英语原文共 17 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
自适应控制算法为预先信号提供公交优先权
摘要:
在道路空间有限的城市地区，重要的是提供高效的公共和私人交通系统，以最大化人员吞吐量，例如从信号交叉口。为此，这项研究着眼于提供公交优先使用一个专用公交车道，并终止在交叉口的上游，并在这个位置放置一个附加信号，称为预信号。尽管在一些国家（例如英国，丹麦和瑞士）已经实施了预先信号，但是对于不同流量需求做出响应的自适应控制算法尚未在文献中提出和分析。该研究旨在通过开发针对实时私人和公共交通需求量身定制的预信号自适应控制算法来填补这一空白。建立操作自适应预信号的必要基础设施，并提供实施准则。首先确定有关自适应算法边界条件的相关参数，然后使用微观模拟模型对典型情况进行量化。通过案例研究证明，在所有考虑的情况下，使用所提出的自适应控制算法实现预信号将导致交叉口处的人均延误最小。该算法预计能够满足广泛的汽车需求，公交车频率和公交乘客的需求。此外，该算法对这些输入值中的错误具有鲁棒性，因此不需要准确的信息。
关键词：预信号;公交专用道;公交优先;公共交通;自适应控制
1.简介
优先考虑城市中的公共交通工具（例如巴士）可以减少公交车的出行时间。通常，这种优先级提供专用公共汽车车道。然而，由于空间限制或政治问题，这可能并不总是可行的。它可能不是最有效的解决方案，尤其是在公共汽车流量较低，私人车辆（例如汽车）需求较高或存在诸如交通信号的瓶颈情况下。在这种情况下，可以提出替代策略来提供公交优先权，同时最大限度地减少对汽车的负面影响。
在专用公交车道存在的信号交叉口处提供公交优先的一种这样的替代策略是终止主信号上游的专用公交车道，并在该位置放置额外的信号。这个额外的信号只能控制汽车，并在下文中被称为预信号（Wu和Hounsell，1998; Guler和Menendez，2013， 2014A，B）。其配置如图1中a所示。预信号的主要目的是让公共汽车跳车在交叉口的上游排队，而汽车仍然可以在主信号处使用所有车道以充分利用交叉口的容量。预信号和主信号之间的距离足够长，以允许所需车辆数量的队列在主信号处饱和绿色以用于过饱和情况。以这种方式，巴士延误减少，而交叉口的容量损失最小化。
一些预先信号被安装在世界各地（例如英国，丹麦和瑞士），操作策略略有不同。本文假设了以前提出的运营策略（Guler和Menendez，2014a）。在这种策略中，预先信号在红色主信号之前由自由流动行驶时间变为红色，并且当公共汽车到达预先信号时，不管主信号的状态如何。目标就是要确保预信号和主信号之间的空间尽可能长时间保持空闲状态，以便在主信号变为绿色时允许任何到达的公共汽车在汽车排队前移动。在没有公交车的情况下，在主信号之前，预告信号变为绿色，比汽车行驶时间多自由流动时间，这样汽车不会经历额外的延迟，或者在公共汽车离开预先信号后当下。请注意，预信号不会影响主信号的操作。
将专用公交专用道延伸至主要信号的常用策略是另一种选择（以下称为连续公交专用道策略，见图1中b）。这可以进一步减少公共汽车延误，并且因此如果公交车占用率或公共汽车频率高则平均人延误高。另一个可行的选择是仍然在主信号的上游终止公交车道，但是，此时不要对车辆实施任何控制，并允许公共汽车和汽车自由合并（以下称为中断的公交车道策略，见图1中c） 。当流量需求高时，这可以进一步增加业务吞吐量并减少上行队列长度。请注意，在三个策略中，预信号位置上游路段的基本配置是相同的。
本研究的目的是提出一种针对实时私人和公共交通需求量身定制的预信号自适应控制算法。为此，本研究为自适应控制算法的实现建立了边界条件（基于汽车需求，公交车占用率和公交车频率）的分析形式。这些边界条件决定了所考虑的三种策略中哪一种最有利于系统。使用这些边界条件，实时确定预信号的控制。有两个级别的控制。第一级是用于预信号操作的信号定时控制算法。但是，根据边界条件，连续操作预信号可能不是最佳的。因此，可以通过使前置信号持续为绿色或使用动态消息标志来采用上述两种替代策略（连续公交车道策略或中断的公交车道策略）。这些策略之间的切换是可能的，因为它只涉及主信号紧邻上游道路一小部分的车道分配变化。因此，第二级控制提出了基于实时交通输入在不同策略之间切换的算法。通过这种方式，可以动态控制该部分的交通运行，以响应全天的汽车和公共汽车需求变化。在本文的其余部分安排如下。第2节回顾了以前有关预信号的文献。第3部分建立了在相关条件下优化交叉口运营的目标函数和约束条件。第4节提出了用于预信号操作的第一级控制算法。第5节使用校准和验证的微观模拟模型来建立预信号操作的边界条件，并测试它们对几个参数的敏感度。第6节提出了第二级（自适应）控制算法，用三个案例研究说明了它的使用，并测试了它对输入数据中错误的鲁棒性。最后，第7部分提供了一些结论性意见。
图1.交叉口上游三种策略的布局（未按比例绘制）。
- 文献综述
在主信号前设置信号（即预信号）的想法不是新提出的，之前已经研究过。预信号已经被提出用于多种目的，例如为了恢复由于有限加速（Von Stein，1961）在交叉口处的损失时间，将左转车辆和直行车辆分开,以最大通行能力（Xuan et al，2011），或者为使用对面车道的巴士提供优先权（Guler et al，2015,2016）。然而，这篇论文研究了在不使用对面车道的情况下为巴士提供优先级的预信号。 Wu和Hounsell（1998）首次提出使用前置信号来提供公交优先权。这项工作还提供了确定用于最小化系统延迟的预信号时序的指导方针。但是，拟议的运营战略是针对没有公交检测基础设施的交叉路口。这在英国的一些城市实施，例如在伦敦（2009年伦敦交通运输）。有时，带信号的公交车也可以用类似的策略（运输部（U.K.），2003）。在德国的“优先级手册”（Forschungsgesellschaftfuuml;rStraszlig;en-und Verkehrswesen，1991）中也提到了一种类似的预信号思想。尽管在某些国家已经实施了预先信号，但根据作者的理解，大多数现有的预先信号是通过经验确定的控制算法。因此，需要提出一种通用自适应算法并研究其效果。
引言中介绍并在本文其余部分中使用的运营策略首先是经验性研究的（Guler和Menendez，2013），然后通过分析（Guler和Menendez，2014a，b）对孤立交叉点进行分析。假设统一需求，限定条件为排队论。结论是，对于低饱和需求（低于信号容量的85％），与使用混合车道或专用车道相比，预信号策略可以为10-70名乘客提供最低的平均人员延误主信号上游的整个路段的公交车道。对于公交车占用率超过20的过饱和需求，与专用公交车道相比，预信号策略总是导致较低的平均人员延误。此外，如果峰值需求大于信号容量的105％，预信号导致平均人员延迟比混合车道低。然而，以往研究的重点更多是为了证明某些一般情景下的预信号的潜在益处，而不是在这些益处显着时确定确切的边界值。例如，由于理论计算繁琐，分析中假定公交车的固定频率为2-3分钟（Guler and Menendez，2014a，b）。
然而，目前还不清楚在交叉路口是否需要为更大范围的需求模式（包括汽车需求，公交车频率和公交车占用率）安装前置信号。这些边界条件很难通过分析来解决，特别是在考虑逼真的驾驶行为和需求模式时。排队理论公式不能解释由于预信号和主信号之间的车道变化而导致的延迟（例如，可能导致某些车道未被汽车利用的车道变换操纵）。而且，实际上，汽车和公共汽车的加速度有限，驾驶员对信号变化有反应时间。最后，城市交叉口的实际需求随着时间而变化很大。这些因素很难通过分析来检验，并且可以通过模拟更准确地进行研究。
3.问题描述
为了方便读者，表1中总结了算法中使用的符号列表。
在本文中，针对信号交叉口上游的前置信号开发了双层控制算法。第一级算法控制前置信号本身的操作。第二级控制结合多种策略来响应不同的流量需求每个车道的容量为I，拥堵密度为Kjam，自由流速为Vc。 基本图假定为三角形。 交点处的主信号（S）的有效绿色时间为G，周期长度为。在十字路口使用全部车道时的有效排放能力为公交专用道贯穿整个路段，直至预信号（P），即主信号上游的距离。 预信号按照介绍中描述的操作策略运行。 当没有检测到总线时，它具有Rp的红色信号持续时间。 Rp取决于汽车的需求。 环路检测器放置在O处前置信号的上游距离处。当在回路检测器处检测到总线时，预信号将变为红色持续Rb。 关于道路的更多细节配置和预信号时序将在下一节中给出。
表格1
在回路检测器检测到的车辆（轿车或公共汽车）用k编索引。 车辆K携带Xk人，在O至t0k，并在tSk处离开S。 在检测到的车辆中，汽车以索引;并且公交车以为索引; 汽车具有自由流动速度vc，因此从O到S的自由流动行程时间为。 巴士具有自由流动速度vb，因此从O到S的自由流动行程时间为。
循环检测器将检测到的需求馈送到每个信号周期索引为n的预信号算法。 该信息用于确定红色信号持续时间Rp。环路检测器还汇总了对应于N个连续信号循环索引为m的周期的检测结果。 这个信息用于确定在下一个策略周期的交叉点上应用的策略，m 1。将第m个策略周期内的第n个信号周期表示为。 在第m个策略周期对应于检测到的汽车数量，对应于检测到的总线数量。是第m个策略期间的汽车容积比（以下称为V / C比）
可以类似地计算第n个信号周期中的汽车容积与容积比率。
为了设定交叉口交通运行的目标函数和约束条件，选择最远的扰动距离和平均人为延误作为判定标准。
●标准1。调节Lq的最远距离不应超过S的上游预定义距离。当扰动达到太远时，由于溢出效应，上游交叉点和网络性能可能受到影响，这将在下面讨论。
●标准2。对于离开主信号的公共汽车和轿车上的所有乘客的平均延误d应该最小化。 这一指标在汽车延误和公共汽车延误之间提供了良好的平衡，从而促进了公共交通的发展，而汽车运营并未受到严重影响。
调节Lq的距离，由不处于自由流动状态的最上游的车辆确定。请注意，这并不意味着存在长度Lq的静态队列。实际上，距离应该通过估计什么时候这样的中断是不可接受的来选择。确切的截止距离取决于动脉的特征，超出了本文的范围，因为讨论仅限于孤立的交叉点。
- 第一级控制算法：预信号的操作
首先，我们为前置信号指定第一级控制算法。距离由（Guler和Menendez，2015）给出
这样当主信号为绿色时，有足够的存储空间来饱和主信号。在总线不存在的周期内，预信号不应该对汽车造成额外的延迟，所以来自预信号的最后发射信号的汽车必须在同一周期内通过主信号。因此，预信号具有与主信号相同的周期长度，并具有tA的红色信号提前时间（Guler和Menendez，2015）
回想一下，前期信号（Rp）的红色时间长度是汽车需求量的函数（Guler和Menendez，2015）
对于预信号来说，这是可能的最长的红色，从而不会影响通过主信号的流量。预信号操作取决于对的需求，因此， lt;1环路检测器的位置对于在欠饱和条件下检测需求特别重要。 该位置可以通过考虑由于预信号操作引起的扰动的最大范围来确定。从主信号测量的欠饱和周期（alpha;m; n lt;1）的扰动距离是
它可以从方程式推导出来。（6）和（7）
另外，为了给定信号周期设置正确的预信号时序，环路检测器应该放置得足够远，
在先前信号周期中检测到需求。 这可以通过确保
总而言之，环路检测器布局的要求是
请注意，这个位置可能离主信号太远而无法用于实现循环检测器。在这种情况下，环路检测器应尽可能远离主信号放置，以便可以相当准确地确定输入要求。然而，这将导致需求检测滞后，因为在周期正在优化的情况下，无法实时预测周期需求。在6.4节中测试了这种滞后对操作的影响。
前置信号处于工作状态时，控制算法的第一级总结在流程图中图2
图2 预信号操作流程图（第一级控制）
5.边界条件
为了在三种策略中进行选择，将预信号策略，中断的公交车道策略和连续公交车道策略用作d 1时，产生的平均人员延误;同理 d 2和d 3。然后，解决方程中显示的数学程序。
边界条件确定何时采用每种策略。尽管这些边界条件中的一些可以使用简单的运动学波理论进行分析，但这些模型无法解释有界加速度，反应时间，车道变化，随机速度和随机需求等因素。模型中缺少这些因素可能导致实际和理论上确定的边界条件之间的差异。不幸的是，这些因素不能在分析模型中轻易考虑，因为目标函数和约束条件将变为非线性和多变量。因此，使用VISSIM的微观模拟模型来解决这个问题。一个有利的仿真模型，因为它可以考虑驾驶员和车辆因素，检查不同的性能指标（除了平均人员延误以外），并模拟全天变化的现实需求模式。为了使仿真尽可能接近地表实际情况，基于瑞士苏黎世的预信号的经验数据对其进行了校准和验证。校准数据集包括超过50个周期的交通数据，验证数据集包含15个周期的交通数据。校准和验证过程的细节可以在（He et al，2014）中找到。请注意，即使在广泛的校准和验证过程之后，模拟真实流量的一些错误仍会保留。但是，这些不准确性预计会很小且系统化，因此应该对本文所显示的结果起到最小的影响。
仿真模型中交叉点的布局完全如图1所示。表2总结了此仿真模
全文共5721字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[15415]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
