一路一线直行式公交系统的信号协调控制方法

摘要

一路一线直行式公交系统的信号协调控制方法涉及公交车辆在实行“一路一线直行模式”下，通过各个交通信号灯的协调控制以及公交调度的相应调整，实现充分利用公交车辆经过各个交叉口时的等待时间和通行时间，以达到提高公交车辆的通行效率，降低公交车辆的延误时间，其具体方法为：计算各个交叉口的信号周期长度Ci，确定关键信号周期长度C0，并以关键信号周期长度C0作为各个交叉口的信号周期长度，计算交叉口各个相位的绿信比，建立横坐标为等价距离轴，纵坐标为时间轴的公交线路等价距离图，通过改进“图解法”，确定首末始发站、各信号交叉口之间的公交线路方向绿灯启动时差和公交线路方向最大绿时长度，确定公交车辆调度时刻。

说明书

技术领域

本发明涉及公交车辆在实行“一路一线直行模式”下，通过各个交通信号灯的协调控制以及公交调度的相应调整，实现充分利用公交车辆经过各个交叉口时的等待时间和通行时间，以达到提高公交车辆的通行效率，降低公交车辆的延误时间，属于城市道路交通控制领域。

背景技术

“一路一线直行模式”是指公交线路设置以道路为基准，一条道路原则上仅布设一条公交线路，公交车辆沿道路直线行驶，公交线网与城市道路网型式基本一致；公交停靠站设置在交叉口处，紧靠停车线，实现不同方向公交线路的“无缝”衔接，便于乘客换乘，有利于提高公交车辆的运营效率，便于公交乘客出行。

然而，“一路一线直行式”公交系统的建立，仅仅通过公交线网的规划和公交专用道的设置有时并不能最大限度的发挥、甚至无法体现“一路一线直行式”公交系统运营的优越性。

经发明人长期研究发现，其主要原因在于公交车辆在途经信号交叉口时，不能适时的获得通行权，致使公交车辆在交叉口易受影响，无法顺利通行。如果能够通过交通信号灯的线控方式，调整好公交车辆停靠、通行与交通信号灯配时参数的关系，则可以大大提高公交车辆途经信号交叉口时的通行效率，从而整体提高“一路一线直行模式”下的公交系统运营能力。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种一路一线直行式公交系统的信号协调控制方法，在不改变公交车辆的“一路一线直行模式”下，通过调整公交车辆途经信号交叉口的信号配时参数，设计适合公交车辆通行的线控方式。在满足信号交叉口正常运行的同时，充分利用信号灯的红绿灯信号时长，减少信号灯对公交车辆行驶的影响，提高“一路一线直行模式”下公交车辆的运行效率。

技术方案：为达到上述目的，本发明一路一线直行式公交系统的信号协调控制方法是这样进行的：

1.)控制程序初始化，确定各个交叉口不同相位的交通量，公交首末始发站、各个交叉口之间间距S_i，公交停靠站的位置，公交车辆的平均行驶速度公交车辆停靠站上下客平均延误时间与通过交叉口平均时长

2.)根据各交叉口的交通量，通过常用的韦伯斯特信号配时计算方法，计算各个交叉口的信号周期长度C_i，

3.)各个交叉口的信号周期长度C_i，公交车辆停靠站上下客平均延误时间与通过交叉口平均时长确定关键信号周期长度C₀，并以关键信号周期长度C₀作为各个交叉口的信号周期长度，

4.)根据各个交叉口不同相位关键车流的流量比率y_i^j、通过常用的韦伯斯特信号配时计算方法，计算交叉口各个相位的绿信比${\lambda }_i^j=y_i^j/\underset{j}{\Sigma }{y}_i^j,$并根据各个交叉口信号周期长度C_i，确定各个交叉口各个相位最短绿灯长度$G_i^j\text{=}{C}_i·{\lambda }_i^j;$其中，G_i^j表示第i个交叉口的第j个相位绿灯长度，y_i^j表示第i个交叉口的第j个相位关键车流的交通量，λ_i^j表示第i个交叉口的第j个相位绿信比，

5.)根据公交首末始发站、各个交叉口之间间距S_i，公交停靠站位置，公交车辆的平均行驶速度公交车辆停靠站上下客平均延误时间建立横坐标为等价距离轴，纵坐标为时间轴的公交线路等价距离图，

6.)根据公交线路等价距离图，关键信号周期长度C₀，各个交叉口各个相位最短绿灯长度G_i^j，通过改进“图解法”，确定首末始发站、各信号交叉口之间的公交线路方向绿灯启动时差和公交线路方向最大绿时长度，

7.)根据由上述步骤已经建立的信号协调控制参数、等价距离、公交车辆平均行驶速度、交叉口信号关键信号周期长度C₀以及公交车辆发车周期要求，确定公交车辆调度时刻。

确定关键信号周期长度C₀不仅需要考虑各个交叉口的交通量，同时也要考虑公交车辆上下乘客和通过交叉口的需求，具体为：

1.)比较各个交叉口信号周期长度C_i，确定信号周期最长的交叉口为关键交叉口，其信号周期长度为备选信号周期长度$C_0^{\prime }=\underset{i}{\max }{C}_i,$

2.)根据备选信号周期长度C₀′，公交车辆停靠站上下客平均延误时间与通过交叉口平均时长计算关键信号周期长度$C_0=\max (C_0^{\prime },{\bar{T}}_{\mathrm{delay}}+{\bar{T}}_{\mathrm{pass}}),$

3.)以关键信号周期长度C₀作为各个交叉口的信号周期长度。

公交线路等价距离图建立，是在实际的公交线路距离图中，根据公交停靠站的位置，插入虚拟交叉口的位置，具体为：

1.)根据公交车辆的平均行驶速度公交车辆停靠站上下客平均延误时间计算等价行驶距离$L=\bar{v}*{\bar{T}}_{\mathrm{delay}},$

2.)等价距离图中，将每个具有公交停靠站的交叉口n的上行方向处插入一虚拟交叉口使得交叉口n与虚拟交叉口的间距为等价行驶距离L，虚拟交叉口与下一交叉口n+1的间距为交叉口n与下一交叉口n+1的实际间距。改进的“图解法”进行求解的方法为：

1.)初始化，以公交线路等价距离图为基础，确定首末始发站、交叉口、虚拟交叉口之间距离，设定具有公交停靠站的实际交叉口n与相应的虚拟交叉口具有相同的信号控制参数，

2.)在图解过程中，以公交车辆在公交专用车道的平均速度作为沿公交线路通行的通过带速度，以首始发站公交车辆发车时刻设为起点，建立一条相当于通过带速度的斜线a，根据具有公交停靠站的虚拟交叉口和没有公交停靠站的交叉口的位置、信号周期时长、最短绿灯时间等约束条件，调整信号绿灯长度和绿灯时差，搜索一条与斜线a平行的斜线a′，使斜线a与斜线a′之间的范围能够在各交叉口顺利通行，不受交叉口红灯信号影响，获得上行公交车辆的绿波宽度，即斜线a与斜线a′之间的垂直方向距离，

3.)在步骤2)获得的信号绿灯长度和绿灯时差的基础上，根据具有公交停靠站的实际交叉口n和没有公交停靠站的交叉口的位置，重新调整信号绿灯长度和绿灯时差，获得下行公交车辆绿波宽度，

4.)通过枚举法，调整各交叉口的绿灯长度以及交叉口之间的绿灯时差，寻找上下行公交车辆能够获得最大绿波宽度。

确定公交车辆调度时刻以形成的信号控制参数以及公交车辆发车周期需求为基础：

1.)判断与公交首始发站相邻信号交叉口是否存在公交停靠站，若存在则根据等价距离图，确定公交首始发站与相邻信号交叉口的虚拟交叉口之间的距离，作为公交首始发站与相邻信号交叉口之间的等价距离反之，则以公交首始发站与相邻信号交叉口之间的实际距离作为两者之间的等价距离

2.)根据等价距离和公交车平均行驶速度计算公交车辆在首始发站发车时刻与相邻交叉口公交线路方向绿灯启动时刻之间的时间偏移值$\Delta =\tilde{S}/\bar{v},$

3.)根据相邻交叉口公交线路方向绿灯启动时刻T₀与时间偏移值Δ，确定公交线路首始发站一班公交车辆的发车时刻T＝T₀-Δ，并以此作为首始发站基准发车时刻，

4.)根据首始发站基准发车时刻T、交叉口信号周期C₀，可确定首始发站其他班次公交车辆的发车时刻T±mC₀，其中发车周期长短由整数m的取值决定，

5.)末始发站的公交车辆发车时刻确定方法与首始发站公交车辆发车时刻确定方法相同。

有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：

1.提高“一路一线直行模式”下，车辆的准点到达率。通过对公交线路上交叉口信号参数的协调控制，确保公交车辆在需要通过交叉口时，可以顺利获得交叉口通行权。降低公交车辆在信号交叉口延误，减少公交车辆的影响因素，便于提高公交车辆的准点到达率。

2.提高“一路一线直行模式”下，公交车辆停靠站设置在交叉口停车线处，通过交叉口信号参数的协调控制，可使公交车辆在具有公交停靠站的交叉口，充分利用信号灯的红灯时间，用于上下乘客，合理利用交通时空资源，提高公交车辆的运营效率。

3.在“一路一线直行模式”下，通过交通信号的协调控制和公交专用道的设置，会使本技术的实施效果更为显著。

附图说明

图1为“一路一线直行模式”下信号协调控制技术基本流程图。

图2为“一路一线直行模式”下公交线路示意图。

图3为改进的绿波控制“图解法”示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明做进一步说明：

由于在“一路一线直行模式”下，一条道路原则上仅布设一条公交线路，因此，该条道路方向上，各个交叉口信号灯参数设计只需考虑为一条公交线路的顺利通行。一条公交线路由上行和下行双向线路组成，因此，交叉口信号灯参数的设置主要是针对双向道路进行设计。

A、双向道路交叉口信号灯控制参数设定

双向道路交叉口信号灯控制参数设定主要包括各信号交叉口的信号周期、公交线路方向的绿灯长度、各信号交叉口公交线路方向绿灯启动时差等。通过上述3个控制参数的确定，则可实现“一路一线直行模式”下，信号交叉口信号协调控制。

a.确定公交线路途经各个信号交叉口的信号周期时长

1.)以各信号交叉口车辆总延误最小作为交通效益指标，通过交通信号控制技术中常用的韦伯斯特模型(Webster模型)，分别计算各个信号交叉口的信号周期时长C_i。

2.)比较各信号交叉口获得信号周期时长C_i，以所需周期时长最大的信号交叉口作为公交线路上的关键交叉口，并将此周期时长作为的备选信号周期时长C₀′。

3.)判断备选信号周期时长C₀′是否满足“一路一线直行模式”的关键信号周期时长C₀的要求。“一路一线直行模式”下的公交车辆是利用前方交叉口公交线路方向显示红灯时间，用于在停靠站上下乘客；并在显示绿灯时间，顺利通过交叉口。因此，关键信号周期时长C₀需要大于公交车辆停靠站时间平均延误与通过交叉口所需时长之和。

4.)确定关键信号周期时长C₀之后，将公交线路上的各个信号交叉口的信号周期时长统一为关键信号周期时长C₀。

b.确定各个信号交叉口公交线路方向的绿灯长度

1.)根据交通信号控制技术中常用的韦伯斯特信号配时计算方法，确定各个交叉口不同相位信号的绿信比。

2.)各信号交叉口信号周期时长C_i和不同相位信号的绿信比，计算各交叉口各相位的最短绿灯长度。

3.)根据关键信号周期时长C₀和各信号交叉口信号周期时长C_i，确定各交叉口信号周期长度的增加量，在满足各交叉口各相位的最短绿灯长度的前提下，尽量延长公交线路方向绿灯长度，公交线路方向最大绿灯长度的确定可由c.5.)获得。

c.确定公交线路途经各个信号交叉口的相位差

各个信号交叉口的相位差的确定方法以图解法为基础，需根据“一路一线直行模式”进行改进：

1.)确定公交线路上，首末始发站、各个信号交叉口之间的距离，以及公交车辆平均行驶速度。

2.)确定具有公交停靠站的信号交叉口位置，以及公交车辆停靠站平均延误时间。

3.)根据公交车辆平均行驶速度和公交车辆停靠站平均延误时间，获得公交车辆在停靠站平均延误时间内能够行驶的等价行驶距离L。根据具有公交停靠站的交叉口位置和等价行驶距离L确定相应的虚拟交叉口的位置。

4.)根据首末始发站、各信号交叉口、虚拟交叉口之间的等价距离，建立便于改进的“图解法”求解的等价距离图。

5.)根据改进的“图解法”以及等价距离图，计算在双向道路情况下，首末始发站、各信号交叉口之间的公交线路方向绿灯启动时差和公交线路方向最大绿时长度。

B、“一路一线直行模式”下，公交调度协调参数设定

“一路一线直行模式”下，交叉口信号参数的协调控制还需要与公交调度相适应，才能最终实现“一路一线直行模式”公交系统的信号协调控制。

1.)将与公交线路首末始发站相邻的信号交叉口作为“准起点”，并以“准起点”公交线路方向绿灯启动时刻作为基准点。

2.)根据公交线路首末始发站与相邻交叉口的距离，以及公交车辆平均行驶速度，计算出公交线路首末始发站首班公交车辆的发车时刻，并以此作为基准发车时刻。

3.)根据基准发车时刻、交叉口信号周期C₀以及公交车辆发车频率要求，确定公交车辆的发车时刻。

示例：如附图2所示，设该条公交线路为“一路一线直行模式”，在该条道路上仅布设一条公交线路，公交沿该道路的公交专用道直行行驶。公交线路的首末始发站分别为A、B两点，由A点->B点为上行线路，由B点->A点为下行线路。公交线路共在3个交叉口紧靠停车线出设置了公交停靠站点，交叉口分别为：交叉口I、交叉口II和交叉口IV。

针对“一路一线直行模式”的信号协调控制，经调查得出公交车辆在公交专用车道的平均速度32km/h，公交车辆停靠站上下客平均延误时间为45s。假设A、B点之间各个交叉口采用两相位控制，且交通量需求相同，各个交叉口的信号周期均为80s，各相位的最小绿灯长度均为40s。因此，各交叉口的信号周期无需延长，各相位的绿灯长度无法增减，致使信号协调控制仅能通过公交线路途经各个信号交叉口的相位差实现“一路一线直行模式”的信号协调控制。

通过改进的绿波控制“图解法”，求解“一路一线直行模式”下的信号协调控制方案。首先需建立等价距离图，在距离轴方向，根据公交停靠站点位置，新建了虚拟交叉口I’、虚拟交叉口II’和虚拟交叉口IV’，虚拟交叉口同实际交叉口之间的信号配时参数完全一致，两者之间的间距是由公交车辆的平均速度上下客平均延误时间决定的。在采用改进的绿波控制“图解法”求解时，上行线路(A点->B点)根据虚拟交叉口I’、虚拟交叉口II’、交叉口III和虚拟交叉口IV’等交叉口时间-距离关系，求解信号控制参数；下行线路(B点->A点)根据交叉口I、交叉口II、交叉口III和交叉口IV等，求解信号控制参数：

表1交叉口信号协调控制参数

名称 间距 发车时间公交线路方向绿灯启动时刻  公交线路方  向绿灯长度  交叉口信号  周期长度首始发站A 00分00秒交叉口I 200米01分30秒    40秒    80秒交叉口II 230米02分58秒    40秒    80秒交叉口III 100米03分12秒    40秒    80秒交叉口IV 150米04分15秒    40秒    80秒末始发站B 220米 00分00秒

注：以首始发站发车时间为标准时刻，设为00分00秒。

确定各交叉口公交线路方向绿灯启动时刻之间的相互关系之后，则可确定信号灯的协调控制参数。始发站的公交车的发车时间则可根据上表中与相邻交叉口的时间间隔推算获得。发车时间间隔只需根据公交车辆发车频率的要求，将发车周期设置为关键信号周期的整数倍即可。