（控制理论与控制工程专业论文）基于智能计算的城市交通信号的优化控制研究.pdf

济南人学硕十学位论文 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。 智能交通系统是解决现代社会交通需求与供给矛盾的重要途径之一。实施智 能交通系统工程不仅有利于提高交通的安全性、生产效率与效益，而且关系到土 地资源与能源的合理利用、环境污染与噪声的改善，乃至国民经济的持续发展和 社会经济效益的全面提高。 智能交通系统是一个发展中的交叉学科，涉及到交通运输系统的各个层面。 城市交通是交通系统最为重要的组成部分，城市交通智能控制是实施智能交通系 统工程的首要任务，也是目前交通控制工程领域研究的热点问题之一。城市道路 交通控制是一个复杂的系统工程问题，涉及到交通工程、自动控制、系统工程、 优化调度等自然科学和工程技术的众多学科。作为多学科交叉的研究领域，城市 交通智能控制技术的发展依赖于自然科学和工程技术的最新研究成果。把自然科 学的最新研究成果和工程技术的最新方法引入城市交通智能控制，可以进一步完 善城市交通控制的理论体系及应用，解决日益严重的城市交通难题。这对满足社 会需求、推动国家和社会的进步以及学科的发展，无疑都具有十分重要的意义。 城市道路交通是一个有人参与的时变复杂大系统，集成了人、车、路和环境 等各种复杂因素，存在高度的复杂性、时变性和不确定性。基于精确数学模型的 传统控制方法难以有效解决复杂的现代城市交通问题，基于智能计算的智能控制 技术是解决城市交通问题的有效途径。 本文结合城市道路交通智能控制研究课题的实际需要，对城市道路交通的智 能控制问题进行了较为全面深入的研究，在总结该领域现有研究成果的基础上， 提出了一些新的控制理念、建立了一些新的控制算法和控制模型，试图解决目前 城市道路交通控制领域存在的一些疑难问题。论文的主要工作如下： ( 1 ) 首先对城市道路交通控制技术的发展进行了较为详细的综述，在分析 该领域存在的主要问题基础上，阐述了论文的立题依据，提出了论文的主要研究 i i i 基于智能计算的城市交通信口的优化摔制研究 内容。 ( 2 ) 提出一种基于预测的主干道相交路口优化控制方法，将交通流预测与 交通信号控制相结合，用于解决交通流量较大的城市主干道相交路口的信号控制 问题。建立预测模型进行交通流预测，将预测的下两个相位队长作为模糊控制的 输入以确定下一绿相位时间，在后一绿相位持续时间内放行该相位的预测的尚未 全部排队的车流量。仿真实验表明该方法有效减小了平均车辆延误时间，达到了 保持干道交通通畅的目的。 ( 3 ) 研究了城市干线交通信号的控制方法。基于城市干线交通中某些自然 交叉口相距较近的实际情况，本章结合设计了一种基于交通预测数据的干线协调 控制方法。本方法以交通流预测数据为基础，通过各个路口当前采集的车流信息 预测下一个时间的各个干线路口的车流量，以预测数据通过数解法配时确定干线 控制中的公共周期和绿信比，用遗传算法优化相位差。当预测的车流到达路口时， 以实际路况数据为输入，根据车辆饱和度适当的调整绿信号长度，根据车流密度 来调整交叉口的相位差，以最小延误和最快放行为目的，减小了交通干线的平均 车辆延误时间以及排队长度，提高了干道路口相关区域内的道路使用率，达到了 保持干道交通通畅的目的，是一种有效的交通控制方法。 论文最后对全文进行了总结，并对下一步的研究工作进行了展望。 关键词：智能交通，交通信号控制，智能计算，优化控制 i v a b s t r a c t w 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 n p 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 e b e c o m ep r e v a l e n tp r o b l e m so fm 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 y w a s t i n ga n da 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 m 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 l t l n o t o n l ys e r i o u s l y r e s t r i c tt h es u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n to f s o c i a le c o n o m y , b u ta l s os e v e r e l y i n f l u e n c et h eu r b a nl i v i n g e n v i r o n m e n t 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 mi so n e o ft h ei m p o r t a n tw a y st os o l v et h ea n t i n o m yo f t r a f f i cd e m a n da n ds u p p l yi nt h em o d e ms o c i e t y t h ea p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e mw i l ln o to n l yi m p r o v et h et r a n s p o r t a t i o ns a f e t y , p r o d u c t i o n e f f i c i e n c y a n dr e v e n u e s ，b u ta l s oc o n n e c tw i t hl a n dr e s o u r c e sa n de n e r g i e s e x p l o i t a t i o n ，e n v i r o n m e n ti m p r o v e m e n ta n dn a t i o n a le c o n o m i ca n ds o c i a l r e v e n u e d e v e l o p m e n t a sad e v e l o p i n gm u l t i d i s c i p l i n a r ys u b j e c t ，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 mr e l a t e st o m a n yf a c t s o ft h et r a f f i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s u r b a nr o a dt r a f f i ci st h em o s t i m p o r t a n tp a r to f t h et r a f f i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s u r b a nt r a f f i ci n t e l l i g e n tc o n t r o li s t h ef i r s ts t e pt oi m p l e m e n tt h ei 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 se n g i n e e r i n g ，a n da l s o ah o ti s s u ei nc o n t r o le n g i n e e r i n ga n dt r a f f i ce n g i n e e r i n gf i e l d s u r b a nr o a dt r a f f i c c o n t r o li sac o m p l e xs y s t e m se n g i n e e r i n gp r o b l e m i ti n v o l v e sm a n ys u b j e c t s o f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , s u c ha st r a f f i ce n g i n e e r i n g ，a u t o m a t i cc o n t r o l ，s y s t e m s e n g i n e e r i n g a n do p t i m i z a t i o ns c h e d u l i n g u r b a nt r a f f i ci n t e l l i g e n t c o n t r o li sa m u l t i d i s c i p l i n a r yr e s e a r c hs u b j e c t ，a n dt h ed e v e l o p m e n to fu r b a nt r a f f i ci n t e l l i g e n t c o n t r o lt e c h n o l o g y d e p e n d so n t h en e w e s tr e s e a r c ho u t c o m e so fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y a p p l y i n gt h en e w e s tr e s e a r c ho fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yt ou r b a nt r a f f i c c o n t r o l s y s t e m sc a nc o n s u m m a t et r a f f i cc o n t r o lt h e o r i e sa n ds o l v ei n c r e a s i n g l ys e r i o u su r b a n t r a f f i cp r o b l e m s ，w h i c hi so ft h em o s ti m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rm e e t i n gt h es o c i a l d e m a n d ，a c c e l e r a t i n gt h ep r o g r e s so fn a t i o na n ds o c i e t ya n dd r i v i n gt h ed e v e l o p m e n t o fs u b j e c t u r b a nr o a dt r a f f i cs y s t e m ，a sat i m e d e p e n d e n tc o m p l e xg r e a ts y s t e mi n t ow h i c h i n t e g r a t e sh u m a n ，v e h i c l e s ，r o a d s ，e n v i r o n m e n ta n do t h e rc o m p l e xf a c t o r s ，i so fh i g h c o m p l e x i t y , t i m e d e p e n d e n c ea n dr a n d o m i c i t y i ti sd i f f i c u l t f o rt r a d i t i o n a lc o n t r o l v m e t h o d sb a s e do np r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e l st os o l v ec o m p l e x m o d e mu r b a nt r a f f i c p r o b l e m s ，a n dt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do ni n t e l l i g e n ta l g o r i t h mi sa f e a s i b l ew a yt os o l v eu r b a nt r a f f i cp r o b l e m s b a s e du p o ni n t e l l i g e n c ea l g o r i t h m ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e s ac o m p r e h e n s i v ea n dd e e p r e s e a r c ho nu r b a nt r a f f i c s i g n a lc o n t r o ls t r a t e g i e s a f t e rr e v i e w i n gt h et r a d i t i o n a l t r a f f i cc o n t r o ls t u d i e s ，t h i sd i s s e r t a t i o np u t sf o r w a r ds e v e r a la d v a n c e dt r a f f i cc o n t r o l i d e a s ，a l g o r i t h m sa n dm o d e l s t h em a i nc o n t e n t si nt h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e ： ( 1 ) r e v i e w i n gt h eu r b a nr o a dt r a f f i cc o n t r o lt e c h n o l o g yi nd e t a i la n dd e d u c i n gt h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa f t e rm a k i n gad i s c u s s i o nd i f f i c u l t i e sa n dp r o b l e m si nt h i s f i e l d ( 2 ) a no p t i m i z a t i o nc o n t r o lm e t h o do fu r b a ni n t e r s e c t i n ga r t e r i a lr o a d si n t e r s e c t i o n b a s e do nt r a f f i cf l o wf o r e c a s t i n g ，w h i c hi n t e g r a t e st r a f f i cf l o wf o r e c a s t i n ga n dt r a f f i c s i g n a lc o n t r o l ，w i t ht h ep u r p o s et or e s o l v et r a f f i cs i g n a lc o n t r o lp r o b l e mo fu r b a n i n t e r s e c t i n g a r t e r i a lr o a d si n t e r s e c t i o nw i t h h e a v yt r a f f i cv o l u m ei ss t u d i e d e s t a b l i s h e dp r e d i c t i o nm o d e la n dt o o kf o r e c a s t i n gq u e u el e n g t ho f n e x tt w op h a s e sa s t h ei n p u to ff u z z yc o n t r o lt of i xt h en e x tg r e e np h a s et i m e ，a n dl e tf o r e c a s t i n g i n c o m p l e t eq u e u et r a f f i cv o l u m eo ft h en e x tg r e e np h a s eg od u r i n gi t ss t a n d i n g t h e s i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h em e t h o dr e d u c et h ea v e r a g ev e h i c l e d e l a yt i m e e f f i c i e n t l y , a n da c h i e v et h ep u r p o s eo fk e e p i n gt h et r a f f i cs m o o t ho fa r t e r i a lr o a d s ( 3 ) t r a f f i cs i g n a lc o n t r o lm e t h o do fm u l t i i n t e r s e c t i o nf o ru r b a nt r u n kr o a di ss t u d i e d t h eu r b a nt n m kr o a d su s u a l l yh a v eh e a v yt r a n s p o r t i n gl o a d s e n s u r i n gt h eu r b a n t n m kr o a d s t r a n s p o r tf l u e n c yh a sas i g n i f i c a n te f f o r tt oi m p r o v et h eu r b a nt r a n s p o r t s i t u a t i o n t h et r a d i t i o n a la l g o r i t h mo ft r a f f i cs i g n a lc o n t r o lf o ru r b a nt r u n kr o a d sh a s g o n e b e y o n dt h ep r a c t i c a lc o n t r 0 1 t h ei n t e l l i g e n ta l g o r i t h mh a sd i r e c t e di n t r o d u c t i o n o ft h en e ww a yt ot r a f f i cs i g n a lc o n t r o lr e s e a r c ho fm u l t i i n t e r s e c t i o nf o ru r b a nt r u n k r o a d c o n c e r n i n gt h ef a c tt h a tt h es p a nb e t w e e ns o m en a t u r a li n t e r s e c t i o n so fu r b a n t r a f f i ct r u n kr o a d si ss m a l l e rt h a nu s u a l ，t h i sc h a p t e rg i v e sa g e n e r a l l yd i s c u s s i o no n t r a f f i cs i g n a lc o n t r o lo fm u l t i i n t e r s e c t i o nf o ru r b a nt r u n kr o a d a tl a s t ，i tp u tf o r w a r d t h ep o s s i b l et e n d e n c yi nt h i sr e s e a r c ha r e aa n de x p l a i n st h ei m p o r t a n c eo fi n t e l l i g e n t a l g o r i t h mf o rt r a f f i cs i g n a lc o n t r o lo fm u l t i i n t e r s e c t i o n f i n a l l y , w em a k eac o n c l u s i o na 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 si nt h i sf i e l d k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n ，t r a f f i cs i g n a l c o n t r o l ，i n t e l l i g e n tc o m p u t i n g ， o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m v l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的 研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：羔丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 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 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：薹丝导师签名：邕逮垒： 日期： 济南大学硕七学位论文 第一章绪言 1 1 选题背景和意义 交通是由人们的社会生产活动和生活活动产生的，人类社会的行为与交通息 息相关。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。目前，城市交通问题已成为全球经济发展的瓶颈， 是全球性的“城市病”之一。 在国外，特别是西方国家，由于经济发展起步较早，2 0 世纪6 0 年代时交通 问题就已经非常突出，纽约、巴黎、伦敦等城市的中心街道上，平均车速每小时 只有十多公里。美国德州运输研究所对美国3 9 个主要城市的研究，估计美国每 年因交通阻塞造成的经济损失约为4 1 0 亿美元，1 2 个最大城市每年的损失均超 过1 0 亿美元；日本东京每年因交通拥挤造成交通参与者时间损失的价值相当于 1 2 30 0 0 亿日元；而欧洲每年因交通事故、交通拥挤和环境污染造成的经济损失 分别达到5 0 0 亿欧元、50 0 0 亿欧元和5 0 5 0 0 亿欧元i j 。 我国在改革开放前及初期，由于经济发展相对落后，汽车保有量相对较小， 交通问题并不严重。从8 0 年代中期开始，随着我国国民经济的持续高速发展、 城市化进程的加快以及机动化水平的提高，导致交通供需矛盾日益尖锐，城市交 通状况日渐恶化，出行难已成为困扰人们生活的首要问题。最近几年来，轿车开 始进入家庭，交通供需更加不平衡，交通拥挤更加严重，尤其是在一些大中城市， 交通拥挤以及由此形成的社会公害，严重时甚至导致城市整体或局部功能的瘫 痪。城市交通问题在一定程度上已成为制约城市经济、社会可持续发展的瓶颈。 几十年来，尽管世界各国采取了各种各样的对策，但城市交通问题一直没有 得到很好的解决。但是通过国内外长期的实践，人们逐渐认识到任何单一层次、 几种方法的简集成都难以解决交通不畅这一“顽症”，必须采用系统工程的思想 和方法，通过科学、系统的综合治理来加以解决。目前，解决城市交通拥挤问题 必须从供和求两方面同时入手，其根本途径有两条：一是在“硬件 方面，加快 交通基础设施建设，通过新建道路、立交或对现有的道路网络进行改造以提高整 个路网的交通容量。二是在“软件”方面，加强交通管理，通过对交通流进行科 学合理的组织与管控，充分发挥包括道路在内的现有交通设施的潜力，最大程度 上使交通流做到安全、迅速、流畅、有序流动1 4 j 。 幂于智能计算的城市交通信号的优化控制研冗 交通设施的建设是发展城市交通，满足各种交通需求的物质基础。但是这种 选择是有限的，首先这需要大量的资金投入，回报周期长，部分地区或城市难以 承受。其次，仅仅依靠单纯的修建道路，不仅无法满足日益增长的交通需求，反 而会刺激、诱增交通流，从而很快堵塞新建道路。而且在交通问题严重的市区， 由于建筑格局己比较固定，土地开发强度已经相当高，通过大规模的道路建设提 高交通用地比例往往是不可能的。在这种情况下，加强城市交通管理便成为解决 交通问题的一条有效途径。城市交通管理是按照既定的交通法规的规定和要求， 运用各种手段、方法和工具，合理地限制和科学地组织、指挥交通，主要包括技 术管理、行政管理、法规管理、交通安全教育与培训考核、交通控制等内容。 日本、美国和西欧等发达国家为了解决共同所面临的城市交通管理问题，竞 相投入大量资金和人力，开始大规模地进行道路交通运输智能化的研究试验。起 初进行的研究是路径诱导和车辆的智能化，称为“智能车辆道路系统”，随着研 究的不断深入，系统功能扩展到道路交通运输的全过程及其有关服务部门，发展 成为带动整个道路交通运输现代化的“智能交通系统 。智能交通系统不仅提 高了路网通行能力，减少车辆平均延误、交通事故、减少废气污染以及解决了节 省能耗问题，同时还能大大减少交通警察和工程技术人员的工作量，降低其劳动 强度，改善城市生态环蝌5 6 j ，在世界各国起到了较好的效果。 1 2 智能交通系统与交通控制技术 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 ，i t s ) 最早出现于上世纪九十 年代初，是通过对关键基础理论模型的研究，将信息技术、通信技术、自动控制 技术和系统集成技术等有效地运用于交通运输系统，从而建立起大范围内发挥作 用的实时、准确、高效的交通管理运输系统【_ 7 ，8 】。 九十年代以前，智能交通的重要性并不明显，也没有引起足够的重视。进入 2 0 世纪九十年代以来，i t s 突然以惊人的速度发展，各发达国家争先恐后地投以 巨资进行i t s 的研发工作。仅日本政府1 9 9 6 年和1 9 9 7 年用于i t s 研究的年度预算就 高达1 6 1 亿日元。我国国家科技部在2 0 0 0 年组织交通运输领域的专家组成i t s 专家 组，起草了“中国智能交通系统体系框架。我国i t s 研究内容基本与日本、美国 以及国际标准组织i s o 的i s o t r l 4 8 1 3 的研究内容一致。智能交通系统包罗的内 容甚为广阔，例如交通流参数的预测，交通事件检测，车载网络系统，交通信号 灯控制系统，交通流诱导等等，其涉及到的有关控制与优化问题亦非常丰富。 交通控制就是控制交通，交通控制的目标是要在确定的行政规范约束下，应 用先进的技术手段，采用合适的运作方式来确保公共和私人运输方式具有最佳的 交通条件。交通控制的主要对象是机动车及其驾驶员，因此交通控制的基本任务 是对道路交通流进行合理的引导与控制，并及时为道路使用者提供必要的交通状 2 济南大学石贞l 学位论文 况信息，以达到减少交通事故、缓和或防止交通拥挤，减少尾气排放和噪声污染 及能源消耗的目的。 由于交通系统具有较强的非线性、模糊性和不确定性的特点，如何解决在智 能交通系统中提出的各种控制和优化问题已引起各领域众多研究者的兴趣。城市 道路交叉口信号控制具有改善交通流秩序与安全的优点，但若不能提供信号优化 控制，将会导致交通流停顿与拥堵的负面效应。现代城市交叉口信号控制理论研 究证明：交叉口信号间的协调优化，使得交通流在交叉口处遇到绿灯信号而不停 车等待( 即形成道路双向交通流的“绿波带 ) ，将极大地改善交通拥堵现象。美 国道路通行能力手册证明，实施道路双向交通绿波控制将对交通流的时间延误改 善超过2 0 0 - - - - 4 0 0 以上。由此可见，对道路网的信号协调优化控制，是解决城市 交通拥挤的有效方法。 1 3 交通控制技术的国内外发展现状 交通信号控制技术从十九世纪末二十世纪初【9 】的简单的手动机械信号装置 到自动，由固定周期到可变周期，控制方式由点控到线控和面控，从无车辆检测 器到有车辆检测器，直到今天广泛采用系统工程理论、人工智能和计算机等先进 技术的智能交通系统，经历了一个从简单到复杂、从低级到高级的发展过程，并 逐渐形成了一套较为成熟的概念和方法。 从二十世纪七十年代开始，随着城市化进程的加快和汽车的普及，交通问题 己经成为困扰世界各国的普遍性难题。而随着自然科学的发展和工程技术的进 步，计算机技术和自动控制技术的发展以及交通流理论的不断完善，使得人们对 于交通系统的规模复杂性和开放性有了更深层次的认识，国内外专家学者开始不 断将智能计算的方法引入城市交通控制。希腊学者c p p a p p i s 和英国学者 e h m a m d a n i 早在上个世纪七十年代就提出了单交叉口的模糊控制算法，开 辟了交通系统模糊控制的先河。日本学者n a k a t s u y a m am 等对交叉道口的模糊控 制进行了更为深入的研究，提出了有效的交通信号配时方案i 1 0 1 。随着神经网络理 论的逐步成熟，m s d o u g h e r t y h 、p f i n g e r 等人把人工神经网络引入交通流 的预测，表明了神经网络用于交通流预测的可行性。近年来，z j o s e f a 等人把多 智能体技术成功应用于城市交通的智能化管理与控制，也取得了良好的效果。国 内学者东南大学陈森发教授发展了c p p a p p i s 的模糊控制，提出了分层递阶多 级模糊控制思想实现对主干路交通流的控制【l l 】；五邑大学刘智勇教授提出了运用 模糊、神经网络和遗传算法结合的城市交通自适应控制思路；吉林大学杨兆升教 授运用神经网络建立非线性的交通流预测模型【1 2 】，以此来实现对城市交通流的诱 导和控制；东南大学王炜教授从城市交通网络的动态特性来建立交通流的分配模 型f 1 3 】，这些研究都大大推动了城市交通智能控制的发展，给后来者提供了良好的 3 幂f 。智能计算的城市交通信号的优化拧制研究 研究思路和借鉴。综合前述可以看出，对城市交通系统的控制首先是从单个交叉 口的单点控制开始，逐步发展到整条主干路的干线控制，最后发展到通过交通流 预测的交通诱导控制以及动态交通分配控制的区域控制。 我国城市交通控制技术的实施与应用起步较晚。北京市曾于1 9 5 8 年进行过孤 立交叉口的定周期信号控制实验，并于1 9 7 3 年应用t r a n s y t 方法完成了计算机 线控实验。二十世纪八十年代末期北京市引进了t r a n s y t 和s c o o t 交通控制系 统，上海和广州在s c a t s 系统的基础上开发研究城市交通控制系统，对解决当时 的城市交通问题及推动我国城市道路交通控制理论与技术的发展起到了一定的 积极作用。国外的这些交通控制系统经过较长时间的应用实践，技术已经相对成 熟，但在我国的具体应用中，还表现出一些不适应性，集中体现在： ( 1 ) 我国道路交通基础设施落后，路网结构不合理，导致实际控制效果不甚 理想： ( 2 ) 没有考虑我国特有的行人、非机动车和机动车三元混合交通流情况和配 时方法的局限性使得现有道路交通设施的运输能力得不到充分利用而加重了交 通拥堵。 ( 3 ) 系统投资成本过大，致使许多城市无力安装这类系统； ( 4 ) 后期服务费用过高，使得己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。 因此，根据我国交通流的特性和国情，研究适合国内交通状况且具有完全自 主知识产权的自适应城市交通控制方法具有重要的学术价值和实用价值。近年 来，随着国家支持力度的增加，国内许多交通科研机构和大专院校竞相开展了城 市交通控制等智能交通项目的研究，取得了一些阶段性的研究成果。但是交通控 制理论与技术的发展还很不成熟，随着其它相关技术领域的发展以及信号优化控 制相关模型和算法的不断出现，城市交通控制系统将会不断走向完善和实用。 1 4 当前交通控制技术的主要发展方向 城市道路交通自动控制技术的发展以城市交通信号控制技术为先导。近年 来，先进的城市交通控制系统在世界上备受瞩目且得到迅速发展和应用。迄今为 止，日本、欧洲和美国都竞相投入了大量的资金和人力，建立了相应的组织机构 从事交通控制系统的开发研究，取得了一些阶段性的研究成果，开发出一系列较 为先进的交通控制系统。伴随着现代高新技术的广泛推广与应用，城市交通信号 控制系统呈现出几大发展趋势1 1 4 , 1 5 j ( 1 ) 控制理念的变化 控制侧重点由微观向宏观转变，人们开始从全局和整体角度出发考察交通系 统运行、交通流组织、交通规划、土地利用及其相关关系，从而把握城市交通系 4 济南大学硕士学佗论文 统的运行状态，提高系统的运行效率，解决城市交通问题，进而保证城市大系统 的可持续发展。 ( 2 ) 人工智能技术的应用 人工智能的研究始于2 0 世纪5 0 - - 6 0 年代，计算机的广泛应用促成了人工智能 的巨大发展，针对传统交通控制系统技术的缺点，交通工程师把人工智能的专家 系统( e x p e r ts y s t e m ) 、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 ) 、模糊控南t ( f u z z y c o n t r 0 1 ) 和遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 等先进技术应用到交通工程领域，使得交 通控制系统的智能化水平得到进一步提高。随着这些技术的逐步成熟和完善，实 用化程度的提高，对硬件要求的降低，必将使城市交通信号控制系统呈现更广阔 的发展前景。 ( 3 ) 多智能体技术在交通控制中的应用 智能体a g e n t 是被定义为具有感知能力、求解问题能力和与外界进行通信能 力的实体。城市交通系统众多智能体的应用主要是先进的交通管理系统( a t m s ) 和先进的旅行信息系统( a t i s ) 的集成。从城市交通控制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。近年来， 国内外学者把多智能体技术应用于城市道路交通控制实践，提出将区域交叉口信 号灯控制、城市高速公路匝道口控制、动态路由导航等城市交通控制单元结合起 来，建立基于多智能体的城市交通集成智能控制体系，取得了一些满意的阶段性 研究成果【1 6 - 1 8 】 ( 4 ) 区域交通信号与城市高速公路的集成控制 目前，世界上许多大城市都建有完善的高速公路交通体系，现代城市交通控 制呈现出了新的特点，不再仅仅是平面交叉道口信号灯的控制，而是包括区域交 通和城市高速公路交通的集成控制。区域交通控制和城市高速公路交通控制构成 的城市大交通网络是一个复杂的非线性巨系统，在进行城市交通控制时，必须考 虑两者之间的协调。研究表明，合理运用集成控制策略实现区域交通信号与城市 高速公路的集成控制，可以显著减少通道旅行时间，提高城市交通路网的通行能 力【1 9 之2 1 。 ( 5 ) 动态路径诱导与交通信号控制的集成 在城市交通系统中，交通信号控制和动态交通诱导之间有着密切的联系。首 先，由于路口信号灯的控制使得车辆的行程时间除了包括路段上的行驶时间之 外，还包括路口的延误时间，而后者主要受路口灯色控制的影响。同时，交通控 制效果的优劣会使得道路堵塞减轻或加重，进而影响道路通行能力及车辆的行程 时间。因此交通诱导策略的实施受到交通信号控制的影响。另一方面，如果不考 虑交通控制效果对交通需求的影响，交通控制也只能是对已经产生并即将通过交 基于智能计算的城市交通信号的优化控制研究 叉口的车辆进行被动控制，其结果是交通信号不能主动改变网络流量在时间上的 分布，以实现现有路网通行能力的最大化。近年来，众多研究者发现交通信号控 制和动态交通诱导的集成可以更加有效地缓解城市交通拥挤状态，二者的集成已 成为城市交通系统研究的热点问题之一，也是城市交通控制发展的主要方向 2 3 - 2 6 0 1 5 主要研究内容以及章节安排 随着我国经济的发展，汽车工业也在迅速发展，如果我们不做好城市规划和 城市交通控制，那么随之而来的城市交通问题将会面临更加严峻的形势。针对这 些问题，把智能控制引入交通控制中，由于不需要建立精确的数学模型，且在仿 真中表现出良好的实时性和稳定性，是一种很有前途的控制方法。从理论意义上 来说，智能交通系统是城市交通信号灯控制的必由之路。可见，对此展开研究， 将是世纪系统工程学科研究中的一个新的生长点。同时信号控制的智能化其定了 整个道路智能运输系统的发展荃础。从实际意义上来说，交叉1 ：3 的智能控制不仅 可以提离交叉口的道路通行能力，而且可以解决交通延误和交通拥挤等问题，给 国家和社会带来不可估量的经济效益。 第一章从城市交通问题入手，论述本文研究工作的必要性和意义，阐述了智 能交通系统、交通控制技术的相关研究内容和国内外研究概况，并介绍了当前城 市交通控制技术的发展方向，最后介绍了本文的工作和章节安排。 第二章详细介绍了城市交通控制系统基本理论。该部分首先介绍了交通信号 控制中的基本概念和系统分类：接着讨论了交叉口设立信号灯的利弊和依据和当 前控制系统的主要分类，探讨了反映城市交通控制系统信号配时优劣的主要评价 指标和辅助评价指标，以及它们与信号配时参数的关系。最后介绍了智能计算的 主要内容。这些内容是交通控制的基础，它为本论文的研究提供了基本理论依据。 第三章提出一种基于预测的主干道相交路口优化控制方法，将交通流预测与 交通信号控制相结合，用于解决交通流量较大的城市主干道相交路口的信号控制 问题。建立预测模型，将预测的下两个相位队长作为模糊控制的输入以确定下一 绿相位时间，在后一绿相位持续时间内放行该相位的预测的尚未全部排队的车流 量。仿真实验表明该方法有效减小了平均车辆延误时间，达到了保持干道交通通 畅的目的。 第四章研究了城市干线交通信号的控制方法。基于城市干线交通中某些自然 交叉口相距较近的实际情况，本章研究了基于交通流预测技术的干线交通协调控 制方法，该方法通过预测数据计算协调控制参数，用遗传算法优化相位差，通过 实时检测的交通数据调整当前控制周期的控制参数，通过仿真实验证明了其有效 性，具有一定的现实意义。 6 济南大学硕士学位论文 第二章城市交通控制与智能计算 2 1 城市道路交通控制的基本概念 城市交通信号控制是城市交通管理中的一个极为重要的环节。从最初简单 的机械信号装置到今天广泛采用系统工程理论和人工智能技术，期间经历了一个 从简单到复杂、从低级到高级的发展过程。 城市道路中存在大量的交叉路口，成为交通流的汇集和分流点。为了使交通 流安全高效地进入和离开平面交叉路口，必须采用某种控制方法，合理的分配通 行权，使发生冲突的交通流在时间和空间上分离，从而保证车辆和行人的安全通 过。 交通信号机给出的信号为红黄绿三色。在多相位信号控制中灯光信号还包含 左转、直行、及右转的绿色和红色箭头灯。我国1 9 8 8 年3 月颁布的中华人民共 和国道路交通管理条例中有如下规定： ( 1 ) 绿灯亮时，准许车辆、行人通行，但转弯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。 一般来说，在交通控制中至少有3 个基本参数是可以由信号机直接控制的， 这就是周期c 、绿信比五和相位差f 0 。除此之外，某些信号机还能对相位数进行 控制，如从2 相位变成4 相位或相反。 ( 1 ) 周期 用于指挥交通的信号总是一步一步循环变化的，一个循环由有限个步构成。 一个循环内各布的步长之和称为信号周期，简称为周期，用c 表示。若一个循 环有n 个步，各步步长分别为t t ，t e ，乙，则 c 生力+ 匕+ + 岛( 2 1 ) ( 2 ) 相位 在交通控制中，为了避免平面交通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间段，交叉口上某一支或几支交 通流具有通行权，而与之相冲突的其他交通流不能通行。信号机在一个周期内有 若干个控制状态，每一种控制状态即称为相，也就是在一个周期时间内，对一条 或几条车流按顺序发出同步同色信号显示顺序，并按照顺序循环开放信号灯，每 7 幂于智能计再f f 勺城市交通信号的优化柠制研究 一种不同组合信号称为相。平面交叉