一种考虑车队离散特征的公交车和私家车干线绿波同步协调控制方法

摘要

本发明提供了一种考虑车队离散特征的公交车和私家车干线绿波同步协调控制方法，当上游交叉口的信号灯由红变绿时，基于交通流检测器获取私家车和公交车的车速分布，分析其停车线附近的所有私家车和公交车在下游普通和公交专用道路段上的离散特性，兼顾公交和非公交干线绿波同步协调目标，当在给定相位差情形下确定最佳交叉口站距，或当在给定交叉口站距情形下确定最佳相位差，并分析排队长度、速度分布对其影响。本发明主要用于揭示公交和私家车的速度分布、最佳相邻交叉口的间距和相位差之间耦合关系，辅助交通工程师基于两种车型同步协调目标的合理设置交叉口间距，或设计区域交通信号协调控制方案，对改善整个交通状况具有重大的实际意义。

权利要求

1.一种考虑车队离散特征的公交车和私家车干线绿波同步协调控制方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)基于检测器动态获取上下游交叉口之间交通流参数，涉及私家车队A和公交车队B于时刻t＝0在上游交叉口x＝0附近停车排队的车辆密度函数kA(x，0)和kB(x，0)及它们的排队长度aA和aB，以及私家车队A和公交车队B在相邻交叉口之间行驶过程中车速v的概率密度f(μA，δA，v)和f(μB，δB，v)，其中：μA表示私家车队的速度均值，δA表示私家车队的速度方差，μB表示公交车队的速度均值，δB表示公交车队的速度方差；

(2)分析私家车队A和公交车队B于时刻t＝0在上游交叉口x＝0附近停车排队的车辆密度函数kA(x，0)和kB(x，0)，与两种类型车队在t时刻离散分布在下游交叉口x的车辆密度函数kA(x，t)、kB(x，t)之间关联性；

(3)计算上游交叉口的私家车队A和公交车队B在时刻t通过下游断面x的车辆数AA(x，t))和AB(x，t))以及它们的流量模式函数qA(x，t)、qB(x，t)；

(4)为了兼顾私家车队A和公交车队B干线绿波协调目标，令x＝xd为上下游交叉口之间间距、时刻t＝tg为相连交叉口的相位差和绿灯时间的一半之和，当私家车和公交车的这两股车队中部同步到达时，

2.根据权利要求1所述的一种考虑车队离散特征的公交车和私家车干线绿波同步协调控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中根据检测器动态获取有效私家车队和公交车队的车速v样本数据，它们均近似符合正态分布，其概率密度函数为：和

其中：μA表示私家车队的速度均值，δA表示私家车队的速度方差，μB表示公交车队的速度均值，δB表示公交车队的速度方差。

3.根据权利要求1所述的一种考虑车队离散特征的公交车和私家车干线绿波同步协调控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中私家车队和公交车队于时刻t＝0在上游交叉口x＝0附近停车排队的车辆密度函数 和 两种类型车队以车速v行驶，在t时刻离散分布在下游交叉口x的车辆密度函数为

和

其中， 和 是私家车队A和公交车队B的初始密度值。

4.根据权利要求1所述的一种考虑车队离散特征的公交车和私家车干线绿波同步协调控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中计算上游交叉口的私家车队A和公交车队B在时刻t通过下游断面x的车辆数 和 以及它们的流量模式函数

5.根据权利要求1所述的一种考虑车队离散特征的公交车和私家车干线绿波同步协调控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中为了兼顾公交和私家车干线绿波协调目标，令x＝xd为上下游交叉口之间间距、时刻t＝tg为相连交叉口的相位差和绿灯时间的一半之和，当私家车和公交车的这两股车队中部同步到达时， 此时x＝xd为上下游交叉口之间最佳间距； 此时时刻t＝tg为相连交叉口的最佳相位差。

说明书

一种考虑车队离散特征的公交车和私家车干线绿波同步协调

控制方法

技术领域：

[0001] 本发明涉及交通控制领域，具体地说是一种考虑车队离散特征的公交车和私家车干线绿波同步协调控制方法。背景技术：

[0002] 城市道路主干道承受着私家车、公交等主要交通负荷，若将干道上的相邻交叉口进行相互协调配时方案设计，可有效减少车流的延误时间和停车率。由于公交和私家车的行驶条件、特性的不同，它们的行驶速度存在差异，这引起公交信号优先和私家车绿波控制相互冲突，两种类型车队各自绿波协调最优，却未必保证所有车辆的干线同步协调问题。根据公交和私家车车队的离散特征，亟待探讨两种类型车队的干线绿波同步协调问题，同时兼顾公交和非公交的双方利益，对改善整个交通状况具有重大的实际意义。

[0003] 目前，国内外学者独立研究公交信号优先或私家车的绿波控制已经相对成熟，针对如何协调二者开展研究相对较少，主要归纳如下：王正武和张平研究基于分层递阶控制技术的公交和私家车干线协调控制模型；陈炯迪等提出了一种基于干线协调和速度诱导原理，的可跨周期公交专用道绿波信号协调控制方法；李振龙、别一鸣、林永杰、汪健等分析上游交叉口到达下游交叉口的时刻对绿波带的影响情况，建立了考虑社会车流和公交车流的绿波带优化模型；王殿海、王彬利用双层规划探讨干线协调和公交优先之间耦合关系。由上可知，现有研究均从运筹优化角度建立私家和公交车的绿波同步协调模型并设计控制策略，较少涉及基于两种类型车队同步协调控制目标的交叉口相邻间距、相位差和车队离散特征之间关联性。

[0004] 在一般城市道路上，若公交和私家车辆随机到达上游交叉口时遭遇红灯，当信号灯由红变绿，这部分停车排队车辆驶离交叉口后散步于下游道路上，它们受下游交叉口的信号灯对车流的挤压及分割作用，由此造成一股一股车流不是均匀到达下一个交叉口，出现车队在行使过程中的“离散现象”。根据上游路段动态获取的交通流数据，如何描述车队在下游路段的时空离散特性是该问题的核心。国内外关于车队离散问题研究主要分为Robertson模型和Pacey模型，其中：前者适用于较短距离的相邻交叉口，后者适用于较长距离的上下游交叉口，二者在准确性和效率方面差别不大。由上可知，通过该理论描述公交和私家车队在道路上的时空离散特征，兼顾公交和非公交干线绿波同步协调目标，据此揭示两者之间交通流、相邻站距和信号配时之间耦合关系，是完成可行的。

[0005] 综上所述，本文通过实测数据获取公交和私家车在相邻交叉口的车速随机分布，在Pacey提出的车队离散理论基础上，当上游交叉口的信号灯由红变绿时，分析两种类型车队在时间和空间上的离散特征，兼顾公交和非公交干线绿波同步协调目标，给出了相邻交叉口间距和相位差之间耦合关系的解析表达式，为私家车和公交车的干线协调控制提供理论支持和技术支撑。发明内容：

[0006] 为了解决上述问题，本发明提供了一种考虑车队离散特征的公交车和私家车干线绿波同步协调控制方法，当上游交叉口的信号灯由红变绿时，分析其停车线附近的所有私家车和公交车在下游普通和公交专用道路段上的离散特性，构造了其在时空坐标上的交通流量分布模式，推导了它们的最多车辆达到时间和下游交叉口位置之间解析表达式，兼顾公交和非公交干线绿波同步协调目标，当在给定相位差情形下确定最佳交叉口站距，或当在给定交叉口站距情形下确定最佳相位差，并分析排队长度、速度分布对其影响，亟待探讨两种类型车队的干线绿波同步协调问题，同时兼顾公交和非公交的双方利益，对改善整个交通状况具有重大的实际意义。

[0007] 一种考虑车队离散特征的公交车和私家车干线绿波同步协调控制方法，包括以下步骤：

[0008] (1)基于检测器动态获取上下游交叉口之间交通流参数，涉及私家车队A和公交车队B于时刻t＝0在上游交叉口x＝0附近停车排队的车辆密度函数kA(x，0)和kB(x，0)及它们的排队长度aA和aB，以及私家车队A和公交车队B在相邻交叉口之间行驶过程中车速v的概率密度f(μA，δA，v)和f(μB，δB，v)，其中：μA表示私家车队的速度均值，δA表示私家车队的速度方差，μB表示公交车队的速度均值，δB表示公交车队的速度方差。

[0009] (2)分析私家车队A和公交车B队于时刻t＝0在上游交叉口x＝0附近停车排队的车辆密度函数kA(x，0)和kB(x，0)，与两种类型车队在t时刻离散分布在下游交叉口x的车辆密度函数kA(x，t)、kB(x，t)之间关联性；

[0010] (3)计算上游交叉口的公交车队B和私家车队A在时刻t通过下游断面x的车辆数AA(x，t)和AB(x，t)以及它们的流量模式函数qA(x，t)、qB(x，t)；

[0011] (4)为了兼顾公交车队B和私家车队A干线绿波协调协调目标，令x＝xd为上下游交叉口之间间距、时刻t＝tg为相连交叉口的相位差和绿灯时间的一半之和，当私家车和公交车的这两股车队中部同步到达时，

[0012] 作为优选，步骤(1)中根据检测器动态获取有效私家车队和公交车队的车速v样本数据，它们均近似符合正态分布，其概率密度函数为：

[0013] 和

[0014] 其中：μA表示私家车队的速度均值，δA表示私家车队的速度方差，μB表示公交车队的速度均值，δB表示公交车队的速度方差。

[0015] 作为优选，步骤(2)中私家车队和公交车队于时刻t＝0在上游交叉口x＝0附近停车排队的车辆密度函数 和 两种类型车队以车速v行驶，在t时刻离散分布在下游交叉口x的车辆密度函数为

[0016] 和

[0017]

[0018] 其中，和 是公交车队B和私家车队A的初始密度值。

[0019] 作为优选，步骤(3)中计算上游交叉口的公交车队B和私家车队A车队在时刻t通过下游断面x的车辆数 和 以及它们的流量模式函数

[0020] 作为优选，步骤(4)中为了兼顾公交和非公交干线绿波协调协调目标，令x＝xd为上下游交叉口之间间距、时刻t＝tg为相连交叉口的相位差和绿灯时间的一半之和，当私家车和公交车的这两股车队中部同步到达时， 此时x＝xd为上下游交叉口之间最佳间距； 此时时刻t＝tg为相连交叉口的最佳相位差。

[0021] 本发明的有益效果在于：

[0022] 本发明通过实测数据获取公交和私家车在相邻交叉口的车速随机分布，在Pacey提出的车队离散理论基础上，当上游交叉口的信号灯由红变绿时，分析两种类型车队在时间和空间上的离散特征，兼顾公交和非公交干线绿波同步协调目标，给出了相邻交叉口间距和相位差之间耦合关系的解析表达式，解决了两种类型车队的干线绿波同步协调问题。附图说明：

[0023] 图1是本发明涉及的结构示意图；

[0024] 图2是本发明实施的流程图。具体实施方式：

[0025] 为使本发明的发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步地详细描述。

[0026] 如图1所示，本发明提供一种考虑车队离散特征的公交车和私家车干线绿波同步协调控制方法，当上游交叉口的信号灯由红变绿时，分析其停车线附近的所有私家车和公交车在下游普通和公交专用道路段上的离散特性，设定A代表私家车，B代表公交车，令绿灯开始时刻为t＝0，该公交车和私家车排队车辆从它们各自停车位置x-vt∈[-aA，0]出发以匀速v行驶时间t，通过和未驶过下游断面x(可为实际或者虚拟下游交叉口)的车辆数AA(x，t)和AB(x，t)以及它们的流量模式函数qA(x，t)、qB(x，t)。在此基础上，推导了它们的最多车辆达到时间和下游交叉口位置之间解析表达式，兼顾公交和非公交干线绿波同步协调目标，当在给定相位差情形下确定最佳交叉口站距，或当在给定交叉口站距情形下确定最佳相位差，并分析排队长度、速度分布对其影响。本发明亟待私家和公交车队的干线绿波同步协调问题提供决策支撑。

[0027] 如图2所示，本发明提供一种考虑车队离散特征的公交车和私家车干线绿波同步协调控制方法，包括：数据准备，车队离散模型的推导过程，以及公交和私家车的干线绿波同步协调模型推导过程、推广应用，具体实施方式如下。

[0028] A数据准备

[0029] (1)排队长度、密度检测

[0030] 假设某城市主干道路有小型车道和公交专用道，令上游交叉口的绿灯开始时刻和停车线断面位置分别为t＝0和x＝0，则私家车和公交车于时刻t＝0在断面x＝0附近停车排队的车辆密度函数kA(x，0)和kB(x，0)为：

[0031]

[0032]

[0033] 其中：aA和aB是私家车和公交车的排队长度，和 是私家车和公交车在该交叉口在排队范围内的拥挤密度。

[0034] (2)车速的统计特征

[0035] 根据检测器动态获取有效私家和公交车速样本数据，汇总私家和公交车在相邻交叉 口 之 间 行 驶 过 程 中 车 速 v 的 概 率 密 度 和它们均近似符合正态分布，其中：μA、σA、μB、σB是两种类型车队的
速度均值和方差。

[0036] B车队离散模型的推导过程

[0037] (1)初始密度和当前密度之间关联性

[0038] 以私家车车队为例说明，当上游交叉口的信号灯由红变绿时，令其绿灯开始时刻为t＝0，该排队车辆从它们各自停车位置x-vt∈[-aA，0]出发以匀速v行驶时间t通过下游断面x的密度函数kA(x，t)。

[0039] 对私家车问题，令u＝(v-μA)/δA和离散率αA＝δA/μA，可得：

[0040]

[0041] 令u＝(v-μ)/δ和离散率α＝δ/μ，我们可知：

[0042]

[0043] 其中： 是标准正态分布函数，v1和v2是常数。

[0044] (2)以私家车车队为例说明，当上游交叉口的信号灯由红变绿时，令其绿灯开始时刻为t＝0，该排队车辆从它们各自停车位置x-vt∈[-aA，0]出发以匀速v行驶时间t，通过和未驶过下游断面x(可为实际或者虚拟下游交叉口)的车辆数 和

[0045] 令 可计算整个私家车车队在路段[x，+∞]上分布的车辆数

[0046]

[0047] (3)以私家车车队为例说明，当上游交叉口的信号灯由红变绿时，令其绿灯开始时刻为t＝0，该排队车辆从它们各自停车位置x-vt∈[-aA，0]出发以匀速v行驶时间t，通过和未驶过下游断面x的流量模式函数 由上可知，推导出：

[0048]

[0049] 同理，令 和离散率αB＝δB/μB，推导出公交车队的Abus(x，t)和qbus(x，t)，如下所示：

[0050]

[0051]

[0052] 以上是本文提出的整个公交和私家车队离散模型，据此可定量分析上游交叉口的私家车和公交车在绿灯开始后的离散规律，从而计算私家车和公交车队在下游交叉口的延误、停车次数及排队长度等重要交通流参数，为信号灯协调控制提供依据。

[0053] C公交和私家车的干线绿波同步协调模型推导过程

[0054] (1)最佳交叉口间距设置

[0055] 当上游交叉口的绿灯开始时刻为t＝0，令x＝xd取值为下游交叉口(可为虚拟交叉口)的停车线位置，若私家车或公交车车队在时刻t＝tg达到下游断面的车辆数最多，必须满足以下两个条件：

[0056]

[0057]

[0058] 由上可知，可得：

[0059] 和

[0060] 为了兼顾公交和非公交干线绿波协调协调目标，令时刻t＝tg为相连交叉口的相位差和n个信号周期T之和，当私家车和公交车的这两股车队中部同步到达时，此时x＝xd为上下游交叉口之间最佳间距。由上述两个公式成立，推
导：

[0061]

[0062] 由上可知，在私家和公交车的车速分布f(μA，δA，v)和f(μB，δB，v)基础上，分析不同给定相位差t＝tg取值情形下的最佳相邻间距x＝xd的解空间分布。

[0063] (2)最佳相位差设置

[0064] 当上游交叉口的绿灯开始时刻为t＝0，令x＝xd取值为下游交叉口(可为虚拟交叉口)的停车线位置，若私家车或公交车车队在时刻t＝tg达到下游断面的车辆数最多，必须满足，必须满足以下两个条件：

[0065]

[0066]

[0067] 由式成立，可得：

[0068] 和

[0069] 为了兼顾公交和非公交干线绿波协调协调目标，令x＝xd为上下游交叉口之间间距，当私家车和公交车的这两股车队中部同步到达时， 此时时刻t＝tg为相连交叉口的最佳相位差和n个信号周期T之和。由式成立，推导：

[0070]

[0071] 由上可知，在私家和公交车的车速分布f(μA，δA，v)和f(μB，δB，v)基础上，分析不同给定相邻间距x＝xd取值情形下的最佳相位差t＝tg的解空间分布。

[0072] D推广应用

[0073] 通过相邻路口仿真分析，给出了公交和私家车的离散时空分布特征，揭示了交通流、相邻站距和信号配时之间耦合关系，计算最佳两种车队的干线协调方案，通过交通流量模式验证其正确性，并用表格方式给出两类车型车队的头部被迫停车和尾部被截留车辆数，以便于在信号灯协调控制中应用。

[0074] 上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。