基于时间预测的无专用道公交车辆优先行驶控制方法

本发明属于交通信号控制，具体涉及一种基于时间预测的无专用道公交车辆优先行驶控制方法。

背景技术：

1、公交信号优先能够有效提升公交运营系统的效率和可靠性，对缓解城市交通拥堵具有重要意义。传统的公交信号优先控制分为被动优先、主动优先和自适应优先。国内外已有比较成熟的理论成果来实现公交的优先通行。董玉璞等根据交通事件的触发计算相位优先度，设计了一种在双环相位结构下基于相位优先度规则的公交信号优先控制策略。徐洪峰等研究了基于逻辑规则控制方法。然而上述研究大多数是通过预测公交车辆到达交叉口的时刻，从而对交通信号灯状态进行调整，忽略了交叉口社会车辆到达波动性和排队长度不确定性对优先控制效果的影响。但上述策略无法完全获取路段上公交车辆的实时信息，因此不能有效地响应不同的交通状况和公交车辆运行状态。

2、近年来，随着车联网技术的发展，车辆与控制器之间能够进行信息的实时、双向传递，使交通控制从对交通流的被动响应到主动引导，为满足公交优先需求提供了更多的策略。因此，越来越多的学者开始在人工-网联混合环境下进行有关公交信号优先控制的研究，如将速度引导、驻站控制等策略与传统公交优先相结合。马万经等以公交运行状态最优为目标，设计了公交车辆运行速度和信号优先控制策略的协调优化规则。郑晨等根据交叉口有无站点对公交车辆到达时间进行划分区间，针对不同区间分别采取不同的车速诱导策略。欧诗琪等为解决公交优先可能破坏干线协调并影响社会车辆行驶效益问题，建立了配合干线信号协调的实时公交优先控制方法，实现了公交车辆速度诱导-驻站控制和信号优化一体化控制。王宝杰等应用kalman实时预测公交车辆行程时间，同时结合驻站时间和背景信号配时，对brt车辆进行速度引导，使车辆尽可能在绿灯期间到达交叉口。但以上研究都是以公交专用道为前提，忽略了无公交专用道时社会车辆排队的因素。

3、目前我国城市城区公交车辆专用车道设置比例不高，大多数情况下还是以社会车辆和公交车辆在路段上混合行驶为主。考虑到社会车辆对公交车辆会产生干扰，yang等在无公交专用道的背景下，研究了交叉口进口处公交车辆与社会车辆的放行顺序优化，可减少乘客的延误。wu等则以提高公交准点率为目标，对提前到达的公交车辆，建立了公交驻站模型，对晚点到达的公交车辆，提出了速度引导模型，当速度引导模型无效时，引入信号优先控制模型。为了避免传统公交信号优先对干线协调控制的影响，蔡雅苹等提出公交优先可变车速引导和多交叉口信号配时优化的集成方案，建立实时干线协调控制下车速引导的公交优先模型，可大幅降低公交车辆行程时间。zeng等建立了基于路径的公交信号优先模型(r-tsp)及其局域化模型(l-tsp)，对两种模型的公式变体进行分析和讨论，r-tsp模型在很大程度上降低公交延误，提高准点率。hu等以最小化人均延误为目标，提出了基于人延误的智能公交信号优先逻辑优化方法(tspcv-c)，来确保该方法在干线产生效益。但是上述研究主要是在检测到公交车辆后，针对公交车辆的运行状态或信号状态进行调整，并没有考虑车辆从进入引导区域到行驶至交叉口期间排队长度的波动，在实际应用中可能导致公交优先效果下降，甚至出现负优化现象。

技术实现思路

1、本发明针对传统公交信号优先级设计效果不好的技术问题，提供一种基于时间预测的无专用道公交车辆优先行驶控制方法，设计了多种场景下的公交车辆优先行驶决策机制，为提高城市公共交通服务水平提供了参考。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种基于时间预测的无专用道公交车辆优先行驶控制方法，包括以下步骤：

4、s1、车网联环境下，获取公交车辆的行驶速度、公交车辆至下游交叉口停车线的实时距离、公交车辆到达车速引导区域起点时下游交叉口的信号状态、以及下游交叉口车辆通行情况，采用扩展卡尔曼滤波模型预测公交车辆到达车速引导区域起点的时间；

5、s2、若公交车辆到达车速引导区域起点时下游交叉口的信号状态为绿灯，依据下游交叉口的绿灯剩余时间，判断公交车辆以当前车速匀速行驶能否不停车通过下游交叉口，若能，则维持原行驶速度和原信号配时；若不能，则执行公交车辆加速引导策略和/或执行绿灯延长策略，并采用遗传算法求解使下游交叉口每辆车的行程延误时间和信号延误时间之和最小；

6、s3、若公交车辆到达车速引导区域起点时下游交叉口的信号状态为红灯，依据下游交叉口的红灯剩余时间，判断公交车辆以当前车速匀速行驶到达下游交叉口时能否不用停车排队等待下一信号周期绿灯亮起，若能，则维持原行驶速度和原信号配时；若不能，则执行公交车辆减速引导策略和/或执行红灯早断策略，并采用遗传算法求解使下游交叉口每辆车的行程延误时间和信号延误时间之和最小。

7、进一步地，所述下游交叉口车辆通行情况包括交叉口各通行方向车流量及下游交叉口的信号状态为红灯时社会车辆排队长度；所述车速引导区域的长度为从下游交叉口停车线到该停车线上游150～200m的距离。

8、进一步地，步骤s2中所述执行公交车辆加速引导策略和/或执行绿灯延长策略具体分为两种情况：

9、1)仅执行公交车辆加速引导策略就能使公交车辆不停车顺利通过下游交叉口，此时公交车辆的引导速度计算公式如下：

10、

11、其中：为公交车辆到达车速引导区域起点的时间，单位：s；为第j信号周期第i相位绿灯结束时间，单位：s；l为从车速引导区域起点至下游交叉口停车线的距离，单位：m；α、β为加权系数；vb为公交车辆平均速度，单位：km/h，且vmin≤vb≤vmax，vmax为公交车辆所允许的最高速度，vmin为公交车辆最低速度；aa为公交车辆加速度，单位：m/s2，且为公交车辆最小加速度，为公交车辆最大加速度；

12、2)同时执行公交车辆加速引导策略和执行绿灯延长策略才能使公交车辆不停车顺利通过下游交叉口，此时公交车辆的引导速度计算公式如下：

13、vi-two＝vmax；

14、此时绿灯延长时间的计算公式如下：

15、

16、其中：δg1j为第j信号周期公交通行相位绿灯剩余时间，单位：s；且为最大绿灯延长时间，单位：s；c为下游交叉口信号周期长度，单位：s；λi为第i相位的最小绿信比；gi为第i相位的最小绿灯时间，单位：s；l为绿灯损失时间，单位：s；q为下游交叉口社会车辆到达率，s为下游交叉口社会车辆饱和流率。

17、进一步地，所述仅执行公交车辆加速引导策略时，公交车辆处于加速行驶时，其行程延误相较于正常速度行驶的公交车辆小，并且公交车辆的加速过程对其他社会车辆的延误影响较小，故因公交车辆加速行驶导致的社会车辆的行程延误时间可以忽略不计，本发明仅计算因公交车辆加速行驶导致的公交车辆的行程延误时间，其计算公式如下：

18、δdb＝l/(vb-vi-one)。

19、进一步地，所述同时执行公交车辆加速引导策略和执行绿灯延长策略时，公交车辆在其通行相位减少的延误等于信号优化前公交在交叉口需要等待的时间，故因绿灯延长导致的公交车辆在优先相位的信号延误时间的计算公式如下：

20、

21、其中：rij为在非优先相位的红灯时间。

22、此外，公交车辆优先相位使社会车辆也同时获得额外的通行时间，使得该相位社会车辆无需排队等待下一信号周期即可通过，故因绿灯延长导致的社会车辆在优先相位的信号延误时间的计算公式如下：

23、

24、其中：r1j为优先相位红灯时长；q1j为优先相位社会车辆到达率；s1j为优先相位社会车辆饱和流率；

25、而采取绿灯延长策略后，非优先相位通行方向到达的社会车辆需要额外等待gextent时间才能通过下游交叉口，因绿灯延长导致的社会车辆在非优先相位的信号延误时间的计算公式如下：

26、

27、其中：qij为非优先相位社会车辆到达率；sij表示非优先相位社会车辆饱和流率。

28、由上述公式可知，执行公交车辆加速引导策略和/或执行绿灯延长策略时，下游交叉口每辆车的行程延误时间和信号延误时间之和的计算模型如下：

29、

30、其中，δd表示优化后公交车辆减少的延误，occb表示公交车辆的平均占有率；δdc表示优化后社会车辆减少的延误，occc表示社会车辆的平均占有率；j为交叉口信号相位总数；为优化时间段内通过的公交车数量；为优化时间段内通过的社会车辆总数。

31、进一步地，步骤s3中所述执行公交车辆减速引导策略和/或执行红灯早断策略具体分为两种情况：

32、1)仅执行公交车辆减速引导策略就能使下一信号周期绿灯亮起时启动波传到公交车辆避免停车等待，此时公交车辆的引导速度计算公式如下：

33、

34、其中：为公交车辆到达车速引导区域起点的时间，单位：s；γ、η为权重系数；l为从车速引导区域起点至下游交叉口停车线的距离，单位：m；vb为公交车辆平均速度，单位：km/h，vmin为公交车辆最低速度；ad为公交车辆减速度，单位：m/s2，为公交车辆最小减速度，为公交车辆最大减速度；x(i,j)表示第j信号周期第i相位下游交叉口车辆排队长度，单位：m，q为下游交叉口社会车辆到达率；lv为下游交叉口社会车辆平均长度，为第j信号周期第i相位红灯开始时间；tm为队尾社会车辆启动时间s为下游交叉口社会车辆饱和流率，为第j+1周期第i相位绿灯开始时间；

35、2)同时执行公交车辆减速引导策略和执行红灯早断策略才能使下一信号周期绿灯亮起时启动波传到公交车辆避免停车等待，此时公交车辆的引导速度计算公式如下：

36、vi-four＝vmin；

37、此时红灯早断时间的计算公式如下：

38、

39、其中：为第j信号周期第i相位红灯结束时间；ta为公交车辆以引导速度行驶至队尾时间，且为最大红灯早断时间；g(i-1,j)为公交通行方向上一相位原始绿灯时长；t(i-1,j)为公交通行方向上一相位排队车辆完全消散所需时间；r1j为优先相位红灯时长；q1j为优先相位社会车辆到达率；s1j为优先相位社会车辆饱和流率。

40、进一步地，所述仅执行公交车辆减速引导策略时，公交车辆处于减速行驶状态，其行程延误相较于正常速度行驶的公交车辆大，此时公交车辆的行程延误分为两部分：一是从车速引导区域行驶至队伍末端的延误；二是跟随排队车辆从队尾到交叉口的延误，故因公交车辆减速行驶导致的公交车辆的行程延误时间的计算公式如下：

41、

42、进一步地，所述同时执行公交车辆减速引导策略和执行红灯早断策略时，由于红灯早断后公交车辆减少的延误等于信号配时调整前等待红灯时间与绿灯亮起时启动波传递到队尾时间之和，故因红灯早断导致的公交车辆在优先相位的信号延误时间的计算公式如下：

43、

44、由于实施红灯早断，与公交通行方向一致的社会车辆也能提前驶离交叉口，故因红灯早断导致的社会车辆在优先相位的信号延误时间的计算公式如下：

45、

46、此外，实施红灯早断后，非优先相位绿灯时间被压缩，优化前能在本信号周期驶离交叉口的车辆可能需要等待下一周期绿灯才能通过，导致非优先相位社会车辆在路口排队等待的时间会增加，故因红灯早断导致的社会车辆在非优先相位的信号延误时间的计算公式如下：

47、

48、其中：qij为非优先相位社会车辆到达率；sij表示非优先相位社会车辆饱和流率。

49、由上述可知，执行公交车辆减速引导策略和/或执行红灯早断策略，下游交叉口每辆车的行程延误时间和信号延误时间之和的计算模型如下：

50、

51、其中，δd'表示优化后公交车辆减少的延误，o'ccb表示公交车辆的平均占有率；δd′c表示优化后社会车辆减少的延误，occc表示社会车辆的平均占有率；j为交叉口信号相位总数；为优化时间段内通过的公交车数量；为优化时间段内通过的社会车辆总数。

52、相比现有技术，本发明的有益效果在于：

53、传统的公交到达时间依赖于检测信息和前方道路状态，严重制约了优先级的效果。本发明基于时间预测的无专用道公交车辆优先行驶控制方法，基于车联网环境下信息的双向实时传递，采用扩展卡尔曼滤波模型预测公交车辆到达车速引导区域的时间，进一步通过将公交车辆到达车速引导区域起点的时间与此时下游交叉口的信号剩余时长进行比较，并且考虑了交叉口社会车辆的排队现象，以总人延误最小化为目标，设计了四种场景下的公交车辆优先行驶决策机制(加速、加速+绿灯延长、减速、减速+红灯早断)，以满足不同到达时间公交车的优先需求，为提高城市公共交通服务水平提供了参考。