（交通信息工程及控制专业论文）平面交叉口信号控制方法研究与仿真设计.pdf

摘要 随着经济的发展和城市化水平的提高，城市交通问题日益突出。如何充分利用现有的道路资源，通过 科学合理的交通控制手段，最大限度地提高平面交叉口的通行能力，降低延误时间一直是交通工程领域重 要的研究课题。在诸多交通控制于段中，优化信号配时是最直接最有效的方法之一。计算机仿真是以车辆 运动模型为基础，用计算机模拟车辆的产生和行驶等系列交通状态，通过类似实测的方法测量平面交叉 口的通行能力和延误时间等评价指标，为优化信号配时提供依据。 本文在分析城市交通控制研究现状和平面交叉1 ：3 控制原理、评价方法的基础上，提出了平面交叉1 3 的 模糊控制策略，并给出了其设计实例。通过对平面交叉口路口环境及车流到达、排队、跟驰、冲突、拐弯、 驶离等各种运行状态的分析，建立了平面交叉口信号控制方法及车辆各种运行规律的数学模型，并给出了 基于二维动画界面的平面交叉口通用仿真系统的设计方法和基本程序框架。最后用仿真系统对平面交叉口 模糊控制方案进行仿真评价，结果表明，模糊控制优于传统的控制方法。 关键词：平面交叉口：仿真；信号控制；模糊控制； a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dr i s e i nl e v e lo fu r b a n i z a t i o n ，t h et r a f f i c p r o b l e mb e c o m e sm o r e s e r i o u st h a nb e f o r e i nt r a f f i ce n g i n e e r i n gf i e l d m o l ei m p o r t a n c eh a sb e e na t t a c h e dt oh o wt om a k et h eb e s tu s eo f e x i s t i n gr o a d ，i n c r e a s et r a f f i cc a p a c i t ya sw e l la sr e d u c ed e l a yi na t g r a d ec r o s s i n g sa sm u c ha sp o s s i b l eb ym e a n s o fs c i e n t i f i cr e a s o n a b l em e a s u r e s a m o n gm a n ym e a s u r e so ft r a f f i cc o n t r o l ，t h eo p t i m i z a t i o no fs i g n a lt i m i n gi s o n eo ft h em o s td i r e c ta n de f f e c t i v em e t h o d s b a s e do nv e h i c l e - m o v i n gm o d e l ，c o m p u t e re m u l a t i o na p p l i e dt o s i g n a l st i m i n gs i m u l a t eas e r i e so ft r a f f i cs t a t e sc o n s i s t i n go fg e n e m t i o na n dm o t i o no fv e h i c l e m e a s u r e db y o n t h e 。s p o ts u r v e nt h ea p p r m s ei n d e x e ss u c ha st r a f f i cc a p a c i t y , d e l a ya r eb a s eo ft h eo p t i m i z a t i o no fs i g n a l t i m i n g o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ec i t y t r a f f i cd e v e l o p m e n t s ，t h ea t - g r a d ec r o s s i n g sc o n t r o lt h e o r ya n di t sm e t h o d o fe v a l u a t i o n ，t h ea u t h o rp r e s e n t saf u z z yc o n t r o lp l a na tt h ea t g r a d ec r o s s i n g sa n di n t r o d u c e si t sd e s i g nm e t h o d b y ae x a m p l e i nt h es e c o n dp a r t ，b ya n a l y z i n g c r o s s i n g se n v i r o n m e n ta n dv a r i o u sv e h i c l eo p e r a t i o ns t a t e ss u c ha s a r r i v a l ，q u e u i n g ，t r a c e ，c o n f l i c t ，t u r n i n g ，d e p a r t i n ga n ds of o r t ha tt h ea t g r a d ec r o s s i n g s ，t h ea u t h o rs e t su pt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o n t r o lm e t h o da n dv a r i o u so p e r a t i o np a t t e r no fa t g r a d ec r o s s i n g sa n di n t r o d u c e st h e d e s i g nm e t h o da n db a s i sp r o g r a m m i n gf r a m eo fg e n e r a lt r a f f i cf l o ws i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nt w od i m e n s i o n a l a n i m a t i o n i nt h ef i n a l p a r tt h ef u z z yc o n t r o lp l a na tt h ea t - g r a d ec r o s s i n g si s c h e c k e da n de v a l u a t i o n b y s i m u l a t i o ns y s t e m t h er e s u l ts h o w st h a ti ti ss u p e r i o rt ot h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d k e yw o r d s ：a t g r a d ec r o s s i n g s ；s i m u l a t i o n ；s i g n a lc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：! 型翅日期：垒璺噬f 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：耙蚰导师签名：二夔!日期：旦竺! ：! ：弓 第章前言 1 1 研究背景 1 1 1 城市交通现状与解决对策 第一章前言 城市交通是城市社会经济活动的命脉，是衡量一个城市文明进步的标志，对城市经济发展和人民生 活水平提高起着极其重要的作用。随着我国经济的快速发展、城市化水平的不断提高，城市人1 3 、汽 车保有量、交通流量持续大幅度增加，导致了交通需求与道路设施之间的尖锐矛盾。尤其是在我国大中 城市，轨道交通还未形成规模、私家车和出租车迅猛发展、交通管理水平低下，这些因素都使得城市交 通拥挤现象堵塞日益严重，交通事故发生频繁，环境污染进一步恶化。交通问题已经成为我国严重的城 市病之一，严重地影响着城市功能的正常发挥和可持续性发展，给人民日常生活带来了诸多不便，造成 了巨大的国民经济损失。 出现城市交通全面紧张的主要原因有两个方面：一是城市交通基础设施建设的速度远远滞后于交通 需求量的增长；二是城市交通管理水平不高，交通管理设施落后，已有道路资源和交通设施未能得到充 分利用。为了缓解城市交通紧张状况，解决城市交通拥挤问题，一方面要加快交通基础设施建设，适应 交通量高速增长的需要；另一方面必须加强城市交通管理水平，提高交通设施和道路资源的利用率。 在过去很长一段时间里，我们只重视道路的建设，而忽略了科学化的交通管理与控制，出现了一方 面我国车均面积高于其他国家，另一方面车辆通行能力却大大低于国外发达国家的现象”1 。道路交通基 础设施建设投资大，周期长，特别是城市道路设施的建设需要占用大量宝贵的城市土地，因此受到众多 的限制。在城市道路基础设施日益完善的情况下，通过科学的先进的交通管理策略a t d m ( a d v a n c e d t r a m cd e m a n dm a n a g e ) ，提高城市道路设施的利用率，缓解城市交通供需矛盾，投资少，见效快，更具 有现实意义。 1 1 2 交叉口对城市交通拥挤问题的影响 交叉1 3 是指两条或两条以上道路交叉或交汇的区域，通常由交叉范围内为交通流运行提供服务的道 路和路边设施构成”1 。道路通过交叉口连接起来，形成道路网络，交通流只有借助交叉口，才可完成转 向。交叉口提高了道路交通的灵活性和交通流的可达性，完善了路网的交通功能，是道路网络系统中极 其重要的组成部分。 交叉口作为相交道路交通流汇集和转向的发生地，道路交通流在此反复地分流、合流及交织，使得 这些地方的交通状况更加复杂。城市交通拥挤问题往往突出表现在道路交叉口处，据统计8 0 以上的延 误集中在交叉口，平面交叉1 ：3 的通行能力不足道路的5 0 ”。，交叉口已成为整个城市道路网络中通行能 力的瓶颈。因此可以说，道路资源充分利用与否的关键是交叉口资源的利用情况，针对交叉口的交通特 性及相关因素进行深入分析，找出造成交通拥挤的原因，探讨提高交叉口通行能力的具体措施和有关实 施条件，并对措施的实施效果进行量化比较，是提高道路网络通行能力，缓解城市交通拥挤问题有效和 经济的方法。 1 1 3 解决交叉口交通拥挤问题的策略 研究表明，交叉口交通拥挤问题的矛盾主要集中表现在交通流冲突方面，如何有效地解决交叉口 交通流冲突问题是提高交叉口通行能力的关键。立体交叉1 3 可以在空间上分离相互冲突的车流，这固然 可以提高交叉口通行能力，缓解拥挤问题，但立交建设工程浩大，占地多，修建费用高，在城市内部往 往难以实现。实践证明，通过有效的交叉口交通控制，在时间上分离相互冲突的车流，是提高交叉口通 行能力，缓解拥挤问题经济并行之有效的方法。在诸多交通控制手段中，信号配时是最直接最有效的办 法之一，通过改变信号周期、绿信比和绿灯起步时距( 时差) 等信号参数，在不改变原来道路设计的前 提下，可以晟大限度地利用现有的道路资源，提高道路的服务质量。需要指出的是，平面交叉口的信号 东南大学硕士学位论文 配时也有其局限性，要使信号配时能够有效的前提是交叉口的交通需求必须小于其设计通行能力，也即 路口处于欠饱和状态，如果路口处于过饱和状态，控制系统只能按最大绿灯时间放行。堵塞已不可避免， 要解决过饱和交叉口的堵塞问题只有靠限制车流量，降低交通需求或改善路口形状，提高其最大通行能 力等办法了。 1 2 城市交通控制概述 城市交通控制的研究从1 8 6 8 年在伦敦问世的第一台信号灯算起已经有一百多年的历史了。尤其到了 本世纪6 0 年代，由于许多国家汽车保有量的急剧增加，城市交通严重拥挤堵塞，促使了人们对交通研究 的重视。当时产生的许多交通控制理论不仅对缓和城市交通起到了重要作用，而且对今天的研究也有重 大影响。到了9 0 年代初期，智能运输系统i t s 的提出又把交通研究推向了一个新的高潮。随着i t s 研究 的进展，势必为解决目前的城市交通问题提供新的思路、新的策略。 1 2 1 城市交通控制的种类 城市交通控制有多种方式，其分类也有很多种，在此考虑到选择控制方式的方便性，将其按控制范 围分为点控、线控和面控”1 。 1 2 1 1 点控方式 点控方式是指道路交叉口的信号灯各自互不相关地独立运行的方式。点控方式适用于相邻路口间距 较远，线控无多大效果或者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。 1 2 1 2 线控方式 线控也称干线协调控制或绿波控制。交通流具有连续运动的特点，若交通干线上几个距离较近的交 叉口其控制信号不相关时，从上游停车后驶出的车辆很有可能在下游又遇红灯，这种交叉口之间各自为 政的孤立控制方式难免造成频繁停车，控制效果不佳。这时若把这些交叉口的信号机在时间上联凑起来 进行协调控制，则可以形成一条绿波带，减少了干线上车辆的停车次数和运行延误。线控的主要特点是 对几个信号机设定共同的周期长和相位差。线控适用于交叉口间距小，交通干线流量较大的情况，这时 车流不会离散，控制效果较好。 线控按控制的时间基准分为同时式线控、优先式线控和交互式线控；按有无连接电缆分为有电缆线 控和无电缆线控；按控制策略分为固定周期控制、方案选择式感应控制、方案生成式感应控制。 线控根据控制目标的不同而有相应的信号配时算法。比较有代表性的有最大绿波算法i g w b 和最小化 总延误和停车次数算法m i n d s 。 1 2 1 3 面控方式 面控也称区域协调控制，是对某一大面积道路网上的多台信号机采用集中协调控制的方式，这是因 为这些信号机相互关联，每一个路口的配时变化都或多或少地与其他路口有关。面控方式是线控方式的 扩展，面控区域一般划分成若干个子区，每个子区用相同的周期去进行控制。面控系统由中央控制机、 子区控制机、路口控制机三级组成。中央控制机给出每个子区的最佳周期长，各个子区控制机负责相位 差和绿信比的优化计算，路口控制机再作优化调整。面控系统适用于城市中若干条干道相互交错环绕的 路网结构，这时若采用线控不能达到预期效果。 面控系统按控制方式分为定时控制系统和自适应控制系统，其中加拿大多伦多的u t c 系统、英国早 期的t r a n s y t 系统都属于前者，而英国的s c o o t 系统、澳大利亚的s c a t s 系统以及我国上海8 0 年代开发 的s t a c s 系统都属于后者。 面控系统比较有代表性的是英国交通与道路研究所( t r r l ) 于1 9 6 6 年开发的t r a n s y t ( t r a f f i c 2 第一章前言 n e t w o r ks t u d yt 0 0 1 ) 系统、澳大利亚于7 0 年代开发的s c a t s ( s y d n e yc o o r d i n a t e da d a p t i v ew r a f f i c s y s t e m ) 系统和英国t r r l 于1 9 7 3 年研究开发的s c o o t ( s p l i tc y c l e o f f s e to d t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ) 系统。 1 2 2 城市交通控制理论研究现状 城市交通系统是一种非线性的、时变的、滞后的大系统，以往的交通控制研究多是基于启发式的考 虑，而不是基于控制理论的方法“1 。近多年来，随着众多研究控制理论出身学者的加盟，使得城市交通 自动控制领域的研究出现了新的思路、新的方法。本小节就近多年来交通控制理论的研究进展作一简述 【 1 2 2 1 静态多段配时控制 在静态条件下，交通工程师常将交通需求与o d 率视为先验已知的每日不同时段的常值函数，其函数 值是由历史数据经脱机优化得出的。多段配时控制是利用历史数据实现的一种开环控制，其基本设计思 想源于线性规划。 多段配时控制没有考虑交通需求与0 d 矩阵的随机波动，没有考虑城市道路交通流的实时进化过程， 其控制能力和抗干扰能力非常有限。但就城市某一区域而言，每日的交通状况毕竟表现出相当程度的重 复性，车流的运动变化仍有一定的规律可循，因此研究静态多段配时控制，将其作为其他控制策略的参 照系或初值系统还是很有意义的，如分层递阶交通控制系统的优化层就是以该方法作为稳态优化方法。 这种方法简便易行，尤其适用于稳态交通环境。 1 2 2 2 准动态多段配时控制 准动态多段配时控制与静态多段配时控制相类似，只不过多段的划分不是以时间为依据，而是以检 测到的实时交通状态为依据。交通状态可以用交通量、占有率、车速等交通数据的特征值来表达，对被 划分成的若干个交通状况系统分别匹以不同的优化配时。 准动态多段配时控制是一种闭环控制系统，由于反馈的引入，所以系统的动态性能比静态多时段控 制有明显改善，但是又由于它的控制方式仍属于方案选择式，所以系统动态性能的改善又十分有限，故 称之为准动态系统。 1 2 2 3 最优控制 城市交通控制的最优问题可表述如下 对于满足约束条件 0 f f 一 式中 卜一各方向排队长度( 辆) 一晟大排队长度( 辆) 和约束条件 0 。r ，r 。 式中 r 一绿信比； 。最小绿灯时间( j ) ： 厂州矿一最大绿灯时间( j ) ； 的系统 ( 1 2 ) 东南大学硕士学位论文 l ( k + 1 ) = + b ，r ( 一f ) + 口( t ) ( 1 3 ) i = o 式中 b 厂_ 一控制矩阵( i = 0 ，1 j n ) ； a 时变的车辆到达向量； 给定初始状态 f ( o ) = f 。，( 女) = 0 ，v k 动态交通状态描述能力不强： 由于数学分析模型的封闭性，分析结果与设计者之间交互功能不强： 分析结果的表达形式过于单调，缺乏直观性，既不利于专业人员理解，更难以让非专业人员接 受； 模型描述能力不强，很难反映复杂多变的道路几何条件和交通条件的影响； 数学分析模型的理论基础与实际情况有着明显的差异，这使得模型分析结果准确性和反映问题 的深度都不是很高； 上述缺陷在进行较为宏观的交通状态描述时不突出，但随着所涉及问题对交通状态分析精度的要求 提高，数学分析模型则显得难以适应，这主要体现在对制定道路几何设计方案、交通控制方案、交通管 东南大学硕上学位论文 一_ 理措施方案等偏于微观的研究领域提供决策支持的能力方面显得非常的不足，叮随着道路交通工程技术 的不断更新与发展，数学分析模型的上述缺陷则显得愈发突出。与较为成熟的道路c a d 技术相比，尚缺 乏一个基于计算机辅助的能将道路和交通技术有机结合在一起的灵活的实验平台，这也是造成目前道路 几何设计和交通控制与管理措施各自为政的技术方面的原因之一。 与传统的交通分析技术相比，计算机交通仿真技术，尤其是微观交通仿真技术具有非常明显的优势， 主要体现在以下几个方面： 模型机制的灵活性与柔韧性：仿真模型对系统内各基本要素的变化规律及相互作用关系的描述 与系统的实际运行过程紧密相对，有利于形成灵活性与柔韧性较强的模型机制； 模型描述的灵活性与准确性：微观仿真模型以交通系统最基本的要素如单个的车辆、车道、信 号灯等为建模单元，因而能非常灵活地反映各种道路和交通条件的影响。另外，微观仿真模型 的形式一般较为简单，但往往就是对实际行为的直接描述，因而更能反映客观实际： 交通分析的开放性：借助于计算机技术，通过良好的用户输入输出界面，模型的运算可方便的 与用户相互交互，增强了模型应用的实用性与方便性，仿真结果动画演示的直观性使得即使是 非专业人员也能很容易的理解： 强大的动态交通状态描述能力：时间扫描技术为动态交通状态描述提供了最大的支持； 鉴于上述优点，交通仿真目前广泛应用于交通工程的各个领域。根据模型描述程度的不同，交通仿 真可分为微观交通仿真和宏观交通仿真。微观交通仿真对交通系统的要素及行为的细节描述程度最高， 如微观交通仿真模型对交通流的描述是以单个车辆为基本单元的，车辆在道路上的跟驰、超车及变换车 道行为等微观行为都能得到较真实的反映。宏观交通仿真对交通系统的要素及行为的细节描述处于一个 较低的程度，如交通流可以通过密一速关系等一些集聚性的宏观模型来描述，车辆的车道变换之类的细 节行为可能根本就不予以描述。 根据仿真钟的不同设置方式，交通仿真可分为时间扫描仿真和事件扫描仿真。时间扫描法将时间分 成等长或不等长的小时段，而事件扫描法则以预定事件的出现作为确定仿真步长的依据，用来建立仿真 程序的事件，必须是对仿真具有重要意义的事件。 上述两种仿真方法均可应用于交通仿真，但由于事件扫描法只反映具有重要意义的事件，因此不适 宜于需要更真实地反映车辆连续动态特性的情况。而采用时间扫描法则可描述每一扫描时间段所有车辆 的动态状况，因而能更真实地反映实际交通状况。 1 3 1 国外研究概况 国外交通仿真研究始于上个世纪6 0 年代，t r a n s y t 是当时晟具代表性的成果。它是一种宏观仿真 模型，用以确定定时交通信号参数的最优值。当时其它较为典型的研究成果还包括t r 啉s 、v s t 、s i g o p 等，这时期的交通仿真系统的主要特点是以优化城市道路的信号设计为应用目的，模型多采用宏观模型， 模型的灵活性和描述能力较为有限，仿真结果的表达也不够理想，这在某种程度上也是由当时的计算机 性能所决定的。 上个世纪7 0 年代以来至8 0 年代，由于计算机的迅速发展，交通仿真模型的精度也迅速提高，功能 也更加多样。这期间出现了以n e t s i m 、f r e s i m 、f l e x s y t 一2 、a i m s u m 2 ( 早期版本) 等为代表的一批仿真 软件。其中开发晟为成功且得到广泛应用的是由美国联邦公路局提出的n e t s i m u 模型。该模型是一个描 述单个车辆运动的、时间扫描的网络微观交通仿真模型，其对城市道路交通现象的描述达到了一个新的 高度。大部分常见的交通现象如跟驰行驶、变换车道、车流冲突、公交运行、行人冲突、短车道溢出等， 以及常见的交通控制管理措施如定周期式信号控制、感应式控制、无信号控制( 优先权控制) 、车道关闭 等均可通过仿真软件进行模拟，评价指标有诸如排队溢出、油耗、废气排放等指标，另外，模型对道路 几何条件的描述也更为灵活。n e t s i i c o 模型经过多次的版本升级，其功能日趋强大，广泛应用于动态交 通控制与管理系统的方案优化、交通设计方案的优化以及交通工程相关领域的理论研究方面，至今为止， n e t s i m u 模型仍是目前应用最为广泛的仿真模型。然而，该模型虽然以“网络”交通仿真为名，但其网 络模型的描述功能却极为有限，突出表现在其模型不具备描述车辆路线选择的功能。车流在交叉口进口 道上的转弯情况是作为输入条件事先固定的，而不是通过车辆的路线选择来确定。 6 第一章前言 随着上个世纪8 0 年代末和9 0 年代初国外i t s 研究的臼益热门，老一代的仿真软件己无法适应i t s 的应用需要，因此世界各国都开展了以i t s 为应用背景的交通仿真软件的研究，并达到了交通仿真研究 一种前所未有的高潮，出现了一大批的评价和分析i t s 系统效益的仿真软件系统，以下对一些典型仿真 软件的基本情况做一简介”1 。 典型代表 美国：c o r s i m 、i n t e g r a t i o n 、m i t s i m 、p h a r o s 、s h i v a 、t r a n s i m s 、t h o r a u ： 英国：d r a c u l a 、p a d s i m 、p a r a m i c s 、s i g s i m ： 德国：a u t o b a h n 、) a i c r o s i m 、p l a n s i m t 、s i m n e t ： 法国：n e m i s 、s i m d a c 、s i d r a b + 、a n a t o l l ： 日本：m e l r o s e 、m i c t s t r a n ： 应用领域 定量化评价和分析i t s 系统的效益尤其是a t m s a t i s 系统中各种方案的效益评价。 描述的交通现象和对象 车辆排队及溢出、车辆交织、交通事故、公交运行、行人冲突、寻找停车场、停泊车辆、天气 状况、自行车摩托车等。 描述的交通控制和管理方式 定周期控制、感应式控制、匝道汇入控制、静态路线诱导、动态路线诱导、事故处理、公交车 优先控制、可变标志控制、收费口、自动公路系统、无人驾驶车辆、停车场诱导等。 评价指标 交通运行效益指标：速度、行驶时间、拥挤情况、行程时间变化性、公交运行正常率等； 安全性指标：车头时距、超车、车辆冲突次数、车人冲突等： 环境指标：废气排放量、路边污染水平、噪声水平等； 舒适性指标：乘坐舒适度等； 经济性指标：油耗等。 软件的输入输出界面 大部分软件采用文本输入格式来描述诸如节点、路段、交通信号、路径、车辆到达率等，但也 有少数几个软件提供了路网拓扑结构和几何数据的图形输入界面。大部分软件具有动画演示输出功 能，但也有少数模型只提供数据库格式的输出形式。 硬件条件 大部分软件可在p c 机或u n i x 系统上运行，个别在v a x 和r e 6 0 0 0 机以及s u n 工作站上运行。 运行速度 取决于路网大少和计算机性能。一般来说仿真软件的运行速度为实际时间的卜5 倍，更快一些 可达到1 5 2 0 倍，但也有慢于实际时间的。 基本的仿真技术 几乎所有的仿真软件均采用面向对象的编程技术，绝大部分采用了时间扫描的描述方式，且大 部分为微观仿真。 表i 1 中归纳了以往交通仿真研究的主要成果和特点”1 。 1 3 2 国内研究现状 与国外相比，国内在交通仿真方面的研究长期处于一种未受重视的状态，在国内的专业文献中鲜有 报道。上个世纪9 0 年代以后，国内交通工程界逐渐注意到交通仿真研究的重要性，以北京工业大学、同 济大学、东南大学、交通部公路科学研究所、吉林工业大学以及北方交通大学等为首的一批科研单位开 始展开这方面的实质性研究并取得了一定的成果。但总的来说，目前国内的仿真研究仍较为零散，往往 只局限于解决单一问题，如高速公路基本路段通行能力仿真研究、双车道公路通行能力仿真研究、高速 公路入口匝道范围的交通仿真以及优先控制t 型交叉口交通仿真等等。 仿真技术以其高效、优质、低廉体现了强大的生命力和潜在能力，在国外交通仿真技术研究和实用 7 东南大学硕士学位论文 表1 i 主要交通仿真模型一览表 、篓型 m a c s t r a nm i c s t r a nt r a p n t s i mt r a n s y ts a t u r no o n t r a n 特征、 第一版( 年)1 9 7 4 芷1 9 7 4 正8 0 年代1 9 6 7 芷1 9 7 6 亟 1 9 7 8 年 版本7 f85 最多适用交叉口 5 015 0 ( 可扩展) 2 3 0 ( p c ) 数7 0 0 ( 大型) 每个进口道上的 44 最多车道数 最大适用的路段 2 0 085 0 ( 可扩展) 2 3 0 ( p c ) 数7 0 0 ( 大型) 扫描周期 2 s1 sl s2 3 s 道路表现输入、输出、路网的各个路段 单个车辆考单个车辆考近似于流 车辆表现车群 虑加速度虑加速度体 是否处理行人过 处理处理处理不处理 马路的现象 可否过饱和 可可可不可可可 可否处理按时问 序列变化的输入不可不可 不可不可可可 交通量 定周期控制 定周期控制 信号控制定周期控制地点感应 多段控制定周期控定周期 感应控制 定周期控制 制控制 暂时停车 时差控制 相位差 参数优化功能无无无绿信比 相位差相位差 周期长 绿信比绿信比 路径选择功能无无无无有有 f o r t r a nf o r t r a nf o r t r a nf o r t r a n 步数约4 0 0 0约5 0 0 0约1 2 0 0 0 日本科学警日本科学警 m v a 咨询单位 m c t r a n sf 懈aw s a t k i n ss y s t e m a 察研究所察研究所 t i c a 交通仿真系统开发日益广泛的今天，我国的交通仿真研究尚处启蒙阶段。因此，在一方面引进国外交通 仿真软件的同时。很有必要在改变目前国内零散的研究现状、系统性的研制和开发国内交通仿真系统方 面做一些研究工作。随着计算机图形处理能力和计算能力的不断增强，可以预计，今后交通仿真的研究 方向必将向仿真程序的表现手段，即向三维动画和多媒体方向发展，城市交通仿真规模趋于更大，仿真 细节更趋微观，并将交通控制与仿真趋于结合，即在控制软件中嵌入仿真模型，实现交通的最优控制。 1 4 本文研究内容 1 4 1 研究起因 平面交叉口是组成城市道路网的基本单元，对其进行研究是开展城市交通系统研究的前提和基础。 城市交通控制分为单路口控制和多路口协调控制，并非后者比前者控制效果更好，它们各自有自己的适 用范围。单路口控制不但更适用于那些孤立的平面交叉口，而且还担负着线控、面控控制方式的落实。 我国城市建设资金短缺，而协调控制一般投资较大，这就限制了其使用，所以我国目前各个城市的 绝大多数交叉口都在使用着单路口控制方式，如何赋予单路口控制方式一些新的策略，使之能对大量的 8 第一草前言 平面交叉口进行行之有效的控制，最大限度地提高其通行能力及交通安全，对解决我国目前城市交通问 题有着非常现实的意义，也可为协调控制的研究提供思路和方法。 本文基于这样的思想，为平面交叉口提出一种模糊控制策略，并编制了基于二维动画界面的平面交 叉口交通流仿真系统。此仿真系统不仅完成了对本文提出的模糊控制策略的评价，还可以作为交通管理 部门对平面交叉口进行优化配时和控制策略比较研究的辅助工具。 1 - 4 2 理论基础 本文提出的平面交叉口模糊控制策略的理论基础是模糊控制理论和单路口的车辆感应控制理论。本 文仿真研究的基本理论是交通流运行理论、车辆跟驰理论和计算机动画设计理论。 1 4 3 研究意义 1 4 3 1 治理交叉口的交通瓶颈问题 交叉口的研究是道路交通研究中最重要的工作之一。如前所述，由于交叉口的存在，提高了人们出 行的通达水平，改善了路网的连通性，但在交叉口处，不同方向车辆的交叉运行，极易造成交叉口处车 辆运行效率的下降再加之不合理的几何设计与相位设计，使交叉口时常处于极其混乱的局面。这种情 况发生时，一方面，造成交叉口通行能力下降、车辆延误增加，同时也带来了相关的环境问题 另一方 面，有关研究表明“，一旦交叉口发生堵塞，将不仅仅影响交叉口临近路段，还会影响到更远路段交通 的有效运行，并且拥堵的消散时间一般很长。 所以，研究交叉口的交通问题有助于充分利用交叉口的时空资源，降低或消除其对道路系统的瓶颈 影响，提高整个道路系统的通行能力和服务水平。 1 4 3 2 建立适合我国国情的交叉口分析方法 各国的交通工程n t f 对交叉口进行过广泛、深入的研究，并收集到了比研究其他交通设施交通运行 时更多、更完备的基础数据库，但交叉口的运行分析仍然晟困难、分析方法最不统一。造成这种矛盾现 象的主要原因在于交叉口内复杂的交通运行模式。 我国道路系统的交通运行无论从基础设施、车辆性能、交通组成还是驾驶员特性方面都具有不同于 其他国家的特征，所以由国外交通谓查数据模型化的运行分析公式无论在准确性还是精确度上都不适合 对我国道路进行分析。然而交叉口交通控制方法的研究历史反映了不同时期对交叉口运行模式理解的逐 渐深入，所以国外有关的研究成果对我国开展相关研究仍然具有重要的借鉴价值。即便如此，探索我国 道路系统中交叉口的问题，提出一套实用的交叉口运行分析方法仍然是一项十分重要的研究工作。 l ，4 3 3 巩固我国i t s 研究的基础 由于智能运输系统是正在发展中的研究领域，其研究范围在不断扩展，各国根据自身的实际情况确 定了智能运输系统研究的重点内容。其中作为智能运输系统的重要组成部分一智能交通管理、交通控 制系统的研究也亟待开展。交叉口作为路网的一个重要组成部分，其设计、控制、管理的智能化是整个 道路系统实施i t s 的基础。 1 4 4 本文研究重点 本文主要针对平面交叉口的模糊控制策略以及平面交叉口的动画仿真系统开发展开研究。研究重点 如下： 提出平面交叉口模糊控制策略，建立模糊控制模型； 设计模糊控制器； 编制仿真程序，实现定周期控制、感应控制和模糊控制： 进行定周期控制、感应控制和模糊控制的仿真比较； 9 东南大学硕士学位论文 2 1 系统组成原理 第二章平面交叉口信号控制 平面交叉口的信号控制系统有开环系统和闭环系统两种“1 。开环系统一般采用定时控制的形式，假 设交通流在各个时段固定不变，根据对历史数据的分析作一配时，控制系统即按此配时循环运行。开环 控制适用于交通流饱和度高，并在各个时段内波动不太的情形，但开环控制无法适应交通流无规则的变 化，难免会造成绿灯时间的浪费。 闭环控制也即各种感应控制方式，它通过交通检测器把不断变化的交通数据引入到控制系统中，使 系统能够根据实时的交通状态做出应答对策。闭环控制适用于饱和度较低或各方向交通流无明显变化规 律、随机性较强的交叉口，当各向交通流接近允许的通行能力时，绿灯时间经过闭环控制系统的调整必 然接近最大绿灯时间，这时闭环控制与开环控制并无多大差别。 闭环控制系统的组成框图如图2 1 。各部分功能介绍如下： 图2 - 1 闭环交通控制系统组成 2 1 1 数据预处理 数据预处理完成把交通检测器检出的交通量数据换算成小车当量或把交通量、占有率等数据进行平 滑处理。由于检测器存在误检率，故原始数据中的噪声因子不可避免，为了消除随机噪声的影响，需要 对数据进行滤波处理。 2 1 2 数据预报 交通控制系统不同于一般的工业控制系统，它是一个大滞后系统，系统在每个信号周期开始前就要 根据此周期可能出现的交通需求和交通状态对控制参数进行优化，所以必须在每周期开始时对该周期的 某些交通数据进行预测。为此，就要建立被控路口交通流的预测模型，通过模型算法，对反映下一个控 制周期交通流动态特征的数据进行多步预报。交通量预测的精度取决于检测器数量、检测器精度和预报 模型精度。目前已研究出的交通流预测模型有：基于卡尔曼滤波理论的预测模型、交通需求的多变量动 态线性模型、最优预测模型、神经网络预测模型等。 0 第二章、r 面交叉l = 】信号控制 最优对策是交通工程师根据被控平面交叉口的实际情况从对策库中优选出的一种控制策略。有些控 制系统中就含有对策库，系统可根据交通流状态从对策库中实时选出最优对策，再对此最优对策的控制 参数进行优化，去控制信号灯。 2 1 4 对策库 对策库中各种策略是方法库中各种学科的理论、方法作用于数据库、规则库的结果。数据库包括交 通调查得来的历史数据及对策库所需的其它数据。规则库包括交通法规、交通控制方法( 如相位的安排、 车道功能的合理划分) 等，方法库是能应用于交通控制的各学科的理论、方法、思想。 2 2 常用控制策略 平面交叉口常用控制策略有：定时控制、间隔感应控制、方案选择式感应控制、方案生成式感应控 制。 2 2 1 定时控制 定时控制的特点及适用范围前面已有论述。根据历史交通数据确定其最优化配时的方法在w e b s t e r ( 1 9 5 8 ) 、b o l l i s ( 1 9 6 0 ) 、m i l l e r ( 1 9 6 3 ) 、b l u n d e n ( 1 9 6 4 ) 、a l l s o p ( 1 9 6 8 ，1 9 7 1 ) 等人的著作中已有 详述我国杨佩昆等学者也有这方面的研究成果。现在最常用的信号配时方法有：韦尔伯特法、l 临界车 道法、停车线法、冲突点法。需要指出的是，这些理论配时的结果很多情况下在实际应用中并不十分合 适，需要交通工程师现场进一步调整。 2 2 2 间隔感应控制 间隔感应控制是首先运行一个晟小绿灯时间，然后根据检测器送来的绿灯相位车辆间隔大小决定是 否再延时，每相位的绿灯时间还要受到最大绿灯时间的约束。 2 2 3 方案选择式感应控制 方案选择式感应控制是在控制系统中存储适合各种交通流状况的多套配时方案，控制系统根据检测 器送来的实时交通流、占有率等数据从方案库中选出一套，控制信号灯的动作。这种控制方式在线计算 量小，执行速度快，但由于存储的方案数有限，因而只能找到比较适合当前交通流状况的配时方案，而 不是最优的。 2 2 4 方案生成式感应控制 方案生成式感应控制能根据每个控制周期交通流的变动情况，自动进行信号周期、绿信比、相位差 ( 甚至是相序) 等控制参数的优化计算。此种控制方式在线计算量增大，但适应交通流变化的能力却大 大增强，能实现基于某个目标函数下的最优控制。方案生成式感应控制有多种形式，如自寻优控制、最 优控制等。 在平面交叉口的实际控制中，往往包含有多个控制策略，检测器也根据其放置位置的不同分为战略 检测器和战术检测器，匹配各自的控制策略，实践证明，多个控制策略往往要优于单个控制策略。 2 3 评价指标 对平面交叉口实行信号控制的基本目标是用灯色信号合理分配入口车道通行权，使路口有良好的秩 序，减少或完全消除冲突点，使得路口的运行指标最好。平面交叉口的控制问题可用数学语言描述如下： 1 1 东南大学碗士学位论文 求g ，使得 ( c ) _ r a i n ( 2 1 ) 5 r g ，n 。 ( 2 ，2 ) n jn c = g 。+ y ，- a 的基本论域 0 ，1 ，2 8 ) ： a 的模糊词集 很少，少，中，多，很多) a 的隶属函数赋值表见表3 - 1 ； 表3 - 1a 的隶属函数赋值表 ( 3 2 ) ( 3 3 ) | 4 模糊量、 01234567 8 很少 1o 80 5o 2 少0 3 o 61o 60 3 由 o 10 4o 71o 70 40 1 多o 3o 610 6o 3 很多 0 20 5o 8l 3 3 4 q 的模糊化 t 2 的基本论域 0 ，1 ，2 1 6 ) ： q 的模糊词集 很少，少，中，多，很多 q 的隶属函数赋值表见表3 2 ； 表3 - 2q 的隶属函数赋值表 、q 024681 01 21 41 6 模糊量、 很多0 2 0 60 9 l 多 0 30 710 7 0 3 中 0 10 40 810 80 4 0 1 少 0 30 710 70 3 很少 10 90 60 2 3 3 5t 的模糊化 t 的基本论域 0 ，l ，2 1 0 ； t 的模糊词集 很短，较短，短，较长，长，很长) t 的隶属函数赋值表见表3 - 3 ； 表3 - 3t 的隶属函数赋值表 、丁 模糊岔 ol234567891 0 很短 1o ，80 。40 2 短 0 4o 81o 80 40 2 较短 0 20 40 81o 80 40 2 较长 0 20 40 810 8o 40 2 长 0 20 40 810 80 4 很长0 20 ，4 0 。8l 3 3 6 模糊控制表 9 东南大学硕士学位论文 模糊控制规则表是总结交警指挥交通的经验而得出，见表3 - 4 。 表3 4 模糊规则表 心 很少少 由 多很多 很多很短很短较短长很长 多很短短较长长很长 由 很短短较长长很长 少很短较短长很长很长 很少短较短很长很长很长 3 3 7 求取模糊关系矩阵及模糊控制查询表 在模糊规则表中共有2 5 条模糊语句，每条模糊语句都对应一条模糊关系： r ，= a ，q p 正 式中 m r - 一一种矩阵运算关系，把9 9 矩阵写成1 8 1 列向量； a 、q 、野一这条规则对应的向量，可以在隶属函数赋值表中查到( f = o ，l 2 4 4 ：1 = o 1 5 ) ； 例如第一条规则 i f a 十a n dq * # t h e nt 目 对应如下的模糊关系 月。= 【a 撤少q 疆多r e 短 式中 ( 3 ，4 ) 户0