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福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 城市多交叉口交通线控模型与仿真研究 摘要：城市交通是城市重要的基础设施之一，对城市功能的正常发挥起着重要的作用。城市交通在 方便人们日常生活的同时，也带来了许多负面的交通问题，交通问题已逐步成为社会关注和讨论的 重点，它制约着一个城市的可持续发展。解决城市交通问题的传统措施已无法满足现有城市交通的 发展要求，鉴于城市交通的复杂性、传统交通控制方法的局限性。本文以模糊协调控制理论结合 c + + 面向对象编程思想编程仿真，对城市多交叉口线控进行研究。 首先，对国内外城市交通控制系统相关研究现状进行调查分析，指出了国内在孤立交叉口的理 论研究已经比较成熟，但对干线协调控制研究却存在许多的不足，提出了对于城市多交叉口协调控 制进行相关研究的紧迫性。 其次，介绍了城市干线协调控制的基本理论，对信号控制系统的评价指标进行了研究，对运用 于城市交通协调控制的视频图像技术、数据融合技术进行了研究，分析了城市交通干线系统的特性、 形成的要素及交叉口间的关联度，综述了城市干线交通信号协调的控制方式。介绍了模糊控制理论 的相关概念，重点设计了两级协调的模糊控制方案，对变论域模糊控制方法来实现自适应控制进行 了研究，并结合厦门市市府大道的交通数据进行相关实例分析，得出了“协调控制后的方案优于传 统控制方案”的结论。 最后，基于交通工程学的相关知识上，把面向对象的编程思想运用于干线交通流仿真软件的设 计。通过仿真的方法再现干线交通流的运行状态，为交通管理者进行干线协调控制提供参考。 关键词：关联度；视频图像技术；数据融合；协调控制；模糊推理；变论域；智能交通 系统；面向对象思想；交通仿真 中图分类号：u 4 9 1文献识别码：a 城市多交叉口交通线控模型与仿真研究 a s t u d y o nt h em o d e lo f a r t e r yt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e ma n d s i m u l a t i o no fu r b a nm u l t i i n t e r s e c t i o n a b s t r a c t ：u r b a nt r a n s p o r t a t i o nw h i c h p l a y sas i g n i f i c a n tr o l ei nt h en o r m a lf u n c t i o no fac i t y i so n eo fi m p o r t a n tb a s i cf a c i l i t i e s u r b a nt r a n s p o r t a t i o nw h i l ef a c i l i t a t e st h ep e o p l ed a i l y l i f e ，a l s ob r i n g sm a n yn e g a t i v et r a n s p o r t a t i o nq u e s t i o n s ，w h i c hh a v eb e e nd r a w nm u c h a t t e n t i o na n dh a v er e s t r i c t e dt h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fc i t i e s a l lt r a d i t i o n a lm e a s u r e st o s l o v et h eu r b a nt r a n s p o r t a t i o np r o b l e m sh a v ef a i l e dt om e e tt h ee x i s t i n gr e q u i r e m e n t s ，w i t h t a k i n gi n t oc o n s i d e r a t i o nt h ec o m p l e x i t yo fu r b a nt r a n s p o r t a t i o n , t h el i m i t a t i o n so f t r a d i t i o n a l t r a f f i cc o n t r o lm e t h o d s s oa u t o - a d a p t e d f u z z yc o o r d i n a t i o n c o n t r o lt h e o r ya n dc + + o b j e c t - o r i e n t e dt h o u g h th a v eb e e n t a k e na st o o l st os i m u l a t ea n ds t u d yt h eu r b a n m u l t i i n t e r s e c t i o nc o o r d i n a t e dc o n t r o l s f i r s t l y , b a s e do na na n a l y s i st ot h ed e v e l o p m e n to fc i t yt r a f f i cc o n t r o ls y s t e mb o t ha t h o m ea n da b r o a d ，a l t h o u g ht h et h e o r yo ft h ei s o l a t e di n t e r s e c t i o na th o m eh a v eb e e ns h o w e d m a t u r i t i l y , m u c hd e f i c i e n c yi na r t e r yt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mr e s e a r c hh a v ea l s ob e e np u t o u t s ot h a tt h er e l a t e dr e s e a r c ho nt h eu r b a nm u l t i i n t e r s e c t i o nc o o r d i n a t i o nc o n t r o ls h a l lb e e n c a r d e do u tu r g e n t l y s e c o n d l y , t h eb a s i ct h e o r i e so f u r b a nl i n ec o o r d i n a t i o nc o n t r o la r ei n t r o d u c e d r e s e a r c h i n g o nt h ee v a l u a t i n gi n d e xo fs i g r 曲c o n t r o ls y s t e m ，v i d e oi m a g et e c h n o l o g ya n dt h ed a t af u s i o n t e c h n o l o g y , t h e c h a r a c t e r i s t i ca n dc o m p o s i t i o n a lf a c t o r so fu r b a nl i n e s y s t e m a n d r e l a t i v e d e g r e ei ni n t e r s e c t i o n sh a v eb e e na n a l y s e da sw e l la st h ec o n t r o lp l a no ft h eu r b a n l i n eh a sb e e np u to u t a f t e ri n t r o d u c i n gt h ef u z z yt h e o r y sr e l a t e dc o n c e p t ，t w ol e v e lo f c o o r d i n a t e df u z z yc o n t r o lp l a nh a sb e e nd e s i g n e de m p h a s i s l y , v a r i a b l eu n i v e r s ef u z z yc o n t r o l h a sb e e ni n t r o d u c e dt oc a r r yo u ta u t o a d a p t e dc o n t r o la n dt h ee x a m p l eh a sb e e np u to u t 、析t h t h ex i a m e nm t m i c i p a lg o v e r n m e n tm a i nr o a d st r a n s p o r t a t i o nd a t a a tl a s tt h e “c o o r d i n a t i o n c o n t r o l sp l a ns u r p a s s e st h et r a d i t i o n a lc o n t r o lp l a n h a sb e e nc a r d e do u t f i n a l l y , b a s e d o nt h er e l a t e dk n o w l e d g eo ft r a f f i ce n g i n e e r i n g ，t h e o b j e c t - o r i e n t e d p r o g r a m m i n gt h o u g h th a sb e e nu s e dt od e s i g ns i m u l a t i o ns o f t w a r eo fa r t e r yt r a f f i cs i g n a l c o n t r o ls y s t e m t h er t m n i n gs t a t u so fm a i nt r a f f i cf l o wh a sb e e ns h o w e d ，w h i c hp r o v i d e dt h e r e f e r e n c ef o rt r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n tt oc o n t r o la r t e r yt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 k 呵w o r d s ：r e l a t i v e - d e g r e e ；v i d e oi m a g em e t h o d ；d a t af u s i o n ；c o o r d i n a t i n gc o n t r o l ； f u z z yr e a s o n i n g ；v a r i a b l eu n i v e r s e ；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 s ； o b j e c t - o r i e n t e dd e s i g nt h o u g h t ；t r a f f i cs i m u l a t i o n c l cn u m b e r ：u 4 9ld o c u m e n tc o d e ：a i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立完成的研 究成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中己作了答谢的地方 外，论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本研究做出贡献的同志， 都在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯他人知识产权的行为，由本人 承担应有的责任。 学位c 毕业，论文作者亲笔签名降磅棒日期：沙。7 石纱 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、使用学位( 毕业) 论文的规定，即学校有权 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密，在年后解密可适用本授权书。 口 不保密，本论文属于不保密。 口 学位c 毕业，论文作者亲笔签名：榭术吼群厂。陟 指导教师亲笔签名： 嗍：1 城市多交叉口交通线控模型与仿真研究 i 引言 1 1 研究背景和意义 城市交通是城市生活的命脉，是衡量一个城市文明进步的标志，对城市的经济发展 和人民生活水平的提高起着极为重要的作用。随着社会的进步和汽车工业的发展、城市 机动车拥有量的急剧增加，世界各大城市道路交通拥堵现象日益严重。机动车保有量的 突飞猛进，既给城市经济的繁荣带来新的机遇，也给城市造成交通拥堵、环境污染等。 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。 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 3 0 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、5 0 0 0 亿欧元和5 0 - - 5 0 0 亿欧元；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 l o 亿美元【1 3 】；。 在我国，由于经济发展相对落后，汽车拥有量相对较小，在改革开放前及初期，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， 出行难己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，已成为我国城市面临的极其严重的“城市病”之一，严重时甚至导致城市整体或局 部功能的瘫痪。交通拥堵的代价是巨大的。2 0 0 3 年调查显示多数北京人上班需花费l h 以上的时间，其中，花费6 0 8 0 m i n 的占3 4 3 0 ，花费超过l o o m i n 的占6 5 0 ，而在 2 0 m i n 以内即可到达工作地的仅占5 5 0 。北京市在早晚流量高峰期间，整个城区的道 路基本处于拥堵状态，在一些路段，车辆的通行时速已降到l o k m h 以下，个别路段甚 至降到5 k m h 以下，比步行速度还慢。据中国社科院数量经济与技术经济研究所2 0 0 4 年的测算，北京市因为堵车造成的社会成本损失一天是4 0 0 0 万元，相当于每年1 4 6 亿 元，全国一年因交通拥堵造成的损失是1 7 0 0 亿元。同时，拥堵使车辆运行速度下降， 造成运输资源浪费和运输效率降低，并且给城市经济和社会发展带来巨大的损失。城市 交通问题在一定程度上已成为制约我国可持续发展的瓶颈。 由此可见，由交通所带来的这些问题已成为目前世界各城市交通面临的一个严峻问 题。近几十年来，世界各国采取了各种各样的对策，但是城市交通问题仍没有得到很好 的解决。在长期的实践中，人们认识到，通过修建更多的路桥，以提高路网的通行能力 的方式来缓解交通拥挤，无法满足日益增长的交通压力。另外，修建路桥的巨额资金和 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 城市空间的严格限制，使这一方法的有效性大打折扣。因此，在现有道路条件下，提高 交通控制和管理水平，合理使用现有的交通设施，充分发挥其能力，是解决交通问题的 有效方法之一。 在城市交通路网中，交通干线承担了较大的交通负荷，因此，研究城市干线交通控 制策略，提高交通干线的协调控制效果，对减少干线上的停车率与交通延误，改善城市 道路交通状况具有重要意义。城市干线交通信号的协调控制是城市交通控制中较易于实 现且应用广泛的一种控制方式，也是城市交通区域协调控制的基础。城市干线交通信号 的协调控制参数为各交叉口的信号周期、绿信比以及交叉口之间的相位差。干线交通信 号的协调控制实际上就是把干线上一批相邻交叉路口的信号进行协调配时，使得进入干 线的车队尽可能不遇或少遇红灯，以减少延误和停车率。 线控技术在我国城市中正在得到越来越广泛的应用，对于我国广大的中小城市来 讲，由于主干线的交通特征及重要性相当突出，因此线控协调技术具有良好的应用前景。 对于大城市和特大城市，由于线控制是面控制系统的一种简化形式，因此局部地应用线 控协调技术，有利于先从点控过渡到线控，为逐步实施区域面控制创造条件。 1 2 研究现状和问题 1 2 1 城市交通信号控制研究现状 1 ) 城市交通信号控制国外研究现状 城市交通控制技术的发展与汽车的发展几乎是同步的。1 9 1 4 年，第一台手工操作 的电气照明信号灯出现在美国纽约市1 4 l ，两年后这种信号灯被日本采用，七年后英国也 采用了这种信号灯。世界上第一台用于街道交叉口交通控制的信号机于1 9 2 6 年诞生在 英国，这是一种定周期的单点信号控制机。1 9 3 0 年，美国研制成功了世界上第一台感 应式交通信号控制机，这种感应式信号机采用的车辆检测器最初是橡皮管气压式，然后 随着技术进步又出现了电磁感应式、超声波脉冲式、多普勒雷达式等。世界上第一个交 通线控系统于1 9 1 7 年出现在美国盐湖城，之后这种系统在美国、英国和日本等国得到 广泛的应用【5 8 】。随着交通信号感应式控制技术和计算机技术的飞速发展，计算机开始 在交通控制中发挥主导作用。1 9 5 2 年美国科罗拉州的丹佛市出现了采用模拟电子计算 机的交通信号控制系统，1 9 6 0 年加拿大多伦多市第一个将数字计算机用于区域交通信 号控制系统。随着该系统的出现，相继在美国纽约、圣约瑟，英国的格拉斯歌和西伦敦 以及日本的东京等地出现了以数字电子计算机为主控设备的区域交通控制系统。据统 计，到8 0 年代初期，世界上已经有2 5 0 个城市建立了区域交通控制系统。 近几十年来，城市交通控制的规模在不断扩大，逐渐从单个信号交叉口的点控，单 条干道的线控，发展到整个交通网络的面控。同时控制方式也从离线定周期控制发展到 2 城市多交叉口交通线控模型与仿真研究 在线实时控制。这种实时控制系统可分为三代：第一代是多套配时方案选择式控制，即 在计算机中存贮有适合各种交通情况的配时方案，计算机根据检测器送来的当时交通情 况信息，从这些配时方案中选出一套，控制信号灯的动作。这种控制的优点是计算机运 算量小。第二代是配时方案产生式，与第一代不同的是，这种控制的配时方案不是选择 的而是实时计算出来的，这种控制系统实时性比较强，但计算机运算量比较大。第三代 是一周期一换的配时方案产生式，它不同于第二代是其每一周期信号参数均有更新，是 一种实时性非常强的控制系统。 经过几十年的发展，城市交通信号控制系统先后有很多种，例如，英国除t r a n s y t 以外，还有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 ) 系统、澳大利亚的 s 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 ) 系统、加拿大的r t o p 系统、美国的 u t c s 3 g c 系统以及a s c o t 系统、日本的京三系统、西班牙的s a n c o 系统等等。其 中t r a n s y t 系统、s c o o t 系统和s c a t s 系统在实践中取得了较好的应用效果，并 在很多城市得到广泛应用。 2 ) 城市交通信号控制国内研究现状 我国城市交通控制系统方面的工作起步较晚，解放前后很长一段时间，只有少数几 座大城市有为数不多的单点定周期控制交叉口。只到2 0 世纪7 0 年代，这种情况才有所 改观，在1 9 7 0 年后期，北京市开始采用d j s 1 3 0 型计算机进行了干道协调控制的研究。 8 0 年代以来，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。如我国的北京市在2 0 世纪8 0 年代末期引进的是t r a n s y t 和 s c o o t 系统，上海、杭州、沈阳和广州引进的是s c a t s 系统，青岛、大连引进的是 s c o o t 系统，深圳引进的是日本的京三系统，郑州和长春引进的是s a n c o 系统，济 南引进的是美国的u t c s 3 g c 系统。在这一时期，全国有3 0 多个大城市安装了引进的 先进交通信号控制系统。 我国人口众多，城市道路基础设施条件较差，又是自行车大国，混合交通是城市交 通的基本特点，国外交通信号控制系统模型和软件没有考虑到混合交通问题，脱离中国 国情，无法适应连续流和间断流的协调控制，使用效果不佳。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。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，如图1 1 所示，预留了三级结构的可能。系统用 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、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7 0 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。 3 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 n u t c s 系统结合了s c o o t 与s c a t s 的优点，是完全由我国自行设计开发的第一个适 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。 图1 - 1n u t c s 系统结构示意图 f i g u r e1 - 1 t h ef r a m e w o r ko f u n t c ss y s t e mc h a r t 国内学者对城市交通信号控制技术也进行了大量的研究。其中，李立源等人研究了 交叉路口的最优控制问题【9 1 ，提出了一种交叉路口的在线最优控制方法，建立了交通流 的最优预测模型。黄辉先等人在当前周期的基础上实现了对下一周期交通流的预测和优 化控制，研究了单交叉路四相位控制方式下的信号控制问趔1 0 1 。崔宝侠等人以某市一孤 立单交叉路口为例，在双模糊控制器协调控制获得相序和各相位的绿灯时长的基础上， 提出了一种采用将遗传算法和模拟退火有效结合的g a s a 混合算法，设计了城市单交 叉路口的多相位信号配时控制方案。郭学庆提出了单点交叉口信号灯优化控制新算法， 通过对单点交叉口每个方向每条车道未来时刻车辆到达数的有效预测，采用模糊控制推 理信号灯下一个周期的时长，在此基础上，建立以车辆平均延误最小和交通流量最大为 目标的多目标优化模型。此外，国内其它学者( 徐冬玲等人；刘智勇等人；欧海涛等人； 李秀平等人) 运用智能控制相关理论和方法对交通信号的优化与控制问题也进行了大量 的研究和探索。 国内学者和相关研究机构对城市交通干线信号控制方面进行了相应研究。黄辉先基 于细胞模型研究了单向交通网络的信号动态优化问题，建立了适用于各种交通需求模式 的网络细胞传播模型，并应用混沌优化理论对模型进行了求解 13 1 。万绪军等人研究了 城市交通干线的信号优化问题，建立了以车辆延误最小为目标的相位差优化控制模型 【1 4 】。陈森发教授开发了城市交通信号灯模糊线控制及其仿真【1 5 】。王慧文等人通过对交 4 城市多交叉口交通线控模型与仿真研究 叉口一个进口方向的车辆延误进行算法分析，给出了干线交叉口延误计算公式，对干线 交叉口信号协调控制参数进行了相应优化【惦】。曾建勤等人采用细胞传输模型对城市干道 交通流进行建模，并运用滚动区域法对于道信号周期、绿信比和相位差进行优化【o 丌。王 秋平等人对城市道路两相邻交叉口信号控制进行了组合优化研究，建立一个以干线车辆 行程时间最短为目标，各相位有效绿灯时间、饱和度及周期时长为约束条件的非线性函 数模型，分别运用遗传算法和遗传退火算法对目标函数进行优化【l8 】。臧利林等人基于交 叉口交通流的动态模型，提出了一种考虑双向绿波的干线相邻交叉口相位差优化控制方 法，并采用改进的遗传算法( g a ) 进行求解，从而实现交通干线分级递阶协调控制1 9 1 。 王伟智等人根据城市交通控制的非线性、随机性、模糊性和不确定性等特点，提出一种 多路口信号优化控制方法【2 0 】。周力等人在基于p c - p l c 网络下对干线交通信号进行智能 协调控制，提出采用多十字路口统一线控的方法【2 1 1 。朱文兴等人开展了主干路交通信号 控制仿真研究，提出了“大路口 的概念，给出了“大路口 相位的划分，利用三个相 邻路口之间的相关性，建立了以整个“大路口 车辆平均延误最小为目标的优化模型。 宋运林等人为解决交通主干道及网路上的交通信号相位差优化的问题，建立了混沌蚁群 算法来优化相位差。同济大学交通运输学院对城市干道协调控制中交通流在系统内各交 叉口的“驶离到达”模式进行了分析，提出了基于遗传算法城市干道协调控制相位差 优化设计方法瞄】。东南大学自动化所的有关人员研究了一种实现双向绿波信号控制方 法，并在实际在中有所应用【2 3 1 。 1 2 2 交通信号控制研究存在的问题 国内学者大多致力于城市交通控制系统的研究与开发，首先在理论上有了很大的突 破，并取得了一定的成功。这些研究中，针对孤立交叉口的研究已经比较成熟，而干线 控制理论探讨还略显不够深入，或者说干线控制理论与实际真正很好结合的并不是很 多。由于在城市交通路网中，交通干线承担了较大的交通负荷，因此，研究城市干线整 体的交通控制策略，提高整条交通干线的协调控制效果，对减少干线上的停车率与交通 延误，改善城市道路交通状况具有重要意义。城市干线交通信号的协调控制是城市交通 控制的基础控制方式之一，也是城市交通区域协调控制的基础，是解决城市道路交通问 题的根本办法。所以，进一步深入开展对城市多交叉口干线协调控制的研究具有重要意 义。 1 3 论文研究内容 论文的主要工作概括为以下几个方面： 1 ) 城市交叉口交通信号协调控制研究 首先介绍了城市干线协调控制的基本理论，分析了干线系统的特性、形成的要素及 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 交叉口间的关联度，接着对对干线视频图像技术、数据融合技术进行了讨论，从延误时 间、排队长度和通行量等来介绍信号控制系统的评价指标，最后综述了城市干线交通信 号协调的控制方式。 2 ) 城市多交叉口交通线控模糊协调控制研究 介绍了模糊控制理论的相关概念，设计了一个两级协调的模糊控制方案，并结合厦 门市市府大道的交通数据实例进行相关分析。 3 ) 针对城市多交叉交通运行情况和基于交通工程学的相关知识，初步设计了一种 干线交通流仿真软件。通过仿真的方法再现干线交通流的运行状态，为交通管理者进行 干线协调控制提供了一种参考。 最后，总结了本文提出的城市多交叉口交通协调模型及仿真的优缺点，并对下一步 工作进行了展望。 1 4 论文创新之处 本文通过综合有关城市多交叉口交通协调领域方面的资料，对城市多交叉口交通视 频图像技术、数据融合技术、交叉口关联度进行了讨论研究，引入了模糊协调控制理论， 对城市多交叉口交通协调策略进行研究，取得了一定的成果。把变论域思想运用到了模 糊控制优化上，开展了自适应的研究；参考了交通流及其相关学科的理论，初步建立起 了多交叉口交通协调仿真模型。并运用了面向对象的软件设计开发思想编写了平面道路 多交叉口的交通仿真软件，为交通管理者进行多交叉口交通协调控制提供了一种参考工 具。 6 城市多交叉口交通线控模型与仿真研究 2 城市多交叉口交通信号协调控制 城市交通中。由于其交通流量大的特点，使得各相邻交叉口往往互相关联，互相影 响，只关注某一个交叉1 ：3 的交通控制是不够的。几个相邻交叉口组成的交通干线常常要 承受巨大的交通负荷，因此应该努力提高整个交通干线的控制效果。 对某一个孤立交叉路口的控制，可以使该交叉口的控制效果达到最优，但整个干线 的运行效果未必就好，甚至还可能增加停车次数和车辆的延误时间。实施“线控制就 是要把主干道的所有信号交叉口看作一个系统，通过在相邻交叉口的绿灯起始时刻之间 建立一种时间关系，即一定的“相位差，使干线上按一定速度行使的车辆获得尽可能 不停的通行权，形成连续的交通流，减少车辆的停车次数和延误时间。这种控制方法对 改善整个城市交通状况具有重要意义。 2 1城市多交叉口交通信号协调控制分析 在城市道路网中，交叉口相距很近，各交叉口分别设置单点信号控制时，车辆经常 遇到红灯，时停时开，造成行车不畅，也因而使环境污染加重。为了使车辆减少在各个 交叉口上的停车时间，特别是使干道上的车辆能够畅通行驶，人们首先研究把一条干道 上的一批相邻的交通信号连接起来，加以协调控制，就出现了干线交叉口交通信号的协 调控制系统( 简称线控制，也称绿波系统) 。城市道路交通网中的主干线是保证城市社 会经济活动正常运转的主动脉，一条主干线甚至于一段主干线的交通运行情势如何，将 直接影响到其所涉及的周边大片区域的道路交通状态。 2 1 1 “线控制”基本概念 “线控制 和“点控制”一样要考虑到三个最基本的参数：周期、绿信比和相位差。 这三个参数的含义第二章中已经详细讨论过了，下面主要介绍一下它们在“线控制 中 特别需要注意的地方。 1 ) 周期 实施“线控制 必须要使交通干线中各交叉1 3 的周期相等。周期的选择可以采用韦 伯斯特方法，先计算各交叉1 3 各自的最佳周期，然后取其中数值最大的作为公共周期， 也可以直接取干线中交通地位最重要的交叉口的最佳周期作为公共周期。 2 ) 绿信比 “线控制 中各交叉口的绿信比需要单独确定，并不一定相同，可以根据各个交叉 口各方向交通量的流量比来确定。 3 ) 相位差 相位差是线控系统最重要的参数，它决定了系统运行的有效性。在线控系统中，相 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 位差有相对相位差和绝对相位差两种。以红灯终点为标准的时差与以绿灯终点为标准的 时差是相等的，一般多用于线控制的通过带方法中确定信号时差；以红灯起点或绿灯起 点为标准的时差，一般多用于面控制系统中确定信号时差；各信号的绿信号比相等时， 各不同标准的时差都相等，一般多用绿灯起点或终点作为时差的标点，称为绿时差。 2 1 2 城市交通干线系统特性 在对厦门市市府大道进行交通调研的基础上，研究总结得出城市交通干线具有的以 下交通特性： 、 1 ) 交通流量大：城市交通干线是各条相交道路上交通流汇集和消散的地点，不仅 机动车数量多，而且行人和非机动车也很多； 2 ) 交通密度大：在城市交通干线上，车辆流量大，交叉口相对密集，故交通密度 大； 3 ) 车辆行驶速度低：由于各种干扰因素多，为了保证交通安全，车辆不得不低速 运行通过，从而造成干线车辆行驶速度下降，干线通行能力下降； 4 ) 混合交通干扰强烈：交通信号对不同方向的交通流实行时间分离，但还没有一 种有效方法将不同类型的交通流完全分离，行人、非机动车( 特别是在高峰时期) 对机 动车交通造成很大影响； 5 ) 时间的不均匀性：由于城市交通时间特性上存在高峰和非高峰的差别，因此， 干线交通存在较强的时间上的不均匀性，在居民上下班、学生上下学期间，达到机动车、 非机动车和行人综合流量的最高峰，除了一些特殊路线外，夜间1 2 点至凌晨6 点为流 量较小时段； 6 ) 对周围环境影响大：城市交通干线因车流量大，交通繁忙，故而交通噪声、空 气质量、振动等环境污染问题严重，给沿线的居民生活和工作带来不便； 7 ) 事故率高：城市交通干线关键交叉e l 附近由于机动车、非机动车和行人相互交 织，所以发生冲突的机会多，出现事故的可能性比较大，事故率比路段要高，干线中段 如果有多条行人过街人行横道时，发生事故的概率就更大； 8 ) 对行车舒适性影响大：由于在城市交通干线上车辆遭遇红灯频繁，需要不时的 减速、停车等候、重启动、加速，对司机及乘客的行车舒适性影响很大。 2 1 3 干线系统的形成要素 实践证明，并不是所有的信号控制情况都可以形成干线协调控制系统，影响干线控 制效率或可能性的因素【2 4 】主要有： 1 ) 车辆到达特性 在一个信号交叉口，如果车辆形成车队，脉冲式到达，采用线控系统就可以得到良 好的效果。而如果车辆的到达是均匀的，线控效果不会理想。产生车辆均匀到达的因素 8 城市多交叉口交通线控模型与仿真研究 是： 交叉口之间距离太远，即使是成队的车流，也因其间距远而引起车辆离散，不形 成车队。 在两个信号交叉口之间，有大量的交通从次要街道或路段中间的出入口( 例如商 业中心停车场、车库等) 转入干线。 在有信号的交叉口处，有大量的转弯车辆从相交街道转入干线。 2 ) 信号交叉口之间的距离 在干线街道上，信号交叉口的间距可在1 0 0 1 0 0 0 m 以上的范围内变化。信号交叉 口之间的距离越远，线控效果越差，一般不宜超过6 0 0 m 。 3 ) 街道运行条件 单向交通运行有利于线控系统的实施及实施后的效果，因而，对单向交通运行的干 道应优先考虑采用线控系统。 4 ) 信号的分相 由于信号配时方案和信号相位有关，信号相位越多，对线控系统的通过带宽的影响 越大，因而受控制交叉口的类型也影响线控系统的选用。有些干线具有相当简单的两相 位交叉口，有利于选用线控系统，而另一些干线要求多个左转弯相位，则不利于选用线 控系统。 5 ) 交通随时间的波动 车辆到达特性和交通量的大小，在每天和各个时段内有很大的变化。高峰期交通量 大，容易形成车队，用线控会有较好的效果，但在非高峰期线控就不一定有好的效果。 2 1 4 城市干线交叉口的关联度 关联性是指对相邻信号控制交叉口间是否需要进行协调控制特性的描述，用于判断 城市道路是否需要协调控制。关联性研究对于提高交通效率，预防和缓解城市交通阻塞 具有非常重要的意义【2 5 2 6 1 。如在不考虑其它因素对关联性影响之下，路段上的流量越大， 关联性越大，这是因为随着路段上流量水平的不断增大，车辆在交叉口处的停车次数和 延误也迅速增大，此时进行协调控制的协调效益也增大。在其他因素不变的情况下，路 段长度越小，关联性越大，因为在受到信号交叉口挤压作用形成的车队在路段上行驶的 过程中会发生离散作用，且离散作用随着车队行驶距离的增大而变大。e d m o n d c h i n p i n gc h a n g 综合考虑了这两方面的因素影响，提出了下面的关联度模型。 砖气最茹h _ 2 】 ( 2 1 ) 式中：卜路段行程时间( 单位：m i n ) ； 加上游交叉口的出口车道数； 9 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 g 一上游交叉口进入路段的三股流向中流量最大的流向，通常指直行流量； q l , q 2 , q 3 上游交叉口进入研究路段的各流向的流量，分别为左转、右转和直 行； - 下游交叉口的进口车道数。 在该模型中，当相邻交叉口的关联度在0 2 5 以下时表示不需要进行协调控制，在 o 5 以上时需要进行协调控制。相邻交叉口间的关联度在o 2 5 与o 5 之间时则需要进一 步判断是否能协调控制。 2 2 交通信号协调控制所采用的技术研究 2 2 1 视频图像技术 视频图像技术运用于交通检测，具有直观、可监视范围广、可获取更多种的交通参 数以及费用较低等优点，具有广泛的运用前景1 2 7 1 。国内具有实用价值的视频系统有厦门 恒深智能软件系统有限公司开发的h e a ds u ns m a r t v i e w e r - i i 视频交通检测器、清华紫光 的视频交通流量检测系统v s 3 0 0 1 、深圳神州交通系统有限公司开发的v i d e ot r a c e 等。 车辆检测和跟踪是视频检测的主要部分，交通参数是通过对车辆的检测和跟踪来获 取的，因此车辆检测和跟踪的算法对视频检测系统至关重要，而车辆的检测是跟踪的前 提。 车辆检测的目的判断是否有车经过检测区，并建立一个与之对应的跟踪对象，主要 提供车流量等信息2 8 3 1 。基于视频的车辆检测方法主要有：有基于帧间差分的方法【3 2 】、 基于光流场的方法、基于背景差的方法等。 车辆跟踪是为了获得车辆的运动轨迹，为计算交通参数提供依据，主要是提供车辆 运动状态、排队状态、车辆长度、车辆速度、道路占有率等信息 3 3 , 3 4 。已有的车辆跟踪 算法主要有区域跟踪、动态轮廓跟踪、特征跟踪和模型跟踪4 类。 2 2 2 数据融合技术 为获取被检测对象的全面和完整的信息，可采用多个传感器( 包括：线圈检测器、 超声波检测器、红外检测器、微波检测器、视频检测器) 对同一对象进行多方位检测。 多传感器系统能精确、有效地反映被检测对象的特征，消除信息的不确定性，从而提高 检测的可靠性。对多个传感器的检测信息进行分析和集成处理的方法称为多传感器信息 融合技术，由于不同传感器的检测往往只反映了被检测对象的某一方面的特征，且这些 信息往往还具有一定的不确定性，所以对这些不确定信息的融合处理过程实质上是一个 不确定的推理过程【3 5 ，3 6 】。依据推理方法的不同，多传感器的信息融合推理方法有贝叶斯 估计、卡尔曼滤波、d s 证据推理、模糊推理和神经网络推理等方法【3 7 ，3 引。 传感器主要用于测量路段的车流空间分布情况、车流量、车流速度、排队长度和事 1 0 城市多交叉口交通线控模型与仿真研究 故状态等交通参数。 传感器l 信m 路息个 口 融信 或 r 传感器2 厶 r 口i 息 路 i 计 l 输 段 i 算 i 出 l 传感器n l 图2 1基于多传感器信息融合技术的城市道路控制信息提取结构图 f i g u r e2 - 1 t h ef r a m e w o r kb a s e do nm u l t i - s e n s o rd a t af u s i o nt e c h n o l o g y o f e x t r a c t i n gu r b a nr o a di n f o r m a t i o nc h a r t 在图2 1 系统中，m 个信息输出可表示某路段的综合交通信息，如车流量、车流速 度、拥挤程度、排队长度以及是否发生交通事故等。这些信息既可传至上一级的交通监 控中心进行进一步分析和综合，以便向交通信息台、车载交通显示仪和路口交通诱导指 示仪等发送整个或相邻区域的交通状况，实施交通诱导控制，也可作为反馈信号送至低 端信号控制器，以实施交通信号的闭环控制。 在基于多传感器信息融合技术的城市道路交通区域控制系统中，信息融合计算环节 是其核心的部分。统计分析方法是交通参数融合的经典方法，主要采用智能加权平均， 指数平滑法，平均值的递推估计算法对交通参数进行融合。 2 2 2 牌照识别技术 在特定的地点或时间记录车辆的牌照和时刻，对车辆的牌照进行识别，将同一辆车 在两点的时刻相减得到出行时间。牌照识别技术有手式和自动之分，手工方式是用手工 完成牌照识别，自动方式是运用图像识别技术自动完成牌照的识别。 目前国内外汽车牌照自动识别技术主要采用软件方式及软硬结合方式两种技术方 案。所谓软件方式，就是通过识别软件对普通的车辆图像进行牌照识别，它的最大特点 就是成本低，通用性好；所谓软硬结合方式，就是首先通过专用的图像抓拍设备获取一 幅适合于计算机识别汽车牌照的高质量图像，然后用软件、硬件结合的方式对所获取的 专用图像进行牌照识别，它的最大特点就是识别率高，能够全天候工作。 2 3 信号控制的评价指标 在一个城市道路网络中，平面交叉口常常是路网容量和通行能力的瓶颈。大量的交 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 通拥挤往往是由于平面交叉路口的通行能力不足造成的，完全靠道路拓宽和修建立体交 通网络等途径来解决交通拥挤问题也是不现实的。在这种情况下，最大限度地发挥原有 平面交叉路口的通行能力、减少延误，成为解决城市道路平面信号交叉口交通瓶颈问题 的一个重要途径。因此，对信号交叉口交通流的评价主要集中在运行效率和运行秩序等 两个方面，这也是实现交叉口交通控制的关键。信号控制的评价指标，一般有通行能力 或饱和度、行程时间、延误、停车次数、或停车率及油耗等。信号控制交叉口的信号配 时，应在一定的道路条件下，配以适当的周期时长，让通行能力稍高于交通需求而使延 误、停车、油耗等指标达到最小；这样，既能保证车辆的畅通又能降低运行费用。 1 ) 延误时间 交叉口是交通延误发生的主要场所，常用平均延误时间作为其中一个重要的评价指 标【3 9 柏】。延误包括驾驶员的不舒适感、受挫感、燃料消耗以及驾驶损失时间，它不仅反 映了交叉口交通畅通与否，也反映了交叉口的服务经济性。在信号化交叉路口，交通流 的延误由两部分构成：随机与过饱和延误、一致延误。 一致延误是交通流均匀到达但由于红、绿信号灯交替变化而引起的额外的延误。当 交通流未达到饱和、即饱y ( o ) 和度x l 时，上述公式不能应用，必须应用交通流排队理论。 若交通流以恒定速率g 均匀到达，且以速率q 离去，贝j j ( o ，t ) 时间内过饱和延误公式可 表示如下： 过饱和延误计算公式：d o = l r o + o 5 ( q - q ) t ( 2 - 5 ) 1 2 城市多交叉口交通线控模型与仿真研究 ( 2 5 ) 式中