基于车道的单点交叉口公交被动优先控制模型

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1、基于车道的单点交叉口公交被动优先控制模型马万经 杨晓光（同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804）摘要：公交被动优先控制的问题之一为在信号控制优化过程中没有考虑车道功能划分的影响。本文针对此问题，从车道功能信号控制组和优化的角度，利用通用的Dual-Ring结构，提出分别以交叉口公交车延误、交叉口社会车辆延误、社会车辆通行能力为目标的基于车道（Lane-based）的单点交叉口公交被动优先控制多目标优化模型。给出了包括车道数、信号配时参数等一组约束条件以确保信号控制及车道功能划分解的可行性和交叉口的安全。设计了NSGAII算法对模型进行了求解。算例分析表明，本文的被动优先方

2、法能够在对社会车辆总体运行状况影响较小的情况下，显著减少公交车均延误。 1、左转更多的车道 2 支路更多的车道该算法可以更好地解决物流配送路径优化的多目标问题,较快找到更优解,避免早熟收敛并改进算法性能,达到较高的搜索效率关键词：公交被动优先；单点交叉口；车道功能；信号配时；组合优化Lane-Based Optimization Model of Passive Bus Priority Signal Timings for Isolated Intersection MA Wan-jing, YANGXiao-guang（Tongji University, Key Laboratory o

3、f Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education, Shanghai 201804, China）Abstract: One of critical problems of passive bus signal priority strategies is lacking of considerations of lanes allocation in the optimization process of signal timings. A lane-based multi-objectives model was pro

4、posed based on the idea of integrated design and combination optimization of lane markings and signal timings. Minimizing bus delay, minimizing delay of motor vehicles and maximum of motor vehicle capacity were adopted as objectives and Dual-Ring structure was used. A set of constraints including nu

5、mber of different functional lanes and length of signal timings were set up to ensure feasibility and safety of the resulting optimal lane markings and signal settings. A NSGAII algorithm was designed to solve the model. Numerical examples are given to demonstrate the effectiveness of the proposed m

6、ethodKey words: Passive bus signal priority, isolated intersection; lane markings; signal timings; integrated optimization 基金项目：国家自然科学基金（50808142，70631002）作者简介：马万经(1980-)，男，内蒙古赤峰人，博士研究生，从事交通控制与设计研究.电 话：021-65988372 E-mail: mawanjing0 引言Wilbur（1967）等人对两个信号控制交叉口通过手动信号提供公交优先的研究1拉开了公交优先控制研究的序幕。TCRP(1998

7、)报告将公交优先分为被动优先，主动优先和实时优先2。其中，被动优先是后续的主动优先和实时优先的基础。被动优先（Passive Priority）是在离线方案设计给与公交车辆优先权的一种优先控制策略，很早就得到了研究者的重视。Yagar(1993), Christopher (2000), Chang(2002)等人先后研究了被动优先控制策略及其影响因素。杨晓光（2001），季彦婕7，张卫华8等提出了基于公交优先通行的交叉口信号相位设计和配时方法。总体而言，相关研究说明，在公交需求较大的情况下，被动优先控制能够取得较好的效益，但也会不可避免的带来对非公交车流特别是非优先车流的不利影响。在这些研究

8、中，信号配时参数（周期、绿信比）作为优化变量，不考虑机动车道设置及其功能划分的影响。首次将车道功能划分纳入信号控制方案优化过程的是Lam(1997)，随后Wong(2003)针对单点交叉口车道功能和信号控制方案的组合优化进行了更细致的研究，并证明车道功能划分纳入后将得到更优的信号控制解。马万经（2008）借鉴了这一思想，研究了车道功能划分对公交优先控制的影响，并通过一个算例证明考虑车道之后能够获得更佳的优先控制解。但该研究只针对一个进口道的左转和直行，并假设其总绿灯时间固定；而没有给出整个交叉口的最优控制模型和求解算法。本文在这一前期研究工作的基础上，利用通用的双环（Dual-Ring）结构，

9、提出基于车道的（Lane-based）单点交叉口公交被动优先控制多目标优化模型，并设计了NSGAII对模型进行了求解。算例分析表明，本文的被动优先方法能够在对社会车辆总体运行状况影响较小的情况下，显著减少公交车均延误。 1 问题描述为增加信号控制方案的灵活性，美国NEMA (National Electrical Manufacturer Association)提出了一种改进的信号配时模型，这种模型被称为Dual-Ring 结构。如图1所示，对四相位十字交叉口，每个箭头代表对应的（车流）信号灯组。这种结构将相位相序逻辑关系灵活地表达出来，信号控制方案的优化转为对图中6个变量的求解。图1 包含

10、公交车的Dual-Ring 结构由于Dual-Ring结构的方便性和灵活性，得到了广泛的应用。本文在此结构的基础上增加了公交车流（如图1所示），并将研究的问题进一步归结为：基于Dual-Ring结构，以公交车延误、交叉口社会车辆延误、社会车辆通行能力为目标，建立公交优先条件下的多目标优化模型，以求得最佳的公交被动优先控制方案以及相应的最佳车道功能划分。2 变量定义设十字交叉口的有个肢（本文中），任一肢i有个进口车道，i=1,2,. （按照顺时针方向编号）。显然，任意一肢中交通流最多有股车流（文中不考虑右转车流）；任一肢的车道数为。对于机动车而言，定义表示一股车流，如图1所示，为每一肢的左转车流

11、和直行车流，其中；相应地，每一个车流的车道数为；定义任意一对相冲突的交通流和的绿灯间隔时间为（间隔时间和车道功能的划分是相关的）。设为每一个车流的流量向量，其中代表图1中每一个交通流的需求。设C为交叉口的信号周期，每一股车流的绿灯持续时间为，；为最小绿灯时间， ；为交叉口相位损失时间。设公交专用道车流可能为与任意第i个车流一起放行，；则公交信号的绿灯时间，并设公交信号最短绿灯时间为。设二元变量，当公交专用道车流与车流i一起放行时，否则；其中，为公交专用道占用的车道数。3 优化模型根据Dual-Ring的基本规则，将十字交叉口的八个车流组合成如图1所示的结构，则有：优化变量：信号灯组长度向量：车

12、道功能划分向量：其中为信号周期，即；为相应车流的有效绿灯时间。3.1目标函数 考虑公交和社会车流两种因素确立优化目标。对公交车辆而言，其优化目标为延误最小：对社会车辆而言，取优化目标为社会车流延误最小：由此建立信号优先多目标优化模型，其目标函数表达为：公交和社会车辆延误均采用HCM延误模型进行计算。3.2 约束条件1） 车道数约束：每一个进口到车流占用车道数与公交专用道数总和满足总进口道数约束：2） 进出口道车道数匹配：任意一个车流所分配的进口道数与公交专用道数之和小于该车流对应出口道数3） 信号周期约束4） Dual-Ring变量关系（绿灯时间）约束当把车流填入相应的Dual-Ring之后，

13、则Dual-Ring的六个变量（即该车流对应的有效绿灯时间）还需满足如下约束：， ，； ，； ，3.3 模型求解上述问题是一个多目标的线性优化问题；由于进化算法是对整个群体进行进化运算操作，它着眼于个体的集合，而多目标优化问题的Pareto 最优解也是一个集合，因而可预计进化算法是求解多目标优化问题的Pareto 最优解集合的一个有效手段。非支配排序算法.NSGA II（None-dominated Sorted Genetic Algorithm II）是具有代表性的多目标进化算法,是NSGA-算法的改进，在NSGA 算法的基础上加上了精英策略、密度值估计策略和快速非支配排序策略，在很大程度

14、上改善了NSGA 的缺点。实验证明NSGA II 的结果优于有代表性的其他几种算法。NSGAII的父代种群根据每个个体的序和拥挤距离通过二项联赛选择算子在初始种群中选出。一个个体如果序小于其他个体或者拥挤距离大于其它个体会被选出。被选出的后代种群继续进行交叉和变异算子计算。交叉算子：采用了模拟二项交叉算子。计算公式如下：其中为第1个后代的第K段基因，为选中的父代。 为通过随机数产生的具有如下密度函数的一个样本量。 分布函数可以通过一个在(0,1)之间取值的随机数u来确定，为交叉索引分布系数。如下：变异算子：采用了多项式变异计算，如下所示：其中 为产生的子代的第K的基因，,分别为变异基因的上下限

15、，为由如下多项分布函数所确定的变量。以下为算法主要流程。图2 NSGAII算法流程4 算例分析以张家港市场安路人民路交叉口为案例，交叉口的几何与流量条件如下图3所示。在现状的基础上交叉口东西进口各增加一个公交专用进口道。其中：；。图3 案例分析FIG URE 3. Figure of case study对比分析如下两种情形：情形一：按照流量确定车道功能；各进口均为3直（含直右）1左。用Webster方法以交叉口社会车辆车均延误最小为目标进行求解；情形二：用Webster方法以交叉口社会车辆和公交车总车均延误最小为目标进行求解；情形三：用本文模型以公交延误和社会车流延误为目标进行多目标优化。利

16、用Webster方法；求解信号周期为72秒；社会车均延误为40.89s；公交车均延误为172.56s。种群数与代数分析图4 不同种群数100代的最优结果图5 不同代数下算法效率（种群3000）6A. 对机动车车均延误影响6B. 对公交车均延误影响图6 车道数和信号周期对延误的影响分析最优前端对应车道分配的数据，与专用进口道相交方向的车道功能解的96%均为直3左1；而与专用道相同方向的车道分配多样。以下分析与专用道相同方向车道分配对控制效果的影响。为进一步揭示车道分配对控制解的影响，将车道数分配组合固定：与专用道相交方向车道组合为：直3左1；专用道同方向为直1-左3；直2-左2；直3-左1三种。

17、再次应用NSGAII方法进行求解，得不同车道分配对应的最优前端的平均值对比图如下。图7 结论：模型能够获得paerto面；冲突目标 但是公交延误降低在一定范围内与社会车辆延误降低解空间重合算法的效率比较（每一代的平均值 ）模型考虑了不均匀性，能够获得较webster方法更好的延误结果；比较：最终解集优pareto 面以及 最终所有解；包括一 二 情形的解 观看解的位置 进行分析 算法能够找到最佳的解集算法能够找到接近最优的解集集中在结论 在perto 面的外边在所有的解集之中以直行车道和信号周期为坐标轴 机动车延误面、公交车延误面模型解的特征分析曲面 车道数5 结论6. 参考文献我的大学爱情观

18、1、什么是大学爱情：大学是一个相对宽松，时间自由，自己支配的环境，也正因为这样，培植爱情之花最肥沃的土地。大学生恋爱一直是大学校园的热门话题，恋爱和学业也就自然成为了大学生在校期间面对的两个主要问题。恋爱关系处理得好、正确，健康，可以成为学习和事业的催化剂，使人学习努力、成绩上升；恋爱关系处理的不当，不健康，可能分散精力、浪费时间、情绪波动、成绩下降。因此，大学生的恋爱观必须树立在健康之上，并且树立正确的恋爱观是十分有必要的。因此我从下面几方面谈谈自己的对大学爱情观。2、什么是健康的爱情：1) 尊重对方，不显示对爱情的占有欲，不把爱情放第一位，不痴情过分；2) 理解对方，互相关心，互相支持，互

19、相鼓励，并以对方的幸福为自己的满足; 3) 是彼此独立的前提下结合；3、什么是不健康的爱情：1)盲目的约会，忽视了学业;2)过于痴情，一味地要求对方表露爱的情怀，这种爱情常有病态的夸张;3)缺乏体贴怜爱之心，只表现自己强烈的占有欲;4)偏重于外表的追求;4、大学生处理两人的在爱情观需要三思：1. 不影响学习：大学恋爱可以说是一种必要的经历，学习是大学的基本和主要任务，这两者之间有错综复杂的关系，有的学生因为爱情，过分的忽视了学习，把感情放在第一位；学习的时候就认真的去学，不要去想爱情中的事，谈恋爱的时候用心去谈，也可以交流下学习，互相鼓励，共同进步。2. 有足够的精力：大学生活，说忙也会很忙，

20、但说轻松也是相对会轻松的！大学生恋爱必须合理安排自身的精力，忙于学习的同时不能因为感情的事情分心，不能在学习期间，放弃学习而去谈感情，把握合理的精力，分配好学习和感情。3、 有合理的时间；大学时间可以分为学习和生活时间，合理把握好学习时间和生活时间的“度”很重要；学习的时候，不能分配学习时间去安排两人的在一起的事情，应该以学习为第一；生活时间，两人可以相互谈谈恋爱，用心去谈，也可以交流下学习，互相鼓励，共同进步。5、大学生对爱情需要认识与理解，主要涉及到以下几个方面：（1） 明确学生的主要任务“放弃时间的人，时间也会放弃他。”大学时代是吸纳知识、增长才干的时期。作为当代大学生，要认识到现在的任

21、务是学习学习做人、学习知识、学习为人民服务的本领。在校大学生要集中精力，投入到学习和社会实践中，而不是因把过多的精力、时间用于谈情说爱浪费宝贵的青春年华。因此，明确自己的目标，规划自己的学习道路，合理分配好学习和恋爱的地位。（2） 树林正确的恋爱观提倡志同道合、有默契、相互喜欢的爱情：在恋人的选择上最重要的条件应该是志同道合，思想品德、事业理想和生活情趣等大体一致。摆正爱情与学习、事业的关系：大学生应该把学习、事业放在首位，摆正爱情与学习、事业的关系，不能把宝贵的大学时间，锻炼自身的时间都用于谈情说有爱而放松了学习。 相互理解、相互信任，是一份责任和奉献。爱情是奉献而不时索取，是拥有而不是占有

22、。身边的人与事时刻为我们敲响警钟，不再让悲剧重演。生命只有一次，不会重来，大学生一定要树立正确的爱情观。（3） 发展健康的恋爱行为 在当今大学校园，情侣成双入对已司空见惯。抑制大学生恋爱是不实际的，大学生一定要发展健康的恋爱行为。与恋人多谈谈学习与工作，把恋爱行为限制在社会规范内，不致越轨，要使爱情沿着健康的道路发展。正如马克思所说：“在我看来，真正的爱情是表现在恋人对他的偶像采取含蓄、谦恭甚至羞涩的态度，而绝不是表现在随意流露热情和过早的亲昵。”（4） 爱情不是一件跟风的事儿。很多大学生的爱情实际上是跟风的结果，是看到别人有了爱情，看到别人幸福的样子（注意，只是看上去很美），产生了羊群心理，

23、也就花了大把的时间和精力去寻找爱情（5） 距离才是保持爱情之花常开不败的法宝。爱情到底需要花多少时间，这是一个很大的问题。有的大学生爱情失败，不是因为男女双方在一起的时间太少，而是因为他们在一起的时间太多。相反，很多大学生恋爱成功，不是因为男女双方在一起的时间太少，而是因为他们准确地把握了在一起的时间的多少程度。（6） 爱情不是自我封闭的二人世界。很多人过分的活在两人世界，对身边的同学，身边好友渐渐的失去联系，失去了对话，生活中只有彼此两人；班级活动也不参加，社外活动也不参加，每天除了对方还是对方，这样不利于大学生健康发展，不仅影响学习，影响了自身交际和合作能力。总结：男女之间面对恋爱，首先要摆正好自己的心态，树立自尊、自爱、自强、自重应有的品格，千万不要盲目地追求爱，也不宜过急追求爱，要分清自己的条件是否成熟。要树立正确的恋爱观，明确大学的目的，以学习为第一；规划好大学计划，在不影响学习的条件下，要对恋爱认真，专一，相互鼓励，相互学习，共同进步；认真对待恋爱观，做健康的恋爱；总之，我们大学生要树立正确的恋爱观念，让大学的爱情成为青春记忆里最美的风景，而不是终身的遗憾！