協(xié)調(diào)控制下公交優(yōu)先控制方法：模型構(gòu)建與應(yīng)用探究一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進程的快速推進，城市人口和機動車保有量急劇增長，交通擁堵已成為全球各大城市面臨的共同難題。在高峰時段，城市道路常常車滿為患，車輛行駛緩慢，甚至出現(xiàn)停滯不前的情況。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在一些一線城市，居民平均每天花費在通勤上的時間超過1.5小時，其中很大一部分時間浪費在擁堵路段。交通擁堵不僅導(dǎo)致人們出行時間大幅增加，降低了出行效率，還造成了能源的巨大浪費和環(huán)境污染的加劇。據(jù)估算，交通擁堵使得車輛燃油消耗增加約20%-30%，同時尾氣排放中有害物質(zhì)如一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化物等的排放量也顯著上升，對空氣質(zhì)量和居民健康產(chǎn)生了嚴重威脅。公共交通作為一種大運量、高效率的出行方式，在緩解城市交通擁堵方面具有不可替代的作用。大力發(fā)展公共交通，實現(xiàn)公交優(yōu)先，是提高城市交通運行效率、改善居民出行環(huán)境的關(guān)鍵舉措。公交優(yōu)先控制旨在通過一系列技術(shù)手段和管理措施，賦予公交車在道路通行、信號控制等方面的優(yōu)先權(quán)利，確保公交車能夠快速、準點地運行。這不僅可以提高公交車的吸引力，促使更多居民選擇公交出行，減少私人機動車的使用，從而降低道路交通流量，緩解交通擁堵狀況；還能優(yōu)化城市交通結(jié)構(gòu)，提高道路資源的利用率，實現(xiàn)城市交通的可持續(xù)發(fā)展。例如，在一些實施公交優(yōu)先的城市，公交出行分擔(dān)率明顯提高，道路交通擁堵得到了有效緩解，空氣質(zhì)量也有所改善。因此，研究協(xié)調(diào)控制下的公交優(yōu)先控制方法，對于解決城市交通擁堵問題、提高交通效率、促進城市可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和理論價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀公交優(yōu)先控制方法的研究在國內(nèi)外都受到了廣泛關(guān)注，經(jīng)過多年的發(fā)展，取得了一系列成果，但仍存在一些有待解決的問題。在國外，公交優(yōu)先控制技術(shù)起步較早，發(fā)展相對成熟。早期的研究主要集中在單點公交優(yōu)先控制策略上，例如通過設(shè)置公交專用進口道、公交專用相位等方式，給予公交車在單個交叉口的優(yōu)先通行權(quán)。隨著交通工程和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，研究逐漸向公交協(xié)調(diào)優(yōu)先控制方向拓展。一些發(fā)達國家利用先進的智能交通系統(tǒng)（ITS）技術(shù)，實現(xiàn)了對公交車輛的實時監(jiān)測和信號協(xié)調(diào)控制。如美國的一些城市，通過在公交車上安裝全球定位系統(tǒng)（GPS）和通信設(shè)備，將公交車的位置、運行狀態(tài)等信息實時傳輸?shù)浇煌刂浦行?，控制中心根?jù)這些信息對沿線交叉口的信號燈進行協(xié)調(diào)控制，以確保公交車能夠順暢通過多個交叉口，減少停車次數(shù)和延誤時間。歐洲的一些城市也在公交優(yōu)先控制方面進行了大量實踐，如英國倫敦的公交信號優(yōu)先系統(tǒng)，通過優(yōu)化信號燈配時，使公交車在關(guān)鍵路段的運行速度得到顯著提高，公交準點率和服務(wù)質(zhì)量明顯改善。國內(nèi)對公交優(yōu)先控制的研究雖然起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速。在單點公交優(yōu)先控制方面，國內(nèi)學(xué)者進行了深入研究，提出了多種控制方法和策略。例如，基于公交車到達時間預(yù)測的信號優(yōu)先控制方法，通過對公交車的運行軌跡和到站時間進行實時監(jiān)測和預(yù)測，當(dāng)公交車即將到達交叉口時，合理調(diào)整信號燈相位，給予公交車優(yōu)先通行權(quán)；還有基于交通流量檢測的公交優(yōu)先控制策略，根據(jù)交叉口各方向的交通流量情況，動態(tài)分配信號燈時間，優(yōu)先保障公交車的通行。在公交協(xié)調(diào)優(yōu)先控制方面，國內(nèi)學(xué)者結(jié)合我國城市交通的特點，開展了一系列研究工作。一些研究利用干線協(xié)調(diào)控制理論，對公交專用道上的多個交叉口信號燈進行協(xié)調(diào)優(yōu)化，以實現(xiàn)公交車在干線上的連續(xù)通行；還有學(xué)者將智能算法應(yīng)用于公交信號協(xié)調(diào)控制中，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，通過優(yōu)化信號燈配時參數(shù)，提高公交車輛的運行效率和協(xié)調(diào)控制效果。然而，目前的單點公交優(yōu)先和公交協(xié)調(diào)優(yōu)先研究仍存在一些問題。單點公交優(yōu)先雖然能夠在單個交叉口為公交車提供優(yōu)先通行權(quán)，但由于沒有考慮交叉口之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，容易導(dǎo)致公交車在不同交叉口之間的運行不均衡，甚至出現(xiàn)“前擁后堵”的現(xiàn)象，影響整個公交網(wǎng)絡(luò)的運行效率。而且，單點公交優(yōu)先的實施可能會對非公交相位的車流產(chǎn)生較大影響，如果優(yōu)先控制策略不當(dāng)，容易造成其他車輛的延誤增加，引發(fā)交通擁堵。公交協(xié)調(diào)優(yōu)先控制雖然在一定程度上考慮了交叉口之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，但在實際應(yīng)用中，仍然面臨一些挑戰(zhàn)。例如，公交行駛時間和?？空緯r間的波動性較大，這使得準確預(yù)測公交車的到達時間變得困難，從而影響協(xié)調(diào)控制的效果。此外，我國城市交通具有公交流量大、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、公交車與普通車輛混行等特點，現(xiàn)有的公交協(xié)調(diào)優(yōu)先控制方法在應(yīng)對這些復(fù)雜情況時，還存在一定的局限性。綜上所述，為了更好地解決城市交通擁堵問題，提高公交系統(tǒng)的運行效率和服務(wù)質(zhì)量，開展協(xié)調(diào)控制下公交優(yōu)先控制方法的研究具有重要的必要性和緊迫性。通過深入研究協(xié)調(diào)控制環(huán)境下的公交優(yōu)先控制方法，將公交優(yōu)先與路網(wǎng)協(xié)調(diào)控制有機結(jié)合，可以充分發(fā)揮公交系統(tǒng)的優(yōu)勢，實現(xiàn)城市交通的高效、有序運行。1.3研究目的與方法本研究旨在深入探究協(xié)調(diào)控制下公交優(yōu)先控制方法的實現(xiàn)原理、系統(tǒng)設(shè)計以及實際應(yīng)用價值，通過建立科學(xué)合理的公交優(yōu)先控制模型，將公交優(yōu)先與路網(wǎng)協(xié)調(diào)控制有機結(jié)合，以提高公交系統(tǒng)的運行效率和服務(wù)質(zhì)量，緩解城市交通擁堵狀況，為城市交通規(guī)劃和管理提供理論支持和實踐指導(dǎo)。具體而言，通過研究公交優(yōu)先控制所需的交通流模型和信號優(yōu)化模型，明確公交車輛在協(xié)調(diào)控制環(huán)境下的運行特性和交通流變化規(guī)律，為公交優(yōu)先控制策略的制定提供依據(jù)。同時，建立基于協(xié)調(diào)控制的公交優(yōu)先控制模型，對模型進行優(yōu)化和驗證，確保模型能夠有效實現(xiàn)公交優(yōu)先通行，并且對整體交通流的協(xié)調(diào)控制影響較小，提高交通系統(tǒng)的整體性能。為了實現(xiàn)上述研究目的，本研究將采用多種研究方法相結(jié)合的方式。首先，運用文獻調(diào)研法，廣泛收集和整理國內(nèi)外關(guān)于公交優(yōu)先控制、協(xié)調(diào)控制以及相關(guān)領(lǐng)域的研究文獻，全面了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，分析現(xiàn)有研究的優(yōu)點和不足，為本研究提供理論基礎(chǔ)和研究思路。其次，采用數(shù)學(xué)建模方法，根據(jù)公交車輛的運行特點、交通流特性以及協(xié)調(diào)控制的要求，建立公交優(yōu)先控制的數(shù)學(xué)模型。在建模過程中，充分考慮公交車旅行時間預(yù)測精度、乘客總延誤、相位車輛排隊長度等因素，運用數(shù)學(xué)公式和算法對這些因素進行量化分析和優(yōu)化處理，以實現(xiàn)公交優(yōu)先控制的目標(biāo)。例如，在主動公交優(yōu)先模型中，通過引入優(yōu)先時間窗作為判斷條件，對公交車旅行時間預(yù)測精度及其對優(yōu)先控制的影響進行數(shù)學(xué)描述和分析，減少無效優(yōu)先請求的發(fā)生；在自適應(yīng)優(yōu)先模型中，運用多目標(biāo)優(yōu)化思想，建立以乘客總延誤和相位車輛排隊長度為目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并選用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法等智能算法進行求解和優(yōu)化。再次，借助仿真實驗方法，利用專業(yè)的交通仿真軟件，如VISSIM等，對建立的公交優(yōu)先控制模型進行仿真驗證。在仿真過程中，設(shè)置不同的交通場景和參數(shù)，模擬公交車輛在協(xié)調(diào)控制環(huán)境下的運行情況，收集和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，如公交延誤、車輛排隊長度、交通流量等，評估模型的性能和效果。通過對比不同控制方法和參數(shù)設(shè)置下的仿真結(jié)果，對模型進行優(yōu)化和改進，以提高模型的可靠性和有效性。最后，開展場地實驗，選取實際的公交線路和交叉口作為實驗對象，將研究成果應(yīng)用于實際交通環(huán)境中進行驗證和測試。在場地實驗中，實時監(jiān)測公交車輛的運行狀態(tài)、交通信號燈的控制情況以及交通流的變化情況，收集真實的交通數(shù)據(jù)，與仿真實驗結(jié)果進行對比分析，進一步驗證模型的實際應(yīng)用價值和可行性。同時，通過實地觀察和與公交司機、乘客的交流，了解實際應(yīng)用中存在的問題和需求，為進一步優(yōu)化和完善公交優(yōu)先控制方法提供依據(jù)。通過綜合運用以上研究方法，本研究將從理論分析、模型構(gòu)建、仿真驗證到實際應(yīng)用，全面深入地研究協(xié)調(diào)控制下的公交優(yōu)先控制方法，為解決城市交通擁堵問題、提高公交系統(tǒng)運行效率提供科學(xué)有效的方法和策略。1.4研究創(chuàng)新點本研究在協(xié)調(diào)控制下公交優(yōu)先控制方法領(lǐng)域取得了多方面的創(chuàng)新成果，為該領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路和方法。在模型構(gòu)建方面，提出了一種創(chuàng)新的協(xié)調(diào)控制下公交優(yōu)先控制模型。該模型打破傳統(tǒng)的單一控制模式，分為上下兩層結(jié)構(gòu)。上層從整體路網(wǎng)的角度出發(fā)，綜合考慮交通流量、公交運行線路等因素，給出協(xié)調(diào)控制策略，確保整個交通系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性；下層為交叉口層，包含主動優(yōu)先和自適應(yīng)優(yōu)先兩種控制方法，每種方法都受到協(xié)調(diào)控制的約束，并能根據(jù)實時交通狀況對協(xié)調(diào)控制參數(shù)作適當(dāng)調(diào)整。這種分層式的模型結(jié)構(gòu)，既考慮了整體交通系統(tǒng)的協(xié)調(diào)，又兼顧了交叉口層面的靈活控制，實現(xiàn)了公交優(yōu)先與路網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的有機結(jié)合，有效提高了公交系統(tǒng)的運行效率和整體交通性能。在優(yōu)化思想上，引入多目標(biāo)優(yōu)化思想，充分考慮公交優(yōu)先控制中的多個關(guān)鍵因素。在自適應(yīng)優(yōu)先模型中，將乘客總延誤以及相位車輛排隊長度作為目標(biāo)函數(shù)，建立多目標(biāo)公交優(yōu)先控制模型。乘客總延誤直接關(guān)系到乘客的出行體驗和滿意度，減少乘客總延誤能夠提高公交系統(tǒng)的吸引力；相位車輛排隊長度則反映了交叉口的交通擁堵程度，控制相位車輛排隊長度有助于維持交通的順暢運行，避免出現(xiàn)交通堵塞。通過多目標(biāo)優(yōu)化，在實現(xiàn)公交優(yōu)先的同時，盡量減少對非公交相位車流的影響，避免非優(yōu)先相位由于公交優(yōu)先而發(fā)生路段擁堵情況，使整個交通系統(tǒng)達到更加平衡和高效的運行狀態(tài)。在算法應(yīng)用上，選用先進的多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法（MOPSO）對公交優(yōu)先控制模型進行求解和優(yōu)化。粒子群優(yōu)化算法是一種基于群體智能的優(yōu)化算法，它模擬鳥群覓食的行為，通過粒子之間的信息共享和協(xié)作，尋找最優(yōu)解。多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法能夠有效地處理多目標(biāo)優(yōu)化問題，在多個目標(biāo)之間尋求最優(yōu)的平衡解。與傳統(tǒng)的優(yōu)化算法相比，MOPSO具有更好的全局搜索能力和收斂速度，能夠更快地找到滿足公交優(yōu)先控制要求的最優(yōu)解，提高了模型的求解效率和精度。在技術(shù)應(yīng)用方面，充分利用車路協(xié)同等先進技術(shù)，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合與實時動態(tài)控制。車路協(xié)同系統(tǒng)通過先進的無線通信技術(shù)和豐富的數(shù)據(jù)采集手段，能夠提供更加多源、準確、實時的交通數(shù)據(jù)，包括公交車的位置、速度、行駛時間、?？空緯r間，以及道路交通流量、信號燈狀態(tài)等信息。這些數(shù)據(jù)為公交優(yōu)先控制提供了全面而準確的依據(jù)，使得公交優(yōu)先控制能夠更加精準地適應(yīng)實時交通狀況的變化。通過對多源數(shù)據(jù)的融合分析，系統(tǒng)可以實時監(jiān)測公交車輛的運行狀態(tài)和交通流的變化情況，及時調(diào)整公交優(yōu)先控制策略，實現(xiàn)公交信號的實時動態(tài)優(yōu)化，確保公交車能夠在不同的交通條件下都能獲得優(yōu)先通行權(quán)，提高公交運行的效率和可靠性。二、協(xié)調(diào)控制與公交優(yōu)先控制的理論基礎(chǔ)2.1交通協(xié)調(diào)控制理論2.1.1干線協(xié)調(diào)控制原理干線協(xié)調(diào)控制，作為交通協(xié)調(diào)控制中的關(guān)鍵組成部分，在優(yōu)化城市交通流方面發(fā)揮著重要作用。其核心原理在于對干線上多個相鄰交叉口的交通信號燈進行協(xié)同調(diào)控，通過設(shè)置公共周期、綠信比和相位差，使車輛在干線上能夠以一定的速度連續(xù)通過多個交叉口，形成所謂的“綠波帶”。公共周期是指干線上各個交叉口共同采用的信號燈循環(huán)周期時長。確定合適的公共周期至關(guān)重要，它需要綜合考慮干線上各交叉口的交通流量、交通特性以及道路條件等因素。若公共周期過短，可能導(dǎo)致部分交叉口的車輛無法及時通過，造成交通擁堵；而公共周期過長，則會使一些交叉口在非高峰時段出現(xiàn)綠燈時間浪費的情況，降低道路資源的利用率。綠信比則是指在一個信號周期內(nèi)，某一相位綠燈時間與周期時長的比值。合理分配綠信比能夠根據(jù)各方向交通流量的大小，為不同流向的車輛提供恰當(dāng)?shù)耐ㄐ袝r間。例如，在交通流量較大的方向，適當(dāng)增加綠燈時間，以提高該方向車輛的通行能力；而在流量較小的方向，則相應(yīng)減少綠燈時間，避免綠燈資源的閑置。相位差是干線協(xié)調(diào)控制中的關(guān)鍵參數(shù)，它決定了相鄰交叉口綠燈起始時間的差值。通過精確設(shè)置相位差，使得車輛在通過前一個交叉口后，按照一定的行駛速度行駛，能夠恰好趕上后續(xù)交叉口的綠燈，從而實現(xiàn)連續(xù)通行，減少停車等待時間。相位差的設(shè)置需要考慮車輛在干線上的平均行駛速度、交叉口之間的距離以及交通流量的變化情況等因素。例如，當(dāng)車輛行駛速度較快且交叉口間距較短時，相位差應(yīng)相應(yīng)減??；反之，當(dāng)車輛行駛速度較慢或交叉口間距較長時，相位差則需適當(dāng)增大。以一條包含三個交叉口的干線為例，假設(shè)公共周期為120秒，第一個交叉口的綠信比為0.4，第二個交叉口的綠信比為0.5，第三個交叉口的綠信比為0.45。若車輛在干線上的平均行駛速度為40公里/小時，第一個交叉口與第二個交叉口之間的距離為800米，第二個交叉口與第三個交叉口之間的距離為1000米。通過計算，設(shè)置第一個交叉口與第二個交叉口的相位差為24秒，第二個交叉口與第三個交叉口的相位差為30秒。這樣，車輛以40公里/小時的速度行駛，在第一個交叉口綠燈亮起后出發(fā)，能夠順利通過第二個和第三個交叉口的綠燈，實現(xiàn)綠波通行。干線協(xié)調(diào)控制能夠有效提高車輛在干線上的通行效率，減少停車次數(shù)和延誤時間，降低燃油消耗和尾氣排放。它適用于交通流量較大、道路條件相對穩(wěn)定的城市主干道，對于緩解城市交通擁堵、提升交通系統(tǒng)的整體運行效率具有重要意義。2.1.2區(qū)域協(xié)調(diào)控制方法區(qū)域協(xié)調(diào)控制是一種更為全面和綜合的交通控制策略，它著眼于對區(qū)域內(nèi)多個交叉口進行整體控制，旨在通過優(yōu)化交通信號配時，實現(xiàn)交通流在區(qū)域內(nèi)的合理分配和高效運行。在實施區(qū)域協(xié)調(diào)控制時，需要充分考慮區(qū)域內(nèi)的交通流量分布、流向、道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及交通需求的動態(tài)變化等因素。交通流量分布是指不同路段和交叉口在不同時間段內(nèi)的交通流量大小和分布情況。通過對交通流量分布的詳細分析，可以確定交通擁堵的熱點區(qū)域和關(guān)鍵路段，為制定針對性的控制策略提供依據(jù)。例如，在商業(yè)區(qū)、學(xué)校、醫(yī)院等人員密集場所周邊的道路，交通流量往往較大且集中在特定時間段，需要在這些區(qū)域的交叉口增加綠燈時間，以保障車輛的順暢通行。流向分析則關(guān)注車輛在區(qū)域內(nèi)的行駛方向和路徑選擇。了解交通流向有助于合理設(shè)置信號燈相位和相位差，避免不同流向的車輛在交叉口發(fā)生沖突，提高交叉口的通行能力。例如，在一些環(huán)形交叉口或復(fù)雜的多路交叉口，通過合理設(shè)計信號燈相位，引導(dǎo)不同流向的車輛有序通行，減少交通堵塞的發(fā)生。道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也是區(qū)域協(xié)調(diào)控制需要考慮的重要因素。不同的道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如方格網(wǎng)式、環(huán)形放射式、自由式等，具有不同的交通特性和流量分布規(guī)律。針對不同的道路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，需要采用相應(yīng)的控制方法和策略。例如，在方格網(wǎng)式道路網(wǎng)絡(luò)中，可以采用分區(qū)協(xié)調(diào)控制的方法，將區(qū)域劃分為若干個小區(qū)，每個小區(qū)內(nèi)的交叉口進行協(xié)調(diào)控制，同時小區(qū)之間也進行適當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)；而在環(huán)形放射式道路網(wǎng)絡(luò)中，則需要重點關(guān)注放射線與環(huán)線交叉口的交通控制，合理分配信號燈時間，保障環(huán)線和放射線的交通順暢。為了實現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)控制，通常采用交通模型和智能算法進行優(yōu)化。交通模型是對交通系統(tǒng)進行抽象和簡化的數(shù)學(xué)模型，它能夠模擬交通流在道路網(wǎng)絡(luò)中的運行情況，預(yù)測不同控制策略下的交通性能指標(biāo)，如車輛延誤、排隊長度、通行能力等。常用的交通模型包括微觀交通模型、中觀交通模型和宏觀交通模型等。微觀交通模型能夠詳細模擬每一輛車的行駛行為和相互作用，適用于對局部交通現(xiàn)象的研究；中觀交通模型則將車輛劃分為若干個群體，考慮群體之間的相互影響，適用于對較大區(qū)域交通流的分析；宏觀交通模型則從整體上描述交通流的宏觀特性，如流量、速度、密度等，適用于對整個城市交通系統(tǒng)的研究。智能算法則是用于求解交通模型優(yōu)化問題的高效計算方法。常見的智能算法包括遺傳算法、模擬退火算法、粒子群優(yōu)化算法等。這些算法通過模擬自然界中的生物進化、物理退火或群體智能行為等過程，在解空間中搜索最優(yōu)解或近似最優(yōu)解。以遺傳算法為例，它通過模擬生物遺傳和進化過程中的選擇、交叉和變異等操作，對交通信號配時方案進行不斷優(yōu)化，逐步提高交通系統(tǒng)的性能。通過交通模型和智能算法的結(jié)合應(yīng)用，可以根據(jù)實時交通數(shù)據(jù)和交通需求預(yù)測，動態(tài)調(diào)整區(qū)域內(nèi)各交叉口的信號燈配時方案，實現(xiàn)交通流的優(yōu)化分配。例如，當(dāng)某一區(qū)域內(nèi)某個路段出現(xiàn)交通擁堵時，系統(tǒng)可以實時檢測到擁堵情況，并通過交通模型預(yù)測擁堵的發(fā)展趨勢和對周邊道路的影響。然后，利用智能算法對該區(qū)域內(nèi)的信號燈配時進行優(yōu)化調(diào)整，如延長擁堵路段上游交叉口的綠燈時間，減少下游交叉口的綠燈時間，引導(dǎo)車輛避開擁堵路段，從而緩解交通擁堵狀況，提高區(qū)域交通系統(tǒng)的整體運行效率。區(qū)域協(xié)調(diào)控制能夠從整體上優(yōu)化交通流，提高區(qū)域內(nèi)道路資源的利用率，減少交通擁堵和延誤，提升城市交通的整體運行效率和服務(wù)水平。它是解決城市交通擁堵問題的重要手段之一，對于實現(xiàn)城市交通的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。2.2公交優(yōu)先控制理論2.2.1公交優(yōu)先控制的內(nèi)涵公交優(yōu)先控制，作為現(xiàn)代城市交通管理中的關(guān)鍵策略，其核心內(nèi)涵在于通過一系列技術(shù)手段和管理措施，賦予公交車輛在道路通行權(quán)、信號配時等方面的優(yōu)先地位，以提高公交車輛的運行效率和服務(wù)水平，進而吸引更多居民選擇公交出行。在道路通行權(quán)方面，公交優(yōu)先體現(xiàn)在設(shè)置公交專用道、公交專用進口道等措施上。公交專用道是專門為公交車開辟的行駛通道，在規(guī)定的時間段內(nèi)，只允許公交車通行，其他車輛不得駛?cè)?。這有效地保障了公交車在行駛過程中不受其他車輛的干擾，能夠保持相對穩(wěn)定的行駛速度，減少了因交通擁堵和車輛加塞等原因?qū)е碌难诱`。例如，在一些大城市的主干道上，公交專用道的設(shè)置使得公交車的平均運行速度提高了20%-30%，大大縮短了乘客的出行時間。公交專用進口道則是在交叉口處為公交車設(shè)置的專門進口車道，使公交車能夠優(yōu)先進入交叉口，減少了與其他車輛的沖突，提高了交叉口的通行效率。信號配時優(yōu)先是公交優(yōu)先控制的另一個重要方面。通過對交通信號燈的配時進行優(yōu)化，為公交車輛提供更多的綠燈時間或提前給予綠燈信號，確保公交車能夠順利通過交叉口，減少停車等待時間。常見的信號配時優(yōu)先策略包括綠燈延長、紅燈早斷和相位插入等。綠燈延長是指當(dāng)檢測到公交車即將到達交叉口時，適當(dāng)延長當(dāng)前綠燈相位的時間，讓公交車能夠在綠燈期間通過交叉口；紅燈早斷則是提前結(jié)束紅燈相位，使公交車能夠提前進入交叉口；相位插入是在交通信號燈的正常相位序列中，插入一個專門為公交車設(shè)置的相位，確保公交車的優(yōu)先通行。這些信號配時優(yōu)先策略能夠根據(jù)公交車的實時位置和運行狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整信號燈的時間，使公交車在交叉口的延誤時間大幅減少，提高了公交運行的準時性和可靠性。公交優(yōu)先控制的最終目標(biāo)是提高公交系統(tǒng)的吸引力，促使更多居民放棄私人機動車出行，轉(zhuǎn)而選擇公共交通。當(dāng)公交車輛能夠快速、準點地運行，乘客的出行時間得到有效保障，公交服務(wù)質(zhì)量得到顯著提升時，公交出行就會成為居民更愿意選擇的出行方式。這不僅可以減少私人機動車的使用，降低道路交通流量，緩解交通擁堵狀況；還能優(yōu)化城市交通結(jié)構(gòu)，提高道路資源的利用率，減少能源消耗和環(huán)境污染，實現(xiàn)城市交通的可持續(xù)發(fā)展。例如，在一些實施公交優(yōu)先的城市，公交出行分擔(dān)率從原來的30%左右提高到了40%-50%，道路交通擁堵得到了明顯緩解，空氣質(zhì)量也有所改善。2.2.2公交優(yōu)先控制的分類公交優(yōu)先控制根據(jù)其控制方式和技術(shù)手段的不同，可分為被動優(yōu)先控制、主動優(yōu)先控制和實時優(yōu)先控制三類，每一類都有其獨特的特點和應(yīng)用場景。被動優(yōu)先控制是一種基于歷史交通數(shù)據(jù)的預(yù)先配時控制方式。在不設(shè)車輛檢測器的情況下，它根據(jù)公交車的歷史行駛速度、發(fā)車頻率、站點位置等數(shù)據(jù)，預(yù)先對道路交叉口的公交優(yōu)先信號進行配時。這種控制方式的優(yōu)點是實施簡單，成本較低，不需要實時采集和處理大量的交通數(shù)據(jù)。它適用于交通流量相對穩(wěn)定、飽和度較低的交叉口。例如，在一些中小城市或交通流量較小的路段，采用被動優(yōu)先控制可以在一定程度上提高公交車的通行效率。然而，被動優(yōu)先控制的缺點也較為明顯，由于它是基于歷史數(shù)據(jù)進行配時，無法實時適應(yīng)交通狀況的變化，當(dāng)實際交通流量與歷史數(shù)據(jù)存在較大差異時，優(yōu)先控制效果可能會受到影響，導(dǎo)致公交車的延誤增加。主動優(yōu)先控制主要借助車輛檢測和通信技術(shù)以及既定的優(yōu)先控制軟硬件，實現(xiàn)對交叉口信號燈配時的適時調(diào)整，以保障公交優(yōu)先。通過在公交車上安裝車輛檢測設(shè)備和通信模塊，以及在交叉口設(shè)置相應(yīng)的檢測和控制設(shè)施，主動優(yōu)先控制能夠?qū)崟r檢測公交車輛的位置、運行狀態(tài)和延誤地點等信息。然后，運用預(yù)先設(shè)置的數(shù)學(xué)模型對這些信息進行分析，判斷是否達到優(yōu)先條件。當(dāng)滿足優(yōu)先條件時，系統(tǒng)會適時地、動態(tài)地調(diào)整信號燈的設(shè)置，如延長綠燈時間、提前結(jié)束紅燈時間或插入公交專用相位等，使公交車輛能夠優(yōu)先通行。主動優(yōu)先控制的優(yōu)點是能夠根據(jù)公交車輛的實時情況進行靈活控制，優(yōu)先效果顯著，能夠有效減少公交車的延誤時間。它適用于交通流量較大、交通狀況較為復(fù)雜的區(qū)域，如大城市的核心商業(yè)區(qū)、交通樞紐周邊等。不過，主動優(yōu)先控制需要投入較多的硬件設(shè)備和技術(shù)支持，建設(shè)和維護成本相對較高，并且對通信技術(shù)和設(shè)備的穩(wěn)定性要求也較高。實時優(yōu)先控制是近年來發(fā)展起來的一種先進的公交優(yōu)先控制方式，它借助全球定位系統(tǒng)（GPS）、車路協(xié)同等先進技術(shù)，獲取全面的實時交通流信息，包括公交車信息、非公交車信息以及公交晚點、準時等運行信息?；谶@些實時信息，實時優(yōu)先控制能夠?qū)β肪W(wǎng)中信號交叉口的信號配時進行優(yōu)化，實現(xiàn)公交車輛在整個路網(wǎng)中的高效通行。實時優(yōu)先控制不僅考慮了公交車輛自身的運行狀態(tài)，還充分考慮了整個交通流的動態(tài)變化情況，通過對交通信號的實時調(diào)整，使公交車輛能夠更好地融入交通流中，避免因優(yōu)先控制而對其他車輛造成過大影響。它具有控制精度高、適應(yīng)性強等優(yōu)點，能夠根據(jù)實時交通狀況實現(xiàn)精細化控制，進一步提高公交運行效率和交通系統(tǒng)的整體性能。實時優(yōu)先控制適用于交通流量大、變化頻繁且對交通運行效率要求較高的大城市或重要交通走廊。然而，實時優(yōu)先控制需要強大的數(shù)據(jù)處理能力和高效的通信網(wǎng)絡(luò)支持，技術(shù)實現(xiàn)難度較大，建設(shè)和運營成本也相對較高。2.3協(xié)調(diào)控制與公交優(yōu)先控制的關(guān)系協(xié)調(diào)控制與公交優(yōu)先控制作為城市交通優(yōu)化中的兩個重要組成部分，它們之間存在著緊密的相互關(guān)系，彼此相輔相成，共同致力于提高城市交通系統(tǒng)的整體運行效率。協(xié)調(diào)控制為公交優(yōu)先控制提供了重要的全局優(yōu)化基礎(chǔ)。協(xié)調(diào)控制著眼于整個交通網(wǎng)絡(luò)，通過對交通信號燈的配時進行優(yōu)化，實現(xiàn)干線或區(qū)域內(nèi)交通流的均衡分布和高效運行。這種全局優(yōu)化的環(huán)境為公交優(yōu)先控制創(chuàng)造了有利條件。在協(xié)調(diào)控制的框架下，公交車輛能夠更好地融入整體交通流中，減少因交通擁堵和信號燈不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的延誤。例如，在干線協(xié)調(diào)控制中，通過設(shè)置合適的公共周期、綠信比和相位差，使公交車輛能夠以一定的速度連續(xù)通過多個交叉口，形成公交綠波帶。這不僅提高了公交車輛的運行速度和準時性，還增強了公交系統(tǒng)的吸引力，促使更多居民選擇公交出行。同時，協(xié)調(diào)控制還能夠?qū)煌ňW(wǎng)絡(luò)中的其他車輛進行合理引導(dǎo)，避免交通擁堵的發(fā)生，為公交車輛提供暢通的行駛道路，保障公交優(yōu)先控制的有效實施。公交優(yōu)先控制則是協(xié)調(diào)控制中交通需求管理的重要手段。公交優(yōu)先控制通過賦予公交車輛在道路通行和信號控制等方面的優(yōu)先權(quán)利，提高公交系統(tǒng)的運行效率和服務(wù)質(zhì)量，從而吸引更多居民放棄私人機動車出行，選擇公共交通。這有助于減少道路交通流量，優(yōu)化交通結(jié)構(gòu)，緩解交通擁堵狀況，實現(xiàn)交通需求的合理分配。當(dāng)公交車輛能夠快速、準點地運行時，更多居民會選擇公交出行，這使得道路上的私人機動車數(shù)量減少，交通流量得到有效控制。例如，在一些實施公交優(yōu)先的城市，公交出行分擔(dān)率的提高使得道路交通擁堵狀況得到明顯改善，交通流更加順暢，為協(xié)調(diào)控制提供了更好的交通基礎(chǔ)條件。公交優(yōu)先控制還可以與協(xié)調(diào)控制相結(jié)合，根據(jù)公交車輛的運行情況和交通需求的變化，實時調(diào)整交通信號配時和交通組織方案，進一步優(yōu)化交通系統(tǒng)的運行效率。協(xié)調(diào)控制與公交優(yōu)先控制相互促進，共同實現(xiàn)交通系統(tǒng)的整體優(yōu)化。協(xié)調(diào)控制為公交優(yōu)先控制提供了良好的運行環(huán)境，保障了公交車輛的優(yōu)先通行權(quán)；而公交優(yōu)先控制則通過減少道路交通流量，優(yōu)化交通結(jié)構(gòu)，為協(xié)調(diào)控制創(chuàng)造了更有利的條件。兩者的有機結(jié)合能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)交通系統(tǒng)的高效、有序運行。例如，在一些大城市的交通控制系統(tǒng)中，將干線協(xié)調(diào)控制和公交優(yōu)先控制相結(jié)合，通過實時監(jiān)測公交車輛的位置和運行狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整信號燈配時，使公交車輛在干線上能夠快速通行，同時也保障了其他車輛的正常行駛。這種協(xié)同控制的方式不僅提高了公交系統(tǒng)的運行效率，還改善了整個交通系統(tǒng)的性能，減少了交通擁堵和延誤，提高了道路資源的利用率。協(xié)調(diào)控制與公交優(yōu)先控制是相互關(guān)聯(lián)、相互促進的關(guān)系。在城市交通管理中，應(yīng)充分認識到兩者的重要性，將它們有機結(jié)合起來，制定科學(xué)合理的交通控制策略，以提高城市交通系統(tǒng)的整體運行效率，實現(xiàn)城市交通的可持續(xù)發(fā)展。三、協(xié)調(diào)控制下公交優(yōu)先控制方法的模型構(gòu)建3.1公交優(yōu)先控制模型的總體框架3.1.1分層結(jié)構(gòu)設(shè)計本研究構(gòu)建的公交優(yōu)先控制模型采用了創(chuàng)新的分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，分為上層協(xié)調(diào)控制層和下層交叉口公交優(yōu)先控制層。這種分層結(jié)構(gòu)打破了傳統(tǒng)的單一控制模式，能夠充分考慮整體交通系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性和交叉口層面的靈活控制，實現(xiàn)公交優(yōu)先與路網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的有機結(jié)合。上層協(xié)調(diào)控制層從整體路網(wǎng)的角度出發(fā)，綜合考慮交通流量、公交運行線路、道路條件等多方面因素，制定出全局性的協(xié)調(diào)控制策略。它負責(zé)對整個交通網(wǎng)絡(luò)中的信號燈進行統(tǒng)一規(guī)劃和協(xié)調(diào)，確定公共周期、綠信比和相位差等關(guān)鍵參數(shù)，以實現(xiàn)交通流在路網(wǎng)中的均衡分布和高效運行。例如，在一個包含多個干線和區(qū)域的城市交通網(wǎng)絡(luò)中，上層協(xié)調(diào)控制層會根據(jù)各個干線和區(qū)域的交通流量實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析不同時間段內(nèi)各路段的交通擁堵情況和公交運行需求，然后合理確定公共周期，使各個交叉口的信號燈循環(huán)周期相互匹配，避免出現(xiàn)周期過長或過短導(dǎo)致的交通資源浪費或擁堵加劇的問題。同時，根據(jù)各方向交通流量的大小和公交車輛的運行情況，優(yōu)化綠信比的分配，為交通流量較大的方向和公交車輛提供更多的綠燈時間，提高道路的通行能力。在相位差的設(shè)置上，上層協(xié)調(diào)控制層會考慮公交車輛的行駛速度和交叉口之間的距離，精確計算相位差，確保公交車輛能夠在干線上以一定的速度連續(xù)通過多個交叉口，形成公交綠波帶，提高公交運行效率。下層交叉口公交優(yōu)先控制層則是在上層協(xié)調(diào)控制層的約束下，針對每個具體的交叉口實施公交優(yōu)先控制策略。它根據(jù)公交車的實時運行狀態(tài)，如位置、速度、到站時間等信息，以及交叉口的實時交通流量，對信號燈配時進行靈活調(diào)整，以實現(xiàn)公交車輛在交叉口的優(yōu)先通行。下層包含主動優(yōu)先和自適應(yīng)優(yōu)先兩種控制方法。主動優(yōu)先控制方法通過實時監(jiān)測公交車輛的位置和運行狀態(tài)，當(dāng)公交車即將到達交叉口時，提前判斷是否滿足優(yōu)先條件，如公交車的延誤時間超過一定閾值等。如果滿足優(yōu)先條件，系統(tǒng)會主動調(diào)整信號燈配時，如延長綠燈時間、提前結(jié)束紅燈時間或插入公交專用相位等，使公交車輛能夠優(yōu)先通過交叉口。自適應(yīng)優(yōu)先控制方法則是基于多目標(biāo)優(yōu)化思想，將乘客總延誤以及相位車輛排隊長度等因素作為目標(biāo)函數(shù)，建立公交優(yōu)先控制模型。通過實時采集交通數(shù)據(jù)，運用智能算法對模型進行求解和優(yōu)化，動態(tài)調(diào)整信號燈配時，在實現(xiàn)公交優(yōu)先的同時，盡量減少對非公交相位車流的影響，避免非優(yōu)先相位由于公交優(yōu)先而發(fā)生路段擁堵情況。例如，在某個交叉口，當(dāng)采用自適應(yīng)優(yōu)先控制方法時，系統(tǒng)會實時監(jiān)測各個相位的車輛排隊長度和公交車輛上的乘客數(shù)量，根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算乘客總延誤和相位車輛排隊長度。然后，利用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法等智能算法對信號燈配時進行優(yōu)化，找到一個最優(yōu)的配時方案，使乘客總延誤和相位車輛排隊長度都能得到有效控制，實現(xiàn)公交優(yōu)先和交通流整體協(xié)調(diào)的平衡。這種分層結(jié)構(gòu)設(shè)計使得公交優(yōu)先控制模型既能夠從宏觀層面保證整個交通系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性，又能夠在微觀層面針對每個交叉口的具體情況進行靈活控制，滿足公交車輛的優(yōu)先通行需求，有效提高了公交系統(tǒng)的運行效率和整體交通性能。3.1.2各層功能與交互上層協(xié)調(diào)控制層在整個公交優(yōu)先控制模型中扮演著全局規(guī)劃者的角色，其功能主要體現(xiàn)在確定公共周期、綠信比和相位差等關(guān)鍵參數(shù)上。公共周期的確定需要綜合考慮多個因素，包括路網(wǎng)中各交叉口的交通流量、交通特性以及道路條件等。通過對這些因素的深入分析和計算，上層協(xié)調(diào)控制層能夠找到一個合適的公共周期，使各個交叉口的信號燈循環(huán)周期相互匹配，避免出現(xiàn)周期過長或過短的情況。例如，在交通流量較大的區(qū)域，適當(dāng)縮短公共周期可以提高道路的通行能力，減少車輛的等待時間；而在交通流量較小的區(qū)域，適當(dāng)延長公共周期可以避免信號燈頻繁切換，節(jié)省能源。綠信比的分配則是根據(jù)各方向交通流量的大小和公交車輛的運行情況來進行的。對于交通流量較大的方向，上層協(xié)調(diào)控制層會增加其綠燈時間，以提高該方向車輛的通行能力；對于公交車輛運行頻繁的方向，也會適當(dāng)增加綠燈時間，保障公交車輛的優(yōu)先通行權(quán)。相位差的設(shè)置是上層協(xié)調(diào)控制層的關(guān)鍵任務(wù)之一，它需要考慮公交車輛的行駛速度、交叉口之間的距離以及交通流量的變化情況等因素。通過精確計算相位差，使公交車輛在通過前一個交叉口后，按照一定的行駛速度行駛，能夠恰好趕上后續(xù)交叉口的綠燈，實現(xiàn)連續(xù)通行，減少停車等待時間。下層交叉口公交優(yōu)先控制層的功能主要是根據(jù)公交車的實時運行狀態(tài)和交通流量，實施具體的公交優(yōu)先控制策略。主動優(yōu)先控制方法通過實時監(jiān)測公交車輛的位置和運行狀態(tài)，當(dāng)公交車即將到達交叉口時，系統(tǒng)會根據(jù)預(yù)設(shè)的判斷條件，如公交車的延誤時間、與交叉口的距離等，判斷是否給予公交優(yōu)先。如果滿足優(yōu)先條件，系統(tǒng)會及時調(diào)整信號燈配時，如延長綠燈時間、提前結(jié)束紅燈時間或插入公交專用相位等，使公交車輛能夠優(yōu)先通過交叉口。自適應(yīng)優(yōu)先控制方法則是基于多目標(biāo)優(yōu)化思想，將乘客總延誤以及相位車輛排隊長度等因素作為目標(biāo)函數(shù)，建立公交優(yōu)先控制模型。通過實時采集交通數(shù)據(jù)，運用智能算法對模型進行求解和優(yōu)化，動態(tài)調(diào)整信號燈配時，以實現(xiàn)公交優(yōu)先和交通流整體協(xié)調(diào)的平衡。例如，當(dāng)某個交叉口的某個相位車輛排隊長度過長，且公交車輛上的乘客總延誤較大時，自適應(yīng)優(yōu)先控制方法會通過優(yōu)化信號燈配時，適當(dāng)增加該相位的綠燈時間，減少車輛排隊長度，同時也會考慮公交車輛的優(yōu)先通行需求，確保公交車輛能夠快速通過交叉口，減少乘客總延誤。兩層之間通過數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)緊密協(xié)同。上層協(xié)調(diào)控制層將確定的公共周期、綠信比和相位差等參數(shù)傳遞給下層交叉口公交優(yōu)先控制層，為下層的控制策略提供約束和指導(dǎo)。下層交叉口公交優(yōu)先控制層則將實時采集的公交車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，如位置、速度、到站時間等，以及交通流量數(shù)據(jù)反饋給上層協(xié)調(diào)控制層。上層協(xié)調(diào)控制層根據(jù)這些反饋數(shù)據(jù)，對全局協(xié)調(diào)控制策略進行調(diào)整和優(yōu)化。例如，當(dāng)下層反饋某個區(qū)域的交通流量突然增大，導(dǎo)致公交車輛運行出現(xiàn)延誤時，上層協(xié)調(diào)控制層會根據(jù)這些信息，重新評估公共周期、綠信比和相位差等參數(shù)，對信號燈配時進行優(yōu)化調(diào)整，以緩解交通擁堵，保障公交車輛的正常運行。同時，下層在實施公交優(yōu)先控制策略時，如果發(fā)現(xiàn)某些策略與上層的協(xié)調(diào)控制參數(shù)產(chǎn)生沖突，也會及時向上層反饋，以便上層進行調(diào)整和優(yōu)化。這種數(shù)據(jù)交互和協(xié)同機制使得整個公交優(yōu)先控制模型能夠根據(jù)實時交通狀況進行動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)公交優(yōu)先與路網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的有機結(jié)合，提高交通系統(tǒng)的整體運行效率。3.2主動優(yōu)先控制方法3.2.1公交車旅行時間預(yù)測模型公交車旅行時間預(yù)測是主動優(yōu)先控制方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，準確預(yù)測公交車的旅行時間對于合理實施公交優(yōu)先控制策略至關(guān)重要。本研究考慮路況、站點?？繒r間、交通信號等多種因素，利用歷史數(shù)據(jù)和實時信息建立了高精度的公交車旅行時間預(yù)測模型。路況是影響公交車旅行時間的重要因素之一。不同的道路狀況，如道路擁堵程度、路面平整度、車道數(shù)量等，都會對公交車的行駛速度產(chǎn)生顯著影響。在擁堵的道路上，公交車需要頻繁停車和啟動，行駛速度會大幅降低，從而導(dǎo)致旅行時間延長；而在暢通的道路上，公交車能夠保持相對穩(wěn)定的行駛速度，旅行時間則會相應(yīng)縮短。為了準確描述路況對公交車旅行時間的影響，本研究引入了道路擁堵指數(shù)這一概念。道路擁堵指數(shù)是根據(jù)路段上的交通流量、車輛密度等數(shù)據(jù)計算得出的，它能夠直觀地反映道路的擁堵程度。通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，建立道路擁堵指數(shù)與公交車行駛速度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而可以根據(jù)實時的道路擁堵指數(shù)預(yù)測公交車在該路段上的行駛時間。站點?？繒r間也是影響公交車旅行時間的重要因素。公交車在每個站點都需要?？恳欢ǖ臅r間，以便乘客上下車。站點?？繒r間的長短受到多種因素的影響，如乘客數(shù)量、上下車效率、站點設(shè)施等。在乘客流量較大的站點，公交車需要花費更多的時間等待乘客上下車，停靠時間會相應(yīng)延長；而在乘客流量較小的站點，?？繒r間則會較短。為了準確預(yù)測站點?？繒r間，本研究對不同站點的歷史?？繒r間數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，建立了基于乘客流量和上下車效率的站點?？繒r間預(yù)測模型。通過實時監(jiān)測公交車上的乘客數(shù)量和站點的上下車情況，結(jié)合該預(yù)測模型，可以準確預(yù)測公交車在每個站點的?？繒r間。交通信號是影響公交車旅行時間的另一個關(guān)鍵因素。公交車在行駛過程中需要遇到多個交通信號燈，信號燈的配時和相位變化會直接影響公交車的停車次數(shù)和延誤時間。如果公交車在紅燈期間到達交叉口，就需要停車等待，從而增加旅行時間；而如果能夠在綠燈期間順利通過交叉口，旅行時間則會減少。為了考慮交通信號對公交車旅行時間的影響，本研究利用實時的交通信號數(shù)據(jù)，結(jié)合公交車的行駛軌跡和速度，建立了基于交通信號的公交車延誤時間預(yù)測模型。通過該模型，可以準確預(yù)測公交車在每個交叉口的延誤時間，進而預(yù)測公交車的旅行時間。本研究還充分利用歷史數(shù)據(jù)和實時信息來提高預(yù)測模型的精度。歷史數(shù)據(jù)中蘊含著豐富的信息，通過對歷史數(shù)據(jù)的挖掘和分析，可以發(fā)現(xiàn)公交車旅行時間的變化規(guī)律和趨勢。例如，通過對不同時間段、不同工作日和節(jié)假日的歷史數(shù)據(jù)進行分析，可以發(fā)現(xiàn)公交車旅行時間在早晚高峰時段和工作日會明顯延長，而在平峰時段和節(jié)假日則會相對較短。利用這些規(guī)律，可以對預(yù)測模型進行優(yōu)化和調(diào)整，提高預(yù)測的準確性。實時信息則能夠反映當(dāng)前的交通狀況和公交車的運行狀態(tài)，如實時的路況信息、交通信號狀態(tài)、公交車的位置和速度等。通過將實時信息及時輸入到預(yù)測模型中，可以對預(yù)測結(jié)果進行實時修正和更新，使預(yù)測更加準確和及時。具體來說，本研究采用了機器學(xué)習(xí)中的支持向量機（SVM）算法來建立公交車旅行時間預(yù)測模型。SVM是一種基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)理論的分類和回歸算法，它具有良好的泛化能力和抗干擾能力，能夠有效地處理非線性問題。在建立模型時，將路況、站點?？繒r間、交通信號等因素作為輸入特征，將公交車旅行時間作為輸出標(biāo)簽，利用歷史數(shù)據(jù)對SVM模型進行訓(xùn)練和優(yōu)化。通過不斷調(diào)整模型的參數(shù)和特征選擇，使模型能夠準確地學(xué)習(xí)到輸入特征與輸出標(biāo)簽之間的映射關(guān)系。在實際應(yīng)用中，將實時采集到的路況、站點?？繒r間、交通信號等信息輸入到訓(xùn)練好的模型中，即可預(yù)測出公交車的旅行時間。通過考慮路況、站點?？繒r間、交通信號等多種因素，利用歷史數(shù)據(jù)和實時信息建立的公交車旅行時間預(yù)測模型，能夠準確地預(yù)測公交車的旅行時間，為主動優(yōu)先控制方法的實施提供了可靠的依據(jù)。3.2.2優(yōu)先時間窗的確定與應(yīng)用優(yōu)先時間窗的確定與應(yīng)用是主動優(yōu)先控制方法中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到公交優(yōu)先控制的效果和效率。根據(jù)預(yù)測的公交車旅行時間和交叉口信號周期，本研究提出了一種科學(xué)合理的方法來確定優(yōu)先時間窗，并將其應(yīng)用于公交優(yōu)先控制決策中，以判斷是否給予公交車優(yōu)先通行權(quán)，減少無效優(yōu)先請求的發(fā)生。優(yōu)先時間窗是指在交叉口信號周期內(nèi)，為公交車提供優(yōu)先通行權(quán)的特定時間段。確定優(yōu)先時間窗的目的是在保證公交車輛能夠優(yōu)先通行的前提下，盡量減少對其他車輛通行的影響，提高交通系統(tǒng)的整體運行效率。在確定優(yōu)先時間窗時，需要綜合考慮預(yù)測的公交車旅行時間和交叉口信號周期等因素。預(yù)測的公交車旅行時間是確定優(yōu)先時間窗的重要依據(jù)。通過前面建立的公交車旅行時間預(yù)測模型，可以準確預(yù)測公交車到達交叉口的時間。根據(jù)預(yù)測的到達時間，結(jié)合公交車的行駛速度和安全距離等因素，確定公交車在交叉口前需要提前獲得優(yōu)先通行權(quán)的時間范圍。例如，如果預(yù)測公交車將在信號周期的第30秒到達交叉口，考慮到公交車需要一定的時間來減速和停車等待，以及為了避免與其他車輛發(fā)生沖突，可能將優(yōu)先時間窗的起始時間設(shè)定為第20秒，即從第20秒開始為公交車提供優(yōu)先通行權(quán)。交叉口信號周期也是確定優(yōu)先時間窗的關(guān)鍵因素。信號周期是指交叉口信號燈從一個相位的綠燈開始到下一個相同相位綠燈開始的時間間隔。在確定優(yōu)先時間窗時，需要根據(jù)信號周期的長度和各相位的綠燈時間分配，合理安排優(yōu)先時間窗的位置和長度。例如，如果信號周期為120秒，某個相位的綠燈時間為40秒，為了保證公交車能夠在綠燈期間順利通過交叉口，同時盡量減少對其他相位車輛的影響，可能將優(yōu)先時間窗設(shè)置在該相位綠燈亮起后的10-20秒之間，長度為10秒。具體來說，優(yōu)先時間窗的確定過程如下：首先，根據(jù)預(yù)測的公交車旅行時間，確定公交車到達交叉口的大致時間范圍。然后，結(jié)合交叉口信號周期和各相位的綠燈時間，在信號周期內(nèi)尋找一個合適的時間段，使得公交車在該時間段內(nèi)到達交叉口時，能夠獲得優(yōu)先通行權(quán)，并且對其他車輛的通行影響最小。在尋找合適的時間段時，可以采用以下方法：假設(shè)信號周期為T，各相位的綠燈時間分別為g1,g2,...,gn，預(yù)測公交車到達交叉口的時間為t。首先判斷t是否在某個相位的綠燈時間范圍內(nèi)，如果是，則將該相位的綠燈時間作為優(yōu)先時間窗的候選時間段；如果t不在任何相位的綠燈時間范圍內(nèi)，則根據(jù)公交車的行駛速度和安全距離等因素，計算公交車需要提前到達交叉口的時間Δt，然后在信號周期內(nèi)尋找一個時間段，使得該時間段的起始時間為t-Δt，長度為優(yōu)先時間窗的設(shè)定長度，并且該時間段與其他相位的綠燈時間沖突最小。經(jīng)過篩選和比較，最終確定優(yōu)先時間窗的位置和長度。在實際應(yīng)用中，當(dāng)公交車接近交叉口時，系統(tǒng)會實時獲取公交車的位置和運行狀態(tài)信息，并根據(jù)預(yù)先確定的優(yōu)先時間窗進行判斷。如果公交車在優(yōu)先時間窗內(nèi)到達交叉口，則系統(tǒng)會觸發(fā)公交優(yōu)先控制策略，如延長綠燈時間、提前結(jié)束紅燈時間或插入公交專用相位等，使公交車能夠優(yōu)先通過交叉口。如果公交車不在優(yōu)先時間窗內(nèi)到達交叉口，則系統(tǒng)按照正常的信號配時方案進行控制，不給予公交車優(yōu)先通行權(quán)。這樣可以有效地減少無效優(yōu)先請求的發(fā)生，避免因不必要的優(yōu)先控制而對其他車輛的通行造成干擾，提高交通系統(tǒng)的整體運行效率。通過根據(jù)預(yù)測旅行時間和交叉口信號周期確定優(yōu)先時間窗，并將其應(yīng)用于公交優(yōu)先控制決策中，能夠更加精準地為公交車提供優(yōu)先通行權(quán)，減少無效優(yōu)先請求，提高公交運行效率和交通系統(tǒng)的整體性能。3.3自適應(yīng)優(yōu)先控制方法3.3.1多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)的建立在協(xié)調(diào)控制下的公交優(yōu)先控制中，建立科學(xué)合理的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)是實現(xiàn)高效交通控制的關(guān)鍵。本研究綜合考慮乘客總延誤、相位車輛排隊長度、社會車輛延誤等多個重要因素，構(gòu)建了多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，旨在實現(xiàn)公交優(yōu)先與整體交通效率的平衡。乘客總延誤是衡量公交服務(wù)質(zhì)量的重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到乘客的出行體驗和滿意度。乘客總延誤包括公交車在行駛過程中的延誤以及在站點的等待延誤。公交車在行駛過程中，可能會由于交通擁堵、信號燈等待、道路施工等原因?qū)е卵诱`；在站點，可能會因為乘客上下車時間過長、站點?？繒r間不合理等因素造成延誤。為了準確計算乘客總延誤，本研究考慮了公交車的載客量、行駛路線以及每個站點的上下車乘客數(shù)量等因素。假設(shè)公交車在第i個站點的?？繒r間為t_{si}，上下車乘客數(shù)量分別為n_{ui}和n_{di}，公交車在該站點的載客量為N_i，則該站點的乘客延誤為(n_{ui}+n_{di})\timest_{si}。對于整個公交線路，乘客總延誤D_p可以表示為：D_p=\sum_{i=1}^{m}(n_{ui}+n_{di})\timest_{si}，其中m為公交線路上的站點總數(shù)。通過最小化乘客總延誤，可以提高公交服務(wù)的準時性和可靠性，增強公交系統(tǒng)的吸引力。相位車輛排隊長度是反映交叉口交通擁堵程度的重要指標(biāo)，它對交叉口的通行能力和交通流暢性有著直接影響。如果某個相位的車輛排隊長度過長，不僅會導(dǎo)致該相位車輛的延誤增加，還可能影響其他相位車輛的正常通行，引發(fā)交通擁堵。為了準確計算相位車輛排隊長度，本研究利用交叉口的交通流量數(shù)據(jù)和信號燈配時信息，通過排隊論模型來估算每個相位在不同時刻的車輛排隊長度。假設(shè)在第j個相位，單位時間內(nèi)到達的車輛數(shù)為\lambda_j，該相位的綠燈時間為g_j，周期時長為T，車輛的平均離去率為\mu_j，則根據(jù)排隊論中的M/M/1模型，該相位在一個周期內(nèi)的平均車輛排隊長度L_j可以表示為：L_j=\frac{\lambda_j^2}{\mu_j(\mu_j-\lambda_j)}\times(1-\frac{g_j}{T})。通過最小化相位車輛排隊長度，可以減少交叉口的交通擁堵，提高道路的通行能力。社會車輛延誤也是多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)中需要考慮的重要因素，它反映了非公交車輛在交通系統(tǒng)中的運行效率。社會車輛延誤同樣受到交通擁堵、信號燈配時、道路條件等多種因素的影響。為了準確計算社會車輛延誤，本研究利用交通流量檢測設(shè)備和車輛軌跡數(shù)據(jù)，獲取社會車輛在道路上的行駛速度、停車次數(shù)和停車時間等信息，進而計算出社會車輛的延誤。假設(shè)社會車輛在第k條路段上的行駛時間為t_{rk}，自由流行駛時間為t_{fk}，則該路段上社會車輛的延誤為t_{rk}-t_{fk}。對于整個交通網(wǎng)絡(luò)，社會車輛延誤D_s可以表示為：D_s=\sum_{k=1}^{n}(t_{rk}-t_{fk})，其中n為交通網(wǎng)絡(luò)中的路段總數(shù)。通過最小化社會車輛延誤，可以提高非公交車輛的通行效率，減少對社會車輛的影響。綜合考慮上述因素，本研究建立的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)可以表示為：F=\min\{w_1D_p+w_2\sum_{j=1}^{n_p}L_j+w_3D_s\}，其中w_1、w_2和w_3分別為乘客總延誤、相位車輛排隊長度和社會車輛延誤的權(quán)重系數(shù)，n_p為交叉口的相位總數(shù)。權(quán)重系數(shù)的取值反映了不同目標(biāo)在優(yōu)化過程中的相對重要性，需要根據(jù)實際交通需求和管理目標(biāo)進行合理確定。例如，在公交優(yōu)先發(fā)展的區(qū)域，可以適當(dāng)增大w_1的取值，以突出公交優(yōu)先的目標(biāo)；在交通擁堵較為嚴重的區(qū)域，可以適當(dāng)增大w_2的取值，以緩解交通擁堵。通過調(diào)整權(quán)重系數(shù)，可以實現(xiàn)公交優(yōu)先與整體交通效率的平衡，使交通系統(tǒng)達到更加優(yōu)化的運行狀態(tài)。3.3.2多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法的應(yīng)用為了求解上述建立的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，本研究引入了多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法（MOPSO）。粒子群優(yōu)化算法（PSO）是一種基于群體智能的優(yōu)化算法，它模擬鳥群覓食的行為，通過粒子之間的信息共享和協(xié)作，尋找最優(yōu)解。多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法則是在PSO的基礎(chǔ)上，針對多目標(biāo)優(yōu)化問題進行了改進，能夠有效地處理多個目標(biāo)之間的沖突，尋找一組非支配解，即Pareto最優(yōu)解集。在MOPSO中，每個粒子代表一個可能的信號配時方案，粒子的位置表示信號配時方案中的各個參數(shù)，如周期時長、綠信比、相位差等。粒子的速度則表示粒子在搜索空間中的移動方向和步長。算法通過不斷更新粒子的位置和速度，使粒子朝著更優(yōu)的解搜索。在每次迭代中，粒子根據(jù)自身的歷史最優(yōu)解和群體的全局最優(yōu)解來調(diào)整自己的速度和位置。同時，算法還引入了外部存檔機制，用于保存當(dāng)前迭代過程中找到的非支配解。隨著迭代的進行，外部存檔中的非支配解會逐漸逼近Pareto最優(yōu)解集。具體來說，MOPSO的實現(xiàn)步驟如下：首先，初始化粒子群，包括粒子的位置、速度和歷史最優(yōu)解。粒子的位置和速度通常在一定范圍內(nèi)隨機生成，歷史最優(yōu)解則初始化為粒子的當(dāng)前位置。同時，初始化外部存檔，用于存儲非支配解。然后，計算每個粒子的適應(yīng)度值，即根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)計算每個粒子所代表的信號配時方案的目標(biāo)函數(shù)值。接著，更新粒子的歷史最優(yōu)解和全局最優(yōu)解。如果當(dāng)前粒子的適應(yīng)度值優(yōu)于其歷史最優(yōu)解，則更新歷史最優(yōu)解；如果當(dāng)前粒子的適應(yīng)度值優(yōu)于全局最優(yōu)解，則更新全局最優(yōu)解。在更新全局最優(yōu)解時，需要考慮多個目標(biāo)之間的關(guān)系，采用非支配排序等方法來確定全局最優(yōu)解。之后，根據(jù)粒子的歷史最優(yōu)解和全局最優(yōu)解，更新粒子的速度和位置。速度更新公式通常采用慣性權(quán)重法，即v_{id}^{t+1}=\omegav_{id}^{t}+c_1r_1(p_{id}^{t}-x_{id}^{t})+c_2r_2(g_99fx9ld^{t}-x_{id}^{t})，其中v_{id}^{t+1}和v_{id}^{t}分別為粒子i在第t+1次和第t次迭代時的速度，\omega為慣性權(quán)重，c_1和c_2為學(xué)習(xí)因子，r_1和r_2為在[0,1]之間的隨機數(shù)，p_{id}^{t}為粒子i在第t次迭代時的歷史最優(yōu)解，g_b113fhr^{t}為第t次迭代時的全局最優(yōu)解，x_{id}^{t}為粒子i在第t次迭代時的位置。位置更新公式為x_{id}^{t+1}=x_{id}^{t}+v_{id}^{t+1}。在更新速度和位置時，需要確保粒子的位置在可行解范圍內(nèi)。然后，將當(dāng)前迭代中找到的非支配解加入到外部存檔中，并對外部存檔進行更新和維護。如果外部存檔中的解數(shù)量超過了設(shè)定的容量，則采用擁擠距離等方法對解進行篩選，保留分布均勻、性能較好的解。最后，判斷是否滿足終止條件，如達到最大迭代次數(shù)或目標(biāo)函數(shù)值收斂等。如果滿足終止條件，則輸出外部存檔中的非支配解，即得到一組最優(yōu)的信號配時方案；如果不滿足終止條件，則返回步驟計算每個粒子的適應(yīng)度值，繼續(xù)進行迭代。通過應(yīng)用MOPSO，能夠在多個目標(biāo)之間尋求最優(yōu)的平衡解，避免非優(yōu)先相位由于公交優(yōu)先而發(fā)生路段擁堵情況。與傳統(tǒng)的優(yōu)化算法相比，MOPSO具有更好的全局搜索能力和收斂速度，能夠更快地找到滿足公交優(yōu)先控制要求的最優(yōu)解，提高了信號配時方案的優(yōu)化效率和精度。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)不同的交通場景和需求，靈活調(diào)整MOPSO的參數(shù)，如粒子數(shù)量、慣性權(quán)重、學(xué)習(xí)因子等，以獲得更好的優(yōu)化效果。四、協(xié)調(diào)控制下公交優(yōu)先控制方法的實施與應(yīng)用4.1公交優(yōu)先控制所需的技術(shù)支持4.1.1車路協(xié)同技術(shù)車路協(xié)同技術(shù)作為智能交通系統(tǒng)的重要組成部分，在公交優(yōu)先控制中發(fā)揮著不可或缺的關(guān)鍵作用。它通過先進的無線通信技術(shù)，實現(xiàn)了車與路、車與車之間的信息交互，為公交優(yōu)先控制提供了全面、實時且準確的交通數(shù)據(jù)，有力地支撐了公交優(yōu)先控制策略的精準實施。在車路協(xié)同系統(tǒng)中，通信技術(shù)是實現(xiàn)信息交互的核心紐帶。常用的無線通信技術(shù)包括專用短程通信（DSRC）、蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）等。DSRC技術(shù)是專門為智能交通領(lǐng)域設(shè)計的短距離無線通信技術(shù)，它具有低延遲、高可靠性的特點，能夠在車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施之間實現(xiàn)快速、穩(wěn)定的通信。通過DSRC技術(shù)，公交車可以與路側(cè)單元（RSU）進行實時通信，獲取交叉口的信號燈狀態(tài)、交通流量、道路狀況等信息；同時，公交車也可以將自身的位置、速度、運行狀態(tài)等信息傳輸給RSU，為交通管理部門提供實時的公交運行數(shù)據(jù)。C-V2X技術(shù)則是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它利用現(xiàn)有的蜂窩通信基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)了車輛與車輛、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施、車輛與人之間的廣泛通信。C-V2X技術(shù)具有覆蓋范圍廣、通信帶寬大的優(yōu)勢，能夠支持更豐富的應(yīng)用場景和更大量的數(shù)據(jù)傳輸。例如，在公交優(yōu)先控制中，C-V2X技術(shù)可以實現(xiàn)公交車與其他車輛之間的信息交互，提前了解周圍車輛的行駛意圖和狀態(tài)，避免發(fā)生碰撞事故，保障公交車的安全行駛；同時，C-V2X技術(shù)還可以將公交運行數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)浇煌刂浦行?，為交通管理者提供全面的交通信息，以便做出科學(xué)的決策。車路協(xié)同技術(shù)在公交優(yōu)先控制中的應(yīng)用場景十分豐富。在公交信號優(yōu)先控制方面，通過車路協(xié)同系統(tǒng)，當(dāng)公交車接近交叉口時，它可以實時向交通信號控制系統(tǒng)發(fā)送自身的位置和運行狀態(tài)信息。交通信號控制系統(tǒng)根據(jù)這些信息，結(jié)合交叉口的交通流量和信號燈狀態(tài)，對信號燈配時進行優(yōu)化調(diào)整，為公交車提供優(yōu)先通行權(quán)。例如，當(dāng)檢測到公交車即將到達交叉口且當(dāng)前相位為紅燈時，系統(tǒng)可以通過延長上一個相位的綠燈時間、提前結(jié)束紅燈時間或插入公交專用相位等方式，確保公交車能夠在綠燈期間順利通過交叉口，減少停車等待時間。在公交車輛運行調(diào)度方面，車路協(xié)同技術(shù)可以實現(xiàn)對公交車輛的實時監(jiān)控和調(diào)度管理。交通控制中心通過獲取公交車的位置、速度、載客量等信息，實時掌握公交車輛的運行情況。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某條公交線路上的公交車出現(xiàn)擁堵或延誤時，控制中心可以及時調(diào)整后續(xù)公交車的發(fā)車時間和行駛路線，避免出現(xiàn)車輛扎堆或空駛的情況，提高公交運營效率和服務(wù)質(zhì)量。在公交與其他交通方式的協(xié)同方面，車路協(xié)同技術(shù)可以促進公交與其他車輛、行人之間的信息共享和協(xié)同配合。例如，通過車路協(xié)同系統(tǒng)，公交車可以提前獲取前方行人的過街需求和其他車輛的行駛意圖，采取相應(yīng)的減速或避讓措施，提高交通安全性；同時，其他車輛和行人也可以了解公交車的運行狀態(tài)和停靠位置，合理規(guī)劃自己的出行路線，減少交通沖突。車路協(xié)同技術(shù)通過無線通信實現(xiàn)了車與路、車與車之間的信息交互，為公交優(yōu)先控制提供了實時準確的交通數(shù)據(jù)，在公交信號優(yōu)先控制、車輛運行調(diào)度以及與其他交通方式的協(xié)同等方面發(fā)揮了重要作用，有力地推動了公交優(yōu)先控制的實施和應(yīng)用。4.1.2智能檢測與通信技術(shù)智能檢測與通信技術(shù)是實現(xiàn)公交優(yōu)先控制的關(guān)鍵支撐技術(shù)之一，它通過利用先進的車輛檢測設(shè)備、高效的通信網(wǎng)絡(luò)和智能傳感器，能夠?qū)崟r、準確地獲取公交車的位置、速度、交通流量等關(guān)鍵信息，為公交優(yōu)先控制決策提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。車輛檢測設(shè)備是智能檢測與通信技術(shù)的重要組成部分，它能夠?qū)崟r監(jiān)測公交車的位置和運行狀態(tài)。常見的車輛檢測設(shè)備包括地磁傳感器、視頻檢測器、射頻識別（RFID）設(shè)備等。地磁傳感器通過感應(yīng)車輛對地磁場的影響來檢測車輛的存在和行駛狀態(tài)，具有安裝方便、成本低、可靠性高的特點。在公交優(yōu)先控制中，地磁傳感器可以安裝在公交車道和交叉口附近，實時監(jiān)測公交車的通過情況，為信號控制提供準確的車輛到達信息。視頻檢測器則利用視頻圖像分析技術(shù)，對公交車的位置、速度、行駛軌跡等進行實時監(jiān)測和識別。視頻檢測器具有檢測范圍廣、信息量大的優(yōu)勢，能夠同時監(jiān)測多個車道和車輛。例如，在一些大城市的公交專用道上，安裝了高清視頻檢測器，通過對視頻圖像的實時分析，可以準確獲取公交車的運行狀態(tài)和交通流量信息，為公交優(yōu)先控制提供全面的數(shù)據(jù)支持。RFID設(shè)備則通過射頻信號識別公交車，并獲取其相關(guān)信息。在公交車上安裝RFID標(biāo)簽，在道路沿線和交叉口設(shè)置RFID讀寫器，當(dāng)公交車經(jīng)過讀寫器時，讀寫器可以快速讀取標(biāo)簽中的信息，實現(xiàn)對公交車的實時跟蹤和監(jiān)測。通信網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)信息傳輸?shù)闹匾A(chǔ)設(shè)施，它確保了公交車檢測信息能夠及時、準確地傳輸?shù)浇煌刂浦行暮拖嚓P(guān)設(shè)備。常用的通信網(wǎng)絡(luò)包括有線通信網(wǎng)絡(luò)和無線通信網(wǎng)絡(luò)。有線通信網(wǎng)絡(luò)具有傳輸穩(wěn)定、帶寬大的優(yōu)勢，適用于交通控制中心與固定設(shè)備之間的通信。例如，通過光纖網(wǎng)絡(luò)將交通控制中心與各個交叉口的信號控制機連接起來，實現(xiàn)了信號控制指令的快速傳輸和數(shù)據(jù)的實時交換。無線通信網(wǎng)絡(luò)則具有靈活性高、部署方便的特點，適用于公交車與路邊設(shè)備之間的通信。除了前面提到的DSRC和C-V2X技術(shù)外，Wi-Fi、4G/5G等無線通信技術(shù)也在公交優(yōu)先控制中得到了廣泛應(yīng)用。例如，公交車可以通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)將自身的運行數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)浇煌刂浦行?，交通控制中心也可以通過4G/5G網(wǎng)絡(luò)向公交車發(fā)送調(diào)度指令和信號優(yōu)先控制信息。智能傳感器在智能檢測與通信技術(shù)中扮演著重要角色，它能夠感知多種交通信息，為公交優(yōu)先控制提供更豐富的數(shù)據(jù)。智能傳感器不僅可以檢測公交車的位置和速度，還可以感知交通流量、車輛排隊長度、道路狀況等信息。例如，一些智能傳感器采用超聲波、雷達等技術(shù)，能夠?qū)崟r監(jiān)測交叉口各方向的交通流量和車輛排隊長度，為交通信號配時優(yōu)化提供準確的數(shù)據(jù)依據(jù)。此外，智能傳感器還可以集成環(huán)境感知功能，如檢測道路的濕滑程度、能見度等，為公交車的安全行駛提供保障。在惡劣天氣條件下，智能傳感器可以及時將道路狀況信息傳輸給公交車駕駛員和交通控制中心，以便采取相應(yīng)的安全措施。通過車輛檢測設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)和智能傳感器的協(xié)同工作，智能檢測與通信技術(shù)能夠?qū)崟r獲取公交車位置、速度、交通流量等信息，為公交優(yōu)先控制決策提供了有力支持。在實際應(yīng)用中，這些技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，將進一步提高公交優(yōu)先控制的精度和效率，提升公交系統(tǒng)的運行效率和服務(wù)質(zhì)量。4.2公交優(yōu)先控制的實施流程4.2.1數(shù)據(jù)采集與傳輸數(shù)據(jù)采集與傳輸是公交優(yōu)先控制實施流程中的首要環(huán)節(jié)，其準確性和實時性直接影響著后續(xù)控制策略的制定和實施效果。該環(huán)節(jié)主要通過車載裝置、路側(cè)傳感器等設(shè)備廣泛采集各類交通數(shù)據(jù)，并借助高效的通信網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)快速、準確地傳輸?shù)浇煌ü芾碇行模瑸楣粌?yōu)先控制提供堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。車載裝置作為公交車上的關(guān)鍵設(shè)備，能夠?qū)崟r采集公交車的運行狀態(tài)信息。通過安裝在公交車上的全球定位系統(tǒng)（GPS）模塊，可以精確獲取公交車的位置信息，包括經(jīng)緯度坐標(biāo)、行駛方向等，從而實時跟蹤公交車的行駛軌跡。車載速度傳感器則能夠?qū)崟r監(jiān)測公交車的行駛速度，為分析公交車的運行效率和預(yù)測到達時間提供重要數(shù)據(jù)。此外，車載客流量傳感器可以統(tǒng)計公交車上的乘客數(shù)量，這對于評估公交服務(wù)需求、優(yōu)化公交調(diào)度以及在多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)中計算乘客總延誤等都具有重要意義。例如，當(dāng)某條公交線路上的某輛公交車乘客數(shù)量過多，且行駛速度較慢時，可能意味著該線路的客流量較大，需要增加發(fā)車頻率或調(diào)整線路規(guī)劃；同時，在計算乘客總延誤時，乘客數(shù)量是一個關(guān)鍵因素，通過準確統(tǒng)計乘客數(shù)量，可以更精確地評估公交服務(wù)質(zhì)量。路側(cè)傳感器分布在道路沿線和交叉口，用于采集豐富的交通信息。地磁傳感器安裝在路面下，能夠感應(yīng)車輛的通過，從而檢測交通流量，統(tǒng)計單位時間內(nèi)通過某一地點的車輛數(shù)量；還可以根據(jù)車輛通過的時間間隔和傳感器之間的距離，估算車輛的行駛速度。在公交優(yōu)先控制中，地磁傳感器可以實時監(jiān)測公交車道和普通車道的交通流量情況，為判斷是否需要實施公交優(yōu)先控制以及如何調(diào)整信號燈配時提供依據(jù)。視頻檢測器利用視頻圖像分析技術(shù)，不僅可以監(jiān)測交通流量和車輛速度，還能夠識別車輛類型，區(qū)分公交車和其他社會車輛；同時，通過對視頻圖像的分析，還可以檢測車輛的排隊長度，了解交叉口各方向的交通擁堵狀況。例如，在交叉口處，視頻檢測器可以實時監(jiān)測公交車專用進口道和其他進口道的車輛排隊長度，當(dāng)公交車專用進口道的車輛排隊長度較長，且其他進口道的車輛排隊長度相對較短時，可能需要調(diào)整信號燈配時，給予公交車更多的通行時間，以緩解公交車的擁堵狀況。射頻識別（RFID）設(shè)備通過射頻信號與安裝在公交車上的RFID標(biāo)簽進行通信，獲取公交車的身份信息和相關(guān)運行數(shù)據(jù)，如車輛編號、發(fā)車時間、站點?？啃畔⒌取＿@些信息有助于對公交車進行精準管理和調(diào)度，提高公交運營的準確性和可靠性。通信網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)傳輸過程中起著至關(guān)重要的作用，它確保了采集到的交通數(shù)據(jù)能夠及時、穩(wěn)定地傳輸?shù)浇煌ü芾碇行摹Ｓ芯€通信網(wǎng)絡(luò)，如光纖網(wǎng)絡(luò)，具有傳輸速度快、穩(wěn)定性高、帶寬大等優(yōu)點，適用于交通管理中心與固定設(shè)備之間的大量數(shù)據(jù)傳輸。通過光纖網(wǎng)絡(luò)，路側(cè)傳感器采集到的交通數(shù)據(jù)可以快速傳輸?shù)浇煌ü芾碇行牡姆?wù)器，為交通管理人員提供實時的交通信息。無線通信網(wǎng)絡(luò)則具有靈活性高、部署方便的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)公交車與路邊設(shè)備、交通管理中心之間的實時通信。專用短程通信（DSRC）技術(shù)專門為智能交通領(lǐng)域設(shè)計，能夠在車輛與路邊基礎(chǔ)設(shè)施之間實現(xiàn)低延遲、高可靠性的短距離通信。在公交優(yōu)先控制中，DSRC技術(shù)可以使公交車與路側(cè)單元（RSU）進行實時通信，將公交車的位置、速度、運行狀態(tài)等信息及時傳輸給RSU，同時接收RSU發(fā)送的交通信號狀態(tài)、道路狀況等信息。蜂窩車聯(lián)網(wǎng)（C-V2X）技術(shù)基于現(xiàn)有的蜂窩通信基礎(chǔ)設(shè)施，實現(xiàn)了車輛與車輛、車輛與基礎(chǔ)設(shè)施、車輛與人之間的廣泛通信。C-V2X技術(shù)具有覆蓋范圍廣、通信帶寬大的優(yōu)勢，能夠支持更豐富的應(yīng)用場景和更大量的數(shù)據(jù)傳輸。例如，公交車可以通過C-V2X技術(shù)將自身的運行數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)浇煌ü芾碇行?，交通管理中心也可以通過C-V2X技術(shù)向公交車發(fā)送調(diào)度指令和信號優(yōu)先控制信息，實現(xiàn)對公交車的遠程監(jiān)控和調(diào)度管理。4G/5G等移動通信技術(shù)也在公交優(yōu)先控制中得到了廣泛應(yīng)用。公交車可以利用4G/5G網(wǎng)絡(luò)將車載裝置采集到的運行數(shù)據(jù)實時上傳到交通管理中心，同時接收交通管理中心下發(fā)的各種信息，如實時路況、交通管制信息等。4G/5G網(wǎng)絡(luò)的高速率、低延遲特性，能夠滿足公交優(yōu)先控制對數(shù)據(jù)傳輸實時性和準確性的要求，為公交優(yōu)先控制提供了更加可靠的通信保障。通過車載裝置、路側(cè)傳感器等設(shè)備采集交通數(shù)據(jù)，并利用有線和無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇煌ü芾碇行?，為公交?yōu)先控制提供了全面、準確、實時的數(shù)據(jù)支持，是實現(xiàn)公交優(yōu)先控制的關(guān)鍵前提。4.2.2數(shù)據(jù)分析與決策數(shù)據(jù)分析與決策是公交優(yōu)先控制實施流程中的核心環(huán)節(jié)，交通管理中心在接收到從車載裝置和路側(cè)傳感器傳輸過來的大量交通數(shù)據(jù)后，運用先進的數(shù)據(jù)分析技術(shù)和公交優(yōu)先控制模型，對這些數(shù)據(jù)進行深入分析和處理，從而制定出科學(xué)合理的公交優(yōu)先控制策略，并將其發(fā)送給信號控制器，以實現(xiàn)對交通信號燈的精準控制。交通管理中心首先對采集到的交通數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)存儲等操作。數(shù)據(jù)清洗主要是去除數(shù)據(jù)中的噪聲、異常值和重復(fù)數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可靠性。由于在數(shù)據(jù)采集過程中，可能會受到各種因素的干擾，如傳感器故障、信號傳輸錯誤等，導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)存在誤差或異常。通過數(shù)據(jù)清洗，可以識別并糾正這些錯誤數(shù)據(jù)，確保后續(xù)分析的準確性。例如，對于GPS采集的公交車位置數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)明顯偏離正常行駛路線的異常點，或者速度數(shù)據(jù)出現(xiàn)不合理的突變，都需要進行數(shù)據(jù)清洗，以保證數(shù)據(jù)的真實性和可用性。數(shù)據(jù)融合則是將來自不同數(shù)據(jù)源的交通數(shù)據(jù)進行整合，形成更全面、更準確的交通信息。車載裝置采集的公交車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和路側(cè)傳感器采集的交通流量、信號燈狀態(tài)等數(shù)據(jù)，雖然各自反映了交通系統(tǒng)的某一方面信息，但通過數(shù)據(jù)融合，可以將這些信息有機結(jié)合起來，提供更完整的交通圖景。例如，將公交車的位置信息與交叉口的信號燈狀態(tài)信息進行融合，可以準確判斷公交車在到達交叉口時是否需要等待紅燈，以及需要等待的時間，為公交優(yōu)先控制決策提供更直接的依據(jù)。數(shù)據(jù)存儲則是將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，以便后續(xù)查詢和分析。常用的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)包括關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)的特點和應(yīng)用需求選擇合適的數(shù)據(jù)庫進行存儲。例如，對于結(jié)構(gòu)化的交通流量數(shù)據(jù)、公交車運行時間表等，可以使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行存儲，以便進行復(fù)雜的查詢和統(tǒng)計分析；而對于非結(jié)構(gòu)化的視頻數(shù)據(jù)、文本數(shù)據(jù)等，可以使用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進行存儲，以提高數(shù)據(jù)的存儲和檢索效率。在完成數(shù)據(jù)預(yù)處理后，交通管理中心運用公交優(yōu)先控制模型對數(shù)據(jù)進行深入分析。主動優(yōu)先控制模型主要基于公交車旅行時間預(yù)測和優(yōu)先時間窗的確定來判斷是否給予公交優(yōu)先。通過前面建立的公交車旅行時間預(yù)測模型，結(jié)合實時采集的路況、站點停靠時間、交通信號等信息，預(yù)測公交車到達交叉口的時間。根據(jù)預(yù)測的到達時間，結(jié)合交叉口信號周期，確定優(yōu)先時間窗。如果公交車在優(yōu)先時間窗內(nèi)到達交叉口，則觸發(fā)公交優(yōu)先控制策略。例如，當(dāng)預(yù)測公交車將在某一交叉口的優(yōu)先時間窗內(nèi)到達，且當(dāng)前相位為紅燈時，主動優(yōu)先控制模型會根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則，如延長上一個相位的綠燈時間、提前結(jié)束紅燈時間或插入公交專用相位等，向信號控制器發(fā)送指令，使公交車能夠優(yōu)先通過交叉口。自適應(yīng)優(yōu)先控制模型則基于多目標(biāo)優(yōu)化思想，綜合考慮乘客總延誤、相位車輛排隊長度、社會車輛延誤等因素，建立多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)。通過實時采集的交通數(shù)據(jù)，運用多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法（MOPSO）對優(yōu)化函數(shù)進行求解，找到一組最優(yōu)的信號配時方案，實現(xiàn)公交優(yōu)先與整體交通效率的平衡。例如，在某一交叉口，當(dāng)交通流量較大，且公交車上的乘客數(shù)量較多時，自適應(yīng)優(yōu)先控制模型會根據(jù)實時采集的乘客總延誤、相位車輛排隊長度和社會車輛延誤等數(shù)據(jù)，通過MOPSO算法對信號燈配時進行優(yōu)化，在保證公交車優(yōu)先通行的同時，盡量減少對非公交相位車流的影響，避免非優(yōu)先相位出現(xiàn)擁堵。交通管理中心根據(jù)分析結(jié)果制定公交優(yōu)先控制策略，并將其發(fā)送給信號控制器。控制策略包括信號燈配時的調(diào)整，如延長綠燈時間、提前結(jié)束紅燈時間、插入公交專用相位等；還包括對公交車輛的調(diào)度指令，如調(diào)整發(fā)車時間、改變行駛路線等。信號控制器接收來自交通管理中心的控制策略后，根據(jù)指令對交通信號燈進行相應(yīng)的控制，實現(xiàn)公交優(yōu)先通行。例如，當(dāng)交通管理中心判斷某一公交車需要優(yōu)先通過某一交叉口時，會向該交叉口的信號控制器發(fā)送指令，要求延長當(dāng)前綠燈相位的時間，信號控制器接收到指令后，會按照要求延長綠燈時間，使公交車能夠順利通過交叉口。通過交通管理中心對采集數(shù)據(jù)的分析處理，結(jié)合公交優(yōu)先控制模型制定控制策略，并將其發(fā)送給信號控制器，實現(xiàn)了從數(shù)據(jù)到?jīng)Q策的轉(zhuǎn)化，為公交優(yōu)先控制的實施提供了決策依據(jù)和控制指令。4.2.3控制策略的執(zhí)行與反饋控制策略的執(zhí)行與反饋是公交優(yōu)先控制實施流程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它確保了公交優(yōu)先控制策略能夠在實際交通環(huán)境中得到有效執(zhí)行，并通過反饋機制對控制策略進行優(yōu)化和調(diào)整，以不斷提高公交優(yōu)先控制的效果和交通系統(tǒng)的整體運行效率。信號控制器作為控制策略的執(zhí)行主體，在接收到交通管理中心發(fā)送的公交優(yōu)先控制策略后，迅速按照指令對信號燈配時進行精確調(diào)整。當(dāng)公交優(yōu)先控制策略要求延長綠燈時間時，信號控制器會在當(dāng)前綠燈相位即將結(jié)束時，根據(jù)指令延長綠燈時長，確保公交車有足夠的時間通過交叉口。假設(shè)某一交叉口原本綠燈時間為30秒，當(dāng)檢測到公交車在優(yōu)先時間窗內(nèi)到達且需要優(yōu)先通行時，信號控制器根據(jù)交通管理中心的指令，將綠燈時間延長10秒，使公交車能夠順利通過該交叉口。如果控制策略是提前結(jié)束紅燈時間，信號控制器會在紅燈倒計時尚未結(jié)束時，提前切換到綠燈相位，讓公交車提前進入交叉口。例如，某一交叉口紅燈倒計時還剩15秒時，信號控制器接收到公交優(yōu)先控制指令，提前結(jié)束紅燈，將相位切換為綠燈，使公交車能夠提前通過交叉口，減少等待時間。在執(zhí)行相位插入策略時，信號控制器會在正常的信號燈相位序列中，插入一個專門為公交車設(shè)置的相位。在某個復(fù)雜的交叉口，正常的信號燈相位為東西向直行、東西向左轉(zhuǎn)、南北向直行、南北向左轉(zhuǎn)，當(dāng)有公交車需要優(yōu)先通行時，信號控制器會在南北向直行相位之后，插入一個公交專用相位，確保公交車能夠優(yōu)先通過交叉口，避免與其他車輛發(fā)生沖突。在執(zhí)行公交優(yōu)先控制策略的過程中，信號控制器會實時監(jiān)測交通狀況，將執(zhí)行結(jié)果反饋給交通管理中心。信號控制器通過與路側(cè)傳感器和車載裝置的通信，獲取交叉口各方向的交通流量、車輛排隊長度、公交車的運行狀態(tài)等信息。信號控制器可以根據(jù)地磁傳感器和視頻檢測器提供的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計交叉口各進口道的車輛排隊長度，并將這些信息反饋給交通管理中心。如果在執(zhí)行公交優(yōu)先控制策略后，發(fā)現(xiàn)某一非公交相位的車輛排隊長度過長，導(dǎo)致交通擁堵加劇，信號控制器會及時將這一情況反饋給交通管理中心。信號控制器還會監(jiān)測公交車的實際通行情況，如公交車是否按照預(yù)期在綠燈期間通過交叉口，是否出現(xiàn)異常停車等情況，并將這些信息反饋給交通管理中心。若發(fā)現(xiàn)某輛公交車在獲得優(yōu)先通行權(quán)后，由于其他原因未能及時通過交叉口，信號控制器會將該情況告知交通管理中心，以便交通管理中心分析原因并采取相應(yīng)的措施。交通管理中心根據(jù)信號控制器反饋的執(zhí)行結(jié)果，對公交優(yōu)先控制策略進行評估和優(yōu)化。如果反饋數(shù)據(jù)顯示公交優(yōu)先控制策略取得了良好的效果，如公交車的延誤時間明顯減少，乘客總延誤降低，同時對非公交相位車流的影響較小，交通管理中心會繼續(xù)維持當(dāng)前的控制策略。若反饋結(jié)果表明控制策略存在問題，如非優(yōu)先相位出現(xiàn)了嚴重的交通擁堵，或者公交車的優(yōu)先通行效果不理想，交通管理中心會深入分析原因?？赡苁怯捎诮煌髁康耐蝗蛔兓瑢?dǎo)致原有的控制策略不再適用；也可能是公交車旅行時間預(yù)測不準確，使得優(yōu)先時間窗的設(shè)置不合理。針對這些問題，交通管理中心會重新調(diào)整控制策略。如果是交通流量變化引起的問題，交通管理中心會根據(jù)新的交通流量數(shù)據(jù)，運用公交優(yōu)先控制模型重新計算信號燈配時方案，調(diào)整公共周期、綠信比和相位差等參數(shù)。若發(fā)現(xiàn)是公交車旅行時間預(yù)測誤差導(dǎo)致的問題，交通管理中心會對公交車旅行時間預(yù)測模型進行優(yōu)化，結(jié)合更多的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，提高預(yù)測的準確性，從而優(yōu)化優(yōu)先時間窗的確定和公交優(yōu)先控制策略的實施。通過信號控制器對控制策略的執(zhí)行以及將執(zhí)行結(jié)果反饋給交通管理中心，再由交通管理中心進行評估和優(yōu)化，形成了一個閉環(huán)的控制反饋機制，確保了公交優(yōu)先控制策略能夠根據(jù)實際交通狀況不斷調(diào)整和優(yōu)化，提高了公交優(yōu)先控制的效果和交通系統(tǒng)的整體運行效率。4.3應(yīng)用案例分析4.3.1案例選取與背景介紹本研究選取武漢市洪山區(qū)佳園路-雄楚大道交叉口作為應(yīng)用案例，該交叉口具有典型性和代表性，其交通狀況復(fù)雜，面臨著諸多交通問題，迫切需要實施公交優(yōu)先協(xié)調(diào)控制以改善交通運行狀況。武漢市作為公交都市的試點城市，在公共交通發(fā)展方面一直積極探索和實踐。然而，隨著城市的快速發(fā)展和交通需求的不斷增長，公交車輛在通過一些主要路口、路段時，通行效率仍然面臨挑戰(zhàn)