（光学工程专业论文）平面交叉口信号模糊控制及微观仿真系统研究.pdf

中国农业大学硕上论立 摘要 摘要 本文运月j 城市交通控制原理和方法，分析了影晌交叉口控制延误的原因。以减小交叉口信号 控制的平均延误为目标提出了平面交叉口多相位模糊控制算法，在控制算法中引入紧急值来描 述不同相位对绿灯信号需求的迫切程度，做为分配交叉口通行资源的基础，通过二级模糊推理来 判断是否切换当前绿灯；并且通过对平面交叉1 ：3 的车辆到达、行驶等运行规律的分析建立了信号 交义口微观仿真模型。采用v i s u a lc + + 完成了仿真系统的设计，实现了超时仿真。 ；i 此仿真系统 对一实际平面交叉口进行了模糊控制方案验证，结果表明本文研究的模糊控制方案优丁传统的控 制方法，能提高交叉口信号控制的服务水平。 关键词平面交义口交通信号控制模糊控制微观仿真 a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft h ec i t y - t r a f f i cc o n t r o lt h e o r ya n dm e t h o d ，t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gd e l a yo fs i g n a l e d i n t e r s e c t i o na r ea n a l y z e di nt h ep a p e r a na r i t h m e t i co fm u l t i p l es t a g ei n t e r s e c t i o ni ss u p p o s e db a s e do n f u z z yl o g i cf o rd e c r e a s i n gt h ea v e r a g ed e l a yo ft h ev e h i c l e s i nt h i sa r i t h m e t i cu r g e n tv a l u e si su s e dt o d e s c r i b e t h eu r g e n c y o f e a c hs t a g e ，w h i c ha r e t h eb a s i so f d i s t r i b u t i n g t h er i g h to f w a y t h e s ev a l u e sa r e u s e dt od e c i d e ，a tr e g u l a rt i m ei n t e r v a l s ，w h e t h e rt oe x t e n do rt e r m i n a t et h ec u r r e n ts i g n a lp h a s eb y t w o - s t a g ef u z z y i n f e r e n c e b ya n a l y z i n gv e h i c l es t a t e sa ts i g u a l e di n t e r s e c t i o ns u c ha sa r r i v a lr u n n i n g e c c t h em i c r o s c o p i cs i m u l a t i o nm o d e l sa r es e tu p t h es i m u l a t i o ns y s t e mi sp r o g r a m m e du s i n gv i s u a l c + + w h i c ha c h i e v e do v e n i m es i m u l a t i o n t h i s s i m u l a t i o ns y s t e m ；sa p p l i e dt oar e a li n t e r s e c t i o ni n o r d e rt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o l l e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef u z z yc o n t r o l l e rh a st h e a b i l i t yt oa d j u s ti t ss i g n a lt i m i n g si nr e s p o n s et oc h a n g i n gt r a f f i cc o n d i t i o n sa n dt h a tt h ef u z z yc o n t r o l l e r p r e s e n t e di nt h i sp a p e ri sb e t t e rt h a nc u r r e n tf i x e d t i m ec o n t r o la n di m p r o v e st h el e v e lo fi n t e r s e c t i o n s i g n a ls e r v i c ec a p a c i t y k e yw o r d s ：i n t e r s e c t i o ns i g n a lc o n t r o l f u z z yc o n t r o lm i c r o s c o p i cs i m u l a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究：亡作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论义中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 巾作r 明确的说明并表示了谢意。 研触虢盔螂 帆拗上年弓肜弓h 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意中围农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 鸯廊枣 时问：正面r 年? 月召f 导帅签名：去刁f 右耳时间：洲年j 月妒 中国农业大学硕j ：论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 进行城市交通控制系统研究的意义 交通是人类生存和社会发展必不可少的活动。随着汽车工业的迅速发展，汽乍已经成为人们 日常生活中撮常用的交通上具。然而随着机动车的迅速增加，交通拥挤、交通事故频发、环境污 染等问题日益严重。交通问题造成了巨额的经济损失。这些问题集中的体现在了城市交叉口处。 城市道路是城市的基础设施，与城市生活和生产有着密切的关系。交叉口是城市交通中一个十分 重要的部分，它的功能是把道路连接起来，使其构成道路网，从而实现多个交通流方向的变换。 在整个路网中，交义口是道路通行能力的瓶颈。平面交义口形式简单，交通组纵方便，使用范围 r 泛，是城市路网中最基本的交义口形式。由于机动车、非机动车和行人都处在同一个平面内， 与道路相比，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 在人交通嗣情况下，会造成长时间延误，甚至堵塞，安全性能也会r 降，同时由于汽车在交叉口 附近频繁地启动、停车，会加人废气的排放最，加剧j 空气污染。据统计，机动乍在城市市区中的 旅行时间约有1 3 花在平面交叉口，6 0 以上的交通事故发生在平面交义口及其周围。因此平 面交义口的交通治理在城市交通管理中就显得越来越重要。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，晟人程度提高交叉口的通行能力，不但能提高车辆通 过交义口的速度，减少延误，节约人们的出行时间，还能避免因该交叉口发生堵塞而引起的交叉 口临近路段及更远路段的交通不畅。 近儿年我国汽车_ 业持续高速发展。图1 - 1 为1 9 9 4 年到2 0 0 3 年我国民用汽车保有量变化 图”1 。据有关单位预测，2 0 1 0 年中国轿车市场的规模将达7 0 0 万辆，整个汽车市场达到l o o o 万 辆”。 图卜t 汽车拥有量变化围 中国农业大学硕l 论文第一章绪论 随着城市汽下保有量的逐年增加，交通堵塞已经成为人们十分关注的问题。此京在汽车保有 量连续上升的压力f ，交通堵塞情况严重。然而，纽约、东京、柏林等国际化人都市的面积大都 与北京相当，巴黎市区仅相肖于北京的六分之一，而这些城市的汽车保有最却是北京的两倍以上， 甚至更多，可是交通堵塞情况却远没有北京那么严重”j 。 虽然修建立交桥可能解决交通冲突，但是立交桥也有它的不足之处”： ( 1 ) 城市道路网络中交义口间距小，交义口处可以利用的十地资源十分有限，大多数平面 交义口可能根本就不具备修建立体交叉的条件； ( 2 ) 立交桥会破坏城市的人文景观； ( 3 ) 立体交叉造价昂贵； ( 4 ) 交通矛盾转移而并没有消除； ( 5 ) 导致城市功能退化。立体交叉考虑更多的是机动节的问题，在一定秽度上影响了公共 交通乖l 行人交通并导致城市功能退化。 车流就像一种特殊的流体，当车流大到一定程度时，在立交桥上弗线必然造成车流系统的扰 动，这个扰动会扰乱整个系统稳定，使车流效率迅速下降，甚至产生堵塞。因此在北京市，很多 立交桥上都添加了红绿灯。 解决城市交通f 引酲的根本途径有两个；一个是加快道路设施规划建设，健全城市道路网络体 系：二是采用先进的科学技术，对城市交通进行现代化的管理和控制，提高现有道路的通行能力。 但是，修建道路的巨人经济投入和城市空间的限制，使得这一方法的成效不尽如人意。近年来， 世界各国都非常重视日益严重韵交通问题，投入大量人力物力对道路交通运输系统的管理与控制 技术进行研发，相继出现了许多不同的交通控制方法和系统，为缓解交通拥挤发挥了很人的作用。 实践证明，在进一步加强交通基础设施建设的同时，还需要极大限度的提高现有路网的利用效率， 同时加强交通需求管理，加强对城市道路网的智能管理与优化控制。交通管理与控制就是利用交 通法规、交通上程技术措施、交通信号控制殴施等对车辆、行人的交通行为进行规范和约束，使 车与车、车与路、下与行人之间形成一种相互沟通、相- 互合作的运行体制，产生协调效应，使交 通流有序、通畅、快捷。 1 2 城市交通控制的发展历程 1 2 。1 城市交通控制的起源和早期发展 早在十九世纪人们就开始研究用信号灯指挥道路上的车辆交通。1 8 6 8 年，英国机械工程师纳 伊特在伦敦威斯敏特街口安装了最早的交通信号灯，它是一盏煤气灯，在灯前用红、绿玻璃转换信 号。虽然它毁丁事故，但这一燃气灯标志着城市交通信号使用的开始。1 9 1 3 年，在美国俄亥俄州 的克利夫兰市也山现了交通信号灯，它采用电力发光，与现在意义上的信号灯已经相差无几了。 之后这样的交通控制灯出现在了纽约和芝加哥。这标志了道路交通控制技术发展的开始。1 9 1 8 年， 在美国纽约街头出现了红、黄、绿二色信号灯，后来这种信号灯被普遍采用。1 9 2 6 年，英国人在 沃尔佛汉普顿安装了第一座自动交通信号灯；周年，美国的芝加哥市政采手 了交通控制方案。每 个交义口没有唯一的交通灯，适应p 单一的交通流。从此，变通控制技术和相关控制筇法得到发 2 中国农业人学硕 论文 第一章绪论 illfill置皇,曼皇皇曼邕窟曼 展和改善，提高了交通控制的安全性、有效性井减少了对环境的影响”“。这个时期，在美国还 出现了感应信号机。甲- 期使用的信号控制机都是按照某种固定不变的周期长度和绿信比来控制交 通信号的运行，即固定配时方式。它对于安全地疏导交叉口的车辆交通起到了良好的作用。 由丁i 划定配时方式无法适应犬当中交通量随时间波动的客观情况，多时段、多相位的信号 控制机应运而生了。它能按事先预定的运行时间表，及时轮换执行不同的配时方案，使变义口通 行效率人人提高。但随着城市交通的迅速发展，原始的信号灯已不能胜任越来越复杂的交通控制 任务。交通1 程师们开始寻找一种能适应各方向车流通行要求的高效能信号控制器。 1 2 2 干线交通信号协调控制阶段 干线交通信号协调控制也称为线控或绿波控制。由于交通具有连续运动的特点，如果交通干 线上儿个距离较近的交叉口其控制信号无关时，从上游驶出的车辆很有可能在下游又遇到红灯。 这时若这些交叉口的信号控制时间联系起来进行协调控制，可以形成一条绿波带，减少了干线上 车辆停车次数和行车延误。这种控制方式最早出现在1 9 1 7 年美国的盐湖城。 人一r 采集交通数据并应用于信号控制的方法在2 0 世纪6 0 年代被新的检测手段所取代。电感检 测器、地磁感应检测器、趣声波检测器、微波检 视4 器及视频检测器等各种各样的车辆检测仪器逐 渐应刚于信号控制系统。利用检测器检测到的交通数据传送到信号机内，用于信号自动配时等控 制，这种控制方式广泛应用到了交通干线协调控制和区域协调控制中，实现了控制信号周期的变 化。 2 3 交通信号的区域协调控制阶段 2 0 世纪6 0 年代后，以计算机为核心的区域交通控制系统得到迅速发展。1 9 5 2 年，美国的丹佛 市利用模拟计算机动态控制实现了多个路口变周期的区域协调控制。1 9 6 3 年，加拿大多伦多市建 立了一套由i b m 6 5 0 型计算机控制的交通信号协调控制系统，这是道路交通控制技术发展的里程 碑。面控系统的控制对象是城市或某个区域中所有交叉口的交通信号，可分为定时控制方式和自 适麻控制方式。 目前，国外的典型面控制系统有英国的t r a n s y t ( t r a f f i cn e t w o r ks t u d yt 0 0 1 ) 系统和 s c o o t ( s p l i tc y c l eo f f s e to p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e ，绿信比、周期和相位差优化技术) 系统、澳大利 的s c a t ( s y d n e y c o o r d i n a t e d a d a p t i v e t r a f f i c m e t h o d ) 系统、日本k y o s a n 电器制作有限公司的交通控 制系统、德国的s i e m e n s 系统等。国内有深圳的s t c 交通控制系统、南京的交通控制系统以及天津 的交通控制系统等。 2 4j t s ( i n t e iji g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m - ) 阶段 自2 0 世纪6 0 年代末开始，美、日、欧相继开展了智能运输系统( i t s ) 的研究工作。智能 交通系统是在较完善的道路基础设施之上，将先进的信息技术、计算机技术、数据通信技术、传 感器技术、电子控制技术、自动控制理论、运筹学、人丁智能及系统综合技术有效地集成并运用 于交通运输，服务控制和车辆制造，加强了车辆、道路、使用三者之间的联系从而形成一种定 时、准确、高效，弗有利于环境的综台运输系统“。 3 中国农业人学颂十论文 第一审绪论 1 3 城市交通控制理论研究现状 近年来，在城市交通白动控制领域出现了很多新的思路和方法。 ( 1 ) 静态多段配时控制 多段配时控制是按一天中不同时段的交通量将一天分为若干个时间段，每个时段采用各自的 配时方案。这种控制方式没有考虑交通需求的随机变化以及城市道路交通流的实时改变过程，其 控制能力和抗干扰能力十分有限。但就城市某一个区域而言，每天的交通情况会有较大的重复性， 车流的运动变化有一定的规律可循。因此研究静态多段配时控制，可以将其作为其他控制方式的 一种对比参照对象。另外，这种控制方法简便易行，尤其适用于稳态交通环境。 ( 2 ) 准动态多段配时控制 准动态多段配时控制与静态多段配时控制相类似，只不过多段的划分不魁以时间为依据，而 是以检测到的实时交通状态为依据。交通状态可以用交通量、占有率、车速等交通数据的特征来 表达，被划分成若干个交通状况分别配以不同的优化配时。 准动态多段配时控制是一个闭环控制系统。由于反馈的引入，所以系统的动态性能比静态多 时段控制有明显的改善，但是又由丁：它的控制方式仍属于方案选择式，所以系统动态性能改善有 限1 。 ( 3 ) 在线节点优化控制 信号灯控制中将车辆实际情况考虑进来。实现不同时段动态分配绿灯信号以适应不同的要 求，即交通信号灯闭环反馈控制。反馈信息由埋在道路下面的感应线圈传感器获取。通过延长绿 灯信号的形式体现车辆的实际情况，当延长到晟大绿灯时间或传感器检测到绿信控制的车流中两 车之间的时间问隔超过一定值则停i l 绿灯信号。某些时段没有要求则可以忽略该时段，但该方法 术考虑到其它交通流当前无绿灯信号时段上的损失代价。由英国t r r l 研究发展的一种控制算法 m o v a 克服了这个缺点，通过对切换时段代价的评估来确定时段是否变换。其中代价函数定义成 延时和停顿数的线性组合，代价评估是基于检测数据和简化的决策交通模型。当交通流负荷较重 时m o v a 采用最大容量作为目标函数”“。 ( 4 ) 自适应控制 白适应控制系统有两类，即配时参数实时选择系统和实时交通状况模拟系统。 配时参数选择系统是在系统投入运行之前，拟定一套配时参数与交通量等级的对照关系，即 针对不同等级的交通量，选择相应最佳的配时参数组合。将这套事先拟定的配时参数与交通量对 应组合关系贮存丁中央控制计算机中，中央控制计算机则通过设在各个交叉v i 的车辆检测器反馈 的车流通过量数据，自动选择合适的配时参数，并根据所选定的配时参数组合实行对路网交通信 号的实时控制。 实时交通状况模拟系统不需要事先贮存任何既定的配时方案，也不需要事先确定一套配时参 数与交通量的对应选择关系。它是依靠贮存于中央计算机的某种交通数学模型，对反馈回来的实 时交通数据进行分析，并对配时参数作优化调整。配时参数的优化是以综合目标函数( 延误时间， 停车次数，拥挤程度及油耗等) 的预测值为依据的。因此，它可以保证整个路网在任何时段都在 最佳配时方案控制f 运行“。 从总体来看，白适应系统的控制在很大程度上依赖f 变通流数据的实时检测，冈此系统对交 4 中国农业大学顶l 论文 第一章绪论 通检测设备和交通数据传输设备的精度和可靠性要求很高。与定时系统相比，自适应控制系统的 设备配置复杂得多，建设投资耍离很多。 ( 5 ) 模糊控制 交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，困此其数学模型的建立非常困 难，即使经过多次简化已建立的数学模掣，它的求解还须简化计算才能完成。所以经典控制法很 难取得满意的效果。模糊控制不需要建立被控制对象的精确数学模型，它吸收了人工控制时的经 验，能模仿人脑的逻辑推理和决策过程，不但使得控制过程简化，而且能满足实时性和控制精度 的要求。模糊算法能以不同的水平层次应用于交通信号控制系统，并可以解决不同的信号控制问 题，可以得到很台理的交通信号配时“。 ( 6 ) 人r 神经网络 人i 。神经网络是用大量简单的称之为神经元的处理单元以某种拓扑结构厂泛地相互联接而 构成的复杂的非线性动力学系统，它是对人脑为主要的生物神经系统的组织结构和行为特征进行 研究的基础上提出的，它侧重于对人脑某些特定功能的模拟，强调人量神经元之间的协同作用。 通过学习的方法解决问题是人工神经网络的重要特征。由于神经网络有很强的非线性近似能力， 许多学者已经把它用于交通控制研究之中。1 9 9 1 年，n a h a t s u j i 和t e r u t o s h i 通过训练的一个神经 网络使其给出菜单个交叉口的最优绿信比，后来又把研究工作扩展到三个交叉口上。我国的学者 也在这方面进行了研究“。 1 4 交通仿真研究概述 仿真是指对真实事物的模仿。系统仿真的目的在于对现有系统或未来系统的行为进行再现或 预先的把握。交通系统仿真是指用系统仿真技术来研究交通行为，它是一门对交通运动随时间和 空间的变化进行跟踪描述的技术”。它涉及到描述交通运输系统在一定时间内实时运动的数学模 型。通过对交通系统的仿真研究，可以得到交通流状态变量随时间与空间的变化、分布规律及其 交通控制变量间的关系。因此，交通系统仿真在道路运输系统及其各组成部分的分析和评价中发 挥着重要的作用。相对于其他交通分析技术，交通系统仿真有很多优点： 1 不需要真实系统的参与，因此具有经济性的优点，特别适用于对尚不存在的，如规划中的 交通系统行为的研究； 2 通过系统仿真，能清楚地了解交通流中哪些变量趄重要的，以及他们是如何相互作用的； 3 系统动态模型的时间标尺可以与实际系统的时间标尺不同，因此即可以进行实时仿真，也 可以进行欠时仿真和超时仿真； 4 能重复提供同样的道路交通条件，从而可以对不同的规划设计方案进行公正的比较： 5 能不断的改变运行条件，从而可以预测道路交通系统在各种情况f 的行为。 交通系统仿真技术对于系统模型有极强的依赖性，而要建立系统模型，就必然要对真实系统 进行简化和抽象，由于交通过程是一种高度复杂的随机过程，所以交通系统仿真会有一定程度的 “失真”。 交通系统仿真技术是随着电子计算机和系统仿真技术发展起来的。在1 9 4 9 年，就有人提出 5 中国农业人学坝士论文第一章绪论 了交通仿真的建议。最早的工作是英国道路研究试验室( r o a dr e s e a r c hl a b o r a t o r y ) 于1 9 5 1 年完 成的交义口交通仿真，到2 0 世纪6 0 年代，用仿真技术研究交通流状态的可能性丰可行性得到了 普遍的承认，并且开始开发一些交通系统仿真软件。在2 0 世纪7 0 年代，交通系统仿真技术得到 了迅速的发展，人量的交通系统仿真应用软件被开发出来，这些软件分别以微观仿真模型和宏观 仿真模型为基础并逐步应用于实践之中。进入8 0 年代后，交通仿真出现了混合模型，仿真软 件开始向大型化，综合化方向发展。实践证明+ 仿真技术已经成为交通t 程师考察和解决交通问 题的有力i 具。 而我国的交通仿真相对比较滞后，在2 0 世纪8 0 年代才开始应刷系统仿真技术来进行道路交 通的仿真实验。至今，此项技术在我国的应用只有十几年的历史，还远远没有被广泛接受，还未 开发出一个被酱遍认可的仿真软件。 到目前，交通仿真在一些发达国家的道路交通规划、运行分析、控制与管理等各个阶段都得 到了j “泛的应用。随着计算机技术和人t 智能的发展，术来的交通仿真将能使用图形方式实现人 机交且，对仿真实施全过程监控或干预；使用人1 智能实现智能化建模和仿真；具有十分简单的、 灵话的、数据化格式的或图形格式的输入及仿真结果输出；系统建梭与仿真过程分离并进一步走 向自动化、智能化1 。 1 5 论文的主要研究工作及意义 由于模糊控制具有设计简单和性能稳定等优点，当前模糊控制已经成为一种较为成熟的响应 交通情况的信号控制方法，已成功地应_ l ；i 于理论研究和实际课题中。 把模糊控制引入交通控常4 领域是在1 9 7 6 年由p a p p i s 等人提出，在对理想平面交义口的仿真中 表明这种控制方法比传统的控制方法减少车辆延误7 左右。n a k a t s u y a m a 和n a g a h a s h ，等人在1 9 8 4 年进行了主干道上交叉口的相位控制的模糊逻辑研究，也提出了交通信号控制的模型”1 。1 9 9 2 年， s c h i u 提出了基于模糊逻辑的交通信号白适应控制。1 9 9 6 年，s a y e r s x i j 模糊逻辑在交通信号实时 控翎中的应_ j 傲了细致的讨论。1 9 9 8 年，n i i t t y m 和k i k u c h i 发表了论文应用模糊逻辑控制行人 过街信号“。1 9 9 9 年，m o h a m e db t r a b i a 等人探讨了在独立交叉口两相位交通控制的模糊控 制器的设计。2 0 0 0 年，j a r k k on i i t t y m a k i ，m a t t ip u r s u l a 将最小的延时、最大的安全性、最少 的环境破坏作为信号交叉口控制的目标，研究了两相位控制与行人的信号分配模糊控制方法，将 过饱和情况视为路口的最大通过能力，在流量小时采用先到先通行的方式，恰眚地控制绿灯的持 续时间。2 0 0 1 年，j l i na ，k y k u o 进行了驾驶员根据黄灯时间内交义口交通信息的模糊性做 出通过还是停车的研究，以此来提高在交叉口信号灯颜色变化时车辆通过的安全性。2 0 0 3 年l o f t ， b u d iy u i a n t o 等人发表了论文模糊逻辑在混合交通情况信号控制中的应用，文中提出了一 种模糊控制方法适用于独立的四路交叉口的混合交通流的控制，包括相当商比例的摩托车。但是 此控制模型有一个假设，即在交叉口车辆没有转向，并且只有两个相位。 1 9 9 2 年，我国徐东玲等学者也提出了基于感应控制思路的单路口模糊神经网络控制方案，仿 真结果也较为理想。1 9 9 8 年，我国陈森发等学者提山了关键车流和非关键车流的概念，分析了非 关键下流对控制效果的影响，在此基础上对p a p p i s 提出的算法进行了修正，仿真结果优t p a p p i s 6 申国农业人学敏l 论义第一荦绪论 方案。1 9 9 9 年，刘智勇、朱劲等人基于人对多相位单交义口交通指挥的决策过程，设计了一种新 的模糊感应控制器，把队跃作为控制目标，综合考虑相邻相位车道上的车队长度，2 0 0 0 年，卣安公 路大学的伍建国将模糊控制引入平面交叉口的多相位控制在对某相位放行时，是否再给此相位 绿灯延时，取决于此相位排队长度和下面几个红灯相位排趴长度的综合比较，其方案的控制目标 是尽量减小十字口平均排队长度。2 0 0 1 年，华南理j ：入学的温惠英等入进行了信号交义口模糊交 通控制方法的研究，给出了基于知识的模糊交通控制方法的结构、模糊控制规则以及仿真计算对 比结果。结果表明：计算过程简单，控制效果优于定时控制方法，并且在交通量较大时，还优丁 感麻拄制方法”。同年，重庆大学的甘思源将也模糊控制引入了交通控制信号的管理中。2 0 0 2 年 1 0 月，中国科学院自动化研究所智能控制与系统工= 程中心的李灵犀、高海军等人设计了两相邻路 口的分层递阶结构，并在对其简化的基础上提出了两相邻路口分层递阶的模糊控制方式，对其算 法| j 仿真软件进行了验证，结果表明此算法基本可以做剑实时控制”。 本文以平面交叉口车辆感应控制及模糊控制理论为基础，研究平面交义口多相位模糊控制方 法。 ( 1 ) 就平面交叉口的冲突点、交通流特性及延误进行分析。 ( 2 ) 运用模糊理论和模糊控制方法研究多相位交叉口的模糊控制算法。 ( 3 ) 通过建立相应交义口的交通流仿真模猁，设计微观仿真系统。 ( 4 ) 用仿真系统验证模糊控制算法的效果，并与当前的控制算法进彳亍比较。 本文的研究意义在于： 将模糊控制理论与平面交义口的交通控制相结合，提出一种相对高效的平面交义口信号控制 方式，完善交通信号控制，以提高平面交义口的通行能力，为城市交通管理提供新的方法和实用 技术。 另外，由于交通仿真能够提供同样的道路交通条件，可以对各种控制方案进行比较和评价 本文对交通微观仿真方面的建模及实现技术进行的研究有助于创建一种直观、方便、有效的单个 节点交通分析j ：具，以评价控制方案的优劣。 7 中固农业犬学坝l 二论文第一二章，f 卤交叉l j 交通分析 第二章平面交叉口交通分析 2 。1 平面交叉口的冲突点分析 在城市道路网中，平面交叉口是通行能力和交通安全的咽喉。在交叉口处，各条道路汇集的 车辆、行人流量集中，并要在路口进行转向，所以容易造成交通阻塞和交通事故。 当车辆和行人进出平面交叉口时，由丁- 行驶方向和交汇方式的不同，形成了很多的交通冲突 点，根据其类型的不同，可以把这些交通冲突点多为二大类：即交叉点和交织点”“。交叉点是指 午辆或行人行进方向相互交叉时可能产生的碰撞地点，当相交角度等于或大于9 0 度容易产生接 触碰撞。冲突点产生的原因主要是由于直行车和左转车辆相交时所致，它不但是引起各种车辆之 间、车辆与行人之间肇事晟主要、最直接的因素，也是最直接影响平面交叉口通行能力的因素。 交织点，有分流与合流两种，合流交织点是指车流从不同方向驶向同一方向以锐角相遇时可能相 互挤撞的地点，分流交织点是指车流从同一方向驶向不同方向时可能相撞的地点。在我国大部份 路段上，由于两侧隔离设施差，行人和自行车横穿道路时容易产生横向干扰，造成前车突然减速 与后车相撞。即追尾事故，这种情况在平面交义口没有人行横穿道路时尤为突山。一个典型平面 交义口的冲突点分布如图2 - 1 所示： 图2 - 1 平面交叉口冲突点分布 图2 - 1 中是具有两个车道双向交通流的两条道路的交叉路口，允许运行车辆左转和右转，其 中交义冲突点1 6 个，合流冲突点8 个，分流冲突点8 个麸3 2 个冲突点。 用同样的方法可得到更多向交叉的平面交义口的冲突点分布图，并推导出平面交义口交义冲 突点的计算公式： 8 中国农业大学颂1 ：论文第一二章甲面交叉口交通分析 1 = n2 0 - 1 ) 0 2 ) x - - ； ( 2 - 1 ) o 式中卜交义冲突点总数 n 相交道路数 在我国的交通信号控制实际中，由于在路口车辆的行驶速度比较慢，一般只考虑交义冲突， 部份路口根据情况可考虑合流冲突，对于分流冲突一般都通过路口渠化解决。在对交叉冲突的考 虑中，也可以根据冲突双方的相对速度、发生事故的可能性和危险性大小在信号控制实际中分为 三种情况来分别考虑：机动车与机动乍的交叉冲突；机动车与非机动车的交叉冲突：机动 卞与行人的交叉冲突。 由式( 2 - 1 ) 可以看出，无信号控制平面交叉口的冲突点会随着相交道路数量的增加而急剧 憎加，严重的影响了平面交叉口交通的顺畅和安全。冈此除采用交通渠化、物理隔离等措施减少 交通冲突外在平面交义口设置交通信号控制，在时间上分离通过交叉口的车流，可以减少甚至 消除交通冲突点，从而提高交叉口的通行能力和交通安全性。 2 2 信号控制参数与基本概念 2 2 1 信号灯的含义 交通控制信号的目的是使各类不同方向的交通流有秩序的通行。交通信号灯及其控制技术娃 随交通的发展而发程。初期的信号灯仅红、绿两色，由人工操作。随着交通的发展。在交义口上， 各方向的车与车冲突、人与车冲突越来越复杂，对车流、人流需要更为严格的分离。为适应这种 发展的要求，信号配时技术的研究不断进步，相继出现r 各种时间分离的方法：同时，电子技术 的发展也设计出了适应这些需要的信号控制机与交通检测器，相应地就产生了符合多种时间分离 方法的多样化的现代信号灯。现代信号灯，除了原来红、黄、绿三色基本信号灯之外，又增加闪 烁灯、箭头灯、倒记时灯。 随着信号灯种类的发展，各国使用这些信号灯的方法著别也越来越人，各自给各种信号灯赋 予不同的含义，使国际间的交通往来发生很多混乱。1 9 7 4 年，欧洲各国协议商定了欧洲道路交 通标忐和信号协定统一了各种信号灯的含义。 欧洲道路交通标志和信号协定对信号灯含义的规定摘要如下： 1 ) 菲闪灯 ( 1 ) 绿灯：表示车辆可以通行，在平面交叉口，面对绿灯的车辆可以直行、左转或右转， 左、右转弯车辆必须让合法通行的其他车辆和人行横道线内的行人先行。但是如果在该绿灯所允 许通过的方向上，交通非常拥挤，以至进入路口的车辆在灯色改变之后，还是通不过，这时， 即使亮绿灯，乍辆也不得通行。 ( 2 ) 红灯：表示不许车辆通行，面对红灯的车辆不能超过停车线。 ( 3 ) 黄灯：表示即将亮红灯，车辆应该停j i 。除1 f 黄灯刚亮时，已经接近停车线的、无法 安全制动的车辆可以开出停车线。 2 ) 闪灯 9 中闰农业人学坝士论文第二章平面交叉u 变通分析 ( 1 ) 闪红灯：警告车辆不准通行。 ( 2 ) 闪黄灯或两个黄灯交替闪亮：表示车辆可以通行，但必须特别小心。 3 ) 箭头灯 ( 1 ) 绿色箭头灯：表示车辆只允许沿箭头所指的方向通行。 ( 2 ) 红色或黄色箭头灯：表示仅对箭头所指的方向起红灯或黄灯的作用。 4 ) 专_ 【 f 自行车及行人信号灯 应分别在信号灯的基础上加有自行车及行人的图案。 我国对信号灯含义的规定基本上与国际规定一致。 2 2 2 交通信号控制参数 1 步艮 在被控制路口，每个方向最多有8 种灯色：红、黄、绿、左箭头、直箭头、右箭头、人行红、 人行绿。当进行信号控制时，这些灯色中的某些将被点亮。某一肘刻，灯控制路口各个方向箨信 号灯状态所组成的一组确定的灯色状态称为步，不同的灯色状态构成不同的步。步持续的时间称 为步长。一般来说，步长的变化单位为s ，因此，其最小值是1 s 。 2 周期 用丁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。一个循环内各步 的步长之和称为信号周期，简称周期，用c 表示。若一个循环有n 步，各步步欧分别为t ，t ：， t 。，贝0 e2t +t2十+t。(2-2) 增大周期长度，可提高通行能力。但周期时间长度达到2 0 0 s 后，通行能力提高缓慢，而延 误却增睦很快。所以，周期时问长度一般不宜过大；周期时间长度也不宜过短，最短周捌长度应 考虑两个因素所需的最短绿灯时间：车辆能安全通过交叉口所需的最短时间和行人过街所需要的 最短时间。一般定为4 0 s 。 3 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一个时闯段，交叉口上某一支或几支交通流具有通行权( 即该方向上的信 号灯为绿色戏绿色箭头) ，而与之冲突的其他交通流不能通行( 即该方向上的信号灯为红色) 。在 一个周期内，平面交叉口上某一支或几支交通流所获得的通行权称为信号相位，简称相；一个周 期内有儿个信号相位，则称该信号系统为儿个相位系统。 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。若一个灯控路口为4 相位系统，第1 相位东西向交通流直行，第2 相位东西向交通流左转，第3 相位南北向交通流克 行，第4 相位南北向交通流左转，而所有的右转交通流均不予控制，其交通运行图如2 2 所示： 1 0 中国农业大学硕l 论文第二：章平面交叉l _ l 交通分析 ( b ) 相位2 ( c ) 相位3( d ) 相位4 图2 - 2 相位顺序 4 绿信比 在一个信号周划中，各相位的有效绿灯时间与周期长度的比称为绿信比。若设为第f 相位 的有效绿灯时间，c 为周期长度，则该相信号的绿信比 为 = t g i c( 2 - 3 ) 显然，0 x l 。绿信比反应了该信号相位交通流在一个周期中需要绿灯时间的大小。经过优 化的绿信比能够恰当地把绿灯时间分配给各相位的交通流，从而使总延误或总停车次数等最小。 在( 2 - 3 ) 式中第i 相信号的有效绿灯时间按下式计算： t a g j + x 一，f ( 2 4 ) 式中，g 、e 、，；分别为第i 相位的绿灯时间、黄灯时间和损失时间。损失时间的含义如下： 在一个信号相位上，绿灯时间和黄灯时间之和为乍辆的可通行时间，然而，可通行时间并不能全 部得到充分利用，当绿灯信号开启时，排队车辆需要启动和加速，因而开始时车辆的驶出率是不 高的于是导致了损失时间f 而在绿灯关闭、黄灯开启时，车辆己不允许越过停_ 乍线，只有绿 灯期间已经越过停车线的车辆可以继续通行，这段时间里的车流最由大变小，丁是导致了损失时 间z i ，。第i 相信号的损失时间z i 为这两个损失时间之和，即 f i ；f n + ，f 2( 2 - 5 ) 在实际 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，因此常用某一相 位的绿灯时间代替其有效绿灯时间，于是得到绿信比的近似计算公式 a ；g ，c( 2 - 6 ) 信号交叉口车流的运行特性及其通行能力，直接取决于信号配时的情况。 2 3 信号交叉口车流的运动特性 由于信号灯的控制作用，信号交义口交通流呈现间断特性。在交叉口的进口道处，车辆在红 灯期间受阻，产生排队，而在绿灯期间放行排队疏散。 l 厂 1 _ l 厂 - l 厂厂_ j l 一厂_ 一 中礤农业大学钡亡论文 第一章平面交叉 】交通分折 j 褂 笋始迟椎! i 一 有效绿灯时间g 蠕 j 薄 一阳j 塞 1 甚 昭 轻 要 妇 l 蒲 前损卷时间f 终止迟滞b 1 眉损失时幅 制 指 l 一 f 1 t 窖p ， 于广 时阃 绿灯问聪 ，一 g 一 0 绿灯 黄灯 立； 一i 全红灯 i 勺相位i 红灯 围2 - 3 绿灯期间车流通过交叉口的流量图示 ! i 三流通过交叉口时的基本运动特性如图2 - 3 所示。这一基本模式是由克莱顿( c l a y t o n ) 丁 1 9 4 0 - , - 1 9 4 1 年提出的，之后沃德洛尔、韦伯斯特和柯布等学者对其进行了改进。它一商作为研究 信号交叉口乍流运行特性的主要依据”“。 由车流运动图所示，当信号灯转为绿灯时，红灯期阔等待在停车线后面的车流便开始向前运 动，车辆鱼贯地越过停车线，其流率从零很快增至一个稳定的数值，即达到饱和流率。此后，超 过停车线的后续车流将保持与饱和流量相等，直到停车线斤排队的车辆全部通过，或者虽没有放 行完而冈绿灯时间结束车流运行停止。从图中可以发现，在红灯刚刚转换为绿灯时，车辆并不是 立即就启动驶出停车线，而是有几秒的迟滞，启动后的车辆从启动达到其期望车速还需要一段时 间，而后的儿秒，流率变化很快。在此期间，车辆通过停车线的车流量要比饱和流量低。同理， 在绿灯结束后的黄灯时间或者在绿灯开始闪烁后，未到达停车线的车辆减速或者制动而停j t 前 进，因此通过停车线的流量由原来的饱和流量逐渐下降。冈此，绿灯显示最初的一段时闻和黄灯 部分时间未被车辆充分地利用，造成了运行时间的损失。 上述运行特性主要是对直行车漉而言的。对转向车流则呈现不同的运行特性。转向卞流在黄 灯期间通过交叉口的流量反而会变得更大一些，这是因为由丁反向直行车的存在，使得转向车流 在绿灯期间只能聚集在路口中央等候区等待通行。这样在绿灯结束时便积存下一些左转车，它们 需要利i j 黄灯时间迅速地驶离交叉口。 交通法规规定绿色信号允许车辆直行和左转弯，左转车辆不得妨碍反向直行车辆的运行，所 以左转车只能在绿色信号初期在反向直行车未达到冲突点的时间内左转，或在冲突点附近等待直 行车流中出现允许穿越的空当。但是当左转车辆的交通需求较大时，个别左转车辆可能会贸然 插入直行车流，迫使反向车辆城速。根据观测，当左转弯车流最较大时，转弯车辆往往不能及肘 清空，造成直行午流启动缓慢甚至延迟队首车辆的启动，从而降低通行能力。 中国农业大学颂 ：论文第二审平面交叉u 交通分析 非常重要的一点是，只有当绿灯期间停车线后始终保持有连续的车队时，车流通过停车线的 流率才能稳定在饱和流率的水平上。如累在绿灯时间内，进口车逆上的排队车辆能够完全疏散， 即在欠饱和交通状况f ，进口年道上排队车辆完全疏散所需要的时间小_ 丁- 绿灯时间： 疏散时间 绿灯时间 这种情况r ，交叉口的信号配时方案能够满足进口车道的交通需求，在给定的信号周期内，到达 的下辆能够全部驶离交叉口。 为了简化乍流的运动，可以用虚线取代实线。虚线与横轴所包围的矩形面积与实曲线包围的 面积相等。这个矩形的高就等于饱和流量的值，矩形的宽代表有效绿灯时间。 从图2 - 3 中可以看出，绿灯信号的实际显示时段与有效绿灯时段是不完全重合的。有效绿灯 时间的起点滞后于绿灯实际起点。这一段滞后时间被称为“绿灯前损失”。同样，有效绿灯时间 的终止点也滞后于绿灯实际结束点，将这一部分滞后时间差称为“绿灯后补偿”。由此可以得到 有效绿灯时间的f 述计算公式： g = g + f f 一e e ( 2 7 ) 式中：e 一实际绿灯显示时问； 扩绿灯后补偿时间，等于黄灯时间减去后损失时间： e e 绿灯前损失时间。 2 。4 信号交叉口延误分析 延误魁由于交通干扰、交通管理和控制设箍等因素引起的车辆运行时间损失。用于评价信号 交叉口运行敛率和服务水平的重要度量是车辆在交叉口的延误它不仅反映了驾驶员不舒适性、 受阻、油耗 u 行驶时间损失，还反映了信号控制规划、设计的合理性。交义口延误分析就是建立 在交通流这种间断性和周期性基础上的。 2 4 。1 车辆在交叉口的受阻滞过程 在每个周期内总有一部分车辆在到达停车线之前会受到红灯的阻滞，可以用图2 4 来描述车 辆的受阻滞过程如幽2 4 所示。图中给出了某车辆在通过停车线前后一段时间内的“行驶距离 时间曲线”。图中所示车辆受到红灯阻滞，在到达停车线之前就已经制动减速，车速由原来的行 驶速度降到0 等待一段时间后，又重新启动，加速至原正常行驶速度。 中国农业人学碗上论文第一二章平面交叉口变通分析 行驶时间 囝2 - 4 受阻滞车辆的行驶时间一距离曲线 h 正常行驶速度； f 一一止常行驶距离； t ，若不受红灯咀滞，以正常行驶速完成行程f 所需要的时间，即 ，。；三 “。 d 乍辆受阻的总延误时间； f 实际完成行程f 所花费的时间： f r 。+ d f 。t 分别为车辆在减速阶段和加速阶段所花费的时间； ，。，b 分别为车辆在减速阶段和加速阶段所行驶过和距离； d 车辆完全停车的时间，也即“停车延误”； d 。，d h 分别为车辆在减速和加速阶段的延误； d 车辆在减速阶段和加速阶段的延误之和即 d h = dd + d b 从图2 4 中可以看出，车辆受阻延误时间就是车辆在受阻情况f 通过交叉口所需要时间与正 常行驶相同距离所需要的时间之差。 1 “停车延误”与“减速一加速延误” 由图2 4 可知，车辆在停车线处受阻总延误时间为b e 。而减速和加速阶段产生的延误时间 为d ；因此，车辆真正处1 二停车状态的时间d ，就应该为总延误时间与以之差。 2 完全停车与不完全停午 观察交义口的实际交通状况，可以发现并非所有的车辆受到信号阻滞时部完全