（交通运输规划与管理专业论文）基于模糊逻辑的平面交叉口信号控制策略研究.pdf

摘要随着社会经济的不断发展与城市化进程的加快，城市人口和机动车辆日益增加，城市道路交通的拥挤与阻塞己经成为世界大中城市普遍存在的现象，由此带来的交通拥堵、交通事故、能源浪费以及成倍增加的汽车废气排放造成的环境污染等问题，不仅严重地制约着城市和社会经济的可持续发展，同时也严重地影响着城市居民的生活质量。因此，在现有的道路条件下，提高交通控制和管理水平，合理使用现有交通设施，充分发挥其作用，是解决交通问题的有效方法之一。在城市交通控制中，由于交通流系统的时变性、随机性和不确定性，使得传统的基于模型的控制理论与方法难以取得良好的控制效果。因此，为了提高城市道路交通的效率，促进经济的稳定发展，智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，简称i t s )的研究就显得尤为重要。本文根据交通系统复杂性、随机性和难以用精确的数学模型来描述的特点，采用了模糊控制技术，不需要建立精确的数学模型，提出了单路口实时模糊控制方法。首先，通过分析传统交叉口模糊控制方法存在的问题，提出一种基于交通需求强度的单点信号交叉口交通实时模糊控制方法，设计了模糊控制器，并用m a t l a b软件对其进行仿真，仿真结果表明控制效果良好；其次，通过对公交优先及其意义的阐述，说明了实施公交信号优先系统对解决我国城市交通问题的重要性，接着将模糊控制理论应用到公交优先信号控制模型中，提出了一种考虑公交优先的交通信号模糊控制方法。关键词：平面交叉口、模糊控制、m a t l a b 、公交优先a b s t r a c ta l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m ya n du r b a n i z a t i o n ，t h eu r b a np o p u l a t i o na n dv e h i c l e si n c r e a s er a p i d l y t r a f f i cc o n g e s t i o na n dt r a f f i cj a mh a v eb e e nt h ep r e v a l e n tp r o b l e m sf o rm e t r o p o l i sa l lo v e rt h ew o r l d t r a f f i ca c c i d e n t ，e n e r g yw a s t i n g ，a i rp o l l u t i o nc a u s e db ye x h a u s tg a sa n do t h e rp r o b l e m sr e s u l t e df r o mt r a f f i cc o n g e s t i o na n dt r a f f i cja mn o to n l ys e r i o u s l yr e s t r i c tt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y b u ta l s os e v e r e l yi n f l u e n c et h eu r b a nl i v i n ge n v i r o n m e n t t h e r e f o r e ，u n d e rt h ee x i s t i n gr o a dc o n d i t i o n ，i ti so n eo ft h ee f f e c t i v ew a y st os o l v et r a f f i cp r o b l e mb yi m p r o v i n gt r a f f i cc o n t r o la n dm a n a g e m e n tl e v e l ，a n dr a t i o n a l l yu s i n ge x i s t i n gt r a f f i ce s t a b l i s h m e n ta n da d e q u a t e l ye x e r t i n gi t sf u n c t i o n t h et r a d i t i o n a lm o d e l - b a s e dc o n t r o lt h e o r ya n dm e t h o da r ed i f f i c u l tt oa c h i e v eg o o de f f e c ti nu r b a nt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m ，b e c a u s eo ft i m e - v a r y i n g ，s t o c h a s t i ca n du n c e r t a i nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a f f i cf l o w s ot h er e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi sb e c o m i n gv e r yi m p o r t a n ti no r d e rt oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo ft r a f f i ca n de n s u r et h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ys t a b l y a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p l e x i t y , r a n d o m i c i t ya n dd i f f i c u l t yd e s c r i p t i o nb ye x a c tm a t h e m a t i cm o d e lo ft h et r a f f i cs y s t e m ，t h i sp a p e rp r e s e n t e da n da d v a n c e dt h et r a f f i cr e a l - t i m ef u z z yc o n t r o lm e t h o di ni s o l a t e di n t e r s e c t i o nw h i c hd i dn o tn e e dt oe s t a b l i s h e de x a c tm a t h e m a t i cm o d e l f i r s t l y , t h ep a p e rp r e s e n t e dak i n do ft r a f f i cr e a l - t i m ef u z z yc o n t r o lm e t h o db a s e do nt h et r a f f i cd e m a n di n t e n s i t i e si ni s o l a t e di n t e r s e c t i o nb ya n a l y z i n gt h eq u e s t i o ne x i s t e n t e di nt r a d i t i o n a lf u z z yc o n t r o l l e r , d e s i g naf u z z yc o n t r o l l e ra n du s e dt h em a t l a bs o f t w a r et os i m u l a t et h es y s t e m t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ec o n t r o l l e rn a nw e l l 。s e c o n d l y ，t h ep a p e re x p l a i n e dh o wi m p o r t a n to fa c t u a l i z i n gb u ss i g n a lp r i o r i t ys y s t e mt os o l v et r a f f i cp r o b l e mi no u rc o u n t r yb ye x p a t i a t i n gb u sp r i o r i t ya n di t ss i g n i f i c a n c e ，t h e na p p l i e dt h ef u z z yc o n t r o lt h e o r yi n t ob u sp r i o r i tc o n t r o lm o d e l ，a n da d v a n c e dal 【i n do ff u z z yc o n t r o lm o d e lf o rt r a f f i cs i g n a lw h i c hc o n s i d e r e dt h eb u sp r i o r i t k e yw o r d s ：i n t e r s e c t i o n ；f u z z yc o n t r o l ；m a t l a b ；b u sp r i o r i ti i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，均己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己经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：彳告琳加g 年乡月2 厶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)论文作者签名：季童形陈跚8 年夕月2 么目钠戳：弓阿娜阴长安大学硕十学位论文第一章绪论交通问题一直是当今社会人们普遍关注的重要问题，交通问题所带来的严重危害日益影响到人们的同常生活与社会经济发展，尤其在大城市，城市化的迅速推进及大城市人口的急剧膨胀，以及城市基础设施建设滞后和城市管理中存在的诸多问题进一步加剧了业已存在的大城市交通问题。大城市交通问题之所以如此严重，归根结底在于迅速增长的交通需求与有限的交通供给之间的矛盾，显而易见，增加供给是解决大城市交通问题的一个重要手段。但是，摆在我们面前的事实是：交通供给的增长似乎永远赶不上交通需求的增长。进入二十一世纪以来，我国小汽车的拥有量迅速增加，许多学者或管理人员都曾经或者正在探讨是鼓励还是限制小汽车的发展，虽然目前尚未定论，但是由于政策上的支持，产业经济发展的需要，以及人们对更加方便、舒适生活的追求等原因，机动化的趋势已不可避免，交通供需矛盾的长期性和城市空间、建设资金的有限性决定了不能通过增加交通基础设施供给来解决这一问题。因此，在现有的道路条件下，提高交通控制和管理水平，合理使用现有交通设施，充分发挥其能力，是解决交通问题的有效方法之一。1 1 单点信号控制研究的意义根据“木桶原理”，某一事物性能的好坏不是取决于最优的条件，而是取决于最差的条件。路网通行能力也是如此，在正常的道路交通条件下，交叉口通行能力最小，车辆在城市道路中的延误也主要发生在交叉口处，因此交叉口成为城市交通的“瓶颈”。平面交又口形式简单，交通组织方便，使用范围广泛，是城市路网中最基本的交叉口形式。由于机动车、非机动车和行人都处在同一个平面内，与一般路段相比，平面交叉口的交通行为更为复杂，更易遭受到交通环境、人流、车流的影响，尤其在大交通量情况下，会造成长时间延误，甚至堵塞，安全性能也会下降，同时由于汽车在交叉口附近频繁地启动、停车，会加大废气的排放量，加剧空气污染。如日本大城市中的机动车在市中心的行驶时间约有1 3 花在平面交叉口；同时，交叉口也是交通事故的发生源，美国交通事故约有一半以上发生在交叉v i 及其周卧1 1 。据统计，我国2 0 0 6 年由于交通拥挤造成的经济损失达3 5 0 0 亿，而据世界银行估计，因空气污染导致的医疗成本增加以及工人生病丧失生产力使得中国g d p 被抵消掉5 r 4 9 1 。因此平面交叉口的交通治理在城第一章绪论市交通管理中显得越来越重要。充分利用交叉口的时空资源，按照现实的交通流给予相应的最适宜的交通控制，最大程度提高交叉口的通行能力，不仅能提高车辆通过交叉口的速度，减少延误，节约人们的出行时间，还能避免因交叉口发生堵塞而引起交叉口临近路段及更远路段的交通不畅，同时避免不必要的经济损失。到目前为止，我国的信号控制系统还是以单点控制为主，主线信号控制、区域信号控制较少。据2 0 0 0 年全国城市交通管理“畅通工程”专家组调查，仅有不足1 的信号交叉口进入主线信号控制或区域信号控制，9 9 以上的均是单点控制，并且，随着交通量的增加，单点控制信号交叉口的数量还在不断增加【2 】。可见，要提高我国城市道路交叉口的通行能力，首要任务是提高单点控制信号交叉口的通行能力，把单点信号控制作为提高通行能力的有效措施。此外，城市区域控制中还存在以下两个问题：( 1 ) 在现代城市交通中，存在一些交叉口，它们与相邻的交叉口距离比较远，该路口的信号调整不会影响相邻路口的交通流，而相邻路口的交通信号的改变也不会影响该路口的交通状况。我们称这样的路口为孤立交叉口，如果对这些路口采用区域协调控制，可能不会达到很好的控制效果。国外实践表明：对于相距l k m 以上且需求较大的交叉口，在减少车辆平均延误方面，采用单点控制的效果要明显优于区域控制【5 7 】。( 2 ) 对交通流变化比较大的交叉口，其区域控制效果就不如单点控制方式效果理想。一个主要原因是处于同一控制区域的所有路口都必须同周期，系统会对主道车流进行协调控制，另外一个原因是现有的s c o o t ( s p l i t ，c 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 ，即“绿信比、信号周期及绿灯起步时距优化技术”) 区域控制系统不能进行相序的变化。这样就不可避免地会出现一个方向绿灯时间无车或行人通过，而另一个方向车辆和行人却遇红灯等待的现象。由上述可知，如何使交通流能够顺利畅通地通过交叉口是城市信号控制系统的关键，同时，做好单个交叉口的控制又是进行线控和面控的基础。因此，单交叉口的研究既是很必要的，也是很重要的。1 2 国内外交通控制系统研究现状1 2 1 国外研究现状在1 9 世纪，人们就开始研究交通信号控制系统，用信号灯指挥道路上的车辆交通，2长安大学硕l 学位论文控制车辆进入交叉路口的顺序。1 8 6 8 年，在英国伦敦w e s t m i n s t e r 的街口出现了最早的交通信号灯，不同于现在的三色灯，它只有红、绿两种颜色。1 9 1 8 年，在纽约街头出现了手动操作的三色信号灯。1 9 2 6 年，英国人在w o l v e rh a m p t o n 安装了第一座自动交通信号机。到2 0 世纪6 0 年代，世界各国开始研究控制范围较大的信号联动协调控制系统，建立模拟各交叉口交通流状况的数学模型，以解决信号配时的优化问题。此后，世界各国先后研制出了很多信号控制系统。在这些信号控制系统中，比较典型的是英国交通与道路研究所( t i u 也) 于1 9 6 6 年开始研究开发的t r a n s y t 系统、s c o o t 系统和澳大利亚的s c a t s 系统，日本的京三系统以及美国等国家开发的一些系统，其中以英国的s c o o t 系统和澳大利亚的s c a t s 系统较为著名。但是由于这些系统多为交通信号控制专用系统，所以开放性较差，难于同其它系统进行连接和协调控制，具有一定的局限性。为了对交通控制系统有一个大概的了解，下面将对当前世界各国广泛使用的最具代表性的三种典型的交通控制系统进行简单的介绍1 4 】：( 1 ) 定时脱机区域交通信号控制系统t r a n s y tt r a n s y t 系统是英国交通与道路研究所( t r r l ) 于1 9 6 6 年提出的离线优化交通网络信号配时的一套软件。自问世以来，t r a n s y t 系统不断改进，到1 9 8 0 年己经修改过8 次。t r a n s y t 是一种脱机操作的定时控制系统，系统主要由仿真模型和优化计算两部分组成。t r a n s y t 将车辆延误时间和停车次数以加权和的形式折合成总运行费用( p i ) ，以总运行费用最小为系统的优化目标；控制参数为绿信比和相位差，通过建立数学模型用爬山法进行离线优化计算确定，再上机进行控制；周期为选择确定，即从事先确定的方案中，通过比较各个运行指标选出最佳周期。t r a n s y t 的基本构成见图1 1 。图1 1t r a n s y t 系统基本构成第一章绪论t r a s y t 是最成功的静态系统，它被世界上4 0 0 多个城市所采用，但它也存在明显的不足：不能适应交通流的变化；若要重新进行信号配时，需要重新进行交通调查，费用较高；信号周期不进行优化，其信号配时不能保证是全局最优的。( 2 ) 实时方案生成式白适应交通控制系统s c o o ts c o o t ( s p l i t ，c 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 ) 甚p “绿信比、信号周期及绿灯起步时距优化技术”。s c o o t 系统是t r r l 在t r a n s y t 的基础上发展起来的一种交通网络实时协调控制的自适应控制系统，于1 9 7 9 年投入使用。s c o o t 系统的模型和优化原理与t r a n s y t 相仿，不同的是s c o o t 为方案生成式的控制系统，通过安装在上游的车辆检测器所采集的车辆到达信息，联机处理，形成控制方案，连续实时调整周期、绿信比和相位差以适应不同的交通流。s c o o t 采用小步长寻优方法，无需大的计算。s c o o t 的系统构成见图1 2 。路网上买时交通状况：1矧对路网执行控制i 配时参数存储单元卜一最新配时参数i：i：7一一强行配日i 参数譬一- 一j 一霉时参挚调聱一车流检测计数据处理j夺；毒越歼配时参数优选一1 ，x 、皿1 天l q e 2 iij r。停车线断面流量图示l! 现行控制方案f 。ij 调整配时后的f i 值!；故障监视；i 交叉口车辆排队；i 故障监视图1 2s c o o t 系统构成图由于采用实时控制，s c o o t 的控制效果明显优于t r a n s y t 系统，也被很多国家所采用。然而，该系统的不足也是很明显的：相位不能自动增减，相序不能自动改变；需要大量的检测器，单个检测器的失效又可能导致系统的崩溃；饱和流率的校核未自动化，使现场调试安装非常繁琐。( 3 ) 实时方案选择式自适应控制系统s c a t ss 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 f f i cs y s t e m ) 是澳大利亚在2 0 世纪7 0 年代末4长安人学硕上学位论文期进行的开发，8 0 年代初投入使用。s c a t s 采用分层递阶的控制结构，其控制中心配备一台监控计算机和一台管理计算机，通过串行数据通讯线连接。地区级的计算机自动把数据送到管理计算机，监控计算机连续监视所有路口的信号运行及检测器工作状况。地区主控制器用于分析路口控制器送来的车流数据，确定控制策略，并对本区域各路口进行实时控制，同时还要把收集到的所有数据送到控制中心作为运行记录并用于脱机分析。路口控制器主要是采集分析检测器提供的交通数据，并传送到地区级主控制器，同时接受地区控制器的指令，控制本路口信号。s c a t s 系统的构成图见图1 3 。1 - 1 雌 赫器、- - - - - - - - - - - - - - - 、- - - - - - - - - - - 卜l o 制言引聋獭黯图1 3s c a t s 系统控制结构层次示意图s c a t s 采用地区级联机控制，中央级联机与脱机同时进行的控制模式，以类饱和度( 车流有效利用绿灯时间与绿灯显示时间之比) 综合流量最大为目标；无实时交通模型，控制参数为绿信比、相位差和周期。该系统是一种先进的交通控制系统，在世界的许多城市的交通控制中发挥着重要作用，但它也存在以下缺点：没有实时交通模型；选择相位差方案时，无车流实时反馈信息，可靠性低；无法检测到排队长度，无法消除拥堵。通过上述分析可知，三种系统在实际应用中取得了一定的效果，但这三种系统都有自身无法克服的缺点，特别是在宏观交通控制方面已经很难找到一种更为先进的控制方法来实现区域交通的全面控制，有必要拓展新的思路来实现整个交通网络交通流的协调与控制。1 2 2 国内研究现状我国的城市交通控制系统方面的工作起步较晚，在七十年代后期北京市开始采用d j s 一1 3 0 型计算机进行了干道协调控制的研究。八十年代以后，城市道路交通问题越来越严重。国家一方面进行以改善城市市中心交通为核心的u t s m 技术研究；另一方面第一章绪论采取引进与开发相结合的方针，建立了一些城市道路交通控制系统。如北京引进了s c o o t 系统，上海引进了s c a t s 系统，深圳市引进了日本的控制系统。在国家计委、国家科委的批准下，交通部、公安部、南京市完成了“七五”攻关项目，建成了南京城市交通控制系统( 代号2 4 4 3 ) 。该项目的攻关目标是研究和建立适合于中国国情的机动车与非机动混合交通的城市控制系统( 见图1 4 ) 1 4 】。图1 4 南京城市交通控制系统南京城市交通控制系统( 简称n u t c s ) 采用分布式递阶控制结构，分区域控制级和路口控制级两级，预留了三级结构的可能。系统使用p a s c a l 高级语言在m v a x v m s操作系统上开发了系统优化软件及系统控制软件。该系统设置了实时自适应控制、固定配时和无电缆联动控制三种模式，能在特殊情况下设置七十条绿波路线。并配备了交通疏导广播、可变情报板，为车辆提供道路交通信息。n u t c s 系统结合了s c o o t 与s c a t s 的优点，是我国完全国产化自行设计建成的第一个适合中国混合交通条件及路网密度低、路口间距悬殊的城市道路条件的城市道路交通控制系统。但在运行中也表现出不足：第一，机动车与非机动车控制模式尚不完善，车流相互影响仍大量存在，限制了系统效果；第二，优化目标综合考虑了行车延误、停车次数、阻塞度，但未把提高道路通行能力作为系统目标加以充分考虑。1 3 我国城市交通控制系统存在的问题从理论上讲，个理想的交通控制系统是基于实时交通量变化的，也就是交通控制的策略是随着交通流量的变化而采取不同的交通控制方法。自从采用信号灯对交叉口实行控制以来，交通专家一直在寻找对单个交叉口、整条线路以及整个区域的交通流的控制，以实现均衡整个区域的交通流，使得交通流畅通，从而使得车辆在整个区域的行驶安全、舒适、畅通。6长安大学硕士学位论文但是，目前现有的城市交通控制系统还存有以下几方面的问题：( 1 ) 不适合我国现有的交通状况由于目前我国现有的几个交通控制系统基本都是由国外开发的，而国外的城市交通组成跟我国的城市交通组成有很大的差异，如国外以小汽车交通流为主，而我国却存在着大量的自行车交通流和非机动车交通流。另外，无论从设施条件、车辆条件还是驾驶员心理、社会人文环境，国内外都存在很大差别，这就需要我们开发适合中国国情的交通控制系统。( 2 ) 配时算法的局限性t r a n s y t 是离线优化系统，它在实际的应用中有很大的局限性；s c o o t 和s c a t s是在线实时优化软件系统。这三个系统其共同的局限性在于以数学模型为基础，算法的精度较差。而在实际的交通控制现场中，对交通流影响的有诸多因素，加之我国的交通组成复杂，建立于近似模型基础之上的这几种交通控制软件系统已经越来越不适应中国城市交通的实际情况。( 3 ) 信号优化配时的局限性要解决交叉口的拥挤堵塞，想要通过对已有道路网或交叉口进行重建或改建是不可能，而对交叉口进行配时的优化设计是可行的，且所需费用较少。随着我国经济的飞速发展，随之而来的交通和汽车工业也在飞速发展，这就决定了交叉口的信号配时需要不断的更新才能跟上交通的快速发展。但是，目前的信号控制系统从严格意义上讲，不具备这样的条件。所以有必要借鉴国外的先进控制技术，结合我国自身的交通运行特征，研发先进的交通信号控制系统。( 4 ) 交通量预测的准确性与实时性交通量的预测是建立在一定的数学模型基础之上的，预测的准确与否与模型的选择有密切的关系，而数学模型的建立是建立的一定假设条件下，采用近似处理的办法来建立模型的。由于交通流具有随机性、模糊性、强祸合性等特点，人们不可能建立与之适应的数学模型，这也就说明使用这些模型来预测交通量与实际值之间存在一定差距。此外，这些交通控制系统初期投资成本过大，致使许多城市无力安装这类系统，而且后期服务费用过高，使得已经安装了国外系统的城市不能经常性的进行系统维护和更新。基于此，探讨城市交通控制策略，研究适合国内交通状况的城市交通控制技术具有重要的理论价值和现实意义。近年来，国内外专家学者都致力于开发新的交通信号灯的7第一章绪论控制方法，模糊控制是较新的研究方向之一，这也是研究本课题的目的和意义所在。1 4 城市交通信号控制的新技术及其发展趋势1 4 1 人工智能技术在交通控制中的应用计算机的出现和广泛应用促成了人工智能技术研究的热潮。智能技术由于具有良好的非线性逼近能力，不依赖精确的数学模型，能模仿人的思维等突出优点，因而吸引了很多研究者试图利用智能计算的手段来寻求交通控制的解决方案。近年来，针对传统交通控制系统的固有缺陷和局限性，国内外学者把人工智能中的专家系统、人工神经网络、模糊系统、遗传算法等实用技术相继推出并应用到交通工程领域。( 1 ) 专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) ：专家系统具有便于运用结构化、模型化方法和推理模型、充分吸收人类专家经验和实现辅助决策的特点。针对交通阻塞成因与交通流运行的相互影响关系，专家系统技术在一些交通控制系统中被用来监视、跟踪、分析、解释和处理阻塞问题，或用于相位结构的调整与左转相位的选择等。( 2 ) 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，a n n ) ：人工神经网络具有良好的非线性逼近能力，并具有自适应、自组织和学习的功能，被广泛应用于模式识别、数据分析与处理等工程领域。近年来，国内外学者就人工神经网络技术在道路交通控制领域的应用进行了较为深入的研究，这些工作主要包括基于人工神经网络的交通流预测、阻塞识别和路线导航系统对司机选线的影响模型、以交通流最优化为目标的交叉路口的自学习动态适应性控制系统、基于神经网络的实时适应性城市交通信号控制系统的交通仿真模型研究等。( 3 ) 模糊逻辑( f u z z yl o g i c a l ，f l ) ：模糊逻辑与模糊推理是一种处理不确定性和非线性等复杂问题的有力工具，与人类思维的某些特征相一致，故嵌入到推理技术中具有良好效果。模糊控制被认为是城市道路交通智能控制最有发展前景的研究方向，国内外学者从不同的角度进行研究，建立了各种性能的交通模糊控制算法与模型。在交通信号控制方面，孤立交叉口模糊控制的研究成果比较丰富，由于多交叉口模糊控制规则提取的困难性，干线和区域交通模糊控制还有待于进一步研究。( 4 ) 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，g a ) ：遗传学通过运用仿生原理实现了在解空间中的快速搜索，广泛用于解决大规模组合优化问题。在解决实时交通控制系统中的模型设计与计算问题时，可以通过遗传算法进行全局搜索和确定公共周期，也可以利用遗8长安大学硕士学位论文传算法来解决区域控制系统中各交叉路口信号控制方案的最优协作问题，有效避免可能由此引起的交通方案组合爆炸现象。1 4 2 城市交通控制技术的发展趋势随着交通控制技术智能化的不断提高，利用模糊控制、神经网络控制、遗传算法等智能控制技术对交叉口信号灯控制能取得比定时控制与感应控制更好的效果，但是单一使用一种智能控制方法，在技术上都存在定的优缺点，如果把多种智能控制方法结合起来，充分发挥它们特点上的互补性质，其控制效果将有很大的提高，所以采用多种智能控制方法的结合对交叉口的控制是一种必然的趋势。深入开展这种多学科的交叉综合研究，将有助于智能控制理论的发展，使智能控制的理论及应用研究更为深入，更有实际价值。同时，随着城市交通的发展，交通量的增大，多相位路口的信号控制将逐渐成为主流，所以今后研究的重点将是多相位控制。可以通过模拟有经验的交通警察指挥多相位交叉口的经验，得出多相位控制的基本原理：在某一相位放行的过程中，除了尽快消除当前通行的车队队长外，还需要不断观察下一相位车道上的车队长度，综合考虑是否把通行权交给下一个相位。因此把队长作为控制目标，综合考虑各车道上的队长，以此决定绿灯信号分配的方法更接近人的决策过程。此外，对于单点控制，当交叉口处于过饱和或者近饱和状况时，无论多么智能的控制系统也将无能为力，仍然需要交通警察的指挥来疏导交通，问题在于超长排队会导致交叉口的瘫痪，仅靠单个路口来尽快消散排队是不可能的。城市交通控制研究的新发展还体现在城市交通网络的各个方面：区域交通信号灯和城市高速公路匝道口的新的控制方法上；实现区域和高速路的集成控制；采用动态路由导航与交通网络控制结合；实现以先进车辆控制系统为主的智能运输系统( ( i t s ) ；实现先进的交通管理系统和先进的交通信息系统为主的城市多智能体交通控制系统；以及一些辅助的交通策略，如道路自动计费、公共交通优先权等。从城市交通控制的发展历史和未来社会对城市交通的要求来看，实现城市整体交通网络智能化控制将是发展的必然趋势。综上所述，交叉口的控制发展可以总结如下：从相位方面考虑，不再是理想化地将单交叉路口分为两个相位，而是考虑左转的影响分为四个相位，甚至在相邻相位处于绿时，考虑当前相位右转车流汇入相邻相位时造成对车流分布的影响，而进步将右转车流也单独划分出来形成六个相位，形成多相位9第一章绪论的城市交通控制系统。从控制范围来看，不再是单纯的研究单一的交叉口，而是将研究对象扩展到两个路口或者整条干线上，同时交叉口群控制也取得了一定的进展。从控制方法上将模糊控制方法和其它智能控制方法( 神经网络，遗传算法) 相结合，取长补短，提高了控制效率。比如：利用遗传算法优化控制器，利用人工神经网络进行在线或离线学习，优化配时方案。总的来说交叉口的控制遵循着由简到繁、由局部到整体的原则，取得了许多令人满意的成果。1 5 论文研究的主要内容综上所述，解决我国交通问题的关键出路是：将高新技术用于交通控制和管理，充分挖掘现有道路交通的通行潜力，提高实际通行能力，即进行智能交通控制的研究。鉴于模糊控制的优势在于不需要获取模型中的复杂关系，不需要建立精确的数学模型，是一种基于规则的智能控制方式，特别适用于具有较大随机性的城市交通控制系统，所以本文提出了用模糊控制方法实现交通系统的控制。论文的具体内容安排如下：第一章绪论。阐明了单点信号控制的重要意义，简要地介绍交通信号控制领域的国内外发展动态及其发展趋势。第二章单点控制原理及适应条件。论述了本文所要用到的交通信号控制的基础理论知识，简要介绍了交通信号控制中的相关控制参数、信号控制的分类及信号控制评价指标等概念。第三章模糊控制基本理论。为模糊控制器的设计做准备，主要论述了模糊控制的概念、模糊控制器的结构以及设计步骤。第四章基于模糊控制的单交叉口控制方法研究。本章是本文的主体部分之一，也是本文的重点。在分析经典模糊逻辑控制器设计结构的基础上，以单交叉口信号控制为核心，针对交叉口各相位交通流量变化较大情况，提出基于交通需求强度的多相位分级模糊控制方法，最后以m a t l a b 作为仿真平台，对上述模糊控制方法进行仿真，仿真结果证明该方法的有效性。第五章公交优先模糊控制策略研究。首先对公交优先相关概念进行简单的介绍，1 0说明了实施公交信号优先系统对解决我国城市交通问题的重要性，在分级模糊控制器设计的基础上，提出一种考虑公交优先放行的模糊控制方法。本文研究的结构框图如图i 5 所示：，绪论单点信号控制原理及适应条件信号控制基本参数信号控制方式及其适用性相位相序设计与信号配时分析交义口常用性能评价指标模糊控制基本理论国内外模糊控制技术发展模糊控制的概念及特点模糊控制的基本结构及工作原理模糊控制器的设计步骤基于模糊控制的单交叉1 3 控制方法研究模糊控制与城市交通的结合传统模糊控制方法研究基于交通需求强度的分级 仿真实验及模糊控制方法研究li 结果分析公交优先模糊控制策略研究公交优先的概念实施公交信号优先的意义公交优先信号控制策略考虑公交优先的模糊控制方法结论与迸一步研究建议图1 , 5 论文研究结构框图第_ 二章单点信号控制原理及适用条件第二章单点信号控制原理及适用条件2 1 交通信号控制系统的基本参数对于平面交叉口的信号控制而言，信号配时的主要参数包括：周期、相位( 相位数、相序) 、绿灯时间( 绿信比) 。2 1 1 周期周期长度即信号灯运行一个循环( 从绿灯开始到下一次绿灯开始为止) 所需的时间，即各种灯色显示时间之总和。一般信号灯都有最短周期( 每个相位最少1 5 秒) ，否则不能保证几个方向的车流顺利通过交叉路口。最长周期一般不超过1 2 0 秒4 1 ，否则可能引起等待司机的抱怨，或者误以为信号灯已经失灵，进而造成交通混乱。适当的周期长度对疏散路口处的交通流和减少车辆等待时间有着重要的意义。从单纯提高通行能力的角度来讲，显然，当交通需求越大时，周期应越长，否则一个周期内到达的车辆不能在该周期的绿灯时间内通过交叉口，就会发生排队等候现象；从减少车辆等待时间的角度来讲，太长或太短的周期都是不利的。周期太短，则发生堵车现象；周期太长，则某一方向的绿灯时间可能大于实际需要长度，而另外方向的红灯时间不合理的延长必然导致该方向车流等待时间的延长。正确的周期时长应该是：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。( 1 ) 最佳周期长1 9 】最佳周期长c 0 ，根据英国道路研究所的韦伯斯特( w e b s t e r ) 的研究成果，可按下式求得：= 等( 2 1 )式中：c 岛一最佳周期长度( s ) ；卜总损失时间( s ) ；力一交叉口饱和程度；其中，总损失时间可由下式求得：三= 以，+ r( 2 。2 )式中：，一一相信号的损失时间；甩一信号的相位数；r 一周期中的红灯时间。上述方法中，在研究信号配时及运行能力的估算上，是以停车线作为考察断面，称之为“停车线法”。但在两相位，三相位信号控制下，车辆通过交叉e l 的实际运行状态长安人学硕上学位论文是：本向直行车和对向左转车，在同一绿灯时间内交错通过这两向车流的冲突点，这个冲突点是车辆通过两三相位信号交叉口的关键地点，因此把研究信号配时的考察断面移到冲突点来，称之为“冲突点法”。其信号配时设计公式如下：c 一茄赫3 ，一一- 、一l 。j ， 、。3 6 0 0 一五y 办f + ，7 q ，1 。z j7式中：蜀一i 相位的绿灯时长；儿一i 相位黄灯时长；五一根据限定的“两次停车”概率以控制最小延误及停车率相应于某一置信水平下的设计流量系数；。办一一条车流通过冲突点的平均临界车头时距；，一对向进口道上左转车所占的百分数( ) ；q 一对向进口道信号各设计时段中高峰小时总流量( v e h h ) ；一本向进口道信号各设计时段中高峰小时总流量( v e h h ) ；( 2 ) 合理的周期长度合理的周期长度应该是一个方向的绿灯时间刚好使该方向入口处等待车队放行完毕。例如：一个十字( 东西向和南北向) 交叉口，设两个方向的交通需求( 到达率) 分别是d l 、破，通行能力分别是置、j ：，周期时间长度为乙，绿灯时问分别为g l 、g 2 ，其中损失时间分别是厶、厶( 损失时间是指不能被充分利用的时间，原因是绿灯出现之初车队有个反应和加速过程) ，黄灯时间不计，则：f c 4 = ( g 1 - z , ) 墨( 2 4 )t 吐= ( g 2 一三：) j ：( 2 5 )若s 1 = & = s ，将以上两式相加，并将g 。+ g ：= t 。代入得：纪2 砸l , + 1 2( 2 6 )由式( 2 6 ) 可计算出保证路口不堵塞的一个最小周期值。若需求过高，堵塞现象成为不可避免的，信号周期长应取为最大允许值。第_ 二章单点信号控制原理及适用条件2 1 2 相位在交通控制中，为了避免平面交叉口上各个方向交通流之间的冲突，通常采用分时通行的方法，即在一个周期的某个时问段，交叉口上某支或几支交通流具有通行权( 即该方向上的信号灯为绿色) ，而与之冲突的其它交通流不能通行( 即该方向上的信号灯为红色) 。在一个周期内，平面交叉口上某支或几支交通流所获得的通行权称为信号相位，简称相( 位) ；一个周期内有几个信号相位，则称该信号系统为几相位系统。可以用有向线段表示相位，有向线段的箭头方向与车辆运动方向一致。图2 1 是一个灯控路口为2 相位系统，第1 相位南北向交通流直行，第2 相位东西向交通流直行。图2 2 是一个4 相位系统，第1 相位南北向交通流直行，第2 相位南北向交通流左转，第3 相位东西向交通流直行，第4 相位东西向交通流左转。一l 厂( b ) 第2 相位图2 12 相位交通运行图一ll _ 士 j 厂_ t _ + 厂彳i 广( a ) 第l 相位( b ) 第2 相位( c ) 第3 相位( d ) 第4 相位图2 24 相位交通运行图实践证明，当左转车辆比例大于3 0 时，就应实行多相位控制【l 】。多相位信号控制系统的优点是使每一方向的车流都可在通过交叉口时不受其它方向车流的干扰，提高了交叉路口的交通安全，其副作用是降低了交叉口的通行能力和交通效率。这是因为相位数增加不但会减少分配给各交通流的相位时间，同时由于相位交替次数增加，而导致黄、全红的交叉口清空时间增加。此外，也增加了绿信号开始车辆启动时引起的损失时间。而且会使单方向的车辆等待时间加长，造成交通堵塞聆。因此，从交通效率来看又希望减少相位数。相位差是相邻路口同一相位绿灯( 或红灯) 起始时间之差。例如一条东西走向的大街上有两个相邻交叉口，交通信号周期相等，它们同一相位( 例如东西方向直行) 绿灯( 或1 4l 一厂卜卜_ 一长安人学硕士学位论文红灯) 起始时间之差就是该路1 ：3 东西直行信号的相位差。当对一条干线上的交通流或一个网络内的交通流进行控制时，相位差是个重要的控制参数。通过调整各路口间的相位差，可以使主干线上一连串路口的信号灯形成一条绿波带，使车队通过这些路口时畅行无阻。2 1 3 绿信比在一个信号周期中，各相位的有效绿灯时间与周期长度的比值称为绿信比，一般用g 表示。有效绿灯时问指绿灯信号时段内能充分被利用的时间，它等于绿灯信号时段减去前后损失时问( 起动停车损失时问) 。在实际工作中，精确地确定损失时间是非常困难的，有时也是没有必要的，因此常常用绿灯时间代替有效绿灯时间，可得到绿信比的近似计算公式。设绿灯时间为g ，周期长度为乙，则绿信比g 为：g2 詈眨刀显然，o g 1 。绿信比反应了该信号相位交通流在一个周期中需要绿时的大小。绿信比的大小对于疏散交通流和减少交叉路口总等待时间有着重要的作用。通过合理地分配各车流方向的绿灯时间( 绿信比) ，可使各方向停车次数、等待延误时间减至最小。2 2 相位、相序设计与信号配时分析2 2 1 相位设计相位方案是相位的组合方式，有必要从多个组合中选出最佳的相位方案。一般来说，交叉口形状越复杂，相位方案也越复杂。相位选择可分为相位初选和相位调整两步。相位初选时，只能运用经验判断，通过画出交通流线，合并部分交通流来缩小可选范围，初步确定相位相序( ( p h a s es e q u e n c e ) ，并作为信号配时的基础。当信号配时完成后，将会对各参数进行试算评价，对相位进行必要的修正和调整，并重新评估，直至满足设计要求，形成最终方案。确定信号相位时需要考虑以下几点【l o 】：( 1 ) 交通安全第_ 二章单点信号控制原理及适用条件交叉口交通流之间的冲突是造成交通事故的一个重要原因，一般来说增加相位数，减少同一相位中冲突方向交通流的数量，可以有效提高交叉口的安全性。( 2 ) 交通效率交叉口相位设计要提高交叉口的时间和空间资源的利用率。过多的相位数会导致相位交替次数增加，也即损失时间的增加，从而降低交叉口通行能力和交通效率。反之，太少的相位也会使交叉口因混乱而降低效率。( 3 ) 交通状况交通状况包括机动车交通量、左右转率、车道饱和流率、大型车混入率、非机动车流量流向、横过行人数等。( 4 ) 交叉口几何条件交叉口的限制条件包括：交叉口的类型、进口道车道数、交叉口扩展车道的展宽长度、行人和自行车过街的组织形式( 如是否采用二次过街的组织方式) 。这些因素影响机动车左转专用相位的设置、车辆排队长度等。( 5 ) 协调控制的要求为了保证协调控制效果，相同子区内的信号要具有一致性，各交叉口的相位相序须相互匹配，否则不利于驾驶员适应。2 2 2 相序安排信号相位设计不但要考虑相位组合，还要考虑相位的衔接问题。通常需要考虑以下几点【l o 】：( 1 ) 对同一方向交通流设置两个以上信号阶段时，在时间上应尽可能保证连续性，对于行人信号可不局限于此原则。( 2 ) 对同一进口道车流中不同流向交通流在不同信号相位放行时，尽可能保证它们所在信号相位的连续显示。( 3 ) 一向含直行车流的相位与另一向含直行车流的相位不宜连接。( 4 ) 一向含左转车流的相位与另一向含左转车流的相位不宜连接。( 5 ) 两向相位相序设计应尽量对称，便于驾驶员理解。( 6 ) 对于直行与左转机动车，应考虑左转车道可停放的车辆数。若到达的左转车辆超出该车道可停放的左转车辆数时，需先放行左转车；反之，则先放行直行车。在一般路口和有左转等候区的路口多是先放直行车，后放左转车。1 6长安人学硕t j 学