一种基于公交车实时定位信息的主动公交信号优先控制方法与流程

本发明涉及城市公交车优先通行技术，尤其涉及一种基于公交车实时定位信息的主动式公交信号优先控制方法，
背景技术：
：伴随着日益放缓的交通系统扩容，持续增长的城市出行需求已经使许多城市路网在接近或超过其运营能力的情况下运转，造成了城市交叉口过度延误和早晚高峰时段路段常发性拥堵等问题。交通的延误和堵塞进而又造成了额外的车辆能耗、尾气排放以及相应的社会经济损失，同时，相关可能发生的出行者行为变化也会触发一些交通安全隐患。然而，在人口稠密的城市区域范围内,为了解决或减缓交通拥堵和其后续影响，抑制交通出行需求和扩容系统通行能力的方法和策略经常会因其过高的投入和有限的区域可行性而难以得到实施。这时，推进多交通模式系统整合和有效利用现有系统通行能力的措施正被更多的研究者和决策者作为一个可行的发展方向用以减少常发性交通拥堵进而缓解在前面提到的各种不利环境和社会影响。在这个背景下，找出促使私家车出行需求向公共交通出行需求转换的有效方法和手段，并在同时提高公共交通的运营效率就变得非常关键。对于那些正在经历着高速、高密度的城镇化进程的发展中国家如中国、印度和巴西，城市公共交通系统需要在有限的城市路网通行能力下，承载大部分的城市交通出行需求，也使得这一发展方向变得更为重要。在全世界范围内，基于公交优先理念发展和实施了许多各种不同的优先措施和策略。这些不同的措施和策略主要包括了基于路段的公交优先方案如公交车专用车道，基于交叉口的公交优先方案如公交信号优先以及两者的综合应用。对于那些因为各方面原因而没有条件或机会实施基于路段的公交优先方案并(或)拥有大量交通信号灯的城市路网系统，公交车的信号灯优先就成为了提高公交车运营效率最具有意义的方向和措施。此外，就减少公交延误和提高公交运营速度而言，公交优先相关的措施更是相对于其他主要交通走廊公共交通项目而言投入较少的选择。近年来，在交通探测、通讯、数据处理和分析以及出行者信息发布上的技术快速发展也使得更有效的公交信号优先方法成为可能。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种延误时间更短的公交优先控制方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于公交车实时定位信息的主动公交信号优先控制方法，其特征在于，包含如下步骤：步骤10：采集公交车实时位置信息；采集的公交车实时位置信息包含以下数据：公交车的经纬度、公交车速度以及公交车行驶方向；步骤20：预测公交车到达交叉口停止线的行驶时间；步骤20.1：基于历史数据拟合公交车排队时间与排队长度di,k之间的函数关系：式中，ai和bi为路段系数，针对不同的路段，ai和bi取值并不相同，具体的计算公式为：步骤20.2：基于历史数据拟合公交车排队长度和红灯剩余时间之间的函数关系：式中，ci和di为路段系数；针对不同路段，ci和di取值不相同，具体的计算公式为：步骤20.3：根据公交车实时位置计算公交车行驶到交叉口所需的时间：当公交车所处位置在公交车站和交叉口之间，当前车速为零且交叉路口为红灯，公交车k到达交叉路口所需的总时间ti,k,t为：式中：di,k,t为公交车k在路段i时刻t距离下游最临近交叉路口的距离，由步骤10中采集的公交车的经纬度数据确定，为红灯剩余时间；当公交车所处位置在公交车站和交叉口之间，当前车速为零且交叉路口为绿灯，公交车k到达交叉路口所需的总时间ti,k,t为：式中，为绿灯在路段i时刻t的绿灯配时值，为绿灯在路段i时刻t的剩余时间；当公交车所处位置在公交车站和交叉口之间，当前车速不为零且交叉路口为红灯，公交车k到达交叉路口所需的总时间为ti,k,t为：式中，为红灯剩余时间；当公交车所处位置在公交车站和交叉口之间，当前车速不为零且交叉路口为绿灯，公交车k到达交叉路口所需的总时间ti,k,t为：式中，vi,k,t为当前公交车的速度；当公交车所处位置在公交车站触发区内，若此时交叉路口为红灯，则公交车k到达交叉路口所需的总时间ti,k,t为：式中，为红灯剩余时间；当公交车所处位置在公交车站触发区内，若此时交叉路口为绿灯，则公交车k到达交叉路口所需的总时间ti,k,t为：式中，为公交车通过交叉路口所需的时间，为公交车从当前位置至离开车站所需的时间；当公交车所处位置在公交车站触发区外，当前公交车速度不为零且交叉路口为红灯，则公交车k到达交叉路口所需的总时间为：式中，为红灯剩余时间；当公交车所处位置在公交车站触发区外，当前公交车速度不为零且交叉路口为绿灯，则公交车k到达交叉路口所需的总时间为：式中，为绿灯在路段i时刻t的剩余时间，为公交车和车站之间的距离，为车站距离下游最临近交叉路口的距离，为在某一天w＝{1,2,3,4,5,6,7}在不同时间区间段s针对路段i乘客上下车所需的平均时间，vi,k,t为公交车k在路段i于时刻t的车速，n为当前公交车至车站间的公交车数量；步骤30：对下一个周期内可以行驶到路口的所有公交车选取一种优先策略，计算每种优先策略下公交车总的延误时间；其中优先策略包括绿灯延长、绿灯唤回和相位跳过三种；步骤40：选取公交车总延误时间最小的信号优先策略为最优策略：对于每一种公交车实施的公交信号优先策略，计算出来的总延误时间，选取公交车辆总延误最小的策略，即对应的信号优先策略作为最优的信号优先策略，其中，wi表示公交车i预设的优先级，为由信号灯红灯控制造成的交通控制延误。所述步骤30中不同公交车三种优先策略的选择方法是：令公交车到达交叉路口的所需的总时间为ti,k,t，令为绿灯在路段i时刻t的剩余时间，α为绿灯可延长的最大时间，若公交车到达路口时路口仍然是绿灯，公交车无需信号优先策略；若公交车采用绿灯延长策略；若公交车采取绿灯延长策略也不能通过路口，则需要判断下一相位是否可以跳过，可以跳过则采用相位跳过策略，不能跳过则采用绿灯唤回策略。所述步骤20.1的具体方法为：步骤20.1.1：公交车排队时间拟合计算所需的历史数据如下：第一次记录公交车在路段i的排队时刻t0,k、公交车k到达交叉路口的时间t1,k、第一次记录公交车k在路段i时下游最临近交叉路口在时刻t0,k还剩余的红灯时间以及第一次记录公交车k在路段i时距离下游最临近交叉路口的距离利用这些数据，计算得到红灯变为绿灯后公交车k由当前位置行驶到交叉口所需的时间为：此时基于历史数据采用最小二乘方法构建与之间的函数关系，将与分别简化为与di,k。所述步骤20.2的具体方法为：步骤20.2.1：在某一天w＝{1,2,3,4,5,6,7}，针对不同时间区段s，公交车k在路段i在时刻t对应的红灯剩余时间不为零时，提取当前排队队列中距离交叉路口最远的公交车，令其排队距离为数据库记录不同周同一天同一时间区段对应的和保持相应的数据大小为kmax＝1000；步骤20.2.2：基于历史数据采用最小二乘方法构建与之间的函数关系，将和分别简化为和本发明提出的方法适用于人口稠密的城市道路路网，以找出对于下一个交通信号灯周期最优的bsp(公交信号优先)策略为目标，同时考虑了对在同一信号周期从不同方向接近交叉口的多辆公交车造成的综合影响。模型的目标是最小化公交乘客的延误，以及由于bsp措施而可能强加于目标交叉口和其周边协调控制的交叉口其他车辆交通上的额外延误。采用本发明的方法，用以完成主动公交信号优先，其优化模型以及求解算法不仅继承了数学模型的严谨性，同时具有面对实际情况时的实用性，最大可能的减少公交车和普通交通的延误和服务中断以获得最大收益。附图说明图1为本发明的总体流程图；图2为本发明优化目标周期和目标公交车示意图；图3为本发明公交车在公交车站触发区和路口之间示意图；图4为本发明公交车在公交车站触发区内示意图；图5为本发明公交车在公交车站触发区外示意图；图6为本发明公交信号优先策略示意图；图7为本发明即将到达路口的公交车示意图；具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。附图1为本发明的总体流程图。可以看出，一种基于公交车实时定位信息的主动公交信号优先控制方法，其特征在于根据公交车的实时位置以及历史交通信息预测公交车到达路口的时间，随后对每一辆公交车实施一种公交优先策略并计算当前策略下公交车总的延误时间，选取公交车总延误时间最小的公交优先策略作为最优策略。该发明旨在决定交叉口在第(k+1)个周期最优的公交信号优先策略，达到最小化所有接近交叉口的公交车乘客通过交叉口所需时间的目标，整个优化将在第k个周期的开始时间执行，图2中所示的目标交叉口，现在的时刻是第k个周期的开始，图中一个简单的内圈被用来指示出所有将在第k个周期期间到达停止线的公交车，对于这些公交车以及第k个周期的信号灯配时而言，最优的bsp策略已经被决定而且正在实施了，但是对于那些预计会在第(k+1)个周期抵达目标交叉口停止线的公交车而言，最优的bsp策略将在接下来的优化中确定，这些公交车在图2中由深灰色的环状区域所指示出。具体的优化包含以下步骤：步骤10)采集公交车实时位置信息；采集的公交车实时位置信息包含以下数据：公交车的经纬度、公交车速度、公交车行驶方向、公交车上的乘客数等。步骤20)预测公交车到达交叉口停止线的行驶时间；基于历史数据拟合公交车排队时间与排队长度之间的函数关系；公交车排队时间拟合计算所需的历史数据如下：t0,k(第一次记录公交车在路段i的排队时刻)、t1,k(公交车k到达交叉路口的时间)、(第一次记录公交车k在路段i时下游最临近交叉路口在时刻t0,k还剩余的红灯时间)以及(第一次记录公交车k在路段i时距离下游最临近交叉路口的距离)，利用这些数据，可计算得到红灯变为绿灯后公交车k由当前位置行驶到交叉口所需的时间为此时基于历史数据采用最小二乘方法构建与之间的函数关系，此时所要拟合的函数关系f1(o)为针对不同的路段，ai和bi取值并不相同，具体的计算公式为：基于历史数据拟合公交车排队长度和红灯剩余时间之间的函数关系；每一天不同时段的交通繁忙情况各异，排队长度与红灯剩余时间的函数关系并不相同，因此有必要在同一天针对不同路段在不同时段采取不同的函数关系。在某一天w＝{1,2,3,4,5,6,7}，针对不同时间区段s，公交车k在路段i在时刻t对应的红灯剩余时间不为零时，提取当前排队队列中距离交叉路口最远的公交车，令其排队距离为数据库记录不同周同一天同一时间区段对应的和以便于估算公交车排队长度与红灯剩余时间之间的函数关系，为提高预测的准确性，保持相应的数据大小为kmax＝1000，基于历史数据采用最小二乘方法构建与之间的函数关系，为便于计算，将和分别简化为和此时需要拟合的函数关系f2(o)为针对不同路段，(ci,di)取值不相同，具体的计算公式为：根据公交车实时位置计算公交车行驶到交叉口所需的时间；公交车所处位置在公交车站和交叉口之间；图3所示公交车位于公交车站和交叉口之间。判断当前公交车速度是否等于零。利用当前及前4个时刻的车速来判断当前车速，如果前4个时刻的车速在逐步递减，且当前车速低于设定阈值，则判断当前车速为零；如果五个时刻中三个时刻对应的车速低于设定阈值，则判定当前车速为零；否则当前公交车速度不为零，且可利用五个时刻的平均速度值进行计算。令公交车k在路段i于时刻t的车速为vi,k,t，设定最低车速阈值为vmin，则当前公交车速度等于零的判断方法为：1)如果vi,k,t<vmin且对于时刻tx∈[t-3,t]有vi,k,tx<vi,k,tx-1，则当前公交车的实际速度为vi,k,t＝0；2)如果对于时刻tx∈[t-4,t]，有#{vi,k,tx≤vmin}>＝3，其中#{vi,k,tx≤vmin}为时刻tx的速度vi,k,tx小于vmin速度的个数，则当前公交车的实际速度为vi,k,t＝0。当前车速为零且交叉路口为红灯，表明此时公交车所处的排队队列为静止状态，则通过交叉口所需的时间主要由两部分组成：1)红灯剩余的时间2)红灯转为绿灯后，公交车通过交叉路口所需的时间令为红灯在路段i时刻的剩余时间，di,k,t为公交车k在路段i时刻t距离下游最临近交叉路口的距离，此时公交车k到达交叉路口所需的总时间ti,k,t为即当前车速为零且交叉路口为绿灯，表明此时公交车所处的排队队列已在陆续通过交叉路口。令为绿灯在路段i时刻t的绿灯配时值，为绿灯在路段i时刻t的剩余时间，则公交车k到达交叉路口所需的总时间ti,k,t为当前车速不为零且交叉路口为红灯。令公交车k在路段i时刻t距离下游最临近交叉路口的距离为di,k,t，根据历史数据拟合可估算在红灯转为绿灯的瞬间公交车k距离交叉路口最大的排队队长为此时公交车通过交叉路口所需的时间主要由两部分构成：1)红灯剩余时间2)红灯转为绿灯后，公交车通过交叉路口所需的时间公交车k到达交叉路口所需的总时间为当前车速不为零且交叉路口为绿灯。令当前公交车的速度为vi,k,t，公交车k在路段i时刻t距离下游最临近交叉路口的距离为di,k,t，则公交车k到达交叉路口所需的总时间ti,k,t为公交车所处位置在公交车站触发区内；图4所示公交车位于公交车站触发区内。公交车在站台停靠时间计算，令为在某一天w＝{1,2,3,4,5,6,7}在不同时间区段s针对路段i乘客上下车所需的平均时间，综合各公交车之间的位置信息及触发区逻辑判断信息可获取当前公交车至车站间的公交车数量n，以便于计算公交车从当前位置至离开车站所需的时间第一种情况，公交车服务完毕准备离开站台，此时第二种情况，公交车还未服务完毕，此时可简化计算得到若此时交叉路口为红灯，根据历史数据拟合结果可计算在红灯转为绿灯的瞬间公交车k距离交叉路口最大的排队队长此时公交车k通过交叉路口所需的时间主要由两部分构成，1)红灯剩余时间2)红灯转为绿灯后，公交车通过交叉路口所需的时间公交车k到达交叉路口所需的总时间为若此时交叉路口为绿灯，令为绿灯在路段i时刻t的剩余时间。1)如果表明公交车离开车站时，交叉路口依旧为绿灯，令为站台距离交叉路口的距离，当前公交车k的车速为则公交车k到达交叉路口所需的总时间2)如果表明公交车离开站台时交叉路口的绿灯转变为红灯，根据历史数据拟合结果可计算在红灯转为绿灯的瞬间公交车k距离交叉路口最大的排队队长此时公交车k通过交叉路口所需的时间主要由三部分构成：①公交车从当前时刻至准备离开车站所需的时间②红灯剩余时间③红灯转为绿灯后，公交车通过交叉路口所需的时间公交车k到达交叉路口所需的总时间为公交车所处位置在公交车站触发区外；图5所示公交车位于公交车站触发区外。当前公交车速度为零，这种情况下，公交车站停靠车辆过多，公交车需要在公交车站外等待进站，在多个红绿灯周期内，存在公交车无法顺利通过交叉路口的可能，此时不需要考虑这一类公交车的计算；[0063]当前公交车速度不为零且交叉路口为红灯。根据历史数据拟合结果可计算在红灯转为绿灯的瞬间公交车k距离交叉路口最大的排队队长此时公交车k通过交叉路口所需的时间主要由两部分构成，1)红灯剩余时间2)红灯转为绿灯后，公交车通过交叉路口所需的时间公交车k到达交叉路口所需的总时间为当前公交车速度不为零且交叉路口为绿灯。令为绿灯在路段i时刻t的剩余时间，表示公交车和车站之间的距离，令为车站距离下游最临近交叉路口的距离，为在某一天w＝{1,2,3,4,5,6,7}在不同时间区间段s针对路段i乘客上下车所需的平均时间，公交车从当前时刻至准备离开车站所需的时间为1)如果公交车k到达交叉路口所需的总时间ti,k,t为2)如果表明公交车离开站台时交叉路口的绿灯转变为红灯，根据历史数据拟合结果可计算在红灯转为绿灯的瞬间公交车k距离交叉路口最大的排队队长此时公交车k通过交叉路口所需的时间主要由三部分构成：①公交车从当前时刻至准备离开车站所需的时间②红灯剩余时间③红灯转为绿灯后，公交车通过交叉路口所需的时间公交车k到达交叉路口所需的总时间为步骤30)对(k+1)个周期内可以行驶到路口的所有公交车选取一种优先策略，计算每种策略下公交车总的延误时间。本方法中提供三种公交信号优先策略，包括绿灯延长、绿灯唤回和相位跳过，绿灯延长方案对其他各个方向交通流造成的影响最小，而且能给予请求信号优先的目标公交车最大的收益，然而一个相位的绿灯时间并不能无止境的得到延长，绿灯延长策略并不适用于所有情况，对于那些在红灯相位到达交叉口停止线，并且不在绿灯可延长范围内的公交车，可以采用绿灯唤回策略，或者能够跳过一个或多个指定相位的相位跳过策略。图6所示为公交信号优先策略。令公交车到达交叉路口的所需的总时间为ti,k,t，令为绿灯在路段i时刻t的剩余时间，α为绿灯可延长的最大时间，若公交车到达路口时路口仍然是绿灯，公交车无需信号优先策略；若公交车可以采用绿灯延长策略；若公交车采取绿灯延长策略也不能通过路口，则需要判断下一相位是否可以跳过，可以跳过则采用相位跳过策略，不能跳过则采用绿灯唤回策略。对于每一种公交车实施的信号优先策略，计算该策略下当前路口所有公交车的延误时间，wi表示公交车i预设的优先级，表示由信号灯红灯控制造成的交通控制延误，则公交车总的延误时间为步骤40)选取公交车总延误时间最小的信号优先策略为最优策略。对于每一种公交车实施的公交信号优先策略，计算出来的总延误时间，选取公交车辆总延误最小的策略，即对应的信号优先策略，作为最优的信号优先策略。下面将结合一个算例对本发明方法做进一步的说明。附图7所示为即将到达路口(路口编号125)的公交车，包括a、b、c、d、e、f六辆车。通过步骤10)采集公交车实时位置信息，采集得到的相关数据如下表1)所示：表1)公交车实时位置信息通过步骤20)计算公交车行驶到交叉口停止线的时间，首先根据历史数据拟合出公交车排队时间和排队长度之间的函数关系以及公交车排队长度和红灯剩余时间之间的函数关系，然后根据公交车距离路口的距离以及公交车的速度计算出公交车行驶到路口的时间，计算的结果如下表2)所示：表2)公交车行驶到路口时间表通过步骤30)对(k+1)个周期内可以行驶到路口的公交车选取一种优先策略。当前k周期的开始时间为20170801120001，红绿灯周期时长为120s，则(k+1)周期为20170801120201-20170801120400，(k+1)周期红绿灯相位信息如下表3)所示：表3)(k+1)周期红绿灯相位表注：ew代表东西方向直行，sn代表南北方向直行，es代表东南方向左拐，其他依次类推。选定需要在(k+1)周期进行公交信号优先的公交车，选择的标准为公交车预测到达路口的时间在(k+1)周期内。需要进行公交信号优先的公交车如下表4)所示：表4)需要进行公交信号优先的公交车公交车编号预计到达路口时间是否需要公交信号优化10120170801120256是10220170801120238是10320170801120235是10420170801120420否10520170801120415否10620170801120405否经过计算公交车a、b、c将在(k+1)个周期内到达交叉路口，分别对这3辆公交车进行优先策略选取，对于车辆a，到达交叉路口是正好直行绿灯刚结束，黄灯亮起，可以采取绿灯延长策略，将相位2的绿灯延长5s，可使公交车顺利通过；对于车辆b，ew方向的直行相位已经结束，需要等到下一个红绿灯周期才能通过，可以采取绿灯唤回策略，将相位2、3、4的绿灯时间缩短，使得下一个周期的1相位可以提前到来；对于车辆c到达路口时正好是绿灯，无需采用优先策略。公交车需要采取的优先策略如下表5)所示。表5)公交车需要采取的优先策略对于每一种策略计算公交车总的延误时间。对公交车a采取绿灯延长策略后，总的延误时长＝87(公交车b延误)+0(公交车c延误)＝87秒；对公交车b采取绿灯唤回策略后，总的延误时长＝95(公交车a的延误)+67(公交车b的延误)＝162秒；不采取策略，总的延误时长＝95(公交车a延误)+82(公交车b的延误)＝177秒；通过步骤40)选取公交车总延误时间最小的信号优先策略为最优策略。通过步骤30)的计算，对公交车a采取绿灯延长策略时，公交车总的延误时长最小，即本次公交信号优化的方案为对相位1的绿灯时长延长5秒。当前第1页12