一种相邻交叉口公交专用道信号协调控制优化方法与流程

本发明属于交通领域，具体涉及一种相邻交叉口公交专用道信号协调控制优化方法。

背景技术：

交叉口是一个复杂的系统，有各个方向交通流的交织与分流，也有不同种类交通的冲突。在交叉口实施的交通管控措施既要能够让各种车流顺畅通过，又要考虑交叉口整体的通行水平。其中，单个交叉口的信号控制是孤立交叉口的交通管理，实际上城市道路网络中，相邻两交叉口的距离通常不远，车辆在经过前面的交叉口后，又会遇到接下来的交叉口，相互独立的单点交叉口信号控制常常造成车辆在行程中走走停停。信号协调控制则将临近两个或多个交叉口的联系到一起，对相互关联的交叉口进行相互协调的信号配时方案，使得尽可能多的车辆(主要是干线车辆)不停车连续通过多个交叉口。信号协调控制提升了道路上信号控制的整体效果，保证交通流在该条道路上行驶能够更加顺畅。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于提供一种相邻交叉口公交专用道信号协调控制优化方法，既保障公交车队通行的约束条件，又使得社会车辆绿波带达到最大，并设置该条件下的专用道预信号车速引导方法，使得公交车队产生集结，缩短通过交叉口所需时长，同时为社会车辆提供更优的绿波效果。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种相邻交叉口公交专用道信号协调控制优化方法，基于公交优先的基本原则，以公交信号优先为主要控制目标，干线社会车辆协调控制为次要控制目标，在优化相位周期长度和绿灯时长之后，以绿波带宽度最大为优化目标，建立基于公交车队的协调控制优化模型，并在此信号配时方案下，通过预指令车速信息引导公交车队产生集结，缩短通过交叉口所需时长，同时为社会车辆提供更优的绿波效果。

步骤1：基于webster延误最小最佳信号周期计算公式，采用协调控制各交叉口的最佳信号周期时长的最大值作为公共周期时长；

步骤2：结合等饱和度原则，优化各相位绿灯时长；

步骤3：假设上游交叉口协调相位绿灯启亮时间为0时刻，将公交车队首车和尾车到达下游交叉口时刻处于绿灯时间的需求转化为约束条件；

步骤4：协调控制绿波带宽度，以绿波带宽度最大为优化目标，建立基于公交车队的协调控制优化模型；

步骤5：根据优化后信号周期时长和优化后绿灯时长计算预指令信息牌的车速推荐值；

作为优选，步骤1中所述公共周期时长为：

c＝max(cj)

式中：j为交叉口数，j≥2，为整数；

cj为交叉口j的最佳信号周期时长，s；

l为信号总损失时间，s；

y为周期内所有相位的关键车道组流率比之和；

c为协调控制中的公共周期时长，s。

作为优选，步骤2中所述结合等饱和度原则，优化各相位绿灯时长为：

gi＝ge,i+li-ai

式中：i为交叉口相位数，i≥1，为整数；

ge,i为相位i的有效绿灯时间，s；

yi为相位i的关键车道组流量比；

gi为相位i的绿灯显示时长，s；

li为相位i的损失时间，s；

ai为相位i的黄灯时间，s；

为尽可能增加协调相位的绿波带宽度，缩短非协调相位中的绿灯时长，从而增长协调相位的绿灯时长，需要优化以上等饱和度原则下计算出的绿灯时长；将非协调相位的饱和度调整为0.9，并计算此时非饱和相位的绿灯时间，然后把宽裕的绿灯时间分配给协调相位，优化后各相位绿灯时长如下：

g′i＝g′e,i+li-ai

g′i，0＝gi，0+∑(g′i-gi)

式中：i为交叉口相位数，i≥1，为整数；

g′e,i为非协调相位i的有效绿灯时间，s；

g′i为非协调相位i的绿灯显示时长，s；

g′i，0为协调相位i的绿灯显示时长，s。

作为优选，步骤3中所述约束条件为：

tb1+tb≥nbc+of

tb1+tb+hb≤nbc+of+g2

相位差的取值区间为：

of∈[tb1+tb+hb-nbc-g2，tb1+tb-nbc]

式中：tb1为公交车队首车抵达上游交叉口停止线时刻，s；

tb为公交车辆在两交叉口间的运行时长，s；

hb为公交车队首尾车辆的车头时距；

nb为距离公交车队抵达下游交叉口时间最近的周期数；

g1为上游交叉口的绿灯时长；

g2为下游交叉口的绿灯时长；

c为相位周期时长；

of为相位差；

作为优选，步骤4中所述协调控制绿波带宽度为：

步骤4中所述以绿波带宽度最大为优化目标，建立基于公交车队的协调控制优化模型：

maxz(of)＝bw

式中：z(of)为目标函数；

bw为社会车辆绿波带宽度，s；

w1为协调控制绿波带的上下限，s；

w2为协调控制绿波带的上下限，s；

tv为社会车辆在两交叉口间的运行时长，s；

tb为公交车在两交叉口间的运行时长，s；

g1为上游交叉口的绿灯时长，s；

g2为下游交叉口的绿灯时长，s；

of为相位差，s；其他符号含义同前；

使用matlab或者lingo软件可以求解该数学模型，此模型的寻优下，交叉口信号配时方案为优化后信号周期时长c^*和优化后绿灯时长g^*；

为配合优化后信号周期时长c^*和优化后绿灯时长g^*，需要引导车辆加/减速以在合适时刻到达交叉口；

作为优选，步骤5中所述根据优化后信号周期时长和优化后绿灯时长计算预指令信息牌的车速推荐值为：

步骤5.1,设预指令信息牌的车速推荐值为v具体计算如下：

式中：t3n为车队中第n辆车通过下游交叉口的时刻，s；

t2n为车队中第n辆车通过预指令信息牌的时刻，s；

h2n为车队中第n辆车通过预指令信息牌时与前车的车头时距，s；

v2n为车队中第n辆车通过预指令信息牌时的速度，m/s；

a为加速度，m/s²；

预指令车速信息就是在交叉口前某个位置的路边电子牌上显示一个推荐的速度值，预指令信息牌位置与道路检测器位置一致，到达该位置的车辆开始加速/减速，直到到达交叉口时刚好达到这个速度；

那么以引导车速行驶至交叉口时整个车队首尾车辆的车头时距为：

式中：t3n为车队中第n辆车通过下游交叉口的时刻，s；

t31为公交车队头车通过下游交叉口的时刻，s；

t3n为公交车队尾车通过下游交叉口的时刻，s；

步骤5.2,令车头时距等于在上游处的车队车头时距，使得车队不发生离散，计算预指令引导车速的推荐值：

h′tq＝hb

此外，公交车在道路上运行时应满足以下约束条件：

车速不应超过道路限速要求vmax，不应低于一般车速最低值vmin；

车速的调整应在驾驶员的可接受范围内，在此取可接受车速变化为不超过原车速的50％；

式中：v为预指令引导车速值；

v为满足可接受车速变化为不超过原车速的50％的引导车速计算值；

vmax、vmin为道路行驶车速的最大值与最小值，可由实测数据标定；

步骤5.3，在车队到达预指令信息牌时，显示当前的推荐车速为v，引导公交车辆按照推荐车速行驶。

本发明的有益效果为：

以公交信号优先为主要控制目标，干线社会车辆协调控制为次要控制目标，保障公交优先通行。

通过基于公交车队的协调控制优化模型，优化相位周期长度和绿灯时长，改善交叉口原有的信号控制方案。

通过预指令车速信息引导公交车队产生集结，缩短通过交叉口所需时长，提高交叉口公交车辆通行效率，同时为社会车辆提供更优的绿波效果。

附图说明

图1：信号控制相位绿灯时长；

图2：上游交叉口交通流量统计；

图3：下游交叉口交通流量统计；

图4：方法流程图；

图5：为相邻两交叉口绿波带；

图6：为协调控制的检测器位置示意；

图7：为预指令设置效果示意；

图8：信号配时参数优化结果；

图9：上游交叉口仿真结果；

图10：下游交叉口仿真结果。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

以武汉市中北路两个连续的信号交叉口为实地调查对象，拟使用实测交通数据建立仿真模型。

该路段设有路侧式公交专用道，并在交叉口设有公交专用进口道，主路为双向六车道，在交叉口处展宽，并且最外侧直行进口道为公交专用进口道；次路为双向四车道；两交叉口的停车线间距为550m；在仿真模型中预指令引导牌与停止线的间距为70m。

调查得到基础交通资料如图1至图3所示；本发明方法流程图如图4所示，相邻两交叉口绿波带示意如图5。

针对公交车辆流量做了单独的统计，调查得到公交车流量为109辆/h。根据公交在高峰时段的载客情况，取公交车权重系数η＝55。此外，为使得仿真模型更符合实际交通状况，调查了路段上公交车辆和社会车辆的平均车速，分别为30km/h和45km/h。

下面结合图1至图10介绍本发的具体实施方式为一种相邻交叉口公交专用道信号协调控制优化方法，具体为：

步骤1：基于webster延误最小最佳信号周期计算公式，采用协调控制各交叉口的最佳信号周期时长的最大值作为公共周期时长；

步骤1中所述公共周期时长为：

c＝max(cj)

式中：j为交叉口数，j≥2，为整数；

cj为交叉口j的最佳信号周期时长，s；

l为信号总损失时间，s；

y为周期内所有相位的关键车道组流率比之和；

c为协调控制中的公共周期时长，s。

步骤2：结合等饱和度原则，优化各相位绿灯时长；

步骤2中所述结合等饱和度原则，优化各相位绿灯时长为：

gi＝ge,i+li-ai

式中：i为交叉口相位数，i≥1，为整数；

ge,i为相位i的有效绿灯时间，s；

yi为相位i的关键车道组流量比；

gi为相位i的绿灯显示时长，s；

li为相位i的损失时间，s；

ai为相位i的黄灯时间，s；

为尽可能增加协调相位的绿波带宽度，缩短非协调相位中的绿灯时长，从而增长协调相位的绿灯时长，需要优化以上等饱和度原则下计算出的绿灯时长；将非协调相位的饱和度调整为0.9，并计算此时非饱和相位的绿灯时间，然后把宽裕的绿灯时间分配给协调相位，优化后各相位绿灯时长如下：

g′i＝g′e,i+li-ai

g′i，0＝gi，0+∑(g′i-gi)

式中：i为交叉口相位数，i≥1，为整数；

g′e,i为非协调相位i的有效绿灯时间，s；

g′i为非协调相位i的绿灯显示时长，s；

g′i，0为协调相位i的绿灯显示时长，s。

步骤3：假设上游交叉口协调相位绿灯启亮时间为0时刻，将公交车队首车和尾车到达下游交叉口时刻处于绿灯时间的需求转化为约束条件；

步骤3中所述约束条件为：

tb1+tb≥nbc+of

tb1+tb+hb≤nbc+of+g2

相位差的取值区间为：

of∈[tb1+tb+hb-nbc-g2，tb1+tb-nbc]

式中：tb1为公交车队首车抵达上游交叉口停止线时刻，s；

tb为公交车辆在两交叉口间的运行时长，s；

hb为公交车队首尾车辆的车头时距；

nb为距离公交车队抵达下游交叉口时间最近的周期数；

g1为上游交叉口的绿灯时长；

g2为下游交叉口的绿灯时长；

c为相位周期时长；

of为相位差；

步骤4：协调控制绿波带宽度，以绿波带宽度最大为优化目标，建立基于公交车队的协调控制优化模型；

步骤4中所述协调控制绿波带宽度为：

步骤4中所述以绿波带宽度最大为优化目标，建立基于公交车队的协调控制优化模型：

maxz(of)＝bw

式中：z(of)为目标函数；

bw为社会车辆绿波带宽度，s；

w1为协调控制绿波带的上下限，s；

w2为协调控制绿波带的上下限，s；

tv为社会车辆在两交叉口间的运行时长，s；

tb为公交车在两交叉口间的运行时长，s；

g1为上游交叉口的绿灯时长，s；

g2为下游交叉口的绿灯时长，s；

of为相位差，s；其他符号含义同前；

按上述方案，所述的预指令车速信息设置原理如下：

使用matlab或者lingo软件可以求解该数学模型，此模型的寻优下，交叉口信号配时方案为优化后信号周期时长c^*和优化后绿灯时长g^*；

为配合优化后信号周期时长c^*和优化后绿灯时长g^*，需要引导车辆加/减速以在合适时刻到达交叉口；

步骤5：根据优化后信号周期时长和优化后绿灯时长计算预指令信息牌的车速推荐值；

步骤5中所述根据优化后信号周期时长和优化后绿灯时长计算预指令信息牌的车速推荐值为：

步骤5.1,设预指令信息牌的车速推荐值为v具体计算如下：

式中：t3n为车队中第n辆车通过下游交叉口的时刻，s；

t2n为车队中第n辆车通过预指令信息牌的时刻，s；

h2n为车队中第n辆车通过预指令信息牌时与前车的车头时距，s；

v2n为车队中第n辆车通过预指令信息牌时的速度，m/s；

a为加速度，m/s²；

预指令车速信息就是在交叉口前某个位置的路边电子牌上显示一个推荐的速度值，预指令信息牌位置与道路检测器位置一致，如图3。到达该位置的车辆开始加速/减速，直到到达交叉口时刚好达到这个速度，为预指令设置效果示意如图4。

那么以引导车速行驶至交叉口时整个车队首尾车辆的车头时距为：

式中：t3n为车队中第n辆车通过下游交叉口的时刻，s；

t31为公交车队头车通过下游交叉口的时刻，s；

t3n为公交车队尾车通过下游交叉口的时刻，s；

步骤5.2,令车头时距等于在上游处的车队车头时距，使得车队不发生离散，计算预指令引导车速的推荐值：

h′tq＝hb

此外，公交车在道路上运行时应满足以下约束条件：

车速不应超过道路限速要求vmax，不应低于一般车速最低值vmin；

车速的调整应在驾驶员的可接受范围内，在此取可接受车速变化为不超过原车速的50％；

式中：v为预指令引导车速值；

v为满足可接受车速变化为不超过原车速的50％的引导车速计算值；

vmax、vmin为道路行驶车速的最大值与最小值，可由实测数据标定；

步骤5.3，在车队到达预指令信息牌时，显示当前的推荐车速为v，引导公交车辆按照推荐车速行驶。

以vissim为仿真平台得到的协调控制优化方案优化结果如图8至图10所示；

综上可知，协调控制优化方案能够为公交车辆提供较好的专用道通行条件，从而实现公交优先，提高交叉口公交车辆通行效率。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。