（交通信息工程及控制专业论文）基于模糊算法的城市交通信号线控制的研究.pdf

摘要 随着我国经济的迅猛发展和社会的不断进步，各种车辆保有量逐年增加，城市的交 通需求和交通供给的矛盾越来越突出，交通拥挤状况越来越严重。据研究表明：造成交 通拥挤往往突出表现在道路的交叉口处；而主干线是城市交通的主体部分，又是保证城 市社会经济活动正常运转的主动脉，因此对于主干线上交叉口的协调控制研究就显得很 重要，即干线协调控制，简称线控制。由于交通系统具有复杂性、随机性和难以用精确 的数学模型来描述的特点，本文采用了模糊算法来研究线控制方法。 本文在介绍城市交通信号控制、线控制以及两种模糊算法一模糊控制算法和模糊 综合评判算法的基本理论的基础上，设计研究了线控制的控制方法和评价方法。本文的 主要研究内容有如下两个方面： ( 1 ) 基于模糊控制算法的线控制的控制方法设计。本文采用两级递阶控制，将线控 制分为控制级和协调级。控制级用来确定绿时分配，由两个模糊控制器组成，分别为绿 延时模糊控制器和绿延时修正模糊控制器：协调级用来确定公共周期和相位差，也是由 两个模糊控制器组成，分别为周期模糊控制器和相位差模糊控制器。该部分的主要特点 是在设计各级模糊控制器时将各交通信息参数的变化量加入到了模糊控制器的输入中， 增加了模糊控制器的准确性和全面性。 ( 2 ) 基于模糊综合评判算法的线控制评价方法的研究。本文从城市交通干线的特性 出发，研究总结与线控制系统运行相关的各种影响因素，分别从干线交叉口结构、运行 质量、交通安全和环境影响四个方面形成了一套线控制评价集，然后通过实例运用模糊 综合评判算法对这些因素集进行了评判，得出一个能反映线控制系统运行效果优劣的结 果来，为改进线控制算法提供了依据。该部分的主要特点是给出了一套线控制评价集。 关键词：城市交通信号控制，线控制，模糊控制，模糊综合评判 a b s t r a c t t h et o t a ln u m b e ro fv e h i c l e sh a si n c r e a s e dy e a rb yy e a rw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f e c o n o m ya n dt h ea d v a n c e m e n to fm o d e ms o c i e t yi no u rc o u n t r y ，t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e n t r a f f i cd e m a n da n dt r a f f i c s u p p l yb e c o m e sm o r ea n dm o r ep r o m i n e n ta n dt h et r a f f i c c o n g e s t i o ns i t u a t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r es e r i o u s m a n yr e s e a r c h e si n d i c a t et h a tt r a f f i c c o n g e s t i o nu s u a l l yt a k e sp l a c ea tt h ei n t e r s e c t i o n s ；a n da r t e r i a l sa r et h em a i np a r t so fu r b a n t r a f f i ca n dt h ek e yf a c t o rw h i c hg u a r a n t e e st h en o r m a lo p e r a t i o no fc i t ys o c i a la n de c o n o m i c a c t i v i t i e s ，s o ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c ht h ec o o r d i n a t e dc o n t r o lo fa r t e r i a li n t e r s e c t i o n s ， t h a ti sa r t e r i a lc o o r d i n a t e dc o n t r 0 1 b e c a u s eo ft h ec o m p l e x ，r a n d o ma n dd i f f i c u l t yt ou s e p r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e lt od e s c r i b et r a f f i cs y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o n a d o p t sf u z z y a l g o r i t h mt or e s e a r c ht h ea r t e r i a lc o o r d i n a t e dc o n t r 0 1 t h ed i s s e r t a t i o nd e s i g n sa n dr e s e a r c h e sc o n t r o lm e t h o da n de v a l u a t i o nm e t h o do fa r t e r i a l c o o r d i n a t e dc o n t r o lo nt h eb a s i so fb r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h eb a s i ct h e o r i e so fu r b a nt r a 伍c c o n t r o l ，a r t e r i a lc o o r d i n a t e dc o n t r o la n dt w of u z z ya l g o r i t h m sw h i c ha r ef u z z yl o g i cc o n t r o l a n df u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n t h e r ea r e t w o m a i nr e s e a r c h e s p o i n t s i n t h i s d i s s e r t a t i o n ( 1 ) t h ed e s i g no fc o n t r o lm e t h o do ft h ea r t e r i a lc o o r d i n a t e dc o n t r o lb a s e do nf u z z yl o g i c c o n t r o la l g o r i t h m t h i sd i s s e r t a t i o nu s e st w o l e v e l sh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r et h a tc a l l s m a n i p u l a t i v el e v e la n dc o o r d i n a t e dl e v e l a tt h em a n i p u l a t i v el e v e l ，g r e e nt i m ed i s t r i b u t i o ni s d e t e r m i n e db yt w of u z z yc o n t r o l l e r sw h i c ha r en a m e dg r e e ne x t e n s i o nf u z z yc o n t r o l l e ra n d g r e e ne x t e n s i o na m e n d m e n tf u z z yc o n t r o l l e r ；a tt h ec o o r d i n a t e dl e v e l ，c y c l ea n do f f s e ta r e d e t e r m i n e db yt w of u z z yc o n t r o l l e r sw h i c ha r en a m e d c y c l ef u z z yc o n t r o l l e ra n do f f s e tf u z z y c o n t r o l l e r t h em a i nf e a t u r e ，m a k i n gf u z z yc o n t r o l l e r sm o r ee x a c ta n dm o r ec o m p r e h e n s i v e ， i n t h i sp a r ti st h a ta d d i n gt h ec h a n g eo fe a c ht r a f f i cp a r a m e t e rt ot h ei n p u to fe a c hf u z z y c o n t r o l l e ri nt h ed e s i g n ( 2 ) t h er e s e a r c ho ne v a l u a t i o nm e t h o do ft h ea r t e r i a lc o o r d i n a t e dc o n t r o lb a s e do nf u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o na l g o r i t h m b e g i n n i n gw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fu r b a na r t e r i a l s ，t h e d i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e sas e to fa r t e r i a le v a l u a t i o ng a t h e rc o n s i d e r i n gf o u rc o r r e l a t i v ef a c t o r s i i w h i c ha r ea r t e r i a li n t e r s e c t i o ns t r u c t u r e ，o p e r a t i o n a le f f e c t ，t r a f f i cs a f e t ya n de n v i r o n m e n t a l i m p a c t a n dt h e n ，ar e s u l tw h i c hi n d i c a t e st h eo p e r a t i o n a li m p a c to fa r t e r i a l c o o r d i n a t e d c o n t r o li sg a i n e da f t e re v a l u a t i n gt h ee l e m e n t so fa r t e r i a le v a l u a t i o ng a t h e ru s i n g f u z z y c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o na l g o r i t h mt h r o u g hae x a m p l e t h e r e s u l tp r o v i d e sb a s i st oi m p r o v e c o n t r o lm e t h o do fa r t e r i a lc o o r d i n a t e dc o n t r 0 1 t h em a i nf e a t u r ei n t h i sp a r ti st h a t s u m m a r i z i n gas e to fa r t e r i a le v a l u a t i o ng a t h e r k e y w o r d s ：u r b a nt r a f f i cs i g n a lc o n t r o l ，a r t e r i a lc o o r d i n a t e dc o n t r o l ，f u z z yl o g i c c o n t r o l ，f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n 1 1 1 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：南夸兰 2 幼8 年牛月z 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：禹垮兰 刷雅名齿坪 2 幼年月砰日 训碧年年月2 名日 长安大学硕卜学位论文 第一章绪论 随着社会政治、经济、文化和汽车工业的飞速发展，城市交通在社会中的地位显示 出来，城市发展的各个方面都不同程度的依赖城市交通的发展。而近些年来，城市交通 的发展远远不能满足城市的发展，交通拥堵现象非常严重。如何改善、发展城市交通越 来越被人们重视。由于城市土地资源的紧张，以前光靠修路来改善城市交通拥堵问题已 经不能完全解决问题，因此迫切需要人们运用新思想来解决城市交通问题。 1 1 论文研究意义及背景 城市道路交通问题是城市发展乃至经济、社会、环境协调发展中的战略问题，但是 随着我国城市化进程的加快，小汽车进入家庭，机动车保有量迅速增加，使得城市道路 交通面临的问题日益复杂，形势日益严峻。各大城市的道路交通供需矛盾更为突出，交 通需求的迅速增长使城市交通压力进一步增加，市区道路交通拥挤，堵塞同趋加剧，给 城市的可持续发展带来了极大的负面影响。 当前我国城市面临的道路交通问题主要体现在以下几个方面： 车辆增长速度高于道路基础设施建设速度。近年来一方面由于我国经济的快速发 展，使得城市机动车的增长同趋加剧，另一方面由于我国道路设施建设相对落后，道路 设施的建设始终不能很好地缓解交通问题，因而造成道路设施建设的速度落后于车辆增 长的速度。例如天津道路长度年均增长3 2 ，而机动车年均增长4 8 ( 1 9 8 5 - - - - 1 9 9 7 ) 。 城市道路交通压力大。由于我国城市道路容量不足，交通供求矛盾突出，交通拥挤 严重，导致城市道路交通运行速度低，例如广州市老城区机动车速平均为1 8 5 4 k m h 。 私人交通发展迅速。我国城市交通方式结构不合理，尤其是对城市摩托车、自行车 的管理不够，导致我国城市混合交通问题极其严重。例如，广州市市区现存约4 0 万辆 摩托车和3 0 0 万辆自行车，私人交通出行比例在4 0 以上。 出租车的发展失衡。出租车的发展规模和拥有水平已达到、甚至超过了发达国家的 同类城市，出租车高出行率和空驶率占用大量的有限道路空间，成为各个城市中道路断 面的主要交通流成分。 城市道路交通环境恶化、污染严重。例如上海市，全市机动车c o 、h c 、n o x 的排放 量分别达到3 8 万吨年、1 0 万吨年和8 1 万吨年；广州市上述三种气体的排放量总和 仅老城区就达到2 5 2 3 万吨年。 1 第一章绪论 道路交通安全问题突出。目前我国拥有的机动车仅为世界的3 5 ，交通事故死亡人 数却居世界之首。平均每万辆机动车所发生的交通事故死亡人数，世界平均为6 7 6 9 人左右，我国则为2 2 - - - 2 6 人左右。例如广州市2 0 0 0 年末共有机动车1 3 4 万辆，死亡人 数1 7 1 4 人，万车死亡人数为1 2 8 ，比世界平均指标高出近一倍。 由上面的叙述可知：城市交通问题越来越严重，迫切需要通过有效手段进行治理， 交通控制是其中的有效手段之一。交通控制的主要对象是机动车及其驾驶员，因此交通 控制的主要任务就是对道路上的交通流进行合理的引导和控制，以缓解和防止交通拥 挤、减少尾气排放和噪声污染等。 道路由许多交叉路口连接而构成道路网，道路交通在平面交叉口处反复地分流、合 流及交叉，使得该处的交通状况尤其复杂，所以城市交通拥挤问题往往突出表现在交叉 口处，因此交叉口控制的好坏将是能否解决交通问题的关键，它是整个城市道路的瓶颈 地带。城市道路交通中，交通干线承担了大量的交通负荷，又是保证城市社会经济活动 正常运转的主动脉，干线的交通畅通对改善整个城市的交通状况往往具有很大作用。城 市交通干线的特点是交叉口的距离比较近，交叉口间的关联程度比较大，本交叉口的交 通信号配时也会对相邻的交叉口产生影响。于是，各交叉口的协调控制就显得很重要， 即所谓的线控制。因此，本文选择的研究对象为线控制，文章拟从控制方法和评价方法 两个方面来研究线控制。 由于交通系统具有复杂性、随机性和难以用精确的数学模型来描述的特点，传统的 交通控制通过建立精确的数学模型或预先人为的设定多套方案的方法，控制效果都难以 尽如人意。而模糊算法是基于规则和经验的，不需要建立精确数学模型，刚好适合应用 于交通系统，所以本文选择的研究方法为模糊算法，模糊算法有很多，例如模糊聚类算 法、模糊模型识别以及模糊物元分析等，文章选用最常用的模糊控制算法和模糊综合评 判算法来分别研究线控制的两个方面。 基于上述原因，本文的研究定位于模糊算法在交通信号线控制中的研究，本文拟研 究的内容分为两个方面：基于模糊控制算法的线控制的控制方法的设计和基于模糊综合 评判算法的线控制评价方法的研究。 本文是在广州市交通规划研究所的项目“天河地区近期交通信号优化方案研究”中 的子课题“天河北路交通协调控制方案设计”研究的基础之上进行交通协调控制算法的 研究，以期为解决实际的城市交通问题提供有效的方法和途径。 长安火学硕r 二学位论文 1 2 国内外的研究情况 1 2 1 线控制的控制方法方面的研究情况 模糊逻辑控制是一种处理不确定性、非线性等复杂系统问题的有力工具，特别适用 于不确定性的复杂系统，而交通控制系统是典型的具有不确定性的复杂系统，所以模糊 控制非常适合在现代交通控制领域中应用。 自p a p p i s t l 】于1 9 7 7 年首先将模糊逻辑概念应用到交通控制领域以来，路口交通控制 就一直是模糊控制研究与应用的对象。经过近三十年的研究，基于模糊逻辑的智能交通 控制已经取得了很大的发展，在内容和手段上也出现了许多新的变化。1 9 8 4 年，日本学 者m n a k a t s u y a m a 2 】等将p a p p i s 法加以推广，提出两个理想交叉口的信号灯模糊干线控 制方法；j w u 与z d o n g 基于模糊神经结构来构建定性智能系统知识推理模块，以完 成实时动态交通控制；k k a q o l a n u m u 等则利用模糊规则与算法更新相位及绿灯时间实 现了针对孤立路口的智能控制器，此外，还有国外许多学者也提出了各种性能的模糊控 制器。我国的研究【3 】【4 】【5 1 也是处于世界前列的。我国学者陈洪【6 1 等人在此基础上进行了进 一步的研究，提出了关键车流和非关键车流的概念，考虑了非关键车流对控制效果的影 响；我国学者刘智勇【7 】等又提出了一种交叉e l 的多相位模糊控制方案，把队长作为控制 目标，综合考虑各车道上车队长度，以此来决定绿时分配的方法更接近人的决策过程； 我国学者徐建闽【8 】采用红信相位上等待的车辆数和绿信相位方向的路段车辆数作为输入 来确定绿灯时长；我国学者沈国江【9 1 等人也提出了基于感应控制思路的单路口模糊控制 方案，用神经网络实现模糊控制，并提出路段车辆数的概念，仿真结果较为理想。 本文是在前人研究【m ”1 的基础上，在模糊逻辑控制算法应用于城市交通信号线控制 的控制方法研究的领域进行了进一步的深入研究和探讨。 1 2 2 线控制的评价方法方面的研究情况 近年来，国内外专家学者对城市交通干线评价作了不少研究，如东南大学的郑长江 对行人过街与交叉口联动进行了评价；北京工业大学的杨峰【1 7 】对交叉口评价模型进行 了层次分析；上海交通大学的侯立文【1 8 1 对路网可靠性进行了评价；浙江大学的钱蓓蕾f 1 9 1 对单交叉口混合交通的性能进行了评价；哈尔滨工业大学高晗、裴玉龙【2 0 】将城市道路的 服务质量分为六级，运用模糊综合评价法或灰色评价法对道路交通状况进行评价；西南 交通大学张开冉【2 l 】采用模糊综合多级评价方法评价城市道路交通噪声污染；解放军汽车 管理学院朱中【2 2 1 和北京工业大学罗江涛等2 3 1 对道路交通事故的特点原因进行了分析以 3 第一章绪论 评价道路交通的安全性等等。 但是这些研究结果有的局限于单个或为数不多的几个技术指标的评价，不能全面的 对交通控制进行整体的评价；有的以单交叉口为评价对象，无法用在协调控制上，即使 用上了也会因为评价系统不够完善而使评价结果可用性比较差。本文针对这些问题设计 了专门用于线控制的评价方法，并用模糊数学中的重要算法一模糊综合评判法来实现。 1 3 论文研究的主要内容及章节安排 本文研究的主要内容有如下两个方面：第一，运用大系统分解、递阶理论和模糊控 制理论，对相邻交叉口进行协调控制，仿真结果证明了该算法的有效性，即第四章的内 容基于模糊控制算法的线控制的控制方法的设计。第二，一个系统的好坏，需要综 合的评价指标来衡量，所以本文的第五章重点讲述了基于模糊综合评判算法的线控制的 评价方法设计，把各种评价指标综合考虑。论文的主要研究内容结构思路图如图1 1 所 示。 论文设计主 图1 1 论文研究的主要内容 本文首先在第二章中介绍了城市交通信号控制的基本理论，进而介绍了本文的研究 对象线控制的一些相关理论知识，为本文的设计提供理论基础。另外在研究方法方 面，由于模糊控制算法理论比较复杂，所以单独列出第三章来介绍，而本文用到的另一 模糊理论模糊综合评判的理论基础比较简单，所以没有单独分章介绍，而是在第五 章中和交通线控制评价指标方法中一起介绍，比较系统。 本文的整体结构是：首先介绍文章研究的意义、背景以及国内外的研究情况，然后 介绍交通信号控制和线控制以及模糊控制的基本理论，接着是本文研究的两个主要内容 的设计。 本文的具体章节安排结构图如图1 2 所示。 4 k 安大学硕上学位论文 1 4 本章小结 图1 2 论文章节安排结构图 本章首先介绍了课题研究的意义及背景，然后分别介绍了线控制的控制方法和评价 方法的国内外研究情况，最后讲述了论文的主要研究内容以及具体的章节安排情况。 5 第_ 二章线控制方法 第二章线控制方法 经过近百年的发展，城市交通信号控制已经形成了一套较为成熟的概念和方法，迄 今为止，一些传统的方法仍在继续发挥作用。这些内容也是设计智能交通控制系统的基 础。本章介绍一些城市交通信号控制的相关理论，主要介绍与本文相关的线控制方法。 2 1 城市交通信号控制 2 1 1 城市交通信号控制的概念 交通信号控制是利用交通信号装置，对道路上运行的车辆和行人进行指挥和疏导。 所谓交通信号装置是指交通管理部门根据国家有关法律规定，在道路上向车辆和行人发 出通行、停止或停靠的具有法律效力的信息。交通信号控制是交通控制的重要组成部分， 是科学管理的一种有效手段。现代化的交通信号控制系统的作用是：减少交通事故，增 加交通安全；缓和交通拥挤，提高交通效益；提高公交效率，减少交通负荷；降低污染 程度，节省能源消耗。 2 1 2 交通信号控制的控制参数 一般来说，在交通控制中至少有3 个基本参数是可以由信号机直接控制的，这就是 周期c 、绿信比入和相位差t 刚其中单交叉路口信号灯的控制参数主要是周期和绿信比， 主干路协调控制的控制参数在此基础上要增加相位差。除此之外，某些信号机还能对相 位数进行控制，如从2 相位变成4 相位或相反等【2 4 】【2 5 1 。 ( 1 ) 周期：用于指挥交通的信号总是一步步循环变化的，一个循环由有限个步构成。 一个循环内各步长之和称为信号周期，简称周期，用c 来表示。一般信号灯都有最短周 期( 每个相位最少1 5 秒) ，否则不能保证几个方向的车顺利通过交叉路1 ：3 。最长周期不超 过2 2 0 秒，否则引起等待司机的抱怨，或者误以为信号灯已经失灵。适当的周期长度对 疏散路口处的交通流、减少车辆等待时间具有重要意义。 ( 2 ) 相位：在一个周期内，平面交叉口上某一支或几支交通流所获得的通行权称为信 号相位，简称相( 位) 。 ( 3 ) 绿信比：在一个信号周期中，各相位的有效绿灯时间与周期长度的比值称为绿信 比。绿灯时间是指路i z l 某相位绿灯持续的时间。绿灯间隔时问( 黄灯时间) 是指相邻相位 从一个相位结束到下一个相位绿灯开始之间的时间问隔，其目的是腾空路口，避免不同 6 长安大学硕士学位论文 相位车辆间的冲突。最短( 长) 绿灯时间是指各相位规定的绿灯时间的下( 上) 限值。 ( 4 ) 相位差( t o 。) ：交通协调控制系统中相邻路口协调相位信号灯开启时间之差，用t 。 表示。相位差分为绝对相位差和相对相位差。 2 1 3 交通信号控制的性能参数 目前常用的交通性能指标是饱和度、通行能力、平均延误时间、平均排队长度和停 车率。 ( 1 ) 饱和度：相位饱和度是指相位关键进口道到达交通流量与饱和流量之比，两交 叉口饱和度是相位饱和度中的最大值。交通流量是单位时间内通过某一位置的车辆数， 用q 表示，单位为辆d , 时；饱和流量指在一次连续的绿灯时间内，交叉口进口道上车队 能够连续通过停车线的折算为当量小车的最多车辆数，用s 表示。饱和流量实际上是一 个与交叉口相位信号时间无关的量，仅取决于道路条件和车辆状况。于是饱和度的计算 公式为：y = q s 。在进行信号配时设计时，必须要满足交叉口饱和度小于1 ，也即交叉口 各相位饱和度要小于1 ，一般取值范围为 0 8 ，0 9 5 】。 ( 2 ) 通行能力：单位时间内连续通过车辆的能力，包括路段通行能力和路口通行能 力。路段通行能力是指在单位时间内路段某截面能通过的最大车辆数；路1 3 通行能力是 指在单位时间内路口通过的最大车辆数，其单位都是p c u h 。在信号控制的情况下，路 口的通行能力用公式2 1 计算： 9 。= g ，f ( 2 1 ) 式中：q 。为路口某一入1 3 车道的通行能力( p c u h ) q 。为该路口车道的饱和流量 ( p c u h ) ；t e g 为某相信号的有效绿灯时间( s ) ：c 为信号周期长度( s ) 。 ( 3 ) 平均延误时间：延误时间是指车辆在交叉口入口引道处被阻碍下行走所需时间 和无阻碍行走所需时间之差。延误时间有平均延误和总延误两个评价尺度。 对于信号交叉口行车延误的分析与计算，主要有三种理论：稳态理论、定数理论和 过渡理论，其中稳态理论主要用于交叉v i 饱和度小于1 的情况，并假设在观测时间段内， 通行能力和车辆到达率保持不变。平均延误时间用公式2 2 计算： t d - - 筹+ 莉y 2 - 0 6 5 ( $ q 户伽 ( 2 2 ) 2 ( 1 一砂)2 9 ( 1 一五) 、2 77一。 其中：t d 为平均延误时间：c 为信号周期；q 为交通流量；y 为流量比率( 饱和度) ； 7 第- 二章线控制方法 入为所考察相位的绿信比。 这个公式中的第一项是由于正常的红灯阻滞所造成的延误，第二项和第三项由车辆 到达的随机性引起。 ( 4 ) 平均排队长度：平均排队长度是指在信号一个周期内各条车道排队最长的长度 平均值，用公式2 3 计算。各条车道最长排队长度一般是指该车道的绿灯相位起始时的 长度l 。 三旷窆 ( 2 3 ) 式中n 为车道数。 平均排队长度以周期为单位计算。某个周期平均车辆排队长度与此周期平均车辆延 误的指标基本是一致的。 ( 5 ) 停车率：停车次数就是一个信号周期内完全停车次数的总和，停车率是指一个 信号周期内停车车辆数与通过停车线( 交叉口) 车辆总数的比率。 另外介绍一下“折算标准小客车单位( e c u ) 的概念。按照国内车辆的分类方法， 小客车和微型卡车称为小型车，而大型车和托挂车折算成标准小客车的方法如下： l 辆大型车= 1 4 8 p c u1 辆托挂车_ 2 3 4 p c u 2 1 4 交通信号控制系统的分类 依据不同的分类标准，交通信号控制系统可以分为不同的种类。按信号控制范围划 分可将交通信号控制系统分为点控制、线控制、面控制；按信号控制原理划分可将交通 信号控制系统分为定时控制、感应控制和自适应控制【2 6 】【2 7 】。如图2 1 所示： 图2 1交通信号控制系统的分类 8 长安大学硕十学位论文 ( 1 ) 点控：单点交叉口交通信号控制，通常简称为“点控制”。点控制方式适用于相 邻信号机间距较远、线控无多大效果时，或因各相位交通需求变动显著，其交叉口的周 期长和绿信比的独立控制比线控更有效的情况。单路口的交通信号控制是最基本的交通 控制形式，也是线控和面控系统的基础，其目的是通过合理的信号配时，消除或减少各 向交通流的冲突点，同时使车辆和行人的总延误最小。单路口的交通信号控制主要分为 定时控制、感应控制、实时自适应控制等，其中定时控制和感应控制是基本的交通控制 方法。 ( 2 ) 线控：对含有多个平面交叉路1 ：3 的城市交通干线进行信号控制，其各路口的控 制方案相互协调，使得进入该干线的车队按某一车速行驶时，能不遇或尽量少遇红灯而 通过该干线。线控是在点控制的基础上发展起来的，也是面控的重要的组成部分，线控 的手段就是相位差的调整，相位差是在相邻路口间建立协调控制关系的关键参数。线控 方式是将一条主干道的一连串交叉路口作为控制对象，它要考虑这一连串交叉路e l 的交 通流状况，并对其进行协调控制，是本文研究的内容，将在下一节2 2 节中详细介绍。 ( 3 ) 面控：面控方式是将城市中某个区域的所有信控交叉路口作为控制对象，其控 制方案相互协调，使得在该区域内某种性能指标，如总的停车次数，旅行时间，排队长 度等最小。 ( 4 ) 定时控制：交通信号按事先设定的配时方案运行，配时的依据是交通量的历史 数据。一天内只用一个配时方案的称为单时段定时控制，一天内不同时段选用不同配时 方案的称为多时段定时控制。现在最常用的信号配时方法有：韦伯斯特法、临界车道法、 停车线法、冲突点法。定时控制方法是目前使用最广的一种交通控制方式，它比较适应 于车流量规律变化、车流量较大( 甚至接近于饱和状态) 的路e l 。但由于其配时方案根据 交通调查的历史数据得到，而且一经确定就维持不变，直到下次重新调整。很显然，这 种方式不能适应交通流的随机变化，因而其控制效果较差。 ( 5 ) 感应控制2 8 1 ：感应信号控制没有固定的周期，它的工作原理为：在感应信号控 制的进口均设有车辆检测器，当某一信号相位开始启亮绿灯，感应信号控制器内预先设 置一个“初始绿灯时间”，到初始绿灯时间结束时，增加一个预置的时间间隔，在此时 间间隔内若没有后续车辆到达，则立即更换相位；若检测到有后续车辆到达，则每检测 到一辆车，就从检测到车辆的时刻起，绿灯相位延长一个预置的“单位绿灯延长时间”， 绿灯一直可以延长到一个预置的“最大绿灯时间 ，当相位绿灯时间延长到最大值时， 即使检测器仍然检测到有来车，也要中断此相位的通行权，转换信号相位。感应式信号 9 第二章线控制方法 控制根据检测器设置的不同又可以分为半感应控制和全感应控制。感应控制方法特别适 用于交通量随时间变化大且不规则、主次相位车流量相差较大的路口。感应控制方法存 在的缺陷在于：感应控制只根据绿灯相位是否有车辆到达而做出决策，而不能综合其它 红灯相位的车辆到达情况进行决策，因此它无法真正响应各相位的交通需求，也就不能 使车辆的总延误最小。 ( 6 ) 自适应控制：把交通系统作为一个不确定性系统，能够连续测量其状态，如车 流量、停车次数、延误时间、排队长度等，逐渐了解和掌握对象，把它们与希望的动态 特性进行比较，并利用差值以改变系统的可调参数或产生一个控制，从而保证不论环境 如何变化，均可使控制效果达到最优或次优。从总体来看，自适应系统的控制在很大程 度上依赖于交通流数据的实时检测，因此系统对交通检测设备和交通数据传输设备的精 度和可靠性要求很高。与定时系统相比，自适应控制系统的设备配置复杂得多，建设投 资要高很多。 2 1 5 交通信号控制的传统设计方法 交通信号的控制主要是指两个方面：信号相位和信号配时。传统的控制方法【2 9 1 中， 信号相位是固定设计的，下面简要介绍一下常用的信号配时设计的方法二一韦伯斯特公 式。对于交叉口信号控制来说，控制参数的优劣最重要的指标是延误时间，韦伯斯特公 式给出了延误时间和周期的函数关系。问题就转化为已知延误时间和周期的函数关系， 要求一个周期使得延误时间达到最小，根据微积分的知识知，只需对韦伯斯特公式对周 期偏微分等于零算出的周期即为最佳信号周期。韦伯斯特经过反复计算，给出了公式2 4 的最佳周期计算公式： c 。= 等 ( 2 4 ) 式中，l 为每个周期的损失时间，为经验所得，y 为交叉口交通流量比。 现在考虑l 和y 的计算方法，设一个周期有n 个相位，第i 个相位的损失时间为1 ；，全 红时间为t m 则总的损失时间l 用公式2 5 计算： 交叉口的交通流量比按式2 6 计算： 三= ( z i + f 玎) 1 0 ( 2 5 ) 长安大学硕上学位论文 y j = q j s j ；y = y j ( 2 6 ) l y ，为第j 相信号临界车道的交通流量比。q ，和s ，分别为第j 相信号临界车道的交通流量 和饱和流量。在实际应用中，按公式算得的c 。值还需要调整。比如说c 。值不能太大， 也不能太小，得有个临界上限和临界下限值。当超过这个范围时，就取临界值。周期长 确定后，各相位的绿灯时间按各相位临界车道的交通量作正比例分配。有了周期长和绿 信比就可以对交叉口信号进行控制了。 传统的控制方法虽然简单，但是要建立在复杂的延误数学模型之上，而交通系统的 复杂性、模糊性、随机性和不确定性使得建立精确的数学模型非常困难，某一交通参数 发生变化，其控制效果都会受到很大的影响，即系统的鲁棒性和稳定性较差。 2 2 线控制 2 2 1 线控制的基本概念 一条道路上，将所有交叉口信号灯的运行以某种方式协调起来，按照既定方案同步 联动，即所谓“线控系统”。线控制实际上就是把干线上一批相邻交叉口的交通信号进 行协调配时，使得进入该干线的车队按某一车速行驶时，能不遇或尽量少遇红灯而通过 该干线。在一条较长的道路上有若干个相邻的交叉口，如采用点控制组织交通，则交叉 口的绿信比、周期长度和开绿灯的时刻没有协调，这样必然增加在该道路上运行的车辆 的停车次数。采用线控方式后，往往采用绿波带控制，一般用在主要干线上，相邻的交 叉路口执行相同的信号灯控制周期，放行主干道相位的绿灯开启时间( 相位差) 错开一定 的时间。在这种控制形式下，车辆行驶到第一个路口后等待放行。绿灯开始以后，车辆 以一定的速度( 如4 0 5 0 l ( n _ e h ) 行驶到第二个路e l 也是绿灯，依次继续下去，以提高车辆 的速度和道路通行能力保证主要干道的交通畅通，减少车辆的停车次数和延误时间。 2 2 2 选用线控制的依据 对于线控信号系统，起初几乎认为只要把信号联结成一个系统，总是可以形成有效 的续进式系统的。经实践后才开始认识到并不是所有的信号控制情况都可能形成有效的 线控系统，也因此认识到有必要研究识别影响线控制系统效率的各种可能性的因素。具 体应该考虑的主要因素有以_ f 几剧3 0 】： ( 1 ) 车流的到达特性。在一个信号交叉i e i ，车辆形成车队，脉冲式的到达，采用线 1 1 第一二章线控制方法 控就能得到很好的效果。如果车辆是均匀到达，就降低了对线控制的要求，线控效果不 会很理想。 ( 2 ) 信号交叉口之间的距离。在干线街道上，信号交叉口的间距可在1 0 0 1 0 0 0 m 的 范围内变化。信号交叉口之间的距离越远，线控的效果就会越差，一般线控系统内各交 叉口之间的距离不宜超过8 0 0 m 。 ( 3 ) 街道运行条件。单向交通运行有利于线控系统的实施及实施后的效果，因而对 单向交通运行的干道应优先考虑采用线控系统。 ( 4 ) 信号的分相。由于信号配时方案和信号相位有关，信号相位越多，对线控系统 的通过带宽影响越大，因而受控交叉口的类型也影响线控系统的选用。 ( 5 ) 交通随时间的波动。车辆到达特性和交通量的大小，在每天的各个时段内有很 大的变化。高峰期交通量大，容易形成车队，用线控系统会有较好的效果，但在非高峰 期线控系统就不一定有好的效果。这需要我们实地分析，灵活运用。 2 2 3 线控制的协调方式 采用线控制需要在各交叉口之间进行协调，协调的方式主要有以下几种【3 1 】： ( 1 ) 优先相位协调方式。该方式让某一方向优先并且设置比较宽的通过带。在早、 晚交通高峰时间，上、下行交通量差别显著的情况下，按照交通量大的方向设置相位差， 使其通过带尽可能的宽，就可以得到较高的系统效率。其相邻交叉口间的相位差计算如 下： f 。= 了s ( 2 7 ) 其中t o 。为相邻交叉口间的相位差，s 为相邻交叉口间的间距，v 为车辆在相邻交叉口间 的平均行驶速度。 ( 2 ) 同步式协调方式。干线上所有的交叉1 ：3 在同一时刻显示相同的信号灯色，即相 邻路口之间的相位差恰好等于信号周期的长度。有两种情况适合于采用这种协调控制方 式：一是车辆在相邻交叉口的行驶时间等于信号周期的整数倍，即： s = n v c( 2 8 ) 二是干线上交叉口间距较短，且干线上的交通量远远大于次干线方向的交通量，此时把 相邻交叉口看成一个交叉口。 ( 3 ) 交互式协调方式。车辆在相邻交叉口问的行使时间等于信号周期长度一半的倍 1 2 长安大学硕士学位论文 数，此时采用半周期为相位差可使车辆连续通过干线上的交叉口。此时 s ：_ m v - c ( 2 9 ) z 其中s 为相邻交叉口之间的距离，c 为信号周期，v 为车辆在相邻交叉口之间的平均行 驶速度，n 为任意整数，n l 为任意奇数。 2 - 2 4 线控制的基本设计方法 传统的线控制的设计方法整体归纳起来有如下几步： 第一步：根据交叉口的物理结构、渠化信息和输入流量的信息，由w e b s t e r 公式， 计算出每个交叉口的周期和各个车流的绿信比； 第二步：根据w e b s t e r 公式，周期最大的交叉口即为输入流量最大的交叉口，因此 选取周期最大的交叉口为关键交叉口，其周期为线控系统周期时长； 第三步：确定相位次序，非关键交叉口改用系统周期时长，其各相绿灯时间随之增 加，一般将关键交叉口的绿灯时间定为干线方向交叉口的最小绿灯时间，各交叉口沿干 道方向的最大绿灯时间根据相交道路所需要的最小绿灯时间确定； 第四步：根据相邻的交叉口道路长度和车流平均速度，确定各个交叉口的相位差； 第五步：固定前一个交叉口干道的绿灯启亮时间，根据相位差求得后一个交叉口的 干道绿灯启亮时间，依此类推，所有的交叉口信号的绿灯启亮时间都能确定。 相位差的确定对于线控系统来说是至关重要的，下面介绍两种常用的相位差计算方 誊# 【3 2 】【3 3 】【3 4 】 1 二 ( 1 ) 图解法f 3 5 】。图解法是确定线控系统相位差的一种传统方法，其基本思路是：通 过几何作图的方法，利用反映车流运动的时间一距离图( 简称“时一空”图) ，初步建立 交互式或同步式协调。然后再对通过带速度和周期时长进行反复调整，从而确定相位差， 以最终获得一条理想的绿波带宽。具体的方法可参考文献 3 5 】。 ( 2 ) 数解法。数解法是确定线控系统相位差的另一种方法，它通过寻找使得系统中 各实际信号距理想信号的最大挪移量最小来获得最优相位差控制方案。具体的方法可参 考文献【3 1 】。 模糊控制应用于线控制中的基本设计步骤与上面叙述的步骤是基本相同的，所不同 的是控制参数的确定方法，传统的线控制中的周期和绿信比用数学模型( w e b s t e r 公式) 来确定，相位差用数解法或者图解法来确定，而基于模糊控制的线控制中周期、绿信比 以及相位差则是由模糊控制算法来确定，避免了建立精确的数学模型和大量的计算，具 13 第二章线控制方法 有显著的优越性。 2 2 5 线控制模型的分层递阶控制 线控方式是把一条道路延长线上的连续几个信号机相互联系起来进行信号显示，达 到减少车辆停车次数，缩短停车时间，进而使交通畅通的目的。在城市交通信号控制系 统的线控制中，信号灯的周期、绿信比和相位差是控制向量，到达交叉路口的车辆数和 各交叉路口停车线前面排队的车辆数是状态变量。如果同时考虑信号灯周期、绿信比和 相位差的优化，将使问题的求解变得十分复杂，而将大系统理论及递阶控制的思想应用 于城市交通干线的协调控制中将会使问题变得简单可行。 所谓大系统【3 6 】是指模型维数较高、空间分布较广、系统中包含多个相互关联的子 系统、系统的评价有多个性能指标的系统。与许多大规模的动态系统一样，交通信号控 制系统是由彼此关联的子系统( 交叉口) 组成，每个子系统有自己的状态向量和控制向量， 整个系统的状态向量和控制向量是相应子系统状态向量与控制向量的集合。对于这种大 型动态系统，其优化问题的计算量随状态变量数目的增加而急剧增加，在计算机容量和 速度有限的条件下，最优控制问题的求解在实际应用中特别是在线应用中难以实现。解 决这类问题典型方法是首先独立地平行求解每一个子系统的优化问题，然后通过对各个 子系统优化解的反复协调，以获得整个系统的优化解，这就是大系统递阶优化的思想。 本文将要用到的是两级递阶结构，结构图如图2 2 所示： 下级 ( 第一级) 图2 2 两级递阶结构 递阶控制系统【37 j 由