本发明公开了一种交叉口多线路公交车辆优先请求冲突协调控制方法，针对存在多线路公交车辆优先请求冲突的交叉口，综合考虑车辆行程时间延误、优先策略和道路等级等因素，建立了实时多线路优先请求冲突协调控制策略。只有公交车辆的行程时间延误超过一定阈值、优先请求满足限制条件且优先带来的效益要高于其造成的延误时，公交车辆才发请求信号优先，出现多线路优先请求时，利用优先水平评估模型对冲突的优先请求进行排序，给予优先水平最高的线路优先通行权。一方面解决了原有多线路优先请求冲突解决方法的不公平性；另一方面，本发明方法涉及参数较少且都很容易得到，无需复杂的算法和优化过程等，实用性强，可大幅提高城市公交系统运营效率。
交叉口多线路公交车辆优先请求冲突协调控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及本发明属于交通管理与控制领域，尤其涉及一种交叉口多线路公交车辆优先请求冲突协调控制方法。
背景技术
[0002] 交叉口的等待时间是公交车运营过程中行程时间延误的主要组成部分。因此，若降低公交车辆在交叉口处的等待时间，那么公交车的服务质量，包括行程时间、准点可靠性等将会得到很大的提高。公交信号优先系统使得公交车辆在交叉口优先通行，从而其一直被公认为是减少公交车辆交叉口延误的有效措施。
[0003] 现有的公交车辆优先控制方法大多集中在单向交通或者仅研究几条公交线路，与实际情况相差较大。若有多条线路在多个方向上运行，现有研究结果不仅不能很好地引导公交运行、降低公交车延误，还很有可能会因为不当的优先调整造成交叉口处公交车延误增加，从而降低整个公共交通系统的服务效率。另外，对于主支线交叉口处，现有的公交优先控制方法倾向于采用“先到先服务”策略和主干路方向优先通行策略，前者没有照顾到主干路方向的大流量，后者忽略了支路方向的延误累加也有可能超过主干路方向公交车辆的延误情况。显然，这两种策略都有损公平性。
[0004] 因此，现有的公交优先控制方法不能很好地解决因公交车辆在多线路交叉口等待所带来的行程时间延误的问题。
发明内容
[0005] 有鉴于此，为了解决因公交车辆在多线路交叉口等待所带来的行程时间延误的问题，本发明提供一种交叉口多线路公交车辆优先请求冲突协调控制方法可以大大提高交叉口处多线路公交车辆的通过效率，而且提高了整个公交系统的服务质量。
[0006] 本发明提供的交叉口公交车辆优先控制方法，包括以下步骤：
[0007] 1)铺设行程时间检测器和交通流量检测器；
[0008] 2)利用所述步骤1)中检测到的数据，计算公交车辆行程时间延误TTD、公交车辆的到达时间窗 公交车辆的通过时间窗 所述公交车辆的行程时间延误TTD为公交车辆到达行程检测器的实际时间与理论时间的差值，所述公交车辆的到达时间窗 中下限 为公交车以最大速度到达停车线的时间，上限 为公交
车以最小速度到达停车线的时间，所述公交车辆的通过时间窗 中下限 为交叉口当前相位的最大红灯早断时间，上限 为公交车所处相位的最大绿灯延长时间。
[0009] 3)根据所述公交车辆行程时间延误TTD、所述公交车辆的通过时间窗和公交车所在相位的绿灯截止时间的关系判断公交车辆是否请求信号优先，若请求则进入步骤4)；
[0010] 4)根据公交车辆到达停车线时间与公交车所在相位的绿灯起始时间和截止时间的关系确定优先请求申请优先策略的种类，进入步骤5)；
[0011] 5)判断所述优先策略的优先时间是否满足最小绿灯时间和最大优先时间的限制，满足则进入步骤6)；
[0012] 6)判断优先请求是否具有优先效益，是则产生新的优先请求，进入步骤7)；
[0013] 7)控制中心判断当前周期是否存在优先请求，若不存在，则执行所述步骤6)中产生的新的优先请求，进入步骤9)，若存在，则进入步骤8)；
[0014] 8)控制中心对比新的优先请求的产生时间和当前周期存在的优先请求的执行时间，根据对比结果确定执行两者中的一个，进入步骤9)；
[0015] 9)对被执行优先请求的公交车辆进行速度调控。
[0016] 为了充分考虑交叉口的交通情况，步骤1)中检测器的铺设方式为：
[0017] 主干路上所有车道上都铺设流量检测器，只在公交专用道上铺设行程时间检测器，而支路所有车道都要行程时间检测器和流量检测器；
[0018] 行程检测器布设在距离停车线一定距离的上游；
[0019] 流量检测器布设在距离行程检测器一定距离的上游。
[0020] 为了减少优先请求冲突，步骤3)中确定是否请求信号优先的具体步骤为：
[0021] 若所述公交车行程时间延误TTD很小使得公交车可以在所述绿灯截止时间通过交叉口，则不请求信号优先；
[0022] 若所述公交车的行程时间延误TTD使得公交车到达时间超过所述绿灯截止时间，但可以在所述公交车辆的通过时间窗 范围内通过交叉口，则请求信号优先；
[0023] 若所述公交车辆的行程时间延误TTD使得公交车到达时间超出所述公交车辆的通过时间窗 的范围，则不请求信号优先。
[0024] 为了降低优先控制对其他相位的影响，步骤4)中的优先策略包括红灯早断策略和绿灯延长，确定优先策略的具体步骤为：
[0025] 若第i相公交车辆到达停车线的时间在第i-1相红灯最大早断时间允许范围内，则申请第i-1相红灯早断策略；
[0026] 若第i相公交车辆到达停车线的时间在第i相绿灯最大延长允许范围内，则申请第i相的绿灯延长策略。
[0027] 步骤5)中所述最小绿灯时间要满足行人安全过街的需要，所述最大优先时间(绿灯延长时间或者灯早断时间)满足不造成非优先相位出现过饱和的条件限制。
[0028] 为了进一步降低优先请求对其他相位的影响，步骤6)中的优先效益为：
[0029] 优先请求执行后节省的时间TS要大于优先请求执行后给非优先相位车辆带来的延误TD。
[0030] 为了更好地处理优先请求冲突，步骤8)的具体步骤为：
[0031] 若控制中心当前周期内有优先请求，而且新的优先请求的产生时间小于现有优先请求执行开始时间，则根据本发明提出的优先水平评估模型判断产生的新的优先请求和当前周期内的优先请求的优先级别，执行优先级别高的优先请求，而评估模型同时考虑了主干路流量较大、车辆较多的因素，具体公式为；
[0032]
[0033] TTD(i,k)＝Tcurrent(i,k)-Tschedule(i,k)
[0034] RH(i,k)＝1+α·δ(i,k)
[0035] PS(i,k)＝1+β·γ(i,k)
[0036] 其中，P(i,m)——第i相位中申请优先策略m的所有公交车辆的优先水平；
[0037] k——第i相位中申请优先策略m的公交车辆；
[0038] n——第i相位中申请优先策略m的公交车辆的总和；
[0039] α——优先策略权重系数；
[0040]
[0041] β——道路等级权重系数；
[0042]
[0043] 若控制中心当前周期内有优先请求，而且新的优先请求的产生时间大于现有优先请求执行的开始时间并小于结束时间，则拒绝执行新的优先请求；
[0044] 若控制中心当前周期内有优先请求，而且新的优先请求的产生时间大于现有优先请求执行结束时间，则执行新的优先请求。
[0045] 为了保证优先的顺利实施，步骤9)中速度调控的具体步骤为：
[0046] 若所述公交车辆到达停车线的到达时间窗的下限在所述公交车辆的通过时间窗范围内，则公交车辆的行驶速度为最大行驶速度；
[0047] 若所述公交车辆到达停车线的到达时间窗的上限在所述公交车辆的通过时间窗范围内，则公交车辆的行驶速度v为：
[0048]
[0049] 式中，
[0050] ——公交车辆的通过时间窗的上限；
[0051] C——周期长度，s；
[0052] n——一个周期的相位个数；
[0053] L——检测区域长度，m；
[0054] vmax——公交车辆最大行驶车速，m/s；
[0055] T0——检测区域终点到停车线的时间，s；
[0056] vmin——公交车辆最小行驶车速，m/s；
[0057] 除了以上两种情况的其他情况，公交车辆保持原有的速度行驶。
[0058] 与现有技术相比，本发明方法具有以下优点：
[0059] 本发明采用γ(i,k)提高绿灯延长策略的优先级，对原有周期相位的改变最小既提高了公交车辆的服务质量，也将对其他方式造成的不利影响降到最小，有助于提高整个交通系统的效益。
[0060] 本发明提出了优先请求效益评估，只允许节省时间大于其所带来的延误的优先请求被发出给信号控制中心，这样一方面保证了每个发出的优先请求的效益，另一方面也降低了优先对非优先相位带来的干扰，从而提高了信号交叉口整体的通行效率。
[0061] 本发明为了采用δ(i,k)调控优先级别水平保证主支线公平性的前提下解决多线路请求冲突的问题，减少了彼此之间的干扰，使得多线路多公交车辆有序通过交叉口，降低了公交车辆在交叉口处的延误，提升了整个公交系统的服务水平。
[0062] 本发明需要的参数较少，通过行程时间检测器和流量检测器就可以获得，而且计算过程较为简单，控制中心可以快速对请求信号做出反应，提高了优先协调效率。
附图说明
[0063] 图1是一种交叉口多线路公交车辆优先请求冲突协调控制方法的总体流程图；
[0064] 图2是一种交叉口多线路公交车辆优先请求冲突协调控制方法的检测器铺设示意图；
[0065] 图3是公交车辆在行程时间延误影响下的理论行驶轨迹与实际行驶轨迹的时空分布图；
[0066] 图4是绿灯延长策略所带来的效益和延误示意图；
[0067] 图5是红灯早断策略所带来的效益和延误示意图；
[0068] 图6是缓解多优先请求冲突的示意图。
具体实施方式
[0069] 下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
[0070] 下面按照图1中的流程对本发明方法的具体实施方式作更进一步的说明。
[0071] 如图2所示，主干路设有公交专用道，支路不设置公交专用道。主干路上所有车道上都要铺设流量检测器，只在公交专用道上铺设行程时间检测器；而支路所有车道都要行程时间检测器和流量检测器。
[0072] 流量检测器被设置在停车线前50m处，检测交叉口进口道的流量，用于计算相位饱和度、最短绿灯时间、最大优先时间等。
[0073] 在进口道停车线前80m处布设行程时间检测器，检测车辆的到达和公交车的行程时间，记为Tcurrent。
[0074] 根据检测器检测到的数据进行相关参数的计算:
[0075] (1)计算公交车辆的行程时间延误TTD，如图3所示，行程时间延误TTD导致公交车辆实际行驶轨迹脱离理论轨迹，从而使得公交车到达停车线时刻晚于理论时间，其表达式为：
[0076] TTD＝Tcurrent-Tschedule (1)
[0077] 式中，Tschedule——公交车辆到达行程时间检测器时的理论行程时间。
[0078] (2)计算公交车到达时间窗 公交车辆的实际运行轨迹会受到车辆最大行驶速度和最小行驶速度的制约而分布在到达时间窗的范围内。到达时间窗的表达式为：
[0079]
[0080]
[0081] 式中，L——检测区域长度，m；
[0082] vmax——公交车辆最大行驶车速，m/s；
[0083] T0——检测区域终点到停车线的时间，s；
[0084] vmin——公交车辆最小行驶车速，m/s。
[0085] (3)计算公交车通过时间窗 通过时间窗要受到初始信号配时、最大绿灯延长时间与最大红灯早断时间的影响，其表达式为：
[0086]
[0087]
[0088] 式中，Gk——第k相相位初始绿灯时间,单位为s；
[0089] ——第i相位最大绿灯延长时间，单位为s；
[0090] ——第i相位最大红灯早断时间，单位为s
[0091] n——一个周期的相位个数。
[0092] 判断是否请求信号优先的具体步骤为：
[0093] 若公交车的实际行车轨迹偏离理论轨迹所造成的行程时间延误很小，此时的公交车可以在绿灯截止时间前通过交叉口，不请求信号优先；
[0094] 若公交车的行程时间延误使得其到达时间超过了绿灯时间范围，但是依然可以在通过时间窗 范围内通过交叉口，此时请求信号优先
[0095] 若公交车辆的行程时间延误过大，其到达时间超过了通过时间窗 的范围，此时无需优先。
[0096] 常用的优先请求策略包括绿灯延长、红灯早断、相位插入，但是考虑到相位插入策略对其他相位的影响较大，会造成较大的延误。因此，本发明选用红灯早断和绿灯延长两个优先策略。具体步骤如下：
[0097] 若相位i对应的公交车的到达时间在 范围内，申请红灯早断策略，其优先时间
[0098] 若相位i对应的公交车的到达时间在 范围内，申请绿灯延长策略，对应的优先时间
[0099] 式中，ti,GE——第i相位的绿灯延长时间，单位为s；
[0100] ti,RT——第i相位的红灯早断时间，单位为s
[0101] v——公交车辆的运行速度，单位为m/s；其他参数同上描述。
[0102] 确定了优先策略之后，计算优先时间限制条件的具体步骤如下：
[0103] (1)计算最小绿灯时间
[0104] 最小绿灯时间一方面要保证行人能够安全过街，另一方面也要确保该相位不会不出现过饱和情况，因此，最小绿灯时间的计算公式为：
[0105]
[0106] 式中， ——第i相位对应的行人安全过街所需的最小绿灯时间，其表达式为[0107]
[0108] ——第i相位不出现过饱和情况所需的最小绿灯时间，其表达式为[0109]
[0110] 式中，lp——人行横道有效长度，m；
[0111] vp——行人过街速度，m/s；
[0112] I——交叉口绿灯间隔时间，s；
[0113] qi——第i相位对应的流率最大时的交通流量，veh/h；
[0114] C——周期长度，s；
[0115] Qi——第i相位对应的饱和流率，veh/h；
[0116] ——第i相位对应的最大饱和度，％。
[0117] (2)计算最大优先时间 即最大绿灯延长 或红灯早断时间
[0118] 最大绿灯延长时间要确保非优先相位不会出现过饱和现象，其表达式为：
[0119]
[0120]
[0121] 式中，Gi——第i相位的绿灯时间，单位为s；
[0122] ——第i相位的最小绿灯时间，单位为s；
[0123] ηi——第i相位对应的饱和度，％；
[0124] ——第i相位对应的最大允许优先时间，若优先策略为绿灯延长，则若优先策略为红灯早断，则 其他参数同上。
[0125] 如图4和图5所示，若最大优先时间大于优先时间则判断是否有优先效益，具体步骤如下：
[0126] (1)计算红灯早断带来的效益和延误，其中的效益指的是优先执行后节省的时间TSRT、延误指的就是优先执行后给非优先相位车辆带来的延误TDRT，具体的表达式为[0127]
[0128]
[0129] (2)计算红灯延长带来的效益和延误，具体表达式为
[0130]
[0131]
[0132] 两式中， ——第i-1相位的车辆的到达率，veh/h；
[0133] ——第i-1相位的车辆的消散率，veh/h；
[0134] ——第i相位的车辆的到达率，veh/h；
[0135] ——第i相位的车辆的消散率，veh/h。
[0136] 当信号优先的效益大于其所带来的延误时，产生新的优先请求。此时，控制中心需要判断当前周期内是否存在优先请求，如果不存在，则执行新的优先请求；如果存在，则首先判断现有优先请求的执行时间与新的优先请求的产生时间的关系，如图6所示，具体步骤为：
[0137] 若控制中心当前周期内有优先请求，而且新的优先请求的产生时间小于现有优先请求执行开始时间，则根据本发明提出的优先水平评估模型判断产生的新的优先请求和当前周期内的优先请求的优先级别，执行优先级别高的优先请求。而评估模型同时考虑了主干路流量较大、车辆较多的因素，具体为：
[0138] (1)与红灯早断相比，采用绿灯延长策略时只需对初始信号配时方案做较小的调整就能满足要求。所以，同等情况下，优先选择绿灯延长策略，故为申请信号绿灯延长优先策略的公交车辆的请求乘以一个大于1的表达式RH。
[0139] (2)考虑到主干路上流量较大，公交线路和车辆较多，因此，主干路上的公交优先请求要乘以一个大于1的表达式PS。
[0140] (3)多线路多公交车辆多优先请求的优先水平评估模型如下：
[0141]
[0142] TTD(i,k)＝Tcurrent(i,k)-Tschedule(i,k) (16)
[0143] RH(i,k)＝1+α·δ(i,k) (17)
[0144] PS(i,k)＝1+β·γ(i,k) (18)
[0145] 其中，P(i,m)——第i相位中申请优先策略m的所有公交车辆的优先水平；
[0146] k——第i相位中申请优先策略m的公交车辆；
[0147] n——第i相位中申请优先策略m的公交车辆的总和；
[0148] α——优先策略权重系数；
[0149]
[0150] β——道路等级权重系数；
[0151]
[0152] (4)根据优先水平评估模型判断发出多个优先申请的优先水平，给予优先水平高的公交线路和公交车辆以优先通行权，这样就解决了多个优先请求的冲突问题。
[0153] 若控制中心当前周期内有优先请求，而且新的优先请求的产生时间大于现有优先请求执行的开始时间并小于结束时间，则拒绝执行新的优先请求；
[0154] 若控制中心当前周期内有优先请求，而且新的优先请求的产生时间大于现有优先请求执行结束时间，则执行新的优先请求。
[0155] 最后，对被执行的优先请求对应的公交车辆进行速度调控，具体步骤如下:
[0156] 若公交车辆的到达时间窗的下限 在通过时间窗 范围内，此时公交车辆的行驶速度应该为最大行驶速度。
[0157] 若公交车辆的到达时间窗的上限Waend在通过时间窗 范围内， 应当作为通过时间窗的上限，此时公交车辆的行驶速度应该为
[0158]
[0159] 否则，公交车辆将保持原有的速度行驶。
[0160] 这样保证了优先的顺利实施，本发明方法实现了交叉口处多线路多公交车辆优先请求冲突的协调运行，提高了交叉口处的通行效率。
[0161] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
