USST_Arts_112430717城市公共交通信号优先基础理论研究

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3.0 赵德峰 2024-11-11 4 4 5.31MB 62 页 15积分

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摘要

目前，由于交通需求的快速增长与交通供给不足的矛盾日益突出，城市交通

拥堵问题已成为制约我国城市发展的主要因素。大力发展运载量大、通行效率高的

公共交通已成解决城市交通难题的必由之路。公交优先控制正是解决这一问题的

关键技术手段，因此本文研究的主要内容是公交信号优先控制的相关理论及实现

方法，做了以下几个方面的研究：

1、首先对公交优先控制的基本理论进行阐述与归纳，对公交信号优先特征及

参数进行分析，并且总结常用的主动式公交优先的控制方法，作为本文研究的理

论基础。

2、针对单个交叉口在分析了公交优先的基本条件以及延误的前提下，设计自

适应信号控制方法，主要包括绿灯延长、红灯早断、相位插入，并分析了各种相关

参数的确定方法，给出基本控制流程。最后提出基于权重的公交信号优先控制模

型，并利用并行遗传算法进行求解。VISSIM 仿真结果表明基于并行遗传算法的自

适应信号控制对公交车辆的延误现象有着非常显著的改善，同时对社会车辆造成

的影响也比较小，控制效果较好。

3、以多交叉口群组成的城市干线协调控制系统为研究对象，在分析了协调相

位差以及绿信比的基础之上，提出基于双层优化的干线公交信号优先协调控制方

法，并利用 VISSIM 仿真软件进行实例仿真验证，得到了较好的控制效果：实施

干线公交优先后，在较低交通流量下，公交车均延误降低了 27.9%，人均延误降

低了 24.4%。

关键词：公交优先；自适应控制；干线协调控制；并行遗传算法；

交通仿真

Abstract

At present, as the rapid growth of the contradictions between traffic demand and

traffic supply becomes increasingly severe, urban traffic congestion problem has

become the main factor that limits our urban development. Because of it’s large

capacity and high traffic efficiency, public transportation has become the necessary way

of solving urban traffic problems. Transit priority control technology is the key method

to solve this problem, Therefore the objective of this study is the development of new

method of transit priority and related theory and implementation method. Concrete

work including several following aspect:

1. The basic theory of transit priority was elaborated and the characteristics of

transit signal priority and parameters were analyzed, finally summed up the commonly

active transit signal priority control method, as a theoretical basis for this study.

2. For an single intersection, under the premise of analyzing the basic conditions of

transit priority and delay, the adaptive signal control method was designed, including

Green Extension, Red Truncation, Special Phase and computational method of related

parameters, and partial indented were proposed at approach saturated signal

intersection. Basic control process were presented, finally, this study puts forward

transit signal priority control model based on weight, And improved genetic algorithm is

used - parallel genetic algorithm to solve this model. VISSIM simulation results show

that the adaptive signal control based on parallel genetic algorithm for bus delay has a

very significant improvements, meanwhile the effects on the social vehicle is negligible,

the control effect is satisfactory.

3. Taking the urban arterial coordination control system composed of several

intersections group as the research object, under the premise of analyzing the phase

difference and split, the study proposed arterial coordination control transit signal

priority based on double optimization, used the VISSIM simulation software to text this

way, the results show that under the low traffic flow after implementation of transit

signal priority based on arterial coordination control the average delay of transit was

reduced by 27.9%, at the same time the average delay of passenger was reduced by

24.4% as well.

Key word: Transit Priority; Adaptive Control; Arterial

coordination control; Parallel Genetic Algorithm; Traffic Simulation

目录
摘要
Abstract
第一章 绪论........................................................................................................1
1 研究背景和意义.........................................................................................1
2 国内外研究现状综述.................................................................................2
2.1 国内研究现状..................................................................................3
2.2 国外研究现状..................................................................................3
3 研究内容与技术路线图.............................................................................5
第二章 公交信号优先特征及参数分析............................................................8
1 公交车辆行驶特性分析.............................................................................8
1.1 公交行程时间影响因素分析..........................................................8
1.2 公交车辆与社会车辆运行差异分析..............................................9
2 公交优先控制的目标...............................................................................10
2.1 以减少公交车延误为控制目标....................................................10
2.2 以减少人均延误为控制目标........................................................11
3 公交优先控制的基本方式.......................................................................11
3.1 被动优先控制................................................................................11
3.2 主动优先控制................................................................................11
4 公交优先控制参数优化...........................................................................15
4.1 信号周期优化................................................................................15
4.2 最小绿灯时间优化........................................................................16
4.3 单位绿灯延长时间优化................................................................17
4.4 最大绿灯时间优化........................................................................18
5 本章小结...................................................................................................18
第三章 单点交叉口公交优先信号控制研究..................................................19
1 控制基本流程...........................................................................................19
2 公交优先条件分析...................................................................................20
3 公交优先信号控制的效益与延误分析...................................................22
3.1 公交优先信号控制的效益分析....................................................22
3.2 公交优先信号控制交叉口延误分析............................................24
4 基于权重的公交信号优先控制模型.......................................................27
4.1 实时公交权重的分配....................................................................27
4.2 绿灯时间的约束............................................................................29
4.3 周期时长与绿信比的约束............................................................29
4.4 目标函数的建立............................................................................30
5 基于并行遗传算法模型的求解...............................................................31
5.1 并行遗传算法原理........................................................................31
5.2 并行遗传算法求解操作................................................................32

5.3 模型的验证....................................................................................33
5.4 仿真结果分析................................................................................34
6 本章小结...................................................................................................38
第四章 干线多交叉口公交优先协调控制研究..............................................39
1 干线信号协调控制理论研究...................................................................39
1.1 干线协调控制分类........................................................................39
1.2 干线协调控制适用条件................................................................40
1.3 协调相位差分析............................................................................41
2 基于双层优化的干线公交信号优先协调控制方法研究.......................44
2.1 车辆信息的检测............................................................................44
2.2 干线协调配时参数优化................................................................45
2.3 公交信号优先控制算法................................................................46
3 仿真验证...................................................................................................52
3.1 仿真环境........................................................................................52
3.2 仿真数据与模拟方案....................................................................53
3.3 仿真结果分析................................................................................54
4 本章小结...................................................................................................56
第五章 结论与展望..........................................................................................57
1 研究结论...................................................................................................57
2 研究展望...................................................................................................57
参考文献...........................................................................................................58

第一章绪论

一.1 研究背景和意义

随着我国改革开放的深入发展，城市化进程不断加快，导致城市规模不断扩

大、城市人口总量与机动车保有量快速增加，给城市的交通运行带来了巨大的压

力。城市交通的恶劣变化己经对公众生活产生了极其负面的影响，随着城市交通

需求与供给之间的矛盾日益加大，城市“乘车行车难”的局面也愈演愈烈。此外

城市交通拥堵还引发了诸如空气污染、噪声污染、资源浪费等一系列社会问题，这

些问题严重影响着城市居民的日常生活以及建设社会主义和谐社会的基本要求，

已经成为城市发展过程中亟待解决的“城市病”。

由于交通问题己经成为阻碍现代城市发展首要因素，我国中央财政和地方财

政均投入了大量的预算用于城市道路等公共基础设施的建设。然而，我国城市一

个普遍现状是人多地少，一方面仅仅是靠增加道路建设缓解交通拥堵，结果会使

本来就紧张的城市土地利用顾此失彼，另一方面，过多的交通供给会反过来促进

交通需求的急速增长，因此持续加大道路等基础设施建设并非解决城市交通问题

的有效途径。

从全球范围来看，凡是交通状况良好的大都市无一不具备一个成熟的公共交

通体系。公共交通作为城市重要的基础设施建设，是社会公平性的重要体现，其

平均运营成本较低的特点决定它可以满足城市普通居民特别是中低收入者的出行

需求，这一点很好地适应了我国现阶段城市发展的基本特点。众多理论研究以及

实践结果表明，在交通需求相同的前提下，公共交通运输效率远远高于是私人交

通，公共交通的这一特点可以使总的道路交通量得以降低，缓解城市道路交通压

力。通过建设合理高效的公共交通系统不仅可以引导出行者的出行方式、控制交通

需求、减少城市道路拥堵，也可以通过道路通行能力的增加来减少道路建设量、节

约土地资源等。所以，城市交通的首选方式是优先发展高效率的公共交通，这也

是解决城市交通问题的必由之路。

虽然我国城市普遍意识到发展公共交通的必要性与重要性，但当下公共交通

系统被各种亟待解决的问题困扰着，严重阻碍了公共交通的发展，如不能按照时

刻表运营，高峰期严重超载，路段重复系数过高，线路过长及站点过多等。提高

公共交通服务水平是积极响应政府发展公共交通政策的集中体现，众多研究表明

公交运营的准点性是乘客首要考虑的因素，道路交叉口是城市交通瓶颈，公交延

误多发生在交叉口区域，交叉口通行能力直接制约着公共交通的运行效率。如何

根据实际交通流制定合理的交叉口信号配时方案，尽可能的给予公交车辆优先通

行的权利，实现公交车辆不停靠通过交叉口，或者尽可能减少停车等待时间，这

是提高公交服务水平与吸引乘客的重要手段。

实现公交优先的方法通常有两种，其一，，并

且分析公交信号优先对现有交通状态的影响，避免因公交信号优先而造成其他相

位车流延误过大，交叉口通行效率降低；其二，重新优化信号配时方法，在实施

过程中就要综合考虑所有车流的交通状态，设计出满足交叉口通行效率最大的公

交优先信号配时方法[1]。国外对公交信号优先（Transit Signal Priority）已经进行了

很多研究，取得了丰富的理论成果，实现了公交信号优先单点控制和公交信号优

上海理工大学硕士学位论文

先，但多条线路或者整个路网内的现在还未实现。在国内，

TSP 的研究起步较晚，当前研究主要集中在公交专用道设置以及预信号优先控制

方面，研究范围还没有涉及到交叉口信号配时领域。多数研究对于路网中多条线

路公交信号优先的研究较少，仅提供简单的交叉口公交优先信号配时设计方案。

然而，城市的实际公交线路绝不是某个孤立的单点交叉口或者某几个交叉口连起

来的一条线，几乎都是线状或者网状的拓扑结构。因此，如何在原有单点交叉口

公交优先技术的基础上，提出合理的多交叉口公交优先协调控制实现公交优先，

提高公交服务水平，完善交通控制理论体系，具有重要的理论意义和实际工程价

值[2]。

一.2 国内外研究现状综述

“公交优先”这一概念已经被国外学者提出研究 60 多年了，主要技术手段包

括空间优先和时间优先两种，空间优先方法主要是通过修建公交专用道（路），

给予公交车辆独立的路权，最大限度地减少社会车辆对其影响；时间优先方法是

在交叉口给予公交车辆信号优先通行权，使其不停靠通过交叉口或者尽可能地减

少停车等待时间。我国对 TSP 技术的研究起步较晚，到目前为止，对于 TSP 的研

究基本处于理论阶段。现实通常采用修建公交专用道来实施公交优先策略，但也

面临一些实际管理问题，某些城市公交专用道也仅仅是流于形式。总体来说 TSP

的应用在我国城市中基本处于起步阶段，因此，提出如何实施合理的公共交通优

先通行对城市公交系统的运行显得至关重要。目前，国内外学者已经对TSP 技术

做了很多研究，总结起来主要方法有：（1）主动式公交信号优先控制（Active

Transit Signal Priority），该控制方式下公交优先是通过实时调整信号参数来实现

的，具体的方法通常有三种：采用公交相位绿灯延长、非公交相位红灯早段或插

入公交相位；（2）被动式公交信号优先（Passive Transit Signal Priority），是一

种定时控制策略，通过调整定时信号参数到达公交优先，

、增加公交车相位策略等。此种控制方法比较适用于公

交车比重较大、交通饱和度小的道路[3]。

一.2.1 国内研究现状

目前国内对 TSP 的研究基本处于理论阶段，重点研究了单点交叉口公交优先

信号配时优化方法、信号配时方案的实时调整方法。张卫华研究了被动公交信号优

先，设定的优化目标是实施公交优先后交叉口人总延误最小，约束条件是实施公

交优先后要保证非公交相位车辆延误不能过大，在此基础上提出信号配时优化方

法[4]。万绪军、陆化普把实时交通流到达规律作为依据，以车均延误最小为优化目

标，并且考虑停车次数，为保证连续车流可以不间断通过将要到的达交叉口[5]。陈

光勤预测 BRT 车辆到达交叉口停车线时刻，通过分析车辆在路段的运行时间，预

测公交车到达后续站点时间，判断实施插入相位或跳跃相位等信号优先决策[6]。季

彦婕等人通过设计交通信号之间的相互叠加来实现在相位人流量相差较大情形下

公交优先[7]。季彦婕等还提出了设置公交专用进口道思想，通过设置公交预信号控

制来实现交叉口公交优先，对比实施前后交叉口的交通效益，评价了交叉口预信

号的控制效果[8]。陈群等不仅考虑车辆总延误最小还考虑了饱和度均方差最小，建

立基于双层规划的信号交叉口配时优化方法[9]。关伟等针对不同交通流量以及公家

第一章绪论

车发车间隔下的公交优先控制策略进行了研究，确定了有效公交信号优先控制下

的交通流量和发车间隔 [10]。孙文涛以公交到达延误情况、交叉口社会车辆影响作为

优化指标，建立被动公交信号配时优化模型 [11]。此外，李瑞普、陆化普在公交信号

优先控制中利用模糊控制原理，在原有单点多层模糊模型上，将公交优先扩展到

各模糊控制逻辑中，建立了公交优先的交通信号多层模糊控制结构与控制方法

[12]。

在城市干线协调控制研究方面，王正武，

，并且建立了协调控制模型研究二者之间的协调关系。最后

设计线控系统的两层控制结构及控制流程，建立线控系统双层规划的双层规划模

型[13]。马万经等提出了基于交叉口群的公交协调优化控制方法，以协调控制交叉

口为控制对象不但考虑社会车流的协调，而且实现群内各交叉口公交优先控制策

略的协调[14]。王彬，刘新等人提出了一种在干线协调控制背景下主动式公交信号

优先方法，明确干线协调与公交优先的优先级别，建立了双层优化模型，上层为

干线协调，下层为公交优先[15]。

一.2.2 国外研究现状

国外学者对公交优先控制的研究较早，已经在一些成熟的交通控制体系中实

现了包括主动公交信号优先和被动公交信号优先的信号控制。

1、主动优先方面：Chin-Woo Tan，Meng Li ，Sungsu Park 等人认为实施公交

信号优先策略至关重要的问题是在公交车辆和信号控制中心之间建立联系用以传

递两者之间的优先请求以及到达时间等问题，但是现实的信道宽度无法保证满足

公交车辆优先所需的潜在大量的数据的要求。他们利用简单的配时仿真模型定义

和分析了这种供需矛盾，研究的重点是调查车流量以及标定关键参数，用此简单

的仿真配时模型来反应现实中复杂的公交优先控制策略[16]。Chin-Woo Tan，Meng

Li Sungsu Park 等人还研究了基于公交优先控制下公交车辆到达时间的预测，在满

足公交优先信号控制下的精度要求的前提下，开发了预测公交车辆到达信号交叉

口时间的算法。该算法既利用历史交叉口数据还利用基于 GPS 的实时车载信息，

到达时间预测模型就可以转化为待验证的最优参数估计问题。利用这两种数据获

得的误差，预测算法自适应地调整其权重分配[17]。Kyongho Ahn，Rakha H 利用

集成化的微观交通仿真软件研究了基于绿灯延长方法的公交优先策略实施下的美

国一号公路整个系统范围内的获益情况，研究发现公交优先策略从统计学上并没

有体现出很大的改变（改变量不超过 1%），如公交车辆、小汽车旅行时间以及整

个系统的旅行时间，也就是说公交优先策略对公交车辆受益的同时不能保证整个

系统也获益[18]。Hounsell N.B，Shrestha B.P,等人在伦敦交通局为伦敦公交车辆推出

了一款搭载乘客信息以及公交优先信息现代车辆定位系统（也叫做iBUS）之后，

认为基于该系统的公交车辆定位技术的精确性不如一些固定定位设施（比如感应

线圈），会导致公交优先策略的效益受损，探索了iBUS 由于定位精度的问题对

公交优先的实施造成的负面影响[19]。

此外，随着智能交通技术和计算机编程技术的不断发展，智能控制系统工程

技术也运用到交通领域来，美国学者在原有的公交信号优先算法中引入了信号优

先控制模型[20]。Francois Dion 等人根据公交优先运行指标模型，判断是否结束当

前相位及接下来执行相位，建立了基于规则的单点公交优先控制方法[21]。

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摘要：

摘要目前，由于交通需求的快速增长与交通供给不足的矛盾日益突出，城市交通拥堵问题已成为制约我国城市发展的主要因素。大力发展运载量大、通行效率高的公共交通已成解决城市交通难题的必由之路。公交优先控制正是解决这一问题的关键技术手段，因此本文研究的主要内容是公交信号优先控制的相关理论及实现方法，做了以下几个方面的研究：1、首先对公交优先控制的基本理论进行阐述与归纳，对公交信号优先特征及参数进行分析，并且总结常用的主动式公交优先的控制方法，作为本文研究的理论基础。2、针对单个交叉口在分析了公交优先的基本条件以及延误的前提下，设计自适应信号控制方法，主要包括绿灯延长、红灯早断、相位插入，并分析了各种相关参...

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