大连理工大学面向T形交叉口的公交优先控制策略及软件在环仿真实现V13.docx
《大连理工大学面向T形交叉口的公交优先控制策略及软件在环仿真实现V13.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大连理工大学面向T形交叉口的公交优先控制策略及软件在环仿真实现V13.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
大连理工大学面向T形交叉口的公交优先控制策略及软件在环仿真实现V13
面向T形交叉口的公交优先控制策略及软件在环仿真实现
设计者：
付凤杰周杰秦汉万玉功张子良
指导教师：
徐洪峰
（大连理工大学交通运输学院，辽宁，大连，116024）
作品简介：
面向公交专用道沿线的典型T形交叉口，在深入剖析相位结构设计机理的基础上，较为完整地建立了基于逻辑规则的公交优先控制策略（BRTSP）设计方法。
此类控制策略适用于3种公交专用道布局形式，具有2个公交专用相位、6个机动车相位和3个行人相位的相位结构，以优先请求产生规则、相位切换规则、绿灯时间调整规则、绿灯时间同断规则和红灯缩短请求响应规则为内核，支持绿灯延长、红灯缩短和相位插入3种优先控制方式，利用公交专用检测器和环形线圈检测器实时采集车辆到达信息，可以同时实现公交优先控制和车辆感应控制。
初步搭建起了BRTSP的VisualC++开发环境，创建了VISSIM外部信号机的动态链接库（DLL）文件，开发了BRTSP维护工具软件，实现了基于VISSIM的BRTSP软件在环仿真。
研究成果对于开辟利用微观交通仿真软件进行交通信号控制理论与方法深入研究的新局面具有示范意义，有助于进一步扩大基于逻辑规则的公交优先控制策略的研究群体，可以为开发具有自主知识产权的信号机嵌入式软件系统奠定基础。
关键词：
交通工程；T形交叉口；公交优先控制；逻辑规则；软件在环仿真；VISSIM
1研究背景
城市公共交通是关系国计民生的社会公益性事业。
优先发展公共交通被认为是从根本上缓解城市道路交通拥挤问题的主要途径。
2005年9月，建设部、发展改革委、科技部、公安部、财政部和国土资源部联合发布的《关于优先发展城市公共交通的意见》中明确指出，公交专用道（路）和公交优先控制系统是保障公共交通道路优先使用权的基本手段[1]。
实践证明，当优先发展公共交通的政策环境和基础设施建设完成后，公交优先控制系统将成为影响公交车辆运行可靠性的关键之所在。
自《意见》发布以来，北京、杭州、大连、济南、厦门、常州、郑州、重庆、合肥、枣庄等城市的快速公交系统（BusRapidTransit，BRT）相继建成并投入运营，可以预见，在未来相当长的一段时间内，我国大中型城市对于公交优先控制系统的建设、应用和维护需求将是非常巨大的。
公交优先控制策略是公交优先控制系统的灵魂，主动式公交优先控制策略是对给予安装了优先请求发生器的公交车辆优先于其他道路使用者的一系列通行时间资源分配方法的总称。
常用的优先控制方式包括绿灯延长、红灯缩短和相位插入。
公交优先控制参数的调整依据大致分为优化模型和逻辑规则两类。
基于优化模型的公交优先控制策略[2]-[13]要求根据实时交通流检测数据预测道路使用者的通行时间资源需求，通常以人均延误最小或时刻表偏移量最小为目标构建控制参数的优化模型，根据优化计算结果实现控制参数的短时在线调整。
但是，为了构建适于求解的通行时间资源需求预测模型和控制参数优化模型，必须对由人、车、路和环境构成的复杂道路交通系统进行一定程度的抽象和简化。
鉴于道路交通系统特有的随机性、时变性和不确定性特点，构建模型所需的假设条件越严格，理论最优与实际最优的逼近程度越值得推敲，导致此类控制策略往往难以付诸于实证研究和工程实践。
近年来，徐洪峰等人[14]-[16]针对基于逻辑规则的公交优先控制策略进行了探索性研究，其原创性研究成果LogicRule-basedBusRapidTransitSignalPriority（BRTSP）已经得到了国际同行的一定认可。
此类控制策略认为，调整控制参数的目的是为了响应表征道路使用者通行时间资源需求变化的关键交通事件和控制参数取值的强制性约束，它们对控制参数取值的影响被描述为一系列逻辑规则。
控制过程中，要求以实时交通流检测数据为输入量，按照一定的顺序执行逻辑规则，根据逻辑判断结果实现控制参数的短时在线调整。
由于控制目标和任务被分解、细化并落实在相应的技术环节，关键交通事件的提取和控制参数约束的设定完全面向现实的道路交通环境，充分融入了交通工程师的智慧与经验，使得此类控制策略更易于付诸于实证研究和工程实践。
目前版本的BRTSP是利用VAP（VehicleActuatedProgramming）语言开发的，适用于公交专用道沿线的十字形公交优先控制交叉口，支持绿灯延长、红灯缩短和相位插入3种优先控制方式，可以同时实现公交优先控制和车辆感应控制。
为了进一步丰富和完善BRTSP的技术体系，有必要系统地剖析T形公交优先控制交叉口的通行时空资源分配方法，开发面向T形交叉口的公交优先控制策略。
另一方面，VAP并非通用的编程语言，数值计算能力不足，用户群体较为有限，导致BRTSP技术体系的可移植性不佳，建立BRTSP的VisualC++开发环境、与微观交通仿真软件联机实现BRTSP的软件在环仿真，对于拓展和深化基于逻辑规则的公交优先控制策略研究显得尤为重要。
本作品以此为背景展开相关的研究工作。
2术语和符号
本作品以公交专用道沿线的T形公交优先控制交叉口为研究对象。
下文中涉及的术语解释如下：
（1）相位与信号灯组的意义相同，均指控制时段内始终具有相同灯色显示的信号灯的逻辑组合。
（2）公交专用相位和机动车相位的信号灯色及其显示顺序为“绿灯→黄灯→红灯→绿灯”，行人相位的信号灯色及其显示顺序为“绿灯→红灯→绿灯”。
（3）绿灯间隔时间是指互为冲突的两个相位中，当前绿灯相位的绿灯结束时刻与下一绿灯相位的绿灯启亮时刻的时间间隔，计算方法参见文献17。
（4）优先车辆是指能够与公交专用检测器进行数据和信息交互的公交车辆。
下文中涉及的符号解释如下：
K
机动车相位标识，KK1,K2,…,K6
B
公交专用相位标识，BB1,B2
F
行人相位标识，FF1,F2,F3
Z,Z'
相位标识，ZK,B,F;Z'K,B,F;Z≠Z'
GZ
相位Z的当前绿灯时间，s
Gmax2K
相位K（K=K1,K2,K4,K5）的第2最大绿灯时间，s
Gmin1K
相位K（K=K1,K2,K4,K5）的第1最小绿灯时间，s
TZ-Z'
相位Z至相位Z'的相位切换过程持续时间，sec
TTmin
自由流状态下，优先车辆自Check-in检测器到停车线的最短行驶时间，s
tF
相位F的绿灯显示时间，s
XK
布尔量，XK=1表示相位K属于起始相位；XK=0表示相位K属于末尾相位
Y
交叉口类型编号（Y=1,2,3），Y=1表示第1类交叉口，以此类推
∆t
信号机执行BRTSP的单位时间间隔，s
3相位结构设计
相位结构作为联系信号控制交叉口通行空间和时间资源的桥梁，既是通行空间资源的抽象，又是通行时间资源的载体。
相位结构设计的目的可以概括为：
在既有通行空间资源的基础上，遵循一定的原则和步骤，为不同类型、不同走行方向的道路使用者赋予通行权，定义通行权的传承顺序，进而实现对通行时间资源的战略分配。
相位结构由实体要素和逻辑要素构成，实体要素包括相位设置、相位组合方案和相位显示顺序，逻辑要素包括相位显示顺序的基本规律和相位切换过程。
3.1相位设置
相位设置就是按照一定的命名规则，为信号控制交叉口的每个相位赋予惟一的编号，建立起通行空间资源与通行时间资源的对应关系。
根据公交专用道布局形式的不同，将典型的T形公交优先控制交叉口分为3类：
（1）横向道路双向直行；
（2）横向道路左转、竖向道路右转；（3）横向道路右转、竖向道路左转。
针对3类典型交叉口，建立具有2个BRT相位（B1、B2）、6个机动车相位（K1~K6）和3个行人相位（F1~F3）的相位结构。
相位设置方法，如图1所示（注：
暗红色区域表示公交专用道）。
信号灯具选用方面，相位B1和B2采用公交专用信号灯；相位K1和K5采用圆形信号灯；相位K2、K3、K4和K6采用箭头信号灯；相位F1、F2和F3采用行人信号灯、“同步二次过街”控制[4]。
（a）第1类交叉口
（b）第2类交叉口
（c）第3类交叉口
图1相位设置方法
在此，提出主相位和跟随相位的概念。
主相位是指在通行时间资源分配过程中占据主导地位的相位，它们的通行时间资源需求将作为通行时间资源分配的主要依据，通常将直行机动车相位和左转机动车相位视为主相位。
跟随相位是指在通行时间资源分配过程中处于从属地位的相位，它们可以跟随一个或多个主相位获得通行权，它们的通行时间资源需求将被转化为其所跟随的主相位的通行时间资源供给约束，通常将公交专用相位、右转机动车相位、行人相位和非机动车相位视为跟随相位。
相位跟随关系隐含于相位显示顺序之中。
就3类典型交叉口而言，相位K1、K2、K4和K5为主相位，其余相位均为跟随相位。
3.2相位组合方案
相位组合方案用以描述一系列允许同步获得通行权的相位（或称并发相位）的组合关系，体现了一种相对稳定的通行时间资源供给状态。
任意一个相位应至少存在于一个相位组合方案之中。
相位组合方案设计具有一定的灵活性和多样性。
一方面，为了避免通行时间资源的浪费，一个相位组合方案中应包含尽可能多的并发相位；另一方面，为了合理调节通行时间资源供给，亦无须将全部的并发相位纳入同一个相位组合方案。
3类典型交叉口可以产生的常规相位组合方案，如图2所示。
（a）第1类交叉口
（d）第2类交叉口
（c）第3类交叉口
图2常规相位组合方案
3.3相位显示顺序
相位显示顺序用以描述不同相位组合方案的更迭关系，反映了冲突相位之间的通行权传承顺序，是相位结构设计方案的集中表现形式。
相位显示顺序中，采用带有箭头的直线或曲线将当前绿灯相位组合方案与下一绿灯相位组合方案相互连接，箭头指向下一绿灯相位组合方案。
沿箭头方向起始并结束于同一相位组合方案所经历的时间即为一个信号周期，在这期间，应确保每个相位至少获得一次通行权。
对于出现在构成相位显示顺序的多个相位组合方案中的相位，应尽量为其提供一次连续的通行权，这意味着，该相位将同时存在于当前和下一绿灯相位组合方案之中，由此形成了一种相位搭接状态。
利用相位搭接，可以有效应对并发相位之间通行时间资源需求的不均衡性。
在此，进一步完善起始相位和末尾相位的概念：
某一给定的相位显示顺序下，若交叉口的相对进口方向存在互为冲突的主相位，可以为每个主相位赋予一种属性，首先获得通行权的主相位称为起始相位，随起始相位之后获得通行权的主相位称为末尾相位。
起始相位与末尾相位，互为冲突，一一对应。
鉴于主相位的属性仅随相位显示顺序的变化而变化，可以利用部分主相位的属性信息简约地描述相位显示顺序。
相位插入是一种特殊的优先控制方式。
响应相位插入请求的过程中，将暂时性地改变交叉口的常规相位显示顺序，从而对交叉口的通行时间资源分配机制造成显性的影响甚至破坏，因此，并非所有类型的交叉口均适宜提供相位插入。
在分析相位插入的可实施性时，应注意以下事项：
（1）为了彻底消除非公交专用相位的绿灯或红灯时间边界值对相位插入请求服务时间的强制性约束，响应相位插入请求时，仅允许在常规相位显示顺序中插入由并发的公交专用相位构成的特殊相位组合方案。
（2）响应相位插入请求的信号周期内，公交专用相位将获得两次通行权，但是，两次通行权之间应具有足够的时间间隔。
（3）响应相位插入请求时，不应强行拆分当前绿灯相位的通行权，应在当前绿灯相位的绿灯时间结束后至下一绿灯相位的绿灯启亮前，插入特殊相位组合方案。
3类典型交叉口可能产生的常规相位显示顺序，如图3所示（黑色粗箭头表示响应相位插入请求时，相位B1和B2的插入位置）。
显然，第1、2类交叉口适宜提供相位插入，可以在横向与竖向道路的相位之间进行通行权更迭的过程中，短暂地插入相位B1和B2；第3类交叉口不适宜提供相位插入。
（a）第1类交叉口&相位K2属于起始相位
（b）第1类交叉口&相位K2属于末尾相位
（c）第2类交叉口&相位K2属于起始相位
（d）第2类交叉口&相位K2属于末尾相位
（e）第3类交叉口&相位K2属于起始相位
（f）第3类交叉口&相位K2属于末尾相位
图3常规相位显示顺序
上述常规相位显示顺序中隐含的相位跟随关系，如表1所示。
表1相位跟随关系
主相位
跟随相位
第1类交叉口
第2类交叉口
第3类交叉口
K1
无
无
无
K2
K3、F3
B1、B2、K3、F3
K3、F3
K4
K6、F1
K6、F1
B1、B2、K6、F1
K5
B1、B2、F2
F2
F2
3.4相位显示顺序的基本规律
相位显示顺序的基本规律是对交叉口可能出现的相位显示顺序中隐含的、关于通行权供给的一般性规律的归纳和总结，它们将作为公交优先控制策略设计的主要依据。
根据上述相位显示顺序，归纳得到以下6项基本规律：
（1）相位K1和K5始终具有相同的属性，因此，可以根据相位K2的属性辨识相位显示顺序。
（2）若相位K1和K5同属于起始相位，它们可以独立决定延长或切断绿灯时间，但是，相位K1的最早绿灯结束时刻与相位K5的绿灯结束时刻相同；若相位K1和K5同属于末尾相位，应同时切断它们的绿灯时间。
（3）若相位K2属于起始相位，一旦切断相位F1的绿灯时间，相位K3和B1（仅对第2类交叉口）将成为下一绿灯相位；一旦切断相位F2的绿灯时间，相位K6和B1（仅对第3类交叉口）将成为下一绿灯相位；一旦切断相位F3的绿灯时间，相位K1将成为下一绿灯相位。
（4）跟随相位中，公交专用相位和右转机动车相位与其跟随的主相位同时切断绿灯时间；行人相位的绿灯时间主要取决于相位显示顺序、跟随主相位的最小绿灯时间以及相关的绿灯间隔时间。
（5）相位插入结束后，通行权将由相位B1和B2更迭至常规相位显示顺序中定义的、与之互为冲突的下一绿灯相位。
（6）相位插入前后的相位组合方案中，与公交专用相位并发的相位的通行权继承不受相位插入的影响。
3.5相位切换过程
相位切换过程是指通行权由当前绿灯相位更迭至下一绿灯相位的过渡过程，它起始于当前绿灯相位的绿灯结束时刻，终止于下一绿灯相位的红灯结束时刻。
相位切换过程的最大持续时间取决于当前绿灯相位与下一绿灯相位的最大绿灯间隔时间。
3类典型交叉口可能产生的常规相位切换过程以及相位插入前后的特殊相位切换过程，如表2~5所示。
表2常规相位切换过程：
相位K2属于起始相位
第1类交叉口
第2类交叉口
第3类交叉口
当前绿灯相位
下一绿灯相位
当前绿灯相位
下一绿灯相位
当前绿灯相位
下一绿灯相位
K2,K3
K5,F2,B1,B2
K2,K3,B1,B2
K5,F2
K2,K3
K5,F2
K1,K5,B1,B2
K4,F1
K1,K5
K4,F1
K1,K5
K4,F1,B2
K4,K6
K2,F3
K4,K6
K2,F3,B2
K4,K6,B1,B2
K2,F3
F1
K3
F1
K3,B1
F1
K3
F2
K6
F2
K6
F2
K6,B1
F3
K1
F3
K1
F3
K1
表3常规相位切换过程：
相位K2属于末尾相位
第1类交叉口
第2类交叉口
第3类交叉口
当前绿灯相位
下一绿灯相位
当前绿灯相位
下一绿灯相位
当前绿灯相位
下一绿灯相位
K1
F3
K1
F3
K1
F3
K5,B1,B2
K2,K3a）
K5
K2,K3,B1c）,B2
K5
K2,K3a）
K2,K3
K4,K6b）,F1
K2,K3,B1,B2
K4,K6b）,F1
K2,K3
K4,K6,B1d）,B2,F1
K4,K6
K1,K5,B1,B2,F2
K4,K6
K1,K5,F2
K4,K6,B1,B2
K1,K5,F2
F2
K3a）
F2
K3,B1c）
F2
K3a）
F3
K6b）
F3
K6b）
F3
K6,B1d）
a）若相位K5与K3互为冲突，由相位K5启动至相位K3的相位切换过程，反之，由相位F2启动该相位切换过程；
b）若相位K2与K6互为冲突，由相位K2启动至相位K6的相位切换过程，反之，由相位F3启动该相位切换过程；
c）若相位K5与K3、B1互为冲突，由相位K5启动至相位K3、B1的相位切换过程，反之，由相位F2启动相应的相位切换过程；
d）若相位K2与K6、B1互为冲突，由相位K2启动至相位K6、B1的相位切换过程，反之，由相位F3启动相应的相位切换过程。
表4特殊相位切换过程：
相位K2属于起始相位
第1类交叉口
第2类交叉口
当前绿灯相位
下一绿灯相位
当前绿灯相位
下一绿灯相位
相位插入前
K4,K6
B1,B2
K1,K5
B1,B2
相位插入后
B1,B2
K2,F3
B1,B2
K4,F1
表5特殊相位切换过程：
相位K2属于末尾相位
第1类交叉口
第2类交叉口
当前绿灯相位
下一绿灯相位
当前绿灯相位
下一绿灯相位
相位插入前
K2,K3
B1,B2
K4,K6
B2a）
相位插入后
B1,B2
K4,F1
B1,B2
K5,F2
a）相位B1的绿灯启亮时刻仅取决于相位F1的当前红灯时间以及相位F1与B1的绿灯间隔时间。
4控制策略设计及VAP实现
面向T形交叉口的BRTSP总体技术架构，如图4所示。
它以优先请求产生规则（RulesforPriorityRequestGeneration，RPRG）、相位切换规则（RulesforPhaseTransition，RPT）、绿灯时间调整规则（RulesforGreenDurationAdjustment，RGDA）、绿灯时间同断规则（RulesforSimultaneousGreenTermination,RSGT）和红灯缩短请求响应规则（RulesforEarlyGreenResponse，REGR）为功能内核，每个主相位和行人相位均有其专用的控制模块，主相位的第1最小绿灯时间计算方法和行人相位的绿灯显示时间计算方法作为独立的子模块，内嵌在各自的控制模块之中，具体的计算方法可参见文献18、19。
信号机执行BRTSP的单位时间间隔∆t取为1s。
注：
RSGT仅适用于相位K1和K5。
图4面向T形交叉口的BRTSP总体技术架构
需在初始化模块中进行赋值的参数主要包括：
（1）公交专用道的布局形式；
（2）相位K2的属性信息；
（3）主相位的第1最大绿灯时间；
（4）主相位的第2最大绿灯时间计算参数，仅适用于有公交专用相位跟随的主相位，第2最大绿灯时间≥第1最大绿灯时间；
（5）主相位的第1最小绿灯时间计算参数；
（6）主相位的第2最小绿灯时间计算参数，仅适用于与公交专用相位冲突的主相位，第2最小绿灯时间≥第1最小绿灯时间；
（7）主相位环形线圈检测器的最大允许占有时间；
（8）机动车相位环形线圈检测器的最大允许车头时距；
（9）自由流状态下，优先车辆自Check-in检测器到停车线的最短行驶时间；
（10）公交专用相位的相位插入请求服务时间；
（11）当前绿灯相位与下一绿灯相位的最大绿灯间隔时间；
（12）有行人相位跟随的主相位与该行人相位的绿灯时间结束时间差。
下文中，将以第1类交叉口为例，简要地介绍BRTSP的技术细节。
4.1检测器布设方法
根据布设位置和功能定位的不同，将检测器划分为4种类型，如表6所示。
第1类交叉口的检测器布设位置，如图5所示。
公交专用检测器布设范围的分析方法，可参见文献14、15。
表6检测器布设方法
检测器类型
布设位置
采集数据
功能定位
环形线圈检测器
机动车进口道的停车线上游40米处
车头时距
占有时间
构造机动车相位要求延长绿灯时间、响应红灯缩短请求与否的判定条件
公交专用检测器
（Check-in）
公交专用道停车线上游150米处
到达时刻
构造产生绿灯延长或红灯缩短请求与否的判断条件
公交专用检测器
（Check-out）
公交专用道停车线下游1米处
到达时刻
构造删除绿灯延长或红灯缩短请求与否的判断条件
公交专用检测器
（Phaseinsertion）
公交专用道停车线上游40米处
到达时刻或
时刻表偏移
构造产生相位插入请求与否的判断条件
图5检测器的布设位置示意图
4.2优先请求产生规则（RPRG）
RPRG用以产生和删除绿灯延长、红灯缩短和相位插入3种优先请求，管理相位插入请求的响应过程。
RPRG产生的优先请求类型主要取决于Check-in检测器和Phaseinsertion检测器确认优先车辆到达时刻所处的时间窗，如表7所示。
表7优先请求时间窗
编号
相位显示顺序
优先请求
触发相位a）
时间窗范围
1.1
XK2=1
绿灯延长
红灯缩短
B1
（TK2-B1>0）or（01.2
B2
（TK2-B2>0）or（02
XK2=0
B1或B2
（TK4-K5>0）or（03.1
XK2=1
相位插入
B1或B2
（TK1&K5-K4>0）or（GK4>0）
3.2
（TK4-K2>0）&（TK4-F3>0）
4.1
XK2=0
B1或B2
（GK5>Gmax2K5−TTmin）or（TK5-K2>0）or（GK2>0）
4.2
（TK2-K4>0）&（TK2-F1>0）
a）触发相位即优先车辆所属的公交专用相位。
Check-in检测器确认优先车辆到达时，若时间窗1.1、1.2或2处于开启状态，RPRG将生成绿灯延长请求，反之，将生成红灯缩短请求。
Check-out检测器确认优先车辆离去时，若Check-in检测器与Check-out检测器之间无优先车辆，RPRG将同时删除绿灯延长和红灯缩短请求。
Phaseinsertion检测器确认优先车辆到达时，若时间窗3.1或4.1处于开启状态，RPRG将生成相位插入请求；若时间窗3.2或4.2处于开启状态，RPRG将生成并立即响应相位插入请求，具体操作为：
关闭已经启动的相位切换过程；将上一绿灯相位至相位B1、B2的相位切换过程持续时间赋值为刚刚关闭的相位切换过程的持续时间。
相位插入请求的响应过程中，当且仅当相位B1和B2的绿灯时间均达到预先设定的相位插入请求服务时间时，结束相位插入请求的响应过程，此时，RPRG将删除相位插入请求，切断相位B1和B2的绿灯时间，启动相位B1和B2至常规相位显示顺序中定义的下一绿灯相位的相位切换过程。
注：
启动某一相位切换过程是指将该相位切换过程的持续时间赋值为∆t。
4.3相位切换规则（RPT）
RPT用以管理相位切换过程的持续时间、决定是否切断下一绿灯相位的红灯时间。
为了适应相位结构的多样性，RPT应能够处理所有可能产生的相位切换过程。
对于已经启动的相位切换过程（即持续时间大于0），BRTSP每执行一次RPT，该相位切换过程的持续时间将增加∆t，直至其大于相应的绿灯间隔时间与∆t之和，此时，RPT将切断下一绿灯相位
升级会员 