一种基于最优公交站间距的主干线公交交叉口信号单向优先设置方法

摘要

本发明公开了一种基于最优公交站间距的主干线公交交叉口信号单向优先设置方法，包含步骤10）采集公交主干线运行数据、步骤20）确定公交主干线理论最优站间距、步骤30）确定公交主干线站点（不含首末站）数量、步骤40）确定公交主干线站点（不含首末站）的初始位置、步骤50）调整并确定公交主干线站点（不含首末站）位置、步骤60）计算公交主干线运行时间、步骤70）确定交叉口信号配时方案及步骤80）确定公交主干线单向车辆的发车时刻。该发明方法可以很好的处理城市新建区域公交主干线的站点间距及位置的设计，交并能给予其在交叉口处的信号优先权。

说明书

技术领域

本发明涉及城市主干线公交的规划、设计、以及交叉口信号优先控制技术， 尤其涉及一种基于最优公交站间距的主干线公交交叉口信号单向优先设置方法。

背景技术

伴随着我国国民经济的高速增长，城市化水平的迅速提高，城市的规模也越 来越大，伴随此而出现的这种交通问题也越来越困扰着城市的管理者。城市交通 从来没有像现在这样受到各级政府和杜会各界的关注和重视，学者也为了缓解交 通问题而提出了许多解决方案。优先发展公共交通正是在这样的大背景下提出的 重要解决思路。

事实上，优先发展公共交通是调整交通出行结构、缓解城市交通拥堵的重要 手段。一方面，公共交通系统具有运载量大、运送效率高、能源消耗低、相对污 染少、运输成本低等优点，使之成为缓解城市交通问题的重要途径。另一方面， 我国城市空间迅速扩张和城市功能高度集聚并存的特点，也决定了唯有大力提升 公共交通服务水平、建立完善的公共交通系统，才能在满足城市高密度紧凑发展 的同时缓解可能发生的交通拥堵难题。目前，在公交优先的技术方面，我国的学 者已经提出了许多的技术，概括来说主要包含了公交时间优先、公交空间优先、 智能公交技术等。上述技术为发展城市公交系统、缓解城市拥堵问题起到了很大 的作用，但是对于一些特殊的情况，还是存在一定的技术空白。

在城市的新规划区或者新区，必然需要新规划或者开通多条公交线路，者其 中将涉及公交线路的走向、站点的位置、公交发车间隔、公交配车等多方面的问 题需要预先设定。目前，我国公交领域已有的技术基本上已经能够单独的解决上 述各个方面的问题，但是由于在系统层面缺乏整合，往往导致新规划区的公交系 统内部存在矛盾，特别是在公交优先的落实方面存在问题，运行效果不好。

发明内容

本发明的目的为了解决城市新规划区或者新区，新规划或者开通公交线路的 站点规划、设置选点及交叉口公交信号优先而专门提出的。特别的是，该发明方 法依托了现有的成熟公交站点间距设置技术及公交交叉口信号优先技术，并在此 基础上，基于公交站间距确定公交车辆的运行时间、调整主干线公交沿线交叉口 的信号配时方案，很好的将现有技术串联在一起，可以很好的解决城市公交站点 设置及交叉口信号优先设置的问题。

本发明采用的技术方案为：

一种基于最优公交站间距的主干线公交交叉口信号单向优先设置方法，其特 征在于主干线公交将根据公交线路的运行特征首先确定最优的公交站间距，随后 基于公交站间距确定公交车辆的运行时间、调整主干线公交沿线交叉口的信号配 时方案，实现主干线公交交叉口信号单向优先设置。包含以下步骤：

步骤10）采集公交主干线运行数据；

采集的公交主干线运行数据包含以下数据：公交主干线的首站位置、末站位 置，公交主干线单向的每天运行班次K、发车间隔G、第1班次公交从首站的发 车时刻F₁，公交主干线的长度L，公交主干线沿线单位长度的公交乘客平均数量 a，每个乘客的上下车平均时耗w，公交主干线沿线交叉口数量I、第i个交叉口 距离公交首站的距离S_i、每个交叉口的高峰小时交通流量流向，公交主干线沿线 路段数量J、公交主干线沿线第j路段的长度L_j，公交主干线沿线的车辆运行平 均车速v。其中，公交主干线沿线路段数量J等于沿线交叉口数量I加上1，公 交主干线沿线第j路段的长度L_j可以由下式得到

步骤20）确定公交主干线理论最优站间距；

根据步骤10）中采集得到的公交主干线运行数据，采用东南大学申请的国 家发明专利《城市公交线路停靠站设置方法》（专利号为201010262999.9）中所 述的方法，基于公交系统人均延误最小的原则计算公交主干线的停靠站间距D， 并将D确定为该公交主干线理论最优站间距。

步骤30）确定公交主干线站点（不含首末站）数量；

公交主干线的站点（不含首末站）数量N可由下式计算得到其中，N为公交主干线的站点（不含首末站）数量，N为大于0的整数，[X]表 示对X四舍五入，其中X为需要四舍五入的小数。

步骤40）确定公交主干线站点（不含首末站）的初始位置；

第n个公交主干线的站点距离公交首站的初始距离D'_n可以由下式得到 D'_n=nD，其中，n为公交主干线的站点（不含首末站）序号，n为整数且从首站 至末站依次增大。

步骤50）调整并确定公交主干线站点（不含首末站）位置；

对每个公交站点（不含首末站）的初始位置，检查其与附近交叉口的距离， 若其附近50米范围内存在交叉口，则调整该公交站点的位置，使其离最近交叉 口的距离不小于50米；否则不调整公交站点的位置。检查并调整完所有站点（不 含首末站）的位置后，最后确定公交主干线站点（不含首末站）位置。

步骤50）中所述检查并调整完所有站点（不含首末站）的位置后，最后确 定公交主干线站点（不含首末站）位置，可以通过下式确定第n个公交主干线站 点（不含首末站）离公交主干线首站的距离其中， D_n为第n个公交主干线站点（不含首末站）离公交主干线首站的距离，Q_n为靠 近公交首站一侧且离第n个公交主干线站点最近的交叉口，该交叉口离公交主干 线首站的距离，H_n为远离公交首站一侧且离第n个公交主干线站点最近的交叉 口，该交叉口离公交主干线首站的距离。

步骤60）计算公交主干线运行时间；

公交主干线在沿线第j路段的运行时间Tj可由下式得到其中，ΣStop_j为公交车辆在第j路段的所有站点的停靠时间总和， ΣStop_j＝mawD。其中，m为第j路段站点的数量。公交车辆运行一个单程的总 时间为$T_{\mathrm{total}}=\underset{j=1}{\overset{J}{\Sigma }}{T}_j$

步骤70）确定交叉口信号配时方案；

根据步骤10）中采集得到的每个交叉口的高峰小时交通流量流向，采用韦伯 斯特方法（WEBSTER法）计算并确定各个交叉口的初始信号配时方案，随后将 所有交叉口的信号配时周期时长均统一增大到最大的信号周期时长C，并将信号 周期时长扩大后增加的时间，按照原信号配时方案中各个相位的时长比例分配增 加至各个相位。随后，修正并确定各个交叉口的最终信号配时方案。其中，C为 所述I个交叉口中，采用韦伯斯特方法（WEBSTER法）计算得到的所有信号周 期中的最大值。

步骤70）中修正并确定各个交叉口的最终信号配时方案，主要通过调整各个 交叉口的公交主干线绿灯开始时刻，使公交到达各个交叉口时，交叉口的信号在 公交行驶方向上为绿灯。可具体阐述为：第j个交叉口的公交主干线绿灯开始时 刻可以通过下式确定其中，G_j,transit为第j个交叉口的 公交主干线绿灯相位时长，f_j为整数，且f_j需要满足下面的不等式的要求 $-(F_1+\underset{h=1}{\overset{j}{\Sigma }}{T}_h-\frac{1}{2}{G}_{j,\mathrm{transit}}\frac{1}{2})\le f_{j}C\le 86400-(F_1+\underset{h=1}{\overset{j}{\Sigma }}{T}_h-\frac{1}{2}{G}_{j,\mathrm{transit}}\frac{1}{2}).$

步骤80）确定公交主干线单向车辆的发车时刻；

第k班次的公交主干线由首站发往末站的车辆的发车时刻F_k可由下式得到 其中，k为公交主干线的发车班次序号。

有益效果：

1）、本发明方法依托于现有成熟的公交规划及公交优先技术，将目前成熟的 技术向结合并在公交交叉口优先方面做出一定的改进与创新，可以很好的解决城 市主干线公交的站点位置设计及交叉口信号优先问题，方法实用性强。

2）、本发明方法不需要额外的道路改造与基础设施投入，因而其资金投入小， 对城市的财政要求不高。特别是在城市的新建区域，可直接结合城市道路的建设 布置公交站点，并设置交叉口信号配时方案，发明的操作性非常强。

附图说明

图1为本发明的总体流程图。

图2为本发明的算例示意图

图3为本发明的算例的站点位置示意图。

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，一种基于最优公交站间距的主干 线公交交叉口信号单向优先设置方法，其特征在于主干线公交将根据公交线路的 运行特征首先确定最优的公交站间距，随后基于公交站间距确定公交车辆的运行 时间、调整主干线公交沿线交叉口的信号配时方案，实现主干线公交交叉口信号 单向优先设置。包含以下步骤8个步骤：

步骤10）采集公交主干线运行数据；

采集的公交主干线运行数据包含以下数据：公交主干线的首站位置、末站位 置，公交主干线单向的每天运行班次K、发车间隔G、第1班次公交从首站的发 车时刻F₁，公交主干线的长度L，公交主干线沿线单位长度的公交乘客平均数量 a，每个乘客的上下车平均时耗w，公交主干线沿线交叉口数量I、第i个交叉口 距离公交首站的距离S_i、每个交叉口的高峰小时交通流量流向，公交主干线沿线 路段数量J、公交主干线沿线第j路段的长度L_j，公交主干线沿线的车辆运行平 均车速v。其中，公交主干线沿线路段数量J等于沿线交叉口数量I加上1，公 交主干线沿线第j路段的长度L_j可以由下式得到

步骤10）为本发明方面的基础步骤：数据采集，将为后续的步骤提供必需 的数据支撑，相关的数据可以通过公交的运营公司、城市交通规划部门、交通管 理部门获得。

步骤20）确定公交主干线理论最优站间距；

根据步骤10）中采集得到的公交主干线运行数据，采用采用东南大学申请 的国家发明专利《城市公交线路停靠站设置方法》（专利号为201010262999.9） 中所述的方法，基于公交系统人均延误最小的原则计算公交主干线的停靠站间距 D，并将D确定为该公交主干线理论最优站间距。

通过步骤20）引入的国家发明专利《城市公交线路停靠站设置方法》，就可 以确定出适合该公交主干线的理论最优站间距，由此就可以在后续步骤中确定出 公交主干线的站点初始位置。

步骤30）确定公交主干线站点（不含首末站）数量；

公交主干线的站点（不含首末站）数量N可由下式计算得到其中，N为公交主干线的站点（不含首末站）数量，N为大于0的整数，[X]表 示对X四舍五入，其中X为需要四舍五入的小数。

步骤40）确定公交主干线站点（不含首末站）的初始位置；

第n个公交主干线的站点距离公交首站的初始距离D'_n可以由下式得到 D'_n=nD，其中，n为公交主干线的站点（不含首末站）序号，n为整数且从首站 至末站依次增大。

步骤50）调整并确定公交主干线站点（不含首末站）位置；

对每个公交站点（不含首末站）的初始位置，检查其与附近交叉口的距离， 若其附近50米范围内存在交叉口，则调整该公交站点的位置，使其离最近交叉 口的距离不小于50米；否则不调整公交站点的位置。检查并调整完所有站点（不 含首末站）的位置后，最后确定公交主干线站点（不含首末站）位置。

步骤50）中所述检查并调整完所有站点（不含首末站）的位置后，最后确 定公交主干线站点（不含首末站）位置，可以通过下式确定第n个公交主干线站 点（不含首末站）离公交主干线首站的距离其中， D_n为第n个公交主干线站点（不含首末站）离公交主干线首站的距离，Q_n为靠 近公交首站一侧且离第n个公交主干线站点最近的交叉口，该交叉口离公交主干 线首站的距离，H_n为远离公交首站一侧且离第n个公交主干线站点最近的交叉 口，该交叉口离公交主干线首站的距离。

步骤50）主要是为了确定公交站点的位置设置不在交叉口的影响范围内， 防止公交的进站停靠行为对交叉口造成较大的影响，应该改步骤将逐个检查各个 站点的位置及其距离最近交叉口的位置，若两者间的距离小于50米，则调整公 交站点的位置。通过该步骤，就可以最终确定公交主干线的站点位置。

步骤60）计算公交主干线运行时间；

公交主干线在沿线第j路段的运行时间T_j可由下式得到其中，ΣStop_j为公交车辆在第j路段的所有站点的停靠时间总和， ΣStop_j＝maD。其中，m为第j路段站点的数量。公交车辆运行一个单程的总 时间为$T_{\mathrm{total}}=\underset{j=1}{\overset{J}{\Sigma }}{T}_j$

步骤70）确定交叉口信号配时方案；

根据步骤10）中采集得到的每个交叉口的高峰小时交通流量流向，采用韦伯 斯特方法（WEBSTER法）计算并确定各个交叉口的初始信号配时方案，随后将 所有交叉口的信号配时周期时长均统一增大到最大的信号周期时长C，并将信号 周期时长扩大后增加的时间，按照原信号配时方案中各个相位的时长比例分配增 加至各个相位。随后，修正并确定各个交叉口的最终信号配时方案。其中，C为 所述I个交叉口中，采用韦伯斯特方法（WEBSTER法）计算得到的所有信号周 期中的最大值。

该步骤中，修正并确定各个交叉口的最终信号配时方案，主要通过调整各个 交叉口的公交主干线绿灯开始时刻，使公交到达各个交叉口时，交叉口的信号在 公交行驶方向上为绿灯。可具体阐述为：第j个交叉口的公交主干线绿灯开始时 刻可以通过下式确定其中，G_j,transit为第j个交叉口的 公交主干线绿灯相位时长，f_j为整数，且f_j需要满足下面的不等式的要求 $-(F_1+\underset{h=1}{\overset{j}{\Sigma }}{T}_h-\frac{1}{2}{G}_{j,\mathrm{transit}}\frac{1}{2})\le f_{j}C\le 86400-(F_1+\underset{h=1}{\overset{j}{\Sigma }}{T}_h-\frac{1}{2}{G}_{j,\mathrm{transit}}\frac{1}{2}).$

步骤80）确定公交主干线单向车辆的发车时刻；

第k班次的公交主干线由首站发往末站的车辆的发车时刻F_k可由下式得到 其中，k为公交主干线的发车班次序号。

下面将结合一个算例对本发明方法做进一步的说明。

附图2所示为某城市需要设置公交主干线的道路示意图。由图可以看出，该 段道路共包含4个交叉口，每段道路的长度如下表1）所示。

表1)道路基本情况数据

指标 数据 指标 数据 L₀200m L₁300m L₂500m L₃400m L₄200m —— ——

通过步骤10）采集公交主干线运行数据后，采集得到的相关数据如下表2） 所示：

表2)公交主干线运行数据

此外，公交主干线沿线第j路段的长度L_j已经由表1）给出。每个交叉口的 高峰小时交通流量流向数据此处不详细列出，后续直接在步骤70）中列出采用 公交主干线沿线交叉口车流量数据获取的交叉口配时方案。

步骤20）确定公交主干线理论最优站间距；

通过该步骤国家发明专利《城市公交线路停靠站设置方法》中给出的公交站 距确定方法，得到适合得到本算例公交主干线的理论最优站间距D=400m。特别 需要指出的是，在该步骤确定公交主干线理论最优站间距时，需要用到一些步骤 10）中并未提到的数据，由于这些数据在发明专利《城市公交线路停靠站设置方 法》的权利要求中已经详细列出，因而在本发明中没有给出这些数据。

步骤30）确定公交主干线站点（不含首末站）数量；

公交主干线的站点（不含首末站）数量N可由下式计算得到通过计算，得到本算例公交主干线的站点（不含首末站）数量N=3.

步骤40）确定公交主干线站点（不含首末站）的初始位置；

第n个公交主干线的站点距离公交首站的初始距离D'_n可以由下式得到 D'_n=nD，由此，可以获得本实例的第n个公交主干线的站点距离公交首站的初 始距离D'_n，见下表3）所示。

表3)公交主干线站点（不含首末站）的初始位置

站点距离 D'₁D'₂D'₃数值 400m 800m 1200m

步骤50）调整并确定公交主干线站点（不含首末站）位置；

对每个公交站点（不含首末站）的初始位置，检查其与附近交叉口的距离， 若其附近50米范围内存在交叉口，则调整该公交站点的位置，使其离最近交叉 口的距离不小于50米；否则不调整公交站点的位置。检查并调整完所有站点（不 含首末站）的位置后，最后确定公交主干线站点（不含首末站）位置。

通过该步骤50）对本实例表3）中所有站点的位置的检查发现，所有站点均 不在交叉口的附近，因而表3）的结果既是最终确定的公交主干线站点位置。确 定后的站点位置可见附图3所示。

步骤60）计算公交主干线运行时间；

公交主干线在沿线第j路段的运行时间T_j可由下式得到其中，ΣStop_j为公交车辆在第j路段的所有站点的停靠时间总和， ΣStop_j＝mawD。其中，m为第j路段站点的数量。公交车辆运行一个单程的总 时间为本算例的公交主干线在沿线第j路段的运行时间T_j计算结果 见下表4）。

表4)公交主干线运行时间

运行时间 T₁T₂T₃T₄T₅T_total数值 20s 50s 70s 60s 20s 220s

步骤70）确定交叉口信号配时方案；

根据步骤10）中采集得到的每个交叉口的高峰小时交通流量流向，采用韦伯 斯特方法（WEBSTER法）计算并确定各个交叉口的初始信号配时方案，随后将 所有交叉口的信号配时周期时长均统一增大到最大的信号周期时长C，并将信号 周期时长扩大后增加的时间，按照原信号配时方案中各个相位的时长比例分配增 加至各个相位。随后，修正并确定各个交叉口的最终信号配时方案。其中，C为 所述I个交叉口中，采用韦伯斯特方法（WEBSTER法）计算得到的所有信号周 期中的最大值。

通过该步骤对算例采集得到的数据，可以首先得到最大的信号周期时长 C=120s，随后得到各个交叉口的相位时长，见下表所示。

表5)各个交叉口信号配时时长

该步骤中，修正并确定各个交叉口的最终信号配时方案，主要通过调整各个 交叉口的公交主干线绿灯开始时刻，使公交到达各个交叉口时，交叉口的信号在 公交行驶方向上为绿灯。可具体阐述为：第j个交叉口的公交主干线绿灯开始时 刻可以通过下式确定其中，G_j,transit为第j个交叉口的 公交主干线绿灯相位时长，f_j为整数，且f_j需要满足下面的不等式的要求 $-(F_1+\underset{h=1}{\overset{j}{\Sigma }}{T}_h-\frac{1}{2}{G}_{j,\mathrm{transit}}\frac{1}{2})\le f_{j}C\le 86400-(F_1+\underset{h=1}{\overset{j}{\Sigma }}{T}_h-\frac{1}{2}{G}_{j,\mathrm{transit}}\frac{1}{2}).$

最终，得到每个交叉口的公交主干线绿灯开始时刻：

表6)各个交叉口公交主干线绿灯开始时刻

交叉口序号 公交主干线绿灯开始时刻 f_j范围 交叉口1 6:59:59+120f₁-25199≤120f₁≤61201 交叉口2 7:00:46+120f₂-25246≤120f₂≤61154 交叉口3 7:01:59+120f₃-25319≤120f₃≤61081 交叉口4 7:02:56+120f₄-25376≤120f₄≤61024

在确定了各个交叉口的相位1的开始时刻后，其他相位的开始时刻、结束时 刻也可以通过表6）推倒得到。同样的，其他周期的各个相位的开始时刻及结束 时刻也可以通过加减周期C得到。

步骤80）确定公交主干线单向车辆的发车时刻；

第k班次的公交主干线由首站发往末站的车辆的发车时刻F_k可由下式得到 其中，k为公交主干线的发车班次序号。通过计算，本算 例中第k班次公交主干线由首站发往末站的车辆的发车时刻 F_k＝7:00:00+360(k-1)。