（控制理论与控制工程专业论文）基于泛布尔代数的交通信号控制系统研究与设计.pdf

武汉理二：大学硕十学位论文 摘要 智能交通系统( i t s ) 作为2 1 世纪交通运输体系的发展方向，受到了世界 范围的重视。交叉路口是城市智能交通系统的重要组成基础，为了能有效地改 善城市交通日益拥挤的现状，对单交叉路口的信号控制方案的研究显得尤为必 要。 论文着重研究一种基于泛布尔代数的单交叉路口信号控制系统，主要内容 是依据泛布尔代数理论，对十字形路口的信号控制方案建立其泛布尔逻辑模型， 设计出具有泛布尔推理机制的交通信号控制。 论文提出以十字形单交叉路口等待交通流为系统输入，根据各个方向路口 上等待放行的车辆数来确定系统输出各通行相位的放行时间，以泛布尔代 数理论为基础建立信号灯控制系统的函数模型。该模型具有自判断机制，即根 据实时交通流数据判定当前各信号灯的控制顺序和控制持续时间。此外，利用 泛布尔代数建立的交通信号控制模型能够很方便地用组合逻辑电路来实现。论 文详细说明了利用c p l d 开发工具来实现具有泛布尔推理机制的十字形交通路 口信号控制系统，主要工作是采用v h d l 语言来对控制系统进行功能划分和于亍 为描述，最后对总体功能进行仿真。 综上所述，本文的主要研究工作包括： 1 建立十字形单交叉口信号控制的配时模型。以各个方向路口上等待放行 的车辆数据为基础，依据交通理论给出信号控制模型和配时数据。 2 建立十字形单交叉口信号控制的泛布尔逻辑模型及电路结构。根据交通 信号控制逻辑，从系统陈述入手，导出信号控制系统的泛布尔函数；同时结合 逻辑电路设计建立该模型的电路结构。 3 十字形路口信号灯实时控制系统的实现。以c p l d 开发工具为依托，将 控制系统的实际功能进行语言描述和功能仿真，从而实现本系统的设计。 今后可以对其他单路口信号控制以及区域交通网的信号控制的泛布尔代数 模型建立作进一步深入研究，同时也可朝单交叉口的车流状态变量划分和信号 控制方式的研究等方向发展。 关键词：交叉口，交通信号控制，泛布尔代数，系统陈述，v h d l 武汉理1 人学硕十学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft r a f f i ct r a n s p o r ts y s t e mi n2 1 s tc e n t u r y , i n t e l l i g e n t t r a f f i cs y s t e m ( i t s ) i s a 髓疆而l u c h i m p o r t a n c e i n t h e w o r l d t h er e s e a r c h o f s v g n - - ：习v c o n t r o lo ft h es i n g l ei n t e t s e c t i o n , w h i c hi st h eb a s i so ft h er r si nc i t i e s s e e m st ob e e s s e n t i a lt os o l v et h et r a f f i cc r o w d s 口虻r e s e a r c he m p h a s i z e so ns i g n a lc o n t r o lo ft h es i n g l ec r o s s - s h a p e di n t e r s e c t i o n a n dp a n b o o l e a na l g e b r ai no r d e rt ob r o a d e nt h ea p p l i c a t i o nr a n g eo fp a n - b o o l e a n a l g e b r a w h a th a sb e e np u tf o r w a r di nt h er e s e a r c hi st h a td e c i d i n gt h es i g n a lt i m i n g s a c c o r d i n gt ot h et r a f f i cf l o w sw a i t i n gf o rg r e e nl i g h t , a n de s t a b l i s h i n gt h ep a n - b o o l e a n a l g e b r am o d e lo f t h et r a f f i cs i g n a lc o n 仃o l ，w h i c hh a st h ea b i l i t yt od e c i d et h es e q u e n c e a n dt i m eo f s i g n a lc o n t r o li ne a c h 打a 伍cp h a s eb a s e do nt h en u m b e ro f v e h i c l e sw a i t i n g f o rg r e e nl i g h ti n r e a lt i m e f u r t h e r m o r e , t h el o g i cc i r c u i td e s i g na n dp a n b o o l e a n a l g e b r ah a sb e e nd i s c u s s e dt o g e t h e r , a n dc p l dt o o l sa r eu s e di nt h er e s e a r c ht od e s i g n a n ds i m u l a t et h ec o n t r o ls y s t e m t os u m u p 。t h ep r i m a r yw o r kt h a tw e d i s c u s s e di nt h i st h e s i si n c l u d e s ： 1 t h et i m i n gm o d e lo ft h et r a f f i cs i g n a lc o n t r o li nt h es i n g l ei n t e r s e c t i o n 1 1 1 e s i g n a lc o n t r o la n dt i m i n gc o n f i g u r a t i o na f es e tl l pb ym e a s u r i n gt h en u m b e ro ft h e v e h i c l e sw a i t i n gf o rt h eg o - a h e a d 2 t h ep a n b o o l e a na l g e b r al o g i cm o d e lo ft h et r a f f i cs i g n a lc o n t r o li nt h es i n g l e i n t e r s e c t i o n t h el o g i cm m e m c o t , s y m b o le x p r e s s i o na n dp a n - b o o l e a nf u n c t i o na r ep u t f o r w a r db a s e do nt h el o g i co f t r a f f i cs i g n a lc o n t r 0 1 3 r e a l t i m ea d a p t i v ec o n t r o lo ft h et r a f f i cl i g h t si nt h es i n 西ei n t e r s e c t i o n l e d e s i g no ft h i sc o n t r o ls y s t e mi sr e a l i z c db vu s i n gt h ev h d la n dac p l dt o o lt o d e s c r i b ea n ds i m u l a t et h es y s t e mf u n c t i o n t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to ft h i sr e s e a r c hc o u l de m p h a s i z eo nt h et i m i n gm o d e l a n dc o n t r o lm e t h o d o rt h ep a n - b o o l e a na l g e b r am o d e lo ft h et r a f f i cs i g n a lc o n t r o l 试 o t h e ri n t e r s e c t i o u sa n dr e g i o n a lt r a f f i cn e t s k e y w o r d s ：c r o s s r o a d ，t r a f f i cs i g n a lc o n t r o l ，p a n - b o o l e a na l g e b r a , s y s t e ms t a t e m e n t , v h d l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究性工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文字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，也不包含为获得武汉理工大学或其它教 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作的任 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 日期：缉：! 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、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、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生签名； 聊签名：雌日期：犁 武汉理1 人学硕七学位论文 第1 章绪论 随着我国社会、经济的高速发展和城市化、自动化进程的加快，我国机动 车辆拥有量及道路交通量急剧增加。伴随而生的是城市道路交通拥挤程度的加 剧，不仅造成交通事故的增多，汽车尾气污染加剧，同时也造成巨大的经济损 失，是目前世界各国城市发展共同面临的主要问题之一。不论是发达国家还是 不发达国家，都正承受着不断恶化的交通的困扰。城市交通问题是困扰城市发 展，制约城市经济建设的重要因素i “。 城市道路交叉口是城市交通网的组成因素，其通行能力直接制约着城市道 路的通畅能力。提高交叉口的通行能力不仅能够提高车辆通行交叉口的速度， 减少延误，同时能够避免由于该交叉口的交通堵塞而引起的邻近路段的通行不 便，减少汽车尾气污染。 1 1 课题研究背景 自人类拥有汽车以来，交通安全一直成为众多从事交通、控制、计算机领 域的科学家所困扰的闯题，有关交通信号灯控制的最优化闯题成为人们关注的 焦点。从2 0 世纪八十年代以来，泛布尔代数经历着从发现到基本理论体系的建 立和实际的应用，经历了二十多年，人们最终将其应用于数字电路。本文试图 将该新控制理论应用到交通信号灯控制系统的数字电路设计中去。 ( 1 ) 城市交通多相位路口信号控制的发展 目前城市交通的发展和交通量的增大使得多相位路口的信号控制将逐渐成 为主流。尽管许多城市采取拓宽路面、修建了立交桥等设施改造的方法来满足 与开俱增的交通流地通行，效果却不是太明显：同时设旌改造的措施投资十分 巨大。因此采取有效的信号控制目丽仍然是解决城市平面交叉口流量冲突的 种主要的有效方法。 城市交通信号控制的目的有：减少交通事故，增加交通安全；缓和交通拥 挤，提高交通效益，提高公共利益，减少交通负荷；减低污染程度，节省能源 武汉理【大学形! 卜学傍论文 消耗。 城市交通信号灯采用红，黄，绿三种颜色，对到达交通口的交通流实施控 制。到达交通口的交通流受到许多因素的影响，随机性较大，因而通过预先人 为设定多套方案或者建立精确数学模型对交通流实施的控制效果难以尽如人 意。近年来，开发新的交通信号控制方法越来越受到国内外专家学者的重视【2 1 。 ( 2 ) 泛布尔代数的应用 上世纪八十年代，张南纶教授基于传统布尔代数“非”概念的不足，提出 泛布尔代数的思想，并在此基础上建立了公理体系，研究了相应的逻辑性质； 此后将基于泛布尔代数的逻辑控制成功应用于许多控制系统的分析与综合问 题，取得了良好的效果。同时张南纶教授基于泛布尔代数提出了一种新控制理 论逻辑控制。逻辑控制是研究人类进行控制活动时的思维控制模型或规律 以及这些模型或规律在实际控制中的应用，以往控制对象的数学模型可以被判 断真假的复杂命题组成的逻辑控制模型所取代。由于泛布尔代数中变量取值和 所取状态分开而使其呈现出良好的应用前景，并使逻辑控制模型的讨论成为可 能。而传统的逻辑控制其理论基础是布尔代数，由于布尔代数的变量取值和变 量的状态均为二，因而限定了其应用范围吲。 1 。2 课题研究现状 1 2 1 交通信号控制的发展 自1 8 6 8 年交通信号灯的产生起，交通信号的控制经历了一百多年的发展。 国内外在交通信号的控制方法上可分为经典控制方法和现代控制方法( ”。 ( 1 ) 交通信号的经典控制方法 a 定时控制 定时控制是自交通信号灯出现以来最传统的一种控制方式，它是指预行人 为分配好红绿灯的保持时问。定时控制适合于交叉口的交通流量变化比较有规 律的交通情况，对于一天内的交通量的不同变化情况，采用多时段定时控制可 以适应交通情况的规律变化，仍是一种常用的信号配时方案。 武汉理1 人。学颂十学位论文 b 感应控 ；l j 正是由于交通流量的随机性会造成某些时候定时控制带来的停车延误和停 车次数的增加，从而产生了感应控制。交通感应控制是通过车辆检测器测定到 达进口道的交通需求，使信号显示时间适应测得的交通需求的一种控制方式。 即在交叉口进口道上设置车辆检测器，信号灯配时方案由计算机或智能化信 号控制及计算，可根据检测器检测到的车流信息而随时改变的一种控制方式。 感应控制在一定程度上克服了定时控制的不足，但是这种方法仍然存在缺陷， 它只能检测有没有车辆到达而不关心有多少车辆到达，因此，它无法真正响 应各相位的交通需求，也就不能使车辆总延误最小。感应控制对车辆到达随机 性大的交通情况适应性较好，可使车辆在停车线前尽可能少停车，以保证交通 通畅。感应控制适用于在交通量变化大而不规则，难以用定时控制处置的交叉 口。 ( 2 ) 交通信号的现代控制方法 a 模糊控制 模糊控制不依赖于系统精确的数学模型，特别适合用于复杂系统，其知识 表示、模糊规则和合成推理是基于专家知识或熟练操作者的成熟经验，并通过 学习可不断更新，具有智能性和自学习性。模糊控制方式用于交通信号控制， 其模糊输入和输出需要自行根据情况进行设定，输入一般包括排队长度、到达 车辆数和绿灯时| 日j 等，输出量为绿灯时间增量等。 b 神经网络控制 神经网络控制是研究和利用人脑的某些结构机理以及人的知识和经验对系 统的控制方式。神经网络控制系统的智能性、鲁棒性较好，能处理多维、非线 性、强耦合和不确定的复杂系统的控制问题。所以神经网络控制比较适合难以 建立准确数学模型的交通系统。 1 2 2 交通信号控制的研究现状 定时信号的配时方法还在不断地研究、改进之中，普遍采用的是w e b s t e r 方 法，该方法以交通延误作为交通效益指标，以交通延误最小求解最佳周期时长， 各相位绿信比由各相位的最大流量比按比例分配。还有其他的计算方法如澳大 武汉卵j 人学硕士学位论文 利涯的a r r b 方法等。但是，d r 城市的发展，定时控皋4 运行一段时间后，交 通情况会发生一些变化，这时需要进行交通调查重新确定配时方案，比较费时 费力。当某些交通情况变化没有规律且受随机因素影响较大时，定时配时的方 案会导致停车次数和延误的增加【i i 。 虽然感应控制比定时控制更能适应交通流量的随机变化，但是感应控制的 算法中只是考虑对当前通行相位时间的延长，而没有考虑其他相位的车辆排队 情况。解决该问题的方法有两种，一是采用数学模型对交叉口各个方向的车辆 到达作准确的预测，根据运筹学和最优化的理论确定各个方向的绿灯时间；二 是采用智能控制的方法对交叉口进行控制【6 j 。由于城市交通系统具有随机性、模 糊性、不确定性等特点，数学模型不能很好地反映实际的交通系统，尽管算法 十分复杂，控制效果却不尽人意，实时性也较差。近年来，随着智能控制理论 的发展，用智能控制的方法对交通系统的控制得到了国内外学者的关注。其中， 模糊控制与神经网络控制的研究占据着主导地位。 ( 1 ) 交通信号模糊控制的研究 早在1 9 7 6 年，p a p p i s 就将模糊控制用于单交叉口的交通控制，所用的模 糊输入量是排队长度、到达车辆数和绿灯时间，输出量为绿灯时间增量，仿 真结果表明比传统的控制方法减少延误时间7 左右。 我国学者陈洪在此基础上进行了进一步的研究，考虑了非关键车流的影 响，采用了多级模糊控制的方法，如图1 1 所示，其仿真结果较p a p p i s 等提 高1 2 5 。但是以上方法的到达车辆数是基于时速不变的理想情况下对后1 0 s 的预测，这种预测在实际中有很大的局限性。其一，由车辆检测器检测到的 车辆速度是当前时刻的数值，带有很大的随机性；其二，在车道上行驶的车 辆速度要受到环境的影响，这种影响包括前后车辆、行人和意外事故等因素， 所以由此预测的到达车辆数在实际情况下将遇到很大的局限性。 检泱曝1一一级模糊控制器l _ 塑堕坚薹兰+控 交 检澳器2 i 制 总延长 通 信 f 翌铷! 需3策 检测器4 一亍级模黜。器惮 略 号 灯 图1 1 交通信号多极模糊控制系统结构 4 武汉理i ：大誓硕t 学付论文 我国学者徐建闽等采用了路段车辆数这新的概念，其优点足在每个路 口设置两个检测器使输入量不用预测即可得到，减少了预测算法和车流的随 机性带来的不确定性；其次这一数据便于采集。仿真结果显示，该控制比定 时控制平均延误时i 日j 减少了2 5 ，但同时也存在一些问题，如对跟车模型的 设计与实际车辆的运行还有差距；没有考虑多车道的情况；对模糊变量的划 分和隶属度函数取值没有进行深入研究。 以上各种控制方法均局限于两相位的简单交叉口的信号控制，而实际应 用表明，适合两相位控制的交叉口，其交通量较小，根据交通量历史数据进 行常规定时控制也能取得不错的效果。虽然用模糊控制可以取得一些改善， 但意义不是很大1 6 】。 ( 2 ) 交通信号神经网络控制的研究 国内学者徐冬玲等研究了一种由神经网络实现的单点模糊控制器效果明 显。但也存在一些不足，如只讨论了两相位的信号控制，两目前越来越多的路 口采用了多相位信号控制，而且控制规则一经确定就不再改变，即不具备实时 学习的功能。因此，对于交通状况复杂的多相位路口，很难取得满意的效果。 国内学者李秀平等提出了一种实时学习功能的多相位双神经网络信号控制方 案。该方案由两个处于底层的神经网络信号控制器和一个处于顶层的控制效果 评价准则组成，如图1 2 所示。系统处于自学习运行状态时，两个神经网络总是 交替处于学习和工作状态，控制效果评价准则根据路口的实际交通状况，确定 神经网络是否需要进行学习，神经网络完成自学习后就可作为信号控制器使用。 仿真研究结果表明该方案能有效提高多相位路口的通行能力，对车流的变化具 有很强的适应性。 交通状况 图1 2 交通信号神经网络控制系统结构 武汉理i 人学硕十学位论文 该方法的不足之处在于神经网络初始权值的确定比较凼难，对信号控制器 的硬件的计算能力和速度有很高的要求，而且由于是将以前历史数掘的学习结 果用于当前的交通控剑：丕簦适应交通的实时快速变化。 1 3 课题研究的目的及内容 1 3 1 课题研究的目的 ( 1 ) 交通信号作用的优化 由于目i ；i 的交通信号控制方式大多采用传统的定时控制和感应控制，两者 均不能对信号进行实时控制，难以使得只益增长的交通流有效地通行。同时交 通信号的模糊控制和神经网络控制的研究尚处初级阶段，模糊控制的研究对象 主要集中于二相位信号控制，而神经网络控制研究的结果也不能适应交通的实 时快速变化。本文要达到的主要目的就是通过交通信号控制方式的优化来对交 通流进行实时控制，使得相位通行时间能够根据实时交通流来变化，从而使得 城市道路得到充分的利用，使得交通拥挤、交通事故及环境污染减少。 ( 2 ) 推广泛布尔代数的应用领域 随着泛布尔代数的产生，为了解决系统快速行和稳定性，沿用偏差和偏差 变化的模糊控制的思想，张南纶教授继而提出了一种新控制理论逻辑控制， 人们逐渐意识到将其带入工程领域的应用中去的重要性，本文也是基于这一点 而展开的研究。 1 3 2 课题研究的主要内容 本文以城市多相位单交叉路口的信号灯控制为研究对象，通过泛布尔代数 理论基础来确定多相位路口交通信号控制的泛布尔逻辑模型并加以电路实现， 设计一个具有自推理机制的交通信号控制系统，它能够根据当i j 各路口等待放 行的交通流来确定各个相位的通行时间。 具体内容如下： 分析单交叉路口交通信号控制的原理，提出十字形单交叉口信号控制的 6 武汉理1 人学硕十学傍沦文 各个参数，并建立单交叉路厂】交通信号控制的逻辑模型。 研究泛布尔代数的原理，根据交通信号控制的逻辑模型建立实际信号灯 控制的泛布尔代数模型，同时研究其逻辑电路的实现。 利用c p l d 开发工具及v h d l 语言设计具有泛布尔代数推理机制的交通 信号灯控制系统。 7 武汉理t 人一颂十学仲论史 第2 章单交叉路口的交通信号控制方法 在现代城市道路交通中，交通阻塞大部分是由于平面交叉口的通行能力不 足造成的，平面交叉口成为道路通行能力与交通安全的瓶颈。其原因主要有两 方面：一是早期道路规划设计的路段通行能力已不能满足日益增长的交通需求： 二是路口信号灯没有进行最佳配置而造成交叉口不必要的拥塞。因此研究单交 叉路口交通信号灯最优控制方案十分必要。 本章主要介绍单交叉路口的交通信号控制理论及方法，先介绍单交叉路口 的交通模型，然后具体介绍十字交叉口信号灯控制理论及配时方法。 2 1 城市交通信号控制的意义和任务 城市交通管制，是有效地对人，车，路，环境四者的管理。而城市道路的 有限性和车辆增长的无限性这对矛盾是导目前道路拥挤的主要原因。国内各城 市大多采用拓宽路面，架立交桥等措施来缓解交通压力，收效虽然明显，但却 是有限的。除了要加强道路基础设施的建设以外，还要对现有道路网进行有效 利用，加强道路交通网的智能管理和优化控制。 城市交通信号的目的在于减少交通事故，增加交通安全，缓和交通拥挤， 提高交通利用率，减少汽车尾气污染，节省汽车能源损耗。交通信号控制的任 务是通过调节交通流以及引导人流和车流来改善交通流的质量，实现交通流的 安全性、快速性和舒适性川。 2 2 交叉路口及交通信号控制简介 在城市道路中存在大量的平面交叉路口，它们成为交通流的汇集点和分流 点，正是这些交通路口组成了城市交通网。为了使交通流安全进入和离丌交叉 路口。必须采取一定的控制方式，合理分配通行权，使发生冲突的交通流在时 日j 和空间上分离。 武汉胖f 人硕十学位论文 2 2 1 平面交叉路口分类 对平面交义路口来说，根据道路相交条数不同，可分为三路交叉，四路交 叉，多路交叉等；根据交叉路口的形状，又可分为t 型，y 型，x 型， 弓叼臣 环形，多路交叉型等。各种平面交叉路口类型如图2 1 所裂3 1 。 - jl 厂 十字型交叉口 厂 x 型交叉口t 室空叉口 y 变奴口多路型交叉口 图2 i 各种交叉路口形状 2 2 2 交通信号控制简介 针对交通信号和通行车辆的管制，我国于1 9 8 8 年3 月颁布了中华人民共 和国道路交通管理条例，对于指挥灯信号，其相关规定如下【9 】： 1 ) 绿灯亮时，准许车辆、行人通行，但转变的车辆不准妨碍直行的车辆和 被放行的行人通行： 2 ) 黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人行 横道的行人，可以继续通行； 3 ) 红灯亮时，不准车辆、行人通行； 4 ) 绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行； 5 ) 黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。右转变的车辆和 t 形路口右边无横道的直行车辆，遇有静款2 ) 、3 ) 项规定时，在不妨碍被放行 的车辆和行人通往的情况下，可以通行。前两款规定亦适用于列队行走和赶、 骑牲畜的人员。 武汉用j 丈学硕一 ：学位论文 2 2 3 单路口信号控制方式 单路口的交通信号控制是最基本的交通控制形式，也是线控和面控制系统 的基础，其目的是通过合理的信号配雨百f 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。 ( 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，称为定时控制。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。定时信号控制方法是以历史数据( 车流量， 饱和流量) 为基础的，这些数据是通过交通测量、车辆计数获得的。根据交通 流的变化设置交通信号，也就是对每个时间段寻找出能给出最好性能指标的最 佳信号设定。每个时间段木各个方向交通流的随机、过饱和排队长当作下一个 时间段该交通流的初始随机、过饱和排队长。 定时控制方式适合用于交通量不大、变化较稳定、相邻交叉口较远的交叉 口。定时控制方法因为简单易行，是目前使用最广的一种控制方法，其配时对 方案是根据交通调查所得的历史数据制定的，一经确定则维持不变，直到下次 重新进行交通调查。显然这种方式不能适应交通流的随机变化。经常可以看到 这种情况：亮绿灯的车道没有车辆通行，而亮红灯的车道却有车辆等待。 ( 2 ) 感应控制 感应控制是在交叉口进口道上设置车辆检测器，信号灯配时方案由计算机 或智能化信号机计算，可根据检测器检测到的车流信息而随时改变的一种控制 方式。感应控制随检测器设置方式不同可以分为两种：一种是半感应式信号控 制，如图2 2 所示【l o l ，即在交叉口处将检测器安装在次干道上，根据次干道的交 通需求进行信号控制；另一种是全感应式信号控制，即在交叉口所有入口道上 均安装检测器，根据所有入口道的交通需求进行信号控制。 o 武汉理l ：人中硕十学俯论文 绿赞红绿 主平路信号= = = = = = = 二= = = = = = = = = = = 亡= = 单位延长绿灯时嗍 2 2 4 交通信号基本参数 图2 2 感应式信号控制 交通信号控制的基本参数包括信号相位、周期时长、相位持续时间( 或相 位绿信比，或交通流绿信比) 、相位差】。 2 2 1 节中已经介绍了几种常见的单路口模型，本文主要对最常见的十字形 路口交通信号控制进行研究，主要任务是为交叉路口的交通信号灯确定信号灯 周期及各个方向的信号灯红绿灯起止时间及通行时问。 城市单交叉路口交通流模型如图2 3 所示。东、南、西、北四个方向，每个 方向均存在左转、直行、右转三个车道车流。对路口各个车道车流量进行实时 检测而获得车流量信息，为优化决策提供必要的数据。由于各个车道在不同时 刻具有不同的车流量，交通工程技术人员需经过较长时间摸索，总结出适合该 路口车辆放行的规律，由此制定出相应交叉路口的相位信号控制方案，并且根 据一天之中交通交叉的高峰期时刻不同实施不同的配时方案。 武汉艘1 人学硕七学位论文 i 彳翻f 厂 图2 3 单交叉路口交通模型 然而，由于路口各个方向的车流是随机变化的，固定的相位时间配置显然 难以达到理想的交通状况。而且一个交通信号控制系统也不可能针对每天不同 时段的不同车流分布制定出相应的信号配时方案。若依据各个车道的车流检测 信息，以交叉路口流通能力最大、平均延误时间最小或排队等待的车辆数最少 为优化目标函数，对交叉路口车流情况进行综合优化，实时修i f 各个相位的配 时，则有利于减轻交通拥挤程度，使之获得最佳性能指标。 一个信号化的交叉口，其信号灯控制方案必须根据路口的交通状况制定。 一般通过对交叉口各方向交通量的大小以及在一天当中分布情况进行较长时间 的调查，才能够确定该路口信号配时方案。再将方案转换为交通控制系统或交 通信号控制机能够识别和实施的控制方案，一旦交叉口的交通流发生了大的变 化，则相应配时方案要进行调整，以适应新的交通需求。信号配时方案包括两 方面的内容：确定相位信号方案和信号控制基本参数。 ( 1 ) 信号相位 交叉口各进口道不同方向所显示的不同灯色的组合称为一个信号相位。确 定相位信号，是用交通信号轮流给某些方向的车流或行人分配通行权顺序的确 定。相位方案是在一个信号周期内，安排了若干种控制状念，每一种状态对应 某些方向的车辆或行人配给通行权，并合理安排这些控制状态的显示次序以及 显示时日j 。交通信号控制机按设定的相位方案，轮流开放不同的信号显示，轮 流为各方向车辆和行人给予通行权。每一种控制状态对应显示一组不同的灯色 组合，称为一个信号相位。从一个相位变到另一个相位，需要经过过渡灯色， 如绿闪灯色、黄灯灯色等。因此，一个相位又可分为几个步伐，每步伐对应 上互 一一 武汉理l ：大学硕十学何论文 一种灯色组合。所有这些信号柏位及其顺序通称为棚位方案。一般有2 相位和 多相位( 3 相位以上) 9 1 。 东西路 南北路 第相位第二相位 绿i 黄 红 绿灯间隔时 - 通行闻隔时间 第二相位 绿灯问隔时闻 图2 4 两相位信号配时图 信号配时方案一般用信号配时图表达，如图2 4 所示的是一种最基本的两相 位信号配时图。 图中的第一相位对不同的方向显示的灯色组合是：东西向道路放绿灯，南 北向道路放红灯。控制状态是给东西向车辆以通行权，南北向车辆不准通行。 第二相位改为东西向道路放红灯，南北向道路放绿灯，即给南北向车辆以通行 权。 在车流量较小的路口一般采用两相位配时方案，在东西( 南北) 两侧进口 道左转车都相当多的地方，而交叉口进口道上又没有专用左转车道时，可考虑 用三相位信号配时方案，如图2 5 所示。 三相位配时方案中，专用左转相位需要用绿色左转箭头灯。三相位配时方 案各进口道不同方向的信号灯色组合为：对东向南和西向北左转车放绿色左转 箭头灯，东、西直行车流及南、北直行车流均放红灯；另外两个相位就是基本 的防相位信号组合。这三个相位按图2 5 所示顺序排列，就形成一个三相位的配 武汉理i 。人学顾t 一学何沦文 时控制方案。 图2 5 具有专用左转相位的三相位方案 当交叉口各方向的车辆都比较多时各方向左转车辆与对面直行车辆都不 能同时放行，因为车辆较多，同时放行由于要经常避让会严重影响道路的通行 能力，而且容易引起发交通事故，此时需采用四相位方案。一般在城市的主要 交叉路口都实行四相位方案，次要路口一般采用三相位或两相位方案，随着城 市的发展，车辆的增多，采用四相位控制的十字路口越来越多了。 。四相位配时方案如图2 6 所示，图中上图为四相位车流分布，下图为每个相 位的配时图。 j 上；- jf l ；一， 1l i j l l 二广f 彳3 厂i l 睁 广 东西直行 东西左行 南北直行 南北左行 图2 6 四相位信号配时图 在进行交叉口相位方案设计对，根据交叉口交通流量的特征，视设计需要 选择适应的相位，并作不同的次序安排，这就f 叮以形成多种多样的相位方案， 1 4 武汉珲1 人学硕十学位论文 个周期内设置相位越多，交通安全性越好，但交义口的利用牢越低。特别需 要注意的是制定相位信号方案时，互相冲突的车流不能同时给出绿灯信号，以 免发生车辆相撞的事故。绿灯信号的定义根据交叉口的交通流分布情况不同而 有所不同。但对一个交叉路口来说，东西方向的直行车辆和南北方向的直行车 辆绝对不允许同时给出绿灯信号让其通行。 一般束说，对于单点定时信号控制，相位信号方案一经设定就不再变化， 除非是交叉口交通流有重大的变化。若采用计算机进行控制，则相位信号方案 要能是不固定的。相位顺序可根据交通量的变化情况适当选择，并进行相应的 相位控制或跳相控制f 。合理选用相位组合及控制顺序是决定交叉口控制交通 效益的主要因素之一。 ( 2 ) 周期时长 周期时长是指信号灯的各种灯色轮流显示一次所需要的时间，也即各种灯 显示时白j 之和。周期是决定单点控制定时信号交通效益的关键控制参数，用c 表示。一般信号灯有个最短周期值c 。，否则就不能保证几个方向的车辆顺利通 过交叉口；还有个最长周期值，至多不超过2 0 0 秒，否则可能引起司机等待的 烦躁或误认为灯色控制已经失灵。 按照英国学者韦伯斯特方法，在指定的条件下，使车辆总延误最小的配时 方案即为最优方案【1 2 】。其最佳周期的近似公式： c o = 等 ( 2 - 1 ) 式中，l 为每个周期总的损失时间，y 为交叉口交通量比。 在实际应用中，要根据现场的实情情况选定合适的周期长度。当交通量很 小时，要规定一个最短周期值，一般不能少于p x1 5 秒( p 为相位数) 该值一般 取各个相位最短绿时的和再加上过渡时间( 通常指黄灯和全红时问) ，以保证某 一方向车辆及时安全通过路口；另一方面，当信号周期长度超过某一限值后， 通行能力的增长便趋于停滞，而车辆延误时间却骤然上升，因此也要规定信号 周期的最大值，否则驾驶员心理上不能忍受或误认为信号灯已经失灵。当交通 需求很大时，只能按最大周期按制，此时车辆堵塞现象已不可避免。 ( 3 ) 相位差 武议理r 大学硕 。忙论文 对于一个路口的多方向交通流而言，相位足指在周期时白j 内按需求人为设 定的，同时取得通行权的一组互不冲突的交通流。相位信号是指一个信号周期 内的信号控制状态，表示在道路交叉口给予某些方向的车辆或行人以通行权的 时序。而相位差则是指相邻路口同一相位绿位( 或红灯) 起始时间之差。 ( 4 ) 绿信比 相位绿信比是指一个相位信号有效绿灯时长与周期时长之比【l0 1 。一般用兄 表示。五= g 。c ，式中五为绿信比，g c 为有效绿灯时长( s ) ，c 为周期时长( s ) 。 有效绿灯时闻是指被有效利用的实际车辆通行时问，它等于绿灯时间与黄灯时 间之和减去头车启动的损失时间。交通流绿信比是一个交通流在一个周期时间 内所获得的有效绿灯时长与周期时长之比，一般用 表示。 绿信比的大小对于疏通交通流和减少路口总等待时间有着举足轻重的作 用。通过合理的分配各车流方向的绿灯时间( 绿信比) ，可使各方向上阻车次数、 等待时问减至最少。 ( 5 ) 绿灯间隔时间 从失去通行权的上一个相位绿灯结束到得到通行权的下一个相位另一方向 绿灯开始的时间称为绿灯问隔时间【1o 】。如图2 7 ，假设需要确定在相位a 失去通 行权到相位b 得到通行权的绿灯间隔时间，则需测量从相位a 的停车线到潜在 冲突点之问的距离工，以及相位b 的停车线到潜在冲突点之间的距离y 。x - y 是 为了避免相位a 的最后一辆车与相位b 的第一辆车在潜在冲突点发生冲突而确 定的行使距离。绿灯间隔时间必须大于相位a 的最后一辆车驶过这段距离所需 的时间，这样才能保证不发生冲突。绿灯间隔时间在我国为黄灯加红灯或全红 灯时间。有时为了保证行人和自行车的安全，需延长绿灯间隔时间。 1 6 武汉理1 人学硕i j 。伸论文 “ ， ；i i 辽 x 在冲突 图2 7 交叉口潜在冲突点 表2 1 列出了根据不同冲突距离( x y ) 而建议采用的绿灯间隔时间。 表2 1 绿灯间隔时间 冲突距离砷( m )绿灯间隔时间冲突距离r - 7 ( m ，绿灯间隔时间 直行车 转弯车 ( s )直行车 转弯车j ( s ) 9953 7 4 62 8 3 49 1 0 1 81 0 一1 364 弘5 43 5 4 01 0 l 如2 71 4 2 075 5 6 44 l 一4 5l l 2 8 3 62 1 2 786 刁4 4 6 5 01 2 除了上述3 个控制参数外，还有一些与交通信号控制有关的概念如交通流 量、交通密度、车流速度、自由行车速度占有率、进口道饱和流量、流量比、 信号控制交叉口的通行能力等等。 一般来说，交通信号控制的目的是要使单个交叉口或交通网络获得良好的 交通效益f 1 2 】。评价交通效益的指标有：通行能力、排队长度、延误时间，停车 次数、停车率、油耗、行程时间等。目前，常用的交通效益指标是延误时间、 排队长度、通行能力等。交通信号控制的评价指标可以由设计者根据需要进行 选择。 2 3 十字路口信号控制 十字路口信号控制是本文讨论的对象。以下详细介绍对于十字路口，本文 采用的信号控制方法及相关参数。 l 一点厂 武汉理j 人学硕十学位论文 2 3 1 信号相位控制方案 一般在城市的主要交叉路口都实行四相位方案，随着城市的发展，车辆的 增多，采用两相伍弪羽酌十字路口越来越多，本文采用四相位控制法霍设计 过程中，我们未考虑右转车流量对周期设定的影响，因为右转车通行的时间比 较宽裕，为右转灯配时只需考虑与它有冲突的相应方向穿越马路的行人，对整 个周期时问的确定没有影响。令互为成对的方向：l 、东西向直行；2 、南北向 直行；3 、东左转，西左转：4 、南左转，北左转。有4 组成对方向，共8 个方 划昔 厂i 。 厂 第一相位 。 第二相位 j ll l 厂 第三相位 图2 8 四相位车流通行分靠图 2 3 2 信号周期配时方案 j l l 厂 第四相譬 在满足所有车辆在一个周期内全部通行的前提下，周期越短，车辆的平均 等待对闯越少，因为全部通行完毕的情况下等待时间与红灯长度成正比，周期 越长红灯时间越长。所以设置正确周期时长的原则是：每一个相位的绿灯时间 刚好使该相位各入口处等待车队放行完毕【们。本文正是基于这种考虑来确定路口 信号周期的。即根据当前各路口等待的车辆数来决定此信号周期内的时间分配。 如图2 9 所示，在a 、b 、c 、d 各向路口设置一个等待区域，用以采集等待放 行车辆的数量，根据所检测到的车辆数据来判定四个通行相位的通行时间。这 里等待放行车辆的数据检测不在本研究范围之内。 在对各方向进行配时时需根据各车道内等待放行的车辆数来进行分配。按 此计算出各相位的时间后，若某相位被分配时间较少，则可能无法保证该方向 车辆全部安全通过，根据2 2 4 节的介绍，这里设黄一个最短通行时间为1 5 秒， 且规定最长通行时间不大于5 0 秒；最短周期为6 0 s ，最长周期2 0 0 s 。 武汉理i ：大学硕 “学伊论文 图2 9 等待车辆数据采集区域 如图2 9 ，设定a b c d 各向路口的等待区域内等待放行的车辆数最大均为 2 5 辆，将a b c d 四个路口的等待交通流划分为少( 0 - 1 0 辆) 、中( 1 1 1 8 ) 、多( 1 9 2 5 ) 三个区域，配时方案如下所述： 当a 向、c 向等待车辆数最大者为少时，为第一相位分配绿灯时间1 5 s ， 第二相位1 5 秒： 当a 向、c 向等待车辆数最大者为中时， 第二相位1 5 秒； 当a 向、c 向等待车辆数最大者为多时， 第二相位3 0 秒； 当b 向、d 向等待车辆数最大者为少时， 第四相位1 5 秒； 当b 向、d 向等待车辆数最大者为中时， 第四相位1 5 秒； 当b 向、d 向等待车辆数最大者为多时， 第四相位3 0 秒。 为第一相位分配绿灯时l 日j3 0 s ， 为第一相位分配绿灯时间4 5 s ， 为第三相位分配绿灯时间1 5 s ， 为第三相位分配绿灯时间3 0 s ， 为第三相位分配绿灯时间4 5 s ， 根据表格2 1 设定黄灯时间t v 为5 秒，用t l ，t 2 ，髓，t 4 分别代表第一相 位，第二相位，第三相位，第四相位的通行绿灯时日j 。则红绿灯控制的配时如 图2 1 0 所示。 相对于定时控制方式，当各路口的等待车辆如配时方案中所述时，本 配时方案能更有效利用通行时间；当各路口的等待车辆如配时方案中所述 时，本配时方案能更充分的放行当前等待车辆。 9 武汉珲1 人学硕卜学位论文 第洲# 二二= 盈强一t l 第一牛伊 二二= 圈盈_ 一 t 2 第t 丰h 傍二= 二二盈函l t 3 第网丰| 伊 二二二 圈 t 4 图2 1 0 红绿灯控制配时图 将上述配时方案用表格表示如表2 2 所示，表中m a x ( a ，c ) ，m a x ( b ，d ) 分别表示a 向、c 向等待车辆的最大值和b 向、d 向等待车辆的最大值。由于 各个通行相位黄灯时间固定为5 秒，故这罩不考虑各通行相位的黄灯时间。 表2 2 十字路口信号配时方案 m a x ( b ，d ) 醚时疗繁 大 由 小 | “( a 方 t 1 - 4 5 s 。t 2 3 0 st l = 3 0 s ，t 2 1 1 t i = 1 5 s ，t 2 一1 5 s 大 t 3 = 4 s s ，t 4 = 3 0 st 3 - - 日s s ，t 4 旬0 st 3 = 4 5 s ，t 4 = 3 0 s t 1 4 s s ，t 2 = 0 0 st l = 3 0 s 。t 2 暑1 5 s t i = 1 5 s ，t 2 - - 1 5 s 由 t 3 互3 0 s 。t 4 = 1 5 st 3 = 3 0 s ，t 4 = 1 5 st 3 3 0 s ，t 4 = 1 5 s t 1 - 4 5 s ，t 2 = 3 0 st l = 3 0 s 。t 2 一1 5 st l = 1 5 s ，t 2 = 1 5 s 小 t 3 1 5 s ，t 4 = 1 5 st 3 = 1 5 s ，t 4 = 1 5 st 3 ；1 5 s ，t 4 = 1 5 s 由表2 2 可以看出： 当m a x ( a ，c ) ，m a x ( b ，d ) 均为大时此配时方案的最长周期 i