基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法

摘要

本发明提供一种基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，在公交车上安装车载GPS定位系统，当公交车辆接近路口时，车载GPS定位系统向交通指挥中心发送校验数据信号，交通指挥中心与前端路口信号机通信，通过控制路口的交通信号灯变化，进行公交优先通行控制：1）延长绿灯时间：在路口绿灯即将结束时，延长该行进方向的绿灯时间，使即将到达之公交通过；2）切断红灯时间或呼叫优先通行：对在红灯相位到达的公交车辆，在当前绿灯相位经过最短绿灯时间后，立即将现有红灯切换，提前开启公交优先绿灯。本发明有效提高公交车辆运营速度，切实降低公共线路行程时间，对其它车流的总体影响小。

权利要求

1.一种基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，其特征在于：在公交车辆上安装车载GPS定位系统，当公交车辆距离前端路口100-150m处时，所述车载GPS定位系统向交通指挥中心发送校验数据信号；当公交车辆行驶至距前端路口50-80m处时，所述车载GPS定位系统向交通指挥中心再发送一次校检数据信号，所述交通指挥中心的信号控制系统通过与前端路口信号机通信，结合车辆到达信息和目前信号相位情况，控制路口交通信号灯变化，进行公交优先通行控制：

1）延长绿灯时间或延伸优先通行：在路口绿灯即将结束时，如果交通指挥中心的信号控制系统通过公交车辆上的车载GPS定位系统检测到该路口绿灯对应路段尚有公交车辆即将通过路口，则延长该路口绿灯对应的行进方向的绿灯时间，使即将到达之公交可利用此一延长时间通过路口；如果超过该路口设置的最大绿灯延长时间，公交车辆即将通过路口，则停止该行进方向的绿灯时间，让对方向的车辆通过后，该公交车才能通过；

2）切断红灯时间或呼叫优先通行：对在红灯相位到达的公交车辆，在当前绿灯相位经过最短绿灯时间后，立即将现有红灯切换，提前开启公交优先绿灯以利公交通行，以提高公交车辆运营速度。

2.根据权利要求1所述的基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，其特征在于：绿灯延长时间，由交通指挥中心根据公交车上的车载GPS定位系统定位的车辆位置与停止线之间的距离以及公交车速度做出判断；假若一辆公交于绿灯相位的尾端到达时，则延续绿灯时间到该公交车辆通过交叉路口。

3.根据权利要求2所述的基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，其特征在于：采用基于规则的公交优先算法模型，根据公交车辆的排队长度，车道占有率，流量，设定流量调整幅度，速度，设定速度调整幅度，按照公式（1）确定绿灯延长时间w=f(a)*a1+f1(d)*d1+f2（s）s1+b-c    （1）式中，w为绿灯延长时间，f，f1，f2表示一种线性关系；a为流量调整幅度参数，d为车道占有率调整幅度参数，s为公交车速度调整参数，a1，d1，s1为调整权重，c为当前绿灯时间，b为常量参数。

4.根据权利要求3所述的基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，其特征在于：根据我国混合交通的实际情况以及交通流量的不确定性，采用模糊控制算法模型，预测某路段某一时段的交通流量；

所述模糊控制算法模型，采用混沌优化算法确定隐层小波基的个数，采用公式（2）计算某路段（t+1）时段的预测交通流量：    （2）

式中，F表示一种非线性函数关系； 分别为所预测路段t时段上、下游路段的交通流量； 为预测路段上一周同一工作日的同时段交通流量。

5.根据权利要求4所述的基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，其特征在于：根据历史流量采用模糊控制算法，调整交通信号控制系统信号机运行周期：根据历史上5～10分钟车流量和车道占有率数据，和之前的历史流量数据做比对，修正交通流量和车道占有率数据，把车流量和车道占有率数据带入模糊控制模型，计算出交通信号机下一个运行周期；

所述运行周期其周期时间wc按照公式（3）计算：

wc=F（I，V, O）+d   （3）

式中，F表示一种非线性关系；I为车流五分钟内的效用参数，V为流量，d为常数系数；O为车道占有率；

所述模糊控制算法模型为：

（4）

式中，车流效用参数为I，流量为V，占有率为O，车流量系数为a，占有率系数为b，校准占有率为c，常数系数为d。

6.根据权利要求4所述的基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，其特征在于：通过对交通流量数据预处理，除去一些不正常的数据，错误数据，并补充丢失的数据，让交通流量数据更符合现实情况；所述交通流量数据预处理过程包括：错误交通数据的识别过程；对错误数据的修正过程，对缺失数据的补充；以及对交通数据异常数据的过滤过程。

7.根据权利要求1～6任一项所述的基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，其特征在于：根据每个路口车流量情况，以及路口不同时段的车流量情况，通过设置不同时段，采用公交优先时段配置。

说明书

基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种城市公共交通信号控制方法，具体的说，涉及一种公交优先信号控制方法。

背景技术

[0002] 城市道路作为交通流量的载体，其通行运输效率很大程度上决定了人们的出行选择。我国《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》中明确了“实施公共交通优先发展战略，大力发展城市公共交通系统”，并提出将“城市建成区公共交通全覆盖”纳入国家基本公共服务体系，首次将公交优先发展战略上升为国家战略。

[0003] 由于公交车辆载客量大，社会车辆载客量小，显然将两种车辆摆在相同的地位是不合适的。城市实施公交优先有利于公共交通的发展，鼓励市民搭乘公共交通工具出行，符合城市发展与环境相和谐的发展方向。因为公交优先能够解决大多数人的出行问题，同时由于公交系统对资源的低占有率，而能够降低人均的道路资源占有和减少污染排放。

[0004] 鉴于目前城市发展步伐的加快，社会车辆增多，道路施工频繁，大大的延误了公交车辆的通行，使广大公共交通参与者放弃了乘坐城市公交，造成资源的浪费。同时城市道路的建设，造成路口多，红灯多，车辆等待时间长，也大大的延误了公交车辆通行，乘客出行时间难以控制。

[0005] 为了满足安全、环保、快速出行的要求，将公交车辆的优先级提高，通过减少公交车辆在路口的等待时间以降低人均的路口延误，提高公交车辆运营效率，满足人们的出行要求，应该切实可行的。目前，关于这方面的研究，相关技术人员一直在进行有益的探索。

发明内容

[0006] 本发明针对现有技术存在的问题，提出一种基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，将有效提高公共交通车辆运营速度和道路资源利用率。

[0007] 为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

[0008] 在路口红绿灯通行信号控制方案中，以公交车流、车速为控制目标，提高公交车辆的优先级，控制整个区域交通实现公交车辆畅通无阻地通过各个路口，并据此设置交通控制策略和参数计算，并将其应用在交通信号灯的控制与显示上，减少公交车辆在路口的等待时间。

[0009] 一种基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，在公交车辆上安装车载GPS定位系统，当公交车辆距离前端路口100-150m处时，所述车载GPS定位系统向交通指挥中心发送校验数据信号；当公交车辆行驶至距前端路口50-80m处时，所述车载GPS定位系统向交通指挥中心再发送一次校检数据信号，所述交通指挥中心的信号控制系统通过与前端路口信号机通信，结合车辆到达信息和目前信号相位情况，控制路口交通信号灯变化，进行公交优先通行控制：

[0010] 1）延长绿灯时间或延伸优先通行：在路口绿灯即将结束时，如果交通指挥中心的信号控制系统通过公交车辆上的车载GPS定位系统检测到该路口绿灯对应路段尚有公交车辆即将通过路口，则延长该路口绿灯对应的行进方向的绿灯时间，使即将到达之公交可利用此一延长时间通过路口；如果超过该路口设置的最大绿灯延长时间，公交车辆即将通过路口，则停止该行进方向的绿灯时间，让对方向的车辆通过后，该公交车才能通过；

[0011] 2）切断红灯时间或呼叫优先通行：对在红灯相位到达的公交车辆，在当前绿灯相位经过最短绿灯时间后，立即将现有红灯切换，提前开启公交优先绿灯以利公交通行，以提高公交车辆运营速度。

[0012] 基于上述，绿灯延长时间，由交通指挥中心根据公交车上的车载GPS定位系统定位的车辆位置与停止线之间的距离以及公交车速度做出判断；假若一辆公交于绿灯相位的尾端到达时，则延续绿灯时间到该公交车辆通过交叉路口。

[0013] 基于上述，采用基于规则的公交优先算法模型，根据公交车辆的排队长度，车道占有率，流量，设定流量调整幅度，速度，设定速度调整幅度，按照公式（1）确定绿灯延长时间[0014] w=f(a)*a1+f1(d)*d1+f2（s）s1+b-c    （1）

[0015] 式中，w为绿灯延长时间，f，f1 ，f2表示一种线性关系；a为流量调整幅度参数，d为车道占有率调整幅度参数，s为公交车速度调整参数，a1，d1，s1为调整权重，c为当前绿灯时间，b为常量参数。

[0016] 基于上述，根据我国混合交通的实际情况以及交通流量的不确定性，采用模糊控制算法模型，预测某路段某一时段的交通流量；

[0017] 所述模糊控制算法模型，采用混沌优化算法确定隐层小波基的个数，采用公式（2）计算某路段（t+1）时段的预测交通流量：

[0018]     （2）

[0019] 式中，F表示一种非线性函数关系； 分别为所预测路段t时段上、下游路段的交通流量； 为预测路段上一周同一工作日的同时段交通流量。

[0020] 基于上述，根据历史流量采用模糊控制算法，调整交通信号控制系统信号机运行周期：根据历史上5～10分钟车流量和车道占有率数据，和之前的历史流量数据做比对，修正交通流量和车道占有率数据，把车流量和车道占有率数据带入模糊控制模型，计算出交通信号机下一个运行周期；

[0021] 所述运行周期其周期时间wc按照公式（3）计算：

[0022] wc=F（I，V, O）+d   （3）

[0023] 式中，F表示一种非线性关系；I为车流五分钟内的效用参数，V为流量，d为常数系数；O为车道占有率；

[0024] 所述模糊控制算法模型为：

[0025]  （4）

[0026] 式中，车流效用参数为I，流量为V，占有率为O，车流量系数为a，占有率系数为b，校准占有率为c，常数系数为d。

[0027] 基于上述，通过对交通流量数据预处理，除去一些不正常的数据，错误数据，并补充丢失的数据，让交通流量数据更符合现实情况；所述交通流量数据预处理过程包括：错误交通数据的识别过程；对错误数据的修正过程，对缺失数据的补充；以及对交通数据异常数据的过滤过程。

[0028] 基于上述，根据每个路口车流量情况，以及路口不同时段的车流量情况，通过设置不同时段，采用公交优先时段配置。

[0029] 发明的有益积极效果：

[0030] 1、本发明基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，通过调整公共交通车辆与其他社会车辆的路权使用分配关系和加强公交优先通行信号系统管理，可以有效提高公共交通车辆运营速度和道路资源利用率。公交信号优先，是在道路信号正常工作的状态下进行局部的微调，以实现公交车辆相对其它车辆更高优先级地通过路口。对其它车流的总体影响小。

[0031] 2、本发明基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，技术构思缜密，设计方案合理，能够切实降低公共线路行程时间，减少公共车辆交叉路口延误；通过人工智能控制算法和采取数据优化措施，减少了公共车辆停车次数，提高了公共车辆行车稳定性及准确率，提高了公交服务水平；能够减少车辆能源消耗、人力和运载设备。由于公交出行的安全性更高，加之公交出行更快捷、更方便，必然能够唤起市民搭乘公共交通工具出行的意识，如此则能够释放更多的道路资源，降低人均的道路资源占有和减少污染排放，符合城市发展与环境相和谐的发展方向。

[0032] 3、本发明基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，充分考虑了社会车辆和相邻路口的车流情况，采用改进的模糊控制算法模型，能够准确的预测交通流量和信号周期，充分发挥道路资源的效益。而之前的大部分公交优先通行信号控制方法，对路口公交车辆通行权限比较大，统筹考虑不足，这样可能会造成社会车辆的排队长，反而会影响公交车辆的顺利通行，会影响相邻路口车辆的通行；达不到公交优先通行控制的预期效果。

附图说明

[0033] 图1是本发明公交优先信号控制方法延长绿灯时间控制方案原理图。

[0034] 图2是本发明通公交优先信号控制方法切断红灯时间控制方案原理图。

[0035] 图3是本发明公交优先信号控制方法检测器位置示意图。

[0036] 图4是本发明公交优先信号控制方法基于混沌小波网络的短期交通流预测模型结构示意图。

[0037] 图5是本发明公交优先信号控制方法车流量数据优化流程图。

[0038] 图6是本发明公交优先信号控制方法交通数据预处理框图。

[0039] 图7是本发明公交优先信号控制方法交通数据预处理流程图。

具体实施方式

[0040] 下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

[0041] 实施例1

[0042] 本发明基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，在公交车辆上安装车载GPS定位系统，当公交车辆距离前端路口100-150m处时，所述车载GPS定位系统向交通指挥中心发送校验数据信号；当公交车辆行驶至距前端路口50-80m处时，所述车载GPS定位系统向交通指挥中心再发送一次校检数据信号，所述交通指挥中心的信号控制系统通过与前端路口信号机通信，结合车辆到达信息和目前信号相位情况，控制路口交通信号灯变化，进行公交优先通行控制：

[0043] 1）延长绿灯时间或延伸优先通行：在路口绿灯即将结束时，如果交通指挥中心的信号控制系统通过公交车辆上的车载GPS定位系统检测到该路口绿灯对应路段尚有公交车辆即将通过路口，则延长该路口绿灯对应的行进方向的绿灯时间，使即将到达之公交可利用此一延长时间通过路口；如果超过该路口设置的最大绿灯延长时间，公交车辆即将通过路口，则停止该行进方向的绿灯时间，让对方向的车辆通过后，该公交车才能通过。

[0044] 2）切断红灯时间或呼叫优先通行：对在红灯相位到达的公交车辆，在当前绿灯相位经过最短绿灯时间后，立即将现有红灯切换，提前开启公交优先绿灯以利公交通行，以提高公交车辆运营速度，降低路口延误时间。

[0045] 实施例2

[0046] 参见图1、图2。本实施例的基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，其特征在于：绿灯延长时间，由交通指挥中心根据公交车上的车载GPS定位系统定位的车辆位置与停止线之间的距离以及公交车速度做出判断；假若一辆公交于绿灯相位的尾端到达时，则延续绿灯时间到该公交车辆通过交叉路口。

[0047] 实施例3

[0048] 参见图1、图2、图3。本实施例的基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，与实施例2进一步不同的是：如图3所示，通过在公交车上安装的车载GPS定位系统，检测路口的车流量信号、车辆速度、车辆的排队长度以及车道占有率信号，然后采用基于规则的公交优先算法模型，根据公交车辆的排队长度，车道占有率，流量，设定流量调整幅度，速度，设定速度调整幅度，按照公式（1）确定绿灯延长时间

[0049] w=f(a)*a1+f1(d)*d1+f2（s）s1+b-c    （1）

[0050] 式中，w为绿灯延长时间，f，f1 ，f2表示一种线性关系；a为流量调整幅度参数，d为车道占有率调整幅度参数，s为公交车速度调整参数，a1，d1，s1为调整权重，c为当前绿灯时间，b为常量参数。

[0051] 例：假如路口有10辆公交车排队，可以设定调整幅度为1辆/秒，车辆速度为20km/s，这样本发明公交优先信号控制中心就可以保证有8秒绿灯延长时间，以保证这10辆公交车通过该路口。

[0052] 实施例4

[0053] 参见图1～图4。本实施例基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，其特征在于：根据我国混合交通的实际情况以及交通流量的不确定性，采用模糊控制算法模型，预测某路段某一时段的交通流量；

[0054] 模糊控制算法模型，采用混沌优化算法确定隐层小波基的个数，采用公式（2）计算某路段（t+1）时段的预测交通流量：

[0055] （2）

[0056] 式中，F表示一种非线性函数关系； 分别为所预测路段t时段上、下游路段的交通流量； 为预测路段上一周同一工作日的同时段交通流量。

[0057] 预测交通流量可以采用优化的小波网络预测模型来确定满足预测精度要求的最佳小波基的个数。网络隐层小波基个数的确定，目前基本上是依赖于设计者的经验，或者采用递增、递减的探测方法，当网络结构较为复杂，小波基个数较多时，此类方法难以达到最佳效果。因此，本发明采用模糊控制算法模型，来预测某路段某一时段的交通流量。

[0058] 混沌是存在于非线性系统中的一种较为普遍的现象，混沌运动具有遍历性、随机性、“规律性”等特点。混沌运动能在一定范围内按其自身的“规律”不重复地遍历所有状态。应用混沌变量进行优化搜索，无疑会比随机搜索更具优越性。混沌优化方法已成功用于神经网络权值和阈值的训练，本项目应用改进的混沌优化算法确定隐层小波基的个数。

[0059] 预测模型影响因素的选取。研究表明，城市交通路网中交通路段上某时刻的交通流参数与本路段前几个时段的交通流参数有关，并受其上下游路段交通状况的影响。同时，交通流具有7天的准周期工作日特性。因此，为提高预测精度，本项目提出一种相似时段的预测方法，以交通量预测为例，应用上一周同一工作日的同时段交通量、预测路段前一时段的交通量及上下游路段前一时段的交通量数据预测特定路段的交通量。

[0060] 实施例5

[0061] 参见图1～图5。本实施例的基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，与实施例4不同之处在于：根据历史流量采用模糊控制算法，调整交通信号控制系统信号机运行周期：根据历史上5～10分钟车流量和车道占有率数据，和之前的历史流量数据做比对，修正交通流量和车道占有率数据，把车流量和车道占有率数据带入模糊控制模型，计算出交通信号机下一个运行周期；

[0062] 所述运行周期其周期时间wc按照公式（3）计算：

[0063] wc=F（I，V, O）+d   （3）

[0064] 式中，F表示一种非线性关系；I为车流五分钟内的效用参数，V为流量，d为常数系数；O为车道占有率；

[0065] 所述模糊控制算法模型为：

[0066] （4）

[0067] 式中，车流效用参数为I，流量为V，占有率为O，车流量系数为a，占有率系数为b，校准占有率为c，常数系数为d。

[0068] 举例来说，对车流设置效用参数系数(流量上限，流量下限，流量系数，占有率系数，校准占有率，常数系数)为(0,35,1,0,0,0)，则当该车流五分钟流量在区间[0, 35)内时，效用参数为：，效用参数系数中的饱和流率用于计算周期。

[0069] 实施例6

[0070] 参见图1～图7。本实施例的基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，与实施例5的不同之处在于：通过对交通流量数据预处理，除去一些不正常的数据，错误数据，并补充丢失的数据，让交通流量数据更符合现实情况；所述交通流量数据预处理过程包括：错误交通数据的识别过程；对错误数据的修正过程，对缺失数据的补充；以及对交通数据异常数据的过滤过程。

[0071] 公交车数据优化处理过程中，交通模型输入数据的质量对于模型的有效性具有不可忽视的作用。从实际道路交通系统中采集到的交通数据都不可避免地存在着故障，为了保证交通模型的使用效果，本发明针对交通检测器数据可能出现的问题，提出了该交通数据预处理的算法。

[0072] 本发明基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法，根据每个路口车流量情况，以及路口不同时段的车流量情况，可以通过设置不同时段，采用公交优先时段配置。公交优先时段设置，可以根据每个路口车流量情况，不同时段车流量不同，典型路口一天分为早高峰，晚高峰，早平峰，晚平峰，夜间底峰。通过设置不同时段，确定是否采用公交优先。

[0073] 如下表记录了B2公交车在实施公交优先前和之后通过路口的区别：

[0074]

[0075] 由上表可以看出，B2公交车经过上表中路口优先后比优先前少用10分钟时间，减少了B2公交车在路口停车次数。其结果必然是能够减少汽车尾气对环境的污染，切实方便市民快速出行。

[0076] 总之，本发明基于车载GPS的城市道路交通公交优先信号控制方法的实施，能够使得公交出行更加快捷、方便，有助于唤起民众自觉搭乘公共交通工具出行，以此解决大多数人的出行问题。这不仅可以释放更多的道路资源，降低人均的道路资源占有和减少污染排放，符合城市发展与环境相和谐的发展方向，而且具有如下的积极意义：a、降低公共线路行程时间，减少公共车辆交叉路口延误；b、减少公共车辆停车次数，提高公共车辆行车稳定性及准确率，提高公交服务水平；c、减少车辆能源消耗、人力和运载设备。