（交通运输规划与管理专业论文）控制区域动态划分及其控制研究.pdf

摘要 摘要 随着我国城市化的快速增长以及机动化进程的加快，城市交通拥挤已经成为 一个普遍的、严重的问题，阻碍着城市经济以及空间布局结构的良性发展，导致 了能源的消耗、环境的污染，产生了一系列的社会问题，并且有着日益恶化的趋 势，这一点在大城市尤为突出。 对于交通拥堵问题，只通过调整、优化单个交叉口的控制是无济于事的，交 通拥堵问题必须用系统的观点才能得以解决。把每个交叉口的控制看成是某个区 域甚至整个城市交通控制系统中的一个节点。交叉路口交通控制既要满足局部自 身控制效果，通常还要根据其路网交通作用与其它路口协调，实现区域控制意图。 国内外对区域控制的研究很多，但是成熟的经验基本体现在静态区域控制 上，子区划分时基本上依据行政区和控制设备来实现，这样的划分控制区域给系 统控制带来了方便，也取得了一定的效果。但是城市道路网上交通流总在发生变 化，交通控制的需求也在不断的变化，交通流高峰与低峰、系统运行的正常与异 常均可呈现出截然不同的情况，这些特点对交通控制提出很高的要求：必须具有 幅度很大的调节能力，很广的适应范围，很高的稳定性和快速的控制响应。因此， 一成不变的控制区域就显得无能为力了。因此更为灵活的动态区域控制便应运而 生。 目前，对于动态区域控制的研究还不成熟，主要集中在动态子区划分与合并 上，并且与路口的信号机没有实现很好的结合，更没有投入实践中。 交通数据检测在交通控制系统中也是十分重要的，精确和可靠的检测数据是 在交通控制中进行合理的信号配时优化的基础；而实时准确的对交通流预测，即 有效地利用实时的交通数据预测未来的交通状况，是实现有效的交通控制和交通 诱导的关键所在。 本文基于动态交通信息准确采集的基础上，提出以静态区域控制为基础的动 态控制区域划分与控制思想，基于城市交通拥堵的形成机理不同，将动态分区进 行两级分解：路口级动态分区和路网级动态分区。通过不同的判断标准采取不同 的动态分区形式，并与交通诱导系统有效的协调起来。目的在于充分利用有限的 道路网资源，使路网能够实现整体的控制最优。 关键词交通控制；数据采集；静态子区；动态分区；交通诱导； a b s t r a c t a b s t r a c t w i t hr a p i d l yi n c r e a s i n gu r b a n i z ea n da c c e l e r a t e dm o t o r i z a t i o nc o u r s e ，c i t yt r a f f i c j 锄i sa l r e a d yb e c o m i n gac o m m o n ，g r a v ep r o b l e m ，w h i c hi sb l o c k i n gc i t ye c o n o m y a j l da r c h i t e c t l l r a lb e n e f i c i a ld e v e l o p m e n to fs p a t i a ld i s t r i b u t i o n ，c o n t a m i n a t i n gh a v i n g l e dt ot h es o u r c e so fe n e r g yc o n s u m p t i o n ，e n v i r o n m e n t ，i th a sp r o d u c e das e r i a lo f s o c i a lp r o b l e m s ，t h et r e n dw o r s e n i n gg r a d u a l l yh a sh a d ，t h i sh a sb e e no u t s t a n d i n gt o s o m ee x t e n te s p e c i a l l yi nt h eb i gc i t y t ot h et r a f f i c i a mp r o b l e m ，o n l yt h r o u g ht h ea d j u s t m e n t ，t h eo p t i m i z e ds i n g l e r o a di n t e r s e c t i o nc o n t r o li sd o e sn o th e l pm a t t e r s ，t h et r a n s p o r t a t i o ns u p p o r t ss t o p su p t h eq u e s t i o nt oh a v et ou s et h es y s t e mt h ev i e w p o i n tt ob ea b l et ob ea b l et os o l v e e v e r yi n t e r s e c t i o n sc o n t r o ls h o u l d b e c o n s i d e r e da sac o n t r o ls y s t e mn o d em s o m e o n ea r e ae v e nt h ew h o l ec i t y e v e r ys i n g l ej u n c t i o n sc o n t r o lm o d eh a v e t o s a t i s f yi t s e l fp a r te f f e c t ，i tw a n t st ob ei nh a r m o n ya c c o r d i n g t ow h o s er o a dn e tt r a f f i c e f f e c ta n do t h e rc r o s s i n gt o og e n e r a l l y ，w h i c hr e a l i z et h ei n t e n t i o no f a r e ac o n t r o l l i n g i th a sm a n yr e s e a r c h e st oa r e ac o n t r o li no u rc o u n t r ya n do t h e rc o u n t r i e s ， s b c c e s s f u le x p e r i e n c ee m b o d i e si ns t a t i cs t a t ea r e ac o n t r o lb a s i c a l l y a r e ad i v i s i o n j u d g e sm a i n l yb ya d m i n i s t r a t i v ea r e aa n dc o n t r o le q u i p m e n t ，t h r o u g ht h ea r e ad i v i s i o n m e m o d i th a sb e e nn o to n l yb r o u g h ta b o u ts y s t e mc o n t r o l l i n g c o n v e n i e n tb u ta l s og o t c e r t a i ne f f e c t h o w e v e r , c h a n g eh a p p e n e di nt h et r a f f i cs t r e a mo nc i t yr o a dn e t ，t h e n e e dt h a t 缸a 丘i cc o n t r o l sa l s oc e a s e l e s sc h a n g e ，t h er e g u l a r i t ya n da n o m a l yt h a tt h e t r a f f i cs t r e a mp e a kr u n sw i t ht h el o wp e a k ，s y s t e mm a yd i s p l a ye n t i r e l y d i f f e r e n t c o n d i t i o ne q u a l l y t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sb r i n gf o r w a r dh i g hr e q u e s tt ot r a f f i cc o n t r o l ：i t m u s th a v ev e r yb i ge x t e n ta d j u s t m e n ta b i l i t i e s ，v e r yb r o a da c c o m m o d a t i o n ，t h ev e r y g o o ds t a b i l i t ya n ds p e e d yc o n t r o l l i n gr e s p o n d t h e r e f o r e ，c h a n g e l e s s c o n t r o la r e ah a s l o o k e dl i k en o tb e i n ga b l et od e a l t h e r e f o r e ，i td e v e l o p sm a n yi d e a sa b o u td y n a m i c a r e ad i v i s i o n i ti sn o tm a t u r er e g a r d i n gt h ed y n a m i cr e g i o n c o n t r o lr e s e a r c h , m a i n l y c o n c e n t r a t e si nt h ed y n a m i cc h i l dr e g i o n a l i z a t i o nd i s p e n s e si nt h em e r g e ，a n dw i t ht h e s 缸l e e ti n t e r s e c t i o ns e m a p h o r er e a l i z a t i o nv e r yg o o du n i o n ，h a sn o ti n v e s t e di nt h e p r a c t i c e t h et r a n s p o r t a t i o nd a t ae x a m i n a t i o ni nt h et r a n s p o r t a t i o nc o n t r o ls y s t e ma l s oi s e x t r e m e l yi m p o r t a n t ，p r e c i s ea n dt h er e l i a b l ee x a m i n a t i o nd a t a i sc a r r i e so nt h e f o u n d a t i o ni nt h et r a n s p o r t a t i o nc o n t r o lw h i c ht h er e a s o n a b l es i g n a lt i m i n go p t i m i z e s ； b u tr e a l t i m ea c c u r a t ef l o w st h ef o r e c a s tt ot h et r a n s p o r t a t i o n ，n a m e l yw i l le f f e c t i v e l y u s et h er e a l t i m et r a n s p o r t a t i o nd a t af o r e c a s tf u t u r et h et r a n s p o r t a t i o nc o n d i t i o n ， i i 北京t 业大学- t 学硕士学位论文 w h i c hw i l lb et h er e a l i z a t i o ne f f e c t i v et r a n s p o r t a t i o nc o n t r o la n dt h et r a n s p o r t a t i o n i n d u c t i o nk e y t h i sa r t i c l eb a s e do ni n t h ed y n a m i ct r a n s p o r t a t i o ni n f o r m a t i o na c c u r a t e g a t h e r i n gf o u n d a t i o n ，p r o p o s e d t a k et h es t a t i cr e g i o nc o n t r o la st h ef o u n d a t i o n d y n a m i cc o n t r o lr e g i o nd i v i s i o na n dt h e c o n t r o lt h o u g h t ，s u p p o r t st h ef o r m a t i o n m e c h a n i s mb a s e do nt h em u n i c i p a lt r a n s p o r t a t i o nw h i c hs t o p su pt ob ed i f f e r e n t , c a r r i e so nt h ed y n a m i cd i s t r i c tt w ol e v e l so fd e c o m p o s i t i o n s ：s t r e e ti n t e r s e c t i o nl e v e l d y n a m i cd i s t r i c ta n dr o a dn e t w o r kl e v e ld y n a m i cd i s t r i c t t h r o u g ht h e d i f f e r e n t j u d g m e n ts t a n d a r d ，a d o p tt h ed i f f e r e n td y n a m i cd i s t r i c tf o r m ，a n dw i t ht r a n s p o r t a t i o n i n d u c t i o ns y s t e me f f e c t i v ec o o r d i n a t i o n k e y w o r d st r a n s p o r t a t i o nc o n t r o l ；d a t aa c q u i s i t i o n ；s t a t i cs u b a r e a ；d y n a m i cd i s t r i c t ； t r a f f i cg u i d a n c e ； i i i 独创性声明 本人声明所呈交的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，也不包含为获得北京工业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。 关于论文使用授权的说明 。器西加 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：童垂绰导师签名： 日期：竺! 墨：! ： 第1 章绪论 第1 章绪论 交通拥挤与堵塞问题是许多大城市面临的严重问题之一，它导致车辆的延误 时间增加、资源的浪费，并带来了交通事故和环境污染等问题。由于城市交通网 络的庞大、城市交通系统的复杂等，对整个大城市交通进行统一的智能优化与控 制是不现实的。为此，一些研究人员提出了分区，其基本思想是将整个交通网络 分为不同的交通子区，然后以每个子区为单位进行智能优化与控制。 目前大部分的交通控制区域是根据行政区域和控制设备等来划分的，由于大 城市交通流的随机性、不确定性，这些区域的划分方式不能满足交通流的不断变 化对控制的要求，因而没有起到快速、安全、环保及人性化为目标的交通控制需 求。 1 1 国内外研究概况 国外对控制子区自动划分与合并的研究主要是集中体现在t r a n s y t 和 s c a t s 系统里，t r a n s y t 系统侧重于对子区进行静态的划分，利用交通方式 构成、交通量、流向、周期等原则进行划分子区，其子区是静态的，因此该系统 把研究重点放在如何协调子区间和子区内交叉口的信号控制上；而s c a t s 系统 则使用了一个合并指数的概念，对交通控制子区进行了动态的划分与合并，并且 在实际中产生的较好的效果。 另外，s y n c h r o 也是一个处理系统分区的信号配时软件包【l 】。该软件依据经 验计算得到的“协调因子”向用户建议是否将一个信号加入到相邻的信号中加以 协调控制。“协调因子”的计算使用距离、旅行时间和交通量等参数。对“协调因 子”的计算具有很强的经验性。对协调因子的应用应当谨慎进行。这些数值只是 对交叉口之间是否应当协调运行提供建议。 国内有一些人对该领域做过一些研究，但是成果不是很显著。主要的研究成 果主要是以下五个方面： 第一、国内较早提到交通信号控制区域划分方法的是全永粲先生，他在著作 城市交通控制一书中采用的是“结合法”【2 】。“结合法”基本假定中将所有执行 一个相同的信号周期( 共用周期长度) ，或者部分采用共用周期长度的一半，甚 至1 3 或1 4 等的交叉口划归到一个控制区域内。书中还提到的交通控制子区调 整的方法有两种：一、人工干预或者根据既定时间表定期作预期的调整；二、由 系统本身自行调整，即由执行控制任务的计算机根据每一组交叉口所需要的周期 来确定子区。显然方法一不能适应交通流实时变化的情况，而方法二只是针对某 一个单独的交通信号控制系统而言的，对整个城市进行交通控制子区的动态划分 还没有进行尝试。 第二、莫汉康 3 1 等学者研究了如何在诱导情况下对控制子区进行划分与合 北京t 业大掌1 二学硕上学位论文 ! i i i i ! ! ! 曼曼曼! ! ! ! 曼! ! 皇曼曼曼 并，主要叙述如何结合路径诱导对子区进行划分。对于子区划分，该作者把控制 子区划分原则分为三个原则：流量原则，周期原则和距离原则。提出的这些原则 对后人进行子区划分具有很大的启发作用。论文的缺点在于：虽然利用了s c o o t 系统合并子区所使用的合并指数的定义，但是利用合并指数进行合并划分的流程 步骤阐述的不清楚。并且文章对于人工干预的研究也只是点到为止，没有进行更 深一步的叙述。 第三、杨庆芳陈林1 4 对控制子区划分的研究主要体现在单纯为控制服务的， 对于子区划分原则，该论文着重阐述了周期原则，流向原则和相位差绿信比原 则，与上篇论文相比，该论文思路更清晰，存在着比较大的划分合理性，并且图 文并茂，最后还给出了v i s s i m 仿真结果。但是缺点在于：相位差绿信比的划 分原则没有很大的说服力，论文中列出的基于线控的子区划分图无法代表所有的 可能情形，因此在实际的情况中很难用这种方法对所有的子区进行划分。并且根 据周期原则进行划分的流程图也存在一定的误差。 第四、朱茵所著的博士毕业论文城市交通信号控制理论与方法的研究， 本论文中有一小节提出了基于模糊聚类算法的动态子区划分方法，该论文提出了 一个交叉口之间互联指数的概念，该指数是美国交通专家经过很长时间研究得出 的一个公式，因此实用性较高，应用于交通控制子区划分中会有很大的指导性作 用。缺点在于，没有给出具体的可行的划分策略和步骤。 第五、陈林【5 】所著的硕士论文中有一节就是介绍交通控制子区划分的。，其中 最重要的贡献就是提出一个同步相位原则，并且根据不同的交通控制区域形状提 出不同的划分策略，考虑到了实际情况中可能存在的不同的交通控制区域形状和 与它们相对应的控制策略，因此比较具有实用性。缺点在于：划分步骤不明确， 实际中的子区划分可能需要考虑更多的因素，单纯使用那几种子区类型无法对整 个城市进行子区划分。 综合上述所谈到的交通控制子区的划分方法，无论是静态划分方法，还是运 用了动态划分的思想，或者只能在原有的控制系统中使用，或者只适用于几条干 道组成的小路网，并不能满足多层分布式交通信号控制系统求解的需要。 1 2 交通信号控制的基本形式 1 2 1 控制范围分类 1 单个交叉口的交通控f l ；t , l 6 1 每个交叉1 ：3 的交通控制信号只按照该交叉口的交通状况独立运行，与其他临 近交叉1 ：3 的控制信号无任何联系的，称为单个交叉口交通控制，也称为单点信号 控制，俗称“点控制”。这是交叉口交通信号控制的最基本形式。 2 第1 章绪论 2 干道交叉口信号协调控制 把干道上若干连续交叉口的交通信号通过一定的方式联结起来，同时对各交 叉口设计一种相互协调的配时方案，各交叉口的信号灯按此协调方案联合运行， 使车辆通过这些交叉口时，不至经常遇到红灯，称为干道信号协调控制，也叫“绿 波”信号控制，俗称“线控制”。 这种控制的原始思路是：希望使车辆通过第一个交叉口后，按一定的车速行 驶，到达以后各交叉口就不再遇到红灯。但实际上，由于各车在路上行驶时车速 不一，且随时有变化，交叉口又有左、右转弯车辆进出等因素的干扰，所以很难 遇到一路都是绿灯的情况，但使沿路车辆少遇几次红灯，减少大量车辆的停车次 数与延误则是能够保证做到的。 根据相邻交叉口间信号灯联结方法的不同，线控制可分为： 1 ) 有电缆线控：由主控制机或计算机通过传输线路操纵各信号灯间的协调 运行。 2 ) 无电联线控：通过电源频率及控制机内的计时装置来操纵各信号灯按时 协调运行。 3 区域交通信号控制系统 以某个区域中所有信号控制交叉口作为协调控制的对象，称为区域交通信号 控制系统，俗称“面控制”。 控制区内的各受控交通信号都受区域控制中心的集中控制。对范围较小的区 域，可以整区集中控制；范围较大的区域，可以分区分级控制。分区的结果往往 使面控成为一个由几条线控组成的分级集中控制系统，这是，可以认为各线控是 面控中的一个单元，有时分区成为一个点、线、面控制的综合性分级控制系统。 1 2 2 控制方法分类 1 定时控制 交叉口交通信号控制机均按事先设定的配时方案运行，也称定周期控制。一 天只用一个配时方案的称为单段式定时控制；一天按不同时段的交通量采用几个 配时方案的称为多段式定时控制。 2 感应控制 在交叉口进口道上设置车辆检测器，信号灯配时方案可随检测器检测到的车 流信息而随时改变的一种控制方式。根据检测器设置方式的不同，可分为： 1 ) 半感应控n - 只在交叉口部分进口道上设置检测器的感应控制。 2 ) 全感应控制：在交叉口全部进口道上都设置检测器的感应控制。 3 北京工业大学工学硕士学位论文 感应控制的基本方式是单个交叉口的感应控制【，j 。 3 自适应控制p 1 1 ) 实时交通信号模拟系统：通过贮存在中央计算机的交通模型对采集到的 实时交通状况信息( 流量、速度、占有率等) 进行分析，并以综合目标函数( 延 误时间、停车次数、拥挤程度及尾气排放量等) 的预测值为依据，对控制区域内 交通信号配时参数作优化调整，同时为了提高交通量图式预测的准确性，避免控 制方案的不正常波动，各项交通信号配时参数的优化调整均频繁和小步距地进 行。因此，它可以保证控制区域内的路网交通流在任何时段都在最佳配时方案控 制下运行。 2 ) 配时参数实时选择系统：在系统投入运行后，执行一套配时参数与交通 量等级的对照关系。即针对不同等级的交通量，选择响应最佳配时参数组合，将 这套事先拟定的配时参数与交通量对应组合关系储存在中央计算机中。中央控制 计算机则通过设在各个路口的车辆检测器反馈的车流参数，自动选择合适配时参 数，并根据所选定配时参数组合对路网交通信号进行实时控制。 1 2 3 交通信号控制技术的演变 交通信号控制技术的演变经历了从初级到高级的过程，如图l 一1 所示。 图1 - 1 交通信号控制技术的演变 f i g u r e1 - 1t r a f f i cs i g n a lc o n t r o lt e c h n o l o g ye v o l u t i o n 交通信号控制范围的初级为单点控制，所用设备比较简单，只要在每个需要 控制的交叉口设置一台信号机就行了，无须设置主控制机或计算机控制中心；投 资节省，设备运行管理及维修费用也较少。然而这种控制效率差，缺乏考虑其他 4 第1 章绪论 交叉口的车辆运行，各个交叉口之间没有联动关系，车辆形式过程中停车次数增 多，延误增加的弊端，演变出控制多个交叉口的线控及面控，二者的基础是单点 控制。通信号控制方法的最初形式为定时控制，表现为“双相位、单时段、定时 控制”，车辆数量的不断增多且随机特性，交叉口车流的组织形式出现了双相位、 多时段定时控制。不论哪种固定配时控制系统，它们都有一个或一系列事先脱机 运算确定的配时方案，绿灯时间的长短、信号周期以及每个方向上绿灯的起迄时 间都是相对固定的，亦即在某一确定的时间区段中，上述这些配时参数保持不变。 感应控制及自适应控制能够将检测到的车辆到达信息传输给信号控制机或区域 控制计算机，根据这种实时交通信息对信号实行随机控制( 包括每种灯色显示时 间的长短和各进口方向灯色转换时序) ，是对定时控制的改进控制方法。在饱和 程度较低的交叉口，或者几个进口方向车辆量相差悬殊的交叉口，感应式控制的 效率是很高的。然而，当交叉口总的饱和度很高，即各方向的车流量均接近实际 允许通过能力时，绿灯时间在各方向车流之间的分配便无多大调整余地了，因而 实际运行起来，这种系统无异于固定配时控制系统。过去这种感应式控制系统多 用于单个交叉口的独立控制，所以车辆全程行驶的连续性还是不能得到保证。为 了克服感应式和固定配时两种控制系统各自的缺点，扬其之长，第二代区域控制 系统即自适应控制系统应运而生。 自从计算机应用于交通系统以来，交通信号控制系统的控制规模逐渐从单个 交叉口的点控、单条干道的线控发展到整个路网的面控，控制方式也从离线的固 定配时控制发展到在线实时自适应控制，并且在线实时控制方式的适应交通流变 化能力不断增强，控制效果不断提高。 1 3 控制子区的概念及意义 交通控制子区是指：一个面积较大的路网，在实行信号联网协调控制( 即“区 域控制”或“面控”) 时，根据路网所辖范围不同区域具有不同交通特性( 交通方式 构成、交通量、流向等) ，把控制范围分成不同的控制区域，每个控制区域采用 不同的控制策略，各自实行适合本区域交通特点的控制方案。这些相对独立的控 制区域就是交通控制子区。 而交通控制子区自动划分是指：在对一个路网实行自适应信号协调控制时， 为了使整个控制系统取得最佳的交通效益，在受控路网区域控制中心各个控制子 区实时交通状况的基础上，根据某种确定的判断原则，在某一时刻让一些控制子 区合并起来，采取统一的控制方案；而在另一时刻，这些控制子区则可分解成若 干个相对独立的部分，每一部分有自己独特的控制方案，各自实行适合本子区交 通特性的控制方案；或再与另外一些控制子区合并，在更大的范围内采用统一的 控制方案，控制子区这种根据实时交通状况自动合并或分解的过程就称为交通控 制子区自动划分过程。 北京t , _ l k 大学1 = 学硕士学位论文 曼! 曼! ! 曼苎璺巴! 皇皇曼曼! 曼曼；r ：一i | 一一 从目前现有的信号控制系统看，均是按国外路网和交通条件来设计的。国外 的路网密集，道路不宽但多为单行线，路1 3 冲突点少，并且交通流单一，非机动 车数量较少，道路纵向干扰少，有利于车流排队行驶。在这样的交通流条件下， 交通流规律性也较强，英国开发了t r a n s y t 信号协调控制平台。大多数信号控 制系统，无论是方案生成式的s c o o t ，还是方案选择式的s c a t s ，其信号配时 优化工具都利用t r a n s y t 平台。在一些道路条件和交通构成与英国相近的国 家，不管选用什么样的信号控制系统，只要适应调整一个t r a n s y t 的参数，即 可达到满意的配时效果。在我国，大连市的路网条件和交通构成与英国相近，虽 然大连市的s c o o t 信号控制系统能够取得好的控制效果。但是，总体说来这些 使用于国外的信号控制系统不能适应我国的情况，原因在于： i 各级城市道路不同程度地存在断头路、瓶颈路，未能形成完整的网络； 另外，国内现有的路网密度疏、交叉口间距大。 i i 交通流以混合交通流为主，非机动车、行人对机动车的影响较大。 鉴于国外的信号控制系统不适合我国的情况，因此，开发适合我国道路与交 通条件的交通信号控制系统，无论对城市交通管理部门还是道路规划部门都有很 重要的意义。 1 4 控制子区划分的目的 为了保证交通控制系统运行的安全性和可靠性，整个受控路网不应只确定为 一个控制区域。因为在一个只有一个控制区域的交通控制系统中，一旦控制系统 中心由于某种原因发生故障，系统瘫痪，受控路网所有交叉口就有可能失去联网 协调控制的目的。而若把路网分成若干个具有一定相关性的交通控制区域，或相 对独立的交通控制区域，即使某一子控制系统处于瘫痪状态不能运行，也只是使 其所辖范围交叉口失去联网协调控制的作用，而对其它控制子系统交叉口实施联 网协调控制影响并不是很大。 从提高控制系统运行效率来看，交通控制中心所辖的范围也不应过大。对实 时自适应控制系统而言，若控制中心所辖范围比较广，即需要实施联网协调控制 的交叉口很多，实时处理的数据必然也很多，对具有一定运行速度和内存容量的 计算机而言，处理数据所需的时间就会增加，从而影响到对交叉口的实时控制， 整个控制系统的运行效率亦会下降。 划分交通控制子区最主要的目的还是为了便于在局部区域实施灵活的控制 方案。特别是在交通特性相似的区域，若按照某一种控制策略，使多个相邻的交 叉口能够依据实时交通状况自动合并成一个控制子区，同一个控制子区采用相同 的控制方案，则可避免因固定划分控制子区而使配时方案逐渐“老化”的现象，这 无疑能大大提高整个控制系统的交通效益。 6 第1 章绪论 1 5 论文结构 第一章：提出了本论文的研究背景，介绍了有关领域的国内外研究概况，交 通信号控制的基本形式，包括：控制范围分类、控制方法分类、交通信号控制技 术的演变，交通控制区域划分的概念及其划分意义和目的，并图文并茂的说明本 文的研究思路。 第二章：从交通流理论的角度出发，阐述交通流理论对于交通控制系统的作 用，也为控制子区从微观的控制角度进行划分作了铺垫。 第三章：本章主要对静态控制子区进行研究，提出子区划分的原因及方法， 阐述了静态区域划分的基本单元，划分的基本原则及城市静态区域划分的体系结 构，进展提出子区内部的控制形式及优化控制指标，最后对静态区域控制对信号 机及控制系统的要求。 第四章：本章在静态区域划分方法的基础上提出动态区域划分的思想，目的 是解决城市不同形式的交通拥堵问题。在对城市交通拥堵进行分类与研究，提出 了两级动态区域划分方法，通过不同的判断标准，实行不同的动态划分形式。分 别阐述了动态区域内部及区域之间的协调控制形式。 第五章：对本论文做出了总结和展望。 7 第2 章动态交通信息采集及组织 曼曼曼! 曼曼! i i | l 一一一一一 一一i ；| i i| 1 舅皇曼! 曼皇 第2 章动态交通信息采集及组织 交通信息不仅是城市交通规划和交通管理的重要基础信息，它也是智能交通 信息功能的一个重要方面，未来智能运输系统中先进的交通管理系统( a t m s ) 和先进的交通信息系统( a t i s ) 等都离不开交通信息，动态交通诱导( d t g ) 是智能运输系统的核心之一，这一功能的实现也是以城市交通系统中实时的交通 信息为基本前提1 9 1 。 交通信息分为静态与动态两种。静态交通信息包括道路网信息、交通管理设 施信息等交通基础设施信息，也包括机动车保有量、道路交通量等统计信息以及 交通参与者出行规律在时间和空间上相对稳定的信息。动态交通信息是指实时道 路交通流信息、交通控制状态信息以及实时交通环境信息等在时间和空间上相对 变化着的信息，本文的研究基础就在于动态交通流的实时、准确的采集。因此对 信息采集的要求提出更高的要求。 2 1 固定型动态交通流信息采集技术分析 本节将对典型的固定动态交通流信息采集技术的工作原理、技术性能、可提 供的交通参数、适用条件和成本费用等进行简要介绍，为动态交通流信息采集技 术的组合优化研究奠定基础。 2 1 1 环型感应线圈检测器 1 ) 工作原理【1 叫 环型感应线圈检测器是一种基于电磁感应原理的车辆采集技术，它的检测器 是一个埋在路面下面、通过一定工作电流的环型线圈。当车辆通过线圈或停在线 圈上时，车辆引起线圈回路电感量的变化，检测器检测出变化量就可以检测出车 辆的存在，从而达到交通流信息采集的目的。 2 ) 系统构成 环型感应线圈采集系统包括埋于路面下面的环型线圈、接线盒、传输电缆、 信号检测处理单元等。检测车辆时，将一个或多个环型线圈按一定的方法埋于路 面下，线头接入接线盒，信号由传输电缆送入信号检测处理单元，该电路单元通 常包括了微处理器，直接处理检测数据，计算交通参数。 3 1 交通参数采集 环型感应线圈能够采集的交通参数包括交通量、占有率、车速和车头时距。 2 1 2 视频检测器 1 1 工作原理 视频检测器通过在微机显示器上设置虚拟的“车辆检测器”完成动态交通参 数的采集。虚拟的“车辆的检测器”可以是一条线或一个矩形区域，系统一旦设置 9 北京t 业大学一r 学硕i ：学位论文 i i i i i 一一一一一一一一一一一一一一曼一一i 一一一。! ! ! 曼 了这些虚拟的检测区域，视频交通检测器将会对所检测区域的背景图像的灰度值 进行统计，根据检测目的设定阈值【】。当检测器运行的时候，实时采集到的视频 图像经过图像处理与分析后得到当前图像的灰度阂值，与设定的阈值相比较，在 结合计数器、时钟等设备获得所需的交通量、车速、占有率等参数。 2 ) 系统构成一 视频交通检测系统由视频交通检测器、摄像机、通信模块等构成。视频交通 检测器可装在交通设备机柜( 室内或室外) 里，用于接收多台路边摄像机传来的 视频信号，通过进行图像处理与分析获得所需的交通数据。 3 ) 交通参数采集 利用视频交通检测器检测各种交通参数的检测方法如下【1 2 】：车辆存在与车辆 存在时间的检测、交通量、地点平均车速、车头时距、车头间距、占有率、车道 排队长度、检测点的停车检测和停车次数的计算。 2 1 3 微波检测器 1 ) 工作原理 微波检测器是一种工作在微波频段的雷达探测器，它向行驶的车辆发射调频 微波，波束被行驶的车辆阻挡而发生反射，反射波通过多普勒效应使频率发生偏 移，根据这种频率的偏移可检测出由车辆通过，经过接收、处理、鉴频放大后输 出一个检测信号，从而达到检测道路交通参数的目的【1 3 15 1 。 2 ) 系统构成 微波检测器采集系统一般由微波检测器、固定支架、串口数据传输线和程序 软件构成。检测车辆时，将微波检测器安装在道路上方或者侧上方的支架上，然 后利用串口数据传输线将微波检测器与通信设备连接，然后利用软件对检测器进 行初始化设置，就可以将检测道路上的交通量、车速、占有率等参数。 2 1 4 超声波检测器 超声波检测器是一种在高速公路上应用较多的采集设备，它利用车辆形状对 超声波的影响来实现交通信息的采集。超声波检测器的探头具有发射和接收信号 的双重功能，设置在道路的正上方或斜上方，向路面发射超声波，并接收来自车 辆的反射波。 超声波检测器的工作原理是一种将超声波分割成脉冲射向路面并接收其反 射波的方法。当有车辆时，超声波会经车辆提前返回，检测出超前于路面的反射 波，就表明车辆存在或通过。 2 1 5 红外检测器 基于光学原理的车辆检测器用得比较多的是红外检测器，红外检测器包括有 主动和被动两种类型。 1 0 第2 章动态交通信息采集及组织 主动红外检测器利用激光二极管发射具有一定能量的红外线，该红外线被经 过检测区域内的车辆反射，然后利用安装在一个传感器接收反射后的红外线的能 量，并对实时信号进行预处理，确定交通量、车速等交通参数。主动红外检测器 提供交通量、速度测量、排队长度等交通参数。 被动红外检测器利用一个能量接收传感器，来检测设定检测区域内经过车辆 本身辐射的能量，能量接收传感器根据接受能量的变化来检测交通参数，被动红 外检测器可以提供主动红外车辆传感器除车速外的所有交通参数。 2 1 6 固定型动态交通流信息采集技术的性能比较分析 固定型动态交通流信息采集技术在不同的道路、交通和天气条件下，不同的 固定型动态交通流信息采集技术所检测交通流数据精度、成本费用以及检测器的 具体安装方式等则存在较大的差异性。但是固定型动态交通流信息采集技术存在 两个共性： 1 ) 可以提供交通量、时间平均车速和占有率等基本交通流信息； 2 ) 检测器的检测效果受到道路网络中的检测器在空间布置密度的影响。 下面通过几个表格对固定型检测器的性能进行比较分析，表2 1 是典型固定 型动态交通流信息采集设备的性能比较，表2 2 汇总了典型固定型动态交通流信 息采集技术所能提供的交通参数【l6 ，1 7 j 。 表2 1 典型的固定型检测器的特点比较 t a b2 1c h a r a c t e r sc o m p a r i s o no f t r a f f i cs e n s o r s 采集方式优点缺点 线圈电子放大器已标准化：技安装过程对可靠性和寿命影响很大： 感应线圈检测器术成熟、易于掌握：计数非常修理或安装需中断交通：影响路面寿 准确命：易被重型车辆、路面修理等损坏 体积小，易于安装：使用寿命 超声波检测器较长：可移动：可实现多车道性能随环境温度和气流影响而降低 检测 昼夜可采用同一算法而解决可能需要很好的红外线焦平面检测 红外线检测器昼夜转换的问题：可提供大量器，也就需要提高功率，降低可靠性 交通管理信息 来实现高灵敏度 在恶劣气候下性能出色，全天 检测器安装精度要求高：道路具有铁 微波检测器 候工作：可检测静止的车辆； 可以侧向方式检测多车道 制的分割带时，检测精度下降 可为事故管理提供可视图像： 大型车辆能遮挡随行的小型车辆：阴 可提供大量交通管理信息：单 视频检测器 影、积水反射或昼夜转换可造成检测 台摄像机和处理器可检测多 误差 车道 北京t ! l k 大学工学硕上学位论文 表2 2 典型的固定型检测器提供的交通参数 f o r m2 - 2t r a f f i cp a r a m e t e rt h a tt y p i c a lf i x e dd e t e c t i o no f f e r s 检测技术交通流量占有率 车速 车队长度 多车道覆盖其他参数 环型感应线圈检 0_ 车身长度 测器 车头时距、车型 视频检测器 -0 分类 微波检测器 - 车头时距 超声波检测器 n 0 车辆分类、检测 红外线检测器 0-t 静止车辆 注释：扯直接检测；宰一间接检测；n o 一不能检测 2 2 移动型动态交通流信息采集技术分析 2 2 1 基于g p s 的动态交通流信息采集技术 基于g p s 的动态交通流信息采集技术利用f c 上的g p s 接收装置以一定的 采样间隔记录车辆的三维位置坐标、车速和时间数据等，将这些数据传入车载的 计算机后，利用g s m 通信板将浮动车数据( f l o a t i n gc a rd a t a , f c d ) 传输到控 制中心，存储到数据库服务器。数据处理服务器将该数据与g i s 相匹配，经过 _ 系列处理分析，获得特定路段的行程时间和行程速度以及o d 出行矩阵等交 通参数1 9 1 。 2 2 2 基于电子标签的动态交通流信息采集技术 基于电子标签的动态交通流信息采集技术是利用路边的信标( b e a c o n ) 和车 载的电子标签自动采集行程时间的方法。信标( b e a c o n ) 是装在路标杆下部或信 号灯下部的一个具有信息存储功能的信号发射和接收装置。它可发射有关路标杆 的位置和相应交叉口的信息，并可接收来自车载装置的有关信息，并与信息控制 中心相连。如果在每个路段的特定位置设置信标，通过比较同一个电子标签通过 相邻两个信标的时间，即可确定该车辆在该路段上的行程时间与行程速度。若在 给定的时段有多辆车经过该路段，还可以得到该路段的平均行程时间和平均行程 速度【1 8 】。 基于电子标签的动态交通流信息采集技术的最初功能是通过与收费站的路 边信标( b e a c o n ) 交换信息，完成道路的自动收费。在完成道路自动收费的功能 基础上，把电子标签技术应用于动态交通流信息采集，可以大大降低动态交通流 信息采集的成本费用。 1 2 第2 章动态交通信息采集及组织 2 2 3 基于汽车牌照识别的动态交通流信息采集技术 基于汽车牌照自动识别的动态交通流信息采集技术。汽车牌照自动识别技术 是计算模式识别技术在i t s 中的应用，它使计算机能像人一样认识汽车牌照( 包 括汽车牌照的数字、英文字母、中文汉字及其颜色) 。在动态交通流信息采集方 面，基于汽车牌照自动识别技术的动态交通流信息采集系统可以采集车辆的行程 时间、行程速度等参数。基于汽车牌照识别的动态交通流信息采集系统由数据处 理中心、汽车牌照识别装置、照明光源和通信传输设备构成，如图2 一l 所示。 汽车识别装置 i 措士p i 网 。卜_ p 臻 1 哭j 纵 謦辩 蓄喜隧髫 l ? 照 “京a1 2 3 4 5ii ， 7 摄! 视频 ；明毫 f 弘。一一 翻卜一露。像： 信号 i 字i ；化j ；和识i 溱 ，t- 毒。机； i 模锾 别挺 !髭? 光学图