车路协同环境下信号交叉口公交优先控制优化研究

摘要

伴随我国城市化进程的加速，城市交通拥堵问题不断加剧。公交优先控制是通过技术手段提升公共交通自身运行效率、优化城市交通结构、实现城市可持续发展的重要手段之一。车路协同理论的快速发展与日趋成熟，为公交优先控制提供了更为精细化的参数获取手段，为合理协调车与人、车与路、车与车的关系，实现公交运行状态与交叉口配时参数的双向优化提供了环境基础。
　　为了深入研究车路协同环境下的交叉口公交优先信号控制问题，本文应用绿时损失均衡方法，结合车路协同所提供的数据环境，以交叉口减少人均总延误最大为目标，探讨了车路协同环境下公交优先单点控制和考虑交叉口群绿波协调的公交优先控制优化问题。主要研究内容及结论如下:
　　(1)提出了公交优先控制下的交叉口相位绿时损失均衡方法。针对公交优先控制对相邻非优先相位的绿时冲击问题，对延长绿灯时间、缩短红灯时间、插入优先相位三种公交优先控制策略方法提出了交叉口相位绿时损失均衡方法，将公交优先的负面影响通过相邻相位传递至整周期。针对车路协同环境下的公交优先控制，提出了车速引导与相位配时参数优化的组合策略。
　　(2)建立了面向公交优先控制的交叉口延误计算方法。在交叉口进口道中，分别考虑静态车流在信号控制下的累积—离去过程，以及车流在进口道排队列中的启动传播过程，采用几何分析方法，利用延误叠加的思想，提出了交叉口进口道延误计算模型;在绿波协调交叉口群中，采用非集计方法，基于车流运行时间偏移，描述了交叉口群在绿波带内、绿波带间和右转车辆的延误期望，以此建立了延误计算模型。
　　(3)提出了公交优先下的绿时损失均衡优化模型。在交叉口公交优先控制中，利用交叉口相邻相位的顺承关系，将非优先相位的绿时损失均衡至整个信号周期，最大化减少了公交优先控制对交叉口信号的冲击。以交叉口人均总延误为优化目标，以交叉口各相位最短绿灯时间为约束，构建了基于绿时损失均衡的公交优先配时优化模型，并提出了模型求解算法。
　　(4)搭建了车路协同环境下交叉口公交优先控制框架。对车路协同系统功能与公交优先控制需求的耦合性进行了分析，综合车辆检测、车—路通信、信号控制等子系统，搭建了车路协同环境下公交优先控制框架。结合公交乘客乘坐站距分布，利用各站点实时刷卡量数据，以数学期望建立了公交车内实时载客量推算方法;以最小二乘拟合法为基础，构建了交叉口进口道车辆到达拟合函数。
　　(5)构建了车路协同环境下公交优先控制模型。考虑了公交车速引导与交叉口配时参数调整交互影响，结合交叉口各相位绿时损失均衡，采用组合优化的方法，以公交引导车速为决策变量，以交叉口内各相位绿时损失均衡参数为从属变量，建立了车路协同环境下的单交叉口公交优先控制优化双层规划模型。以绿波协调交叉口群的延误计算模型为基础，分别考虑了公交车在上游路段和下游交叉口群中的延误增减，计算了非优先相位因绿时左端和右端时长变化而引起的后续交叉口群在绿波带内、绿波带间的延误变化;采用组合优化的方法建立了考虑交叉口绿波协调控制的公交优先控制双层规划模型，上层模型优化了车速引导下的公交通行效益，下层模型优化了公交优先控制下的交叉口群人均总延误。
　　通过算例计算结果表明，公交优先控制模型可以有效降低公交优先控制对相邻相位的绿时冲击，减少交叉口延误;在车路协同环境下，通过公交车速引导和交叉口配时参数调整协同优化，进一步提升了公交通行效益，降低了公交优先策略对交叉口信号控制的不利影响;在绿波协调交叉口群环境下，公交优先交叉口相位时长的调整影响了相邻交叉口之间的协调关系，通过公交车速引导与交叉口各相位均衡参数的协调优化，有效降低了公交优先控制对周边交叉口群的不利影响。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究的背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 车路协同环境下的交通控制研究进展

1．2．2 交叉口交通运行分析方法研究进展

1．2．3 公交优先交叉口控制优化研究进展

1．2．4 公交优先交叉口群协调控制研究进展

1．3 研究内容与技术路线

1．3．1 研究目标

1．3．2 研究思路与方法

1．3．3 研究内容与框架

1．3．4 研究技术路线

1．4 本章小结

2 车路协同环境下公交优先控制策略及绿时损失均衡方法

2．1 交叉口公交优先控制的基本方法及策略

2．1．1 被动信号优先控制

2．1．2 主动信号优先控制

2．1．3 实时信号优先控制

2．2 公交优先控制下的交叉口绿时损失均衡策略

2．2．1 延长绿灯时间下的绿时损失均衡策略

2．2．2 缩短红灯时间下的绿时损失均衡策略

2．2．3 插入优先相位下的绿时损失均衡策略

2．3 车路协同环境下公交优先控制策略及绿时损失均衡方法

2．3．1 车路协同系统的基本框架

2．3．2 车路协同系统功能与公交优先控制需求耦合性分析

2．3．3 车路协同环境下公交优先控制的流程

2．3．4 车路协同环境下的公交优先交叉口绿时损失均衡策略

2．4 本章小结

3 公交优先控制下的交又口绿时损失均衡优化

3．1 交叉口进口道车辆延误分析

3．1．1 过程A的延误分析

3．1．2 过程B的延误分析

3．2 公交优先控制下的交叉口进口道延误分析

3．2．1 相位绿时左端的延误变化

3．2．2 相位绿时右端的延误变化

3．3 模型与算法设计

3．3．1 基于绿时损失均衡的公交优先配时优化模型

3．3．2 求解算法设计

3．4 算例分析

3．4．1 延长绿灯时间分析

3．4．2 缩短红灯时间分析

3．4．3 插入优先相位分析

3．5 本章小结

4 车路协同环境下公交优先单点控制优化

4．1 车路协同环境下交叉口公交优先控制系统配置

4．1．1 车辆检测系统

4．1．2 通信系统

4．1．3 信号控制系统

4．2 车路协同信息环境下公交优先控制信息获取

4．2．1 基本信息获取方式

4．2．2 关键参数的计算方法

4．3 车路协同环境下的公交优先控制模型及算法

4．3．1 公交延误优化上层模型

4．3．2 绿时损失均衡下层模型

4．3．3 求解算法设计

4．4 算例分析

4．4．1 延长绿灯时间策略

4．4．2 缩短红灯时间策略

4．4．3 插入优先相位策略

4．5 本章小结

5 车路协同环境下考虑绿波协调的公交优先控制优化

5．1 绿波协调信号交叉口群的车流特性分析

5．2 考虑车流运行时间偏移的进口道延误分析

5．2．1 绿波带内车流延误分析

5．2．2 绿波带间车流延误分析

5．2．3 右转车流延误分析

5．3 考虑交叉口群绿波协调的公交优先控制优化模型

5．3．1 公交延误优化上层模型

5．3．2 交叉口群延误优化下层模型

5．3．3 求解算法设计

5．4．1 交叉口延误计算算例分析

5．4．2 公交优先控制模型算例分析

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要研究成果

6．2 论文创新点

6．3 研究展望

参考文献

附录

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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