（控制理论与控制工程专业论文）基于遗传算法的城市干线交通信号协调控制研究.pdf

煳 t h e s t u d yo fu r b a n a r t e r i a lt r a f f i cs i g n a l c o o r d i n a t i o nc o n t r o lb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：w a n gd o n g s u p e r v i s o r ：p r o f j uy o n g f e n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 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：五寿、 珈肜年j 月刁日 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) 捅要 随着城市化进程的加快和社会经济的快速发展，汽车工业的迅速发展使城市交通拥 挤问题日益突出，成为当今世界各个国家普遍关注的问题，它给人们的日常生活和社会 经济发展带来了严重的影响。交叉口作为城市交通道路的交汇点，是产生城市交通拥挤 的重要环节。因此，要提高城市道路的通行能力，缓解交通堵塞，首先对交叉口的交通 流进行合理的分析和控制，提高各个交叉口的通行能力，这也是研究城市交通问题的一 个关键切入点。城市交通干线是城市路网的重要组成部分，它的通畅与否将直接影响着 整个城市交通网络的运行效率。本文以城市干线作为出发点，对城市交通信号控制展开 研究，重点对城市干线协调优化控制的方法进行了深入研究。 本文对城市交通问题的目前现状，进行了分析和讨论，详细介绍了交通流与交通信 号控制的基本理论，阐明了研究交叉口信号控制的意义。 其次，重点研究城市干线交通信号的协调优化控制，分析现有协调控制方法的特点 以及不足，并给出在正常交通条件下，以交通干线系统中车辆总延误最小为目标的交通 信号协调控制方法，建立了以相位差为优化控制变量的双向交通流动态优化控制模型。 然后，对饱和交通条件下的交通流进行分析，建立了该状态下的干线协调控制延误模型， 并给出了相位差和绿灯利用率之间的关系。 最后，使用基本遗传算法对双向绿波控制模型中的控制变量相位差进行优化，并在 m a t l a b 环境中对其进行l o 个周期的仿真实验，给出了优化后相位差的值和优化后的延 误时间。并对优化后的车辆延误时间与定时控制时车辆延误时间进行了性能对比。结果 表明优化后干线上车辆延误时间明显小于定时控制时的车辆延误时间。证明本文所提方 法的有效性。 此外，本文采用基于计算干线车辆总延误的双向绿波控制方法，由于求解过程只需 要相位差和适应度函数( 交叉口总延误) ，这使得干线协调控制与路网协调控制之间已不 存在明显的界限。因此本文提出的方法具有解决城市路网协调控制问题的潜力。 关键词：干线协调控制；延误模型；双向绿波；遗传算法 d i f f e r e n c ea sc o o r d i n a t e do p t i m i z a t i o nv a r i a b l ew a sp r e s e n t e d ，a n dt h e na n a l y z e dt h et r a f f i c f l o wu n d e rt r a f f i cs a t u r a t i o n ，ac o o r d i n a t i o nc o n t r o ld e l a ym o d e lw a sp r e s e n t e d ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e np h a s ed i f f e r e n c e sa n dt h eu t i l i z a t i o nr a t i oo fg r e e nl i g h tt i m ew a sg i v e n l a s tb u tn o tt h el e a s t ，p h a s ed i f f e r e n c eo fc o n t r o lv a r i a b l ei nt w o d i r e c t i o ng r e e nw a v e c o o r d i n a t ec o n t r o ls t r a t e g yw a so p t i m i z e du s i n gs i m p l eg e n e t i ca l g o r i t h m ，s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw e r eh e l di nm a t l a be n v i r o n m e n t ，o p t i m i z e dp h a s ed i f f e r e n c e sv a l u ea n do p t i m i z e dd e l a y t i m ew e r eg i v e n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev e h i c l ed e l a yt i m ea f t e ro p t i m i z a t i o n i s a p p a r e n t l y s h o r t e rt h a nt h ev e h i c l ed e l a yt i m eu n d e rt i m i n gc o n t r o lc o n d i t i o n ，w h i c hi n d i c a t e st h a t t h e m e t h o dw h i c hw a sp r e s e n t e di nt h i sp a p e ri se f f e c t u a l p a p e rp o s s e s sp o t e n t i a lt os o l v et h ep r o b l e mo f u r b a nr o a dn e t w o r kc o o r d i n a t ec o n t r 0 1 k e yw o r d s ：m a i ns t r e e tc o o r d i n a t ec o n t r o l ；d e l a ym o d e l ；t w o d i r e c t i o ng r e e nw a v e ；g e n e t i c a l g o r i t h m i i i 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 城市交通信号控制的发展2 1 2 1 城市交通信号控制国外研究现状2 1 2 2 城市交通信号控制国内研究现状3 1 2 3 存在问题4 1 3 本文研究的主要内容5 第二章城市交通信号控制基本理论6 2 1 城市交通信号控制基本概念及评价指标6 2 1 1 基本概念和控制参数6 幺1 2 评价指标1 0 2 2 城市交通信号控制基本类型1 2 2 2 1 按控制范围划分1 2 2 2 2 按控制思想划分1 4 2 2 3 按控制原理划分1 4 第三章城市干线交通信号协调优化控制分析与建模1 6 3 1 城市干线交通信号协调控制分析1 6 3 1 1 干线系统的基本描述1 6 3 1 3 城市干线交通信号协调控制方式1 8 3 1 4 干线协调控制的目标2 1 3 2 现有城市干线交通信号协调控制方法及其分析2 1 3 2 1 基于延误的相位差优化法2 1 3 2 2 最大绿波带法2 3 3 3 城市干线协调优化控制模型的建立2 5 3 3 1 双向绿波的概念2 5 3 3 2 双向绿波协调控制模型的建立2 6 3 3 3 过饱和状态下干线协调控制模型的建立3 2 i v 3 3 4 干线协调优化控制模型的分析3 5 第四章基于遗传算法的城市干线双向绿波控制的仿真实验3 7 4 1 遗传算法介绍3 7 4 1 1遗传算法的特点：3 7 4 1 2 遗传算法的基本理论3 7 4 1 3 遗传算法的收敛性4 2 4 2 基于遗传算法的城市干线交叉口双向绿波的仿真及结果分析4 3 4 2 1 方案设计4 3 4 2 2 仿真及结果分析4 7 结论与展望5 3 参考文献5 4 致谢5 7 v 长安大学硕士学位论文 第一章绪论帚一早珀t 匕 随着城市化进程的加快和社会经济的快速发展，人们生活水平的普遍提高，机动车 急剧增多和普及，交通量需求剧增，“堵车 是已成为了现代城市的通病，现在私家车 的数量呈现爆发式的增长态势，形成了急剧增多的车流量和城市中心区内有限的道路交 通资源强烈的对比，使得中心城区主干道的交通矛盾越来越突出。因此，在有限的道路 交通资源条件下，建立城市交通信号控制系，缓解交通拥挤，提高路网的通行能力，减 少交通事故的发生，提高交通安全性，从而保证城市交通的畅通、安全、高效运行。 1 1 研究背景及意义 据有关城市交通报告显示，交通堵塞会给我们带来非常大的经济损失，比如美国每 年由此产生的经济损失就高达8 0 0 亿美元，同时交通堵塞也浪费了美国人3 7 亿小时的 时间和2 3 亿加仑汽油，两项相加折合6 3 0 亿美元的经济损失，据日本建设省( 现国土 交通省) 统计，每天约有7 0 0 0 万各种车辆在各地行驶，每年因交通堵塞损失近5 3 亿小 时，而因此带来了高达1 2 万亿日元的经济损失。在我国许多大中城市普遍存在着道路 拥挤、车辆堵塞、交通秩序混乱、交通事故不断增多、居民出行时间过长、市中心地区 停车场地不足等现象，城市交通堵塞问题已成为城市发展的制约因素，给整个人们的生 活带来了很多不利的影响，以北京市为例汽车的数量正以每年1 0 的速度增长，而公 路增长速度仅为每年2 ，现在北京早晚高峰常规堵点有5 6 个，多的时候堵点可达1 2 0 多个，高峰期的机动车辆流量超过每小时1 万辆的路口达到了3 1 个，使得车辆速度很 低，这种低速行驶给人们的生活以及社会环境带来了恶劣的影响，据统计：2 0 1 0 年空气 污染的6 4 来自于汽车尾气的排放。北京一年的交通堵塞损失的总数不低于6 0 亿人民 币，约占北京国民生产总值的5 ，除此之外北京市有31 3 条主要监测路段的交通噪声 平均值严重高于国家标准，处于7 3 d b ，给人们的生活、休闲娱乐、休息等产生了非常 不利影响。 由此可见，世界各城市交通都必须面临一个严峻的交通问题交通堵塞。而城市 交通出现拥堵问题主要原因有一下几个方面：1 城市交通基础设施的建设速度远远跟不 上交通需求增长速度随着国民经济的迅速发展；2 城市交通管理人力不足随着城市规模 的不断扩大和道路交通条件的逐步改善，城市交通流量也日益加大；3 私家车的增长 速度过快；4 城市公交车管理不规范，且发展滞后，加剧了我国城市的交通紧张；5 第一章绪论 公共停车场容量不足且建设严重滞后，管理不规范。道路交通基础设施是制约城市交通 的重要因素，为了缓解这种交通状况，必须加速交通基础设施建设，以适应城市机动车 辆的高速发展的需要。大力加强城市道路交通科学管理水平，提高已有道路的利用率。 实现城市道路交通安全、通畅、有序。加速停车场( 库) 建设，缓解城市“停车难”的问题。 交通基础设施的建设需要占用大量的城市土地，而城市可以利用在交通基础设施建设这 个方面的土地和空间是非常有限的。因此，在现有的交通基础设施条件下，人们解决城 市交通拥挤问题的一个重要方法就是应用先进的城市管理办法。 由于城市道路建设条件和资金方面的限制，在将来的一段时间内城市信号交叉口的 主要形式仍然是平面信号控制。因此，改善城市交通拥挤问题的关键是提高现有的平面 信号交叉口的通行效率。目前，绝大多数的城市路网中都采用的是交叉口单个点的信号 控制模式，用它进行独立的配时控制，这种方法缺少了与其他相邻交叉口的联动性，如 果城市中各个信号交叉口之间的距离非常相近的话，车辆在通过几个连续的路口时候经 常会出现遇到红灯现象，给车辆的通行造成不便。使得减小车辆在各路口的停车时间， 特别是为了在道路主干线上的行驶车辆快速通畅的通过各交叉路口，我们可以对多个相 邻信号交叉路口结合起来进行协调控制使之形成干线信号交叉口协调控制系统，提高干 线系统的通行能力，从而实现城市交通安全、有序、畅通、方便、经济、高效的目标。 1 2 城市交通信号控制的发展 改善城市交通运行状况的重要途径之一就是发展先进的城市交通运行系统，它具有 投资少，见效相对快的特点，因此被视作一个城市交通现代化的一个重要标准，从上世 纪开始人们就对交通信号进行了研究，主要被用做控制车辆出入交叉口的次序，如今科 学技术快速发展并且人们已经对交通规律等方面的深入了解认识，这使得城市交通的控 制技术也快速的发展起来。 1 2 1 城市交通信号控制国外研究现状 道路交通自动控制技术的起源是交通自动信号灯的诞生。这个可以追溯到上个世纪 末和本世纪初。1 8 6 8 年英国伦敦的威斯特敏斯特教堂附近安装了一台红绿两色的煤气照 明灯，用来管理交叉口马车的通行，它标志着开始使用了城市交通信号，在之后的五十 年里类似信号灯的技术一直都没有出现，直到1 9 世纪初纽约的街口出现了新的信号灯， 真正意义上的信号灯首次出现了，这是与当今使用的信号灯极为相似的红黄绿三色灯， 他是由人工操作的，这样就产生了现代交通信号的雏形。以后英国也开始使用这种信号 2 长安大学硕士学位论文 灯。 随着汽车工业的发展，社会的进步，城市车辆不断增多，交通流量的增加，采用传 统那种单一模式的“固定配时”方式已经不能满足城市交通的客观需求。1 9 2 6 年，英国 人率先采用自动化的交通信号控制器来控制交通信号灯，生产出世界上第一台自动控制 交通信号机，开始它采取固定周期控制方式。随着科学技术的发展，各种信号控制机相 继出现，直到多时段固定周期信号控制模式的出现，成为了现代城市交通信号自动控制 的起点。 城市道路交通较为发达的国家在2 0 世纪5 0 年代基本上实现了大城市交通信号的自 动控制。美国在1 9 2 8 年研制出世界第一台交通信号根据交通流而自行调整的感应式交 通信号机；世界上第一个利用计算机进行集中协调感应控制的交通信号控制系统在加拿 大的多伦多市建成。它对城市交通信号控制具有重要的指导意义，使交通控制系统有了 质的飞跃。从此以后世界各国都开始利用计算机技术解决日益紧张的交通拥挤问题。澳 大利亚的s c a t s 系统、英国的t r a n s y t 和s c o o t 系统、加拿大的r t o p 系统都是 2 0 世纪8 0 年代初为解决交通拥堵问题而研究产生的。在实践中取得较好应用效果的主 要有s c o o t 系统、t r a n s y t 系统和s c a t s 系统，因此，世界上很多的城市都在很广 泛的应用这些系统。 1 2 2 城市交通信号控制国内研究现状 我国在城市交通信号控制系统方面的发展工作起步相对晚一些，却是当今世界各国 中交通基础设施建设发展最快的国家。我国在解放以后的一段时间内，只有少数的几个 大城市采用单点周期信号灯来控制交叉口的交通流。跟发达国家比较，我国交通最大的 一个特点是：机动车辆与非机动车辆以及行人在同一路面上混合在一起，交通情况很复 杂。直到2 0 世纪7 0 年代国内才开始把电子信息和自动控制技术等应用在交通运输和交 通管理领域中，最早开始进行交通信号控制研究和研发的是北京、上海以及广州等大型 城市，然后在全国很多大城市推广使用线性协调交通信号控制系统和单点定周期交通信 号控制器。我国在1 9 7 8 年自主研发成功的交通控制系统在北京市前三门大街试验应用； “七五 期间，我国自主研发的自适应交通控制系统在南京试验成功；从此以后，城市 交通信号控制系统在全国近2 0 多座城市相继建立起来，为我国的交通建设提供了宝贵 的经验。 2 0 世纪8 0 年代以后，随着城市车辆的增多，道路车辆堵塞问题越发严重。国家在 改善城市交通基础设施建设的同时，着力研发适应我国的城市中心交通控制系统，用以 3 1 2 3 存在问题 在研究和开发城市交通控制系统的工作上我国很多专家在理论上已经有了很大的 突破，而且也取得了一定的成果 5 1 。研究开发交通控制系统中已经取得良好效果的是对 孤立的信号交叉口进行控制，但是对探讨研究干线控制系统和区域控制系统没有取得理 想效果。城市交通路网中任何的一个节点包括城市中的信号交叉口，每一个交叉路口的 工作状态在受到相邻节点状况的影响下同时也影响着相邻节点的工作状态。对于城市道 路上的交叉口，如果不能根据实际交通情况，进行优化协调控制，有可能会造成整个城 市交通的严重拥堵，无法实现信号控制改善交通流与安全的优点。同时对城市中的交通 流产生负面效应，造成堵车现象发生。特别是对于城市交通干线而言，车辆在到达交叉 口会遇到红灯停车产生堵塞，这样可能引起大面积的拥堵，从而严重影响了整个城市的 交通状况。所以对孤立的交叉口进行控制利于提高整个交通路网的通行能力，但是不一 定能达到理想的效果。因此，解决城市交通问题最有效的办法是实现对城市交通干线控 制与区域控制。所以，对城市干线交通控制和区域交通控制的深入研究具有非常重要的 意思。 论文以适合中国国情的城市交通控制系统为研究基础，分析干线系统形成的主要因 素，讨论了对现有的干线协调控制方法的特点，同时建立了过饱和和常态情况下的的干 线协调控制模型，利用遗传算法对该模型进行了优化求解，并进行了仿真研究，研究成 果对改善交叉口配时设计方法，降低交叉口平均延误，提高道路网使用效率和交通安全 4 长安大学硕士学位论文 性，缓解城市交通拥挤、空气污染、车辆燃油消耗以及噪声污染具有现实意义 1 3 本文研究的主要内容 1 城市交通控制基本理论研究 介绍了城市交通流理论，分析和研究交通信号控制领域的基本概念、性能指标、控 制参数对交通信号协调控制作用及其对交通信号控制的影响。 2 城市干线协调控制方法研究 介绍了城市干线交通协调控制的思想及控制目标；建立了常态交通条件下城市干线 交通信号协调控制模型和过饱和交通条件下的控制模型，对干线交通流在常态交通条件 下和过饱和交通条件下通过各个交叉口的车辆延误进行了分析，最后提出利用常态交通 条件下的模型解决城市干线控制中“双向绿波控制的问题。 3 验证本文方法的有效性 对遗传算法基本原理、特点及其收敛性进行了简单的介绍，然后建立基于遗传算法 的城市干线交叉口双向绿波仿真实验，在m a t l a b 环境下对该问题进行仿真，对比分析 仿真实验的结果表明本文方法的有效性。 5 第二章城市交通信号控制基本理论 第二章城市交通信号控制基本理论 所谓交通流就是指道路上的车流和人流的统称，交通流的理论是研究探讨车流流 量、车流速度和密度之间的相互关系，分析道路上机动车辆和行人的运动规律，利用周 期、相位差、绿信比等对交叉口进行控制，减少道路上车辆延误、交通事故的发生，提 高城市基本交通设施的使用效率。 汽车工业的高速发展给人们的生活带来了各种方便，同时也由于交通事故的频发、 车辆的堵塞等，给城市的发展和建设带来了许多严重的影响。通过对交通流理论的研究， 根据城市道路交通状况，运用交通流的运动规律，合理控制交通信号灯，调节各个相位 的交通流，降低车辆平均延误，减少车辆平均停车次数，从而达到缓解城市交通压力的 目标。本章主要对城市交通信号控制涉及到的一些基本概念进行介绍。 2 1 城市交通信号控制基本概念及评价指标 通过采集处理对各个交叉口上下游交通流，城市交通控制系统确定交叉口合适的信 号参数( 周期、相位差、绿信l l ) 等，分配不同方向上的交通流通行权，使得车辆有序、 安全的通过各个交叉口。要实现对交叉口信号配时参数优化，首先必须准确把握和理解 交通控制中的一些基本概念。 2 1 1 基本概念和控制参数 一般来说，交通信号协调控制的基本参数包括相位差、速度和绿信比、密度、流量、 相位、饱和度、周期、车头时距等，用交通信号控制机直接控制的参数是周期c 、绿信 比旯和相位差妒。通过合理配置各个信号交叉口控制参数，减少车辆的停车延误和停车 次数，实现交叉路口通行能力的提高。交通信号协调控制所涉及到的有关概念如下： ( 1 ) 基本概念 信号相位 6 1 ：在周期时间内同时获得通行权的一个或者多个交通流的序列组， 它是按车流获得信号显示的时序来划分的，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，这些按相位划分出来的系统相应的被称之为两相位、 三相位信号系统，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，图2 1 所示的是两相位信号交叉口。 6 长安大学硕士学位论文 k l 东 l i 八 一一户一一 i ： t - - - - - - - - - - - - - - 一 一 ， ： 一一= 二、 - - - - - - - - - 第一相位 第二相位 图2 1 两相位交叉口 交通流量：在某指定地点或道路单位时间上通过的车辆数，它是一个不断变化 的随机量，交通流量g 的单位是辆j 、时，则它可以表示成函数q ( x ，) ，其中t 是时间，x 是位置。 饱和流量：指在一个连续的绿灯信号时间内连续车辆通过进口道停车线的最大 流量，它可以衡量路口交通流的施放能力。 饱和度：嘞表示饱和度的话，则它就是相位，中实际进入进口道，的交通流量g 与其饱和流量s ，的比值，用x ，表示每个相位f 控制的交叉路口各进口道饱和度的最大 值，交叉路口的饱和度x 是所有相位最大饱和度x 。之和，它们用的计算公式分别表示 成式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) ： = q s o ： ( 2 1 ) x f = m a x x ) ( 2 2 ) j x = x j ( 2 3 ) 饱和度是计算信号配时的重要参数，又是衡量路口交通堵塞的一个标尺。饱和度一 般设置在0 9 左右。 通行能力：它包括了路段和路口通行能力，通行能力是指单位时间内连续通过 车辆的能力，在单位时间内路段某截面能通过的最大车辆数是路段通行能力，在单位时 7 的通行能力用 ( 2 4 ) 时间称为信号 三种信号灯显 是两相位交叉 则有： c = + 乞+ 乞+ + 乙( 2 5 ) 选择适当的周期长度对疏散交叉路口交通流和减少车辆等待时间有重要意义，信号 周期长度应该根据交通流量的变化而变化，从交通疏散的角度来说，如果交通流量增大 那么信号周期也随之增大，否则单位周期内车辆无法在绿灯时间内完全通过交叉口，从 而使车辆延误增大，引起交通堵塞；从减少车辆等待时间的角度来看，周期过长或过短 都不易于车辆的通行，周期过长会导致绿灯时间某一方向没有车辆通行，使其他方向上 的红灯时间过长，增加了这些方向车流的等待时间，而周期太短则会产生交通堵塞，信 号周期c 是决定交通信号控制效果优劣的关键控制参数1 6 1 。 选择信号周期时为了使交叉口上各个方向上的交通流能顺利，最长的周期时长一般 不超过1 2 0 s ，而且最短周期时长也不能小于4 0 s ，由于多相位控制中相位多，为了使各 个相位上的车辆j i l 页n 通行，一般采用较长的信号周期，但是这样会引起其他相位上等待 司机烦躁，同时也增大了车辆延误时间，因此，对于多相位控制系统而言，信号周期最 好不要超过1 8 0 秒。信号周期的设置要根据道路上的实际交通状况来决定，一般设置为 一个方向的绿灯时间刚好能使该方向入口处等待车队放行完毕。 8 长安大学硕士学位论文 k l 东 l 。 一一户一一 i 东西路 南七路 第一相位 ： ? _ - - - - 一 一一 一 ， f 一一) - - - - - - - - 第二相位 绿灯问隔 时舟 时闫一 _ 表示红灯- 表示绿灯 二= ： 表示绿灯问篇时闩 图2 2 周期长度 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， 通常用九表示。绿灯时间是指绿灯相位所持续的时间；每次绿灯开始时前排车辆起动 延误的时间和当交叉路口车辆己清空时的转换间隔时间这两部分之和是损失时间；有效 。 绿灯时间g 。是指在给定相位中获得通行权的车辆能够有效利用的时间，它等于绿灯时间 加上转换间隔再减去损失时间；有效红灯时间是指有效地禁止车辆行驶所持续的时间， 它等于周期长c 减去规定相位的有效绿灯时间。式( 2 6 ) 表示的是绿信比允： a = 等 ( 2 6 ) ，1 从式中可以看出0 a 1 ，它反应的是在一个周期中信号相位交通流需要的绿灯时 间，在对道路上的交通流进行疏散和减少交叉路口总等待时间绿信比的大小起着至关重 要的作用。它也是进行交通控制的重要参数。当信号周期时长固定时经过优化绿信比可 以把绿灯时间恰当地分配给各相位的交通流，各个方向上的交通流得到合理的绿灯时 间，则能够使各方向的延误时间之和减至最小，从而减小道路总延误以及总停车次数， 一般最小绿灯时间不应小于5 s 。 相位差：相位差是协调控制中的一个重要概念，它也可以叫做绿灯起步时距或 o 第二章城市交通信号控制基本理论 绿时差，两周期相同的相邻交叉口同一相位绿灯或红灯开始时间之差称为这两个交叉 的相位差1 8 】，通过调节各个交叉口的相位差使得一个路网或者干线上的交通流在通过 个交叉口时都遇到绿灯形成绿波带，从而实现道路的畅通无阻。可见相位差是系统联 控制中的一个重要参数。相位差分为相对相位差和绝对相位差，图2 3 所示的是在4 路口的交通干线上利用时距图表示距离与信号配时的关系，从中我们可以得到它的绝 相位差和相对相位差。 2 3 4 图2 3 交通干线及相位差时距图 2 1 2 评价指标 利用现有道路资源改善交通流的质量，使单个交叉口或整个交通网络获得良好的交 通效益这是我们进行交通信号控制的目标。在一定的道路条件下，对信号控制交叉口进 行信号配时，选择适当的周期时长使得道路的通行能力略高于交通需求，并且减小油耗、 停车、延误等指标，从而减少车辆的运行费用和车辆通畅的通过交叉路口。 通常作为信号控制交叉口的交通效益评价指标主要有排队长度、停车次数、延误时 间、饱和度等1 8 _ 9 1 。 ( 1 ) 信号控制设施的限制或交通冲突给车辆带来的时间损失被称之为延误时间。 延误时间又可分为平均延误时间和总延误时间。交通流的延误在信号化交叉路口是由随 1 0 长安大学硕士学位论文 机与过饱和延误和一致延误构成。由于红、绿信号灯交替变化以及交通流均匀到达所产 生的额外延误称之为一致延误。交通流在饱和度x 1 即交通流达 到饱和时，这时必须采用交通流排队理论确定交叉口的延误。如果交通流以恒速g ，均匀 到达交叉路口，以速率吼离开交叉路口，那么时间( o ，f ) 内过饱和延误见的计算公式如 下： d o = l r o + 0 5 ( q ，一q j 弦 ( 2 1 0 ) 其中吼表示均匀到达速率： 三。是在f = 0 时刻随机与过饱和的初始排队长； f 表示时间； g d 表示离去速率； 效果的一个 它的周期以 长度，一个 内停车车辆 可靠性和智 搭建一个良 组成部分进 组成部分之 其他交叉路 性有效控制 交通的运行；各个交叉口组成部分在发挥各自功能的前提下，应使整个系统快速安全的 运行，这是它的最优性，实现交通的最优性就是使整个系统达到最大的通行能力、最低 的能源消耗和污染、最小的交通延误、最优的行车环境等优化目标 1 0 1 。 2 2 城市交通信号控制基本类型 2 2 1 按控制范围划分 城市交通信号控制按控制范围可分为单个交叉口的控制、交通干线的协调控制和区 域交通信号控制。 ( 1 ) 单个交叉口的控制 交叉口的单点信号控制也称之为“点控 ，单点控制目前是我国大多数城市中的各 个交叉口主要采用的控制方式，这种控制方式是指对某个交叉路口的信号进行控制，交 通信号在这种控制方式下，单独的交通信号只是按照它自己的交通状况独立运行，不考 虑周围其它交叉路口信号控制的情况。其目标只是减少该交叉口的车辆延误，使该交叉 口的通行能力得到最大程度的使用。这是交叉口交通信号控制的最基本形式。相邻信号 灯之间距离较远的线控和区域控制效果微弱的交叉路口适合应用单点控制，它可以根据 1 2 长安大学硕士学位论文 交叉口的实际交通量进行配时，从而减少交叉口的交通堵塞。单个交叉路口可以采用定 时控制方式和感应控制方式。 ( 2 ) 交通干线的协调控制 通过一定的方式把城市主干线上若干个连续的交叉口交通信号连接起来，对它们采 用相互协调的配时方案，这样信号灯会通过这种协调方案使得车辆在通过这些交叉口时 就会不遇红灯或者少遇红灯，提高整个干线的运行效率，减少车辆平均停车次数，降低 交叉路口平均延误，最终缓解了城市交通的压力。这种通过各个交叉口信号协调控制组 成的控制系统称为干线协调控制系统，俗称“线控 。 由于交通干线上连续的交叉口信号灯相互影响，交通流经常会遇到红灯，这个时候 首先考虑采用干线控制，使得整个干线上的交叉口组成一个协调控制系统，从而实现减 少交通流在通过这些交叉口时遇到红灯的情况，降低车辆停车的次数，减少车辆在干线 上的延误时间，实现控制系统的高效运行。 根据各个交叉口之间的距离，设置相邻交叉口信号灯具有相同的周期时长，确定 各相邻交叉口的信号灯对干线上绿灯信号开启的时间差，使得车辆在通过第一个交叉口 后以一定的速度行驶到的二个交叉口，在车速合适的情况下，会遇到绿灯顺利通过下个 交叉口，这样车辆犹如运行在没有红灯控制的干线道路上，提高车辆行驶效率，大大减 少了车辆在干线上停车与启动的次数和延误时间，保证主干道的交通高效畅通，提高道 路通行能力。相对与单个交叉口控制，干线控制的最大的优势就是让干线上的交通流行 驶在没有红灯控制的道路上，毫无阻碍地通过连续的交叉路口。提高路网利用率，减小 车辆在通过这些交叉路口时遇到的红灯次数。 目前来说对于交叉路口是采用点控还是线控还没有固定的标准。可通过交通流的实 际情形来进行综合判断：1 两个相邻的交叉路口之间的间距越小采用线控的必要性越 大；2 主干线方向上的交通量越多，采用线控的必要性也就越大。 交通干线担负着很重的交通负荷，在城市交通的作用也是非常重要的，所以干线交 通的畅通对改善一个地区乃至一个城市的交通状况有着积极的作用。为了让干线上的交 通流顺利通过各个交叉口尽可能地少遇红灯，遵守相邻交叉口之间的信号变化的规律， 保证绿灯起始时间维持某个恒定的时间差，还要使干线上相邻交叉口的周期时长一样。 ( 3 ) 区域交通信号控制 区域控制又称为面控【12 1 ，区域信号协调控制的对象是整个区域的所有信号交叉口， 第二章城市交通信号控制基本理论 对控制区内各个交叉口的信号灯采用综合性协调控制，通过对区域所以的信号灯进行协 调配置，提高交通控制区域的通行能力，尽量减少车辆通过控制区域的总损失。范围较 大的区域，可以把几条线控和点控组成一个分级，采用分区分级管理，然后对它们实行 集中控制；对范围较小的区域采用整区集中控制。城市区域网络控制可以用平均车队长 度或总的油耗作为系统的目标函数，也可以用网络的总延误和停车率的加权和表示系统 的目标函数。周期、绿信比和相位差也是交通网络协调控制的三个控制参数。就其实质 而言，干线协调控制只是网络协调控制的一种特例。 2 2 2 按控制思想划分 交通控制按控制思想可划分为主动式控制和被动式控制。 ( 1 ) 主动式控制交通自动化路径诱导系统 交通自动化路径诱导系统根据车辆位置、行驶的目的地等信息向控制区域内的车辆 提供优化行驶路径，从而合理分配和引导域内的交通流，缓解和消除交通堵塞，提高道 路利用率。微处理器和通讯技术的高速发展使交通自动化路径诱导系统具有广阔的发展 前景，为这种系统的开发和应用提供了实践的可能性。 ( 2 ) 被动式控制交通信号控制系统 上述交通信号控制思想是根据交通流变化使交叉口信号变化满足道路交通流的需 求。交通信号根据交通流的变化而变化，被动的控制道路交通。 2 2 3 按控制原理划分 交通控制按控制原理分可分为定时控制、感应控制和自适应控制等三种类型。 ( 1 ) 定时控制 定时控制方式根据历史交通流数据找出每个日周和时日的不同交通流变化规律， 然后将人工方法或计算机仿真模拟的各个不同时间段的配时方案存储在信号控制器或 中心计算机中，对每天不同时间段的交通流进行控制。在实施过程可以用日历钟在规定 的时间表的控制下调用信号控制器或中心计算机中合适的配时方案，也可以根据车辆检 测器实际测量的交通情况调用信号控制器或中心计算机中适合当前交通状况的配时方 案。道路各个交叉口信号控制器每天只用一种设定的配时方案运行称为单段式定时控 制，信号控制器每天根据实际交通量的不同采用几个配时方案的称为多段定时控制。 ( 2 ) 感应控制 感应控制方式比定时控制有很大的灵活性，它的基本原理是根据各个交叉口车辆检 测器测量的交通流数据调整相应的绿灯时间的长短和时间顺序来满足交通流变化，缓解 1 4 长安大学硕上学位论文 和消除交通堵塞，提高道路使用率。在干线饱和度较低或者各交叉口上、下行交通流相 差较大且交通流没有明显的变化规律、随机性较强时采用感应控制效果特别明显。 道路的上、下行交通流达到饱和超过其允许的通行能力必然引起交叉口各方向绿灯 时间调整接近其允许的最大绿灯时间，这恰好是定时控制方式，因此感应控制方式与定 时控制方式都要先对道路上的交通流进行分析，研究控制方式的可行性及效果。 ( 3 ) 自适应控制 自适应控制又称为优化控制 1 5 1 。这种控制方式就是根据一条干线或一个区域交通流 的动态变化而自动地调整信号控制参数从而使控制系统自动适应交通流的随机变化。根 据控制系统车辆检测器传送的交通量信息自动调节各个控制参数( 周期、绿信比和相位 差等) 产生某种性能指标的最佳配时方案。上位机根据各个交叉口交通信号机检测到的 实时交通数据不断调整配时方案以达到控制系统最优控制，同时上位机通过控制城市某 区域多个交叉的信号机实现该区域各个交叉口交通信号的统一协调控制，从而缓解交通 堵塞，提高控制系统的控制效率。 1 5 干线交通信号群联动协调控制，提高城市道路利用率。 对单个交叉口进行控制，只需要确定交叉口的信号周期和绿信比就可以了。而对于 由一组数个交叉口组成的主干线路段交通信号群进行系统控制，不仅要确定交叉口信号 周期和绿信号比，同时还要确定组成干线系统的各个交叉口入口绿灯信号开始时刻的顺 序，如果干线系统各个交叉口之间的相位差选择合适，那么沿着干线行驶的交通流就能 最大程度的通过干线的各个交叉口，因此各个交叉口相位差的选择是体现干线系统控制 效率的关键因素。 3 1 城市干线交通信号协调控制分析 在城市的道路上，由一条干线上连续多个交叉口通过交通信号之间的协调控制组成 了城市交叉口信号的协调控制，又被称为“绿波带”控制。其目标是为了使行驶到主干 线的车辆少遇到红灯或者不遇到红灯，安全、顺畅的通过这个协调控制系统的各个交叉 路口，尽可能的不受延误。行驶在干线上的交通流通过各个交叉口时，各个交叉口的信 号灯都是显示绿色像波浪一样向前形成绿波，保证了车队中的车辆一路畅通，因此这个 交通信号控制方式被称为“绿波带 控制。 3 1 1 干线系统的基本描述 如图3 1 所示，城市双向交通干线系统由n 个信号交叉口组成，其中东西方向为这 个线控系统的干交通，南北方向是支线交通。为了协调控制这个双向干线交通信号协调 控制系统中各个交叉路口的交通信号，各个交叉口必须采用相同的信号周期，图3 1 所 示的干线协调控制系统中交叉路口l ，交叉路口2 ，交叉路口n 都拥有相同的交通信号 周期长。根据各个交叉路口的交通流向、流量、以及布局采取单点定时控制的配时方法 计算出各个交叉路口各自的周期长度，然后以各个交叉路口中周期长度最大的交叉口的 周期作为干线系统的周期长度，把周期长度最大的这个交叉路口作为协调控制系统的关 键路口。 1 6 长安大学硕士学位论文 在这个干线协调控制系统中，由于干线中各个交叉路口的绿信比要依据它们各自的 交通量的流量比来决定，因此，图3 1 所示的干线系统中，由于交叉路口1 ，交叉路口2 ， 交叉路口万它们的交通流不一定相同，所以它们的绿信比也不一定一样。相位差是干线 系统进行协调控制的重要控制参数，为了使干线系统中的交通流顺利通过各个信号交叉 口，必须使干线上车辆在通过各个交叉口的行程时间与相邻信号间的相位差相适应，因 此，选择合适的相位差对实现干线系统信号协调控制非常关键。 假设由东向西方向的交通流为这个信号协调控制系统的主要交通，由西向东方向的 交通流为信号协调控制系统的次要交通，如图3 1 所示，干线系统中由东向西方向的交 流量大于由西向东方向的交通流量。干线系统双向交通最优协调控制实现比较困难，本 文采用优先相位差控制模式，在实现干线系统主要车流相位差最优的基础上确定次方向 上车流的相位差关系。 p 一 - 交叉口l 交叉口2 交叉口n 图3 1 城市交通干线示意图 3 1 2 选用干线协调控制的条件 目前在很多城市中，干线协调控制应用较少，交叉路口信号控制大多采用单点控制。 城市道路中的交叉路口并不是全部都能采用干线交通信号协调控制，根据实际的道路交 通流情况选择不同的控制方式，有些交叉路口采用信号协调控制后反而会降低总的运行 效率，增加交叉路口的车辆延误，可能引起堵车现象，在对相邻交叉路口进行信号协调 控制之前，应该先考察干线上这些交叉路口是否满足干线信号协调控制的条件。以下因 素对干线信号协调控制的控制效率有很大的影响。 1 车流到达特性 如果车辆均匀式到达信号交叉口，降低了干线控制系统的要求，干线控制系统的总 体效果就不是太理想，如果车辆脉冲式到达信号交叉路口，车流形成车队，采用干线协 调控制系统就可以获得良好的控制效果。 1 7 第三章城市干线交通信号协调优化控制分析与建模 造成车辆均匀到达的主要因素是：从次要街道或者路段中间的出入口( 例如商业中 心停车场、库等) 有大量的交通流涌入干线上两相邻交叉口。有大量的转弯车辆从相 交街道转入干线信号交叉口。在信号交叉路口之间形成车队的车流由于交叉路口之间 的距离太远引起车队的车流消散。 2 交通组织条件 由于单向交通运行有利于线控系统的实施及实施后的效果，因此对单向交通运行的 干道应优先考虑采用线控系统。 3 相邻交叉口间距 一般执行信号联动的交叉口之间的距离不要超过8 0 0 m ，因为干线系统中各个信号 交叉口之间的距离越远，线控效果越差。 4 信号相位设置条件 信号交叉路口的控制类型也对干线协调控制有很大的影响，由于信号配时方案与信 号相位有关，信号相位越多，越不利于干线控制，影响干线协调控制系统的通过带宽越 大。对于一些具有两个相位的简单交叉路口优先选用干线协调控制会产生良好的控制效 果；一些具有多个左转相位的干线交叉口，选择干线协调控制效果不是很理想。 5 交通量波动情况 每天各个时间段内的车流到达的特性以及交通流量的大小都会有很大的变化。根据 每天交通量的变化情况选择不同的控制方式，在上下班时候的高峰期，干线各个交叉口 的交通流很容易就形成车队，优先选择干线协调控制，而在非高峰期，由于各种原因不 能形成车队，采用干线协调控制就不一定有良好的效果。干线系统在各个交叉口的控制 方式应该根据该交叉口在不同时段的交通量决定。 3 1 3 城市干线交通信号协调控制方式 根据2 2 3 节介绍，干线系统的控制方式根据控制原理的不同，分为：定时控制、 交通感应式控制、自适应控制。各个交叉路口之间相互联动协调是干线协调控制和单点 控制的最大不同。干线协调控制又可分为单向交通干线协调控制和双向交通干线协调控 制。最容易实现交通信号协调控制的是单向交通干线，根据干线上交通流的行驶速度以 及各个信号交叉口之间的距离进行协调控制即可达到良好的控制效果。 1 单向交通组织道路( 单向行驶道路) 对于单向行驶道路的干线交通信号协调控制，只需要按照单向交通流的车流行驶速 度以及各个交叉路口之间的距离进行协调控制，城市双向行驶道路上两个方向交通量悬 1 8 长安大学硕士学位论文 殊比较大的干线系统也可以采用信号协调控制，只要把它看成单