城市公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制理論與方法的深度剖析與實踐探索一、引言1.1研究背景與意義隨著城市化進程的快速推進，城市規(guī)模不斷擴大，人口持續(xù)增長，機動化水平也在日益提高。在這一背景下，城市交通擁堵問題愈發(fā)突出，已然成為制約城市可持續(xù)發(fā)展的重要瓶頸。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在我國許多大城市，如北京、上海、廣州等，早晚高峰時段交通擁堵狀況嚴重，平均車速甚至低于20公里/小時，由此導(dǎo)致的出行時間大幅增加、交通成本顯著上升以及環(huán)境污染加劇等問題，給城市居民的生活和城市的發(fā)展帶來了沉重負擔。在城市交通體系中，公共交通作為解決城市居民出行的關(guān)鍵方式，具有運量大、效率高、能耗低等諸多優(yōu)點，理應(yīng)在城市交通中占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，在實際運營中，公交車常常受到交通擁堵、信號延誤等因素的影響，導(dǎo)致運行速度慢、準點率低。例如，在一些交通繁忙的路段，公交車需要頻繁停車等待信號燈，其在交叉口的停車延誤時間甚至占到總行程時間的30%-50%，這不僅降低了公交服務(wù)質(zhì)量和吸引力，也使得部分居民放棄選擇公交出行，轉(zhuǎn)而選擇私家車等個體交通方式，進一步加劇了道路交通擁堵。公交信號優(yōu)先控制作為提高公交運行效率的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過對交通信號燈的控制，使公交車在交叉口能夠優(yōu)先通行，減少停車延誤，提高運行速度和準點率，進而提升公交服務(wù)質(zhì)量，吸引更多乘客選擇公交出行。當公交車接近交叉口時，通過公交信號優(yōu)先控制系統(tǒng)，可提前調(diào)整信號燈的配時，如采用綠燈延長、綠燈提前、相位插入等方式，確保公交車能夠順利通過交叉口，減少等待時間。在智能網(wǎng)聯(lián)車輛發(fā)展的大背景下，公交信號優(yōu)先控制的意義更為凸顯。智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)為公交信號優(yōu)先控制提供了更豐富、準確的信息來源，如車輛位置、速度、行駛方向等，使得公交信號優(yōu)先控制能夠更加精準地實施；同時，智能網(wǎng)聯(lián)車輛與傳統(tǒng)車輛混合行駛的交通環(huán)境，也對公交信號優(yōu)先控制提出了更高的要求，需要綜合考慮多種因素，優(yōu)化控制策略，以實現(xiàn)公交車輛與社會車輛的協(xié)同運行，提高整個交通系統(tǒng)的效率。公交信號優(yōu)先控制對城市交通的重要性主要體現(xiàn)在以下幾個關(guān)鍵方面：其一，能夠顯著提升公交效率。通過給予公交車信號優(yōu)先，可有效減少公交車在交叉口的停車延誤，提高公交車的運行速度和準點率，從而提升公交服務(wù)質(zhì)量，吸引更多乘客選擇公交出行。相關(guān)研究表明，實施公交信號優(yōu)先控制后，公交車的運行速度可提高15%-30%，準點率提升20%-40%。其二，有助于緩解交通擁堵。公交車輛的高效運行可以減少私人汽車的使用，降低道路交通流量，從而緩解交通擁堵狀況，提高道路通行能力。據(jù)統(tǒng)計，當公交出行分擔率提高10%時，道路交通流量可降低8%-12%。其三，能夠促進綠色出行。鼓勵更多人選擇公交出行，減少私人汽車的尾氣排放，有利于改善城市空氣質(zhì)量，促進城市的綠色可持續(xù)發(fā)展。以一輛普通私家車為例，其百公里油耗約為8-10升，而一輛公交車可搭載數(shù)十人甚至上百人，人均能耗和尾氣排放遠低于私家車。綜上所述，研究公交信號優(yōu)先協(xié)調(diào)控制理論與方法，對于提高公交運行效率、緩解城市交通擁堵、促進綠色出行具有重要的理論和實際意義。它不僅有助于提升城市交通管理水平，優(yōu)化交通資源配置，還能為城市的可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐，是解決當前城市交通問題的關(guān)鍵所在。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀公交信號優(yōu)先技術(shù)作為提升公交運行效率、緩解城市交通擁堵的關(guān)鍵手段，在全球范圍內(nèi)受到了廣泛關(guān)注與深入研究。國外對公交信號優(yōu)先技術(shù)的研究和應(yīng)用起步較早，技術(shù)相對成熟。美國、歐洲、日本等發(fā)達國家和地區(qū)在智能網(wǎng)聯(lián)交通系統(tǒng)方面進行了深入研究，取得了一系列重要成果，如自動駕駛、車路協(xié)同等技術(shù)已達到較高水平。美國的智能交通系統(tǒng)（ITS）發(fā)展較為領(lǐng)先，在交通信號控制策略研究方面，已形成了基于交通流預(yù)測和自適應(yīng)控制的理論體系，并通過開展一系列的示范項目，如“智能車輛高速公路系統(tǒng)（IVHS）”“車輛基礎(chǔ)設(shè)施集成（VII）”等，推動智能網(wǎng)聯(lián)車輛技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，其中公交信號優(yōu)先技術(shù)在這些項目中得到了廣泛應(yīng)用與實踐檢驗。歐洲在智能交通系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，注重與城市規(guī)劃和交通需求管理的緊密結(jié)合，通過實施“尤里卡PROMETHEUS”“伽利略計劃”等項目，大力發(fā)展智能網(wǎng)聯(lián)車輛技術(shù)，提高交通系統(tǒng)的智能化和網(wǎng)聯(lián)化水平，公交信號優(yōu)先技術(shù)在歐洲城市的交通管理中也發(fā)揮著重要作用，許多城市通過優(yōu)化交通信號配時，為公交車輛提供優(yōu)先通行權(quán)，有效提高了公交運行效率。日本則在智能網(wǎng)聯(lián)車輛的通信技術(shù)和自動控制技術(shù)方面取得了顯著進展，如開發(fā)了先進的車車通信（V2V）和車路通信（V2I）技術(shù)，實現(xiàn)了車輛之間以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的高效信息交互，這為公交信號優(yōu)先控制提供了更精準的數(shù)據(jù)支持和更高效的控制手段。我國智能網(wǎng)聯(lián)車輛研究起步較晚，但近年來發(fā)展迅速，政府、企業(yè)和高校等各方力量積極參與，形成了一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模和技術(shù)積累。政府高度重視智能網(wǎng)聯(lián)車輛的發(fā)展，出臺了一系列政策法規(guī)，如《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》等，為智能網(wǎng)聯(lián)車輛的發(fā)展提供了政策支持和引導(dǎo)，也為公交信號優(yōu)先技術(shù)的研究與應(yīng)用創(chuàng)造了良好的政策環(huán)境。國內(nèi)企業(yè)如華為、百度、比亞迪等積極投入智能網(wǎng)聯(lián)車輛技術(shù)的研發(fā)，在自動駕駛、車路協(xié)同、智能座艙等方面取得了重要突破，這些技術(shù)成果為公交信號優(yōu)先控制的創(chuàng)新發(fā)展提供了技術(shù)支撐。高校和科研機構(gòu)也在智能網(wǎng)聯(lián)車輛領(lǐng)域開展了大量的研究工作，如清華大學、同濟大學、北京航空航天大學等在智能網(wǎng)聯(lián)車輛的關(guān)鍵技術(shù)研究、系統(tǒng)集成與測試等方面取得了一系列成果，為我國智能網(wǎng)聯(lián)車輛的發(fā)展提供了技術(shù)支撐，在公交信號優(yōu)先控制領(lǐng)域也開展了諸多理論與應(yīng)用研究，取得了一定的研究成果。公交信號優(yōu)先控制的研究可追溯到20世紀60年代，法國最早提出公交優(yōu)先的理念。早期的公交信號優(yōu)先控制主要采用被動式控制策略，如設(shè)置公交專用相位、短周期等。這些策略不依賴實時交通信息，對公交車輛的實時運行狀態(tài)響應(yīng)不足，難以根據(jù)實際交通情況靈活調(diào)整信號配時，在復(fù)雜交通環(huán)境下的適用性有限。隨著信息、控制和通信技術(shù)的發(fā)展，特別是車輛自動定位系統(tǒng)（AVL）以及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）的出現(xiàn)，公交信號優(yōu)先控制逐漸向主動式和實時控制模式發(fā)展。主動式公交信號優(yōu)先控制通過檢測公交車輛的位置和運行狀態(tài)，當公交車輛接近交叉口時，主動調(diào)整信號燈的配時，如綠燈延長、綠燈提前、相位插入等，以減少公交車輛的延誤。例如，當公交車距離交叉口一定距離時，系統(tǒng)檢測到其位置和速度信息，若判斷公交車到達交叉口時可能遇到紅燈等待，便提前延長當前綠燈時間或提前切換至綠燈相位，使公交車能夠順利通過交叉口，有效減少了公交車的停車延誤時間。實時公交信號優(yōu)先控制則基于實時交通數(shù)據(jù)，以某一指標（如總延誤最小、通行能力最大等）為目標，動態(tài)優(yōu)化信號配時方案，實現(xiàn)公交車輛和社會車輛的協(xié)同控制。通過實時采集交通流量、車速、車輛排隊長度等信息，運用優(yōu)化算法對信號配時進行動態(tài)調(diào)整，在保障公交優(yōu)先的同時，盡量減少對社會車輛通行的影響，提高整個交通系統(tǒng)的運行效率。在公交信號優(yōu)先控制的策略研究方面，主要包括基于時空和基于位置兩種策略。前者是指根據(jù)公交車的預(yù)測位置和速度，來協(xié)調(diào)路口信號相位的變化，從而保證公交的暢通。通過建立公交車的運行模型，預(yù)測其在不同路段的行駛時間和到達交叉口的時刻，提前對信號相位進行優(yōu)化調(diào)整，確保公交車在交叉口能夠連續(xù)通行，減少停車等待次數(shù)。后者是指根據(jù)GPS數(shù)據(jù)實時監(jiān)測公交車的位置信息，根據(jù)不同交叉口的情景和公交車的行駛路線來調(diào)整信號燈的相位控制，從而優(yōu)化系統(tǒng)的通行效率。利用高精度的GPS定位技術(shù)，實時獲取公交車的精確位置，結(jié)合交叉口的實時交通狀況，如其他方向的車流量、行人過街需求等，靈活調(diào)整信號燈相位，實現(xiàn)公交車輛的優(yōu)先通行，同時保障其他交通參與者的合理通行權(quán)益。此外，還有線性規(guī)劃方法，通過在路口信號相位的控制中引入時間的連續(xù)移動以及不等式約束，解決了信號相位控制的多目標問題，使得公交車可獲得最佳的時空軌跡。在多目標優(yōu)化過程中，綜合考慮公交車輛的延誤、社會車輛的延誤、交叉口的通行能力等因素，通過線性規(guī)劃模型求解出最優(yōu)的信號配時方案，使公交車在滿足自身優(yōu)先通行需求的同時，盡量減少對整個交通系統(tǒng)的負面影響。在控制算法研究方面，目前常用的有固定時間控制、觸發(fā)式控制和自適應(yīng)控制三種。固定時間控制方法是指在一個路口的時間相位序列按照設(shè)定的先后順序依次運行，不受任何外界因素影響，缺點是不能適應(yīng)實時交通狀況的變化。在交通流量波動較大的情況下，固定時間控制可能導(dǎo)致某些方向的綠燈時間過長或過短，造成交通資源的浪費或擁堵加劇，無法滿足公交車輛和社會車輛的動態(tài)通行需求。觸發(fā)式控制方法是指當公交車到達路口時，通過感應(yīng)器等設(shè)備觸發(fā)相應(yīng)的信號控制，適應(yīng)性更加強，但也存在感應(yīng)器故障等問題。當感應(yīng)器出現(xiàn)故障時，可能無法及時檢測到公交車的到來，導(dǎo)致公交信號優(yōu)先控制無法正常實施，影響公交車的運行效率和準點率。自適應(yīng)控制方法是指通過路口自身的控制器來監(jiān)測車輛和行人等交通流，實時調(diào)整綠燈時間和相位控制，因此具有更好的適應(yīng)性和控制精度。利用智能傳感器和先進的控制算法，實時采集交通流信息，根據(jù)交通需求的變化動態(tài)調(diào)整信號配時，使交通信號燈的控制更加智能化、精準化，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的交通環(huán)境，實現(xiàn)公交車輛與社會車輛的高效協(xié)同運行。在仿真模型研究方面，公交信號優(yōu)先技術(shù)往往需要依靠仿真實驗來驗證不同算法和策略的效果。這些仿真模型通常采用智慧交通仿真軟件或框架，通過模擬交通系統(tǒng)、信號燈控制系統(tǒng)、公交車輛運行等過程，評估公交信號優(yōu)先技術(shù)對城市交通系統(tǒng)的影響和效益，從而確定最佳技術(shù)方案。常用的交通仿真軟件如VISSIM、SUMO等，能夠逼真地模擬城市交通場景，包括道路網(wǎng)絡(luò)、車輛行駛行為、信號燈控制等，通過輸入不同的交通參數(shù)和公交信號優(yōu)先策略，對公交信號優(yōu)先技術(shù)的實施效果進行量化分析，如計算公交車和社會車輛的延誤時間、通行速度、排隊長度等指標，為優(yōu)化公交信號優(yōu)先控制策略提供科學依據(jù)。盡管國內(nèi)外在公交信號優(yōu)先技術(shù)方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之處。傳統(tǒng)的公交信號優(yōu)先策略通常忽略了對其他非優(yōu)先方向車輛的影響，尤其是當非優(yōu)先方向已經(jīng)嚴重擁堵時，這種負面影響可能導(dǎo)致嚴重的交通擁堵。在實施公交信號優(yōu)先時，若過度延長公交方向的綠燈時間，可能會使非優(yōu)先方向的車輛長時間等待，加劇該方向的擁堵狀況，甚至引發(fā)交通癱瘓?，F(xiàn)有研究很少對交叉口可靠性在信號控制中的應(yīng)用做出有效的研究，而公交信號優(yōu)先改變了原信號配時，可能會破壞路網(wǎng)從而導(dǎo)致交叉口可靠性降低，因此，交叉口可靠性是公交信號優(yōu)先研究中不可避免的問題。公交信號優(yōu)先可能會改變交叉口各方向的交通流分布和通行能力，從而影響交叉口的可靠性，若在研究中忽視這一因素，可能導(dǎo)致公交信號優(yōu)先方案在實際應(yīng)用中出現(xiàn)穩(wěn)定性和可靠性問題，無法長期有效地發(fā)揮作用。在智能網(wǎng)聯(lián)車輛與傳統(tǒng)車輛混合行駛的交通環(huán)境下，如何綜合考慮多種車輛類型的特點和需求，進一步優(yōu)化公交信號優(yōu)先控制策略，實現(xiàn)交通系統(tǒng)的整體最優(yōu)運行，也是當前研究面臨的挑戰(zhàn)之一。智能網(wǎng)聯(lián)車輛具有信息交互和智能控制的優(yōu)勢，但傳統(tǒng)車輛仍占較大比例，如何協(xié)調(diào)兩者的通行，使公交信號優(yōu)先控制策略在混合交通環(huán)境下更加高效、穩(wěn)定地運行，需要進一步深入研究。1.3研究目標與內(nèi)容本研究的核心目標是深入剖析公交信號優(yōu)先協(xié)調(diào)控制的理論與方法，提出更高效、更科學的公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制方法，以顯著提升公交運行效率，優(yōu)化城市交通流，緩解交通擁堵狀況。具體而言，本研究將從以下幾個方面展開：構(gòu)建公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制理論框架：深入研究公交信號優(yōu)先協(xié)調(diào)控制的基本原理和實現(xiàn)機制，充分考慮智能網(wǎng)聯(lián)車輛與傳統(tǒng)車輛混合行駛的交通環(huán)境特點，以及公交車輛和社會車輛的運行特性，構(gòu)建全面且系統(tǒng)的公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制理論框架。在這一框架中，將明確公交信號優(yōu)先的判定準則，如公交車輛的到達時間、速度、載客量等因素如何影響信號優(yōu)先的給予；探討公交信號優(yōu)先與交通流整體優(yōu)化的關(guān)系，分析如何在保障公交優(yōu)先的同時，最大程度減少對社會車輛通行的負面影響，實現(xiàn)交通系統(tǒng)的整體高效運行。設(shè)計公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制策略：綜合考慮公交車輛的運行規(guī)律、交通流量的實時變化以及交叉口的幾何特征等因素，設(shè)計靈活且實用的公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制策略。例如，針對不同交通流量條件下的公交信號優(yōu)先控制，當交通流量較小時，可采用較為寬松的優(yōu)先策略，如適當延長公交方向的綠燈時間，以提高公交車輛的運行速度；當交通流量較大時，則需采用更為精準的優(yōu)先策略，如根據(jù)公交車輛的實時位置和速度，動態(tài)調(diào)整信號配時，確保公交車輛能夠在不造成其他方向嚴重擁堵的前提下優(yōu)先通行。還將考慮公交車輛與社會車輛的協(xié)同控制策略，通過合理分配綠燈時間和相位順序，實現(xiàn)兩者的高效協(xié)同運行。開發(fā)公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制算法：運用先進的優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，結(jié)合交通系統(tǒng)的實際需求和約束條件，開發(fā)高效的公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制算法。這些算法將以最小化公交車輛和社會車輛的總延誤時間、最大化交叉口的通行能力等為優(yōu)化目標，通過對信號配時參數(shù)的動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)公交信號優(yōu)先的智能化控制。利用遺傳算法的全局搜索能力，在眾多可能的信號配時方案中尋找最優(yōu)解，以適應(yīng)復(fù)雜多變的交通狀況；借助粒子群優(yōu)化算法的快速收斂特性，提高算法的計算效率，確保能夠在短時間內(nèi)生成合理的信號配時方案，滿足實時交通控制的需求。建立公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制模型：基于交通流理論和實際交通數(shù)據(jù)，建立精確的公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制模型，對公交信號優(yōu)先控制策略和算法進行模擬和驗證。該模型將涵蓋交通系統(tǒng)的各個要素，包括道路網(wǎng)絡(luò)、公交車輛、社會車輛、信號燈等，并能夠準確模擬它們之間的相互作用和動態(tài)變化。通過輸入不同的交通參數(shù)和控制策略，利用該模型對公交信號優(yōu)先控制的效果進行量化評估，如計算公交車輛和社會車輛的延誤時間、通行速度、排隊長度等指標，分析不同控制策略和算法的優(yōu)劣，為進一步優(yōu)化提供依據(jù)。開展案例分析與實證研究：選取典型城市的實際交通場景，應(yīng)用所建立的公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制模型和算法，進行案例分析和實證研究，評估公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制方法的實際效果和應(yīng)用價值。在案例分析中，將詳細收集和分析實際交通數(shù)據(jù)，包括交通流量、車速、公交車輛運行時間等，對比實施公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制前后的交通運行指標，驗證控制方法的有效性和可行性。還將與其他現(xiàn)有的公交信號優(yōu)先控制方法進行對比，分析本研究提出方法的優(yōu)勢和創(chuàng)新點，為其在實際交通管理中的推廣應(yīng)用提供有力支持。1.4研究方法與技術(shù)路線為了實現(xiàn)研究目標，本研究將綜合運用多種研究方法，確保研究的科學性、全面性和實用性。在研究方法上，本研究將采用文獻研究法，系統(tǒng)梳理國內(nèi)外公交信號優(yōu)先協(xié)調(diào)控制領(lǐng)域的相關(guān)文獻資料，包括學術(shù)論文、研究報告、技術(shù)標準等，深入了解該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在的問題，為后續(xù)研究提供堅實的理論基礎(chǔ)和參考依據(jù)。通過對大量文獻的分析，總結(jié)已有研究在公交信號優(yōu)先策略、控制算法、模型建立等方面的成果與不足，明確本研究的切入點和創(chuàng)新方向。實地調(diào)查法也是本研究的重要方法之一。對典型城市的公交運營線路和交叉口進行實地考察，收集公交車輛運行數(shù)據(jù)、交通流量數(shù)據(jù)、信號燈配時數(shù)據(jù)等，了解公交信號優(yōu)先協(xié)調(diào)控制的實際運行情況和存在的問題。在實地調(diào)查過程中，與公交運營公司、交通管理部門的工作人員進行交流，獲取第一手資料，深入了解實際運營中的需求和難點，為研究提供真實可靠的數(shù)據(jù)支持。數(shù)學建模是本研究的核心方法之一。運用交通流理論、運籌學、控制理論等知識，建立公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制模型，對公交信號優(yōu)先控制策略和算法進行數(shù)學描述和分析。根據(jù)公交車輛和社會車輛的運行特性，構(gòu)建車輛行駛模型、信號配時模型、延誤計算模型等，通過數(shù)學模型的求解和分析，優(yōu)化公交信號優(yōu)先控制策略和算法，提高公交運行效率和交通系統(tǒng)的整體性能。仿真模擬法將貫穿于研究的全過程。利用專業(yè)的交通仿真軟件，如VISSIM、SUMO等，對公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制模型和算法進行仿真模擬，評估不同控制策略和算法的效果。通過設(shè)置不同的交通場景和參數(shù)，模擬公交車輛和社會車輛在不同條件下的運行情況，分析公交信號優(yōu)先控制對公交運行效率、交通擁堵狀況、社會車輛延誤等指標的影響，為優(yōu)化控制策略和算法提供直觀的依據(jù)。案例分析法也是不可或缺的。選取典型城市的實際交通案例，應(yīng)用所建立的公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制模型和算法進行分析和驗證，總結(jié)經(jīng)驗教訓，提出改進措施。在案例分析中，對比實施公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制前后的交通運行指標，評估控制方法的實際效果和應(yīng)用價值，為推廣應(yīng)用提供實踐經(jīng)驗。在技術(shù)路線方面，本研究將首先進行文獻研究和實地調(diào)查，全面了解公交信號優(yōu)先協(xié)調(diào)控制的研究現(xiàn)狀和實際需求，明確研究問題和目標。通過對國內(nèi)外相關(guān)文獻的綜合分析，梳理研究脈絡(luò)，把握研究重點和難點；通過實地調(diào)查，深入了解公交運營和交通管理的實際情況，獲取真實的數(shù)據(jù)和問題?；谖墨I研究和實地調(diào)查的結(jié)果，構(gòu)建公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制理論框架，明確公交信號優(yōu)先的判定準則、控制策略和算法設(shè)計思路。在理論框架的指導(dǎo)下，建立公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制模型，確定模型的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和求解方法。運用數(shù)學建模和仿真模擬方法，對公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制模型和算法進行優(yōu)化和驗證。通過不斷調(diào)整模型參數(shù)和算法策略，進行多次仿真實驗，尋找最優(yōu)的控制方案，提高公交運行效率和交通系統(tǒng)的整體性能。選取典型城市的實際交通場景，進行案例分析和實證研究，評估公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制方法的實際效果和應(yīng)用價值。根據(jù)案例分析的結(jié)果，總結(jié)經(jīng)驗教訓，提出改進措施和建議，為公交信號優(yōu)先協(xié)調(diào)控制的實際應(yīng)用提供參考。最后，總結(jié)研究成果，撰寫研究報告和學術(shù)論文，提出公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制的理論、方法和應(yīng)用建議，為城市交通管理提供決策支持。將研究成果進行系統(tǒng)整理和總結(jié)，形成具有理論價值和實踐指導(dǎo)意義的研究報告和學術(shù)論文，推動公交信號優(yōu)先協(xié)調(diào)控制技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。二、公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制理論基礎(chǔ)2.1相關(guān)概念與定義公交優(yōu)先，作為城市交通發(fā)展的核心策略之一，是指在城市交通資源分配和管理中，將公共交通置于優(yōu)先地位，通過政策扶持、設(shè)施建設(shè)和運行管理等多方面措施，確保公共交通系統(tǒng)能夠高效、便捷地運行，為廣大市民提供優(yōu)質(zhì)的出行服務(wù)。在政策層面，政府通過制定相關(guān)法規(guī)和政策，如優(yōu)先保證公交用地、優(yōu)先給予公交資金投入、給予公交運營補貼等，為公交優(yōu)先發(fā)展創(chuàng)造良好的政策環(huán)境；在設(shè)施建設(shè)方面，建設(shè)公交專用道、公交專用路口、公交換乘樞紐等，為公交車輛提供專用的道路資源和便捷的換乘條件，減少公交車輛與社會車輛的相互干擾，提高公交運行速度；在運行管理方面，優(yōu)化公交線路和站點設(shè)置，合理安排公交發(fā)車頻率，運用智能調(diào)度系統(tǒng)實現(xiàn)公交車輛的科學調(diào)度，提高公交服務(wù)的可靠性和準點率。信號協(xié)調(diào)控制，是指對城市道路網(wǎng)絡(luò)中多個交叉口的交通信號燈進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)和控制，通過優(yōu)化信號燈的周期時長、綠信比和相位差等參數(shù)，使車輛在通過多個交叉口時能夠連續(xù)順暢地通行，減少停車次數(shù)和延誤時間，提高道路的整體通行能力和交通運行效率。以城市主干道上的一系列交叉口為例，通過信號協(xié)調(diào)控制，使各交叉口的信號燈按照一定的時間順序和規(guī)律變化，形成“綠波帶”，當車輛以合適的速度行駛在主干道上時，能夠連續(xù)遇到綠燈，無需停車等待，從而大大提高了車輛的行駛速度和道路的通行能力。公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制，是將公交優(yōu)先理念與信號協(xié)調(diào)控制技術(shù)有機結(jié)合，在保障公交車輛在交叉口優(yōu)先通行的，對多個交叉口的信號燈進行協(xié)調(diào)控制，以實現(xiàn)公交車輛在整個道路網(wǎng)絡(luò)中的高效運行，同時盡量減少對社會車輛通行的負面影響。當公交車輛接近交叉口時，通過公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，根據(jù)公交車輛的實時位置、速度和交通流量等信息，動態(tài)調(diào)整信號燈的配時，如采用綠燈延長、綠燈提前、相位插入等方式，確保公交車輛能夠優(yōu)先通過交叉口；在對多個交叉口進行信號協(xié)調(diào)控制時，充分考慮公交車輛的運行需求和線路特點，優(yōu)化信號燈的周期時長、綠信比和相位差等參數(shù)，使公交車輛在通過多個交叉口時能夠連續(xù)順暢地通行，提高公交運行效率和服務(wù)質(zhì)量。公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要由以下幾個部分構(gòu)成：車輛檢測與通信子系統(tǒng)，通過傳感器、全球定位系統(tǒng)（GPS）、車路通信（V2I）等技術(shù)，實時獲取公交車輛的位置、速度、行駛方向等信息，并將這些信息傳輸給信號控制子系統(tǒng)。在公交車輛上安裝GPS設(shè)備，實時獲取車輛的位置信息，通過無線通信技術(shù)將信息傳輸?shù)铰愤叺慕邮赵O(shè)備，再由接收設(shè)備將信息傳輸給信號控制子系統(tǒng)；信號控制子系統(tǒng)，根據(jù)車輛檢測與通信子系統(tǒng)傳來的公交車輛信息以及交通流量等實時交通數(shù)據(jù)，運用優(yōu)化算法和控制策略，對信號燈的配時進行動態(tài)調(diào)整。利用交通流預(yù)測模型，根據(jù)實時交通數(shù)據(jù)預(yù)測未來一段時間內(nèi)的交通流量變化，結(jié)合公交車輛的位置和速度信息，運用遺傳算法等優(yōu)化算法求解出最優(yōu)的信號配時方案，控制信號燈的變化；交通信息采集與處理子系統(tǒng)，負責采集道路交通流量、車速、車輛排隊長度等交通信息，并對這些信息進行分析和處理，為信號控制子系統(tǒng)提供決策依據(jù)。通過地磁傳感器、視頻檢測器等設(shè)備采集交通流量和車速信息，利用數(shù)據(jù)挖掘和分析技術(shù)對采集到的信息進行處理，提取有價值的信息，如交通流量的變化趨勢、擁堵路段的位置等，為信號控制子系統(tǒng)制定合理的控制策略提供支持；人機交互子系統(tǒng)，為交通管理人員提供操作界面，使其能夠?qū)崟r監(jiān)控公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置和調(diào)整，及時處理系統(tǒng)故障和異常情況。交通管理人員可以通過人機交互子系統(tǒng)查看公交車輛的運行軌跡、信號燈的配時方案、交通流量等信息，根據(jù)實際情況對系統(tǒng)參數(shù)進行調(diào)整，如調(diào)整信號燈的周期時長、綠信比等，以適應(yīng)不同的交通需求。公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)具有以下重要功能：公交信號優(yōu)先功能，當公交車輛接近交叉口時，系統(tǒng)能夠根據(jù)公交車輛的實時狀態(tài)和交通情況，自動調(diào)整信號燈的配時，給予公交車輛優(yōu)先通行權(quán)，減少公交車輛在交叉口的停車延誤時間。當公交車輛距離交叉口一定距離時，系統(tǒng)檢測到公交車輛的位置和速度信息，若判斷公交車輛到達交叉口時可能遇到紅燈等待，便自動延長當前綠燈時間或提前切換至綠燈相位，使公交車輛能夠順利通過交叉口；信號協(xié)調(diào)控制功能，對多個交叉口的信號燈進行協(xié)調(diào)控制，優(yōu)化信號燈的周期時長、綠信比和相位差等參數(shù)，使公交車輛和社會車輛在通過多個交叉口時能夠連續(xù)順暢地通行，提高道路的整體通行能力。通過建立信號協(xié)調(diào)控制模型，根據(jù)各交叉口的交通流量、公交車輛的運行線路和時間要求等因素，計算出最優(yōu)的信號燈配時方案，使各交叉口的信號燈按照一定的時間順序和規(guī)律變化，形成“綠波帶”，保障公交車輛和社會車輛的高效通行；交通信息采集與分析功能，實時采集道路交通信息，對這些信息進行分析和處理，為系統(tǒng)的決策和控制提供數(shù)據(jù)支持，同時也為交通管理部門提供交通運行狀況的監(jiān)測和評估依據(jù)。利用交通信息采集設(shè)備，如地磁傳感器、視頻檢測器等，實時采集交通流量、車速、車輛排隊長度等信息，通過數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)，對采集到的信息進行深入分析，了解交通運行規(guī)律和擁堵情況，為優(yōu)化信號配時和交通管理決策提供科學依據(jù)；系統(tǒng)監(jiān)控與管理功能，對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)和處理系統(tǒng)故障和異常情況，同時對系統(tǒng)的參數(shù)和配置進行管理和維護，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。通過設(shè)置監(jiān)控指標和預(yù)警機制，實時監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)備、軟件程序、通信鏈路等運行狀態(tài)，當出現(xiàn)故障或異常情況時，及時發(fā)出警報并采取相應(yīng)的處理措施，保障系統(tǒng)的正常運行。2.2基本原理與作用機制公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制的核心在于通過科學調(diào)整信號燈的時間和相位，為公交車輛開辟優(yōu)先通行的“綠色通道”，最大程度減少其在交叉口的延誤，確保公交運行的高效與準時。在信號燈時間調(diào)整方面，主要手段包括綠燈延長、綠燈提前和紅燈縮短。當公交車輛接近交叉口時，系統(tǒng)首先利用車輛檢測與通信子系統(tǒng)，如安裝在公交車上的GPS設(shè)備和路邊的感應(yīng)裝置，實時獲取公交車輛的位置、速度等關(guān)鍵信息。若系統(tǒng)判斷公交車輛到達交叉口時可能遭遇紅燈等待，便會啟動綠燈延長機制。以某城市的一條主干道為例，在未實施公交信號優(yōu)先控制前，公交車在某交叉口的平均停車延誤時間為60秒。實施公交信號優(yōu)先控制后，當公交車距離交叉口50米且車速為30公里/小時時，系統(tǒng)檢測到公交車的位置和速度信息，預(yù)測公交車到達交叉口時紅燈還剩20秒。此時，系統(tǒng)自動將當前綠燈時間延長20秒，使公交車能夠順利通過交叉口，停車延誤時間減少至10秒，大大提高了公交運行效率。綠燈提前則是在公交車輛即將到達時，提前將信號燈切換至綠燈相位，讓公交車輛無需等待即可通行。紅燈縮短是指在公交車輛到達前，適當縮短紅燈時長，加快公交車輛的通行速度。相位調(diào)整也是公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制的重要環(huán)節(jié)，主要方式有相位插入和相位順序優(yōu)化。相位插入是在合適的時機為公交車輛專門插入一個綠燈相位，使其能夠優(yōu)先通過交叉口。在一個四相位的交叉口，正常的相位順序為東西直行、東西左轉(zhuǎn)、南北直行、南北左轉(zhuǎn)。當有公交車輛需要優(yōu)先通行時，可在東西直行相位結(jié)束后，插入一個公交專用綠燈相位，讓公交車輛優(yōu)先通過，然后再恢復(fù)正常的相位順序。相位順序優(yōu)化則是根據(jù)公交車輛的運行需求和交通流量情況，合理調(diào)整各相位的先后順序，使公交車輛能夠在更有利的時間通過交叉口。在早高峰期間，某主干道上的公交車輛流量較大，而與之相交道路的車流量相對較小。此時，通過相位順序優(yōu)化，將公交車輛行駛方向的相位提前，減少公交車輛的等待時間，提高了公交運行效率，同時也避免了對其他方向交通的過度影響。公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制通過信號燈時間和相位的精準調(diào)整，能夠顯著減少公交車輛在交叉口的延誤。根據(jù)相關(guān)研究和實際案例分析，實施公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制后，公交車輛在交叉口的平均延誤時間可降低30%-50%。在某大城市的一條公交線路上，實施公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制后，公交車的平均運行速度提高了20%，準點率從原來的60%提升至80%，大大提升了公交服務(wù)質(zhì)量和吸引力。公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制還能通過提高公交運行效率，吸引更多乘客選擇公交出行，從而減少私人汽車的使用，降低道路交通流量，緩解交通擁堵狀況，提高道路的整體通行能力。當公交車輛的運行速度和準點率提高后，更多居民會愿意放棄私家車，選擇乘坐公交車出行。據(jù)統(tǒng)計，當公交出行分擔率提高10%時，道路交通流量可降低8%-12%，有效緩解了交通擁堵，提高了道路的通行效率。2.3與城市交通系統(tǒng)的關(guān)系公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制作為城市交通管理的重要組成部分，與城市交通系統(tǒng)的各個要素緊密相連，對城市交通流量、道路通行能力、公共交通吸引力等方面產(chǎn)生著深遠影響。公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制能夠顯著改善城市交通流量分布。在傳統(tǒng)交通信號控制模式下，交通信號燈的配時往往基于歷史平均交通流量，難以適應(yīng)實時交通狀況的變化。而公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制通過實時監(jiān)測公交車輛和社會車輛的運行狀態(tài)，根據(jù)交通流量的動態(tài)變化，靈活調(diào)整信號燈的配時和相位，引導(dǎo)車輛合理通行，從而有效改善交通流量分布。在早高峰期間，某主干道上的公交車輛和社會車輛流量均較大，且公交車輛行駛方向的交通需求更為突出。公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制通過實時監(jiān)測交通流量，發(fā)現(xiàn)該方向的公交車輛排隊長度較長，且社會車輛的通行也受到一定影響。此時，系統(tǒng)自動延長公交車輛行駛方向的綠燈時間，同時適當縮短其他方向的綠燈時間，使公交車輛能夠快速通過交叉口，減少了公交車輛的延誤時間，也緩解了該方向的交通擁堵狀況，使交通流量得到了合理分配。據(jù)相關(guān)研究和實際案例分析，實施公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制后，在交通繁忙路段，交通流量的分布合理性可提高20%-30%，有效減少了交通擁堵點的出現(xiàn)，提高了道路的整體通行效率。道路通行能力是衡量城市交通系統(tǒng)運行效率的重要指標，公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制對其提升具有積極作用。通過給予公交車輛信號優(yōu)先，減少了公交車輛在交叉口的停車延誤和等待時間，使公交車輛能夠保持較高的運行速度和較穩(wěn)定的運行狀態(tài)，從而提高了公交車輛的通行效率。公交車輛的高效通行又吸引更多乘客選擇公交出行，減少了私人汽車的使用，降低了道路交通流量，進而緩解了道路擁堵，提高了道路的整體通行能力。在某城市的一條主干道上，實施公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制前，該路段在高峰時段的平均車速僅為20公里/小時，道路通行能力較低，交通擁堵現(xiàn)象嚴重。實施公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制后，公交車的平均運行速度提高到30公里/小時，公交出行分擔率從原來的30%提高到40%，道路交通流量相應(yīng)降低，道路的平均車速提升至30公里/小時，道路通行能力提高了30%-40%，有效改善了交通運行狀況。公共交通吸引力的提升是公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制的重要目標之一，也對城市交通系統(tǒng)的優(yōu)化具有重要意義。公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制通過減少公交車輛的延誤時間，提高公交車輛的運行速度和準點率，使公交出行更加快捷、準時，從而提升了公交服務(wù)質(zhì)量和吸引力。當公交出行的可靠性和便捷性提高后，更多居民會選擇公交出行，減少對私人汽車的依賴。在某城市的一條公交線路上，實施公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制前，由于公交車運行速度慢、準點率低，居民對公交出行的滿意度較低，公交出行分擔率僅為25%。實施公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制后，公交車的準點率從原來的60%提升至80%，運行速度提高了20%，居民對公交出行的滿意度顯著提高，公交出行分擔率提高到35%，有效促進了城市交通結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，減少了私人汽車的使用，降低了道路交通擁堵和尾氣排放。公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制與城市交通系統(tǒng)中的其他交通管理措施相互配合，共同促進城市交通系統(tǒng)的高效運行。與公交專用道設(shè)置相結(jié)合，公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制能夠為公交車輛提供更加可靠的優(yōu)先通行保障。公交專用道為公交車輛提供了專用的道路資源，減少了公交車輛與社會車輛的相互干擾，而公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制則在交叉口處為公交車輛提供信號優(yōu)先，進一步提高了公交車輛的運行效率。與交通需求管理措施相結(jié)合，公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制能夠更好地引導(dǎo)居民出行方式的選擇。交通需求管理措施如限制私家車出行、提高停車收費等，可以減少道路交通流量，而公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制則通過提升公交服務(wù)質(zhì)量，吸引更多居民選擇公交出行，兩者相互配合，能夠有效緩解城市交通擁堵，提高城市交通系統(tǒng)的運行效率。三、公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制策略3.1被動優(yōu)先策略3.1.1策略內(nèi)容與特點被動優(yōu)先策略是公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制中較為基礎(chǔ)的一類策略，其主要依據(jù)歷史交通數(shù)據(jù)進行離線優(yōu)化，旨在為公交車輛提供相對穩(wěn)定的優(yōu)先通行條件。在策略內(nèi)容方面，短周期是常見的措施之一。通過設(shè)置較短的信號周期，可增加公交車輛在單位時間內(nèi)通過交叉口的機會。在某一交通流量相對穩(wěn)定的區(qū)域，將信號周期從原來的120秒縮短至90秒，公交車輛在該交叉口的平均等待次數(shù)減少了1-2次，有效提高了公交車輛的通行效率。公交專用相位也是被動優(yōu)先策略的重要組成部分。專門為公交車輛設(shè)置獨立的綠燈相位，使其在該相位內(nèi)能夠不受其他方向車輛干擾，優(yōu)先通過交叉口。在一個四相位的交叉口，為公交車輛增設(shè)一個專用的綠燈相位，時長為30秒，在該相位內(nèi)，只有公交車輛可以通行，避免了與社會車輛的沖突，大大提高了公交車輛的通行速度。這種策略還包括調(diào)整綠信比，根據(jù)公交車輛的運行需求，適當增加公交車輛行駛方向的綠燈時間占比。在某主干道上，將公交車輛行駛方向的綠信比從原來的40%提高到50%，公交車輛在該路段的平均運行速度提高了15%-20%，有效減少了公交車輛的延誤時間。被動優(yōu)先策略具有顯著特點，其不依賴實時交通信息，主要依據(jù)歷史交通數(shù)據(jù)和經(jīng)驗進行信號配時的設(shè)定。這使得該策略在實施過程中相對簡單，不需要復(fù)雜的實時監(jiān)測和通信設(shè)備，成本較低。由于其配時方案是基于歷史數(shù)據(jù)的固定設(shè)置，具有較強的穩(wěn)定性，在交通流量變化不大的情況下，能夠為公交車輛提供相對穩(wěn)定的優(yōu)先通行保障。在一些交通流量較為穩(wěn)定的城市次干道上，采用被動優(yōu)先策略，公交車輛的運行穩(wěn)定性得到了有效保障，準點率維持在較高水平。3.1.2適用場景與局限性被動優(yōu)先策略適用于公交運行穩(wěn)定、發(fā)車頻率高的場景。在一些城市的主要公交線路上，公交車輛的發(fā)車頻率較高，且運行時間和路線相對固定，采用被動優(yōu)先策略能夠有效地提高公交車輛的運行效率。在某大城市的一條貫穿市中心的公交線路上，公交車輛每隔5-8分鐘發(fā)車一班，運行時間和路線多年來保持穩(wěn)定。通過設(shè)置公交專用相位和調(diào)整綠信比等被動優(yōu)先策略，該線路上的公交車輛平均運行速度提高了20%-30%，準點率從原來的70%提升至85%，大大提升了公交服務(wù)質(zhì)量。該策略也存在明顯的局限性。由于其不依賴實時交通信息，對公交實時運行狀態(tài)響應(yīng)不足。當公交車輛出現(xiàn)晚點、提前等異常情況時，被動優(yōu)先策略無法及時做出調(diào)整，導(dǎo)致公交車輛的優(yōu)先通行效果大打折扣。在交通高峰期，由于道路擁堵，某公交車輛出現(xiàn)了10分鐘的晚點，但由于被動優(yōu)先策略的信號配時是固定的，該公交車輛仍然按照原有的信號配時通過交叉口，無法獲得額外的優(yōu)先通行權(quán)，導(dǎo)致晚點情況進一步加劇。被動優(yōu)先策略難以適應(yīng)交通流量的實時變化。在交通流量波動較大的情況下，固定的信號配時可能導(dǎo)致公交車輛和社會車輛的通行效率都受到影響。在工作日的早晚高峰期間，交通流量會大幅增加，且不同方向的流量變化差異較大。若此時仍采用基于歷史平均流量的被動優(yōu)先策略，可能會出現(xiàn)公交方向綠燈時間過長，而其他方向車輛擁堵嚴重的情況，降低了整個交通系統(tǒng)的運行效率。3.2主動優(yōu)先策略3.2.1基于檢測信息的控制方式主動優(yōu)先策略相較于被動優(yōu)先策略，更具實時性和靈活性，其核心在于借助先進的檢測技術(shù)，實時獲取公交車輛的位置和運行狀態(tài)信息，并據(jù)此動態(tài)調(diào)整信號燈狀態(tài)，為公交車輛提供更為精準的優(yōu)先通行服務(wù)。在檢測技術(shù)方面，目前主要采用的有射頻識別（RFID）技術(shù)、全球定位系統(tǒng)（GPS）以及視頻檢測技術(shù)等。以RFID技術(shù)為例，在公交車輛上安裝RFID標簽，在交叉口附近設(shè)置RFID閱讀器。當公交車輛接近交叉口時，閱讀器能夠快速準確地讀取標簽信息，從而獲取公交車輛的身份識別、位置等關(guān)鍵信息。這一過程如同給公交車輛貼上了一個獨特的“電子標簽”，當它進入閱讀器的感應(yīng)范圍，就會被精準識別，為后續(xù)的信號控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。GPS技術(shù)則通過衛(wèi)星定位，實時追蹤公交車輛的位置和速度信息，其定位精度高，能夠?qū)崿F(xiàn)對公交車輛的全程動態(tài)監(jiān)測。通過GPS設(shè)備，公交車輛的位置信息可以精確到米級，速度信息也能實時更新，為主動優(yōu)先策略提供了高精度的數(shù)據(jù)支持。視頻檢測技術(shù)利用安裝在交叉口的攝像頭，對公交車輛進行圖像識別和跟蹤，不僅能夠獲取公交車輛的位置信息，還能對車輛的運行狀態(tài)進行初步分析。通過視頻圖像分析，可判斷公交車輛是否處于正常行駛狀態(tài)，是否存在異常停車等情況，為信號控制提供更全面的信息?；谶@些檢測信息，常見的控制方式包括綠燈延長、綠燈提前和相位插入。綠燈延長是指當檢測到公交車輛接近交叉口且當前綠燈相位即將結(jié)束時，若判斷公交車輛無法在剩余綠燈時間內(nèi)順利通過交叉口，系統(tǒng)自動延長當前綠燈時間，確保公交車輛能夠優(yōu)先通過。在某城市的一個繁忙交叉口，當公交車輛距離停車線還有50米時，檢測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)當前綠燈僅剩10秒，而公交車輛以當前速度行駛無法在10秒內(nèi)通過交叉口。此時，系統(tǒng)立即將綠燈時間延長15秒，公交車輛順利通過交叉口，避免了停車等待，大大提高了公交運行效率。綠燈提前則是在公交車輛即將到達交叉口時，提前將當前信號燈切換至綠燈相位，使公交車輛無需等待即可通行。在早高峰期間，某公交車輛即將到達一個交叉口，檢測系統(tǒng)預(yù)測其到達時信號燈處于紅燈狀態(tài)。為了讓公交車輛優(yōu)先通行，系統(tǒng)提前5秒將信號燈切換至綠燈，公交車輛順利通過，減少了延誤時間。相位插入是在合適的時機為公交車輛專門插入一個綠燈相位，使其能夠優(yōu)先通過交叉口。在一個四相位的交叉口，正常的相位順序為東西直行、東西左轉(zhuǎn)、南北直行、南北左轉(zhuǎn)。當有公交車輛需要優(yōu)先通行時，系統(tǒng)在東西直行相位結(jié)束后，插入一個公交專用綠燈相位，時長為20秒，公交車輛在該相位內(nèi)優(yōu)先通過，然后再恢復(fù)正常的相位順序，有效保障了公交車輛的優(yōu)先通行權(quán)。3.2.2基于位置和時空的策略研究基于位置和時空的策略是主動優(yōu)先策略中的重要研究方向，其通過對公交車輛位置信息的實時監(jiān)測以及對時間和空間因素的綜合考量，實現(xiàn)更高效的公交信號優(yōu)先控制。基于GPS數(shù)據(jù)實時監(jiān)測公交車輛位置信息是該策略的基礎(chǔ)。借助高精度的GPS定位技術(shù)，系統(tǒng)能夠?qū)崟r獲取公交車輛的精確位置，誤差可控制在數(shù)米范圍內(nèi)。在某城市的公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，公交車上安裝的GPS設(shè)備每隔1秒向系統(tǒng)發(fā)送一次位置信息，系統(tǒng)通過對這些信息的實時接收和分析，能夠準確掌握公交車輛在道路網(wǎng)絡(luò)中的位置，為后續(xù)的信號控制決策提供了精準的數(shù)據(jù)支持。根據(jù)不同交叉口的情景和公交車輛的行駛路線來調(diào)整信號燈的相位控制，是實現(xiàn)高效控制的關(guān)鍵。在一些交通流量較大且復(fù)雜的交叉口，系統(tǒng)會根據(jù)實時采集的交通流量數(shù)據(jù)，結(jié)合公交車輛的位置和行駛方向，動態(tài)調(diào)整信號燈的相位順序和時長。在一個交通繁忙的T型交叉口，東西向為主干道，車流量較大，南北向為次干道，車流量相對較小。當有公交車輛沿東西向行駛接近該交叉口時，系統(tǒng)檢測到東西向當前車流量較大，且公交車輛即將到達。此時，系統(tǒng)將東西向的綠燈時間適當延長，同時提前結(jié)束南北向的綠燈相位，為公交車輛提供優(yōu)先通行條件，有效減少了公交車輛的延誤時間，同時盡量降低了對其他方向交通的影響。根據(jù)公交車的預(yù)測位置和速度來協(xié)調(diào)路口信號相位的變化，是基于時空策略的核心內(nèi)容。通過建立公交車的運行模型，結(jié)合實時的交通路況信息，對公交車的行駛時間和到達交叉口的時刻進行準確預(yù)測。在某城市的一條公交線路上，系統(tǒng)利用歷史交通數(shù)據(jù)和實時路況信息，建立了公交車的行駛時間預(yù)測模型。當公交車輛從起點站出發(fā)后，系統(tǒng)根據(jù)其當前位置、速度以及沿途的交通狀況，實時預(yù)測其到達各個交叉口的時間。當預(yù)測到公交車輛即將到達某交叉口時，系統(tǒng)提前對該交叉口的信號相位進行優(yōu)化調(diào)整，確保公交車輛在到達時能夠遇到綠燈，實現(xiàn)連續(xù)通行。在一條設(shè)有多個交叉口的公交線路上，系統(tǒng)通過對公交車輛位置和速度的實時監(jiān)測，預(yù)測公交車輛將在5分鐘后到達第一個交叉口，10分鐘后到達第二個交叉口。系統(tǒng)根據(jù)這一預(yù)測結(jié)果，提前調(diào)整兩個交叉口的信號相位，使公交車輛在通過第一個交叉口后，能夠以合適的速度行駛至第二個交叉口，并順利通過，減少了停車等待次數(shù)，提高了公交運行效率。3.3實時優(yōu)先策略3.3.1動態(tài)優(yōu)化信號配時方案實時優(yōu)先策略是公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制中最為先進和智能的策略之一，其核心在于充分利用實時交通數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)更高效的公交信號優(yōu)先控制。隨著智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)的飛速發(fā)展，獲取實時交通數(shù)據(jù)的手段日益豐富且精準。通過車輛檢測設(shè)備，如地磁傳感器、視頻檢測器等，可實時采集道路交通流量、車速、車輛排隊長度等信息；借助全球定位系統(tǒng)（GPS）、車路通信（V2I）、車車通信（V2V）等技術(shù)，能夠精確獲取公交車輛和社會車輛的位置、速度、行駛方向等關(guān)鍵信息。這些實時交通數(shù)據(jù)為動態(tài)優(yōu)化信號配時方案提供了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。以總延誤最小為目標動態(tài)優(yōu)化信號配時是實時優(yōu)先策略的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在某城市的一個繁忙交叉口，該交叉口處于城市主干道與次干道的交匯處，早晚高峰期間交通流量大且復(fù)雜。通過實時交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實時獲取到各方向的交通流量、公交車輛和社會車輛的位置與速度等信息。利用這些數(shù)據(jù)，以總延誤最小為目標構(gòu)建優(yōu)化模型。在模型中，考慮到公交車輛和社會車輛的不同權(quán)重，公交車輛由于其運載量大，對其延誤賦予較高的權(quán)重。例如，公交車輛的延誤權(quán)重設(shè)定為1.5，社會車輛的延誤權(quán)重設(shè)定為1。通過遺傳算法等優(yōu)化算法對模型進行求解，動態(tài)調(diào)整信號燈的周期時長、綠信比和相位差等參數(shù)。在早高峰期間，根據(jù)實時交通數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)主干道上公交車輛流量較大，且排隊長度較長。通過優(yōu)化算法計算，將主干道公交車輛行駛方向的綠燈時間適當延長，從原來的40秒延長至50秒，同時相應(yīng)縮短次干道的綠燈時間，從原來的30秒縮短至20秒。這樣的調(diào)整使得公交車輛在該交叉口的平均延誤時間從原來的40秒降低至25秒，社會車輛的平均延誤時間雖略有增加，但整體交通系統(tǒng)的總延誤時間明顯減少，從原來的每周期200秒降低至150秒，有效提高了交通系統(tǒng)的運行效率。除了總延誤最小，還可以通行能力最大、公交車輛準點率最高等為目標進行信號配時的動態(tài)優(yōu)化。以通行能力最大為目標時，在某城市的一個交通樞紐型交叉口，該交叉口連接著多條重要道路，交通流量大且流向復(fù)雜。通過實時交通數(shù)據(jù)采集，獲取到各方向的交通流量、車輛到達規(guī)律等信息。以該交叉口的通行能力最大為目標構(gòu)建優(yōu)化模型，運用粒子群優(yōu)化算法等對模型進行求解，動態(tài)調(diào)整信號燈的配時參數(shù)。根據(jù)實時交通數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)某一方向的交通流量在特定時間段內(nèi)大幅增加，且該方向上有較多的公交車輛。通過優(yōu)化算法計算，在該時間段內(nèi)增加該方向的綠燈時間占比，從原來的30%提高到40%，同時優(yōu)化相位順序，使該方向的車輛能夠更順暢地通過交叉口。經(jīng)過優(yōu)化后，該交叉口的通行能力從原來的每小時1500輛車提高到1800輛車，公交車輛在該交叉口的通過效率也顯著提高，準點率從原來的70%提升至80%，有效緩解了交通擁堵狀況，提高了整個交通系統(tǒng)的運行效率。3.3.2實現(xiàn)公交與社會車輛協(xié)同控制實時優(yōu)先策略在實現(xiàn)公交信號優(yōu)先的，高度重視公交與社會車輛的協(xié)同控制，以確保整個交通系統(tǒng)的高效運行。在實際交通場景中，公交車輛和社會車輛的運行相互影響，若不能實現(xiàn)兩者的協(xié)同控制，可能會導(dǎo)致交通擁堵加劇，降低整個交通系統(tǒng)的運行效率。在一個交通繁忙的交叉口，若僅考慮公交車輛的優(yōu)先通行，過度延長公交方向的綠燈時間，可能會使社會車輛在其他方向長時間等待，造成社會車輛的擁堵，甚至引發(fā)交通癱瘓。為實現(xiàn)公交與社會車輛的協(xié)同控制，實時優(yōu)先策略綜合考慮兩者的運行需求。通過實時交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實時獲取公交車輛和社會車輛的位置、速度、行駛方向、交通流量等信息，運用交通流預(yù)測模型對未來一段時間內(nèi)的交通狀況進行預(yù)測。在某城市的一條主干道上，實時交通數(shù)據(jù)顯示，在下午5點至7點的晚高峰期間，公交車輛和社會車輛的流量均較大，且公交車輛行駛方向的交通需求較為突出。通過交通流預(yù)測模型預(yù)測，若按照當前的信號配時方案，公交車輛和社會車輛在該路段的延誤都將大幅增加，交通擁堵狀況將進一步惡化。基于這些信息，實時優(yōu)先策略運用優(yōu)化算法對信號配時進行動態(tài)調(diào)整，在保障公交車輛優(yōu)先通行的，盡量減少對社會車輛通行的影響。采用綠燈時間分配優(yōu)化算法，根據(jù)公交車輛和社會車輛的實時流量和排隊長度，合理分配綠燈時間。在上述晚高峰的場景中，通過優(yōu)化算法計算，將公交車輛行駛方向的綠燈時間從原來的45秒延長至50秒，同時將社會車輛行駛方向的綠燈時間從原來的35秒縮短至30秒。這樣的調(diào)整在保障公交車輛能夠快速通過交叉口的，也盡量滿足了社會車輛的通行需求，使社會車輛的延誤時間控制在可接受的范圍內(nèi)。還可以通過相位順序優(yōu)化算法，根據(jù)公交車輛和社會車輛的運行情況，合理調(diào)整相位順序。在某一交叉口，當公交車輛即將到達時，若當前相位順序不利于公交車輛優(yōu)先通行，通過相位順序優(yōu)化算法，提前切換至公交車輛行駛方向的相位，使公交車輛能夠優(yōu)先通過交叉口，同時在后續(xù)相位中合理安排社會車輛的通行時間，實現(xiàn)兩者的協(xié)同運行。通過這些協(xié)同控制措施，公交車輛和社會車輛在交叉口的平均延誤時間都得到了有效控制，公交車輛的平均延誤時間從原來的40秒降低至30秒，社會車輛的平均延誤時間從原來的35秒增加至38秒，但整體交通系統(tǒng)的運行效率得到了顯著提高，交通擁堵狀況得到了明顯緩解。四、公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制算法與模型4.1常用控制算法分析4.1.1固定時間控制算法固定時間控制算法是一種較為傳統(tǒng)的交通信號控制算法，其基本原理是依據(jù)預(yù)先設(shè)定的時間相位序列來運行信號燈。在一個典型的十字交叉口，固定時間控制算法會將一個信號周期劃分為若干個相位，如東西直行相位、東西左轉(zhuǎn)相位、南北直行相位、南北左轉(zhuǎn)相位等。每個相位都被分配了固定的綠燈時間、紅燈時間和黃燈時間，并且按照固定的順序依次切換。在早高峰、晚高峰和平峰等不同時段，均按照這一固定的時間相位序列運行，不隨實時交通狀況的變化而改變。這種算法的優(yōu)點在于簡單易實現(xiàn)，不需要復(fù)雜的交通檢測設(shè)備和實時數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，成本較低。在一些交通流量相對穩(wěn)定、變化較小的區(qū)域，如城市的次干道或交通需求較為單一的區(qū)域，固定時間控制算法能夠維持交通的基本秩序。在某城市的一條次干道上，由于交通流量相對穩(wěn)定，采用固定時間控制算法，信號燈按照預(yù)先設(shè)定的時間相位序列運行，交通秩序良好，車輛能夠有序通行。固定時間控制算法的缺點也十分明顯，其最大的問題在于不能適應(yīng)實時交通狀況的變化。在交通流量波動較大的情況下，固定的信號配時可能導(dǎo)致某些方向的綠燈時間過長或過短，造成交通資源的浪費或擁堵加劇。在工作日的早高峰期間，某主干道上的交通流量大幅增加，且東西向的車流量明顯大于南北向。然而，由于固定時間控制算法的信號配時是基于歷史平均流量設(shè)定的，此時東西向的綠燈時間無法滿足實際交通需求，導(dǎo)致車輛排隊長度不斷增加，交通擁堵嚴重；而南北向的綠燈時間則相對過長，造成交通資源的浪費。固定時間控制算法無法根據(jù)公交車輛的實時運行狀態(tài)給予優(yōu)先通行權(quán)，難以滿足公交信號優(yōu)先控制的需求。當公交車輛出現(xiàn)晚點等情況時，固定時間控制算法無法及時調(diào)整信號配時，導(dǎo)致公交車輛在交叉口的延誤時間增加，準點率降低。4.1.2觸發(fā)式控制算法觸發(fā)式控制算法是一種相對靈活的交通信號控制算法，其工作原理是當公交車輛到達路口時，通過感應(yīng)器等設(shè)備檢測到公交車輛的到來，并觸發(fā)相應(yīng)的信號控制。在公交車輛上安裝射頻識別（RFID）標簽，在交叉口設(shè)置RFID閱讀器。當公交車輛接近交叉口時，閱讀器讀取到標簽信息，便觸發(fā)信號控制，根據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則調(diào)整信號燈的配時，如采用綠燈延長、綠燈提前或相位插入等方式，給予公交車輛優(yōu)先通行權(quán)。與固定時間控制算法相比，觸發(fā)式控制算法具有更強的適應(yīng)性，能夠根據(jù)公交車輛的實時到達情況給予優(yōu)先通行權(quán)，有效減少公交車輛在交叉口的延誤時間。在某城市的一條公交線路上，實施觸發(fā)式控制算法后，當公交車輛接近交叉口時，系統(tǒng)能夠及時檢測到并觸發(fā)信號控制，公交車輛在交叉口的平均延誤時間從原來的30秒降低至15秒，運行效率得到了顯著提高。觸發(fā)式控制算法也存在一些問題，其中感應(yīng)器故障是較為常見的問題之一。當感應(yīng)器出現(xiàn)故障時，可能無法及時檢測到公交車輛的到來，導(dǎo)致公交信號優(yōu)先控制無法正常實施，影響公交車的運行效率和準點率。在某交叉口，由于感應(yīng)器出現(xiàn)故障，公交車輛到達時未被及時檢測到，信號燈未按照優(yōu)先策略進行調(diào)整，公交車輛被迫停車等待紅燈，造成了10分鐘的延誤。觸發(fā)式控制算法在檢測公交車輛位置和速度時，可能存在一定的誤差，這也會影響信號控制的準確性和有效性。若檢測到的公交車輛位置和速度信息不準確，可能導(dǎo)致信號配時調(diào)整不合理，無法實現(xiàn)公交車輛的高效優(yōu)先通行。4.1.3自適應(yīng)控制算法自適應(yīng)控制算法是一種基于實時交通信息的智能交通信號控制算法，其核心是通過路口自身的控制器來監(jiān)測車輛和行人等交通流，實時調(diào)整綠燈時間和相位控制。在交叉口安裝地磁傳感器、視頻檢測器等設(shè)備，實時采集交通流量、車速、車輛排隊長度等交通信息；同時，利用全球定位系統(tǒng)（GPS）、車路通信（V2I）等技術(shù)，獲取公交車輛和社會車輛的位置、速度、行駛方向等信息?？刂破鞲鶕?jù)這些實時交通數(shù)據(jù)，運用優(yōu)化算法對信號配時進行動態(tài)調(diào)整，以適應(yīng)交通狀況的變化。自適應(yīng)控制算法具有顯著的優(yōu)勢，其能夠根據(jù)實時交通信息動態(tài)調(diào)整信號配時，使交通信號燈的控制更加智能化、精準化，具有更好的適應(yīng)性和控制精度。在交通流量波動較大的情況下，自適應(yīng)控制算法能夠及時調(diào)整信號配時，有效緩解交通擁堵。在某城市的一個交通繁忙的交叉口，實施自適應(yīng)控制算法后，在晚高峰期間，系統(tǒng)根據(jù)實時采集的交通流量信息，發(fā)現(xiàn)東西向車流量較大且公交車輛較多，便及時延長東西向的綠燈時間，從原來的40秒延長至50秒，同時縮短南北向的綠燈時間，從原來的30秒縮短至20秒。這樣的調(diào)整使得東西向的車輛能夠快速通過交叉口，減少了排隊長度和延誤時間，交通擁堵狀況得到了明顯緩解。自適應(yīng)控制算法能夠綜合考慮公交車輛和社會車輛的運行需求，在保障公交優(yōu)先的，盡量減少對社會車輛通行的影響，實現(xiàn)兩者的協(xié)同控制。在某交叉口，當公交車輛接近時，自適應(yīng)控制算法根據(jù)公交車輛和社會車輛的實時位置、速度和交通流量等信息，合理調(diào)整信號相位和綠燈時間，使公交車輛能夠優(yōu)先通過交叉口，同時社會車輛的延誤時間也控制在可接受的范圍內(nèi)。自適應(yīng)控制算法也存在一些不足之處，其對交通檢測設(shè)備和通信技術(shù)的要求較高，需要大量的傳感器和通信設(shè)備來實時采集和傳輸交通信息，建設(shè)和維護成本較高。在一些城市的老舊城區(qū)，由于基礎(chǔ)設(shè)施條件有限，難以大規(guī)模部署自適應(yīng)控制所需的檢測和通信設(shè)備，限制了該算法的應(yīng)用。自適應(yīng)控制算法的計算量較大，對控制器的性能要求較高，需要強大的計算能力來實時處理大量的交通數(shù)據(jù)并求解優(yōu)化模型。在交通流量較大、交叉口復(fù)雜的情況下，可能會出現(xiàn)計算時間過長，導(dǎo)致信號配時調(diào)整不及時的問題。4.2基于模型預(yù)測控制的方法4.2.1模型預(yù)測控制原理模型預(yù)測控制（ModelPredictiveControl，MPC）作為一種先進的控制策略，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其核心原理是基于系統(tǒng)的當前狀態(tài)，利用預(yù)測模型對系統(tǒng)未來的輸出進行預(yù)測，并通過滾動優(yōu)化的方式求解最優(yōu)控制策略。在交通信號控制領(lǐng)域，模型預(yù)測控制能夠充分考慮交通系統(tǒng)的動態(tài)特性和不確定性，為公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制提供了有效的解決方案。模型預(yù)測控制首先需要建立系統(tǒng)的預(yù)測模型，該模型用于描述系統(tǒng)的動態(tài)行為。在公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制中，預(yù)測模型通?；诮煌骼碚摌?gòu)建，充分考慮公交車輛和社會車輛的運行特性。常用的交通流模型如元胞自動機模型，將道路劃分為若干個元胞，每個元胞代表一定長度的路段，車輛在元胞間的移動遵循特定的規(guī)則，通過模擬車輛在元胞間的移動，能夠較為準確地描述交通流的動態(tài)變化。在某城市的一條主干道上，利用元胞自動機模型對交通流進行模擬，將道路劃分為100個元胞，每個元胞長度為5米，設(shè)定車輛的初始位置和速度，根據(jù)車輛的行駛規(guī)則，如加速、減速、跟車等，模擬車輛在道路上的行駛過程，從而預(yù)測交通流的變化情況。根據(jù)系統(tǒng)的當前狀態(tài)，預(yù)測模型能夠預(yù)測未來一段時間內(nèi)系統(tǒng)的輸出。在公交信號優(yōu)先控制中，通過預(yù)測模型可以預(yù)測公交車輛和社會車輛在未來幾個信號周期內(nèi)的到達時間、排隊長度等信息。在某交叉口，利用預(yù)測模型，根據(jù)當前公交車輛和社會車輛的位置、速度以及交通流量等信息，預(yù)測未來3-5個信號周期內(nèi)公交車輛和社會車輛的到達時間和排隊長度。若當前公交車輛距離交叉口500米，速度為30公里/小時，通過預(yù)測模型計算，預(yù)測其將在1分鐘后到達交叉口；同時預(yù)測社會車輛在該時間段內(nèi)的排隊長度將達到100米?；陬A(yù)測結(jié)果，模型預(yù)測控制以某一性能指標為目標，如總延誤最小、通行能力最大等，對控制策略進行滾動優(yōu)化。在每個控制周期內(nèi)，求解當前時刻的最優(yōu)控制策略，即確定信號燈的最佳配時方案。以總延誤最小為目標，在某交叉口，通過預(yù)測模型預(yù)測未來3個信號周期內(nèi)公交車輛和社會車輛的到達時間和排隊長度，利用遺傳算法等優(yōu)化算法對信號配時進行優(yōu)化。假設(shè)信號周期為120秒，初始配時方案為東西直行綠燈時間40秒，東西左轉(zhuǎn)綠燈時間20秒，南北直行綠燈時間40秒，南北左轉(zhuǎn)綠燈時間20秒。通過優(yōu)化算法計算，將東西直行綠燈時間調(diào)整為45秒，東西左轉(zhuǎn)綠燈時間調(diào)整為15秒，南北直行綠燈時間調(diào)整為35秒，南北左轉(zhuǎn)綠燈時間調(diào)整為25秒。這樣的調(diào)整使得公交車輛和社會車輛的總延誤時間從原來的每周期180秒降低至150秒，有效提高了交通系統(tǒng)的運行效率。需要注意的是，模型預(yù)測控制只執(zhí)行當前時刻的控制策略，在下一個控制周期，重新進行預(yù)測和優(yōu)化，以適應(yīng)系統(tǒng)的動態(tài)變化。在實際應(yīng)用中，由于交通系統(tǒng)的復(fù)雜性和不確定性，如交通流量的突然變化、突發(fā)事件等，每個控制周期都需要重新進行預(yù)測和優(yōu)化，以確?？刂撇呗缘挠行院瓦m應(yīng)性。4.2.2在公交信號優(yōu)先中的應(yīng)用在公交信號優(yōu)先控制中，模型預(yù)測控制具有顯著的優(yōu)勢，能夠有效提高公交運行效率和交通系統(tǒng)的整體性能。通過預(yù)測公交車輛的到達時間，模型預(yù)測控制為優(yōu)化信號配時提供了關(guān)鍵依據(jù)。利用安裝在公交車輛上的全球定位系統(tǒng)（GPS）和車路通信（V2I）技術(shù)，實時獲取公交車輛的位置、速度等信息。在某城市的一條公交線路上，公交車輛每隔5秒向控制中心發(fā)送一次位置和速度信息，控制中心通過接收這些信息，結(jié)合交通流預(yù)測模型，對公交車輛的到達時間進行精確預(yù)測。當公交車輛接近交叉口時，預(yù)測模型根據(jù)公交車輛的實時位置和速度，以及道路的交通狀況，如交通流量、信號燈狀態(tài)等，預(yù)測公交車輛到達交叉口的時間。若預(yù)測公交車輛將在1分鐘后到達某交叉口，且當前該交叉口的信號燈狀態(tài)不利于公交車輛通行，模型預(yù)測控制將以總延誤最小為目標，對信號配時進行優(yōu)化。利用遺傳算法等優(yōu)化算法，在考慮公交車輛和社會車輛的運行需求的基礎(chǔ)上，計算出最優(yōu)的信號配時方案，如適當延長公交車輛行駛方向的綠燈時間，提前切換信號燈相位等，確保公交車輛能夠順利通過交叉口，減少停車延誤時間。模型預(yù)測控制在公交信號優(yōu)先中的應(yīng)用還體現(xiàn)在能夠綜合考慮公交車輛和社會車輛的運行需求，實現(xiàn)兩者的協(xié)同控制。在實際交通場景中，公交車輛和社會車輛的運行相互影響，若不能實現(xiàn)兩者的協(xié)同控制，可能會導(dǎo)致交通擁堵加劇，降低整個交通系統(tǒng)的運行效率。模型預(yù)測控制通過實時監(jiān)測公交車輛和社會車輛的運行狀態(tài)，利用交通流預(yù)測模型對未來一段時間內(nèi)的交通狀況進行預(yù)測，以總延誤最小或通行能力最大等為目標，對信號配時進行動態(tài)優(yōu)化。在某交通繁忙的交叉口，實時交通數(shù)據(jù)顯示公交車輛和社會車輛的流量均較大，且公交車輛行駛方向的交通需求較為突出。模型預(yù)測控制通過預(yù)測模型，預(yù)測未來幾個信號周期內(nèi)公交車輛和社會車輛的到達時間、排隊長度等信息。根據(jù)預(yù)測結(jié)果，以總延誤最小為目標，利用粒子群優(yōu)化算法對信號配時進行優(yōu)化。將公交車輛行駛方向的綠燈時間從原來的40秒延長至45秒，同時將社會車輛行駛方向的綠燈時間從原來的35秒縮短至30秒。這樣的調(diào)整在保障公交車輛能夠快速通過交叉口的，也盡量滿足了社會車輛的通行需求，使社會車輛的延誤時間控制在可接受的范圍內(nèi)，實現(xiàn)了公交車輛和社會車輛的協(xié)同控制，提高了整個交通系統(tǒng)的運行效率。4.3智能算法在公交信號優(yōu)先中的應(yīng)用4.3.1遺傳算法遺傳算法作為一種基于自然選擇和遺傳機制的優(yōu)化算法，在公交信號優(yōu)先控制領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，能夠有效尋找最優(yōu)信號配時方案，提升公交運行效率和交通系統(tǒng)的整體性能。遺傳算法的基本原理源于生物進化中的自然選擇和遺傳變異過程。在該算法中，將信號配時方案看作是生物個體，每個個體都具有一組特征（即基因），這些基因決定了信號配時的各項參數(shù)，如周期時長、綠信比、相位差等。通過模擬生物進化中的選擇、交叉和變異操作，遺傳算法對種群中的個體進行篩選和進化，逐步尋找最優(yōu)的信號配時方案。在公交信號優(yōu)先控制中應(yīng)用遺傳算法時，首先需要對信號配時方案進行編碼，將其轉(zhuǎn)化為遺傳算法能夠處理的形式。常見的編碼方式有二進制編碼和實數(shù)編碼。以二進制編碼為例，將信號配時的各個參數(shù)，如周期時長、綠信比等，按照一定的精度要求轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)，然后將這些二進制數(shù)連接起來，形成一個二進制字符串，這個字符串就代表了一個信號配時方案，即遺傳算法中的一個個體。假設(shè)信號周期時長的取值范圍是60-180秒，綠信比的取值范圍是0.2-0.8，將周期時長和綠信比分別按照一定精度轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)。若周期時長的精度為1秒，綠信比的精度為0.01，那么周期時長120秒可轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)01111000，綠信比0.5可轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)01010000。將這兩個二進制數(shù)連接起來，得到0111100001010000，這個二進制字符串就代表了一個信號配時方案。遺傳算法通過選擇操作，從當前種群中挑選出適應(yīng)度較高的個體，使其有更多機會參與繁殖。適應(yīng)度函數(shù)通常根據(jù)公交信號優(yōu)先控制的目標來設(shè)計，如總延誤最小、通行能力最大等。以總延誤最小為目標，適應(yīng)度函數(shù)可以定義為公交車輛和社會車輛的總延誤時間的倒數(shù)?？傃诱`時間越小，適應(yīng)度值越大，個體被選擇的概率就越高。在一個包含100個個體的種群中，計算每個個體對應(yīng)的信號配時方案下公交車輛和社會車輛的總延誤時間，然后根據(jù)總延誤時間計算適應(yīng)度值。假設(shè)個體A對應(yīng)的總延誤時間為100秒，個體B對應(yīng)的總延誤時間為150秒，那么個體A的適應(yīng)度值為1/100，個體B的適應(yīng)度值為1/150。在選擇操作中，個體A被選擇的概率就會高于個體B。交叉操作模擬生物的繁殖過程，將兩個選擇出來的個體的部分基因進行交換，產(chǎn)生新的個體。在二進制編碼中，交叉操作可以通過隨機選擇一個交叉點，將兩個個體在交叉點之后的基因進行交換來實現(xiàn)。假設(shè)有兩個個體：個體C為0111100001010000，個體D為1010101011110010，隨機選擇交叉點為第8位。將個體C和個體D在第8位之后的基因進行交換，得到新的個體E為0111100011110010，個體F為1010101001010000。這些新個體繼承了父代個體的部分優(yōu)良基因，有可能產(chǎn)生更優(yōu)的信號配時方案。變異操作則是對個體的基因進行隨機改變，以增加種群的多樣性，防止算法陷入局部最優(yōu)解。在二進制編碼中，變異操作可以通過隨機改變某個基因位的值來實現(xiàn)。對于個體E為0111100011110010，隨機選擇第5位進行變異，將其值從1變?yōu)?，得到新的個體G為0111000011110010。變異操作雖然改變的基因較少，但能夠為種群引入新的基因，有助于發(fā)現(xiàn)更優(yōu)的信號配時方案。通過不斷重復(fù)選擇、交叉和變異操作，遺傳算法使種群中的個體不斷進化，逐漸接近最優(yōu)的信號配時方案。在某城市的一個交通繁忙的交叉口，采用遺傳算法進行公交信號優(yōu)先控制，經(jīng)過50次迭代后，公交車輛和社會車輛的總延誤時間從原來的每周期200秒降低至120秒，有效提高了交通系統(tǒng)的運行效率。4.3.2粒子群算法粒子群算法作為一種高效的優(yōu)化算法，通過模擬鳥群覓食行為，為公交信號優(yōu)先控制參數(shù)的優(yōu)化提供了有效的解決方案，能夠顯著提升公交運行效率和交通系統(tǒng)的整體性能。粒子群算法的基本原理源于對鳥群覓食行為的模擬。在鳥群覓食過程中，每只鳥（即粒子）都在搜索空間中不斷調(diào)整自己的位置，以尋找食物（即最優(yōu)解）。每只鳥的位置由其在搜索空間中的坐標表示，而速度則決定了它移動的方向和距離。在公交信號優(yōu)先控制中，粒子群算法將信號配時參數(shù)（如周期時長、綠信比、相位差等）作為粒子的位置，將這些參數(shù)的調(diào)整量作為粒子的速度。在公交信號優(yōu)先控制中應(yīng)用粒子群算法時，首先需要初始化一群粒子，每個粒子代表一個信號配時方案，其位置和速度隨機生成。假設(shè)在一個交通信號控制問題中，信號周期時長的取值范圍是60-180秒，綠信比的取值范圍是0.2-0.8，相位差的取值范圍是0-90度。初始化100個粒子，每個粒子的位置（即信號配時方案）由在各自取值范圍內(nèi)隨機生成的周期時長、綠信比和相位差組成，速度也在一定范圍內(nèi)隨機生成。例如，粒子1的位置為（120，0.5，30），表示信號周期時長為120秒，綠信比為0.5，相位差為30度，其速度為（5，0.05，5），表示周期時長的調(diào)整量為5秒，綠信比的調(diào)整量為0.05，相位差的調(diào)整量為5度。每個粒子在搜索過程中，會記住自己當前找到的最優(yōu)位置（即個體最優(yōu)解），同時整個粒子群也會記住所有粒子找到的最優(yōu)位置（即全局最優(yōu)解）。在每一次迭代中，粒子根據(jù)自己的個體最優(yōu)解和全局最優(yōu)解來調(diào)整自己的速度和位置。粒子的速度更新公式為：v_{i}^{k+1}=w\timesv_{i}^{k}+c_1\timesr_1\times(p_{i}^{k}-x_{i}^{k})+c_2\timesr_2\times(g^{k}-x_{i}^{k})其中，v_{i}^{k+1}是粒子i在第k+1次迭代時的速度，w是慣性權(quán)重，v_{i}^{k}是粒子i在第k次迭代時的速度，c_1和c_2是學習因子，通常取值在1-2之間，r_1和r_2是在0-1之間的隨機數(shù)，p_{i}^{k}是粒子i在第k次迭代時的個體最優(yōu)解，x_{i}^{k}是粒子i在第k次迭代時的位置，g^{k}是第k次迭代時的全局最優(yōu)解。粒子的位置更新公式為：x_{i}^{k+1}=x_{i}^{k}+v_{i}^{k+1}慣性權(quán)重w決定了粒子對當前速度的繼承程度，較大的w值有利于全局搜索，較小的w值有利于局部搜索。學習因子c_1和c_2分別表示粒子向個體最優(yōu)解和全局最優(yōu)解學習的程度。通過調(diào)整這些參數(shù)，可以平衡粒子群算法的全局搜索和局部搜索能力。在初始階段，為了快速搜索到全局最優(yōu)解的大致范圍，可設(shè)置較大的w值，如0.8；隨著迭代的進行，為了提高搜索精度，可逐漸減小w值，如減小到0.4。學習因子c_1和c_2通常取值為1.5，這樣可以使粒子在搜索過程中既充分利用自身的經(jīng)驗（個體最優(yōu)解），又能借鑒其他粒子的經(jīng)驗（全局最優(yōu)解）。通過不斷迭代，粒子逐漸向最優(yōu)解靠近，最終找到最優(yōu)的信號配時方案。在某城市的一條主干道上，采用粒子群算法進行公交信號優(yōu)先控制，經(jīng)過30次迭代后，公交車輛的平均延誤時間從原來的30秒降低至15秒，社會車輛的平均延誤時間也得到了有效控制，交通系統(tǒng)的運行效率得到了顯著提高。五、公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)5.1系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計5.1.1硬件組成與功能公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的硬件部分是整個系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，其組成涵蓋了多種關(guān)鍵設(shè)備，各設(shè)備相互協(xié)作，共同實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能。檢測設(shè)備是系統(tǒng)獲取實時交通信息的關(guān)鍵工具，主要包括車輛檢測器、地磁傳感器、視頻檢測器以及全球定位系統(tǒng)（GPS）設(shè)備等。車輛檢測器通常安裝在道路路口，用于檢測車輛的存在和通過情況，能夠準確獲取車輛的到達時間、離開時間等信息。在某城市的一個交通繁忙的交叉口，安裝了環(huán)形線圈車輛檢測器，當車輛通過線圈時，由于車輛金屬部件的影響，線圈的電感發(fā)生變化，從而檢測到車輛的存在，為信號控制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。地磁傳感器則利用地球磁場的變化來檢測車輛，具有安裝方便、檢測精度高等優(yōu)點。在一條主干道上，地磁傳感器被埋設(shè)在路面下，當車輛經(jīng)過時，傳感器能夠檢測到車輛引起的地磁變化，并將信號傳輸給數(shù)據(jù)處理單元，準確獲取車輛的速度和流量信息。視頻檢測器通過攝像頭采集交通視頻圖像，利用圖像識別技術(shù)對車輛進行檢測和識別，不僅能夠檢測車輛的數(shù)量和位置，還能對車輛的類型、行駛方向等信息進行分析。在一個復(fù)雜的交叉口，視頻檢測器安裝在高處，實時拍攝交通場景，通過對視頻圖像的分析，能夠準確識別出公交車輛、社會車輛以及行人的狀態(tài)，為公交優(yōu)先信號控制提供全面的信息。GPS設(shè)備則主要安裝在公交車輛上，用于實時獲取公交車輛的位置、速度和行駛方向等信息。在某城市的公交優(yōu)先信號協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，每輛公交車都配備了高精度的GPS設(shè)備，該設(shè)備每隔1秒向控制中心發(fā)送一次位置和速度信息，使控制中心能夠?qū)崟r掌握公交車輛的運行狀態(tài)，為公交信號優(yōu)先控制提供精準的數(shù)據(jù)支持。信號控制機是系統(tǒng)的核心控制設(shè)備，負責根據(jù)檢測設(shè)備采集到的交通信息，按照預(yù)設(shè)的控制策略和算法，對信號燈的配時進行調(diào)整和控制。信號控制機具備強大的計算和處理能力，能夠快速分析大量的交通數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同的交通狀況生成相應(yīng)的信號控制方案。在某城市的交通信號控制系統(tǒng)中，采用了智能交通信號控制機，該控制機能夠接收來自檢測設(shè)備的實時交通信息，如交通流量、公交車輛位置等，運用先進的優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，對信號燈的周期時長、綠信比和相位差等參數(shù)進行動態(tài)調(diào)整，以實現(xiàn)公交車輛和社會車輛的高效通行。信號控制機還具備多種通信接口，能夠與其他設(shè)備進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)信號的遠程控制和監(jiān)控。通過無線通信技術(shù)，信號控制機可以與交通管理中心的服務(wù)器進行連接，接收服務(wù)器發(fā)送的控制指令和數(shù)據(jù)，同時將本地的交通信息和信