（交通信息工程及控制专业论文）城市道路单点自适应控制策略与算法研究.pdf

摘要 摘要 信号控制交叉口是城市道路交通信号控制系统的基本单元。单点控制策略 和协调控制策略是交通信号控制策略的两个主要研究方向。 本文从单点的界定方法、单点控制策略的技术特征、相位切换决策的涵义 等多个方面，全面阐释了单点自适应控制策略的基本内涵。从交通工程的专业 视角，分析了典型单点自适应控制策略存在的主要问题，展望了单点自适应控 制策略的研究趋势。 将单点类比为一个简单的社会系统；通行时间资源类比为社会资源或财富； 社会车辆、公交车辆、非机动车和行人等交通主体类比为社会成员。借鉴社会 公正的规则体系，提出了相位切换决策方法的一般设计原则。以保证交通主体 的通行权利、提供平等的通行机会、合理分配通行时间和对弱势群体进行适当 补偿为控制目标，以绿灯时间、相位组合和相位显示顺序为控制参数，以绿灯 相位的绿灯时间利用程度和红灯相位的特征损失作为相位切换决策的主要依 据，建立了一种改进的二项选择方法的技术架构。总结并归纳了时间参数的计 算和取值方法。将行人的通行需求作为相位切换决策的依据之一，针对典型的 “十字形”信号控制交叉口，建立了具有8 个机动车相位和4 个行人相位的双 环相位结构，分析了可能产生的相位组合方案、相位切换方案和相位切换过程 的基本规律。初步构建起较为完整的单点自适应控制策略的基本框架。 采用改进的二项选择方法，在加入行人相位的双环相位结构下，面向无公 交专用道的单个信号控制交叉口，充分考虑行人和公交车辆的通行需求，设计 了一种基于规则的单点自适应控制策略。它包括4 项核心规则：( 1 ) 基于绿灯时 间利用程度的相位切换决策规则；( 2 ) 基于特征损失的相位切换决策规则；( 3 ) 环 间相位切换决策规则；( 4 ) 起始相位选择规则。设计了排队头车搜索算法、机动 车相位最小绿灯时间算法和行人相位绿灯时间算法，建立了绿灯时间利用程度 和特征损失的描述方式和在线分析方法。 选取典型交叉口为例，利用v i s s i m4 1 0 建立仿真模型，针对排队头车搜索 算法和基于规则的单点自适应控制策略进行了仿真测试。测试结果显示： ( 1 ) 排队头车搜索算法的正确率较高。 ( 2 ) 基于规则的单点自适应控制策略能够适应机动车交通需求的连续变化 摘要 ( 特别是机动车交通需求快速变化) ，较好地保证交叉口( 特别是主要道路方向) 控制效益的稳定性。 ( 3 ) 机动车交通需求的连续变化过程中，与一种经过优化设计的单点感应控 制策略相比，基于规则的单点自适应控制策略能够缩短信号周期时间，降低机 动车相位的人均延误和车均延误、行人相位的人均延误，机动车交通高峰时段 的降幅尤为显著。 关键词：单个信号控制交叉口，白适应控制策略，双环相位结构，社会公正， 二项选择方法，逻辑规则 a b s t r a c t i l l t e r s e c t i o n sa r eb a s i cu n i t so fu r b a nt r a f f i cc o n t r o ls y s t e m ，mw h i c hc o n t r o l s 仃a t e 西e s a ti s o l a t e ds i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n s a n da tc o o r d i n a t e ds i g n a l i z e d i n t e r s e c t i o n sa r et w oi m p o r t a n tr e s e a r c hf i e l d st ob ee x p l o r e d t h ec o m l o t a | t i o no fa d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g i e sa ti s o l a t e ds i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n s a r ec o m p r e h e n s i v e l ya d d r e s s e di nt e r m so ft h ed e f i n i t i o no fi s o l a t e ds i g n a l i z e d i i l t e r s e c t i o n s ，t h et e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dt h em e a m n go f d e c i s i o n - m a k i n ga p p r o a c ha sw e l l f r o mt h ep o i n to f t r a f f i ce n g i n e e r i n g , i ta n a l y z e s t h ep r i m a r yw e a k n e s s e so ft h es t a t eo fa r to fa d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g i e sa ti s o l a t e d s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n sa n d d i s c u s s e st h er e s e a r c ht r e n d si nt h ef u t u r e c o m p a r i n ga ni s o l a t e ds i g n a l i z e di n t e r s e c t i o nt o as i m p l es o c i a ls y s t e m ，伊e 饥 t i m et os o c i a lr c s o u r c e ，a n dt r a f f i cp a r t i c i p a n t s ，e g p r i v a t ev e h i c l ed r i v e r s ，t r a n s i t p a s s e n 舀江毪b i c y d i s t sa n dp e d e s t r i a n st os o c i a lm e m b e r s ，i tp u t sf o r w a r d t h eg e n e r a l d e s i g np r i n c i p l e s o fd e c i s i o n m a k i n ga p p r o a c h , i e p r i n c i p l e o fr i 咖o a y p r o t e c t i o n p r i n c i p l eo fe q u a lo p p o r t u n i t y o nr i g h t o f - w a ya p p l i c a t i o n ，p r i n c i p l eo f g r e e nt i m ed i s t r i b u t i o n ，a n dp r i n c i p l e o fp e d e s t r i a na n dt r a n s i tp a s s e n g e r c o m p e n s a t i o n ，b a s e d o nw h i c ht h et e c h n i c a ls t r u c t u r eo f a l li m p r o v e db i n a r y - c h o i c e a 1 ) p r o a c hi ss e tu pw i t ht h ed e c i s i o no ng r e e ne x t e n s i o n p h a s e c o m b i n a t i o n p h a s e 仃a n s i t i o nb e i n gm a d ea c c o r d i n gt og r e e nu t i l i z a t i o no fg r e e np h a s e ，c h a r a c t e r i s t i c c o s t so fr e dp h a s e sa n dp h a s es c h e m e w i t ht h ei n t e n tt oc o v e rt h er e q u i r e m e n to f p e d e s t r i a n si n t od e c i s i o n m a k i n gp r o c e s s ，i tp r o v i d e s ad u a l _ r i n gp h a s es c h e m e i n c l u d i n g8v e h i c l em o v e m e n t sa n d4p e d e s t r i a nm o v e m e n t sf o rt y p i c a ls i g n a l i z e d i n t e r s e c t i o n so ft w os t r e e t s t h ep o t e n t i a lp h a s ec o m b i n a t i o n s ，p h a s et r a n s i t i o n sa r e a n a l y z e da f t e r w a r d s h e r e i n ，t h eo v e r a l lf r a m e w o r ko fa d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g i e s a t i s o l a t e ds i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n si se s t a b l i s h e d w i t ha d o p t i o no ft h ei m p r o v e db i n a r y - c h o i c ea p p r o a c h ，i td e v e l o p sa r u l e - b a s e d a d 印t i v ec o n t r o ls t r a t e g yc o n s i s t i n go f 4k i n d so fc o r el o g i c a lr u l e s ，a p p l i e dt oi s o l a t e d s i 辨a l i z e di n t e r s e c t i o n sw i t hn ob u s o n l yl a n e s c o n t r o la l g o r i t h m sf o rl e a dq u e u e d a b s t r a c t v e h i c l ed e t e r m i n a t i o n , m i n i m u mg r e e nt i m ef o rv e h i c l em o v e m e n t s a n dg r e e n d u r a t i o nf o rp e d e s t r i a nm o v e m e n t sa lep r o v i d e d g r e e nu t i l i z a t i o no fg r e e np h a s e si s q u a l i t a t i v e l yd e p i c t e du s i n g p u b l i ct r a n s i tv e h i c l ea r r i v a l a n d p l a t o o na r r i v a l ” c h a r a c t e r i s t i cc o s to fr e dp h a s e si sd e s c r i b e du s i n g p r i o r i t yl e v e l q u a l i t a t i v e l ya n d “p a r t i a lv e h i c l ed e l a yd u r i n gr e dt i m e q u a n t i t a t i v e l y i tp r e s e n t sm e t h o d sf o ro n - l i n e a n a l y s i so fg r e e nu t i l i z a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i cc o s ts u b s e q u e n t l y t h el e a dq u e u e dv e h i c l ed e t e r m i n a t i o na l g o r i t h ma n dt h er u l e - b a s e da d a p t i v e c o n t r o ls t r a t e g ya l et e s t e du s i n gv i s s i m4 10 s i m u l a t i o nt e s tr e s u l t si n d i c a t ea s f o l l o w s ： ( 1 ) t h el e a dq u e u e dv e h i c l ed e t e r m i n a t i o na l g o r i t h mi sc a p a b l eo fi d e n t i f y i n g t h ea c t u a ll e a dq u e u e dv e h i c l ew i t hg r e a ta c c u r a c y ( 2 ) t h er u l e b a s e da d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g y i sa b l et oa d a p tt oc o n t i n u o u s v a r i a t i o no ft r a f f i cd e m a n d ，e s p e c i a l l yt or a p i dv a r i a t i o no ft r a f f i cd e m a n d t h e c o n t r o lb e n e f i t ，i np a r t i c u l a ro nm a j o rr o a d ，i sg u a r a n t e e dw i t hg o o ds t a b i l i t y ( 3 ) d u r i n gt h ep r o c e s so f c o n t i n u o u sv a r i a t i o no ft r a f f i cd e m a n d ，t h er u l e - b a s e d a d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g y , c o m p a r e dw i t haw e l l d e s i g n e d t r a f f i ca c t u a t e dc o n t r o l s t r a t e g y , m a ys h o r t e nc y c l et i m e ，r e d u c ed e l a yp e rp a s s e n g e ra n dd e l a yp e rv e h i c l e a n dd e l a yp e rp e d e s t r i a n ab i g g e rr e d u c t i o no na b o v ei n d e x e si so b s e r v e dd u r i n g p e a kh o u r s k e yw o r d s ：i s o l a t e ds i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n ，a d a p t i v ec o n t r o ls t r a t e g y , d u a l _ r i n g p h a s es c h e m e ，s o c i a lj u s t i c e ，b i n a r y - c h o i c ea p p r o a c h ，l o g i c a l r u l e s 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位敝作者虢梅湛卞 j 扩口7 年乒月7 ，日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：彳留疟宁 土步哆年夕月t 日 第1 章引言 1 1 课题来源 第1 章引言 国家自然科学基金项目：城市道路信号控制交叉口群拥挤阻塞机理，批准 号：5 0 5 7 8 1 2 3 。 1 2 研究背景 1 2 1 交通信号控制技术的发展 城市道路交通信号控制技术自诞生至今已经走过了近1 5 0 年的发展之路。 致力于缓解城市道路交通供求矛盾的不懈努力和高新技术的产生与应用是推动 交通信号控制理论与方法发展的根本动力。面对石油资源日渐枯竭、人类安全 和环保意识日益增强、交通供求矛盾日趋尖锐的客观现实，安全、有序、高效 的交通信号控制能够以一种集约化的方式，充分发挥现有交通设施的供给能力， 改善交通安全，提高交通运行质量，减少燃料消耗、废气排放和噪声污染。 纵观城市道路交通信号控制技术的发展历程，面向一定区域内的多个信号 控制交叉口的协调控制策略和面向单个信号控制交叉口的单点控制策略一直是 交通信号控制理论与方法研究的主要着眼点。 随着交通数据检测技术、计算机技术、通信技术的飞速进步，交通信号控 制策略的研究重点已逐步由基于历史数据的定时控制策略转变为基于实时检测 数据的自适应控制策略。与此同时，微观交通仿真技术的成熟和广泛应用也为 交通信号控制策略的设计和开发提供了强有力的支持。 协调控制策略和单点控制策略的研究已经进入了一个崭新的阶段。 1 2 2 问题的提出 单个信号控制交叉口是交通信号控制系统的基本单元，是由空间资源、时 第1 章引言 间资源和交通主体等3 个要素构成的集合体。单点控制策略以单个信号控制交 叉口为研究对象，在一定的空间资源条件下，面向不同交通主体进行时间资源 的调解和分配。单点自适应控制策略是单点控制策略的高级形式，集中体现了 交通信号控制技术的精髓。 针对城市道路单点自适应控制策略与算法研究中的若干问题，本文持有如 下观点： 问题1 ：“协调控制 与“单点控制一 “协调控制 和“单点控制”是面向不同对象的交通信号控制策略。“协调 控制 以多个信号控制交叉口为研究对象，是城市道路交通信号控制系统的主 体。“单点控制”以单个信号控制交叉口为研究对象，是对“协调控制 的必要 补充。 “单点”区别于“协调控制”中的“个体 。“单点”独立于“协调控制 存在，有其特有的界定方法。“个体”隶属于“协调控制”，当满足一定条件时， “个体 可以从“协调控制 中独立出来，成为“单点”。 深入研究“单点控制”是实现高效“协调控制”的基础。全面认识“单点 控制 的技术和方法，有助于增强“协调控制 中“个体”的服务能力，进而 提高“协调控制”的效益。 问题2 ：“间接控制 与“直接控制” “间接控制 以信号周期时间和绿信比为主要控制参数。选取一定的性能 指标建立优化模型和算法。将控制时段划分为若干时间间隔，根据历史数据和 当前时间间隔的检测数据预测下一时间间隔的车辆到达信息，并进行优化计算， 从而实现控制参数的长时在线调整。 “直接控制 以绿灯时间、相位组合和相位显示顺序为主要控制参数。针 对一定的交通事件建立逻辑规则和算法或选取一定的性能指标建立优化模型和 算法。将绿灯时间划分为若干时间间隔，根据当前时间间隔的检测数据预测下 一时间间隔的车辆到达信息，并进行逻辑判断或优化计算，从而实现控制参数 的短时在线调整。 “间接控制 具备动静结合的特点，由于其优化模型和算法相对复杂，多 应用于“协调控制”中“个体控制”。 “直接控制 具备实时响应的特点，由于其逻辑规则和算法相对简单，多 2 第l 章引言 应用于“单点控制 ，也可以应用于“协调控制”。 问题3 ：“公正力与“和谐 “公正 与“和谐”是社会发展的主题，也是社会系统及其各个子系统的 终极发展目标。作为“公正”与“和谐”在交通信号控制系统的社会属性外化 和精神实质，“以人为本 理应成为交通信号控制策略设计的指导思想。 “人”即交通主体，其现实“载体 包括：社会车辆、公交车辆、非机动 车和行人。 “本 即为了满足“人 的通行需求制定的控制目标，其现实“载体 体 现为：通行权利的保证、通行机会的平等、通行时间的合理分配和弱势群体的 适当补偿。 问题4 ：“控制目标定量分析 与“控制目标定性和定量分析刀 “控制目标定量分析以车辆延误、人均延误、停车次数等指标值最小为 控制目标，通过具有较大时间粒度检测数据的离线分析和基于严格假设条件的 数学推导，针对一定的控制参数建立优化模型和算法。控制时段内，实时检测 数据作为优化模型和算法的输入量，优化计算结果作为控制参数在线调整的主 要依据。 “控制目标定性和定量分析”以降低交通主体的通行利益损失为控制目标， 通过具有较小时间粒度检测数据的离线分析和基于“人本思想”的控制目标分 解和细化，针对一定的控制参数建立逻辑规则和算法。控制时段内，实时检测 数据作为逻辑规则和算法的输入量，逻辑判断结果作为控制参数在线调整的主 要依据。 “控制目标定量分析”是对交叉口时间资源供求关系的定量的抽象与还原 过程。由于优化模型和算法的推导过程是建立在道路交通条件严格假设的基础 上，同时，检测数据的时间粒度较大，因此，难以反映交叉口时间资源的现实 供求关系。 “控制目标定性和定量分析 是对交叉口时间资源供求关系的定性和定量 的抽象与还原过程。由于逻辑规则和算法的设计过程是建立在交通主体通行需 求宏观和微观分析的基础上，同时，检测数据的时间粒度较小，因此，能够反 映交叉口时间资源的现实供求关系。 问题5 ：“行人等待时间 与“安全、有序 3 第1 章引言 由人、车干扰严重引发的交通事故和车辆通行利益损失是我国城市道路信 号控制交叉口普遍存在的问题，其外在致因是行人等待时间过长导致行人交通 流的可控性降低，其内在致因是交通信号控制策略设计过程中，未将行人的通 行利益放在与机动车和非机动车同等重要的位置。 减少行人等待时间，保证行人交通流的可控性，降低人、车干扰程度，是 实现信号控制交叉口各股交通流安全、有序运行的先决条件之一，也是“人本 思想 的一种重要体现。 问题6 ：“公交专用道 与“公交优先控制一 公交优先控制的目标可以概括为：改善公交车辆运行准时性，加快公交车 辆运行速度，同时，尽可能减少对社会车辆通行利益的负面影响，从而达到提 高公交出行比例的目的。公交专用检测设备、公交专用道和公交专用信号灯是 实施公交优先控制的重要技术条件。 当信号控制交叉口的道路资源十分有限或社会车辆交通量远远超过公交车 辆交通量时，设置公交专用道往往会对社会车辆的通行利益产生极大的负面影 响，以完全牺牲社会车辆通行利益换取公交车辆通行利益的做法与“人本思想” 相悖。 公交专用道和公交专用信号灯是实施公交优先控制的充分条件，而非必要 条件。公交专用检测设备是实施公交优先控制的充分和必要条件。无公交专用 道条件下，公交车辆与社会车辆共用进口车道，利用公交专用检测器采集公交 车辆到达信息，仍可以实现一定意义上的公交优先控制。 1 3 研究目的和意义 本文的研究目的和意义概括如下： ( 1 ) 从单点的界定方法、单点控制策略的技术特征、相位切换决策的涵义等3 个方面，全面阐释单点自适应控制策略的基本内涵。分析典型单点自适应控制 策略存在的主要问题，明确单点自适应控制策略的研究趋势。 ( 2 ) 将社会公正的规则体系引入相位切换决策方法的研究过程，探究相位切 换决策方法设计的本源问题，从设计原则、控制目标、控制流程、时间参数和 相位结构等多个方面，构建单点自适应控制策略的基本框架。 4 第1 章引言 ( 3 ) 面向无公交专用道的单个信号控制交叉口，充分考虑行人和公交车辆的 通行需求，设计一种基于规则的单点自适应控制策略。以降低预测信息的依赖 程度、增强控制策略的可实施性为目的，通过对控制目标分解和细化，以绿灯 时间、相位组合和相位显示顺序为控制参数，建立一系列逻辑规则和算法，实 现控制参数的短时在线调整。 ( 4 ) 将交通信号控制策略的研究与微观交通仿真技术紧密地结合起来，以国 际上广泛应用的微观交通仿真软件作为测试平台，针对单点自适应控制策略和 算法的设计和开发的关键技术环节，进行测试、分析和相关参数的调校，形成 一套依托微观交通仿真技术的交通信号控制策略与算法的研究方法。 1 4 研究环境 从交通条件、空间条件和信号控制条件等3 个方面，对本文的研究环境做 出如下约定。 交通条件 ( 1 ) 交叉口的交通主体包括：社会车辆、公交车辆、非机动车和行人，其中， 非机动车交通量较少。 ( 2 ) 对于交通事故、车辆抛锚等突发事件不作讨论。 空间条件 ( 1 ) 交叉口范围内未设置公交车站、公交专用道、公交专用信号灯，社会车 辆和公交车辆共用进口车道。 ( 2 ) 非机动车与行人进行一体化处理【1 1 。 ( 3 ) 对于交叉口空间设计合理性不作讨论。 信号控制条件 ( 1 ) 相位与信号灯组的意义相同，是指一个信号周期内始终具有相同灯色显 示的信号灯的逻辑组合。 ( 2 ) 控制时段内，交通数据检测设备、控制设备和通信设备始终处于正常运 行状态。 ( 3 ) 控制策略所需的交通数据检测设备包括：车辆检测器、公交专用检测器 和行人请求按钮。 5 第1 章引言 ( 4 ) 交通数据检测设备能够实时获取控制策略所需的各种信息。 ( 5 ) 对于交通数据检测设备的具体类型、工作方式和检测精度不作讨论。 1 5 研究内容 本文以单点自适应控制策略的内涵剖析、单点自适应控制策略的基本框架 构建、基于规则的单点自适应控制策略和算法设计等3 部分为主体，展开一系 列的研究工作。本文的主要研究内容，如表1 1 所示。黑体部分为核心研究内容。 表1 1 论文的主要研究内容 内容分类核心内容 对应章节 单点自适应控制策略的 单点的界定方法2 2 1 单点控制策略的技术特征2 2 2 内涵剖析 相位切换决策的涵义2 2 3 单点自适应控制策略的典型单点自适应控制策略回顾2 3 - - - 2 6 回顾与展望 单点自适应控制策略研究展望2 7 单点自适应控制策略 二项选择方法的技术架构3 2 时间参数的计算和取值方法 3 3 的基本框架 双环相位结构 3 4 控制策略的总体结构4 2 排队头车搜索算法 4 3 机动车相位最小绿灯时间算法 4 4 基于规则的单点自适应 行人相位绿灯时间算法 4 5 绿灯时间利用程度和特征损失的分析方法4 6 4 7 控制策略 基于绿灯时间利用程度的相位切换决策规则 4 8 基于特征损失的相位切换决策规则 4 9 环间相位切换决策规则 4 1 0 起始相位选择规则 4 1 l 排队头车搜索算法的测试与分析 5 2 仿真测试与分析 基于规则的单点自适应控制策略的测试与分析 5 3 6 第1 章引言 1 6 研究方法 本文主要利用交通信号控制策略设计软件( s 廿2 1 5 、c r o s s i g3 7 0 ) 和微观交通仿真软件( v l s s i m4 1 0 ) 为研究工具，开展研究工作。 研究过程中，严格遵循交通信号控制策略设计的基本要求，以逻辑分析、 车辆运动解析、仿真分析和统计分析作为主要研究方法。本文的技术路线，如 图1 2 所示。 战 略 层 战 术 层 j 研究综述 - 一一一一一一一sz 一一一一一一一一 l 单点自适应控制策略ll 单点自适应控制策略i 的内涵剖析的回顾与展望f 1 7 论文结构安排 图1 2 技术路线 本文共分为6 章，各章内容简介如下： 第1 章引言 7 l l 要茬瓣 l i 耋黼 i i 鬻秽 - i i 掰嚣 第1 章引言 介绍研究背景，概括研究目的和意义，约定研究环境，列举研究内容，说 明研究方法和技术路线。 第2 章单点自适应控制策略研究综述 剖析单点自适应控制策略的基本内涵，分析典型单点自适应控制策略存在 的主要问题，明确单点自适应控制策略的研究趋势。 第3 章单点自适应控制策略的基本框架 借鉴社会公正的规则体系，提出相位切换决策方法的一般设计原则，提出 一种改进的二项选择方法的技术架构。归纳时间参数的计算和取值方法。将行 人的通行需求作为相位切换决策的依据之一，针对典型的“十字形信号控制 交叉口，建立具有8 个机动车相位和4 个行人相位的双环相位结构。 第4 章基于规则的单点自适应控制策略 采用改进的二项选择方法，面向无公交专用道的单个信号控制交叉口，设 计一种基于规则的单点自适应控制策略。设计排队头车搜索算法、机动车相位 最小绿灯时间算法和行人相位绿灯时间算法，建立绿灯时间利用程度和特征损 失的在线分析方法以及一系列逻辑规则。 第5 章仿真测试与分析 选取典型的单个信号控制交叉口为例，利用v i s s i m4 1 0 建立仿真模型，针 对排队头车搜索算法和基于规则的单点自适应控制策略进行仿真测试和分析。 第6 章结论与展望 归纳主要研究成果和创新点，指出研究中存在的不足，展望下一阶段的研 究工作。 8 第2 章单点自适应控制策略研究综述 2 1 概述 第2 章单点自适应控制策略研究综述 自m i l l e r sa l g o r i t h m 提出以来，大量学者从交通工程和控制工程两个领域 介入单点自适应控制策略的研究，逐渐形成了交通工程和控制工程两个研究体 系。前者以m i l l e r l 2 1 、b a n g 3 1 、g a r t n e r l 4 1 等人的研究成果为代表，后者以p a p p i s t 5 1 、 f a v i l l a 6 】等人的研究成果为代表。 相位切换决策方法( d e c i s i o n - m a k i n ga p p r o a c h ) 以及相关优化模型、逻辑 规则和控制算法的设计与开发是单点自适应控制策略的研究重点。 目前，交通工程研究体系中较为公认的典型单点自适应控制策略包括： m i l l e r sa l g o r i t h m t o l ( t r a f f i co p t i m i z a t i o nl o g i c ) 一m o v a ( m i c r o p r o c e s s o ro p t i m i z e dv e h i c l ea c t u a t i o n ) - o p a c ( o p t i m i z e dp o l i c i e sf o ra d a p t i v ec o n t r 0 1 ) _ q u e u e - b a s e dl o g i c s a s t ( s t e p w i s ea d j u s t m e n to fs i g n a lt i m i n g ) 一s p p o r t ( s i g n a lp r i o r i t yp r o c e d u r ef o ro p t i m i z a t i o ni nr e a l - t i m e ) 一t a c o s ( t r a 伍ca d a p t i v ec o n t r o lf o ro v e r - s a t u r a t e di n t e r s e c t i o n s ) 根据相位切换决策依据的不同，l i f 7 】将交通工程研究体系的单点自适应控制 策略分为3 类：( 1 ) 基于优化模型的控制策略；( 2 ) 基于规则的控制策略；( 3 ) 基于 规则和优化模型的混合控制策略。 本章首先阐释单点自适应控制策略的基本内涵，其后，采用l i 的分类方法， 回顾8 种典型单点自适应控制策略的相位切换决策方法和控制效益的测试结果， 分析存在的主要问题，明确单点自适应控制策略的研究趋势。本章的主要研究 内容，如图2 1 所示。 9 第2 章单点自适应控制策略研究综述 图2 1 本章的主要研究内容 2 2 单点自适应控制策略的基本内涵 从单点韵界定方法、单点控制策略的技术特征和相位切换决策的涵义等3 个方面，阐释单点自适应控制策略的基本内涵。 2 2 1 单点的界定方法 单点，即单个信号控制交叉口( i s o l a t e ds i g n a l i z e di n t e r s e c t i o n s ) ，是指全天 候或一天内的部分时段可以实施非协调信号控制方案的交叉口。 单点具有鲜明的空间特征和交通流特征。对于某一信号控制交叉口，当符 合下列特征之一时，认为其属于单点的范畴： ( 1 ) 空间特征：相邻信号控制交叉口的间距大于实施机动车相位协调控制要 求的最大间距。实施机动车相位协调控制的相邻交叉口最大间距，r i l s a 【8 j 规定 为7 5 0m ( 特殊情况下可以增) j n 至u1 0 0 0m ) ；m u t c d l 9 规定为1 0 0 0m 。 ( 2 ) 交通流特征：各进口车道的车辆到达规律不受相邻交叉口的影响，呈显 著的随机性。当难以根据历史数据和当前检测数据预测未来一定时间内各进口 车道的车辆到达信息时，认为该交叉口的车辆到达呈显著的随机性。 1 0 第2 章单点自适应控制策略研究综述 此外，对于不符合空间特征、但难以纳入协调控制策略的信号控制交叉口， 以及由于交通数据检测设备、通信设备等发生故障而被迫脱离协调控制策略的 信号控制交叉口，也可将其归入单点的范畴。 单点控制对象：交叉口的各股交通流，包括机动车、非机动车和行人； 单点控制任务：分配各股交通流的通行权和通行时间： 单点控制目标：实现交通流安全、有序、高效地运行。 2 2 2 单点控制策略的技术特征 单点控制策略是对旨在实现交叉口各股交通流安全、有序、高效地运行而 采取的各种通行权和通行时间分配方法( 或称信号控制方案) 的总称。传统的 分类方法将单点控制策略分为4 种类型【l o 】【i l 】： ( 1 ) 预设时间控制( p r e - t i m e dc o n t r 0 1 ) 。 ( 2 ) 部分感应控制( s e m i a c t u a t e dc o n t r 0 1 ) 。 ( 3 ) 无流量一密度调整功能的全感应控制( 如1 1 a c t u a t e dc o n t r 0 1 ) ，亦称空当时 间控制( g a pt i m ec o n t r 0 1 ) 。 ( 4 ) 有流量一密度调整功能的全感应控制( 觚1 a c t u a t e dc o n t r 0 1 ) ，亦称流量一 密度控制( v o l u m e - d e n s i t yc o n t r 0 1 ) 。 随着交通数据检测技术、通信技术和计算机技术的应用和发展，单点控制 策略的研究得以进一步深化。以适应交通需求的连续变化，减少车辆延误，降 低停车次数等为目标的新的控制策略层出不穷。 笔者在总结前人研究成果的基础上【1 2 h 16 1 ，根据单点控制策略的技术特征， 将其划分为2 大类、3 种类型，如图2 2 所示。 图2 2 单点控制策略的基本类型 第2 章单点自适应控制策略研究综述 分时段控制通过分析一天中不同时段的历史平均交通流到达规律，划分若 干控制时段。根据每个控制时段内的历史平均交通流到达数据，离线计算得到 信号控制方案。信号机根据系统的当前时间自动切换信号控制方案，信号周期 时间、绿灯时间、相位组合和相位显示顺序随信号控制方案的变化而变化。 感应控制通过交通数据检测设备实时获取交通流到达信息，针对一定的控 制目标和控制参数建立一系列逻辑规则和算法，根据具有较小时间粒度的检测 数据进行逻辑判断，在线调整控制参数。 自适应控制是一种多目标、适应交叉口交通状态连续变化的控制策略。它 通过先进的交通数据检测设备实时获取交通流到达信息，一方面，跟踪并预测 交通需求的变化和发展趋势，另一方面，针对一定的控制目标和控制参数，建 立一系列逻辑规则、优化模型和算法，根据具有不同时间粒度的检测数据进行 逻辑判断和( 或) 优化计算，在线调整控制参数，更加安全、有序、高效地分 配交叉口各股交通流的通行权和通行时间。 必须指出，自适应控制策略的控制效益与当地的道路交通条件、控制策略 和算法的技术特征、信号机和交通数据检测设备的技术水平等因素密切相关， 难以一概而论。某些地点，与经过优化设计的预设时间控制策略相比，自适应 控制策略并未体现出显著的性能优势【 】。s t e w a r t 等人【1 4 】也指出，在以往的单点 控制策略的对比分析中，尽管自适应控制策略显示出一定的性能优势，但是， 由于未明确说明对比分析对象的技术特征，这种性能优势的可信度受到置疑。 2 2 3 相位切换决策的涵义 相位切换决策是单点自适应控制策略的核心。将决策【1 8 l 的定义引申，相位 切换决策是为了安全、有序、高效地分配交叉口各股交通流的通行权和通行时 间，针对一定的控制目标制定相关控制参数的调整方案，借助一定的决策方法， 进行分析、计算和判断并加以优化选择的过程。 相位切换决策主体：控制策略设计者和信号机。 相位切换决策目标：安全、有序、高效地分配交叉口各股交通流的通行权 和通行时间。 相位切换决策方案：( 1 ) 延长或切断绿灯时间；( 2 ) 如何选择下一绿灯相位。 相位切换决策效用：优化模型的计算结果或逻辑规则的判断结果。 1 2 第2 章单点自适应控制策略研究综述 相位切换决策方法是一种时间资源分配方法，其目的是在现有空间资源条 件下，根据交通主体的通行需求，按照一定的目标和规则，调节时间资源供给。 2 3 基于优化模型的控制策略 此类控制策略以车辆延误、停车次数等指标( 或其线性加权) 最小为控制 目标，以绿灯时间作为控制参数，根据实时采集的车辆到达信息进行优化计算， 决定延长或切断绿灯时间。 2 3 1mii ie r sa ig o rit h m m i l l e r sa l g o r i t h m 2 】是基于优化模型的单点自适应控制策略的原型。它以两 相位控制交叉口为研究对象，以车辆延误最小建立优化模型。 m i l l e r sa l g o r i t h m 要求在每条进口车道距离停车线上游1 0 $ e c 的位置布设一 组检测器，用以采集车辆到达信息。将绿灯时间r 划分为若干时间间隔r ( 心 s e c ) 。某一相位的绿灯启亮后，根据交叉口所有进口车道的车辆到达信息，预测 t - ( 升f ) 时间内绿灯相位的车辆延误d g 和红灯相位的车辆延误d r ，得到交 叉口的车辆延误d ( d = - d o + d r ) 。若d o ，延长绿灯时间，反之，切断绿灯时 间。m i l l e r sa l g o r i t h m 的相位切换决策方法，如图2 3 所示。 采集交叉口所有进口车道 的车辆到达信息 上 预浏孙寸问内，绿灯相位 的车辆延误d g 0 预测7 时间内，红灯相位 的车辆延误d 月 0 厂 0 ，延长绿灯时间， 反之，切断绿灯时间，切换至相位b 。 式中， f a = 五宰r a 半杨+ 五枣k a - a 宰h 宰一正宰m b( 2 1 ) 吃= 匕+ 匕+ 丝! 堕圣：鱼木! s n 1 一绋s n k a ：塑掣当 一 n n = 似o ) + y n 幸纷 m b = j l 宰q 口 n 时间间隔h 内，相位彳、曰的当量费用总和 正车辆延误的当量费用 1 4 - ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 第2 章单点自适应控制策略研究综述 若切断相位a 的绿灯时间，相位彳的下一红灯显示时间，s e c 时间间隔h 内，相位a 所有进口车道能够通过停车线的车辆数， v e h 车辆减速至停车，以及重新加速到正常行驶速度的当量费用 相位曰所有进口车道当前的排队车辆数，v e h 时间间隔h 内，相位口所有进口车道能够减速至停车的车辆数， v e h 相位a 切换至相位b 的绿灯间隔时间，s e e 相位曰切换至相位么的绿灯间隔时间，s e c 计算一时，相位b 关键进口车道的排队车辆数，v e h 相位b 所有进口车道的平均车辆到达率，v e h s e e 1 相位曰关键进口车道的饱和流率，v e h s e e 1 路段检测器到停车线的距离，或长线圈检测器的长度，m 计算n 时，相位彳关键进口车道上处于检测器和停车线之间的 车辆数，v e h 纥相位4 进口车道的平均车速，m $ e c - 1 b a n g 等人