本发明涉及一种交通管理技术，特别涉及一种考虑交叉口信号控制的快速公交时刻表编制方法。
背景技术：
：快速公交作为一种高品质的城市公共运输服务系统，为了提高其运行服务水平，编制合理的行车时刻表是其运行计划中的重要内容。然而，目前的编制方法主要沿用常规公交的时刻表编制方法，对于快速公交在交叉口有专用信号和路段有专用路权的特点，在时刻表编制中未见有针对性的考虑，并且也未检索到这类方法的发明专利。经对现有技术的文献检索发现，有关公交时刻表的编制方法，主要有以下几种：1、基于客流需求和公交运营成本的公交时刻表编制方法。根据设计时段内客流需求分布，具体包括乘客到达数量以及线路客流周转量，确定固定的发车频率。《busnetworkdesign》一文具体介绍了基于客流需求和公交运营成本确定发车频率的四种方法。2、考虑乘客满意度的公交时刻表编制方法。主要通过乘客的候车时间、换乘费用等量化公交服务对象的主观感受，并以此为目标编制时刻表，以兼顾乘客和公交企业的利益，提高公交的乘客吸引力。代表性论文为《locatingoptimaltimetablesandvehicleschedulesinatransitline》。3、考虑随机因素的公交时刻表编制方法。为了适应公交车辆实际运营过程受社会车辆、路况、客流等多种不确定因素影响，在研究中增加了对随机事件、客流及公交载客率随机性和车辆行驶时间随机性等因素的考虑，使得公交时刻表具有更强的适用性。代表性论文包括《approachingeven-loadandeven-headwaytransittimetablesusingdifferentbussizes》、《多时段公交发车间隔优化的随机期望值模型》等。上述3种现有时刻表编制方法虽然根据不同目标进行了时刻表优化，并且在方法3中考虑了公交车辆实际运营过程中社会车辆、路况、客流等多种不确定因素影响，但均采用固定发车频率，未考虑交叉口信号控制。这导致了公交车辆仅能保障在始发站按时刻表发车，而在中途站的到站时间基本处于失控状态。对于快速公交，公交线路时刻表与信号控制有着更为密切的联系，由于快速公交在交叉口有专用信号，在路段上有专用路权，为公交线路运行过程的可控性提供了基础条件。但现有的时刻表编制方法未充分利用上述特征，缺乏针对快速公交较为科学合理的时刻表编制方法。技术实现要素：本发明是针对公交时刻表的编制方法存在的问题，提出了一种快速公交时刻表编制方法，该方法针对快速公交在交叉口有专用信号和路段有专用路权的特点，在时刻表编制中考虑交叉口信号控制，从而使公交线路运行过程可控，在保障快速公交准点率的基础上减少行程时间。本发明的技术方案为：一种快速公交时刻表编制方法，针对快速公交在交叉口有专用信号和路段有专用路权，结合交叉口信号控制，估计各班次公交车辆到达沿线各站点的时刻，编制运行时刻表；编制方法用非线性规划模型表述，模型的决策变量包括公交时刻表和沿线交叉口信号配时；模型以总交叉口延误最小为目标；使用交叉口信号控制、准点率、沿线各到达时刻估计、交叉口饱和度、公交车载客数、公交线路运营车辆数和公交线路发车间隔约束条件优化模型，节点包括站点和交叉口；选取算法对优化模型进行求解得到快速公交时刻表。所述模型以总交叉口延误最小为目标，即目标函数为；式中：i为公交班次编号；i为公交班次的集合；n为公交线路沿线各节点编号；s为沿线交叉口的集合；din为公交班次i在节点n的延误时长，单位秒，可按式(2)计算；式中：db为公交车启动延误时长，单位秒；tin为公交班次i到达节点n时相对于红灯开始时刻的时间差，单位秒，可按式(3)计算；式中：mod(.)为取余符号；tin为实际运行中公交班次i到达节点n的时刻，单位秒；p为快速公交信号相位；为交叉口节点n快速公交信号相位p绿灯开始时刻，单位秒；为交叉口节点n快速公交信号相位p绿灯持续时长，单位秒；cn为交叉口节点n周期时长，单位秒。所述交叉口信号控制约束，根据交叉口是否在道路干线协调控制系统中以及快速公交通行方向与干线协调控制流向的关系，分为三种情况控制：第一种是交叉口不在道路干线协调控制系统中；第二种是交叉口在道路干线协调控制系统中且快速公交通行方向与干线协调控制流向一致；第三种是交叉口在道路干线协调控制系统中但快速公交通行方向与干线协调控制流向不一致；第一种情况控制约束：对于交叉口不在道路干线协调控制系统中的情况，调整快速公交所在相位绿灯开始时刻和持续时长，但要求其余相位绿灯时长相对比例保持不变，如式(4)所示；第二种情况控制约束：对于交叉口在道路干线协调控制系统中且快速公交通行方向与干线协调控制流向一致的情况，要求快速公交所在相位绿灯时间包含原协调流向绿灯时间范围，即要求快速公交所在相位绿灯开始时刻不得晚于原协调流向绿灯开始时刻，快速公交所在相位绿灯结束时刻不得早于原协调流向绿灯结束时刻，分别如式(5)和式(6)所示，其余相位绿灯时长相对比例保持不变，如式(4)所示；第三种情况控制约束：对于交叉口在道路干线协调控制系统中但快速公交通行方向与干线协调控制流向不一致的情况，可调整快速公交所在相位绿灯开始时刻和持续时长，但要求干线协调控制流向绿灯开始和持续时长保持不变，分别如式(7)和式(8)所示，其余相位绿灯时长相对比例保持不变，如式(4)所示；式中：j为交叉口信号相位编号；和分别为交叉口节点n信号相位j绿灯开始时刻和持续时长，单位秒；为交叉口节点n原信号配时方案中相位j绿灯持续时长，单位秒；和分别为交叉口节点n原信号配时方案中快速公交信号相位p绿灯开始时刻和绿灯持续时长，单位秒；f为干线协调控制相位；和分别为交叉口节点n原信号配时方案中干线协调控制相位f绿灯开始时刻和绿灯持续时长，单位秒；αn为交叉口节点n除了相位j其余相位绿灯持续时长调整前后的比例。所述准点率约束，要求公交平均准点率大于最小准点率限制，如式(9)所示；式中：k为公交站点的集合；pmin为最小准点率限制；ni为研究时段内总班次数；nk为公交站点数量；pin为公交班次i在节点n的准点系数，定义公交到站时刻与时刻表相差小于60s时准点系数为1，公交到站时刻与时刻表相差大于180s时准点系数为0，中间部分准点系数取线性插值，如式(10)所示；式中：为时刻表中公交班次i到达节点n的计划时刻，单位秒。所述沿线各节点到达时刻估计约束，通过从始发站逐一计算车辆到达沿线交叉口和站点的时刻，如式(11)所示；式中：i1和i2分别为公交上行和下行班次的集合；ns1和ns2分别为公交上行和下行经过的总交叉口数量；nk1和nk2分别为公交上行和下行经过的总站点数量；n＝1和n＝ns1+nk1+1分别为公交上行和下行始发站编号；n＝ns1+nk1和n＝ns1+ns2+nk1+nk2分别为公交上行和下行终点站编号；ti(n-1)为公交在站点(n-1)的驻站时长，单位秒，可按式(12)计算；lin(n-1)为节点(n-1)至节点n的距离，单位米；v为公交行驶速度，m/s，满足一定分布；式中：uin为公交班次i在站点n的上客人数，可按式(13)计算；din为公交班次i在站点n的下客人数，可按式(14)计算；tu和td分别为单个乘客上车和下车的服务时间，s/人，满足一定分布；式中：qn为站点n乘客到达率，人/秒；qmn为从站点m上车乘客中到站点n下车的乘客比例。所述交叉口饱和度约束，要求交叉口各相位饱和度不超过最大饱和度限制，若现状交叉口饱和度已超过最大饱和度限制，则信号配时调整后各相位饱和度不大于现状值，如式(15)所示；式中：qnj为交叉口节点n信号相位j的交通量，veh/h(辆/小时)；snj为交叉口节点n信号相位j的饱和流率，veh/h(辆/小时)；dmax为最大饱和度限制。所述公交车载客数约束，要求各班次公交在经过任意站点时载客数不超过最大载客数限制，如式(16)所示；式中：oin为公交班次i经过站点n后的载客数，可按式(17)计算；omax为最大载客数限制；所述公交线路运营车辆数约束，要求线路运营车辆数不大于最大配车数限制，如式(18)所示；h1+h2≤hmax(18)式中：h1和h2分别为公交上行和下行始发的车辆数；hmax为最大配车数限制。所述公交线路发车间隔约束，一方面要求始发站各班次发车间隔在最小发车间隔和最大发车间隔范围内，如式(19)所示；另一方面要求每一辆公交车在始发站按时刻表发车时刻与该车到达始发站时刻的间隔应不小于车辆在始发站的最小休整时长限制，如式(20)和式(21)所示；式中：δmin和δmax分别为最小发车间隔和最大发车间隔，单位秒；δmin为车辆在始发站的最小休整时长，单位秒。本发明的有益效果在于：本发明快速公交时刻表编制方法，针对快速公交在交叉口有专用信号和路段有专用路权的特点，提供了一种考虑交叉口信号控制的快速公交时刻表编制方法；将快速公交时刻表编制与交叉口信号控制建立在统一的优化模型中，从而使公交线路运行过程可控，在保障快速公交准点率的基础上减少行程时间；考虑了考虑交叉口信号控制、准点率、沿线各节点到达时刻估计、交叉口饱和度、公交车载客数、公交线路运营车辆数和公交线路发车间隔等约束条件，并考虑了公交驻站时间和运行速度的波动性，使优化结果更符合实际运行情况。附图说明图1为本发明快速公交时刻表编制方法中公交线路沿线节点编号示意图；图2为本发明方法实施例1公交线路沿线节点编号示意图。具体实施方式一种考虑交叉口信号控制的快速公交时刻表编制方法，针对快速公交在交叉口有专用信号和路段有专用路权的特点，结合交叉口信号控制，估计各班次公交车辆到达沿线各站点的时刻，从而编制运行时刻表，在保障快速公交准点率的基础上减少行程时间；该编制方法用非线性规划模型表述，以总交叉口延误最小为目标，考虑交叉口信号控制、准点率、沿线各节点(包括站点和交叉口)到达时刻估计、交叉口饱和度、公交车载客数、公交线路运营车辆数和公交线路发车间隔等约束条件，其中：所述模型的决策变量包括公交时刻表(即时刻表中公交班次i到达节点n的计划时刻，)和沿线交叉口信号配时(即交叉口节点n信号相位j绿灯开始时刻和持续时长)；所述目标函数，为了提高快速公交的运行效率，减少行程时间，以最小化总交叉口延误时间作为优化目标，如式(1)所示；式中：i为公交班次编号；i为公交班次的集合；n为公交线路沿线各节点(包括站点和交叉口)编号；s为沿线交叉口的集合；din为公交班次i在节点n的延误时长，单位秒，可按式(2)计算；式中：db为公交车启动延误时长，单位秒；tin为公交班次i到达节点n时相对于红灯开始时刻的时间差，单位秒，可按式(3)计算；式中：mod(.)为取余符号；tin为实际运行中公交班次i到达节点n的时刻，单位秒；p为快速公交信号相位；为交叉口节点n快速公交信号相位p绿灯开始时刻，单位秒；为交叉口节点n快速公交信号相位p绿灯持续时长，单位秒；cn为交叉口节点n周期时长，单位秒。所述交叉口信号控制约束，根据交叉口是否在道路干线协调控制系统中以及快速公交通行方向与干线协调控制流向的关系，可分为三种情况：一是交叉口不在道路干线协调控制系统中、二是交叉口在道路干线协调控制系统中且快速公交通行方向与干线协调控制流向一致、三是交叉口在道路干线协调控制系统中但快速公交通行方向与干线协调控制流向不一致；对于交叉口不在道路干线协调控制系统中的情况，可调整快速公交所在相位绿灯开始时刻和持续时长，但要求其余相位绿灯时长相对比例保持不变，如式(4)所示；对于交叉口在道路干线协调控制系统中且快速公交通行方向与干线协调控制流向一致的情况，要求快速公交所在相位绿灯时间包含原协调流向绿灯时间范围，即要求快速公交所在相位绿灯开始时刻不得晚于原协调流向绿灯开始时刻，快速公交所在相位绿灯结束时刻不得早于原协调流向绿灯结束时刻，分别如式(5)和式(6)所示，其余相位绿灯时长相对比例保持不变，如式(4)所示；对于交叉口在道路干线协调控制系统中但快速公交通行方向与干线协调控制流向不一致的情况，可调整快速公交所在相位绿灯开始时刻和持续时长，但要求干线协调控制流向绿灯开始和持续时长保持不变，分别如式(7)和式(8)所示，其余相位绿灯时长相对比例保持不变，如式(4)所示；式中：j为交叉口信号相位编号；和分别为交叉口节点n信号相位j绿灯开始时刻和持续时长，单位秒；为交叉口节点n原信号配时方案中相位j绿灯持续时长，单位秒；和分别为交叉口节点n原信号配时方案中快速公交信号相位p绿灯开始时刻和绿灯持续时长，单位秒；f为干线协调控制相位；和分别为交叉口节点n原信号配时方案中干线协调控制相位f绿灯开始时刻和绿灯持续时长，单位秒；αn为交叉口节点n除了相位j其余相位绿灯持续时长调整前后的比例。所述准点率约束，要求公交平均准点率大于最小准点率限制，如式(9)所示；式中：k为公交站点的集合；pmin为最小准点率限制；ni为研究时段内总班次数；nk为公交站点数量；pin为公交班次i在节点n的准点系数，定义公交到站时刻与时刻表相差小于60s时准点系数为1，公交到站时刻与时刻表相差大于180s时准点系数为0，中间部分准点系数取线性插值，如式(10)所示；式中：为时刻表中公交班次i到达节点n的计划时刻，单位秒。所述沿线各节点到达时刻估计约束，由于上述公交车辆在交叉口延误计算和公交到站准点率计算中都需要公交到达节点的时刻，可通过从始发站逐一计算车辆到达沿线交叉口和站点的时刻，如式(11)所示；式中：i1和i2分别为公交上行和下行班次的集合；ns1和ns2分别为公交上行和下行经过的总交叉口数量；nk1和nk2分别为公交上行和下行经过的总站点数量；n＝1和n＝ns1+nk1+1分别为公交上行和下行始发站编号；n＝ns1+nk1和n＝ns1+ns2+nk1+nk2分别为公交上行和下行终点站编号；ti(n-1)为公交在站点(n-1)的驻站时长，单位秒，可按式(12)计算；lin(n-1)为节点(n-1)至节点n的距离，单位米；v为公交行驶速度，m/s，满足一定分布；式中：uin为公交班次i在站点n的上客人数，可按式(13)计算；din为公交班次i在站点n的下客人数，可按式(14)计算；tu和td分别为单个乘客上车和下车的服务时间，s/人，满足一定分布；式中：qn为站点n乘客到达率，人/秒；qmn为从站点m上车乘客中到站点n下车的乘客比例。所述交叉口饱和度约束，要求交叉口各相位饱和度不超过最大饱和度限制，若现状交叉口饱和度已超过最大饱和度限制，则信号配时调整后各相位饱和度不大于现状值，如式(15)所示；式中：qnj为交叉口节点n信号相位j的交通量，veh/h(辆/小时)；snj为交叉口节点n信号相位j的饱和流率，veh/h(辆/小时)；dmax为最大饱和度限制。所述公交车载客数约束，要求各班次公交在经过任意站点时载客数不超过最大载客数限制，如式(16)所示；式中：oin为公交班次i经过站点n后的载客数，可按式(17)计算；omax为最大载客数限制；所述公交线路运营车辆数约束，要求线路运营车辆数不大于最大配车数限制，如式(18)所示；h1+h2≤hmax(18)式中：h1和h2分别为公交上行和下行始发的车辆数；hmax为最大配车数限制。所述公交线路发车间隔约束，一方面要求始发站各班次发车间隔在最小发车间隔和最大发车间隔范围内，如式(19)所示；另一方面要求每一辆公交车在始发站按时刻表发车时刻与该车到达始发站时刻的间隔应不小于车辆在始发站的最小休整时长限制，如式(20)和式(21)所示；式中：δmin和δmax分别为最小发车间隔和最大发车间隔，单位秒；δmin为车辆在始发站的最小休整时长，单位秒。一种考虑交叉口信号控制的快速公交时刻表编制方法，通过求解以式(1)为目标函数，以式(2)-(21)为约束条件的非线性规划模型，该方法可同时得到快速公交时刻表(即时刻表中公交班次i到达节点n的计划时刻，)和沿线交叉口信号配时(即交叉口节点n信号相位了绿灯开始时刻和持续时长，和)。公交线路沿线节点编号示意如图1所示。本发明实施例1沿线节点编号示意如图2所示，其中公交站点共10个，节点编号为1、4、5、7、9、10、12、14、15和18，交叉口共4个，节点编号为2、3、6、8、11、13、16和17，节点2与17、3与16、6与13、8与11为同一个交叉口；公交车最大载客数限制为80人，最大配车数限制为80人，最小和最大发车间隔分别为240s和360s，最小休整时长为120s；公交行驶速度满足均值为30km/h方差为0.5的正态分布；各公交站点乘客到达率均为0.05人/s，且前往之后各站的比例相等；各交叉口社会车辆各流向流量均为300veh/h，饱和流率均为1800veh/h；单个乘客上车的服务时间满足均值为3.5s/人方差为0.5的正态分布，下车的服务时间满足均值为2.1s/人方差为0.5的正态分布；各交叉口初始信号配时均如表1所示；沿线交叉口处于道路干线协调控制系统中，协调控制流向为东西直行(相位2)，与快速公交通行方向一致，交叉口节点2(或17)、3(或16)、6(或13)、8(或11)东西直行方向的相位差分别为0、60、0和60；交叉口各流向最大饱和度限制为0.9；分析时长1小时。表1相位流向周期时长(s)绿灯持续时长(s)相位1东西左转12027相位2东西直行12027相位3南北左转12027相位4南北直行12027具体过程简述如下：步骤1：将上述输入参数代入本发明建立的以式(1)为目标函数以式(2)-(21)为约束条件的非线性规划模型。步骤2：上述模型为非线性规划模型，采用遗传算法进行求解。公交时刻表和沿线交叉口信号配时优化结果分别如表2和表3所示。表2表3步骤3：设计方案评价。将总延误和准点率作为评价指标，对传统时刻表编制方案和本发明改进方案进行对比。传统方案采用5分钟(300s)发车间隔，与本发明方案的平均发车间隔一致。根据输入参数分布随机生成1000个场景，取各场景均值进行对比，结果如表4所示。按本发明方法，对公交时刻表和沿线交叉口信号配时进行优化，可以使本实施例在线路总发车班次数保持不变的情况下，总延误减少32.7％，准点率提高3.1％，使快速公交的通行效率和服务水平得到了显著提高。表4上述的对实施例的描述是为便于该
技术领域：
：的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这一实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。当前第1页12当前第1页12