CN113487868A - 公交动态速度引导-驻站控制-信号优先协同控制方法 - Google Patents

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CN113487868A CN202110772712.5A CN202110772712A CN113487868A CN 113487868 A CN113487868 A CN 113487868A CN 202110772712 A CN202110772712 A CN 202110772712A CN 113487868 A CN113487868 A CN 113487868A
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Abstract

本发明涉及一种公交动态速度引导‑驻站控制‑信号优先协同控制方法，包括以下步骤：步骤S1、采用公交路段速度引导算法，进行实时公交速度引导；步骤S2、建立公交优先需求计算模型计算公交优先相位需求的优先时长、行驶速度和驻站时长；步骤S3、建立考虑公交和其他社会车辆的信号优先优化模型，在满足公交优先相位需求的前提下，进行交叉口信号配时方案优化。与现有技术相比，本发明具有模型鲁棒性高、可实时求解、优先有效性等优点，能够有效提高公交不停车通过率，降低公交通行延误，保证社会车辆通行效率不降低，为公交和社会车辆乘客提供更优质的交通服务。

Description

公交动态速度引导-驻站控制-信号优先协同控制方法
技术领域
本发明涉及移动互联公交管理及交叉口信号控制领域，尤其是涉及一种公交 动态速度引导-驻站控制-信号优先协同控制方法。
背景技术
近年来交通逐渐走向智能化与移动互联化，国家高度重视交通产业的发展。 然而现有的方法多为仅对公交到达交叉口进行信号参数调整优先通行控制，或者仅 提出公交建议车速以及信号优先控制，没有同时提出路段速度引导、站点驻站控制、 信号优先协同的优化方法。如果在移动互联环境下能同时对公交优先通行进行速度 引导、驻站控制和信号优先的协同控制，可以进一步降低对社会车辆的影响同时提 升公交运行***的效率。
目前动态交叉口公交优先策略主要控制手段包括信号灯绿灯延长、红灯早断、 相位***、速度引导、驻站控制。但没有同时优化交叉口信号控制参数、速度引导、 驻站控制的方法，多种控制手段之间缺乏协调，难以充分挖掘多种控制手段联动带 来的公交优先效益，甚至在实际应用中可能由于无协调而造成优先无效的结果。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种公交动态速 度引导-驻站控制-信号优先协同控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种公交动态速度引导-驻站控制-信号优先协同控制方法，包括以下步骤：
步骤S1、采用公交路段速度引导算法，在路段上根据路段站点设置情况、公 交实时位置和下游交叉口信号灯实时方案进行实时公交速度引导；
步骤S2、建立公交优先需求计算模型，当公交驶进交叉口范围内，根据公交 实时位置及下游多个交叉口的信号灯实时方案计算公交优先相位需求的优先时长、 行驶速度和驻站时长；
步骤S3、建立考虑公交和其他社会车辆的信号优先优化模型，在满足公交优 先相位需求的前提下，进行交叉口信号配时方案优化。
所述的路段具体为从离开上游交叉口内部区域，至到达下一交叉口停车线 前距离为dc的位置为止，所述的路段站点设置情况具体为公交行驶的路段是否 设有停靠站，所述的公交实时位置具体为当前时刻公交与下游交叉口停车线的 位置，所述的下游交叉口信号灯实时方案具体为公交行驶所在子区内下游所有 交叉口的当前周期、相位时长和相位差，所述的公交优先需求具体为公交行驶 的下游交叉口公交通行相位绿灯早启、绿灯延长的时间，所述的驻站时长具体 位置公交在停靠站完成上下客服务后额外停驻在站点的时间，所述的公交行驶 所在子区内下游所有交叉口具***置在已有的背景信号协调方案中公交行驶 路段所处的子区内，公交行驶方向下游的所有交叉口，所述的相位差具***置已有背景信号协调方案中第一个相位开始时刻与子区内第一个交叉口的第一 个相位开始时刻的差值。
所述的步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11、获取当前公交速度vc和当前时刻公交优先相位状态；
步骤S12、计算公交以匀加速运动加速到路段最大速度
Figure BDA0003154436690000022
后匀速行驶到停车 线的时间ta以及到达停车线在周期中的时刻TA，则有：
Figure BDA0003154436690000021
其中，d为公交当前位置与下游交叉口停车线距离，mod(·)为求余函数，am为 公交车辆最大加速度；
步骤S13、当最快的到达停车线在周期中的时刻TA在绿灯启亮前或在绿灯结 束后即红灯开始后，则以公交能在绿灯期间通过的最大速度为引导速度，若最 快的到达停车线在周期中的时刻TA在绿灯期间内，则引导速度为路段最大速度
Figure BDA0003154436690000023
所述的步骤S13中，公交能在绿灯期间通过的最大速度通过从路段最大速度
Figure BDA0003154436690000024
开始逐个遍历速度整数值计算公交通过时间来确定引导速度，具体包括以下步骤：
步骤S131、初始化目标车速vtry为路段最大速度
Figure BDA0003154436690000038
步骤S132、根据目标车速vtry、当前公交速度vc、包括当前时刻在周期中的 时刻TC和周期C计算得到公交到达停车线的时间在周期中的时刻TA；
步骤S133、当公交到达停车线的时间在周期中的时刻TA晚于最早绿灯启亮 时刻且早于最晚红灯启亮时刻时，则将恰好在绿灯期间内通过交叉口最大的目标 车速vtry作为引导速度，否则进行步骤S134；
步骤S134、判断当前的目标车速vtry是否小于路段最小速度
Figure BDA0003154436690000037
若是，则没 有使得公交在绿灯期间内到达停车线的合适速度，若否，则令vtry＝vtry-1后， 返回步骤S132。
所述的步骤S132中，
当当前公交速度vc大于目标车速vtry时，则计算公交以匀减速到目标车速后 再匀速行驶至停车线的时间ta，并以此计算公交到达停车线的时间在周期中的 时刻TA，则有：
Figure BDA0003154436690000031
当当前公交速度vc不大于目标车速vtry时，则计算公交以匀加速到目标车速 后再匀速行驶至停车线的时间ta，并以此计算公交到达停车线的时间在周期中 的时刻TA，则有：
Figure BDA0003154436690000032
其中，d为公交当前位置与下游交叉口停车线距离，mod(·)为求余函数。
所述的步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21、根据其他相位的最短绿灯时间，计算公交优先相位绿灯最大早启时 间
Figure BDA0003154436690000033
和最大延长时间
Figure BDA0003154436690000034
则有：
Figure BDA0003154436690000035
Figure BDA0003154436690000036
Figure BDA0003154436690000041
其中，
Figure BDA0003154436690000042
为相位j最短绿灯时间，C为交叉口信号控制周期，qj为相位j对应 车流的流量，s为车道饱和流量，ej为相位j对应的车道数，fj为相位j绿灯时间， Lg为绿灯损失时间，
Figure BDA0003154436690000043
为信号机相位j的最短绿灯时间，jx为公交优先相位号码， fj为相位对应的当前绿灯时长，J为公交优先相位环的最后一个相位的相位号码；
步骤S22、为保证公交优先的有效性，根据子区内所有下游交叉口优先相位的 最早绿灯开始时刻和最晚绿灯结束时刻，计算当前交叉口公交优先相位最大早启时 长Tp,s和最大延长时长Tp,e，则有：
Figure BDA0003154436690000044
Figure BDA0003154436690000045
Figure BDA0003154436690000046
Figure BDA0003154436690000047
其中，TG,i为下游交叉口i的绿灯开始时刻，tc,i为当前交叉口行驶到下游交 叉口i的行程时间，oi为下游交叉口i的绝对相位差，oc为当前交叉口的绝对相位 差，TR,i为下游交叉口i的红灯开始时刻即绿灯结束时刻；
步骤S23、对每辆公交，首先检测是否能在不进行信号优先的情况下通过， 若是，则该公交的信号优先需求为零，若否，则计算公交优先所需的绿灯早启 时间
Figure BDA0003154436690000048
延长时间
Figure BDA0003154436690000049
以及对应的建议车速与建议驻站时间。
所述的步骤S23具体包括以下步骤：
步骤S231、当步骤S13中能够计算得到引导速度时，则该公交能够在不进 行信号优先的情况下通过当前交叉口，获取公交能够在绿灯区间通过当前交叉 口的最大速度vb，若步骤S13中无法计算得到引导速度时，则判断交叉口当前 状态是否为绿灯且未闪烁，若是，则进行步骤S232，若否，则进行步骤S233；
步骤S232、根据到达停车线在周期中的时刻TA计算在最快速度下延长的绿 灯时长
Figure BDA00031544366900000410
TG为公交优先相位绿灯开始在周期中的时刻，进而判断 最快速度下延长的绿灯时长
Figure BDA00031544366900000411
是否不大于最大延长时间
Figure BDA00031544366900000412
若是，则获取公交 优先所需的绿灯延长时间
Figure BDA00031544366900000413
建议车速
Figure BDA00031544366900000414
建议驻站时间hbus＝0， 若否，则表示无法通过绿灯延长使公交不停车通过，不进行信号优先；
步骤S233、根据到达停车线在周期中的时刻TA计算在最快速度下早启的绿 灯时长
Figure BDA0003154436690000051
TR为红灯开始在周期中的时刻，进而判断最快速度下早 启的绿灯时长fs,bus是否不大于最大早启时间
Figure BDA0003154436690000052
若是，则获取公交优先所需的绿 灯早启时间
Figure BDA0003154436690000053
建议车速
Figure BDA0003154436690000054
建议驻站时间hbus＝0，若否，则 令绿灯早启时间为最大早启时长，计算公交恰好在绿灯开始后到达停车线的行 驶速度vbus,try后进行步骤S234；
步骤S234、判断vbus,try是否小于路段最大速度
Figure BDA0003154436690000055
若否，则获取公交优先 所需的绿灯早启时间
Figure BDA0003154436690000056
建议车速vbus＝vbus,try，建议驻站时间hbus＝0， 若是，则绿灯早启时长仍为最大早启时长，并根据步骤13计算公交以路段最 小速度
Figure BDA0003154436690000057
为目标速度到达停车线在周期的时刻TA，进行步骤S235；
步骤S235、判断所需的驻站时间hbus,try是否小于等于最大驻站时间
Figure BDA0003154436690000058
若 是，则获取公交优先所需的绿灯早启时间
Figure BDA0003154436690000059
建议车速
Figure BDA00031544366900000510
建议驻 站时间hbus＝hbus,try，若是，则无法通过协同优化使公交不停车通过。
所述的步骤S3中，公交优先需求计算模型以最小化社会车辆延误为目标， 并且建立考虑公交需求和其他社会车辆的信号配时参数约束。
所述的公交优先需求计算模型的目标函数为：
Figure BDA00031544366900000511
Figure BDA00031544366900000512
其中，Dcar为社会车辆总延误，
Figure BDA00031544366900000513
为进口道a对应的社会车辆延误，
Figure BDA00031544366900000514
Figure BDA00031544366900000515
分别为进口道a的直行、左转、右转社会车辆平均流量，ws为汽车饱 和流率的天气折减系数，
Figure BDA00031544366900000516
分别为进口道a的直行、左转、右转车道 数，st、sl、sr分别为一条直行、左转、右转专用道的饱和流率，
Figure BDA00031544366900000517
分别为 进口道a直行、左转、右转的实际红灯时长，
Figure BDA00031544366900000518
)分别为进口道a直 行、左转、右转的初始红灯时长，P为包含司机在内的社会车辆平均载客数。
所述的公交优先需求计算模型的约束条件包括：
约束C1：公交需求的信号优先约束；
约束C2：双环八相位信号控制约束，具体包括：
约束C2-1：相位1、相位2、相位3以及相位4之和为固定的周期时长；
约束C2-2：相位1加相位2之和等于相位5加相位6之和，为一个环的时 长；
约束C2-3：相位3加相位4之和等于相位7加相位8之和，为一个环的时 长；
约束C3：相位2和相位6的结束时刻相等；
约束C4：考虑相位早启、延长之后的相位时长约束；
约束C5：相位1和相位5的起始时刻不变；
约束C6：相邻相位之间早启与延长的约束；
约束C7：相位早启延长的上下限；
约束C8：相位时长与进口道流向红绿灯时长的对应关系；
约束C9：当前时刻下一相位的早启时长的约束；
约束C10：当前位于绿闪期间。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
一、多控制手段联动：本发明填补了现有方法的空白，利用基于规则与数学 规划结合的方法协同优化了公交动态速度引导-驻站控制-信号优先问题。与现有方 法相比，涵盖了更多种类的控制手段，挖掘了更大的公交优先潜力，为交通参与者 提供更优质的服务。
二、求解效率高：本发明基于规则的公交路段速度引导算法和公交优先需求 计算模型求解效率高，而信号优先优化方法是线性规划，可以直接利用线性规划求 解器求解，相比于非线性规划复杂的求解过程，本发明建立的方法求解方便效率高， 利于实际应用种的动态实时调用。
三、模型可迁移：本发明建立的协同优化方法具有可迁移性，能变更其中的计 算模块，例如社会车辆延误的计算可以采用基于交通波的方法计算。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为计算公交能在绿灯期间通过的最大速度流程图。
图3为计算公交优先所需的绿灯早启时间/延长时间及引导车速与驻站时间的 流程图。
图4为双环八相位示意图。
图5为延误三角形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。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。
实施例
如图1所示，本发明提供一种公交动态速度引导-驻站控制-信号优先协同 控制方法，该方法基于以下前提：一辆公交车、若干个连续交叉口、一个公交 站，公交的实时位置信息可获取，具体包括以下步骤：
步骤S1：建立公交路段速度引导算法，在路段上根据路段站点设置情况、 公交实时位置、下游交叉口信号灯实时方案进行实时公交速度引导；
步骤S2：建立公交优先需求计算模型，当公交驶进交叉口范围内，根据公 交实时位置及下游多个交叉口的信号灯实时方案计算公交优先相位需要的优 先时长、行驶速度、驻站时长；
步骤S3：建立考虑公交和其他社会车辆的信号优先优化方法，在满足步骤 S2计算出来的公交优先需求的前提下，进行交叉口信号配时方案优化。
具体而言：
在步骤S1中，路段为从离开上游交叉口内部区域，至到达下一交叉口停 车线前距离为dc的位置为止；路段站点设置情况为公交行驶的路段是否设有停 靠站；公交实时位置为当前时刻公交与下游交叉口停车线的位置；下游交叉口 信号灯实时方案为公交行驶所在子区内下游所有交叉口的当前周期、相位时长、 相位差。
公交行驶所在子区内下游所有交叉口为在已有的背景信号协调方案中公 交行驶路段所处的子区内，公交行驶方向下游的所有交叉口；相位差，指在已 有背景信号协调方案中第一个相位开始时刻与子区内第一个交叉口的第一个 相位开始时刻的差值。
在步骤S2中，公交优先需求为公交行驶的下游交叉口公交通行相位绿灯 早启、绿灯延长的时间；驻站时长为公交在停靠站完成上下客服务后额外停驻 在站点的时间；交叉口范围为公交与交叉口距离小于阈值
Figure BDA0003154436690000071
该阈值
Figure BDA0003154436690000072
为公交以 最大速度行驶一周期驶过的距离，计算公式如下：
Figure BDA0003154436690000081
其中，C为公交即将到达交叉口的信号控制周期，
Figure BDA0003154436690000082
为公交行驶路段的最大 限速。
在步骤S3中，其他社会车辆为除了公交以外其余在交叉口通行的社会车 辆，包括但不限于小汽车、客运车、货运车；交叉口信号配时方案优化为对交 叉口信号配时中各相位开始时间、结束时间进行调整优化。
以下内对各步骤进行详细描述
步骤S1中公交路段速度引导算法包括如下步骤：
步骤S1-1：输入当前公交速度vc、当前时刻公交优先相位状态(包括当前 时刻在周期中的时刻TC(单位：秒)、公交优先相位绿灯开始在周期中的时刻TG (单位：秒)、红灯开始在周期中的时刻TR(单位：秒)、公交优先相位绿灯 最大早启时间
Figure BDA0003154436690000086
公交优先相位绿灯最大延长时间
Figure BDA0003154436690000087
周期C(单位：秒))、 公交优先相位的最大提前量ts(单位：秒)和最大延长时间te(单位：秒)、 路段行驶的最大
Figure BDA0003154436690000088
(单位：米/秒)/最小速度
Figure BDA0003154436690000089
(单位：米/秒)、公交车辆最大 加速度am(单位：米/秒2)、公交当前位置与下游交叉口停车线距离d(单位： 米)；
步骤S1-2：计算公交以匀加速运动加速到最高速度后匀速行驶到停车线的 时间ta(单位：秒)，以及到达停车线在周期中的时刻TA(单位：秒)，计算 公式为：
Figure BDA0003154436690000083
步骤S1-3：如果最快到达停车线在周期中的时刻TA在绿灯启亮前(TA≤TG) 或者在绿灯结束后即红灯开始后(TA≥TR)，计算公交能在绿灯期间通过的最大 速度为引导速度；如果最快到达停车线在周期中的时刻TA最快在绿灯期间内
Figure BDA0003154436690000084
则速度引导为路段最大速度
Figure BDA00031544366900000810
计算公交能在绿灯期间通过的最大速度，通过从最大速度
Figure BDA0003154436690000085
开始逐个速度 整数值遍历计算车辆通过时间来确定引导速度，具体计算流程如图2所示。
步骤S2中公交优先需求计算模型，包括以下步骤：
步骤S2-1：根据其他相位的最短绿灯时间，计算公交优先相位绿灯早启和 延长的最大值。
相位最短绿灯为输入参数，由实际流量下允许的最大饱和度以及信号机最 短绿灯时长的相位j计算最短绿灯时间
Figure BDA0003154436690000091
的公式如下：
Figure BDA0003154436690000092
其计算原理为实际通过车流量与最大可通过车流量的比值；其中，C为交 叉口信号控制周期，qj为相位j对应车流的流量，s为车道饱和流量，ej为相位j对 应的车道数，fj为相位绿灯时间，Lg为绿灯损失时间，
Figure BDA0003154436690000093
为信号机相位的最短 绿灯时间。
公交优先相位最大绿灯早启时间为协调相位前所有相位的当前绿灯时长 之和减去协调相位前所有相位的最短绿灯时长之和；公交优先相位最大绿灯延 长时间为协调相位后所有相位的当前绿灯时长之和减去协调相位后所有相位 的最短绿灯时长之和，计算公式如下：
Figure BDA0003154436690000094
Figure BDA0003154436690000095
其中，
Figure BDA0003154436690000096
为公交优先相位最大绿灯早启时间，jx为公交优先相位号码，fj为 相位对应的当前绿灯时长，
Figure BDA0003154436690000097
为公交优先相位最大绿灯延长时间，J为在公交优 先相位所在环的最后一个相位的相位号码。
步骤S2-2：为了保证公交优先的有效性，根据子区内所有下游交叉口优先 相位的最早绿灯开始时刻和最晚绿灯结束时刻，计算当前交叉口公交优先相位 最大早启时长和最大延长时长。
下游交叉口i优先相位的最早绿灯开始时刻
Figure BDA0003154436690000098
和最晚绿灯结束时刻
Figure BDA0003154436690000099
计 算公式如下：
Figure BDA00031544366900000910
Figure BDA00031544366900000911
其中，TG,i为下游交叉口i的绿灯开始时刻，tc,i指当前交叉口(即将到达的 交叉口)行驶到下游交叉口i的行程时间，oi指下游交叉口i的绝对相位差，oc指 当前交叉口的绝对相位差，TR,i指下游交叉口i的红灯开始时刻即绿灯结束时刻。 其原理是根据路段形成时间和不同交叉口间的相位差，计算公交到达下游交叉 口i绿灯最早开始时刻和最晚结束时刻对应的离开本交叉口的时刻。
考虑子区内所有下游交叉口的最早绿灯开始时刻和最晚绿灯结束时刻，计 算得出当前交叉口的交叉口公交优先相位最大早启时长Tp,s和最大延长时长 Tp,e，如下：
Figure BDA0003154436690000101
Figure BDA0003154436690000102
步骤S2-3：对每一辆公交，首先检测是否能在不进行信号优先的情况下通 过。如果可以，则该公交的信号优先需求为零；如果不可以，则进一步计算公 交优先所需的绿灯早启时间
Figure BDA0003154436690000103
和延长时间
Figure BDA0003154436690000104
以及对应的引导车速与驻站 时间。具体计算逻辑图3所示。图3中，粗线框为不同条件下计算出来的最终结 果，包括公交绿灯早启、延长的时长需求、建议车速、建议驻站时间。
步骤S3中考虑公交需求和其他社会车辆的信号优先优化方法，包含如下 步骤：
步骤S3-1：建立考虑公交需求和其他社会车辆的信号优先优化方法目标函 数。优化模型的目标是最小化社会车辆延误，如下公式所示：
minDcar
其中，Dcar为社会车辆总延误。
步骤S3-2：建立考虑公交需求和其他社会车辆的信号优先优化方法信号配 时参数约束。根据干线协调优化模型的输出，各交叉口的信号配时采取如图4 所示的双环八相位信号控制。图4中，第1至第8相位代表不同进口道不同流 向的车流，环1包括第1至第4相位，环2包括第5至第8相位，环1和环2 同时开始同时结束，每一相位包含该相位的绿灯时长、黄灯时长、全红时长。 其中黄灯时长与全红时长为清空时间。为了保证干线信号始终协调，本优化模 型在不造成信号周期改变的前提下对各相位的起始时刻、终止时刻进行微调。
约束包括：
约束C1：公交需求的信号优先约束。根据步骤S2-3计算得出的公交需要 的信号优先时长，约束相位变化必须满足优先需求。例如公交提出其优先相位 需要早启5秒，则需要建立对应优先相位早启时间至少为5秒，如下所示：
Figure BDA0003154436690000111
Figure BDA0003154436690000112
其中，
Figure BDA0003154436690000113
表示相位j的相位早启时长，Ia表示进口道a对应的公交相位号码。
约束C2：双环八相位信号控制应满足如下约束：
约束C2-1：相位1、相位2、相位3以及相位4之和为固定的周期时长， 如下：
Figure BDA0003154436690000114
约束C2-2：相位1加相位2之和等于相位5加相位6之和，为一个环的时 长，如下：
f1+f2＝f5+f6
约束C2-3：相位3加相位4之和等于相位7加相位8之和，为一个环的时 长，如下：
f3+f4＝f7+f8
约束C3：相位2与相位6的结束时刻相等，由于双环八相位规定相位2 与相位6的结束时刻应相等，相位2与相位6的延长时长应相等，相位3与相 位7的早启时长应相等，如下所示：
Figure BDA0003154436690000115
Figure BDA0003154436690000116
其中，
Figure BDA0003154436690000117
代表相位j的相位延长时长。
约束C4：考虑相位早启、延长之后的相位时长约束。调整后的相位j的相 位时长fj等于相位j的初始相位时长
Figure BDA0003154436690000118
加上该相位的早启时长，再加上该相位的 延长时长，减去前一相位的延长时长，再减去后一相位的早启时长，如下所示：
Figure BDA0003154436690000119
Figure BDA00031544366900001110
Figure BDA00031544366900001111
Figure BDA0003154436690000121
Figure BDA0003154436690000122
约束C5：相位1、相位5的起始时刻不变。由于信号周期不能改变，固定 相位1、相位5的起始时刻不变，因此相位1、相位5的早启时长应为0，相位 4、相位8的延长时长应为0，如下所示：
Figure BDA0003154436690000123
Figure BDA0003154436690000124
Figure BDA0003154436690000125
Figure BDA0003154436690000126
约束C6：相邻相位之间早启与延长的约束。对于相邻两个相位，前一相 位的延6长不能与后一相位的早启同时实施，即两者任一为零，如下所示：
Figure BDA0003154436690000127
Figure BDA0003154436690000128
引入0-1变量
Figure BDA0003154436690000129
和
Figure BDA00031544366900001210
对约束进行线性化处理，如下所示：
Figure BDA00031544366900001211
Figure BDA00031544366900001212
Figure BDA00031544366900001213
Figure BDA00031544366900001214
Figure BDA00031544366900001215
Figure BDA00031544366900001216
其中，
Figure BDA00031544366900001217
保证了
Figure BDA00031544366900001218
否则
Figure BDA00031544366900001219
保证了
Figure BDA00031544366900001220
否则
Figure BDA00031544366900001221
约束C7：相位早启延长的上下限。相位时长的延长和早启应在上下限范 围内，如下所示：
Figure BDA00031544366900001222
Figure BDA00031544366900001223
约束C8：相位时长与进口道流向红绿灯时长的对应关系。各相位时长与 各进口道各流向的红绿灯时长有对应关系，由于黄灯期间车辆还在交叉口内部 被清空，因此认为黄灯也属于绿灯时长的一部分，如下所示：
Figure BDA0003154436690000131
Figure BDA0003154436690000132
Figure BDA0003154436690000133
Figure BDA0003154436690000134
其中，
Figure BDA0003154436690000135
指进口道a流向m的实际绿灯时长，ja,m指进口道a流向m对应的 相位号码，tar指全红时长，
Figure BDA0003154436690000136
指进口道a流向m的初始绿灯时长，
Figure BDA0003154436690000137
指进口 道a流向m的实际红灯时长，
Figure BDA0003154436690000138
指进口道a流向m的初始红灯时长。
约束C9：当前时刻下一相位的早启时长的约束。由于环1和环2是同时 开始同时结束的，环1与环2的约束需要分开写。针对环1，当前时刻所处位 置如果位于当前相位
Figure BDA0003154436690000139
结束前
Figure BDA00031544366900001310
秒，则下一相位
Figure BDA00031544366900001311
的早启时长也不能大于
Figure BDA00031544366900001312
秒，还需要留出全红时间、黄灯时间和绿灯闪烁时间；针对环2，当前时刻所 处位置如果位于当前相位
Figure BDA00031544366900001313
结束前
Figure BDA00031544366900001314
秒，则下一相位
Figure BDA00031544366900001315
的早启时长也不能大 于
Figure BDA00031544366900001316
秒，还需要留出全红时间、黄灯时间和绿灯闪烁时间。如下所示：
Figure BDA00031544366900001317
Figure BDA00031544366900001318
其中ty指黄灯时间，tb指绿灯闪烁时间。
约束C10：当前位于绿闪期间。针对环1，如果当前时刻处在当前相位
Figure BDA00031544366900001319
的 末尾(且当前相位的相位时间不为零)，已经进行绿闪，则当前相位不允许延 长，下一相位不允许早启；针对环2，如果当前时刻处在当前相位
Figure BDA00031544366900001320
的末尾(且 当前相位的相位时间不为零)，已经进行绿闪，则当前相位不允许延长，下一 相位不允许早启。如下所示：
Figure BDA00031544366900001321
Figure BDA0003154436690000141
Figure BDA0003154436690000142
Figure BDA0003154436690000143
步骤S3-3：建立考虑公交需求和其他社会车辆的信号优先优化方法社会车 辆延误约束。社会车辆延误为交叉口所有进口道的社会车辆延误之和，如下所 示：
Figure BDA0003154436690000144
其中
Figure BDA0003154436690000145
指进口道a对应的社会车辆延误。进口道的社会车辆延误利用延误 三角形进行计算，延误三角形如图5所示。图5中，在红灯期间，社会车辆到 达交叉口形成排队队列，此时斜率为该进口道该流向车辆的流量q；绿灯启亮 后，队列开始消散，消散的速度(即斜率)为总饱和流率，即该流向对应的车 道数e乘上一条车道的饱和流率s。因此，社会车辆在一个周期内的延误为排队 的车辆乘以其等待的时间，即图中阴影部分的面积。最后，社会车辆的延误(阴 影部分面积)还需要乘上每辆社会车辆的平均乘客数，如下所示：
Figure BDA0003154436690000146
其中，
Figure BDA0003154436690000147
指进口道a的直行(左转/右转)社会车辆平均流量，ws指汽 车饱和流率的天气折减系数，
Figure BDA0003154436690000148
指进口道a的直行(左转/右转)车道数， st(sl/sr)指一条直行(左转/右转)专用道的饱和流率，
Figure BDA0003154436690000149
指进口道a直行 (左转/右转)的实际红灯时长，
Figure BDA00031544366900001410
指进口道a直行(左转/右转)的初始红 灯时长。
综上，本发明在移动互联技术不断发展的背景下，可以同时协同地应用多 种控制手段实现公交优先通行，并减少对社会车辆的负面影响，进一步提升交 通运行效率和服务质量。

Claims (10)

1.一种公交动态速度引导-驻站控制-信号优先协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、采用公交路段速度引导算法，在路段上根据路段站点设置情况、公交实时位置和下游交叉口信号灯实时方案进行实时公交速度引导；
步骤S2、建立公交优先需求计算模型，当公交驶进交叉口范围内，根据公交实时位置及下游多个交叉口的信号灯实时方案计算公交优先相位需求的优先时长、行驶速度和驻站时长；
步骤S3、建立考虑公交和其他社会车辆的信号优先优化模型，在满足公交优先相位需求的前提下，进行交叉口信号配时方案优化。
2.根据权利要求1所述的一种公交动态速度引导-驻站控制-信号优先协同控制方法，其特征在于，所述的路段具体为从离开上游交叉口内部区域，至到达下一交叉口停车线前距离为dc的位置为止，所述的路段站点设置情况具体为公交行驶的路段是否设有停靠站，所述的公交实时位置具体为当前时刻公交与下游交叉口停车线的位置，所述的下游交叉口信号灯实时方案具体为公交行驶所在子区内下游所有交叉口的当前周期、相位时长和相位差，所述的公交优先需求具体为公交行驶的下游交叉口公交通行相位绿灯早启、绿灯延长的时间，所述的驻站时长具***置公交在停靠站完成上下客服务后额外停驻在站点的时间，所述的公交行驶所在子区内下游所有交叉口具***置在已有的背景信号协调方案中公交行驶路段所处的子区内，公交行驶方向下游的所有交叉口，所述的相位差具***置已有背景信号协调方案中第一个相位开始时刻与子区内第一个交叉口的第一个相位开始时刻的差值。
3.根据权利要求1所述的一种公交动态速度引导-驻站控制-信号优先协同控制方法，其特征在于，所述的步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S11、获取当前公交速度vc和当前时刻公交优先相位状态；
步骤S12、计算公交以匀加速运动加速到路段最大速度
Figure FDA0003154436680000011
后匀速行驶到停车线的时间ta以及到达停车线在周期中的时刻TA，则有：
Figure FDA0003154436680000021
其中，d为公交当前位置与下游交叉口停车线距离，mod(·)为求余函数，am为公交车辆最大加速度；
步骤S13、当最快的到达停车线在周期中的时刻TA在绿灯启亮前或在绿灯结束后即红灯开始后，则以公交能在绿灯期间通过的最大速度为引导速度，若最快的到达停车线在周期中的时刻TA在绿灯期间内，则引导速度为路段最大速度
Figure FDA0003154436680000026
4.根据权利要求3所述的一种公交动态速度引导-驻站控制-信号优先协同控制方法，其特征在于，所述的步骤S13中，公交能在绿灯期间通过的最大速度通过从路段最大速度
Figure FDA0003154436680000022
开始逐个遍历速度整数值计算公交通过时间来确定引导速度，具体包括以下步骤：
步骤S131、初始化目标车速vtry为路段最大速度
Figure FDA0003154436680000023
步骤S132、根据目标车速vtry、当前公交速度vc、包括当前时刻在周期中的时刻TC和周期C计算得到公交到达停车线的时间在周期中的时刻TA；
步骤S133、当公交到达停车线的时间在周期中的时刻TA晚于最早绿灯启亮时刻且早于最晚红灯启亮时刻时，则将恰好在绿灯期间内通过交叉口最大的目标车速vtry作为引导速度，否则进行步骤S134；
步骤S134、判断当前的目标车速vtry是否小于路段最小速度
Figure FDA0003154436680000024
若是，则没有使得公交在绿灯期间内到达停车线的合适速度，若否，则令vtry＝vtry-1后，返回步骤S132。
5.根据权利要求4所述的一种公交动态速度引导-驻站控制-信号优先协同控制方法，其特征在于，所述的步骤S132中，
当当前公交速度vc大于目标车速vtry时，则计算公交以匀减速到目标车速后再匀速行驶至停车线的时间ta，并以此计算公交到达停车线的时间在周期中的时刻TA，则有：
Figure FDA0003154436680000025
TA＝mod(TC+ta，C)
当当前公交速度vc不大于目标车速vtry时，则计算公交以匀加速到目标车速后再匀速行驶至停车线的时间ta，并以此计算公交到达停车线的时间在周期中的时刻TA，则有：
Figure FDA0003154436680000031
TA＝mod(TC+ta，C)
其中，d为公交当前位置与下游交叉口停车线距离，mod(·)为求余函数。
6.根据权利要求5所述的一种公交动态速度引导-驻站控制-信号优先协同控制方法，其特征在于，所述的步骤S2具体包括以下步骤：
步骤S21、根据其他相位的最短绿灯时间，计算公交优先相位绿灯最大早启时间
Figure FDA0003154436680000032
和最大延长时间
Figure FDA0003154436680000033
则有：
Figure FDA0003154436680000034
Figure FDA0003154436680000035
Figure FDA0003154436680000036
其中，
Figure FDA0003154436680000037
为相位j最短绿灯时间，C为交叉口信号控制周期，qj为相位j对应车流的流量，s为车道饱和流量，ej为相位j对应的车道数，fj为相位j绿灯时间，Lg为绿灯损失时间，
Figure FDA0003154436680000038
为信号机相位j的最短绿灯时间，jx为公交优先相位号码，fj为相位对应的当前绿灯时长，J为公交优先相位环的最后一个相位的相位号码；
步骤S22、为保证公交优先的有效性，根据子区内所有下游交叉口优先相位的最早绿灯开始时刻和最晚绿灯结束时刻，计算当前交叉口公交优先相位最大早启时长Tp，s和最大延长时长Tp，e，则有：
Figure FDA0003154436680000039
Figure FDA00031544366800000310
Figure FDA00031544366800000311
Figure FDA00031544366800000312
其中，TG，i为下游交叉口i的绿灯开始时刻，tc，i为当前交叉口行驶到下游交叉口i的行程时间，oi为下游交叉口i的绝对相位差，oc为当前交叉口的绝对相位差，TR，i为下游交叉口i的红灯开始时刻即绿灯结束时刻；
步骤S23、对每辆公交，首先检测是否能在不进行信号优先的情况下通过，若是，则该公交的信号优先需求为零，若否，则计算公交优先所需的绿灯早启时间
Figure FDA0003154436680000041
延长时间
Figure FDA0003154436680000042
以及对应的建议车速与建议驻站时间。
7.根据权利要求6所述的一种公交动态速度引导-驻站控制-信号优先协同控制方法，其特征在于，所述的步骤S23具体包括以下步骤：
步骤S231、当步骤S13中能够计算得到引导速度时，则该公交能够在不进行信号优先的情况下通过当前交叉口，获取公交能够在绿灯区间通过当前交叉口的最大速度vb，若步骤S13中无法计算得到引导速度时，则判断交叉口当前状态是否为绿灯且未闪烁，若是，则进行步骤S232，若否，则进行步骤S233；
步骤S232、根据到达停车线在周期中的时刻TA计算在最快速度下延长的绿灯时长
Figure FDA0003154436680000043
TG为公交优先相位绿灯开始在周期中的时刻，进而判断最快速度下延长的绿灯时长
Figure FDA0003154436680000044
是否不大于最大延长时间
Figure FDA0003154436680000045
若是，则获取公交优先所需的绿灯延长时间
Figure FDA0003154436680000046
建议车速
Figure FDA0003154436680000047
建议驻站时间hbus＝0，若否，则表示无法通过绿灯延长使公交不停车通过，不进行信号优先；
步骤S233、根据到达停车线在周期中的时刻TA计算在最快速度下早启的绿灯时长
Figure FDA0003154436680000048
TR为红灯开始在周期中的时刻，进而判断最快速度下早启的绿灯时长fs，bus是否不大于最大早启时间
Figure FDA0003154436680000049
若是，则获取公交优先所需的绿灯早启时间
Figure FDA00031544366800000410
建议车速
Figure FDA00031544366800000411
建议驻站时间hbus＝0，若否，则令绿灯早启时间为最大早启时长，计算公交恰好在绿灯开始后到达停车线的行驶速度vbus，try后进行步骤S234；
步骤S234、判断vbus，try是否小于路段最大速度
Figure FDA00031544366800000412
若否，则获取公交优先所需的绿灯早启时间
Figure FDA00031544366800000413
建议车速vbus＝vbus，try，建议驻站时间hbus＝0，若是，则绿灯早启时长仍为最大早启时长，并根据步骤13计算公交以路段最小速度
Figure FDA00031544366800000414
为目标速度到达停车线在周期的时刻TA，进行步骤S235；
步骤S235、判断所需的驻站时间hbus，try是否小于等于最大驻站时间
Figure FDA00031544366800000415
若是，则获取公交优先所需的绿灯早启时间
Figure FDA00031544366800000416
建议车速
Figure FDA00031544366800000417
建议驻站时间hbus＝hbus，try，若是，则无法通过协同优化使公交不停车通过。
8.根据权利要求1所述的一种公交动态速度引导-驻站控制-信号优先协同控制方法，其特征在于，所述的步骤S3中，公交优先需求计算模型以最小化社会车辆延误为目标，并且建立考虑公交需求和其他社会车辆的信号配时参数约束。
9.根据权利要求8所述的一种公交动态速度引导-驻站控制-信号优先协同控制方法，其特征在于，所述的公交优先需求计算模型的目标函数为：
Figure FDA0003154436680000051
Figure FDA0003154436680000052
其中，Dcar为社会车辆总延误，
Figure FDA0003154436680000053
为进口道a对应的社会车辆延误，
Figure FDA0003154436680000054
Figure FDA0003154436680000055
分别为进口道a的直行、左转、右转社会车辆平均流量，ws为汽车饱和流率的天气折减系数，
Figure FDA0003154436680000056
分别为进口道a的直行、左转、右转车道数，st、sl、sr分别为一条直行、左转、右转专用道的饱和流率，
Figure FDA0003154436680000057
分别为进口道a直行、左转、右转的实际红灯时长，
Figure FDA0003154436680000058
)分别为进口道a直行、左转、右转的初始红灯时长，P为包含司机在内的社会车辆平均载客数。
10.根据权利要求8所述的一种公交动态速度引导-驻站控制-信号优先协同控制方法，其特征在于，所述的公交优先需求计算模型的约束条件包括：
约束C1：公交需求的信号优先约束；
约束C2：双环八相位信号控制约束，具体包括：
约束C2-1：相位1、相位2、相位3以及相位4之和为固定的周期时长；
约束C2-2：相位1加相位2之和等于相位5加相位6之和，为一个环的时长；
约束C2-3：相位3加相位4之和等于相位7加相位8之和，为一个环的时长；
约束C3：相位2和相位6的结束时刻相等；
约束C4：考虑相位早启、延长之后的相位时长约束；
约束C5：相位1和相位5的起始时刻不变；
约束C6：相邻相位之间早启与延长的约束；
约束C7：相位早启延长的上下限；
约束C8：相位时长与进口道流向红绿灯时长的对应关系；
约束C9：当前时刻下一相位的早启时长的约束；
约束C10：当前位于绿闪期间。
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