（交通信息工程及控制专业论文）高速公路限速控制与入口匝道控制研究.pdf

摘要 摘要 随着社会经济的快速发展和汽车的普及，高速公路交通拥挤已经成为困扰世界 各国政府的严重社会问题。为了有效地解决高速公路交通问题，一方面必须修建更 多的高速公路；另一方面必须对交通量进行合理地调节与控制，使交通流做到有序 流动。限速控制和入口匝道控制是高速公路交通控制的两个重要内容，针对传统的 交通控制技术的缺陷，本文把智能控制应用到高速公路交通控制中，详细探讨了限 速控制和入口匝道控制的几种智能方法，论文的主要工作如下： 1 建立高速公路交通流速度限制的神经网络模型。限速控制是高速公路交通控 制的重要措施和手段，为了提高限速控制精度，提出e l m a n 神经网络建模方法。阐 述了e l m a n 神经网络的原理，根据高速公路主线上车辆群状态、路面状况、气象条 件等信息，建立交通流速度限制e l m a n 神经网络模型，e l m a n 神经网络的输入层、 上下文层、隐含层和输出层的节点数目分别选为2 、1 2 、1 2 和1 ，采用 l e v e n b e r g m a r q u a r d t 算法对e l m a n 神经网络进行训练，并与r b f 神经网络进行仿 真对比。结果表明，e l m a n 神经网络和r b f 神经网络的训练误差分别为9 9 9 7 6 9 1 0 9 和2 3 8 1 1 2 x1 0 4 ，与r b f 神经网络相比较，e l m a n 神经网络自适应能力强、 泛化能力好，能准确地建立交通流速度限制模型，具有良好的应用前景。 2 采用遗传算法优化高速公路入口匝道p i 控制器。首先给出了遗传算法优化 的步骤，阐述了匝道控制目标，然后建立了高速公路交通流模型，并用遗传算法对 入口匝道p i 控制器的参数进行了优化。仿真结果表明，该方法性能优越，用于高速 公路入口匝道控制中效果较好。 3 结合模糊逻辑在处理语言信息上的优势和p i 控制在处理误差上的优势，设 计了高速公路入口匝道f u z z y p i 混合控制器，并用遗传算法对p i 参数进行了优化。 模糊控制器的输入变量选为密度误差和误差变化，采用三角形隶属度函数，并制定 了9 条模糊控制规则。仿真结果表明，混合控制器比单纯的p i 控制器具有更优越的 动态和稳态性能，它能使高速公路主线交通流密度保持为设定的期望密度。 关键词：高速公路；限速；匝道控制；e l m a n 神经网络；遗传算法 五邑大学硕士学位论文 a bs t r a c t ， w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m ya n dt h ep r e v a l e n c eo fc a r s ，f r e e w a y t r a f f i cc o n g e s t i o nh a sb e c o m es e r i o u ss o c i a lp r o b l e m st h a tp u z z l et h eg o v e r n m e n t s a r o u n dt h ew o r l d i no r d e rt oe f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e m so ff r e e w a yt r a f f i c ，i ti s n e c e s s a r yt ob u i l dm o r er o a d s o nt h eo t h e rh a n d ，i ti sn e e d e dt or e g u l a t ea n dc o n t r o l t r a f f i cv o l u m ep r o p e r l y , a n dt om a k et r a f f i cf l o wm o v ei no r d e r s p e e dl i m i tc o n t r o la n d o n r a m pc o n t r o la r ec o n s i d e r e da st w oi m p o r t a n tc o m p o n e n t so ff r e e w a yt r a f f i cc o n t r 0 1 f o rt h ed r a w b a c k so ft r a d i t i o n a lt r a f f i cc o n t r o lt e c h n i q u e s ，i n t e l l i g e n tc o n t r o li sa p p l i e d t of r e e w a yt r a f f i ci nt h i sp a p e r s e v e r a li n t e l l i g e n tm e t h o d so fs p e e dl i m i tc o n t r o la n d o n r a m pc o n t r o lh a v eb e e ns t u d i e di nd e t a i l t h em a i nc o n t r i b u t i o nc a nb es t a t e d a s f o l l o w s ： 1 t h en e u r a ln e t w o r km o d e lf o rs p e e dl i m i to ft r a f f i cf l o wi sb u i l t t h ec o n t r o lf o r s p e e dl i m i ti so fg r e a ti m p o r t a n c ei nt h ef r e e w a yt r a f f i cc o n t r 0 1 i no r d e rt oi m p r o v et h e c o n t r o la c c u r a c yo fs p e e dl i m i t ，am o d e l i n gm e t h o do fe l m a nn e u r a ln e t w o r ki sp u t f o r w a r d t h ep r i n c i p l eo fe l m a nn e t w o r ki sf o r m u l a t e da n dt h ee l m a nn e t w o r km o d e lf o r s p e e dl i m i to ft r a f f i cf l o wi sb u i l tb a s e d o ns u c hi n f o r m a t i o na st h en u m b e ro fv e h i c l e so n t h ef r e e w a y , t h ep e r f o r m a n c eo ft h er o a ds u r f a c e ，a n dt h ew e a t h e rc o n d i t i o n s t h en o d e n u m b e r so ft h ei n p u tl a y e r , c o n t e x tl a y e r , h i d d e nl a y e ra n do u t p u tl a y e ro ft h ee l m a n n e t w o r ka r es e l e c t e da s2 ，12 ，12a n d1r e s p e c t i v e l y l e v e n b e r g - m a r q u a r d ta l g o r i t h mi s u s e dt ot r a i nt h en e t w o r k ，a n dt h es i m u l a t i o ni sc a r r i e do u ti nc o n t r a s tt ot h er b f n e t w o r k s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et r a i n i n ge r r o r sf o rt h ee l m a nn e t w o r ka n dt h e r b fn e t w o r ka r e9 9 9 7 6 9 x 1 0 9a n d2 3 8 11 2 x l o - 4r e s p e c t i v e l y c o m p a r e dw i t ht h er b f n e t w o r k ，t h ee l m a nn e t w o r kh a ss t r o n g e ra d a p t a t i o na n db e t t e rg e n e r a l i z a t i o na b i l i t y , a n d c a nb u i l ds p e e dl i m i tm o d e lm o r ea c c u r a t e l y i ti sf o u n dt ob ep o t e n t i a l l ya p p l i c a b l ei n p r a c t i c e 2 t h eg e n e t i ca l g o r i t h mi su s e dt oo p t i m i z et h ep ic o n t r o l l e rf o rf r e e w a yr a m p m e t e r i n g f i r s tt h eo p t i m i z a t i o np r o c e d u r e sw i t hg e n e t i ca l g o r i t h ma r eg i v e n ，a n dt h e o b j e c t i v eo fr a m pm e t e r i n gi sf o r m u l a t e d t h e nt h ef r e e w a yt r a f f i cf l o wm o d e li sb u i l t ， a n dt h ep a r a m e t e r so fa no n - r a m pp ic o n t r o l l e ra r eo p t i m i z e dw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m a b s t r a c t s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i m i z a t i o nm e t h o di so fh i g hp e r f o r m a n c e i ti sv e r y e f f e c t i v et of r e e w a yr a m pm e t e r i n g 3 i nc o n ju n c t i o nw i t ht h ea d v a n t a g e so ff u z z yl o g i ci n p r o c e s s i n gl a n g u a g e i n f o r m a t i o na n dp ic o n t r o li np r o c e s s i n ge r r o r , af u z z y p im i xc o n t r o l l e ri sd e s i g n e df o r f r e e w a yr a m pm e t e r i n g ，a n dg e n e t i ca l g o r i t h mi su s e dt oo p t i m i z et h ep ip a r a m e t e r s d e n s i t ye r r o ra n de r r o rv a r i a t i o na r ec h o s e na st h ei n p u tv a r i a b l e so ff u z z yc o n t r o l l e r , a n d t r i a n g l ec u r v e sa r eu s e df o rt h em e m b e r s h i pf u n c t i o n so ft h ef u z z yv a r i a b l e s n i n ef u z z y c o n t r o lr u l e sa r ea l s oe s t a b l i s h e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em i xc o n t r o l l e rh a s b e t t e r d y n a m i ca n ds t e a d y - s t a t ep e r f o r m a n c ec o m p a r e dw i t hp ic o n t r o l l e r , a n dc a n a c h i e v ead e s i r e dt r a f f i cd e n s i t ya l o n gt h em a i n l i n eo faf r e e w a y k e y w o r d s ：f r e e w a y ；s p e e dl i m i t ；r a m pm e t e r i n g ；e l m a nn e u r a ln e t w o r k ；g e n e t i c a l g o r i t h m i 本人声明 我声明，本论文是自己在导师的指导下独立完成的，论文中用到的一切资料均 在参考文献中列出。 作者：李政 签字：李凼 2 _ w o , g 年主其| b 第一章绪论 1 1 研究背景及其意义 第一章绪论 高速公路是连接城市与城市、城市与地区的纽带，是交通的大动脉之一，对促 进城乡经济的发展起着重要的桥梁作用。高速公路的建成，引起沿线地区经济加速 发展，汽车拥有量及货物运输量不断增加；同时引起附近地区土地使用方式的改变， 大量的工厂、商店、住宅区在沿线地区建成，导致出行人数迅速增加，高速公路上 交通阻塞现象时有发生，因此对高速公路实施交通控制是非常必要的。 当前道路交通存在的问题主要表现如下： ( 1 ) 交通事故频繁发生，对人类生命安全造成极大威胁。据统计【l 】，2 0 世纪因 交通事故全世界共死亡2 5 8 5 万人，该数字比第一次世界大战中死亡的人数还多。2 0 世纪一共生产了大约2 2 3 5 亿辆机动车，也就是说每生产1 0 0 辆机动车平均至少要 夺走1 2 人的生命。 ( 2 ) 交通拥堵严重，导致出行时间增加，能源消耗加大。据统计【l 】，在巴黎，每 天由于交通拥挤引起的损失时间相当于一个拥有1 0 万人口城市的日工作时间。据测 算，如果一辆小汽车在7 k m h 至8 8 k m h 的速度之间加减速1 0 0 0 次，则比匀速行驶 时多消耗燃油6 0 升，如果是卡车则多消耗燃油1 4 4 升。 ( 3 ) 空气污染和噪声污染程度日益加剧。汽车的尾气排放、噪声是当今世界最 严重的环境污染源之一，这种污染在车辆制动和起动过程中更为严重。实验表明， 车辆在起动、制动时排出的废气量是匀速行驶时的7 倍以上，产生的噪声也比正常 行驶时高出数倍。 ， 由此可见，交通问题严重影响了人类生活的质量，给环境、经济和社会带来了 严重的后果。为了解决交通问题，除了通过行政手段改变交通的运行规律外，修建 更多的道路是最直接和最有效的方法。然而，修建新的道路需要巨额资金，而且受 到城市有限空间的严格限制。 随着信息技术、计算机技术、网络技术、电子技术、通信技术、传感器技术、 智能控制技术、全球定位系统和地理信息系统等高新技术的飞速发展，人们意识到 利用这些新技术把人、车辆、道路紧密结合起来，不仅能够有效地解决交通阻塞问 题，而且对交通事故的应急处理、环境保护、能源节约等都具有显著的效果。 l 五邑大学硕士学位论文 在此背景下，国内外众多学者提出把车辆和道路综合起来，把交通管理和交通 控制作为一个系统来进行动态研究，逐步发展成智能交通系统( i 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 m ，简称i t s ) 。智能交通系统作为解决实际大型复杂系统问题的 方法论，在高速公路交通控制与交通管理领域具有相当大的应用潜力，因此成为近 年来受人瞩目的应用研究领域，并向产业化方向迅猛发展【2 】 我国的高速公路发展比西方发达国家晚近半个世纪的时间1 3 j ，从8 0 年代末开始 起步，经历了8 0 年代末至1 9 9 7 年的起步建设阶段和1 9 9 8 年至今的快速发展阶段。 2 0 0 2 年年底，我国高速公路通车里程一举突破2 5 万公里，位居世界第二位，2 0 0 4 年年底超过3 万公里。除西藏外，各省、自治区和直辖市都已拥有高速公路，有1 5 个省份的高速公路里程超过1 0 0 0 公里。辽宁省和山东省已实现了省会到地市全部由 高速公路连接，长江三角洲、珠江三角洲、环渤海等经济发达地区的高速公路网络 也正在形成。从起步到高速公路通车1 万公里，我们用了1 2 年时间，从1 万公里到 突破2 万公里，只用了4 年时间，从2 万公里到突破3 万公里只用了两年时间，2 0 0 5 年高速公路里程达到4 1 0 0 5 公里，继续保持世界第二。可以说，仅仅1 7 年，中国 高速公路的发展创造了世界瞩目的速度，这是经济和社会发展的现实需要，也是交 通实现跨越式发展的重要标志。交通部副部长冯正霖2 0 0 7 年1 1 月1 6 日在全国公路 建设座谈会上介绍，自“十五 以来共新增高速公路里程3 2 7 万公里，到2 0 0 7 年 年底，全国高速公路通车总里程预计达5 3 万公里。高速公路逐步连线成网，规模 效益凸现。其中，河南省高速公路里程突破4 0 0 0 公里，江苏、山东、广东三省高速 公路里程均突破3 0 0 0 公里。 高速公路交通的控制方法很多，比如限速控制、入口匝道控制、汇合控制、主 线控制和通道控制、事件和拥挤检测、不停车收费等等。其中入口匝道控制是使用 最广泛、效果最好的一种控制方式，通过对进入高速公路的车辆数的控制，使高速 公路的车流量在道路最大容量允许范围内运行，从而有效地预防常发性的拥挤；结 合道路检测器形成闭环控制，可有效地减轻偶发性拥挤。而限速控制不仅可以降低 事故发生率，还可以使主线交通流的速度能随车辆数目以及路面性能的改变而变化， 保证交通流的均匀、稳定，提高道路通行能力。对这两种方法的研究将会对高速公 路主要矛盾的缓解起到很大的作用，把先进的智能技术与交通工程相结合，促进理 论成果向实际应用的转化，从而有效地解决交通阻塞等实际问题。 2 第一章绪论 1 2 国内外研究动态 1 2 1 高速公路限速控制 限速控制是主线控制常用的方法之一，是对高速公路主线的交通进行调节、诱 导和警告。主线控制的基本目标是改善高速公路运行的安全和效率，缓解主线上的 交通拥挤和交通瓶颈对交通的影响，这种控制对常发性拥挤和偶发性拥挤都是有效 的。主线控制是高速公路交通控制的一种基本控制策略，其控制对象是高速公路本 身即路段的交通流。常用的主线控制方法还有车道使用控制和驾驶员信息系统等。 主线限速控制是通过设置可变速度标志来限制行车速度，从而使主线交通流的 速度能随车辆数目以及路面状态、气象条件等的改变而变化，保证交通流均匀稳定， t 减少交通事故，同时还能提高道路的通行能力。目前国内外关于主线限速控制的文 献较少。 文献 4 】分析了不同道路环境、不同时段对驾驶员的生理和心理的影响，以及对 汽车安全性能的影响，并根据交通状态、气象环境、时段特点及施工事件的要求制 定了控制方案。 文献【5 】根据不同地形类别、不同交通量和几何线形条件，调查了国内代表各片 区特点的1 5 条正在运营的高速公路。通过对1 0 7 个断面的现场调查与大量实测数据 分析，研究我国高速公路不同地形类别和不同线形情况下的车速分布情况、车速变 化规律以及相关的影响因素。将平直路段小型车的运行车速作为高速公路平直段限 制车速取值的依据，用回归分析的方法建立了运行车速与曲线半径、运行车速与坡 度之间的关系模型，从运营管理的角度提出了确定高速公路曲线段和坡度段合理限 制车速具体的方法和建议值。 文献 6 】应用高速公路主线速度控制的基本原理，结合工程项目实例，对山东省 高速公路监控系统中主线可变限速标志显示的可变限速值的计算流程进行了介绍， 提出了用于程序实现的三个模块，给出了程序流程图，同时对提供相关计算数据的 外场设备的对应关系作了简洁、形象的描述。 文献 7 】结合我国高速公路和城市快速路的特点，运用交通流理论对拥挤产生的 原因进行分析，提出相应的可变限速控制策略、模型及算法，并进行有效性评价。最 后，提出关于可变限速控制应用的一些建议和今后的研究方向。 自2 0 0 5 年以来开始有人将人工人经网络、模糊逻辑以及支持向量机等也应用到 3 五邑大学硕士学位论文 了高速公路限速控制上来。 文献 8 针对高速公路可变速度控制是一个非线性时变系统，难于用数学模型准 确建模这一特点，提出了神经网络控制方法。阐述了神经网络学习算法，设计了高 速公路可变速度标志神经网络控制器，并对控制器进行了仿真研究。 文献 9 】根据高速公路车辆群状态、路面性能、气象条件等，建立交通流速度限 制模糊神经网络模型，并进行了仿真研究。仿真结果表明网络训练速度快、精度高， 适合交通流限速控制的在线建模。该方法切实可行，可使交通流更加均匀、稳定，从 而提高主线运行的安全和效率。 文献 1 0 l 提出用支持向量机回归方法实现高速公路限速控制，阐述了支持向量 机回归算法，建立交通流速度限制支持向量机回归模型。仿真实验表明，支持向量 机回归对小样本具有训练速度快、泛化能力好等优点。支持向量机回归方法为交通 流限速控制的在线建模提供了一种切实可行的新思路。 国外发达国家高速公路起步较早，经济基础雄厚，到目前为止其高速公路都已 经形成或基本形成了网络，作为高速公路的重要组成部分交通工程设施也已经 发展得相当完善，它们通过布设在高速公路上的传感器、高架摄像机及可变情报板 等设施对公路交通状况进行2 4 小时监控，国外相继出现了一些采集系统和硬件配套 设施【1 1 j 。一旦感知道路、交通、气候等条件变化，就通过高速公路自动监控系统和 专门的高速公路广播电台及时将信息提供给管理人员和驾驶者，以提醒其采取必要 措施。 、 文献【1 2 】讨论了高速公路限速控制与入1 ：3 匝道控制的协同工作，以使车辆总旅 行时间最短。这是对限速控制模型的扩展，这种方法使限速控制增加了一种有预测 性的协调控制方法，在通过匝道控制无法阻止堵塞的时候，通过对交通流动态的控 制而减少总旅行时间和产生堵塞的可能。 文献 1 3 】以多伦多的一段城市高速公路为实际对象，研究了可变限速控制标识 系统的具体应用方法和效果，为世界各地的限速控制提供了参考数据。 国内外学者在针对道路、交通、气候等条件变化的研究( 这些条件包含的诸多因 素称为限速要素) ，并未找到一个恰当的数学模型，只是建立了一个或偏重一方要素 或偏重另一方要素的经验模型。因此，目前在限速要素的全额要素方面的研究还是 一个空白。所以，建立一个包含主要限速要素的数学模型，并在此基础上研究一套 实用、有效和价格适中的“高速公路可变限速专家系统 是非常必要的。 第一章绪论 两点评述： ( 1 ) 车辆进入高速公路后，车辆的速度是根据驾驶员的喜好随意调节的，这样可 能会扰乱正常平稳的交通流，并且容易造成交通事故，而主线限速控制则有助于车 流的稳定，从而减少交通事故。 ( 2 ) 根据道路上不同的交通流量、不同的能见度、不同的路面附着系数、不同 的道路线形等条件用公式法计算限速值在实际应用中存在缺陷，必须研究模糊逻辑、 神经网络、支持向量机等智能限速控制方法。 1 2 2 高速公路入口匝道控制 高速公路对出行者的吸引力很大，但大批车辆的涌入不仅会造成常发性交通拥 挤，还可能导致突发性交通拥挤，入口匝道控制是解决这类问题的有效途径，是一 种应用最广泛的控制策略，其基本目标是控制高速公路的交通需求，即在高峰期间 控制进入高速公路的车辆数目，使高速公路交通流运行在最佳状态，使某种性能指 标达到最佳。出于安全考虑，很少使用出口匝道控制。实施匝道控制的前提是匝道 上游的车流量小于下游的通行能力，匝道控制能够提高高峰期间主线的流量和车速， 缩短旅行时间，在一定程度上抑制车流扰动并减少交通事故。常用的入口匝道控制 方法有：入口匝道定时控制、入口匝道感应控制、入口匝道系统控制。 在入口匝道定时控制中，调节率是根据过去己有的交通统计与测量数据经过计 算而确定的，因此它不能响应交通需求的随机变化，难以消除交通拥挤；在入口匝 道感应控制中，调节率是根据匝道口上游、下游检测器所提供的实时交通数据动态 地确定，因而能响应交通需求的随机变化，但这种控制方法只考虑本匝道口及其上 游邻近路段的交通需求和下游邻近路段的通行能力，与其它入口匝道的控制无关联， 因而不能实现全局优化；在入口匝道系统控制中，把包含若干个入口匝道的整条高 速公路看成一个整体，实时采集各路段的交通信息，并进行动态优化计算，确定各 入口匝道的调节率。一般这种系统可分为集中控制结构与分层递阶控制结构两种形 式。按照控制原理的不同，入口匝道控制又可分为：最优控制、线性二次型反馈控 制、分层递阶控制、智能控制等。 文献【1 4 】选择旅行时间作为性能指标，采用基于动力波的差分模型，利用极大 值原理求解最优匝道控制问题。对上、下游时间占有率、车速及排队长度等因素在 动力波差分模型中的定义和作用进行了阐述。根据实际的应用效果看，该方法可以 5 五邑大学硕士学位论文 达到预想的目标。 文献【1 5 】利用改进的共态预估法将最优控制问题的求解过程转化成一组低维无 约束子问题的序贯迭代过程。这种处理方法是人为的将系统分解，系统的最优性有 所损失，所以得到的是次优解。 文献【1 6 】从动力波的角度考察交通事故，将拥堵清除问题定义为时间最优控制 问题。 文献【1 7 】将系统分解成若干个结构交迭的子系统，分别求得各子系统的线性二 次型反馈控制律，再利用交迭方法重构原系统的次最优反馈控制律。基于系统论的 思想，把协调控制策略引入到入口匝道控制中，更好地适应了高速公路中的复杂性 和不确定性。 文献 1 8 】将匝道控制问题定义为一个分散线性二次型问题，并将该问题转化成 一个非线性参数优化问题。 文献 1 9 】指出，采用具有交迭信息集的分散控制结构能够提高整个系统的可靠 性。按照分解、协调方法设计的大系统控制在结构上一般分为控制层、优化层、自 适应层，有时还有自组织层。 随着智能控制技术的发展，模糊理论和神经网络也被越来越多的用于交通控制 中，匝道控制器的设计将变得更简单，控制效果将更好。 在设计全局最优分散控制器时，传统的匝道控制器设计方法多要求将高速公路 流的非线性偏微分方程模型简化成一个线性差分方程模型，这种简化会影响控制器 的性能，因此一些研究者开始考虑设计智能匝道控制器。模糊逻辑很早便应用于交 通控制。2 0 世纪7 0 年代，p a p p i s 设计了一个针对孤立交叉口信号灯的模糊控制器， 效果很好。8 0 年代，c h e n 讨论过孤立匝道口的模糊控制问题。8 0 年代随着人工神 经网络研究热潮的兴起，人们发现在各种可能的近似函数中，神经元网络具有很强 的非线性近似能力。1 9 9 4 年，p a r i s i n i 利用个串级的神经元网络实现一个反馈控 制函数，并利用类似方法设计匝道控制器。p a p a g e o r g i o u 尝试利用神经元网络去逼 近局部区域匝道反馈控制函数中的非线性项。仿真表明，在强扰作用下神经元方法 优于一般方法。 p a p a g e o r g i o u 给出了一种反馈控制策略称为a l i n e a 控制律，并在巴黎等城市 应用【2 0 】，应用效果良好：p a p a g e o r g i o u l 2 1 1 设计了递阶匝道控制系统，试图将开环优 化的计算可行性与闭环控制的鲁棒性及分散控制的可靠性结合起来，该递阶结构包 6 第一章绪论 括适应层、优化层和控制层；s a r d i s l t 2 2 1 提出的递阶智能交通控制系统包括组织级、 协调级和控制级；文献 2 3 2 4 1 研究了单个入口匝道模糊控制方法；文献【2 5 】利用神 经网络设计匝道控制器；文献【2 6 】利用神经网络逼近匝道反馈控制律中的非线性项； 文献【2 7 】设计了积分型和比例积分型神经网络匝道控制器：文献 2 8 - 3 0 用遗传模糊 方法和模糊神经方法设计txn 匝道控制器；p a p a g e o r g i o u1 3 1 】对入口匝道调节进行 了综述，主要综述了定时控制、交通响应控制和非线性最优控制。 我国学者对高速公路控制系统研究的关注是从2 0 世纪9 0 年代开始的，取得了 一些理论成果，但对匝道1 3 控制研究的成果仅仅局限于理论探讨【3 2 4 4 1 。 下面对入口匝道控制作几点评述： ( 1 ) 匝道控制是非线性控制，而且与之有关的许多概念具有模糊性，如交通状 况( 畅通、饱和、拥挤、堵塞等) 、车流稳定性等。而模糊逻辑和神经网络都不依赖 于精确的数学模型，都有较强的非线性函数近似能力，因此模糊控制、神经网络控 制和自学习控制是解决匝道控制问题的有效途径。 ( 2 ) 高速公路入口匝道控制问题既包含模型不确定性，又包含环境不确定性， 是一个强非线性系统，必须研究鲁棒控制、自适应控制、预测控制、智能控制等方 法。 ( 3 ) 依据最优控制理论设计的匝道控制器，性能指标的选择过于苛刻、笼统。 出行者在出行中不知道也不追求车流的最优状态，但他们却能感知“满意状态”的 存在，而且出行者对于车流扰动有一定的心理承受能力，所以交通控制更应该是一 种“满意控制 ，它与模糊控制、鲁棒控制有着天然的联系。 1 3 论文主要工作及内容安排 事实上，交通系统是非线性、随机的、时变的和高阶的复杂的动力学系统，想 直接从理论上推导某种规律来描述交通流是不可能涵盖其全部特性的。近年来，人 们将智能方法引入高速公路控制中，来克服传统方法所面临的难题。智能方法在高 速公路限速控制和入口匝道控制中展现出它巨大的潜力，较之以往的控制方法有其 独特的优越性。因此本论文主要针对e l m a n 神经网络在限速控制中的应用以及遗传 算法和模糊逻辑在入口匝道控制中的应用进行了研究。 本论文内容具体安排如下： 第一章为绪论。本章介绍了论文研究背景及其意义，概述了国内外高速公路限 7 ，五邑大学硕士学位论文 速控制和入口匝道控制研究的动态，并对其进行了简单的评述，指出了本论文主要 研究的范围，给出了论文内容的具体安排。 第二章为高速公路e l m a n 神经网络限速控制。本章介绍了高速公路限速控制的 必要性，分析了限速控制的理论依据，根据e l m a n 神经网络的特点设计了高速公路 e l m a n 神经网络限速控制器，最后将仿真结果和r b f 网络进行了比较，结果表明 e l m a n 网络在训练误差、泛化能力、白适应能力等方面比r b f 网络有优势。 第三章为基于遗传算法的入口匝道p i 控制器。本章首先介绍了遗传算法基本理 论；接着阐述了入口匝道控制的基本方法，并给出了遗传算法优化的入口匝道p i 控 制器的设计：最后进行了仿真研究，并对仿真结果进行了分析。 第四章为基于遗传算法的入口匝道f u z z y p i 控制器。本章首先对模糊逻辑控制 的基础进行了介绍；接着给出了入口匝道f u z z y p i 控制器的设计方法，并用遗传算 法对p i 参数进行了优化，最后进行了仿真研究。在这一章还将本文的三、四两章的 方法进行了比较。 第五章为总结与展望。本章首先对全文进行了总结，概括了论文中限速控制和 入口匝道控制方法；接着对研究中遇到的一些问题作了说明，并对问题的解决做了 展望。 8 第二章高速公路e l m a n 神经网络限速控制 第二章高速公路e l m a n 神经网络限速控制 2 1 限速控制的必要性 提高交通安全，保证交通畅通是交通管理始终的目标，也是一项庞大复杂的系 统工程问题。汽车的问世带来了道路交通安全问题。同时汽车的发展，也促进了道 路交通的发展，也促进了交通管理科学的发展。汽车的保有量越来越多，汽车的速 度越来越快，交通安全与畅通问题也越来越突出。在高速公路上行车比一般道路上 要快得多，而高速度对车辆和驾驶员心理都有很大的影响，且快速行车的驾驶员心 理状态对控制车辆能力比低速时差。一般来说，高速行驶对交通安全是不利的，因 此，不论从车辆因素考虑，还是从驾驶员因素考虑，还是从交通安全与畅通方面考 虑都需要对道路上的车速予以限制。 众所周知，汽车撞车时的能量与汽车当时的速度的平方成正比，汽车驾驶人的 判断准确性也随汽车速度的升高而降低，汽车速度越高，安全性越差，高速制动汽 车容易失控，高速转向极易侧翻，凡此种种，都说明了汽车速度与安全的重要关系。 因此，世界各国的交通法规，都要对汽车的行驶速度加以限制，限制车速也是最有 效的安全措施之一。 什么是合理的限速，怎么样进行合理的限速控制，一直是各国关注的研究问题。 在特定的国家中，道路限速对交通安全的影响是一定的，但是根据各个国家的实际 国情不同，对限速的规定和措施也就不同。即使是同一国家，在不同阶段、不同时 期、不同地区以及不同经济条件下，对公路的限速值也会有不同的规定。 高速公路的发展表明：对高速公路主线的速度限制不宜采用单一的限速值，而 是应根据高速公路主线实际的道路、交通、气候等条件采用合理的安全限速，这也 就是所谓的可变限速控制。本章以作者已发表的第一篇论文的内容为主体，结合国 内外学者已公开发表的论文，对限速控制进行阐述。 2 1 1 速度对驾驶员生理状态的影响 研究表明【4 5 】：快速行车的驾驶员心理状态对控制车辆能力和交通安全都有极重 要的影响。事实上，在高速环境下行车，人体的生理状态也会有所改变，具体体现 在： ，t 9 五邑大学硕士学位论文 眼睛的动态视力降低：眼睛分辨两物点间的最小距离的能力称为视力。视力分 为静视力、动视力和夜间视力。在开车时，驾驶员边运动边看运动的物体，这时的 视力称为动态视力。动态视力随着速度的增加而降低。汽车以6 0 k m h 的速度行驶， 驾驶员能看清车前2 4 0 米的标志，而用8 0 k m h 的速度行驶，则在接近1 6 0 米处才能 看清，车速提高了3 3 ，视认距离减少3 6 。因此，汽车的最高车速受到驾驶员动 态视力的限制。 视野变窄：两眼注视某一目标，注视点两侧可以看到的范围叫视野。视野分为 静视野和动视野。若将头部固定，眼球自由转动，同时看到的范围为动视野。将头 部与眼球固定，同时能看到的范围为静视野。动视野比静视野大。随着车速的增加， 驾驶员的注意点前移、视野变窄，只注意于景象的中心而置两侧于不顾的现象叫隧 洞视，隧洞视的发生对交通安全不利。此外，在汽车行驶的过程中，靠近路边的景 物相对于驾驶员眼睛的角度若大于7 2 。s 时，景物在视网膜上就不能清晰地成像， 感到模糊不清。所以，车速越高越看不清路边近处的景物。当速度再增加时，驾驶 员对于空间的视认能力也明显减退。 判断能力减退：高速行驶时，驾驶员在单一环境中行车，注意力衰退得很快， 而且反应变得迟钝，并对车速的速度判断比实际车速要低，意识水平也渐渐降低。 注意是驾驶员的一项基本指标，而且驾驶员还应有分配注意力的能力，以便同时接 受几个目标，同时完成几个工序。经验确定，同一视线可以容纳4 - 6 个目标。而高 速行驶时，驾驶员在1 5 , - - - 2 0 秒以内得不到新鲜信息就会感到枯燥无味，判断能力下 降，以致不能正确判断行车速度、行车距离、道路宽度等，容易发生事故。 平衡感觉失调：当人站着快速原地转圈时会发生心里难受、站不稳等现象，这 种现象是由于掌握人体平衡感觉的内耳三半规管失控引起的。在高速公路上，直线 行驶时交通事故多发，主要的原因就是因为三半规管不稳定，在高速下失控，使驾 驶员产生错觉而引起的。因此，在高速公路上行驶要合理降低速度，应在有充分余 地的车速下驾驶。 由于驾驶员在高速行驶下的心理变化，而这种变化对交通安全和畅通是不利的， 因此，即使在道路条件很好的高速公路上也应采取速度限制。 2 1 2 速度对车辆的影响 轮胎变形：汽车在行驶过程中，轮胎伴随着旋转，将产生压缩及膨胀，即轮胎 1 0 第二章高速公路e i m a n 神经网络限速控制 随着每一次接触地面都会产生扭曲。高速行驶时轮胎旋转加快，这种扭曲就不能恢 复，轮胎在离开地面时出现波形，这种现象叫做轮胎变形。发生这种现象时特别容 易发生交通事故。 燃料消耗量增多：以1 0 0 k m h 的速度行驶时，燃料消耗大约是以5 0 k m h 的速 度行驶时所消耗的燃料的1 6 倍。所以有必要进行速度限制，以达到速度与燃料消 耗量之间的平衡关系。 破坏汽车的操纵性和稳定性：高速行驶，往往破坏汽车的操纵性和稳定性。离 心力增加，使汽车所受的横向力加大，高速行驶的汽车所受的横向力大于车胎与地 面的摩擦力时，会使汽车偏离正常行驶路线而产生侧滑。实际中，事故形式多表现 为掉沟、翻车等事故。 扩大了汽车的制动非安全区：汽车持续制动距离是随车速的增加而成平方的关 系延长。汽车高速行驶，一旦遇情况采取制动但制动距离加长，使制动非安全区扩 大，制动效果也变差。而且，高速行驶在一定时间内遇到的情况相对较多，这种突 遇情况往往会措施不及而发生事故。 、 公路事故成因其中最主要的一项就是高速。驾驶员缺少高速公路行车的基本知 识，盲目快速和超速行驶，遇到紧急情况采取措施不当而发生交通事故的情况比较 普遍。因此，为了保障高速公路的交通安全与畅通，在高速公路上采用限速控制是 非常重要的。 2 2 限速控制的理论依据 2 2 1 最低限速 对高速公路实施限速控制，不仅限制高速公路的最高安全行驶速度，而且对驶 入高速公路的车辆规定最低行驶时速，如果低于最低限速则会影响交通流的畅行， 属于违章行为。 行车速度高是高速公路的一大特点，高速公路宽阔平坦的路面、直缓的线形创 造了一个高速环境。但由于车辆性能存在差异，因此，还必须对进入高速公路的车 辆进行甄别，把那些技术状况差、速度提不起来的车辆排除在外，否则，允许什么 车辆都进入高速公路的“高速 ，修筑高速公路也就失去了意义。如果公路上很多车 辆以较低的速度行驶，整个车流的速度也就降低，所以必须对进入高速公路车辆的 一 五邑大学硕士学位论文 速度进行最低值限制，尽量缩小车辆间的速度差值。同时，车辆速度差距缩小，车 辆超车变道的情况减少，追尾碰撞的可能性也减少，从而使车流在较高的速度下保 持安全畅通。一些驾驶员误以为在高速公路上开慢车比开快车安全，其实不然，在 高速公路上采用慢速行车严重阻碍全线车辆的正常流动，极为危险，致使自己处于 被动危险的境地。 此外，对高速公路实施最低速度限制也要考虑高速公路的交通拥挤问题。日本 对城市高速公路的交通拥挤定义为：在高速公路上以时速4 0 k m h 以下低速行驶或反 复停车、启动的车队连续l k m 以上并持续1 5 m i n 以上的状态为交通拥挤。美国芝加 哥将交通拥挤定义为3 0 或更大的5 m i n 车道占有率。根据著名的b l o e h s 定理，交 通拥挤的定义为： 瓦= 罢l t - i - v ( 2 - 1 ) 瓦= 石 ) 式中：k 拥挤速度( k m h ) ；瓦持续时间( m i n ) 如果取拥挤持续时间疋；1 5 m i n ，则拥挤速度为= 4 4 k m h 。我国规定，在正常 条件下车辆在城市高速公路上行驶的时速不得低于5 0 k m h ，如果低于此速度则会影 响交通流的畅行，属于违章行为。 2 2 2 最高限速 可变速度控制是指在高速公路上设置可变限速标志来限制行车速度，从而使主 线上的交通流的速度能随车流密度的改变而改变，而保证交通流的均匀、稳定，同 时还能提高道路通行能力。 可变速度控制的基本原理是依据道路、交通、气候等条件对高速公路主线交通 流安全高效运行的限制要求和路段交通流的流量、速度、密度的关系，确定能够允 许的最大交通流量下的最佳速度和最佳密度，并据此采用可变限速标志等方法对高 速公路主线交通流进行速度控制。 可变速度控制的目标主要是速度指标。事实上，由交通流理论可知：交通流的 速度是其他交通流状态变量( 例如交通量、密度、车头时距、占有率) 的函数。根 据这些变量的函数关系，加上道路、交通、气象等条件对交通流运行安全和效率的 约束条件，可建立交通流速度控制的数学模型。实际控制时，可依据交通流状态和 道路气候条件，通过修正数学模型参数，来获得不同交通环境条件下的最佳速度控 第二章高速公路e l m a n 神经网络限速控制 制目标值。 2 3e l m a n 神经网络 与b p 网络和r b f 网络等静态前馈网络不同，e l m a n 网络【4 6 】是一种动态回归神 经网络，它通过存储内部状态使其具备映射动态特征的功能，从而使系统具有适应 时变特性的能力，它能够更生动、更直接地反映系统的动态特性。e l m a n 回归神经 网络如图2 1 所示。 图2 1e l m a n 回归神经网络 e l m a n 回归神经网络除了普通的输入层、隐含层和输出层外，还有一个特别的单 元，称为上下文层或状态层，也叫承接层。输入层单元起信号传输作用，输出层单 元起线性加权的作用，隐含层单元一般为非线性激活函数，而上下文层单元从隐含 层接受反馈信号，即用来记忆隐含层单元前一时刻的输出值，可以认为是一个一步 延时算子，如图2 1 中的d 所示。网络的输入不仅包括外部输入值，而且还包括隐 含层前一时刻的输出值，此时网络可视为一个