一种基于公交信号优先协调控制的站点位置优化方法与流程

本发明属于城市公共交通设施规划与管理领域，涉及公交停靠站位置优化技术，具体来说，涉及一种基于公交信号优先协调控制的站点位置优化方法。

背景技术：

作为最基础的城市公交设施，公交停靠站是联系乘客和公交运输服务的联系纽带，是公交系统实现其服务不可缺少的重要环节。目前我国大城市均拥有几十至几百条公交线路，按每条线路平均20个站点，重复系数2.5计算，每个城市也至少有上千个公交站点。因此，城市公交停靠站布局设计的合理性对城市交通整体运行情况和城市建设都有极其重要的影响。但是，在实际中我国城市公交站点的规划设计还不够完善，公交停靠站建设还存在诸多问题，如站距设计不合理，交叉口附近公交停靠站位置选择不合理，停靠站类型选择不合理等，从而造成公交车辆在站点处与其他车辆相互干扰严重，公交车辆延误增大，道路通行能力下降等问题。造成这些现象的原因是多方面的，可通过站点优化设计，加强站点和公交线路的协调性，从而保障公交快速流畅的运行。

公交停靠站作为公共汽车交通系统的子系统，承担着集散的功能，与公共交通服务的速度、便捷度与舒适度都有着巨大的关系。公交站点的设置形式和位置不仅影响到公交本身的运行效率，也影响到其他车辆运行状况和道路通行能力。然而，目前关于公交站点优化的研究多集中于交通规划层面，缺乏从交通控制与管理层面对公交停靠站优化的研究。停靠站的设计大多从静态考虑，而未考虑其对公交车运行效率的影响。

目前，很多专家学者提出采用公交信号优先来提升公交车辆运行效率。但是，研究表明，公交车辆在停靠站处的停靠很大程度上影响了公交信号优先的效果。因此，有必要探讨在采取公交优先策略的前提下，公交停靠站位置是如何影响公交运行的，进而探索不同情况下最优的公交站点位置，从而提升公交优先效果，减少公交车辆延误，提高公交车辆服务质量。

技术实现要素：

技术问题：本发明提供一种保证了公交信号优先的执行效果，提高了公交车辆的服务可靠性，从而提升了公交车辆吸引力的基于公交信号优先协调控制的站点位置优化方法，解决了公交停靠站位置优化问题。

技术方案：本发明的基于公交信号优先协调控制的站点位置优化方法，包括以下步骤：

(1)在公交主干道上设置公交站间绿波，以实现多交叉口之间的协调控制；

(2)在交叉口进口道处设置检测器，检测公交车辆的到达，并记录公交车辆运行状态；根据检测信息，预测公交车辆到达停车线的时刻；

(3)根据预测的到达时刻，判断该公交车辆是否产生优先请求，若产生优先请求，则进入步骤(4)，否则返回步骤(2)；

(4)将该优先请求发送至信号控制机，并判断该优先请求是否满足预设的优先限制条件；

(5)若该优先请求满足所述优先限制条件，则信号控制机接收该优先请求，更新信号配时；否则返回步骤(2)；

(6)设置多种公交车辆运行场景，然后信号控制机执行所述步骤(5)中更新的信号配时，同时分别对不同位置公交站点在不同运行场景下的公交车辆和社会车辆的运行进行模拟仿真；

(7)根据所述步骤(6)中模拟仿真的结果，分析不同站点位置在不同运行场景下对系统中公交车辆和社会车辆运行状况的影响，筛选公交车辆运行效能提升最大且社会车辆运行状况最好的公交站点位置，作为公交信号优先协调控制下最优的站点位置优化方案。

进一步的，本发明方法中，步骤(1)具体流程包括：

(11)以公交站点为节点对实施路段进行分段，判断是否满足绿波实施条件，如满足，即当相邻公交站点间交叉口数量不少于2个时，实施公交站间绿波信号控制；否则不设置公交站间绿波信号控制；

(12)首先根据实施路段每个交叉口的交通流量比、每周期损失时间，利用韦伯斯特方程计算各交叉口的初始信号周期和初始绿灯时间然后，根据各交叉口周期时长，取初始信号周期最大值cm为交叉口统一信号周期；然后，统一交叉口信号周期cj＝cm，并确定交叉口绿灯时间gj，其中j为交叉口代号；

(13)以公交站点为节点，对交叉口进行分组，相邻公交站点间的交叉口为一组，其中，公交站点k和k+1之间的交叉口组为k，交叉口组k总共包含nk个交叉口ik,j；选取组内绿灯时间最小的交叉口为控制交叉口ik,ci，且组内绿波带宽度即为控制交叉口绿灯时间，计算组内非控制交叉口与控制交叉口之间的信号相位差

(14)确定不同组别间交叉口的信号相位差，所述不同组别间交叉口的信号相位差是指交叉口组k内最后一个交叉口与交叉口组k+1内第一个交叉口ik+1,1间的信号相位差，根据公交站点与交叉口的距离、公交在站点停靠时间，计算组别间信号相位差θk,k+1，所述公交在站点停靠时间包括加减速、开关门、上下客时间；

(15)根据路段信号相位设置，调整公交车辆发车时刻，公交车发车频率即为信号周期的整数倍，实现公交站间绿波通行；根据公交发车位置与下游第一个交叉口间距离、交叉口初始绿灯中心时刻、公交车平均行驶速度，计算公交发车时刻t。

进一步的，本发明方法中，步骤(2)具体流程包括：

(21)交叉口各进口道分别铺设流量检测器和行程时间检测器；其中，流量检测器被设置在停车线前50-80m处，用以检测交叉口进口道的流量；行程时间检测器铺设在进口道停车线后150-200m处，用以检测车辆的到达和公交车运行状态信息；

(22)利用检测器采集的公交车辆运行状态信息，包括公交车辆到达行程时间检测器时间t、公交车辆平均运行速度v和行程时间检测器至停车线距离l，预测公交车辆到达停车线的时刻at；。

进一步的，本发明方法中，步骤(3)具体流程包括：

通过对比步骤(22)预测所得公交车辆到达停车线的时刻at与公交车辆对应相位i的绿灯开始时间g^s,i和结束时间g^e,i，得出优先条件：

a)如果at≤g^s,i,公交车到达停车线时，相位i处于红灯时间，公交车不能通过停车线，故申请红灯早断策略，确定相应的优先时间为δⁱ＝g^s,i-at，进入步骤40)；

b)如果at≥g^e,i，公交车不能在相位i绿灯截止时间之前到达停车线，故申请绿灯延长策略，确定相应的优先时间为δⁱ＝at-g^e,i，进入步骤40)；

c)如果g^s,i≤at≤g^e,i否则，则公交车辆b不需要优先，返回步骤20)。

进一步的，本发明方法中，步骤(4)中的预设的优先限制条件包括：相位i-1的绿灯时间g^i-1不小于最小绿灯时间相位i+1的绿灯时间g^i-1不小于最小绿灯时间相位i的优先时间δⁱ不大于最大优先时间

进一步的，本发明方法中，步骤(6)具体包括：

(61)选取影响公交车辆运行效率的主要因素，然后改变这些因素的取值，形成多种公交车辆运行场景；

(62)选取用以评估系统中公交车辆和社会车辆运行状态的评价指标；

(63)信号控制机执行步骤(5)中更新的信号配时，并在各种运行场景下，模拟仿真公交站点设置在不同的位置下公交车辆和社会车辆的运行状况，进而获取所述运行状况下评价指标的值，作为模拟仿真的结果，所述公交站点位置包括交叉口上游、路段中和交叉口下游。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

目前，现有关于公交站点优化的研究多集中于交通规划层面，较少从交通控制与管理层面来考虑，这使得公交站点不能很好地服务公交车辆的运行，尤其是在公交信号优先协调控制前提下，公交站点在很大程度上干扰了优先协调控制的实施效果。而本方法以公交信号优先协调控制为前提，研究不同公交站点位置对公交信号优先协调控制效果的影响。基于模拟仿真分析方法获取的影响结果，确定站点位置优化方案。这使得公交站点能够充分发挥其自身调节功能，很好地迎合公交信号优先协调控制的需求，进而保证公交信号优先协调控制的实施效果，提高公交车辆运行效率和服务水平，最终提升公交系统的吸引力和承载力。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2(a)为公交站点位于交叉口上游时vissim仿真基本路网示意图。

图2(b)为公交站点位于路中时vissim仿真基本路网示意图。

图2(c)为公交站点位于交叉口下游时vissim仿真基本路网示意图。

图3(a)为交叉口间距150m时公交车辆平均延误与主干道流量的关系图。

图3(b)为交叉口间距150m时社会车辆平均延误与主干道流量的关系图。

图3(c)为交叉口间距150m时公交车辆平均速度与主干道流量的关系图。

图3(d)为交叉口间距150m时社会车辆平均速度与主干道流量的关系图。

图4(a)为交叉口间距300m时公交车辆平均延误与主干道流量的关系图。

图4(b)为交叉口间距300m时社会车辆平均延误与主干道流量的关系图。

图4(c)为交叉口间距300m时公交车辆平均速度与主干道流量的关系图。

图4(d)为交叉口间距300m时社会车辆平均速度与主干道流量的关系图。

图5(a)为交叉口间距450m时公交车辆平均延误与主干道流量的关系图。

图5(b)为交叉口间距450m时社会车辆平均延误与主干道流量的关系图。

图5(c)为交叉口间距450m时公交车辆平均速度与主干道流量的关系图。

图5(d)为交叉口间距450m时社会车辆平均速度与主干道流量的关系图。

图6为不同交叉口间距下公交延误差值百分比对比分析图。

图7为不同交叉口间距下社会车辆延误差值百分比对比分析图。

具体实施方式

下面结合附图和附表对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为本发明一种基于公交信号优先协调控制的站点位置优化方法流程图：

(1)在公交主干道上设置公交绿波，以实现多交叉口之间的协调控制；

具体地，步骤(1)包括：

(11)以公交站点为节点对实施路段进行分段，判断是否满足绿波实施条件，当相邻公交站点间交叉口数量不少于2个时，可考虑实施公交站间绿波信号控制；否则，结束本流程；

(12)设置公交绿波前，首先根据实施路段每个交叉口的交通流量比、每周期损失时间，利用韦伯斯特方程计算各交叉口的初始信号周期和初始绿灯时间：

式中：—交叉口ij的初始信号周期(s)

lj—每周期损失时间(s)

yj—交叉口总的交通流量比率

—初始绿灯时间(s)

yj—公交行驶方向的交通流量比率

根据各交叉口周期时长，取周期最大值为交叉口统一信号周期cm，即：

统一交叉口信号周期cj＝cm，并确定交叉口绿灯时间gj：

(13)以公交站点为节点，对交叉口进行分组，相邻公交站点间的交叉口为一组；公交站点k和k+1之间的交叉口组为k，交叉口组k总共包含nk个交叉口ik,j；选取组内绿灯时间最小的交叉口为控制交叉口ik,ci，且组内绿波带宽度即为控制交叉口绿灯时间，计算组内非控制交叉口与控制交叉口之间的信号相位差

式中：—k组内非控制交叉口ik,j与控制交叉口ik,ci间的相位差(s)

lk,j—k组内非控制交叉口ik,j与控制交叉口ik,ci间路段长度(m)

vk,j—k组内非控制交叉口ik,j与控制交叉口ik,ci间公交车辆平均行驶速度(m/s)

(14)确定不同组别间交叉口的信号相位差，组间信号相位差是指交叉口组k内最后一个交叉口与交叉口组k+1内第一个交叉口ik+1,1间的信号相位差，根据公交站点与交叉口的距离、公交在站点停靠时间(包括加减速、开关门、上下客时间)，计算组别间信号相位差θk,k+1：

式中：θk,k+1—交叉口组k与交叉口组k+1间的信号相位差(s)

—公交停靠站k+1与上游最近交叉口间的距离(m)

l^k,k+1—交叉口组k内最后一个交叉口与交叉口组k+1内第一个交叉口ik+1,1间的距离(m)

tk+1—公交车辆在站点k+1的停靠时间(s)

(15)根据路段信号相位设置，调整公交车辆发车时刻，公交车发车频率即为信号周期的整数倍，实现公交站间绿波通行；根据公交发车位置与下游第一个交叉口间距离、交叉口初始绿灯中心时刻、公交车平均行驶速度，计算公交发车时刻t：

式中：t1—下游第一个交叉口初始绿灯中心时刻

d—公交发车位置与下游交叉口间距离(m)

v1,1—公交车平均行驶速度(m/s)

t1—公交车辆在发车位置与交叉口间公交车站的停靠时间(s)

u—调整系数，自然数

(2)在交叉口进口道处设置检测器，检测公交车辆运行状态；根据检测信息，预测公交车辆到达停车线时刻；

具体地，步骤(2)包括：

(21)交叉口各进口道分别铺设流量检测器和行程时间检测器；其中，流量检测器被设置在停车线前50-80m处，检测交叉口进口道的流量；行程时间检测器铺设在进口道停车线后150-200m处，检测车辆的到达和公交车运行状态信息；

(22)利用获取到的公交车辆运行数据和到达检测器的位置信息，预测公交车到达停车线的到达时刻at：

(3)根据预测的到达时刻，判断该公交车辆是否产生优先请求；

具体地，步骤(3)包括：

(31)获取相位i的绿灯开始时刻g^s,i和结束时刻g^e,i；

(32)若预测的到达时刻则公交车b产生优先请求，请求的优先策略为红灯早断，需要的优先时间为

(33)若则公交车b产生优先请求，请求的优先策略为绿灯延长，需要的延长的时间

(34)若则不产生优先请求，返回步骤(2)；

(4)若产生优先请求，则将该优先请求发送至信号控制机，并判断该优先请求是否满足预设的优先条件；

具体地，步骤(4)包括：

(41)将产生的优先请求发送至信号控制机；

(42)获取预设的优先限制条件；其中，所述优先限制条件包括相位i-1的最小绿灯时间相位i+1的最小绿灯时间和相位i的最大优先时间

(43)若优先请求的策略为绿灯延长，则当且时，判定该优先请求满足优先限制条件，否则返回步骤(2)；若优先请求的策略为红灯早断，则当且时，判定该优先请求满足优先限制条件，否则返回步骤(2)；其中，gⁱ⁺¹、g^i-1分别表示相位i+1、i-1的绿灯持续时间；

(5)若该优先请求满足所述优先限制条件，则信号控制机接收该优先请求，更新信号配时；否则返回步骤(2)；

如果优先请求满足优先条件，则该优先请求被控制机接收，产生相应的优先相位，更新信号配时；否则，返回步骤(2)；

(6)设置多种公交车辆运行场景，然后信号控制机执行所述步骤(5)中更新的信号配时，同时分别对不同位置公交站点在不同运行场景下的公交车辆和社会车辆的运行进行模拟仿真；

具体地，结合一个示例来对步骤(6)作进一步说明：

示例基本路网如图2所示，分别给出了公交停靠站位于交叉口上游、路中和交叉口下游三种情况的基本路网示意图；

(61)选取影响公交车辆的运行效率的主要因素；本示例选取主干道交通流量和交叉口间距两个因素；然后改变这些因素的取值，主干道交通流量取值为500、800、1000、1200、1300、1400、1500、1600、1700和1800，交叉口间距取值分别为150m、300m和450m，从而形成了30种仿真场景；

(62)选取评价指标，本示例选取公交车辆平均延误和平均行驶速度来以评估公交车辆的运行状态；另外，为了评估本发明方法对社会车辆的负面影响，选取社会车辆平均延误和平均行驶速度来作为衡量指标；

(63)选用vissim为仿真软件，设置相应的仿真参数，如表1所示；针对不同位置的公交停靠站(包括交叉口上游、路段中和交叉口下游)，如图2(a)、(b)和(c)所示，分别调整主干道交通流量和交叉口间距，以实现步骤(61)中的30种仿真场景，然后开始模拟仿真；

表1

(7)根据所述步骤(6)中模拟仿真的结果，分析不同站点位置在不同运行场景下对系统中公交车辆和社会车辆运行状况的影响，筛选公交车辆运行效能提升最大且社会车辆运行状况最好的公交站点位置，作为公交信号优先协调控制下最优的站点位置优化方案。

(71)采集仿真结果，如图3到7所示，分析不同站点位置在不同运行场景下对系统中公交车辆和社会车辆运行状况的影响；

(711)图3为交叉口间距为150m时车辆平均延误和平均速度与主干道流量的关系；从图中可知，公交车辆和社会车辆延误随着主干道流量的增加逐渐变大，平均速度随着主干道流量的增加逐渐减小，整体趋势与实施被动公交优先信号控制策略下的趋势相同；具体来说，车辆延误在主干道流量小于1400veh/h时增加比较缓慢，在大于1400veh/h时增速较大，且不同停靠站位置产生的车辆延误出现了一定的差别，尤其是当主干道流量处于1500-1700veh/h时差别更为明显，从图中可知设置交叉口下游公交停靠站造成的公交延误较低，但相应的社会车辆延误较高；由此可见，当选择设置利于公交车辆通行的公交停靠站位置时，会对社会车辆的运行造成一定的影响，但只要影响不大，仍可从公交最优的角度出发，选择更利于提高公交车辆运行效率的设置方案；从车辆平均行驶速度上来看，车辆平均速度随着主干道流量的增加呈直线下降的趋势，尤其是公交车辆速度受主干道流量影响较为严重，但不同公交停靠站位置对车辆速度影响差别不大，设置交叉口下游公交停靠站的公交车辆行驶速度略高于设置交叉口上游公交停靠站的情况；总的来说，在实施公交信号优先后，设置交叉口下游公交停靠站公交车辆运行效率相对较高，优于设置交叉口上游和路中停靠站；

(712)图4和图5为交叉口间距为300m和400时车辆延误和速度与主干道流量的关系图；从图中可以看出，随着交叉口间距增大，公交停靠站位置对公交优先运行效率的影响逐渐减弱；从公交车辆运行情况来看，设置交叉口下游公交停靠站的公交路段延误略低于交叉口上游公交停靠站，尤其是当主干道流量为1400-1600veh/h时这种优势更为明显；从对社会车辆运行影响来看，不同公交停靠站位置对社会车辆的影响差别不大，但车辆平均运行速度均随着主干道流量的增加呈直线下降趋势；

(713)步骤(711)和(712)的结果分析可以得到，在实施公交优先信号时，总体上来说设置交叉口下游公交停靠站更利于公交车辆的高效运行；为了更进一步说明这种现象，图6和图7给出了不同交叉口间距下设置交叉口下游和上游公交停靠站造成延误差值的对比图，其中

需要指出的是，步骤(711)和(712)均以主干道流量作为主要变量分析了不同交叉口间距下设置交叉口上游、路段、下游公交停靠站公交车辆和社会车辆延误的变化规律；但是，在实际应用中，由于道路宽度和车道功能设计各不相同，无法单纯的用流量来判断道路运行情况，而道路饱和度是一个判断道路运行情况和拥挤程度的指标；因此，本示例提出根据仿真场景中的道路流量和通行能力来计算各主干道流量对应的饱和度(如表2所示)，以便得到更具有普遍适用性的结论；

从图6可以看出，整体上来说设置交叉口下游公交停靠站产生的公交延误是低于设置交叉口上游公交停靠站的，当道路饱和度大于0.7、且交叉口间距较小时这种优势更为明显。因此，道路饱和度较高时，设置交叉口下游公交停靠站更利于主动公交优先信号控制策略的实施，可保证公交车辆更加快速的通行；由图7可知，从社会车辆运行的角度来看，设置交叉口下游公交停靠站会对社会车辆造成更多的延误，且随着道路饱和度的增加对社会车辆的影响也在增大；但从延误具体数据来看，不同停靠站位置造成的延误水平差距很小，差值通常都在5s以内。因此，综合考虑社会车辆和公交车辆延误情况，在实施主动公交优先信号控制策略时，仍应优先选择设置交叉口下游公交停靠站；

(72)筛选公交车辆运行效能提升最大且社会车辆运行状况最好的公交站点位置，作为公交信号优先协调控制下最优的站点位置优化方案。

(721)为了便于实施公交信号优先，减少公交停靠站对其他社会车辆的影响，应优先选择设计交叉口上游、下游公交停靠站，并在条件允许的情况下优先选择港湾式公交停靠站形式；

(722)在实施公交信号优先时，当道路未饱和、未出现交通拥堵时，应优先设置交叉口下游公交停靠站，此时公交车辆运行效率较高，尤其是交叉口间距较小时，这种情况更明显；

(723)当道路饱和度大于0.7时，设置交叉口下游公交停靠站时公交车辆的运行效率明显高于设置交叉口上游公交停靠站；因此，当道路饱和度较高、道路条件允许时，应当优先选择设置交叉口下游公交停靠站。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。