表示红灯信号剩余时间；/>表示二进制变量，取值为0或1；
当信号交叉口的红灯信号剩余时间小于最小行驶时间/>并且信号交叉口的红灯信号剩余时间与绿灯的相位时间之和/>小于等于最大行驶时间/>时，通过公式(25)与公式(26)表示公交平均引导速度在不同的速度区间内，则通过公式(27)计算当前公交在交叉路口延误时间；
式中：表示红灯信号剩余时间；/>表示二进制变量，取值为0或1。
进一步的，所述步骤4包括以下步骤：
步骤4.1：根据公交在站点的离开时刻、交叉路口信号灯的剩余时间以及信号灯的相位时长得到公交车头时距偏差，并决策出在驻站站点与驻站时长；
所述公交在站点的离开时刻的表达式为
并根据公交在站点的离开时刻与公交的初始发车时刻获取公交车头时距偏差，根据所述公交车头时距偏差调整各公交车在站点间的平均引导速度避免串车；所述公交车头时距偏差的计算公式为
式中：表示公交k与公交k-1的车头时距偏差；Bk-1表示公交k-1的初始发车时刻；Z表示所有公交的车头时距偏差；
同时根据所述公交在站点的离开时刻获取所述公交到达交叉路口的时刻计算公式为
通过公式(30)约束公交线路中的各公交不存在超车过程；
式中：表示公交k在站点i的离开时刻；/>表示公交k在站点i-1的离开时刻；表示公交k在站点i的停留时间；Bk表示公交k的初始发车时刻；/>表示公交k到达站点i与站点i+1之间的交叉路口j的时刻；/>表示公交k到达站点i与站点i+1之间的j-1交叉路口的时刻；/>表示公交k在交叉路口j-1的延误时间；/>表示站点i与站点i+1中相邻路口j-1与j之间的距离；/>表示站点i与站点i+1中相邻两个路口之间公交k的平均引导速度；/>表示公交k-1在站点i的离开时刻；/>表示公交k+1在站点i-1的离开时刻；表示站点i-1与站点i之间相邻路口j-1与j之间的距离；/>表示站点i-1与站点i之间相邻路口j-1与j之间公交k+1的平均引导速度；
所述公交在站点的停留时间的表达式为
所述公交在站点完成服务的时刻的表达式为
所述公交的驻站时间约束的表达式为
根据交叉路口的信号灯配时信息，基于公交驻站策略获取公交驻站时间；且所述基于公交驻站策略获取公交驻站时间具体为
若当前站点相邻的下游交叉路口是绿灯情况下获取的公交驻站时间集合为所述公交驻站时间集合/>表达式为
若当前站点相邻的下游交叉路口是红灯的情况下获取公交驻站时间集合所述公交驻站时间集合/>的表达式为
式中：表示公交k到达站点i时乘客的数量；bi公交在站点i单位乘客的服务时间；/>表示公交k在站点i的驻站时间；/>公交k在站点i完成服务的时刻；/>表示与站点i相邻的下游交叉路口是绿灯的情况下，公交驻站时间的集合；/>表示与站点i相邻的下游交叉路口是红灯的情况下，公交驻站时间的集合；/>表示公交k在站点i的停留时间；表示公交k从站点i到达相邻下游交叉路口的最短行驶时间；/>表示公交k从站点i到达相邻下游交叉路口的最长行驶时间；/>表示站点i与下游相邻交叉路口间的距离；
步骤4.2：依据公交电量约束与公交驻站时间，确认公交在当前站点是否需要补充电量，并计算公交补充电量时间与补充的电量；
所述公交在当前站点需要补充电量满足的公交充电时间的约束公式为；
式中：表示公交车k在i站的充电时间；/>表示乘客在站点的数量，bi公交在站点单位乘客的服务时间；
所述公交车的单位时间的充电量Pi的表达式
式中：θ表示充电效率；P表示充电功率；xi表示站点是否有充电设施，是二进制变量；
则单位时间公交充电量的表达式为
所述公交的充电电量的约束为
式中：表示公交k到达站点i的剩余电量；SOC表示公交电池容量上限；Q表示公交在线路中补充的总电量。
有益效果：本发明提供了一种考虑信号协调和防串车的公交驻站补电方法，根据公交时刻表采集获取电动公交发车频率信息、公交电量信息、乘客出行需求信息、站点位置信息以及信号灯配时信息；根据电动公交发车频率信息、公交电量信息、乘客出行需求信息、站点位置信息以及信号灯配时信息，构建同时使电动公交车头时距偏差、电量消耗、公交在交叉路口延误时间最小化以及电动公交在站点适时补充电量最大化的总目标函数；根据电动公交站点之间各路段的距离与决策的避免公交发生串车的公交平均引导速度，获得各路段的公交电量消耗及公交在交叉路口的延误时间，同时根据电动公交在当前站点的离开时间与相邻下游交叉路口信号灯剩余时间确定公交驻站时间；并根据电动公交电池容量约束，基于所述各路段的公交电量消耗确认是否需要充电与充电的时间，实现了在保证不发生串车的情况下使公交在站点进行补充电量，延长公交行驶里程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种考虑信号协调和防串车的公交驻站补电方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种考虑信号协调和防串车的公交驻站补电方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：采集电动公交发车频率信息、公交电量信息、乘客出行需求信息、站点位置信息以及信号灯配时信息；
所述电动公交发车频率信息包括公交发车时刻表；所述电动公交电量信息包括公交初始剩余电量与到达每个公交站点时的公交剩余电量；所述乘客出行需求信息包括公交站点的乘客数量；所述站点位置信息包括站点位置分布信息、站点是否设置无线充电设施信息以及站点间的路段距离；所述信号灯配时信息包括红色信号灯相位时间与绿色信号灯的相位时间；
步骤2：根据所述电动公交发车频率信息、公交电量信息、乘客出行需求信息、站点位置信息以及信号灯配时信息，构建同时使电动公交车头时距偏差、电量消耗、公交在交叉路口延误时间最小化以及电动公交在站点适时补充电量最大化的总目标函数；并结合电动公交车实际情况设定公交车初始参数；所述初始参数包括公交运营参数、电池参数、耗电系数、充电速率以及每个公交站点的乘客数量；
步骤3：根据电动公交站点之间各路段的距离与公交平均引导速度，在满足速度约束的条件下，获得各路段的公交电量消耗及公交在交叉路口的延误时间，并根据所述公交在交叉路口的延误时间调整公交平均引导速度；
步骤4：根据电动公交在当前站点的离开时间与相邻下游交叉路口信号灯剩余时间以及电动公交车在站点的驻站策略确定驻站时间；在考虑电动公交电池容量约束条件下，基于所述各路段的公交电量消耗确认是否需要充电与充电的时间。
本发明通过采集电动公交发车频率信息、公交电量信息、乘客出行需求信息、站点位置信息以及信号灯配时信息；构建同时使电动公交车头时距偏差、电量消耗、公交在交叉路口延误时间最小化以及电动公交在站点适时补充电量最大化的总目标函数；根据公交站点之间各路段的距离与决策的公交平均引导速度，获得各路段的公交电量消耗及公交在交叉路口的延误时间，根据电动公交在当前站点的离开时间与相邻下游交叉路口信号灯剩余时间确定公交驻站时间；并根据电动公交电池容量约束与各路段的公交电量消耗确认是否需要充电与充电时间；具体地，根据公交时刻表发车的情况下，通过两个站点中路段之间(即根据站点之间是否存在交叉路口分为三种情况，无交叉路口的站点之间的路段、站点与相邻交叉路口之间的路段以及相邻两个交叉路口之间的路段)的速度引导、驻站站点、驻站时间以及公交在驻站站点补电时间的关系，避免公交发生串车现象；同时，公交在站点进行补充电量，实现了在保证不发生串车的情况下使公交在站点进行补充电量，延长公交行驶里程。
在具体实施例中，步骤2中所述总目标函数具体为
式中：M表示总目标函数；Z表示电动公交车头时距偏差的平方；W为表示电动公交在线路中的总电量消耗；Q表示电动公交在线路中的总补充电量；i表示电动公交停靠站；j表示交叉路口；k表示电动公交车；NK表示电动公交车的数量；NI表示电动公交停靠站点的数量；表示站点i与站点i+1之间的交叉路口的数量；α1、α2、α3以及α4均表示设定的权重系数；/>表示电动公交在交叉路口j的延误时间。
在具体实施例中，步骤1中所述站点间的路段距离的获取具体为
式中：表示相邻站点之间的距离；Li,i+1表示无交叉路口时相邻站点间的距离；/>表示站点i与下游相邻交叉路口间的距离；/>表示站点i+1与上游相邻交叉路口间的距离；d表示下游相邻交叉路口；u表示上游相邻交叉路口；/>表示站点i与站点i+1中相邻两个路口之间的距离；I表示站点i的集合；Ji,i+1表示站点i与站点i+1之间的交叉路口的集合。
在具体实施例中，所述步骤3中具体包括以下步骤：
步骤3.1：根据站点之间不同路段的平均引导速度获得站点之间电动公交的平均引导速度；且所述站点之间的路段包括有交叉路口与无交叉路口两类；
所述站点之间电动公交的平均引导速度的计算公式为
所述速度约束包括电动公交平均引导速度上限约束与平均引导速度下限约束，且所述速度约束的表达式为
式中：表示相邻站点i与i+1之间公交k的平均引导速度，vmin表示公交的最小速度，vmax表示公交的最大速度，/>表示公交k在无交叉路口时相邻站点i与i+1间的平均引导速度，/>表示站点i与下游相邻交叉路口间公交k的平均引导速度，/>表示站点i+1与上游相邻交叉路口间公交k的平均引导速度，/>表示站点i与站点i+1中相邻两个路口j-1与j之间公交k的平均引导速度，NJ表示两个相邻站点之间交叉路口的数量；
步骤3.2：根据所述站点之间不同路段电动公交的平均引导速度，能够得到站点之间不同路段的电动公交电量消耗、公交站点间的电量消耗以及电动公交在整条公交线路的电量总消耗；
所述站点之间不同路段的电动公交电量消耗的计算公式为
所述电动公交在整条公交线路的电量总消耗的计算公式为
式中：表示相邻站点之间的公交电量消耗；r表示导体的电阻；R表示轮胎半径；U表示中间参数变量；m表示公交车的质量；/>表示气动阻力常数；frl表示滚动阻力常数；g表示重力加速度；β表示道路坡度；/>表示电枢常数；Φ表示磁通量；W表示整条线路的公交总电量消耗；
步骤3.3：根据站点之间不同路段的公交平均引导速度与交叉路口信号灯配时信息；基于所述速度约束确认电动公交是否需要停留与停留时间。
在具体实施例中，步骤3.3中所述基于速度约束确认电动公交是否需要停留与停留时间，包括第一延误时间计算策略与第二延误时间计算策略；
所述第一延误时间计算策略为：
当信号交叉口的绿灯信号剩余时间大于最小行驶时间且信号交叉口绿灯信号剩余时间与红灯的相位时间之和/>小于等于最大行驶时间/>时，所述当前公交在交叉路口不存在延误；
公式(11)表示电动公交停靠站之间有交叉路口时，电动公交车通过信号交叉口j的延误时间；
当信号交叉口的绿灯信号剩余时间大于最小行驶时间且信号交叉口的绿灯信号剩余时间与红灯的相位时间之和/>大于/>时，通过公式(12)与公式(13)表示公交平均引导速度在不同的速度区间内，则通过公式(14)计算当前公交在交叉路口延误时间；
式中：表示站点i与站点i+1中相邻两个路口之间的距离；/>表示红灯的相位时间；/>表示绿灯信号剩余时间；/>表示电动公交K从站点i到达交叉路口j的最短行驶时间；/>表示电动公交K从站点i到达交叉路口j的最大行驶时间；/>表示二进制变量，取值为0或1；/>
当信号交叉口的绿灯信号剩余时间小于等于最小行驶时间/>且信号交叉口的绿灯信号剩余时间与红灯的相位时间之和/>小于最大行驶时间/>时，通过公式(17)与公式(18)表示公交平均引导速度在不同的速度区间内，并通过公式(19)计算当前公交在交叉路口延误时间；
式中：表示站点i与站点i+1中相邻两个路口之间的距离；/>表示红灯的相位时间；/>表示绿灯信号剩余时间；/>表示电动公交K从站点i到达交叉路口j的最短行驶时间；/>表示电动公交K从站点i到达交叉路口j的最大行驶时间；/>表示二进制变量，取值为0或1；
当信号交叉口的绿灯信号剩余时间小于等于最小行驶时间/>并且绿灯信号剩余时间与红灯的相位时间之和/>大于等于最大行驶时间/>时，则通过公式(20)计算当前公交在交叉路口延误时间；
所述第二延误时间计算策略为：
当信号交叉口的红灯信号剩余时间小于最小行驶时间/>并且信号交叉口的红灯信号剩余时间与绿灯的相位时间之和/>大于最大行驶时间/>时，所述当前公交在交叉路口不存在延误；则通过公式(21)表示公交在交叉路口直接通过；
当信号交叉口的红灯信号剩余时间大于等于最小行驶时间/>并且信号交叉口的红灯信号剩余时间与绿灯的相位时间之和/>大于最大行驶时间/>时，通过公式(22)与公式(23)表示公交平均引导速度在不同的速度区间内，则通过公式(24)计算当前公交在交叉路口延误时间；/>
式中：表示红灯信号剩余时间；/>表示二进制变量，取值为0或1；
当信号交叉口的红灯信号剩余时间小于最小行驶时间/>并且信号交叉口的红灯信号剩余时间与绿灯的相位时间之和/>小于等于最大行驶时间/>时，通过公式(25)与公式(26)表示公交平均引导速度在不同的速度区间内，则通过公式(27)计算当前公交在交叉路口延误时间；
式中：表示红灯信号剩余时间；/>表示二进制变量，取值为0或1。
在具体实施例中，所述步骤4包括以下步骤：
步骤4.1：根据公交在站点的离开时刻、交叉路口信号灯的剩余时间以及信号灯的相位时长得到公交车头时距偏差，并决策出在驻站站点与驻站时长；
所述公交在站点的离开时刻的表达式为
并根据公交在站点的离开时刻与公交的初始发车时刻获取公交车头时距偏差，根据所述公交车头时距偏差调整各公交车在站点间的平均引导速度避免串车；所述公交车头时距偏差的计算公式为
/>
式中：表示公交k与公交k-1的车头时距偏差；Bk-1表示公交k-1的初始发车时刻；Z表示所有公交的车头时距偏差；
同时根据所述公交在站点的离开时刻获取所述公交到达交叉路口的时刻计算公式为
通过公式(30)约束公交线路中的各公交不存在超车过程；
式中：表示公交k在站点i的离开时刻；/>表示公交k在站点i-1的离开时刻；表示公交k在站点i的停留时间；Bk公交k的初始发车时刻；/>表示公交k到达站点i与站点i+1之间的交叉路口j的时刻；/>表示公交k到达站点i与站点i+1之间的j-1交叉路口的时刻；/>表示公交k在交叉路口j-1的延误时间；/>表示站点i与站点i+1中相邻路口j-1与j之间的距离；/>表示站点i与站点i+1中相邻两个路口之间公交k的平均引导速度；/>表示公交k-1在站点i的离开时刻；/>表示公交k+1在站点i-1的离开时刻；表示站点i-1与站点i之间相邻路口j-1与j之间的距离；/>表示站点i-1与站点i之间相邻路口j-1与j之间公交k+1的平均引导速度；
具体地，公式(28)表示公交在站点的离开时刻包括从公交初始时刻发车的当前公交离开时刻与下一个站点上公交离开时刻之间的关系、公交在当前站点的离开时刻与上一个站点公交的离开时刻之间的关系；且所述站点之间包含是否存在交叉路口两种情况；公式(31)表示公交到达交叉路口的时刻/>包括公交到达交叉路口的时刻与公交在上游相邻站点的离开时刻、公交到达交叉路口的时刻与公交在上游相邻交叉路口的到达时刻两种关系；公式(28)至公式(30)表示线路中的公交不存在超车过程，避免公交车的顺序发生错乱。
所述公交在站点的停留时间的表达式为
所述公交在站点完成服务的时刻的表达式为
所述公交的驻站时间约束的表达式为
且与当前站点相邻的下游交叉路口是绿灯情况下，公交驻站时间集合的表达式为
与当前站点相邻的下游交叉路口是红灯的情况下，公交驻站时间集合的表达式为
式中：表示公交k到达站点i时乘客的数量；bi公交在站点i单位乘客的服务时间；/>表示公交k在站点i的驻站时间；/>公交k在站点i完成服务的时刻；/>表示与站点i相邻的下游交叉路口是绿灯的情况下，公交驻站时间的集合；/>表示与站点i相邻的下游交叉路口是红灯的情况下，公交驻站时间的集合；/>表示公交k在站点i的停留时间；表示公交k从站点i到达相邻下游交叉路口的最短行驶时间；/>表示公交k从站点i到达相邻下游交叉路口的最长行驶时间；/>表示站点i与下游相邻交叉路口间的距离；
步骤4.2：依据公交电量约束与公交驻站时间，确认公交在当前站点是否需要补充电量，并计算公交补充电量时间与补充的电量；
所述公交在当前站点需要补充电量满足的公交充电时间的约束公式为；
/>
式中：表示公交车k在i站的充电时间；/>表示乘客在站点的数量，bi公交在站点单位乘客的服务时间；
所述公交车的单位时间的充电量Pi的表达式
式中：θ表示充电效率；P表示充电功率；xi表示站点是否有充电设施，是二进制变量，且xi取值0或1；
则单位时间公交充电量的表达式为
所述公交的充电电量的约束为
式中：表示公交k到达站点i的剩余电量；SOC表示公交电池容量上限；Q表示公交在线路中补充的总电量。
综上所述，本发明提供的考虑信号协调和防串车的公交驻站补电方法，与现有技术相比，具有以下优势：
1、综合优化效果更佳：传统的公交防串车和驻站补电技术通常是分别优化的，而本发明可以同时考虑两者之间的关系，实现更综合的优化效果。这意味着公交线路的整体效率可以得到更好的提升，减少了公交车辆的等待时间和耗能，同时还可以提升乘客的满意度。
2、能源利用更高效：本发明可以在不影响公交线路正常运营的前提下，最大程度地利用可再生能源(如太阳能、风能等)进行充电，减少对传统能源的依赖，降低运营成本，同时也有助于减少环境污染。
3、减少拥堵与排放：本发明可以更好地规划公交车辆的运行路线，避免拥堵点和拥堵时间段，从而降低交通拥堵，减少车辆排放，改善城市空气质量，为城市居民创造更好的出行环境。
4、智能化管理：本发明可以实现对公交运营的监控和管理，及时调整车辆运行计划和充电计划，提高运营决策的精准性和灵活性。
5、未来可扩展性：本发明可以与其他先进技术结合，如自动驾驶、智能交通系统等，为未来公交运营的智能化和可持续发展提供基础和支持。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (3)
1.一种考虑信号协调和防串车的公交驻站补电方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采集电动公交发车频率信息、公交电量信息、乘客出行需求信息、站点位置信息以及信号灯配时信息；
所述电动公交发车频率信息包括公交发车时刻表；所述电动公交电量信息包括公交初始剩余电量与到达每个公交站点时的公交剩余电量；所述乘客出行需求信息包括公交站点的乘客数量；所述站点位置信息包括站点位置分布信息、站点是否设置无线充电设施信息以及站点间的路段距离；所述信号灯配时信息包括红色信号灯相位时间与绿色信号灯的相位时间；
步骤2：根据所述电动公交发车频率信息、公交电量信息、乘客出行需求信息、站点位置信息以及信号灯配时信息，构建同时使电动公交车头时距偏差、电量消耗、公交在交叉路口延误时间最小化以及电动公交在站点适时补充电量最大化的总目标函数；并结合电动公交车实际情况设定公交车初始参数；所述初始参数包括公交运营参数、电池参数、耗电系数、充电速率以及每个公交站点的乘客数量；
所述总目标函数具体为
式中：M表示总目标函数；Z表示电动公交车头时距偏差的平方；W为表示电动公交在线路中的总电量消耗；Q表示电动公交在线路中的总补充电量；i表示电动公交停靠站；j表示交叉路口；k表示电动公交车；NK表示电动公交车的数量；NI表示电动公交停靠站点的数量；表示站点i与站点i+1之间的交叉路口的数量；α1、α2、α3以及α4均表示设定的权重系数；表示电动公交在交叉路口j的延误时间；
步骤3：根据电动公交站点之间各路段的距离与公交平均引导速度，在满足速度约束的条件下，获得各路段的公交电量消耗及公交在交叉路口的延误时间，并根据所述公交在交叉路口的延误时间调整公交平均引导速度；
具体包括以下步骤：
步骤3.1：根据站点之间不同路段的平均引导速度获得站点之间电动公交的平均引导速度；且所述站点之间的路段包括有交叉路口与无交叉路口两类；
所述站点之间电动公交的平均引导速度的计算公式为
所述速度约束包括电动公交平均引导速度上限约束与平均引导速度下限约束，且所述速度约束的表达式为
式中：表示相邻站点i与i+1之间公交k的平均引导速度，vmin表示公交的最小速度，vmax表示公交的最大速度，/>表示公交k在无交叉路口时相邻站点i与i+1间的平均引导速度，/>表示站点i与下游相邻交叉路口间公交k的平均引导速度，/>表示站点i+1与上游相邻交叉路口间公交k的平均引导速度，/>表示站点i与站点i+1中相邻两个路口j-1与j之间公交k的平均引导速度，NJ表示两个相邻站点之间交叉路口的数量；
步骤3.2：根据所述站点之间不同路段电动公交的平均引导速度，获得站点之间不同路段的电动公交电量消耗与电动公交在整条公交线路的电量总消耗；
所述站点之间不同路段的电动公交电量消耗的计算公式为
所述电动公交在整条公交线路的电量总消耗的计算公式为
式中：表示相邻站点之间的公交电量消耗；r表示导体的电阻；R表示轮胎半径；U表示中间参数变量；m表示公交车的质量；/>表示气动阻力常数；frl表示滚动阻力常数；g表示重力加速度；β表示道路坡度；/>表示电枢常数；Φ表示磁通量；W表示整条线路的公交总电量消耗；
步骤3.3：根据站点之间不同路段的公交平均引导速度与交叉路口信号灯配时信息；基于速度约束确认电动公交是否需要停留与停留时间；
步骤4：根据电动公交在当前站点的离开时间与相邻下游交叉路口信号灯剩余时间以及电动公交车在站点的驻站策略确定驻站时间；在考虑电动公交电池容量约束条件下，基于所述各路段的公交电量消耗确认是否需要充电与充电的时间；
包括以下步骤：
步骤4.1：根据公交在站点的离开时刻、交叉路口信号灯的剩余时间以及信号灯的相位时长得到公交车头时距偏差，并决策出在驻站站点与驻站时长；
所述公交在站点的离开时刻的表达式为
并根据公交在站点的离开时刻与公交的初始发车时刻获取公交车头时距偏差，根据所述公交车头时距偏差调整各公交车在站点间的平均引导速度避免串车；所述公交车头时距偏差的计算公式为
式中：表示公交k与公交k-1的车头时距偏差；Bk-1表示公交k-1的初始发车时刻；Z表示所有公交的车头时距偏差；
同时根据所述公交在站点的离开时刻获取所述公交到达交叉路口的时刻计算公式为
通过公式(30)约束公交线路中的各公交不存在超车过程；
式中：表示公交k在站点i的离开时刻；/>表示公交k在站点i-1的离开时刻；/>表示公交k在站点i的停留时间；Bk公交k的初始发车时刻；/>表示公交k到达站点i与站点i+1之间的交叉路口j的时刻；/>表示公交k到达站点i与站点i+1之间的j-1交叉路口的时刻；表示公交k在交叉路口j-1的延误时间；/>表示站点i与站点i+1中相邻路口j-1与j之间的距离；/>表示站点i与站点i+1中相邻两个路口之间公交k的平均引导速度；/>表示公交k-1在站点i的离开时刻；/>表示公交k+1在站点i-1的离开时刻；/>表示站点i-1与站点i之间相邻路口j-1与j之间的距离；/>表示站点i-1与站点i之间相邻路口j-1与j之间公交k+1的平均引导速度；
所述公交在站点的停留时间的表达式为
所述公交在站点完成服务的时刻的表达式为
所述公交的驻站时间约束的表达式为
根据交叉路口的信号灯配时信息，基于公交驻站策略获取公交驻站时间；且所述基于公交驻站策略获取公交驻站时间具体为
若当前站点相邻的下游交叉路口是绿灯情况下获取的公交驻站时间集合为所述公交驻站时间集合/>表达式为
若当前站点相邻的下游交叉路口是红灯的情况下获取公交驻站时间集合所述公交驻站时间集合/>的表达式为
式中：表示公交k到达站点i时乘客的数量；bi公交在站点i单位乘客的服务时间；/>表示公交k在站点i的驻站时间；/>公交k在站点i完成服务的时刻；/>表示与站点i相邻的下游交叉路口是绿灯的情况下，公交驻站时间的集合；/>表示与站点i相邻的下游交叉路口是红灯的情况下，公交驻站时间的集合；/>表示公交k在站点i的停留时间；/>表示公交k从站点i到达相邻下游交叉路口的最短行驶时间；/>表示公交k从站点i到达相邻下游交叉路口的最长行驶时间；/>表示站点i与下游相邻交叉路口间的距离；
步骤4.2：依据公交电量约束与公交驻站时间，确认公交在当前站点是否需要补充电量，并计算公交补充电量时间与补充的电量；
所述公交在当前站点需要补充电量满足的公交充电时间的约束公式为；
式中：表示公交车k在i站的充电时间；/>表示乘客在站点的数量，bi公交在站点单位乘客的服务时间；
所述公交车的单位时间的充电量Pi的表达式
式中：θ表示充电效率；P表示充电功率；xi表示站点是否有充电设施，是二进制变量；
则单位时间公交充电量的表达式为
所述公交的充电电量的约束为
式中：表示公交k到达站点i的剩余电量；SOC表示公交电池容量上限；Q表示公交在线路中补充的总电量。
2.根据权利要求1所述的一种考虑信号协调和防串车的公交驻站补电方法，其特征在于，步骤1中所述站点间的路段距离的获取具体为
式中：表示相邻站点之间的距离；Li,i+1表示无交叉路口时相邻站点间的距离；/>表示站点i与下游相邻交叉路口间的距离；/>表示站点i+1与上游相邻交叉路口间的距离；d表示下游相邻交叉路口；u表示上游相邻交叉路口；/>表示站点i与站点i+1中相邻两个路口之间的距离；I表示站点i的集合；Ji,i+1表示站点i与站点i+1之间的交叉路口的集合。
3.根据权利要求1所述的一种考虑信号协调和防串车的公交驻站补电方法，其特征在于，步骤3.3中所述基于速度约束确认电动公交是否需要停留与停留时间，包括第一延误时间计算策略与第二延误时间计算策略；
所述第一延误时间计算策略为：
当信号交叉口的绿灯信号剩余时间大于最小行驶时间且信号交叉口绿灯信号剩余时间与红灯的相位时间之和/>小于等于最大行驶时间/>时，所述当前公交在交叉路口不存在延误；
公式(11)表示电动公交停靠站之间有交叉路口时，电动公交车通过信号交叉口j的延误时间；
当信号交叉口的绿灯信号剩余时间大于最小行驶时间且信号交叉口的绿灯信号剩余时间与红灯的相位时间之和/>大于/>时，通过公式(12)与公式(13)表示公交平均引导速度在不同的速度区间内，则通过公式(14)计算当前公交在交叉路口延误时间；
式中：表示站点i与站点i+1中相邻两个路口之间的距离；/>表示红灯的相位时间；/>表示绿灯信号剩余时间；/>表示电动公交K从站点i到达交叉路口j的最短行驶时间；/>表示电动公交K从站点i到达交叉路口j的最大行驶时间；/>表示二进制变量，取值为0或1；
当信号交叉口的绿灯信号剩余时间小于等于最小行驶时间/>且信号交叉口的绿灯信号剩余时间与红灯的相位时间之和/>小于最大行驶时间/>时，通过公式(17)与公式(18)表示公交平均引导速度在不同的速度区间内，并通过公式(19)计算当前公交在交叉路口延误时间；
式中：表示站点i与站点i+1中相邻两个路口之间的距离；/>表示红灯的相位时间；/>表示绿灯信号剩余时间；/>表示电动公交K从站点i到达交叉路口j的最短行驶时间；/>表示电动公交K从站点i到达交叉路口j的最大行驶时间；/>表示二进制变量，取值为0或1；
当信号交叉口的绿灯信号剩余时间小于等于最小行驶时间/>并且绿灯信号剩余时间与红灯的相位时间之和/>大于等于最大行驶时间/>时，则通过公式(20)计算当前公交在交叉路口延误时间；
所述第二延误时间计算策略为：
当信号交叉口的红灯信号剩余时间小于最小行驶时间/>并且信号交叉口的红灯信号剩余时间与绿灯的相位时间之和/>大于最大行驶时间/>时，所述当前公交在交叉路口不存在延误；则通过公式(21)表示公交在交叉路口直接通过；
当信号交叉口的红灯信号剩余时间大于等于最小行驶时间/>并且信号交叉口的红灯信号剩余时间与绿灯的相位时间之和/>大于最大行驶时间/>时，通过公式(22)与公式(23)表示公交平均引导速度在不同的速度区间内，则通过公式(24)计算当前公交在交叉路口延误时间；
式中：表示红灯信号剩余时间；/>表示二进制变量，取值为0或1；
当信号交叉口的红灯信号剩余时间小于最小行驶时间/>并且信号交叉口的红灯信号剩余时间与绿灯的相位时间之和/>小于等于最大行驶时间/>时，通过公式(25)与公式(26)表示公交平均引导速度在不同的速度区间内，则通过公式(27)计算当前公交在交叉路口延误时间；
式中：表示红灯信号剩余时间；/>表示二进制变量，取值为0或1。
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