（控制理论与控制工程专业论文）面向中小城市的交通控制技术研究.pdf

浙江人学硕 ：学位论文摘要 摘要 我国拥有数目庞大的中小城市，其交通拥挤问题日益严峻，已成为控制领域和交通 工程领域研究热点之一。随着自动控制技术、计算机技术、通信技术和人工智能的飞速 发展，新的交通控制理论和技术不断涌现，智能控制系统已经在实际交通工程应用中取 得了显著成效。 本文讨论中小城市的交通控制技术。针对中小城市的交通特点，从空间和时间两个 层面研究公交优先技术。考虑到交通系统的严重非线性、随机性，时变性和不确定性， 利用模糊理论，提出了具有公交优先的分布式路网交通流智能协调控制技术。仿真和实 际应用表明，算法具有较强的可行性，能有效地解决中小城市的交通问题。 本文的主要工作如下： 王、设计了基于信号标杆定位技术的公交车辆检测和定位系统，阐述了该系统的结 构和工作流程。针对中小城市的交通特点，提出了多种具有公交优先的交通流渠化方案。 2 、提出了一种具有公交优先的交叉口模糊信号控制技术。采用公交专用道和公交 优先进口道实现了公交车辆在空间上的优先；通过具有公交优先的交通信号控制算法实 现公交车辆在时间上的优先。 3 、提出了一种具有公交优先的分布武路网交通流智能协调控制技术。通过相邻交 叉口智能信号控制机之间的信息交互，实现整个路网交通流的协调控制以及公交车辆的 优先通行；采用相位优先策略来提高绿灯的利用效率。 4 、详细讨论了绍兴市中兴大道交通优化的实际方案。综合运用了动态双向绿波带 协议控制技术、公交优先技术和路网协调控制技术，在分析交通现状和道路条件的基础 上，分别给出了不同路段相适应的协调控制方案。详尽描述了系统结构，控制方案和设 备需求，并介绍了分段实施协调控制技术带来的预期效果和评价标准，以及实际运行效 果。 关键词：中小城市；交通流；公交优先；智能控制；协调控制 浙江大学硕l j 学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nc h i n at h e r ea r eal a r g en u m b e ro fs m a l la n dm e d i u m - s i z e dc i t i e s ，i nw h i c ht r a f f i c c o n g e s t i o nh a v eb e c o m em o r ea n dm o r es e v e r e t r a f f i cf l o wc o n t r o lt e c h n i q u ef i t t e dw i t h t h o s ec i t i e sh a sb e c o m eap o p u l a rt o p i ci nb o t hc o n t r o ld o m a i na n dt r a f f i ce n g i n e e r i n g d o m a i n w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fa u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n i q u e ，c o m p u t e rt e c h n i q u e ， c o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u ea n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，n e wt h e o r ya n dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t s a b o u tt r a f f i cc o n t r o lh a v eb e e np u b l i s h e di nr e c e n ty e a r s i n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m sh a v e a c h i e v e ds i g n i f i c a n te f f e c t si np r a c t i c e i nt h i sd i s s e r t a t i o nw em a i n l ys t u d ya n da n a l y z et r a f f i cc o n t r o lt e c h n o l o g yo r i e n t e d s m a l la n dm e d i u m s i z e dc i t i e s o nb a s i so ft r a f f i cc h a r a c t e r i s t i c si nt h e s ec i t i e s ，t h e t e c h n o l o g yo fb u sp r i o r i t yi sd i s c u s s e df r o ms p a t i a la n dt e m p o r a lp o i n t so fv i e w m o r e o v e r w cp r o p o s ed i s t r i b u t e dr o a dn e t w o r kt r a f f i ci n t e l l i g e n tc o o r d i n a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yw i t h b u sp r i o r i t y , i nw h i c hf u z z y t h e o r yi sa d o p t e dd u et oh e a v i l yn o n l i n e a r , r a n d o m n e s s ， t i m e v a r y i n ga n du n c e r t a i n t yo ft r a f f i cc o n t r o ls y s t e m s s i m u l a t i o na n a l y s i sa n da p p l i c a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h mi sm o r ef e a s i b l ea n dm o r ee f f e c t i v et os o l v et h et r a f f i c p r o b l e mi ns m a l la n dm e d i u m - s i z e dc i t i e s t h em a i n w o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： 1 、w ed e s i g nt h eb u s e sd e t e c t i o na n dp o s i t i o ns y s t e md e p e n d i n go ns i g n a lp o l el o c a t i o n t e c h n o l o g y f u r t h e r m o r et h ea r c h i t e c t u r ea n dw o r k f l o wa r ed e s c r i b e di nd e t a i l s w ea l s o p r o p o s e a v a r i e t y o ft r a f f i cf l o wp r o g r a m sw i t hb u sp r i o r i t y d e p e n d i n go nt h e t r a f f i c c h a r a c t e r i s t i c si nt h es m a l la n dm e d i u m s i z e dc i t i e s 2 、a ni n t e r s e c t i o nf u z z ys i g n a lc o n t r o lm e t h o dw i t hb u sp r i o r i t yi sp r e s e n t e d t h eb u s e s a r eg i v e nap r i o r i t ys p a t i a l l yb yt h eb u s o n l yl a n e sa n dt h eb u s - p r i o r i t ya p p r o a c h e s m e a n w h i l e ，t h eb u s e sa r eg i v e nap r i o r i t yt e m p o r a l l yb yt h et r a f f i cs i g n a lc o n t r o la l g o r i t h m w i t hb u sp r i o r i t y 3 、ad i s t r i b u t e dr o a dn e t w o r kt r a f f i ci n t e l l i g e n tc o o r d i n a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yw i t h b u sp r i o r i t yi sp r o p o s e d ，w ea c h i e v et h et r a f f i cc o o r d i n a t i o nc o n t r o la n db u sp r i o r i t yi nt h e i 浙江大学硕：t j 学f 讧论文 a b s t r a c t n e t w o r kt h r o u g ht h ei n f o r m a t i o ne x c h a n g eb e t w e e ni n t e l l i g e n ts i g n a lc o n t r o l l e r sw h i c ha r e s e ti na d j a c e n ti n t e r s e c t i o n s f u r t h e r m o r ew ei m p r o v et h eu t i l i z a t i o ne f f i c i e n c yo ft h eg r e e n l i g h tb a s e do np h a s es e q u e n c e r 4 、w ed e s i g nt h ea c t u a lt r a f f i co p t i m i z a t i o np r o g r a mi nd e t a i lf o rz h o n g x i n gr o a di n s h a o x i n gc i t y c o r r e s p o n d e dt h et r a f f i cs i t u a t i o na n dr o a dc o n d i t i o n s ，w ed e s i g nt h et r a f f i c c o n t r o l p r o g r a m sr e s p e c t i v e l yw h i c hi n c l u d e t h ed y n a m i ct w o - d i r e c t i o ng r e e nw a v e i n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g y , b u sp r i o r i t yt e c h n o l o g ya n dr o a dn e t w o r kc o o r d i n a t i o nc o n t r o l t e c h n o l o g y t h e nw ed e s c f i p tt h es y s t e ms t r u c t u r e ，c o n t r o lp r o g r a m sa n de q u i p m e n tn e e d s f u l l y a tl a s tw ed e s c r i b et h ee x p e c t e dr e s u l t s ，e v a l u a t i o nc r i t e r i aa n dt h ea c t u a lr e s u l t sa f t e r t h ec o o r d i n a t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g yi m p l e m e n t e di np r a c t i c e k e y w o r d ：s m a l la n dm e d i u m - s i z e dc i t i e s ；t r a f f i cf l o w ；b u sp r i o r i t y ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l ； i v c o o r d i n a t i o nc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机 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 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：泵弓、积如 签字日期： 矽p 年弓月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏态鲎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位做作者签名：彳吞张匆 签字日期：纠了年弓月盯日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：浙江君安世纪律师事务所 通讯地址：杭州市新塘路3 3 号三新大厦1 6 楼 导师签名： 签字日期： y 月旷日 电话：1 3 8 1 9 1 0 6 1 6 0 邮编：3 1 0 0 2 0 浙江大学硕上学位论文 致谢 致谢 2 5 年的硕士生活即将结束，这期间的求学生活，有很多的喜悦快乐，也有很多的 辛酸挫折，有幸得到导师的关心、家人的支持和朋友的鼓励。 首先对孙优贤院士表示深深的敬意，并致以真挚的感谢。感谢孙院士提供舒适的科 研条件和在生活、工作方面给予的热情关怀。孙老师的谆谆教导学生将铭记在心，勤恳 的工作态度、平易近人的师者风范，宽广的胸怀和幽默豁达的性情使学生受益终生。 衷心感谢林庆女士，在学习、工作和生活方面对我的关怀和照顾 诚挚感谢我的导师章辉副教授在科研上，章老师“宽严结合”，培养学生独立的 科研能力和实践精神；同时，以渊博的学识、敏锐的洞察力和严谨的治学态度为学生树 立了榜样。感谢老师这些日子里的指导和关心。 感谢沈国江副研究员。沈老师把我带入了智能交通领域，在我读硕期间各方面都给 予了很多帮助。沈老师对本文提出了许多宝贵意见和建议，并提供了部分现场数据，使 本文得以顺利完成。感谢课题组师兄孔祥杰对我的帮助。孔师兄在学术方面、工作方面 以及生活方面给予我许多无私的关怀。感谢课题组同学与我的讨论和对我的帮助，他们 是钱伟、李伟和谢宜生。 在本文形成过程中，得到了工业控制研究所很多老师的帮助，在此深表谢意，他们 是：卢建刚教授、戴华平副教授、王智副教授、叶炜副研究员、陈积明副研究员和王建 新老师。 感谢同实验室的所有同学，他们和我一起进行了许多有益的讨论，他们是：程鹏、 童长飞，李鸿斌、商秀琴、王志波、孙喜策、章筠、张汉强，郭小晓、刘俊、李超峰、 张索、许煜、刘彬、傅凌规等。 感谢陪伴我的同窗好友：张媛媛、丛雨、王化雨、韩俊林、郭壁垒、张宁、付杰、 华洁、潘彦丞、葛翔胡旭姣、殷雅琼、韩翠平。 最后，要感谢我的父母、我的小姨和小姨夫，以及其他家人们。正是他们一直以来 的支持，帮助和理解，让我全身心投入学习和科研中。 谨以此文献给所有关心和帮助过我的亲人和朋友! 徐颖燕 2 0 1 0 年1 月于求是园 浙江人学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 摘要：本章首先介绍了城市道路交通控制技术的历史与现状，并从不同角度分析和理解 公交优先思想。重点介绍了国内外公交优先技术的状况，尤其是法国、英国和美国在这 方面的发展历程。详细分析了我国中小城市交通的具体特点和存在的问题。最后概述了 论文的立题依据和主要内容。 1 1 城市道路交通控制技术概况 城市道路交通控制技术是以交通信号控制技术为先导，与汽车工业并行发展的。随 着时代的发展，交通中的各种矛盾不断出现，最新的科技成果不断被应用到城市交通控 制中，推动着城市交通控制技术不断发展，先进的城市区域交通信号控制系统在世界范 围内得到了广泛的应用，如英国的t r a n s y t ( t r a m cn e t w o r ks t u d yt o o l s ) 系统和 s c o o t ( s p l i tc y c l ea n do f f s e to p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ) 系统【2 训、美国的r h o d e s ( r e a l t i m e ，h i e r a r e h i c a l ，o p t i m i z e d ，d i s t r i b u t e d ，a n de f f e c t i v es y s t e m ) 系统1 5 1 以及澳大利 亚的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 et r a 伍cm e t h o d ) 系统【6 】等，国内的有公安部 交通管理研究所h t - u t c 交通控制系统、浙大中控a c s 交通控制系统、青岛海信h i c o n 交通控制系统、上海宝康m i t c o 交通控制系统以及金科交通科技j k c 系列小型交通 控制系统【7 1 。 1 1 1 发展历程 城市道路交通控制技术起源于1 9 世纪交通信号灯的诞生。根据英国学者w e b s t e r 和c o b b e 的著作记载，1 8 6 8 年伦敦威斯敏斯特教堂街口安装了一台红绿两色的煤气照 明灯，用来控制交叉口马车的通行1 8 , 9 1 。但意外的煤气爆炸事故，致使这种交通信号灯 销声匿迹了近半个世纪。直到1 9 1 4 年以后，美国的克利夫兰、纽约和芝加哥陆续出现 了由人工操纵采用电力驱动的交通信号灯，与当今使用的信号灯已经相差无几。 1 9 2 6 年英国人在伍尔弗汉普顿安装了第一台交通信号控制机，通过机电设备以“固 定配时”控制交通信号灯的周期变化。这是城市交通自动控制的起点。随着自动控制理 论和技术的逐步发展，城市交通控制技术由最初的“定时控制”发展到“感应控制”继 浙江大学颂上学位论文 1 绪论 而发展为“自适应控制”，控制范围由开始的交叉口控制( “点控”) 扩展到干线的协调 控制( “线控”) 后又扩展到区域协调控制( “面控”) 。 到2 0 世纪6 0 年代，自动控制理论和技术的发展趋于成熟，而计算机的出现和广泛 应用，再次推动了城市道路交通控制技术的发展。1 9 6 3 年，加拿大多伦多建立了世界 上第一套由计算机控制的区域交通信号协调控制系统，该系统通过计算机对城市部分区 域实行协调控制，提高了控制系统的性能和水平。这是城市道路交通控制技术发展的里 程碑。此后，各发达国家相继建立以计算机为核心的城市区域交通控制系统，典型代表 有英国的t r a n s y t 系统和s c o o t 系统、美国的r h o d e s 系统以及澳大利亚的s c a t s 系统。 但是城市车辆的迅速增长，使得交通问题日趋复杂，传统的交通控制技术越来越力 不从心人工智能的研究为交通控制技术的发展注入了新的活力，许多学者把人工智能 中的模糊逻辑、人工神经网络和遗传算法等技术相继应用到工程领域中，取得了很好的 效果，智能交通系统的研究拉开了帷幕，城市交通控制技术也由自动控制向智能控制发 展。 + ： 交通控制技术不断发展和优化，但是城市交通基础设施供应相对于交通需求的持续 增长显得不足，道路的建设速度远赶不土道路交通量的增长速度，交通供求矛盾日益突 出，交通拥堵、出行不便和环境污染等问题严重影响了居民的正常生活。1 9 6 0 年，法 国率先提出“公交优先”的概念，随即广泛流行于欧美等发达国家，公交优先技术伴随 着交通控制技术的成长而成长2 0 世纪8 0 年代初，公交优先思想传入我国，近年来越 来越受到关注和重视。 1 1 2 城市交通信号控制系统 当前世界各国广泛使用的最具代表性且具有实效性的城市道路交通信号控制系统 为t r a n s y t 系统、s c o o t 系统和s c a t s 系统，国内的主要是h t - u t c 交通控制系 统和a c s 交通控制系统。 l 、t r a n s y t 系统 t r a n s y t 系统是当今世界上最负盛名的信号配时优化设计程序，经过不断改进， 已经发展到t r a l q s y t - 8 版，主要包括交通模型和优化过程两个部分。交通模型模拟在 信号灯控制下交通区域中的车辆行驶状况，便于计算给定信号配时方案下路网的运行指 2 浙江大学硕士学位论文 1 绪论 标；通过反复试算和比较各种信号配时方案下的运行指标来确定最佳配时方案。 该系统的不足之处在于：( 1 ) 计算量大，路网范围较广时这一问题更加突出；( 2 ) 采 用离线优化方式，需要大量的路网信息和交通信息，因此系统的效果有赖于底层数据的 可靠性；( 3 ) 优化过程本质上是一个非凸的数学规划问题，如何找出全局最优解在理论 上还未彻底解决，仍在探索中。 2 、s c o o t 系统 s c o o t 系统是在t r a n s y t 系统的基础上采用自适应控制方法的动态交通控制系 统，其交通流数据通过实时测量得到的，经过3 0 年的改进和实践，控制效果优于 t r a n s y t 系统。国内北京、大连、成都等城市引进了该系统。 s c o o t 系统只对下一个周期的交通条件进行预测，大幅度提高了预测的准确性和 控制的有效性，并且采用了频繁的小增量形式，避免了信号参数的突变且能与交通条件 变化较大时相适应。但是该系统也有美中不足的地方，如绿信比的优化依赖于饱和度的 估算，饱和流率的校准没有实现自动化；硬件投资大，维护费用高等。 3 s c a t s 系统 s c a t s 系统采用分层递阶形式，由最上级的控制中心、中间级的区域控制机和最 下级的交叉1 2 信号控制器构成。控制中心完成管理系统的任务，区域控制机完成“战略” 控制任务，交叉1 2 信号控制器分担“战术”控制任务。当控制区域较小交叉口数目较少 时，可由区域控制机和交叉1 2 信号控制器组成2 级结构的最小系统。国内上海、广州、 沈阳等城市引进了该系统。 s c a t s 系统引入“类饱和度”的概念，在一定程度上摆脱了传统饱和度中车辆尺 寸和车头时距的相关性，更加有效地进行配时参数调整。参数优化中，信号周期长度的 选择以子区为基础，以类饱和度最大的交叉口来确定整个子区的信号周期长度；绿信比 的优化是在系统事先提供给每个交叉1 2 的4 个方案中进行选择，以类饱和度值作为衡量 指标；相位差方案分为用于子区内部的信号协调和用于相邻子区合并时连接路段上的车 流协调两种，各有5 种。s c a t s 系统结构易于改进，并且实现了控制子区的自动划分， 但是其优化过程本质上是一种实时方案的选择，限制了配时参数的优化程度，再者过分 依赖计算机硬件，移植能力差。 4 、h t - u t c 交通控制系统 h t - u t c 交通控制系统是在2 0 世纪9 0 年代初推出的我国第一个具有自主知识产权 浙江人学硕l ：学位论文l 绪沦 的城市交通控制系统，系统应用软件、设备已作了五次重大改进，是当前国内应用最成 熟的城市交通控制系统。 h t u t c 交通控制系统结构分为三级：路口控制级、区域控制级和中央控制级，可 实现实时自适应控制和固定配时控制。实时自适应控制是由区域计算机控制被控区域内 的交通信号机，优化算法软件实时生成信号配时方案；固定配时控制采用近期实时自适 应优化结果，并确有较好交通效益的配时方案。该系统较多地应用在国内的一些大城市 中，如北京、上海等城市的繁华交叉口，对于许多中小城市，该系统价格仍然较高。 4 、a c s 交通控制系统 a c s 交通控制系统是浙江浙大中控信息技术有限公司针对我国大中型城市的交通 情况而研制交通控制系统，在浙江杭州、宁波和温州等地应用，效果比较满意。该系统 控制功能相当完善，包括单点配时控制、多时段多相位配时控制，干线协调控制、单点 感应控制、区域联网协调感应控制、自适应控制以及手动控制等多种方式。但是当控制 器故障时需在现场对控制器进行拆装检修，这将延误道路的交通控制，而且高端处理器 的应用使得控制系统价格的提升，很少在应用在国内的小城市中。 1 2 公交优先的内涵 城市公共交通具有客运量大、相对投资小、占有资源少、效率高、污染相对较少、 人均占有道路少等优点；是为满足城市大多数普通居民，特别是低收入者基本出行需求， 由政府提供的一种公共服务；是城市重要的基础设施，体现社会公平性、保障社会效益 的重要方面。城市公共交通优先( 简称“公交优先”) 是一种交通发展策略，体现在政 策、规划、财政，技术等各方面，不同层面有不同的内涵。 政府部门必须在政策上确立公共交通优先发展的地位，在资金上确立对公共交通优 先投入的倾斜做法，在规划建设上确立公共交通优先安排的顺序，在交通资源上确立公 共交通优先应用的权利。 在技术层面上，主要有两个方面：( 1 ) 设置公交专用道或优先进口道实现空间优先， 公交专用道包括路段上的公交专用车道和单向道路系统中公交逆行专用车道等；( 2 ) 采 用具有公交优先的信号控制策略实现时间优先，减少公交车辆在信号交叉1 3 的延误。统 计数据表明，如果不在交叉口信号控制策略中体现公交优先，即使有公交专用道，公交 车辆节省的运营时间也很有限，因此研究在有公交专用道的条件下公交优先的信号控制 4 浙江人学硕上学位论文l 绪论 策略具有非常重要的意义1 0 j 1 3 公交优先技术发展状况 1 3 1 国外发展状况 “公交优先”最早在1 9 6 0 年由法国提出，经过几十年的实践应用和理论研究，一 些国家成效显著 英国南安普顿大学从2 0 世纪6 0 年代起，每5 年为伦敦市进行一次彻底的公交优先 通行系统规划，几乎每年做一次调整。到7 0 年代，自上而下启动了一顼“停车再乘车” 计划，在伦敦以外的城镇外围修建大面积的停车场，鼓励市民将车停放在停车场，然后 再乘坐公交车进入城镇。在道路设置上，设置“公交专用车道”和创造“优先区域”。 英国市区内的道路一般都设有公交专用车道，路面印有红色“b u s ”字样。在公交专用 车道终止的位置上，设置一个红绿灯，为公交车在该红绿灯和交叉口红绿灯之间开辟一 个“优先区域”。 在法国，“公交优先”更多地体现在政府对公交车道的“保护”上。以巴黎为例， 老城区多数街道狭窄，且十之七八为单行路。但是，不管街道如何狭窄，巴黎主要路段 都设有专门的公交车道，印有醒目的“b u s ”字样，甚至在很多路段都设有专门的公交 车道信号灯。在个别路段接近交叉口的几十米，公交车道还用一定的突起作为隔离，以 防止非公交车辆抢占。在少数关键路段，公交车道建设成封闭式，以彻底阻止非公交车 辆的进入。同时，为了保证公交车道的畅通，加重处罚停放在这些车道上的车辆。对普 通违章停车的处罚是6 5 欧元，而在公交车道上违章停车则会被处以1 3 5 欧元的罚款。 法国法律还规定，对于因非特许车辆进入公交车道而与公交车发生交通事故的，不管该 事故的实际责任在哪一方，非特许车辆司机都要对此类事故负全责。 在信号控制方面，1 9 7 0 年美国洛杉矶出现了第一个公交信号优先系统。这是一种 强制优先形式，当优先车辆到达时，控制器无条件给予优先通行权，让其无阻碍地通过 交叉口。但随着交通需求的快速增长，非公交车辆的急剧增加，导致交叉口的平均车辆 延误增加，严重影响了整个交叉口的通行效率。m u r r a y a t 等1 1 1 】研究了公交优先通行措 施对道路交通的影响，通过对比设置公交专用道和专用信号前后道路上车辆的延误时 间，给出了不同道路交通量下，设置公交专用道的最佳公交比例和最佳公交客流量。 浙江人学顾上学位沦文l 绪论 f u r t hp g 和m u l l e rh j 1 挖】研究了信号交叉口的有条件公交优先和无条件优先各自的特 点，并且通过仿真分析了这两种公交优先方法各自的优缺点和适用条件。n b h o u n s e l l 等 1 3 - 1 5 1 借着欧洲p r o m p t 项目的进展，在英国伦敦的s c o o t 系统中开发公交信号优 先算法，在信号控制逻辑中引入车辆定位技术，通过延长绿灯时间和缩短红灯时问为公 交车辆提供信号优先，还提供了一种适用于应急车辆即时响应的优先形式。美国t r b ( t r a n s p o r t a t i o n r e s e a r c hb o a r d ) 与马萨诸塞州大学联合开发出o p a c 系统，这是一种具 有公交信号优先功能的在线信号配时优化算法，由车辆检测系统来识别公交车辆，并赋 予公交车辆一定的权重值，以人均延误最小化为目标进行信号优化配时。 1 3 2 国内发展状况 2 0 世纪8 0 年代初，公交优先概念传入我国。如今，机动车保有量以每年1 2 1 5 的速度增加，在我国许多大城市都先后出现了严重的交通拥堵问题。于是，公交优先逐 渐受到人们的关注【。 上海制定了各种交通工具的导向政策，在规划、投资税收和管理上制定相应的配套 政策，金方位贯彻实施“公交优先”政策。雨国内第一条公交优先车道是1 9 9 7 年北京 率先开辟，当时以公交线路条数最多的长安街为试点，取得了积极的效果。此后，广州， 深圳、杭州等大城市相继提出了一系列公交优先发展政策，并逐步落实公交优先技术。 昆明市在1 9 9 3 年与瑞士苏黎世开始城市公共交通规划的技术合作，1 9 9 9 年4 月开通该 市第一条公交专用道，率先实践将最左侧车道设置为公交专用道的公交优先方案1 ”1 。 国内诸多学者专家一直对公交优先技术进行理论上的探讨和研究。杨晓光等f ls j 从道 路设计上对公交专用道系统作了较为详细的描述，并提出了相应的管理对策；王元庆等 1 1 9 1 建立了锯齿形公交优先进口道设置适宜的交通条件；沈国江f 2 0 1 提出了考虑公交优先 的实时最小绿灯持续时问估计方法；张卫华和陆化普等f 2 l 之3 1 则对预信号控制技术进行深 入研究和探讨。常玉林和胡启洲【2 卅运用系统科学的思想，通过分析城市公交线路网络优 化的主要内容、优化原则、优化目标和约束条件，提出了公交线网优化的线性模型及其 解法，该模型不但兼顾了乘客和公交企业的利益，而且也考虑了整个城市的交通系统， 具有一定的代表性和使用价值。 2 0 0 5 年9 月2 3 日，国务院办公厅转发建设部等部门( ( 关于优先发展城市公共交通 意见) ) 。指出优先发展城市公共交通是提高交通资源利用效率，缓解交通拥堵的重要手 6 浙江人学硕士学位论文 1 绪论 段，从政策上确定了公共交通优先发展的战略地位。 1 4 中小城市的交通特点 近年来，我国城市化处于高速发展时期，2 0 0 8 年席卷全球的金融危机稍稍放缓了它 的推进步伐，但不改其向前的趋势。提高城市化率的根本途径是中小城市的发展，而交 通又是城市发展至关重要的一环。伴随着中小城市的蓬勃发展，机动车的保有量也在高 速增长，而道路资源却没有增加，信号控制技术也没跟上步伐，交通拥堵问题日益严峻。 中小城市无论城市规模，还是经济实力弱，甚至是居民的生活方式与大城市太不相 同，其交通状况主要有以下几点【2 5 乏7 】： l 、道路基础设施 中小城市的道路建设，交通设施明显落后于大城市，道路狭窄，功能划分不合理。 多数中小城市没有地铁等轨道交通和城市快速路设施，封闭车道也相对较少。 2 、出行方式 中小城市的交通工具主要以步行、自行车、公交车、摩托车、电动车为主，近年来 随着生活水平的提高，越来越多的汽车进入了普通家庭。各种交通工具都拥挤在狭窄的 城市道路上，直接影响了道路的通行能力，也加重了道路的安全隐患。 3 ，出行目的 中小城市的居民出行目的比较单一，大部分是上下班和上下学，然后是购物。因此 中小城市的交通潮汐现象特别明显，早晚高峰车辆量非常大，导致道路的使用落差特别 大 4 、交通法规意识 中小城市里的居民自觉遵守交通规则的意识比较淡薄，违反交通法规的情况比较严 重。行人过街无视信号灯，司机无视斑马线以及违章停车等现象较为普遍，这些行为不 仅危及了交通安全，也造成了不应有的交通拥堵。 5 、信号控制技术 中小城市的交通信号控制大多采用单路口定时控制，对于日益加重的交通需求越来 越力不从心。严重的混合交通现象和显著的早晚高峰潮汐现象对先进交通控制技术的需 求越来越迫切。然而，国内对交通控制技术的研究大多集中于大城市和超大城市的，适 合中小城市的先进交通控制技术少之又少。 7 浙t l 人学硕上学位论文l 绪论 基于上述特点，中小城市的交通问题主要存在以下几个方面2 8 1 ： l 、城市规模相对较小，建设资金相对少； 2 、基础设施建设水平较低，道路发展相对滞后，交通供需矛盾突出； 3 、交通规划不合理，道路功能划分不清，机非混行和人机混行现象严重； 4 、自行车、电动车和摩托车为居民主要出行交通方式，且缺乏对其严格的管理体 系，机非抢道、占道的情况严重； 5 、出行目的以上下班为主，道路使用落差大、波动频率高； 6 、公共交通需求不足且服务水平较低，公共交通发展困难； 7 ，交通设施不完善，交通设备智能化程度低，管理工作较为被动。 8 ，适应中小城市市情的先进信号控制技术极其匮乏，研究不足。 1 5 论文立题依据与主要内容 1 5 1 立题依据 中小城市蓬勃发展，机动车保有量持续增长，中小城市的交通拥堵问题目益严峻。 据调查，我国绝大多数城市的道路通行能力还没有被充分利用，造成交通拥堵的主要原 因之一就是缺乏先进的交通管理技术。许多专家学者认为：采用先进的交通管理技术， 优先发展城市常规公共交通才是解决我国城市交通问题的最好方式。然而，对面向中小 城市的先进交通控制技术研究不足，仍没有十分适应中小城市可持续发展的先进交通控 制系统。一味照抄照搬大城市的经验，势必引起水土不服，造成资源浪费。比如具有公 交专用道和公交绝对优先信号的b r t 技术，在中小城市中，很难建设和推广。一方面 是因为b r t 系统的建设资金需求大和道路条件要求高，另一方面是因为b r t 技术充分 保证了公交车辆的快速运行，同时也造成了道路资源的极大浪费和非公交车辆的极大延 误，这在混合交通现象严重的中小城市有一定的局限性。 2 0 0 9 年3 月以来国家政策汽车摩托车下乡的实施，中小城市的机动车保有量将持续 高速增长。在释放农村经济发展的巨大潜力这个过程中，中小城市有望成为带动全国经 济增长新的增长点，解决其交通拥堵问题刻不容缓。 8 浙江大学硕上学位论文 l 绪论 1 5 2 主要内容 本文立足予中小城市的交通特点和发展需求，研究适应中小城市可持续发展的先进 交通控制技术全文共七章。 第一章为绪论部分，介绍了城市道路交通控制技术的历史与现状，并从不同角度分 析和理解公交优先思想。重点介绍了国内外公交优先技术的状况，尤其是法国、英国和 美国在这方面的发展历程。详细分析了我国中小城市交通的具体特点和存在的问题。 第二章根据公交车辆对检测和定位的要求，设计了基于信号标杆定位技术的公交车 辆检测定位系统，重点阐述了系统的结构和工作流程。 第三章和第四章分别从空间层面和时间层面研究交叉i = l 的公交优先技术。第三章立 足予中小城市现有的道路条件和交通特点，对交通流渠化提出了三点原则，在此基础上 着重描述了典型交叉口中具有公交优先的设计方案。第四章提出了一种具有公交优先的 交叉口模糊信号控制技术，通过具有公交优先的交通信号控制算法实现了公交车辆在时 间上的优先，详细研究了信号控制算法中三个核心模块的模糊控制策略。通过仿真研究， 验证了该算法的有效性。 第五章提出了一种具有公交优先的分布式路网交通流智能协调控制技术。通过安装 在每个交叉口的网络型智能信号控制机相互之间的信息交互，实现整个路网交通流的协 调控制以及公交车辆的优先通行。采用相位优先策略提高绿灯的利用效率，分别阐述了 核心模块的模糊决策方法。仿真结果表明了该算法的有效性和可行性。 第六章详细讨论了绍兴市中兴大道交通优化的实际方案。结合分析中兴大道不同路 段上的交通现状和道路条件，分别给出了具体的协调控制方案，仔细描述了系统结构和 控制方案，重点阐述了特殊交叉口的处理方案、具有公交优先的交叉i = i 渠化以及父子信 号灯的设霞。最后介绍了在中兴大道上分段实施协调控制技术带来的预期效果和评价标 准，以及方案实施后的实际运行效果。 第七章对全文进行了总结，并指出中小城市交通智能控制技术下一步的研究方向和 内容。 9 浙江人学颂上学位论文2 公变车辆检测和定位技术 2 公交车辆检测和定位技术 摘要：本章根据公交车辆对检测和定位的要求，采用信号标杆定位技术来设计公交车辆 定位系统。系统由车载可读写电子标签、定向型远距离读写器、路口信号控制器和控制 中心组成。详细描述了系统的工作过程，实现公交车辆的检测和定位，并且在实践中应 用，取得了不俗的成效该系统以较低廉的价格满足公交车辆的应用需要，为中小城市 实现公交优先提供了基础。 2 1 引言 车辆的检测和定位是交通控制系统中最重要的信息来源，只有在车辆实时准确定位 的前提下，才能有效管理车辆，才能改善交通情况。现今车辆检测技术中以环形线圈式、 微波式、超声波式，图像式及红外线检测器为主流1 2 9 3 0 1 。车辆定位技术主要有：无线电 定位技术、航位推算法，信号标杆定位技术和地图匹配法以及各种技术的组合定位法 1 3 1 - 3 3 。 在这些技术中，应用最为广泛的是美国全球卫星定位导航系统( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ，简记为g p s ) ，其具有全天候、定位迅速、精度高，可连续提供三维位置( 纬度， 经度和高度) ，三维速度和时间信息等一系列优点。但在s a ( s e l e c t i v e a v a i l a b i l i t y ) 政策的 实施下，民用g p s 的定位精度通常为1 0 0 m 左右，这不能满足公交车辆的定位要求【3 羽。 n b h o u n s e l l 等1 3 1 5 1 在s c o o t 系, 统中引g p s 实现公交定位时，还使用了关门传感器等 多种辅助设备，提高了实践应用中的成本，也增加了技术的复杂性。 公交车辆的检测和定位有其特殊性。在检测时必须实现公交车辆与其他车辆的区 分。在定位时公交车辆与公交站点相关的信息比其他信息更为重要，而且公交车辆的线 路相对确定，公交站点的分布间隔相对均匀。虽然g p s 技术发展得如火如茶，但其优势 在公交车辆定位系统中不能充分发挥，费用成本又高，并非中小城市的首选。 本章采用信号标杆定位技术来实现公交车辆的检测和定位。信号标杆定位技术的精 确度取决于信号标杆的设置密度，因此按照实际需求布置信号标杆即可。整个系统由车 载可读写电子标签、定向型远距离读写器、路口信号控制器和控制中心组成，以较低廉 的价格实现公交车辆的检测和定位，且能满足公交的应用需要。 2 2 系统结构 在基于信号标杆技术纳公交车辆定位系统中，公交车上装有可读写电子标签，为信 号发射装置：信号标杆上装有定向型远距离读写器，接受信号。根据定位精度要求，将 信号标杆分别安装在各个公交站点处、信号控制交叉口附近以及其他较长路段问的均匀 间隔处。 固2 1 公变车辆定位系统结构 直口圉二l ，公交车上的信号发射装置自动按固定时问间隔不断发送包含多种信患的 数据包当公麦车辆经过某一信号标杆时，该信号标杆接收公交车辆发出的数据包，简 单处理后发送给控制中心。控制中心不断接收多个信号标杆发束的此类数据包，进一步 处理和辨识，完成多辆公变车的识别和定位交_ 更口附近的信号标杆还可以将赴理后的 数据包发送给该交叉口的信号控朝器，便于对公交车辆进行优先信号控制 2 3 公交车辆的检测 公交车辆的检测在公交车上的信号发射装置与信号标杆之问的单向通信这个过程 中完成，同时也实现7 与其他车辆的区分。其中的通信技术可采用无线射频或红外射频 通信技术，因为这两种技术抗干扰性好，几乎不受环境约束 公变车辆向信号标杆发送的数据包应包含以下信息：车牌号、公交线路号发车起 点、行车时间行车速度、载客量等，数据格式如表2 1 所示车牌号罔来区别不同曲 公变车辆：公交线路号用束确定各公交车辆在其行驶线路上行驶经过的路段和变又o ； 发车起点用来区分该公变车在其行驶线路上的两个不同的行车方向；行车时问由车载计 浙江大学硕上学位论文2 公交午辆检测和定能技术 时器记录该车由起点发车后行驶的时间，通过与标准运行时间的比较，判断该车在行驶 过程中是否有晚点。车载速度传感器可以不断更新行车速度信息，车速信息发送到信号 控制器，可以用来判断该车的行车状况，估计总体的车流量；车速信息返回给控制中心 后，可以用于估计公交车的大概位置。载客量是由车载的乘客计数器在各个公交站点计 数后得到，可以据此来进一步确定车辆放行的优先级，乘客多的优先通行。 表2 1 数据包格式 公 车 发 的 据 交 辆 送 数 信号标r 杆添加 的数据l 名称字节数格式 起始位20 0 1 0 1 0 lo l l1 0 0 0 车牌号2o 奉事事幸宰奎宰0 书木 宰宰宰 公交线路号 20 宰事宰幸幸木毒0 拿事奉宰 簟掌 发车起点 2o