基于减少机动车尾气排放的城市道路交叉口信号配时优化研究--毕业论文.docx

中文摘要 摘要:进入21世纪后,我国城市化快速发展,人口迅速增多,机动车保有量迅猛增长,使得城市交通系统的复杂性不断增大,城市交通已经成为不可忽视的能源消耗大户,同时由于机动车尾气排放所造成的环境污染日益严重,严重影响人们的生活水平。因此从可持续发展的角度考虑,需要从交通运营的视角对车辆尾气排放进行深入研究,分析影响车辆尾气排放的因素,寻求节能减排突破点。 道路交叉口是城市交通的关键部分,也是城市道路交通网络运行的关键点。在改善城市道路交叉口运行效果的众多方法中,优化信号配时可以方便快捷的达到提高运行效率的效果。对城市道路交叉口信号优化配时的研究具有重要的理论和实际意义。本论文以基于减少汽车尾气排放的城市道路交叉口信号配时为研究对象,选择延误和停车率作为衡量配时方案的指标,建立城市道路交叉口信号优化配时模型,采用改进的遗传算法求解模型,并通过构建机动车尾气排放测算平台对信号优化前后的汽车尾气排放进行评估。本论文的主要研究如下:1、分析了交通信号控制的基本类型、参数、主要的评价指标、人工智能在交通信号控制中的应用以及考虑机动车尾气排放的交通信号配时优化问题。2、釆用微观交通仿真模型(VISSIM模型)和基于VSP分布的污染物排放模型相结合,构建了机动车尾气排放测算的平台,根据VISSIM模型的输出数据获得车辆的平均延误和停车情况,同时利用VISSIM模型输出的车辆实时运行数据和基于VSP分布的污染物排放模型获得机动车在城市道路交叉口的污染物排放。3、分析了城市道路交叉口交通信号控制条件和方式,明确了交叉口信号优化模型的优化目标和主要优化参数,构建了城市道路交叉口信号优化模型。然后在基本遗传算法的基础上,对选择、交叉和变异策略进行改进,并通过改进后的遗传算法对所构建的模型进行了求解。4、选取实际道路网络中的信号控制交叉口作为研究对象,在进行实际交通调查的基础上,搭建了交叉口微观仿真平台,设计了算法程序,对比了算法的有效性,并对所得结果进行具体分析,从交通量变化和优化目标中平均延误和停车率的所占比重发生变化方面进行了分析。关键词:道路交叉口;信号配时;遗传算法;机动车尾气排放ABSTRACTABSTRACT: After entering 21st century, cities in our country develop rapidly, thetraffic demand of citizens has increased year by year,and the private car ownershipreveals a trend of dramatic increase. As a result, the urban transportation system isbecoming more complex, and the urban traffic has become a big energy consumer.Meanwhile, motor vehicle exhaust emission caused by environmental pollution isbecoming more and more serious and influence peoples standard living. Therefore, it isnecessary that considering from an angle of sustainable development, study on trafficenergy consumption and pollutant emissions, analyze its influencing factors and seekingenergy-saving breakthroughs.As the intersection is the key point of urban road,it is the main cause of the roadcongestion and the bottleneck of urban road traffic system. There are so many ways toimprove the operating efficiency, in which signal timing is one of the most direct andeffective way. Therefore, there is important theoretic value and practical meaning tostudy urban road signal timing. In this dissertation, it takes signal control optimizationof urban street intersection base on vehicle pollutant emissions assessment as theresearch object, and selects the delay, number of stops as the indexes of measuringtiming scheme to establish the model of the urban intersection signal timingoptimization. The improved genetic algorithm is used to solve the model, and the vehicle exhaust emission measurement platform is established to evaluate the vehicle pollutant emissions.Based on the existed research results, this dissertation mainly takes the following research work:1. This paper analyzes the base type, parameter and the main evaluation index of the urban signal control and summarizes the development of the urban signal control.Meanwhile, the artificial intelligence and the vehicle emission are considered in the traffic signal control2. VISSIM microscopic traffic simulation model and the pollutants discharge model based on the distribution of VSP is adopted to build the platform of vehicle exhaust emission measurement. Based on VISSIM model output data to obtain the average vehicle delay and parking rate. Meanwhile, vehicle running real-time data from VISSIM will be combined with the pollutants discharge model based on the distribution of VSP to calculate the vehicle emission in the urban intersection.3. Based on analyzing the urban intersection traffic signal control conditions and way, clearing the optimization object and the main optimization parameter,the model of the urban intersection signal timing optimization to be established. On the basis of the basic genetic algorithm to improve the choose,crossover and mutation strategy to establish the improved genetic algorithm which is used to solve and analysis the optimization model.4. Select the actual road network as the signal control intersection research object. On the basis of the actual traffic investigation, structure the intersection microscopic simulation platform, run the algorithm procedures of the design in this paper and the results are detailed analysis and summary. And then,This paper analyzes the situation of flow change and parameter change.KEYWORDS: Road intersection; Signal control; Genetic algorithm; Pollutant emission目录中文摘要iiiABSTRACTiv1.1论文选题背景和意义11.1.1选题背景11.1.2研究意义21.2主要研究内容21.3技术路线31.4本章小结52国内外研究综述62.1交通信号控制的基本问题62.1.1道路交通信号控制基本类型62.1.2道路交通信号控制基本参数72.1.3道路交通信号控制的评价指标92.2交通信号控制国内外研究现状112.2.1交通信号控制的发展概况112.2.2人工智能在交通控制中的应用132.3机动车尾气排放研究现状152.3.1机动车尾气排放模型研究152.3.2考虑排放的交通信号控制研究162.4现有研究的不足182.5本章小结193机动车尾气排放测算平台203.1机动车尾气测算平台203.1.1平台分析思路203.1.2机动车污染物排放因子和测算种类选取213.1.3机动车尾气排放测算平台223.2基于VSP分布的机动车尾气排放模型243.2.1机动车比功率VSP243.2.2基于VSP分布的机动车尾气排放模型263.3VISSIM仿真模型的建立283.3.1VISSIM仿真模型的选择283.3.2VISSIM模型的信号配时293.3.3VISSIM模型指标的输出313.4 本章小结334城市道路交叉口信号优化模型及求解344.1城市道路交叉口信号控制分析344.2城市道路交叉口信号优化模型构建354.2.1目标函数354.2.2约束条件394.2.3优化控制模型总结404. 3 基于改进遗传算法的模型求解404.3.1遗传算法优化方法404.3.2基于改进遗传算法的求解算法实现444.4 本章小结495实例分析505.1研究对象与数据收集505.2案例的实现525.2.1微观仿真模型建立525.2.2交叉口信号优化545.3算法对比555.4结果分析585.5灵敏度分析595.5.1流量影响分析595.5.2参数影响分析615.6本章小结646结论与展望656.1主要研究结论656.2研究展望65参考文献67独创性声明71学位论文数据集721绪论随着经济发展、城市化加快,机动车的保有量不断增加,道路交通拥堵问题和机动车尾气排放污染问题日益严重。在这种情况下,研究基于减少机动车尾气排放的城市道路交叉口交通信号优化配时具有重要的实际意义。1.1 论文选题背景和意义1.1.1 选题背景经济的快速发展和城市化水平的不断提高,促使城市辖区范围不断扩大,常住人口和居民出行量剧增,机动车保有量迅猛增长。机动车保有量的增加,导致道路交通拥堵现象日益严重,交通拥堵持续时间逐渐增长,机动车尾气排放逐渐增多。道路交通拥堵和污染物排放己经成为城市面临的重要社会问题。我国在国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020)中明确指出,交通领域的能源消耗和环境污染问题十分严峻,同时将交通安全和交通拥堵问题提上了议程,并指出交通运行情况和和环境污染问题密切关系到城市经济的发展、人们生活环境的优劣。随着道路交通拥堵和污染物排放的恶化,交通管理者和相关的研究人员将城市交通的拥堵和环境污染作为了重要的研究课题,并开展了多层次的研究工作。其中包括完善基础设施、改善车辆技术和交通管理与控制等。在完善基础设施和改进车辆技术等方面所能达到改善交通拥堵和污染物排放效果的功能已经很难再向前推进的情况下,交通管理和控制逐渐受到了人们的广泛关注。其中应用计算机强大处理能力和先进控制理论在减少道路交通拥堵和污染物排放领域受到了最广泛的应用,例如城市道路交叉口的信号配时技术、车辆诱导信息技术、单行路交通政策和车道分配控制等在优化城市交通运行状况中起到了至关重要的作用。目前,一些学者已经将环境因素逐步纳入到交通规划、控制和管理之中,并开展了不同层次的相关研究。城市道路交叉口作为城市交通网络的重要组成部分不容忽视,它是影响交通拥堵的重要影响因素。同时,车辆在交叉口处频繁的加减速运动,使得城市道路交叉口成为车辆尾气排放相对集中的区域。因此,研究城市道路交叉口信号控制并将其应用于实际的交通管理与控制中,从而达到减少车辆尾气排放和缓解交通拥堵的目的,己成为亟待解决的重要问题。1北京交通大学硕士学位论文m.1.1.2 研究意义城市道路交叉口是城市交通网络的重要组成部分,是交通网络中多向交通流的集中和分散处,这就使得城市道路交叉口成为了交通网络中的瓶颈地点。而交叉口处信号的控制会造成机动车运行工况的变化,即经历减速、停车和加速的过程,在这一过程中会不可避免的产生一定的延误。另外,由于机动车的排放特性,使得机动车在频繁加减速的过程中会比勻速行驶时排放更多的污染物。针对上述的分析,研究基于减少汽车尾气排放的城市道路交叉口信号优化配时就有了很实际的意义。首先,我国大城市道路交通拥堵和环境污染问题日益凸显,严重影响了人们的生活质量,如何缓解道路交通拥堵和减少车辆污染物的排放已经成为了亟待解决的重大问题。其次,在城市道路交叉口信号优化配时研究中,选取不同的优化方法会得到不同的优化效果,本论文提出的优化方法和相应的求解方法可以为后续的城市道路交叉口信号优化研究提供参考。同时,应用模拟仿真和优化方法相结合的思路也可以对其他研究有一定的启示。最后,本论文构建的机动车污染物排放测算平台同样可以推广到交叉口以外的机动车污染物的排放测算研究中。由于应用了本地化的污染物排放模型,对于研究本地的交通环境问题将会更加实用准确。1.2 主要研究内容本论文的研究目标在于提出城市道路交叉口的信号配时的优化模型,并且研究信号交叉口在信号优化前后的车辆污染物排放情况,进而对指定的交叉口信号进行优化,达到减少机动车尾气排放的效果;通过借助微观交通仿真模型、机动车排放模型构建了机动车污染物排放的测算平台,设计了城市道路交叉口信号优化配时模型,设计出基于改进遗传算法的优化算法程序并对模型进行求解分析,并通过案例研究,对所提的方法进行论证。针对以上研究目标,本论文的研究内容主要包括以下几个方面:(1)研究现状分析对城市道路交叉口交通信号控制的基本参数、基本类型和评价指标做了详细分析,从交通信号控制的发展、人工智能在交通控制中的应用和考虑排放的交通信号控制研究三个方面对交通信号控制的国内外研究进行了综述。(2)机动车尾气排放测算平台构建本论文的主要目标是对城市交叉口交通信号优化控制的环境效益进行研究,2北京交通大学硕士学位论文绪论针对于这一目标,采用微观交通仿真模型(VISSIM模型)和基于VSP分布的污染物排放模型相结合构建了机动车尾气排放测算的平台,根据VISSIM模型的输出数据获得车辆的平均延误和停车率,同时利用VISSIM模型的输出的车辆实时运行数据和基于VSP分布的污染物排放模型获得机动车在城市交叉口的污染物排放。(3)建立了城市道路交叉口信号优化模型并用改进的遗传算法求解,对城市道路交叉口交通信号控制的条件和方式进行分析,明确了交叉口信号优化模型的优化目标和主要的优化参数,构建城市交叉口信号优化模型。然后在基本遗传算法的基础上,对选择、交叉和变异策略进行改进,并通过改进后的遗传算法对所构建的模型进行了求解,对结果进行分析。(4)实例测算与结果分析选取实际道路网络中的信号控制交叉口作为研究对象,在进行实际交通调查的基础上,搭建交叉口的微观仿真平台,设计了算法程序,并对所得结果进行具体分析,对比了算法的有效性,从而对本论文所提的方法和理论的可行性和有效性进行验证。1.3 技术路线本论文在分析交通信号控制基本问题和交通信号控制国内外研究现状的基础上,通过选取微观交通仿真模型(VISSIM模型)和基于机动车比功率VSP的污染物排放模型搭建了机动车尾气测算平台,对城市交叉口的交通信号控制进行了分析,构建了城市交叉口交通信号控制模型,并用改进的遗传算法对构建的模型进行求解分析。通过选取实际道路中的交叉口作为研究对象,对本论文所提的方法和理论的可行性和有效性进行验证。本论文的技术路线如图1-1所示。3北京交通大学硕士学位论文国 S本类型、参数2 交通控制基木问题一r 基木评价指标7卜 研交通信号控制_信号控制的发展究国内外研究现状 p-如二匕一,综人T智能的应Mj述模型和信号控制机动 VSP分布 H VSPBIN h2 啡六剩H義舰h-1f5 議个人H BIN排放率h气排T 放的 r- 运行工况 测算排放计算Vp9人 fUft/具I1 叶口 延误指标I城市交叉u信号控制分析I口信d优化0标卜号优城市交叉口信号化控伏;化控制模型 L-j优化参数M制模I52 改进的遗传i法1模型求解设计求解 fi職聽h I城市交叉口信号I信号优化后 Ln优化控伟ij模型hi交叉口状况I例 一-II ?!机动车馬气测算平台I 优化结果和灵敏度分析 I图M本论文研究的技术路线Fig. 1-1 The technical chart of thesis木论文的内容包括以下六章:第一章为绪论,主要阐述本论文研究的背景和意义,介绍主要研究内容和研究H标,阐述研究的主要思路。4北京交通大学硕士学位论文绪论第二章是国内外相关研究综述,首先分析了交通信号控制的基本参数、基本类型和主要的评价指标,然后对交通信号控制的国内外相关研究从三个角度进行了分析。第三章构建了机动车尾气测算平台,通过对机动车比功率的研究,选取基于机动车比功率VSP的污染物排放模型用于机动车尾气排放的测算,选取VISSIM微观仿真模型研究车辆的运行情况。第四章构建了城市道路交叉口交通信号优化控制模型,对城市道路交叉口交通信号协调控制进行分析,将车辆量的平均延误和停车次数作为优化目标,将交叉口的周期长度和各相位绿灯时间作为优化参数,最后通过改进的遗传算法对模型进行分析求解。第五章选取实际城市道路交叉口为研究对象,对城市交叉口交通状况进行交通调查,结合搭建的机动车尾气排放测算平台,和构建的城市道路交叉口交通信号优化控制模型,对城市交叉口的信号控制进行优化,并将所得结果与现行交通信号控制策略比较。然后选取交通流量和优化指标参数进行灵敏度分析。第六章是主要研究结论和研究展望,首先对全文的研究成果进行简要总结,并根据得到的结论给出下一步的研究方向。1.4 本章小结本章首先介绍了本论文的选题背景和论文的选题意义,然后明确了本论文的主要研究内容与研究方法,在此基础上,最后给出了研究的技术路线和论文结构安排。5北京交通大学硕士学位论文国内外研究综述2国内外研究综述本章首先介绍城市道路交通信号控制的基本问题,包括交通信号控制的基本类型、基本参数和主要的评价指标。然后对交通信号控制的国内外的研究现状从交通信号控制的发展、人工智能在交通控制中的应用和考虑排放的交通信号控制三个角度进行了综述。2.1 交通信号控制的基本问题道路交通信号控制的基本问题主要包括城市交通信号控制的基本类型、基本参数和主要的评价指标三个方面。2.1.1 道路交通信号控制基本类型道路交通信号根据控制的范围和方式的不同,其基本的类型也不同。从控制范围的角度划分,交通信号控制的基本类型分为区域交通信号控制,交通干线的协调控制和单个交叉口的控制三类。(1)区域交通信号控制区域交通控制也可以称为面控,区域交通信号控制的对象是所控制区域内的所有信号控制交叉口,通过对控制区域内全部的信号灯进行配置,实现对所有的交叉口信号灯的综合性协调控制,从而来提高交通控制区域内的车辆通行能力,减少交通控制区域内车辆的损失情况。对区域交通信号控制范围较小的区域可以釆用整区集中控制;对于范围较大的区域,可以把点控和线控组成特定的控制级别,釆用分区分级管理的控制方法。区域交通信号控制的优化目标可以是车辆的平均延误、排队长度和能耗排放等,控制参数一般情况下为周期、绿信比和相位差。(2)干线的协调控制干线的协调控制也可以称为线控,控制的对象是城市主干线上若干个连续的信号交叉口,通过特定的方式将交通干线上连续的交叉口连接起来,对这些连续的信号交叉口釆用协调的配时方法,可以使得车辆在干线上行驶时通过干线交叉口时更多的遇到连续的绿灯,提高整个干线交通的运行效率,减少干线上车辆在交叉口的平均延误和平均停车次数,缓解城市交通干线的压力。干线交通信号控制的优化目标同样可以是车辆的平均延误、排队长度和能耗排放等;控制参数一6北京交通大学硕士学位论文国内外研究综述般情况下为周期、绿信比和相位差。(3)单个交叉口的控制单个交叉口的控制也可以称为点控,单个交叉口的控制的对象是城市交通网络中的单个信号控制交叉口,通过对信号控制交叉口的主要信号配时参数进行配置,实现对单个信号控制交叉口的优化控制,从而来提高单个交叉口的车辆通行能力和车辆在交叉口的排队长度和平均延误。单个交叉口的控制的优化目标可以是车辆的平均延误、排队长度和交叉口的通行能力等;控制参数一般情况下为周期、绿信比和相位时长。无论是区域交通信号控制、交通干线的协调控制或者单个交叉口的控制,从控制的操作角度讲,三种交通信号控制都包含在定时控制和感应控制中2】。(1)定时控制定时控制是在城市道路网络中使用最广泛的一种交通控制方式,这种控制方式易于实现,根据信号交叉口在特定时间内的交通流量数据就可以预先确定周期、绿信比和相位差等所有的控制参数。在交通管理控制中,可以一直采用一种配时方案,即单时段定时控制;也可以在不同的时间段采用不同的配时方案,即多时段定时控制。定时控制的参数不会随着交通情况的改变而改变,因此它并不能很好的满足实际的交通需求。(2)感应控制感应控制没有固定的交叉口信号控制参数,是根据交叉路口的交通流量的变化情况来实现信号实时控制的。通过在交叉口进口的上游设置车辆检测器来检测车辆的到达情况,然后根据设定的计算方法进行信号参数的计算,从而实现交叉口信号的感应控制。根据车辆检测器的设置情况可将感应控制分为半感应控制和全感应控制两种类型。半感应控制是指只在一部分交叉路口进口的上游设置检测器;全感应控制是指在所有交叉路口进口的上游设置检测器。2.1.2 道路交通信号控制基本参数道路交通信号控制的基本参数包括相位、周期、绿信比、相位差等,用于交通信号控制的直接控制参数是周期、绿信比和相位差。合理的分配信号控制交叉口的控制参数,可以有效的减少交叉口处车辆的平均延误和平均停车次数,从而改善实现交叉口的通行能力。1.相位信号相位是指交通节点单元在某个方向或几个方向上的交通流获得的通行权的时间段。针对交通流所处的车道情况可以采取不同的放行策略,如果交通流合7北京交通大学硕士学位论文国内外研究综述成在同一条车道,这些交通流将会在一个相位同时放行;相反,交通流分散在不同的车道,它们可能被有选择的放行。针对单个交叉路口来说可以把它设计为两相位、三相位也可以是更多的八相位,针对不同的相位设计出来的信号系统称之为相位信号系统,多相位信号系统虽然可以提高交通的安全性,但是这使得路口的利用率不高。在进行相位数和信号相位方案的设计时,以下两个重要的因素应该得到重视。(1)相位划分通过分离有交叉冲突的交通流可以减少危险。然而,信号相位数量的增加,通常会增加车辆的等待时间和排队的长度从而降低信号操作效率,相位设计时应综合考虑各方面的影响。(2)相位设计方案应该与交叉口处的具体情况包括车道的设置情况、地貌特征、车辆运行情况、行人和非机动车等的需求想协调。2.周期对交通控制而言,信号灯从起始相位到终止相位所经历的时间称为一个信号周期。适宜的周期长度的设置可以有效的减少交叉口处车辆的排队等待时间和更快速的疏散交叉口处的车流量。信号周期长度与交叉口处车流量的关系应该是协调变化的,信号周期长度随着交通流量增大而增大可以使单位周期内的车辆最大可能的在绿灯时间内全部通过交叉口,从而使车辆延误最小,缓解交通拥堵状况;另一方面,信号周期长度并不能随交通流量的变化而无限制的变化,因为周期过长会导致其他道路上的红灯时间增长,增加这些道路上车辆的排队等待时间,同时本车道上的路灯时间过长,会造成道路使用效率的下降,而周期太短将会造成车流量疏散不及时,产生交通拥堵。所以,信号周期是交通信号控制的重要参数3。3.绿信比周期确定后,根据相位的关键交通流量将可用的绿灯时间分配给每一相位。绿信比是指在一个周期内对某一指定相位有效绿灯时间与信号周期长度之比,通常用A表示。绿灯时间是指一个相位内绿灯亮起的时间;损失时间指的是绿灯开始时车辆起动所产生的延误时间和当交叉路口车辆己清空时的转换间隔时间之和;有效绿灯时间g,指的是车辆在获得通行权后能够有效使用的时间,它是由绿灯时间和转换时间减去损失时间构成的。式(2-1)表示的是交叉口处的绿信比;I:;1 = 1 (2-1)C通过分析可知0;11。交叉口处的绿信比反应的是所处相位的交通流通过交叉口所需要的绿灯时间,是进行交叉口信号交通控制的重要参数,绿信比的优化对道路交叉口处的交通流的快速疏散和减少交叉口处车辆的延误和排队有非常重要的作用。.8j匕鼓社输数国内夕卜研究综述4.相位差相位差针对的是多个信号交叉口而言的,当同时考虑多个交叉口的信号控制时,问题将会变得更加复杂,除了相位、绿信比和周期外,相位差也是一个非常关键的参数。设置合理的相位差可以使车流更加舒畅的经过有多个信号控制交叉路口组成的道路,选择多个交叉口中的一个交叉口作为参考交叉口,其他交叉口的相位开始时刻落后于参考交叉口出的相位起始时刻的最小时间长度称为绝对相位差,在车辆前进的方向上相邻交叉口之间的协调相位的起始时刻的最小相位差,称为相对相位差。2.1.3 道路交通信号控制的评价指标有效的道路交通信号控制可以使得复杂的交通流有效快速的通过城市交叉口。在进行交叉口信号控制时,经常考虑的因素有交叉口处车辆的通行情况、车辆的排队情况、车辆的延误情况、车辆的燃油消耗情况和车辆的污染物排放t青况,同时在信号控制时还要兼顾交通安全和利用效率。针对以上各种需要,主要常用的交通评价指标包括延误、排队长度、通行量和停车次数等指标4。1.延误延误时间指的是在进行交叉口信号控制时车辆受到信号控制的影响所造成的车辆行驶时间的损失。将交叉口处所有进道口的车辆延误进行平均可以得到交叉口处车辆的平均延误;将交叉口处所有进道口的车辆延误进行求和可以得到交叉口处车辆的总延误。延误是信号控制的关键指标,主要包括以下几种2:(1)固定延误一在交叉路口处,由于设置交通信号控制装备或交通标志所造成的车辆的延误,固定延误与道路上交通流的运行状态和以及在道路上行驶的其它车辆的干扰无关。(2)行驶延误一车辆在不拥挤的道路上以平均速度通过调查路线所耗费的时间称为计算时间,而计算时间和实际行驶时间的差值成为行驶延误。(3)停车延误一车辆由于信号信号控制的影响需要停车排队等待通过所耗费的时间,其中包括驾驶员刹住车轮和车辆停止不动的时间,以及驾驶员的反应时间。(4)排队延误一在经过排队路段时,车辆以畅行车速通过所耗费的时间与车辆排队通过所耗费的时间的差值。(5)引道延误一在入口引道上,由于信号控制的影响,造成车辆在引道上 行驶的延误称之为引道延误。2.排队长度9北京交通大学硕士学位论文国内外研究综述排队长度作为衡量城市交叉口信号控制的非常重要的指标,受到了广泛的研究。针对交叉口处车辆的排队情况,交叉口处车辆的排队情况可分为非饱和条件下,饱和条件下和过饱和条件下的排队长度三种情形5:(1)非饱和条件下在交叉口处,如果交通流量并没有达到饱和状态时,取饱和度为X,车辆在停车线后的排队长度可以采用下面的公式计算:L = Lo+LR(2-2)L。=exp 卜(4 / 3) * (M * r *,)。5 * (1 - jc) / X / 2(1 - x)(2-3)式中,一绿灯.未开始时车辆的排队长度;一红灯未开始时车辆的排队长度;一红灯期间的车辆排队长度。LR = qy*tR=g,*Til-u)(2-4)式中,q!一每单位路宽的饱和流量;Teg W效M- ;IT日寸I旬;r 一信号周期;一到达交通流量;U 一绿伯比;tji一红灯时间。(2)饱和条件下在交叉口处,如果交通流量达到饱和状态时,假设z,_,表示第/-1周期的车辆的排队长度,表示第/周期的车辆排队长度,那么有下面的公式成立-A =A-1 + (V-义+(2-5)式中,g绿灯时间;红灯时间;A一绿信比。(3)过饱和条件下在交叉口处,如果交通流量已经超过了饱和状态时,车辆的排队长度可根据下面公式确定:L =,(x_l +如一(2-6)式中,&一交叉口入口通行能力。 = 0.67+-(2-7)6003.停车次数一个信号周期内,完全停车次数的总和就是停车次数。一个信号周期内,停车车辆数除以通过交叉口停车线的车辆总数叫做停车率。停车次数作为交通信号10北京交通大学硕士学位论文国内外研究综述控制中受到广泛应用的性能指标,可以通过反映车辆在交叉口处的停车情况从而反映交叉口处信号控制的效果,在相同的环境下,停车次数越小则信号控制效果最好。4.通行能力通行能力是指在现有的交通环境和交叉口信号控制的条件下,在规定的时间段内通过交叉口进口道的停车线的车辆数的最大值。将所有的进口道在规定的时间段内通过的车辆数相加可以得到交叉口的通行量2。交叉口的通行能力与信号周期密切关联,周期越长,通行能力越大,但无限制的增加信号周期并不能持续的提高进口道的通行能力。值得注意的是,通行能力的增加还会造成交叉口处车辆燃油消耗和环境污染和噪音污染的加重,所以在确定交叉口处车辆的通行能力时要把握适当的程度。2.2 交通信号控制国内外研究现状2.2.1 交通信号控制的发展概况随着经济发展,城市道路里程不断增多,城市道路交叉口数量猛增,交叉口的安全和拥堵问题受到了人们的广泛关注,1850年人们就开始对城市交通信号进行简单的控制。1968年,英国伦敦市首次使用燃气色灯信号,用于城市交通的控制6】,这使得在全世界范围内出现了真正意义上的交通信号灯,具有里程碑的意义。1908年美国纽约也采取了类似英国伦敦的交通信号灯控制,从而引领了全美信号灯的广泛应用。1914年,美国在克利夫城安装使用了人工操作的电气照明信号灯,1919年,纽约市开始把手动指挥的旗子换成了电机控制的信号灯。在1923年,Garrett Morgan申请专利Morgan交通信号灯,后来卖给了通用电气公司。1926年,英国研制成功第一台使用固定周期的控制方式的交叉路口自动控制交通信号机,后来又研发出多时段固定周期的自动控制交通信号机。随后的1928年,美国研制出了使用橡皮管气压式检测器的车辆感应式交通信号灯,几年后被英国、日本等国采用。到1932年,整个美国已经全部釆用了电机控制信号灯。伴随着交通信号的不断发展和广泛的应用,交通信号控制的手段和策略也在不断的改进和完善。从开始的单一交叉口控制到交通干线信号控制再到后来的区域交通控制都得到了广泛的应用。1917年,美国盐湖城安装使用了人工控制的干道信号协调系统。随后使用电子计时器的干道信号协调控制系统出现在美国休斯敦,1928年一种步进式的定周期干道信号控制定时系统在美国研制成功,并在英国、德国、日本等国得到了非常广泛的应用17。11北京交通大学硕士学位论文国内外研究综述随着科技的发展,电子计算机技术被逐渐应用到交通控制中,这促使交通信号控制的发展进入了一个薪新的阶段。1952年,美国丹佛利用模拟电子计算机对车辆检测器收集到的数据进行整理分析,结合单一交叉路口的交通感应控制方法将信号的控制范围扩展到街道交通信号网络,利用模拟电子计算机的计算能力不断的调整各交叉口的交通信号程序。经过十余年的发展,这种采用模拟电子计算机的交通信号控制系统在美国得到了广泛的应用。1963年,一套使用IBM650型计算机的集中协调感应控制信号系统在加拿大多伦多市诞生,这标志着城市道路交通控制系统进入了一个新的阶段。经过几十年的发展,城市交通信号控制系统先后有很多种,其中包括英国广泛使用的TRANSYT和SCOOT系统、澳大利亚研发的SCATS系统、加拿大研发的RTOP系统等在交通控制中均取得了很好的控制效果,现今世界上多数城市都是使用上述信号控制系统。我国北京、上海、杭州、沈阳、广州、青岛、大连、深圳、郑州和长春在20世纪80年代末期分别引进了TRANSYT、SCOOT、SCATS、SANCO 等系统。(1)TRANSYT 系统【8TRANSYT (traffic network study tool)系统,是由英国道路研究所(TRRL)花费近10年时间研制而成的脱机优化网络信号配时的一套程序。自从1968年第一版问世以来,随着交通工程的实践,得到了不断的改进和完善,已经发展成为先进的TRANSYT-14型。该系统釆用静态模式,主要组成部分包括优化算法和仿真模型两部分组成,以绿信比与相位差为控制参数,以车辆的平均停车次数、排队长度和车辆平均延误为主要的优化目的,以爬山法作为系统的优化方法。TRANSYT系统受到在世界范围内得到了广泛的应用,是迄今为止最成功的静态交通控制系统。但是TRANSYT系统也存在着许多不足:首先,该系统需要的计算量非常大,这个问题在大城市中尤为突出;其次,周期长度不进行优化,事实上是很难获得整体最优的配时方案;再次,因其离线优化,需大量的路网集合尺寸数据和交通流数据。(2)SCOOT 系统9SCOOT (split cycle and offset optimization technique)系统是由 TRRL 在TRANSYT系统的基础上釆用自适应控制方式,经过8年的研究于1980年提出的动态交通控制系统。SCOOT仍采用了 TRANSYT的交通模型,但扬长避短,它最大程度的吸纳了 TRANSYT系统的优点,另外SCOOT系统是实时控制信号系统,更加符合复杂和时变的交通状况,其效果明显优于静态信号控制系统。SCOOT系统通过在上游路口的出口处埋设检测器,同时对交叉口绿信比、相位差、周期时长进行协调调整,然后使用小步长渐进寻优法进行交叉口信号的优化配时。SCOOT系统的实时交通模型适用范围广泛,而且准确灵活,可以用于信号控制,也可以12北京交通大学硕士学位论文国内外研究综述用于提供交通信息;同时对未来周期的交通情况进行预测可以提高控制结果的可靠性;车辆检测器埋设地点的特殊性为交叉口信号配时的配置争取了充分的时间,增加了信号控制的效果;系统的调整参数是通过设置小增量大频率变化的,可以缓解信号突变引起的不必要损失,同时参数小增量大频率变化可以很好的适应交通情况的变化。但是,SCOOT系统仍然存在一些缺点:一是系统的相序不能实现自动的变更,相位不能实现自动的增减,未完全智能化;二是系统需要人工的进行控制子区的划分;三是系统的饱和流率的校对核算仍然不能自动化,这就会造成非常繁琐的现场安装调试程序。(3) SCAT 系统5SCAT (Sydney coordinated adaptive traffic method)系统是 20 世纪 70 年代末期的澳大利亚A. G Sims等人共同研发的信号协调控制系统。SCAT系统充分利用了计算机网络技术的优点,控制结构灵活多变,控制方案切换简易,系统可以通过比较法在预先确定的多个参数中选取系统的控制参数,这些参数包括绿信比、相位差和周期,该系统没有实时的交通模型,采用的是地区级的联机控制,中央级的联机和脱机同时进行的信号控制模式。SCAT系统也存在着明显的缺点:第一,SCAT系统对计算机硬件的要求很高,只能在PDP11系统数字计算机系统上实施;第二,SCAT系统方案选择性质约束了该系统的优化程度的;第三,系统不根据实时的车流情况来设置相位差,造成信号控制的可靠性低。2.2.2 人工智能在交通控制中的应用人工智能技术的研究始于20世纪五六十年代,计算机的广泛应用促成了人工智能的巨大发展。针对传统交通控制系统技术的缺点,将人工智能技术应用于交通控制系统取得了较好的效果。鉴于此,近年来,不少交通专家以及学者 始利用智能控制理论及一些先进的优化算法来对信号配时进行优化研究,其中主要的方法和理论有模糊控制、神经网络控制和遗传算法等。1.模糊控制技术模糊逻辑是一种处理不确定性、非线性等复杂系统问题的有力工具。模糊控制特别适用于不确定性的复杂系统,在现代交通控制领域中有着重要的地位。在国外研究领域中,Pappis等人首先提出第一个在城市单个交叉口