（控制科学与工程专业论文）城市路网交通流协调控制技术研究.pdf

浙江大学博上学位论文 摘要 摘要 城市路网交通流控制技术是近年来国内外控制领域和交通工程领域研究的热点之一 由于城市车辆的增长和路网密度的增加，交叉口之间的相关性逐渐增强，将城市路网中的 多个交叉口作为一个整体进行有效的信号协调控制，以提高整个控制区域内的交通通行效 率，已成为城市交通控制新的发展方向。随着自动控制技术、计算机技术、通讯技术和交 通工程技术的迅速发展，各种交通流模型和协调控制算法层出不穷，新的理论和技术不断 出现，有些已在实际交通工程中得到了成功的应用 本文讨论城市路网交通流协调控制技术。考虑到城市交通系统是一个具有严重非线 性、随机性、时变性和不确定性的复杂系统，利用一次指数平滑预测方法、神经网络预测 方法和模糊逻辑建立了短时交通流组合预测方法，并详细阐述了组合预测方法的结构和参 数调整机制。同时，利用神经网络、模糊逻辑、遗传算法和大系统理论，设计了一些城市 路网交通流智能控制算法，仿真分析和实际应用表明，这些算法具有较强的鲁棒性、自适 应性和自学习性，与传统的交通控制方法相比，能更有效的解决城市交通问题 本文的主要内容如下： 1 介绍了城市道路交通控制的起源和发展历史，详细的分析和阐述了国内外当前的 研究成果，指出了理论研究和实际应用中存在的困难和一些亟需解决的问题，同 时结合我国城市交通的具体特点和存在的问题提出了我国城市道路交通控制技术 今后的研究方向 2 提出了一种短时交通流智能组合预测方法该智能组合预测方法包括三个子模块： 历史平均模块，神经网络模块和模糊组合模块。历史平均模块具有良好的静态稳 定特性，神经网络模块对动态交通流量的预测具有较高的精度。为了充分利用上 述两个单项模块对不同交通状况的适应性，采用模糊逻辑来综合这两个单项模块 的输出，并把模糊组合模块的输出作为整个智能组合方法的最终交通流量预测值 3 设计了一种交通干线动态双向绿波带智能控制算法整个控制方案分为两层，协 调层根据一段时间内交通流数据计算公共周期时问、上下行相位差和绿信比，控 制层实时调整各交叉口的绿信比并实现对信号灯的控制周期依照关键路口饱和 度的大小由模糊控制算法进行优化，而相位差根据上下行速度进行计算，绿信比 i i i 浙江大学博卜学位论文 摘要 基于历史和实时的交通数据确定目标是使干线双向车流尽可能不停车的通过交 叉口，明显降低车辆停车率和平均延误时间。 4 对城市区域交通分布式协调控制进行研究，每个交叉口设置一个模糊信号控制器 控制器包括相位选择模块，绿灯观测模块和决策模块3 个模块。相邻交叉口问的 控制器相互协调，能够优化相位顺序和相位长并用遗传算法训练模糊逻辑，提 高了系统的鲁棒性。 5 在分布式交通控制结构以及模糊理论和神经网络的基础上，提出一种具有公交优 先的城市路网交通流协调控制算法。把整个路网作为一个大系统，路网中的各个 路口作为子系统，每个路口设置一个智能信号控制器，核心控制部分由3 个模糊 决策模块组成，并用神经网络来实现模糊关系，提高系统的鲁棒性。目标是通过 相邻路口控制器的信息交换和协调，实现整个路网交通流的协调和公交优先通行 6 详细讨论了绍兴市城区具有公交优先的路网交通流协调控制系统的实际方案。目 标是实现绍兴市区相关路口交通信号的协调和公交优先通行，从整体上提高通行 能力，减少车辆通行时间和路口停车率在分析绍兴市交通现状的基础上，给出 了具体的系统设计方案。方案中详细的提出了系统结构、控制方案和系统的软硬 件需求等并对绍兴市实施具有公交优先的路网交通流协调控制系统带来的预期 效果和评价标准进行了阐述 最后对本文工作进行了概括性总结，并对进一步的研究做了展望。 关键词：城市干线；城市区域；公交优先；短时交通流预测；模糊理论；神经网络；协调 控制；智能控制 i v 浙江大学博：上学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t c o n t r o lo fu r b a nt r a f f i cn e t w o r k si sap o p u l a rt o p i ci nc o n t r o ld o m a i na n dt r a f f i c e n g i n e e r i n gd o m a i na th o m ea n da b r o a di nt h e s ed e c a d e s w i t ht h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro f v e h i c l e sa n dt h ed e n s i t yo ft r a f f i cn e t w o r k s ，m u t u a li n f l u e n c eo ft r a f f i cf l o w sa m o n ga d j a c e n t i n t e r s e c t i o n si sg r a d u a l l ys t r o n g t oi n c r e a s ee f f i c i e n c yo fu r b a nt r a n s p o r t a t i o n ，n e wu r b a n t r a f f i cc o n t r o lt e c h n i q u er e g a r d st h ew h o l et r a f f i cn e t w o r k sa sal a r g es c a l es y s t e ma n d c o o r d i n a f i v e l yc o n t r o l se v e r yi n t e r s e c t i o na tt h es a m et i m e w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f a u t o m a t i cc o n t r o l ， 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 dt r a f f i ce n g i n e e r i n g t e c h n i q u e , m a n yt r a f f i cf l o wm e d a l sa n dc o o r d i n a t i o nc o n t r o lm e t h o d sh a v eb e e nf o u n d n e w t h e o r ya n dr e s e a r c ha c h i e v e m e n t sh a v eb e e np u b l i s h e di nr e c e n ty e a r s s o m ea p p l i c a t i o n si n e n g i n e e r i n gh a v es h o w n t h e i rt r e m e n d o u sp o w e r s 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 ec o o r d i n a t i o nc o n t r o lt e c h n i q u eo fu r b a n t r a f f i cn e t w o r k s w em a k eu s eo fi n t e l l i g e n th y b r i df o r e c a s t i n gm e t h o dt of o r e c a s tu r b a n s h o r t - t e r mt r a f f i cf l o ww h i c hi sh e a v i l yn o n l i n e a r , s t o c h a s t i c ，t i m e - v a r i a n ta n du n c e r t a i n m o r e o v e rw ed e s c r i b et h es t r u c t u r eo fi n t e l l i g e n th y b r i df o r e c a s t i n gm e t h o d w ea l s od e s i g n s o m ea d v a n c e di n t e l l i g e n tt r a f f i cc o n t r o la l g o r i t h m sb yu s eo fn e u r a ln e t w o r k , f u z z yl o g i c ， g e n e t i ca l g o r i t h ma n dl a r g es c a l es y s t e mt h e o r y 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 nr e s u l t s s h o wt h a tt h e s ea l g o r i t h m sa r em o r er o b u s t ，s e l f - a d a p t i v ea n ds e l f - l e a r n i n g , a n dc a ns o l v eu r b a n t r a f f i cp r o b l e m sm o r ee f f e c t i v e l yt h a nc o n v e n t i o n a lt r a f f i cc o n t r o lm e t h o d s t h em a i nw o r ka n dc o n t r i b u t i o n so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 w em a k ea no v e r v i e wo nt h eg e n e r a t i o n , d e v e l o p m e n ta n dl a s ta c h i e v e m e n t so fu r b a n t r a f f i cc o n t r o lt e c h n i q u ea th o m ea n da b r o a di nd e t a i l ，a n dm a k ead i s c u s s i o no n d i f f i c u l t i e sa n dp r o b l e m si nt h e o r ya n a l y s i sa n da c t u a la p p l i c a t i o n c o m b i n e dw i t h s p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c so fu r b a nt r a f f i ci no u rc o u n t r y , w ep r e s e n tt h ef u t u r er e s e a r c h d i r e c t i o no nu r b a nt r a f f i cc o n t r o lt e c h n i q u e 2 i no r d e rt ot r a n s c e n dt h el i m i t a t i o no fe x i s t i n gs i n g l ef o r e c a s t i n gt e c h n i q u eo nd i f f e r e n t t r a f f i cc o n d i t i o n , an o v e li n t e l l i g e n th y b r i d ( m ) m e t h o df o rs h o r t t e r mt r a f f i cf l o w v 浙江大学博上学位论文 a b s t r a c t v i f o r e c a s t i n gi sp r e s e n t e d t h ei hm e t h o dh a s3s u b m o d u l e s ：h i s t o r ym e a n ( h m ) m o d u l e , a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) m o d u l ea n df u z z yc o m b i n a t i o n ( f c ) m o d u l e t h eh m m e t h o dh a sg o o ds t a t i cs t a b i l i z a t i o nc h a r a c t e r t h ea n nm e t h o dc a ne s t i m a t et h e d y n a m i ct r a f f i cf l o wi nav e r yp r e c i s ea n ds a t i s f a c t o r ys e n s e i no r d e rt ot a k ea d v a n t a g e o ft h eu s e f u li n f o r m a t i o no ft h eh mm o d u l ea n dt h ea n nm o d u l et oi m p r o v et h e f o r e c a s t i n ge f f e c t 如n h 盯t h et w oi n d i v i d u a lm o d u l e sr e f l e c t i n gp r a c t i c a lp r o b l e m sf r o m d i f f e r e n tr e s p e c t sa r ec o m b i n e db yf u z z yl o g i c t h ef cm o d u l em i x e st h et w o i n d i v i d u a lf o r e c a s tr e s u l t sa n di t so u t p u ti sr e g a r d e da st h ef i n a lf o r e c a s t i n go ft h e t r a f f i cf l o w 3 ad y n a m i ct w o - d i r e c t i o ng r e e nw a v ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g yi sp r e s e n t e d t h e w h o l ec o n t r o ls t r u c t u r ei sd i v i d e di n t ot h ec o o r d i n a t i o nl a y e ra n dt h ec o n t r o ll a y e r p u b l i cc y c l et i m e ，u p - r u no f f s e t ，d o w n - r u no f f s e ta n ds p l i t so nt h ea r t e r i a la r ec a l c u l a t e d i nt h ec o o r d i n a t i o nl a y e r , a n dt h es p l i t so fe a c hi n t e r s e c t i o no nt h ea r t e r i a la r ea d j u s t e d i nt h ec o n t r o ll a y e ra tt h ee n do fe a c hc y c l e p u b l i cc y c l et i m ei sa d j u s t e db yf u z z yl o g i c a c c o r d i n gt ot h es a t u r a t i o nd e g r e eo fk e yi n t e r s e c t i o no nt h ea r t e r i a l t h eo f f s e t sa r e c a l c u l a t e db ya v e r a g es p e e d s t h ev a r i a b l es p l i t so f e a c hi n t e r s e c t i o na r ea d j u s t e db a s e d o nh i s t o r i c a la n dr e a l t i m et r a f f i ci n f o r m a t i o n t h et a r g e ti st od e c r e a s ev e h i c l ea v e r a g e d e l a yt i m ea n dm a k ev e h i c l es t o pa sl i t t l ea sp o s s i b l e 4 a n i 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 lm e t h o do f u r b a nr e g i o nt r a f f i ci sp r e s e n t e d af u z z y s i g n a lc o n t r o l l e r , i n c l u d i n gp h a s ec h o o s i n gm o d u l e , g r e e no b s e r v a t i o nm o d u l ea n d d e c i s i o nm o d u l e ，i si n s t a l l e da te a c hi n t e r s e c t i o n f u z z ys i g n a lc o n t r o l l e r sc o o p e r a t i n g w i t he a c ho t h e rc a no p t i m i z ep h a s es e q u e n c ea n dp h a s el e n g t h i no r d e rt om a k et h e s y s t e mr o b u s t ，t h ef u z z yr u l e sa r eo p t i m i z e db yg e n e t i ca l g o r i t h m 5 o nt h eb a s i so fd i s t r i b u t e dr o a dt r a f f i cc o n t r o lf r a m e w o r k , f u z z yt h e o r ya n da r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k st e c h n i q u e ，a ni 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 i q u eo ft r a f f i c n e t w o r k sw i t hb u sp r i o r i t yi sp r o p o s e d t h ew h o l et r a f f i cn e t w o r ki sr e g a r d e da sal a r g e s c a l es y s t e ma n dt h es u b s y s t e m sa r et h ei n t e r s e c t i o n s m u l t i - p h a s e si n t e l l i g e n ts i g n a l c o n t r o l l e rt h a tc o n t r o l si t so w nt r a f f i ca n dc o o p e r a t e sw i t l li t sn e i g h b o r si si n s t a l l e da t e a c hi n t e r s e c t i o n t h eh a r dc o r eo fs i g n a lc o n t r o l l e ri sc o m p o s e db y3f u z z ym o d u l e s i no r d e rt oi m p r o v ec o n t r o ls y s t e m sr o b u s t i c i t y , t h ef u z z yr e l a t i o no fe a c hm o d u l ei s 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t i m p l e m e n t e db yan e u r a ln e t w o r kr e s p e c t i v e l y t h et a r g e to ft h i sp r o p o s e dm e t h o di s t h a tt h r o u g he x c h a n g i n gi n f o r m a t i o nf r o mi t so w nt r a f f i cd e t e c t o r sa n di t sn e i 曲b o r s a n dc o o p e r a t i n ga m o n ga d j a c e n ts i g n a lc o n t r o l l e r , s o c i a lv e h i c l ec o o r d i n a t i o na n db u s p r i o r i t yi nw h o l et r a f f i cn e t w o r ka r er e a l i z e d 6 w ed e s i g ni 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 ls y s t e mo ft r a f f i cn e t w o r kw i t hb u sp r i o r i t yi n s h a o x i n gc i t y t h et a r g e ti sr e a l i z i n gs o c i a lv e h i c l ec o o r d i n a t i o na n db u sp r i o r i t yi n t r a f f i cn e t w o r ko fs h a o x i n g ，i n c r e a s i n gt r a f f i cc a p a b i l i t y , d e c r e a s i n gv e h i c l et r a v e lt i m e a n dd e l a yt i m e o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h et r a f f i cs i t u a t i o no fs h a o x i n g , w ep r e s e n t t h ec o n c r e t ed e s i g np l a n , w h i c hd e s c r i b e ss y s t e ms t r u c t u r e ，c o n t r o lp l a n , s o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e s i g ni nd e t a i l m o r e o v e r , w ei n t r o d u c et h ef u n c t i o n so ft h er e l a t e dm o d u l e s f i n a l l y , e x p e c t e de f f e c t sa n de v a l u a t i o nc r i t e r i o no fi 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 l s y s t e mo ft r a f f i cn e t w o r k 、7 l ，i mb u sp r i o r i t yi ns h a o x i n gc i t yi sd i s c u s s e d f i n a l l y , w em a k eac o n c l u s i o no nc u r r e n tw o r ka n dp r o p o s et h ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s k e y w o r d ：u r b a na r t e r i a l ；u r b a nr e g i o n ；b u sp r i o r i t y ；s h o r t t e r mt r a f f i cf l o wf o r e c a s t i n g f u z z yt h e o r y ；n e u r a ln e t w o r k ；c o o r d i n a t i o nc o n t r o l ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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。 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鲎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已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：九砰圭 签字日期： 1 。7 年7 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权澎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和传播，可以采用髭弘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) 学位论文作者签名： 祥冬 导师签名： 签字日期： a ( 7 年7 月f r 日 签字日期： 浙江人学博士学位论文 致谢 致谢 时间便这样溜走，弹指间，五年的直博生活竟要过去回首这六十个月的求学生活， 有太多的喜悦欢乐，也有颇多的心酸挫折有幸得到导师的关心、家人的支持和朋友的鼓 励，使我有勇气克服这些困难，最终完成这篇博士论文 首先要对我的导师孙优贤院士表示深深的敬意并致以真挚的感谢。在科研上，孙老师 对学生的指导过程“宽严结合”，一方面导师营造相对宽松的研究氛围，培养学生独立的 科研能力和实践精神；同时导师对学生悉心指导，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导师提供舒适的科研条件和在生活、工作方面给予学生 的热情关怀导师的谆谆教导学生将铭记在心，导师勤恳的工作态度、平易近人的师者风 范、宽广的胸怀和幽默豁达的性情也将激励学生并使学生终生受益。 衷心感谢林庆女士在学 - - j 、工作和生活方面对我无微不至的关怀和帮助 感谢沈国江副研究员对我的指导和关心沈老师把我带入了智能交通这个研究领域， 并在我读博的五年期间给予我很多科研和生活方面的帮助。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，使得本文能够顺利完成感谢课题组同学与我的讨 论和对我的帮助，他们是：高雨、柴磊、金稳、李伟、徐颖燕、谢宜生。 特别感谢公共管理学院姚先国教授、米红教授和控制科学与工程系的宋执环教授对我 的无私的关怀和帮助，你们对我的指导使我受益匪浅感谢大连理工大学赵胜j l i 教授的指 导和帮助 在本论文形成过程中，得到了工业控制研究所很多老师的帮助，在此深表感谢，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、章辉副研究员、陈积明副 研究员、王建新老师。 真诚感谢已经毕业的师兄师姐对我的帮助，他们是：杨旭华副教授、张端副教授、夏 锋副教授、黎善斌博士、刘丽萍博士、王庆东博士、王晓东博士、张建辉博士、申兴发博 士、包哲静博士，罗艳斌博士、董辉博士、童长飞博士、卢燕俊硕士、陈岩硕士、余涛硕 士、余佩菲硕士等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、钱伟、许煜、何道远、石焕、王志波、台鑫、甘良志、吴燕玲、戴晓华、尹 红霞、李燕君、王成群、商秀芹、张雷、李鸿斌、骆吉安、陈鸿龙、曹向辉、范家璐、孙 旦，张索、王丽娟、付金宝等 i 浙江大学博士学位论文致谢 感谢在杭州陪伴我5 年博士生活的同窗好友：王磊、谷雨、章建栋、陆飞华、葛志强、 崔成刚、陈良，大家互相帮助、互相鼓励，一起度过直博的时光。 最后，要感谢我的父母、岳父母、姐姐、姐夫以及王鲁娜小姐正是他们一直以来的 理解、支持和帮助，使我能够全身心地投入到学习和工作中 谨以此文献给所有关心和帮助过我的亲人和朋友! 孔祥杰 2 0 0 9 年9 月于求是园 浙江大学博士学位论文i 绪论 1 绪论 摘要：本章首先介绍了城市道路交通控制的发展历史，并从不同角度对城市道路交通信号 控制方法进行了分类。接着对国内外应用最广泛的几种城市交通信号控制系统进行了详尽 的分析和阐述。同时详细介绍了智能控制的发展概况、功能特点以及人工智能技术在城市 交通信号控制中的应用。然后阐述分析了公交优先的发展概况和控制策略。最后结合我国 城市交通的具体特点、存在的问题、研究方向和发展对策概述了论文的立题依据、主要内 容和主要贡献。 1 1 城市道路交通控制技术 城市道路交通控制技术是与汽车工业并行发展的其最初的目的是为了保障交通安 全，随着时代的发展，交通中的各种矛盾不断出现，人们对交通的要求越来越高，促使研 究人员把最新的科技成果应用到城市交通控制系统中来，从而促进了城市交通控制技术的 发展。 广义的交通控制包括交通诱导和交通信号控制交通诱导系统根据车辆所在的位置和 行驶目的地等信息，得出优化的行驶路径，通过广播或可变信息标志等方式提示驾驶员 交通诱导是一种提示性的对交通流施加影响的控制方式，而不是强制性的控制方式交通 信号控制根据适当的控制方案，通过信号灯来控制交通流根据控制的地方不同，可以分 为城市交通控制和高速公路交通控制。本文主要讨论城市道路交通信号控制。 1 1 1 城市道路交通控制技术的发展历史 城市道路交通控制技术的起源是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灯， 用来控制交叉口马车的通行【1 翻但由于意外的煤气爆炸事故，致使交通信号灯销声匿迹 了近半个世纪直到1 9 1 8 年初，纽约街头才出现了一种人工操纵的红黄绿三色信号灯， 这种信号灯采用电力驱动，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，标志着城市交通自动 控制的起点这种信号机通过机电设备以“固定配时力控制交通信号灯的周期变化，在早 l 浙江大学博上学位论文l 绪论 期交通流量不大的情况下起到一定的作用。 随着城市车辆保有量的迅速增长，城市交通情况日趋复杂，采用单一模式的“固定配 时”信号控制机已不能满足客观要求1 9 2 8 年，美国研制出世界上第一台感应式交通信 号控制机，这种信号控制机能够适应交通需求的变化，动态调整信号时间 由于交通流具有连续运动的特点，当两个相邻交叉1 2 距离很近时，孤立的单交叉1 2 的 控制方式难免造成频繁停车，控制效果不佳。为解决这个问题，必须把相邻的交叉1 2 作为 一个系统，统一的进行控制。早在1 9 1 7 年，美国盐湖城就开始使用联动式信号系统，把 6 个交叉口作为一个系统，以手控协调方式进行集中控制1 9 2 2 年，美国休斯顿建立了一 个同步系统，以一个交通亭为中心控制1 2 个相邻的交叉口，该系统使用电子自动计数器 进行协调。1 9 2 8 年，上述系统经过改进，发展成“灵活步进式”定时系统；由于它简单 可靠而且成本较低，很快在美国各城市推广普及这种系统只能对同一条道路上的相邻路 口进行协调，属于单条干道的线控【3 1 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，这是城市道路交通控制技术发展的里程碑。该系统采用的控制方法与以往不同，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在此以后，世界各 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睁7 1 1 1 2 交通信号控制的分类 交通信号控制通过下面4 种控制参数影响交通流状态： 1 ) 周期：指挥交通的信号总是循环变化的，一个循环中所有的信号组合就称为信号周 期。较长的周期时间能增加交叉口的通行能力，因为此时由于相位切换损失的时间相对较 少但对于不饱和的交叉口而言，较长的周期时问会增加车辆延误时间，因为此时红灯相 位中的车辆需要相对更长的等待时间 2 ) 相位：一个周期内，某一支或几支交通流获得的通行权称为信号相位对于复杂的 交叉口，存在多个方向的交通流，一致的交通流可以放在同一相位中，冲突的交通流放在 不同的相位中。相位划分和相序设计非常关键，对交叉口的通行能力有重要影响。 3 ) 绿信比：一个信号周期中，各相位的有效绿灯时i - 1 与周期的比称为绿信比绿信比 代表相位的绿灯持续时间，根据对应交通流的实际需求进行计算 4 ) 相位差：相位差是交通干线协调控制的一个重要概念。相邻交叉1 2 间某一特定相位 2 浙江大学博： ：学位论文l 绪论 的开启时间差称为相位差，相位差的应用能够有效减少在干线上行驶的车辆的延误时间和 停车次数。 城市道路交通信号控制从不同的角度可以划分为不同的基本类型【趴 1 1 2 1 按控制区域范围划分 按照控制范围不同，可以分为： 1 ) 单交叉口的控制( “点控”) 当某交叉口与区域内其它交叉口相距较远时，可以用一台信号机控制其信号变化，它 与相邻的交叉口之问的信号配时没有固定关系单点控制的主要控制参数是周期和绿信 比。必须考虑的因素是车辆延误和交叉口的通行能力，控制目的是车辆总延误时间最小并 使交叉口的车辆通行能力得到最大的利用。 2 ) 交通干线的协调控制( “线控”) 城市中的交通干线往往承担很重的交通负荷。保证干线的交通畅通，对改善一个地区 甚至整个城市的交通状况都有很大的作用为了使干线上行驶的车辆能不遇或少遇红灯， 保持车队连续通行，必须使相邻的交叉口的信号变化遵循一定的规律，即绿灯起始时间保 持某个恒定的相位差为了使相位差在每个信号周期都保持相同，干线上的各个交叉口必 须使用相同的公共信号周期。 3 ) 区域协调控制( “面控”) 区域协调控制方式是把一个区域内的多个交叉口看作一个整体进行信号协调控制。根 据需求不同，系统的控制目标有所不同，可以用区域内车辆的总延误、停车率、平均排队 长度或总的油耗作为系统的目标函数区域协调控制是从干线协调控制的基础上发展起来 的，同干线协调控制一样，区域协调控制的三个控制参数也是周期、绿信比和相位差 1 i 2 2 按控制原理划分 按控制原理不同可划分为： 1 ) 定时控制 定时控制是按照事先设定的配时方案运行的控制方式，其配时的依据是历史交通流数 据。定时控制又分为单时段定时控制和多时段定时控制。单时段定时控制一天只用一个配 时方案多时段定时控制找出一天里不同时段交通流的变化规律，用人工方法或计算机仿 真预先准备好一天中不同时段内使用的配时方案，将这些方案存储在信号控制机或中心计 算机中在实行控制时可以用不同的方式调用这些配时方案可以根据日历钟在规定的时 间表选择对应的控制方案，也可以按车辆检测器测量的实时交通数据选用合适的方案 3 浙江大学博一l ：学位论文 l 绪论 2 ) 感应控制 在交叉口的进口道上安装车辆检测器，信号机根据车辆检测器测得的交通流数据实时 调整相应的相位顺序和相位长度，以适应交通的实时变化，这种控制方式与定时控制相比 具有更大的灵活性感应控制适用于饱和度较低或各相位交通流相差较大的交叉口的控 制，尤其是交通流没有明显的变化规律，随机性较强的情况下，效果特别明显。感应控制 源于孤立交叉口的车辆感应控制，后经发展，交通干线和路网也采用了感应控制方式。 当交叉口各方向车流量接近饱和流量时，绿灯时间经过调整必然接近各方向允许的最 大绿灯时间，此时控制方式接近于定时控制。可见，感应控制方式与定时控制方式一样， 其应用有条件限制，要认真分析其可行性和预期的效果。 3 ) 自适应控制 自适应控制方式把交通系统看作一个不确定性系统，实时收集车辆检测器检测的交通 流数据，了解和掌握交通状态，如车流量、停车次数、排队长度和延误时间等，根据交通 流的动态随机变化而自动的调整信号控制参数，使控制效果保持最优或次最优。 1 1 3 城市交通信号控制系统 自1 9 6 3 年世界上第一套由计算机实现的城市区域交通信号控制系统在加拿大的多伦 多市问世以来，一大批交通信号控制系统在世界各地涌现出来。按照运行方式不同可以把 城市交通信号控制系统分为2 类：定时式离线控制系统和感应式在线控制系统【9 】 定时式离线控制系统指利用交通流统计数据进行离线优化处理，得出最优信号配时方 案，存入信号机或控制计算机内，对整个区域交通实施控制定时式离线控制系统简单可 靠，但不能及时响应交通流的随机交化，当交通量数据过时后，控制效果明显下降。 感应式在线控制系统指通过路网上的车辆检测器，实时采集交通数据，进行交通模型 辨识，在线求解与配时参数有关的优化问题，从而获得最优配时方案，然后对区域内的交 通信号实施控制。感应式在线控制系统能够及时响应交通流的随机变化，控制效果好。 定时式离线控制系统主要有m a x b a n d 1 0 - 1 3 和t r a n s y t t 体1 刀等，感应式在线控制 系统主要有英国的s c o o t 1 3 - 2 0 、澳大利亚的s c a t s 2 1 。2 3 1 、意大利的u t o p i a 、美国的 r h o d e s 2 4 1 、美国的o p a c 2 s , 2 6 1 和法国的p r o d y n 2 7 】等 本节主要介绍定时式离线操作系统的典型代表t r a n s y t ，以及应用广泛的感应式在 线操作系统s c o o t 和s c a t s ，最后介绍我国城市交通信号控制系统的发展状况。 4 浙江大学博士学位论文 1 绪论 1 1 3 1t r a n s y t 系统 图1 - 1t r a n s y t 系统基本原理图 t r a n s y t ( t r a f f i c n e t w o r k s t u d y l b 0 1 ) 即“交通网络研究工具”，是世界上流传最广、 应用最普遍的一种离线优化交通网络信号配时的算法，采用t r a n s y t 算法确定信号配时 方案的系统称为t r a n s y t 系统。t r a n s y t 的最初版本由英国交通与道路研究所( t r r l ) 的交通控制专家r o b e r t s o n 于1 9 6 6 年提出【1 4 】的，其基本原理如图1 1 所示 系统主要由两部分组成： 1 ) 交通模型 建立交通模型的目的是用数学方法模拟交通流在路网上的运动状况，研究路网配时参 数的改变对交通流运动的影响，以便客观的评价路网配时方案的有效性因此，交通模型 应当能够对不同路网配时方案控制下的交通流运行状况，即延误时间、停车率等指标做出 可靠的估算。 t r a n s y t 将复杂的路网简化成适于数学计算、由节点与连线组成的路网结构简图。 在路网结构简图中每一个节点代表一个信号控制交叉口，每一条连线代表一条驶向下游交 叉口交通流连线不同于车道；一条连线可以表示一条或几条车道上的交通流，而一个进 口道上几条车道可以用一条或几条连线表示 2 ) 优化过程 t r a n s y t 采用“爬山法一对信号配时方案进行逐步优化，其基本思想为：在初始方 案的基础上，以适当的步距向正、负两个方向进行试探性调整，将调整后方案与初始方案 相比较，通过反复试探确定最优方案 浙江大学博十学位论文i 绪论 评价区域信号配时方案优劣的性能指标p i ，可以取为区域内的车辆总延误时间与总停 车次数的加权和，计算公式如下： p i = ( q 岛+ t 传) ，( 1 - 1 ) i = 1 式中，t 表示第i 条连线的总延误时间，缎表示第i 条连线延误时间的加权系数，吩表示 第i 条连线停车次数的总和，k 表示第i 条连线停车次数的加权系数。 t r a n s y t 系统具有投资小、易于实现、稳定性高等优点，因而被世界上许多城市采 用实践证明，t r a n s y t 系统为改善城市交通拥堵问题带来显著的社会经济效益但 t r a n s y t 系统也存在不足：1 ) 计算量大，当路网规模较大时，这一问题尤其突出；2 ) 非 综合最优，t r a n s y t 的优化问题本质上是一个非凸的数学规划问题，理论上还不能保证 找出全局最优解；3 ) t r a n s y t 系统需要大量的路网几何尺寸信息和交通流信息，这些数 据的采集要花费大量的人力和物力，而且常常因为城市建设的发展，交通数据过时，降低 t r a n s y t 系统的使用效果。 1 i 3 2s c o o t 系统 图1 - 2s c o o t 系统原理图 s c o o