一種考慮車隊離散特征的公交車和私家車干線綠波同步協(xié)調(diào)控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種考慮車隊離散特征的公交車和私家車干線綠波同步協(xié)調(diào)控制方法，當上游交叉口的信號燈由紅變綠時，基于交通流檢測器獲取私家車和公交車的車速分布，分析其停車線附近的所有私家車和公交車在下游普通和公交專用道路段上的離散特性，兼顧公交和非公交干線綠波同步協(xié)調(diào)目標，當在給定相位差情形下確定最佳交叉口站距，或當在給定交叉口站距情形下確定最佳相位差，并分析排隊長度、速度分布對其影響。本發(fā)明主要用于揭示公交和私家車的速度分布、最佳相鄰交叉口的間距和相位差之間耦合關(guān)系，輔助交通工程師基于兩種車型同步協(xié)調(diào)目標的合理設(shè)置交叉口間距，或設(shè)計區(qū)域交通信號協(xié)調(diào)控制方案，對改善整個交通狀況具有重大的實際意義。
【專利說明】
-種考慮車隊離散特征的公交車和私家車干線綠波同步協(xié)調(diào) 控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
[0001] 本發(fā)明設(shè)及交通控制領(lǐng)域，具體地說是一種考慮車隊離散特征的公交車和私家車 干線綠波同步協(xié)調(diào)控制方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 城市道路主干道承受著私家車、公交等主要交通負荷，若將干道上的相鄰交叉口 進行相互協(xié)調(diào)配時方案設(shè)計，可有效減少車流的延誤時間和停車率。由于公交和私家車的 行駛條件、特性的不同，它們的行駛速度存在差異，運引起公交信號優(yōu)先和私家車綠波控制 相互沖突，兩種類型車隊各自綠波協(xié)調(diào)最優(yōu)，卻未必保證所有車輛的干線同步協(xié)調(diào)問題。根 據(jù)公交和私家車車隊的離散特征，亟待探討兩種類型車隊的干線綠波同步協(xié)調(diào)問題，同時 兼顧公交和非公交的雙方利益，對改善整個交通狀況具有重大的實際意義。
[0003] 目前，國內(nèi)外學者獨立研究公交信號優(yōu)先或私家車的綠波控制已經(jīng)相對成熟，針 對如何協(xié)調(diào)二者開展研究相對較少，主要歸納如下：王正武和張平研究基于分層遞階控制 技術(shù)的公交和私家車干線協(xié)調(diào)控制模型;陳炯迪等提出了一種基于干線協(xié)調(diào)和速度誘導原 理，的可跨周期公交專用道綠波信號協(xié)調(diào)控制方法;李振龍、別一鳴、林永杰、汪健等分析上 游交叉口到達下游交叉口的時刻對綠波帶的影響情況，建立了考慮社會車流和公交車流的 綠波帶優(yōu)化模型；王殿海、王彬利用雙層規(guī)劃探討干線協(xié)調(diào)和公交優(yōu)先之間禪合關(guān)系。由上 可知，現(xiàn)有研究均從運籌優(yōu)化角度建立私家和公交車的綠波同步協(xié)調(diào)模型并設(shè)計控制策 略，較少設(shè)及基于兩種類型車隊同步協(xié)調(diào)控制目標的交叉口相鄰間距、相位差和車隊離散 特征之間關(guān)聯(lián)性。
[0004] 在一般城市道路上，若公交和私家車輛隨機到達上游交叉口時遭遇紅燈，當信號 燈由紅變綠，運部分停車排隊車輛駛離交叉口后散步于下游道路上，它們受下游交叉口的 信號燈對車流的擠壓及分割作用，由此造成一股一股車流不是均勻到達下一個交叉口，出 現(xiàn)車隊在行使過程中的"離散現(xiàn)象"。根據(jù)上游路段動態(tài)獲取的交通流數(shù)據(jù)，如何描述車隊 在下游路段的時空離散特性是該問題的核屯、。國內(nèi)外關(guān)于車隊離散問題研究主要分為 Robertson模型和化C巧模型，其中：前者適用于較短距離的相鄰交叉口，后者適用于較長距 離的上下游交叉口，二者在準確性和效率方面差別不大。由上可知，通過該理論描述公交和 私家車隊在道路上的時空離散特征，兼顧公交和非公交干線綠波同步協(xié)調(diào)目標，據(jù)此掲示 兩者之間交通流、相鄰站距和信號配時之間禪合關(guān)系，是完成可行的。
[0005] 綜上所述，本文通過實測數(shù)據(jù)獲取公交和私家車在相鄰交叉口的車速隨機分布， 在化C巧提出的車隊離散理論基礎(chǔ)上，當上游交叉口的信號燈由紅變綠時，分析兩種類型車 隊在時間和空間上的離散特征，兼顧公交和非公交干線綠波同步協(xié)調(diào)目標，給出了相鄰交 叉口間距和相位差之間禪合關(guān)系的解析表達式，為私家車和公交車的干線協(xié)調(diào)控制提供理 論支持和技術(shù)支撐。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0006] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種考慮車隊離散特征的公交車和私家車干線 綠波同步協(xié)調(diào)控制方法，當上游交叉口的信號燈由紅變綠時，分析其停車線附近的所有私 家車和公交車在下游普通和公交專用道路段上的離散特性，構(gòu)造了其在時空坐標上的交通 流量分布模式，推導了它們的最多車輛達到時間和下游交叉口位置之間解析表達式，兼顧 公交和非公交干線綠波同步協(xié)調(diào)目標，當在給定相位差情形下確定最佳交叉口站距，或當 在給定交叉口站距情形下確定最佳相位差，并分析排隊長度、速度分布對其影響，亟待探討 兩種類型車隊的干線綠波同步協(xié)調(diào)問題，同時兼顧公交和非公交的雙方利益，對改善整個 交通狀況具有重大的實際意義。
[0007] -種考慮車隊離散特征的公交車和私家車干線綠波同步協(xié)調(diào)控制方法，包括W下 步驟：
[0008] (1)基于檢測器動態(tài)獲取上下游交叉口之間交通流參數(shù)，設(shè)及私家車隊A和公交車 隊B于時刻t = 0在上游交叉口 X = O附近停車排隊的車輛密度函數(shù)kA(x，0)和kB(x，0)及它們 的排隊長度3A和加，W及私家車隊A和公交車隊B在相鄰交叉口之間行駛過程中車速V的概率 密度^^，84，￥)和^48，如，￥)，其中：叫表示私家車隊的速度均值，84表示私家車隊的速度方 差，表示公交車隊的速度均值，Sb表示公交車隊的速度方差。
[0009] (2)分析私家車隊A和公交車郎人于時刻t = 0在上游交叉口 X = 0附近停車排隊的車 輛密度函數(shù)kA(X，0)和kB(X，0)，與兩種類型車隊在t時刻離散分布在下游交叉口 X的車輛密 度函數(shù)1^^，1)、1?^，〇之間關(guān)聯(lián)性；
[0010] (3)計算上游交叉口的公交車隊B和私家車隊A在時刻t通過下游斷面X的車輛數(shù)Aa (x，t)和AB(x，t) W及它們的流量模式函數(shù)qA(x，t)、qB(x，t);
[0011] (4)為了兼顧公交車隊B和私家車隊A干線綠波協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)目標，令X = Xd為上下游交 叉口之間間距、時刻t = tg為相連n的扣仿單舟!綜*TR寸間的一坐方舟1-當方'東牟.舟IA交 車的運兩股車隊中部同步到達時 .
[0012] 作為優(yōu)選，步驟（1)中根據(jù)檢測器動態(tài)獲取有效私家車隊和公交車隊的車速V樣本 數(shù)據(jù)，它們均近似符合正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為：
[0013]
[0014] 其中：叫表示私家車隊的速度均值，Sa表示私家車隊的速度方差，叫表示公交車隊 的速度均值，Sb表示公交車隊的速度方差。
[0015] 作為優(yōu)選，步驟(2)中私家車隊和公交車隊于時刻t = 0在上游交叉口X = O附近停 車排隊的車輛密度函數(shù)
；兩種類型車隊W 車速V行駛，在t時刻離散分布在下游交叉口 X的車輛密度函數(shù)為
[0016]
[0017]
[001引其中成和巧是公交車隊B和私家車隊A的初始密度值。
[0019] 作為優(yōu)選，步驟(3)中計算h游否義口的公否車隊B巧私家車隊A車隊在時刻t通過 下游斷面X的車輛數(shù)
FW及它們的流量模式函數(shù)
[0020] 作為優(yōu)選，步驟(4)中為了兼顧公交和非公交干線綠波協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)目標，令X = Xd為 上下游交叉口之間間距、時刻t = tg為相連交叉口的相位差和綠燈時間的一半之和，當私家 車和公交車的運兩股車隊中部同步到達時
此時X = Xd為上下游交 叉口之間最佳間距
t時時刻t = tg為相連交叉口的最佳相位差。
[0021] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0022] 本發(fā)明通過實測數(shù)據(jù)獲取公交和私家車在相鄰交叉口的車速隨機分布，在化cey 提出的車隊離散理論基礎(chǔ)上，當上游交叉口的信號燈由紅變綠時，分析兩種類型車隊在時 間和空間上的離散特征，兼顧公交和非公交干線綠波同步協(xié)調(diào)目標，給出了相鄰交叉口間 距和相位差之間禪合關(guān)系的解析表達式，解決了兩種類型車隊的干線綠波同步協(xié)調(diào)問題。
【附圖說明】：
[0023] 圖1是本發(fā)明設(shè)及的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2是本發(fā)明實施的流程圖。
【具體實施方式】：
[0025] 為使本發(fā)明的發(fā)明目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的 實施方式作進一步地詳細描述。
[0026] 如圖1所示，本發(fā)明提供一種考慮車隊離散特征的公交車和私家車干線綠波同步 協(xié)調(diào)控制方法，當上游交叉口的信號燈由紅變綠時，分析其停車線附近的所有私家車和公 交車在下游普通和公交專用道路段上的離散特性，設(shè)定A代表私家車，B代表公交車，令綠燈 開始時刻為t = 0,該公交車和私家車排隊車輛從它們各自停車位置[-aA，0]出發(fā)W 勻速V行駛時間t，通過和未駛過下游斷面x(可為實際或者虛擬下游交叉口）的車輛數(shù)Aa(x， t)和AB(X，t)W及它們的流量模式函數(shù)〇4^，〇、〇6^，〇。在此基礎(chǔ)上，推導了它們的最多車 輛達到時間和下游交叉口位置之間解析表達式，兼顧公交和非公交干線綠波同步協(xié)調(diào)目 標，當在給定相位差情形下確定最佳交叉口站距，或當在給定交叉口站距情形下確定最佳 相位差，并分析排隊長度、速度分布對其影響。本發(fā)明亟待私家和公交車隊的干線綠波同步 協(xié)調(diào)問題提供決策支撐。
[0027] 如圖2所示，本發(fā)明提供一種考慮車隊離散特征的公交車和私家車干線綠波同步 協(xié)調(diào)控制方法，包括:數(shù)據(jù)準備，車隊離散模型的推導過程，W及公交和私家車的干線綠波 同步協(xié)調(diào)模型推導過程、推廣應(yīng)用，【具體實施方式】如下。
[002引 A數(shù)據(jù)準備
[0029] (1)排隊長度、密度檢測
[0030] 假設(shè)某城市主干道路有小型車道和公交專用道，令上游交叉口的綠燈開始時刻和 停車線斷面位置分別為t = 0和x = 0,則私家車和公交車于時刻t = 0在斷面X = O附近停車排 隊的車輛密度函數(shù)kA(x，0)和kB(x，0)為：
[0031]
[0032]
[0033] 其中：aA和SB是私家車和公交車的排隊長度，磚和K是私家車和公交車在該交叉口 在排隊范圍內(nèi)的擁擠密度。
[0034] (2)車速的統(tǒng)計特征
[0035] 根據(jù)檢測器動態(tài)獲取有效私家和公交車速樣本數(shù)據(jù)，匯總私家和公交車在相鄰交
叉口之間行駛過程中車速V的概率密度 . 它們均近似符合正態(tài)分布，其中：M、〇A、Ub、UB疋I巧fT夭坐午P八日、」化ZJtwri且WTJ左。
[0036] B車隊離散模型的推導過程
[0037] (1)初始密度和當前密度之間關(guān)聯(lián)性
[0038] W私家車車隊為例說明，當上游交叉口的信號燈由紅變綠時，令其綠燈開始時刻 為t = 0，該排隊車輛從它們各自停車位置G [-aA，0]出發(fā)W勻速V行駛時間t通過下游 斷面X的密度函數(shù)kA(X，t)。
[0039] 對私家車問題，令U = (V-JiA) /Sa和罔散率Qa=Sa/wa，可得：
[0040]
[0041]
[0042]
[00創(chuàng) flV2是常數(shù)。
[0044] (2) W私家車車隊為例說明，當上游交叉口的信號燈由紅變綠時，令其綠燈開始時 刻為t = 0，該排隊車輛從它們各自停車位置X-Vt G [-aA，0]出發(fā)W勻速V行駛時間t，通過和 未駛過下游斷面x(可為實際或者虛擬下游交叉口）的車輛數(shù)
和 ,- ,
, a'、。
[0045] 令
可計算整個私家車車隊在路段[X，+-]上分 布的車輛數(shù)
[0046]
[0047] (3) W私家車車隊為例說明，當上游交叉口的信號燈由紅變綠時，令其綠燈開始時 刻為t = 0,該排隊車輛從它們各自停車位置X-VtG [-aA，0]出發(fā)W勻速V行駛時間t，通過和 未駛過下游斷面X的流量模式函數(shù)^(x，0 = /巧=-述4(.v，/)/巧。由上可知，推導出：
[004引
[0049]同理，令
和離散率日8 =如/化，推導出 公交車隊的Abus(x，t)和qbus(x，t)，如下所示：
[(K)加 ]
[0化1 ]
[0052] W上是本文提出的整個公交和私家車隊離散模型，據(jù)此可定量分析上游交叉口的 私家車和公交車在綠燈開始后的離散規(guī)律，從而計算私家車和公交車隊在下游交叉口的延 誤、停車次數(shù)及排隊長度等重要交通流參數(shù)，為信號燈協(xié)調(diào)控制提供依據(jù)。
[0053] C公交和私家車的干線綠波同步協(xié)調(diào)模型推導過程
[0054] (1)最佳交叉口間距設(shè)置
[0055] 當上游交叉口的綠燈開始時刻為t = 0,令X = Xd取值為下游交叉口（可為虛擬交叉 口）的停車線位置，若私家車或公交車車隊在時刻t = tg達到下游斷面的車輛數(shù)最多，必須 滿足W下兩個條件：
[0化6]
[0化7]
[0化引 [0化9]
[0060]為了兼顧公交和非公交干線綠波協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)目標，令時刻t = tg為相連交叉口的相 位差和n個信號周期T之和，當私家車和公交車的運兩股車隊中部同步到達時， 此時X = Xd為上下游交叉口之間最佳間距。由上述兩個公式成立，推 導：
[0061]
[0062] 由上可知，在私家和公交車的車速分布^^，84，乂)和^化，如，乂)基礎(chǔ)上，分析不同 給定相位差t = tg取值情形下的最佳相鄰間距X = Xd的解空間分布。
[0063] (2)最佳相位差設(shè)置
[0064] 當上游交叉口的綠燈開始時刻為t = 0,令X = Xd取值為下游交叉口（可為虛擬交叉 口）的停車線位置，若私家車或公交車車隊在時刻t = tg達到下游斷面的車輛數(shù)最多，必須 滿足，必須滿足W下兩個條件：
[00 化]
[0066]
[0067]
[006引
[0069] 為了兼顧公交和非公交干線綠波協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)目標，令X = Xd為上下游交叉口之間間 距，當私家車和公交車的運兩股車隊中部同步到達時
，此時時刻t = tg為相連交叉口的最佳相位差和n個信號周期T之和。由式成立，推導：
[0070]
[0071] 由上W知，巧化冢和公文車的車速分巧f(M，6A，V)和f (化，Sb,V)基礎(chǔ)上，分析不同 給定相鄰間距X = Xd取值情形下的最佳相位差t = tg的解空間分布。
[0072] D推廣應(yīng)用
[0073] 通過相鄰路口仿真分析，給出了公交和私家車的離散時空分布特征，掲示了交通 流、相鄰站距和信號配時之間禪合關(guān)系，計算最佳兩種車隊的干線協(xié)調(diào)方案，通過交通流量 模式驗證其正確性，并用表格方式給出兩類車型車隊的頭部被迫停車和尾部被截留車輛 數(shù)，W便于在信號燈協(xié)調(diào)控制中應(yīng)用。
[0074]上述實施例只是本發(fā)明的較佳實施例，并不是對本發(fā)明技術(shù)方案的限制，只要是 不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動即可在上述實施例的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的技術(shù)方案，均應(yīng)視為落入本發(fā)明專利 的權(quán)利保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種考慮車隊離散特征的公交車和私家車干線綠波同步協(xié)調(diào)控制方法，其特征在 于:包括以下步驟： (1) 基于檢測器動態(tài)獲取上下游交叉口之間交通流參數(shù)，涉及私家車隊A和公交車隊B 于時刻t = O在上游交叉口 x = 0附近停車排隊的車輛密度函數(shù)kA(x，O)和kB(x，O)及它們的排 隊長度aA和aB，以及私家車隊A和公交車隊B在相鄰交叉口之間行駛過程中車速V的概率密度 ；^^，3纟，￥)和；1^8,38，￥)，其中業(yè)表不私家車隊的速度均值，3纟表不私家車隊的速度方差， M表示公交車隊的速度均值，δ Β表示公交車隊的速度方差； (2) 分析私家車隊A和公交車隊B于時刻t = 0在上游交叉口 X = O附近停車排隊的車輛密 度函數(shù)kA(x，0)和kB(x，0)，與兩種類型車隊在t時刻離散分布在下游交叉口 X的車輛密度函 數(shù)1^&4)、1?&，〇之間關(guān)聯(lián)性； (3) 計算上游交叉口的公交車隊B和私家車隊A在時刻t通過下游斷面X的車輛數(shù)AA(x，t) 和Αβ(χ，?)以及它們的流量模式函數(shù)qA(x，t)、qB(x，t); (4) 為了兼顧公交車隊B和私家車隊A干線綠波協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)目標，令X = Xd為上下游交叉口 之間間距、時刻t = tg為相連交叉口的相位差和綠燈時間的一半之和，當私家車和公交車的 這兩股車隊中部同步到達時2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一柙考慮罕隊離散特祉的公父罕和私冢罕十線綠汲問步協(xié)調(diào) 控制方法，其特征在于:所述步驟(1)中根據(jù)檢測器動態(tài)獲取有效私家車隊和公交車隊的車 速V樣本數(shù)據(jù)，它們均近似符合正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為：其中：μΑ表不私家車隊的速度均值，δΑ表不私家車隊的速度方差，μΒ表不公交車隊的速 度均值，δΒ表示公交車隊的速度方差。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮車隊離散特征的公交車和私家車干線綠波同步協(xié)調(diào) 控制方法，其特征在于:所述步驟(2)中私家車隊和公交車隊于時刻t = 0在上游交叉口X = O fO.x>O vx < ~a, i〇.,r> Ovχ< -αη 附近停車排隊的車輛密度函數(shù)MM)= < η和以*〇)= I < ;兩種類型 \kj ,-aA < χ< 0 \^kj ,~αΒ <χ<0 grfn |、|方r;擊女+口vf太rl南漸ZV左·：Λη、齡赤奴門左細您由M米其中#和Af是公交車隊B和私家車隊A的初始密度值。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮車隊離散特征的公交車和私家車干線綠波同步協(xié)調(diào) 控制方法，其特征在于:所述步驟(3)中計算上游交叉口的私家車隊A和公交車隊B在時刻t 通過下游斷面χ的車輛數(shù)Afei) =_[匕認幻辦和矣⑷)=￡ 以及它們的流量模式函數(shù) qA(\i\= BAa(XJ1)Idt、qR{x，t) = dAB(x、f)?& Q.5. 根據(jù)權(quán)利要求i所述的一種考慮車隊離散特征的公交車和私家車干線綠波同步協(xié)調(diào) 控制方法，其特征在于:所述步驟(4)中為了兼顧公交和非公交干線綠波協(xié)調(diào)協(xié)調(diào)目標，令χ =Xd為上下游交叉口之間間距、時刻t = tg為相連交叉口的相位差和綠燈時間的一半之和， 當私家車和公交車的這兩股車隊中部同步到汰時，」：時X = Xd為上下游交叉口之間最佳間距 此時時刻t = tgs相連交叉口的最佳相 位差。
【文檔編號】G08G1/081GK106023610SQ201610411136
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】魏明, 岳潛, 袁建兵, 劉憲瑞, 孫博
【申請人】南通大學