（模式识别与智能系统专业论文）城市交通区域协调控制的研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着城市化进程的不断加快，汽车保有量迅猛增长，交通拥堵变得日益严 峻。仅依赖道路基础设施的建设解决交通拥堵问题是不现实的，智能交通系统是 有效缓解城市交通日益增长的压力的有效途径和发展方向。城市交通区域协调控 制是智能交通系统的重要组成部分，本文对区域协调控制进行了深入的研究，主 要工作包括： l 、单交叉口信号的优化控制。建立了基于h c m 2 0 0 0 延误模型公式基础上的 单交叉口交通信号控制方案的优化配时模型，以交叉口平均延误最小为优化目 标，采用粒子群优化算法( p s o ：p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ) 对单交叉口的信号 配时方案进行优化，以为区域协调控制奠定基础。 2 、在单交叉口延误最小的优化基础上，提出了一种交通区域协调的模糊控 制方法，针对各交叉口的排队长度和相邻交叉口之间路段的饱和度建立模糊规 则，对各个交叉口的相位绿灯时间进行调整，以避免交通区域的拥塞。 3 、采用本文所提算法分别对典型的四交叉口路网和五交叉口路网进行仿真， 实验结果表明：相对于固定配时的方法，区域协调模糊控制算法对于改善区域内 交通状况可以取得更好的效果。 关键词：区域协调控制；交通信号控制；粒子群算法；模糊控制 a b s t r a c t a b s t r a c t 渐曲曲ea c c e l e r a t i o no fu r b a n i z a t i o np r o c e s s ? t h en u m b e ro fa u t o m o b i l eh a s i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y t r a f f i cc o n g e s t i o nh a sb e c o m em o r ea n dm o r es e r i o u s i ti s u n r e a l i s t i ct oe x t e n dt h er o a di n f r a s t r u c t u r eu n l i m i t e d i n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e mi sa n e f f e c t i v ew a ya n dd e v e l o p i n gd i r e c t i o nt o a l l e v i a t et h ei n c r e a s i n gu r b a nt r a f f i c p r e s s u 】r e a r e ac o o r d i n a t i o nc o n t r o li sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fi n t e l l i g e n tt r a f f i c s y s t e m 。w ea i mt os t u d ya r e ac o o r d i n a t i o nc o n t r o la p p r o a c h ，a n dt h em a i nw o r k o f t h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： 1 s i g n a lo p t i m i z a t i o nc o n t r o lo fs i n g l ei n t e r s e c t i o n b a s e do nt h ed e l a y - f o r m u l ao f h c m 2 0 0 0 ，t h es i g n a lc o n t r o lm o d e lo fs i n g l ei n t e r s e c t i o n i sd e v e l o p e d a i ma t m i n i m i z a t i o na v e r a g ed e l a yo fi n t e r s e c t i o n ，p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ( p s o ) i s e m p l o y e d t oo p t i m i z et h es i g n a lt i m i n gp l a no fs i n g l ei n t e r s e c t i o n ，w h i c hi st h eb a s i c o fa r e ac o o r d i n a t i o nt r a f f i cc o n t r 0 1 2 b a s e do nm i n i m a la v e r a g ed e l a yo fs i n g l ei n t e r s e c t i o n ，af u z z yc o n t r o la l g o r i t h mo f t r a f ! f i ca r e ac o o r d i n a t i o ni sp r o p o s e d t h ef u z z yr u l e sa r eb u i l ta c c o r d i n gt o t h e q u e u e 1 e n g t ho fe a c hi n t e r s e c t i o na n dr o a ds a t u r a t i o nd e g r e eb e t w e e nt w oa d j a c e n t i n t e r s e c t i o n s t h er e l a t e dp h a s eg r e e nt i m ei sa d j u s t e dt oa v o i da r e ac o n g e s t i o n 3 t h es i m u l a t i o n sa r ec o n d u c t e dt o v a l i d a t et h ep r o p o s e da l g o r i t h m i nt h e e x l ：i e r i m e n t s ，t y p i c a lt r a f f i ca r e a si n c l u d i n g f o u ri n t e r s e c t i o n sa n df i v ei n t e r s e c t i o n sa r e u s e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w t h a tt h i sf u z z yc o n t r o lo ft r a f f i ca r e ac o o r d i n a t i o ni s m o r ee f f e c t i v et h a n t h e o p t i m i z a t i o n c o n t r o lo fs i n g l ei n t e r s e c t i o n w i t h o u t c o o r d i n a t i o n k e y w o r d s ：a r e ac o o r d i n a t i o n ；t r a f f i cs i g n a lc o n t r o l ；p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ； f u z z yc o n t r o l i i 中国科学技术大学学位论文相关说明 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人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。除已特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一 同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：晔 签字日期：2 吐丝= 二生 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文 的部分使用权，即：学校有权按有关规定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阅，可以将学位论文编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 矿1 。 f 识。 - ) 军r一 链止 解一 第一章绪论 第一章绪论 随着世界经济的飞速发展，机动车的数量日益增多，随之产生了一系列的交 通问题，其中最为严重的就是城市交通拥堵问题。交通拥堵是人们感触最深、影 响最大、积怨最多的问题，它破坏了使用机动车的初衷一一提高人与货物的空间 位置移动的便捷性和可达性，降低了城市效率和质量。导致城市交通拥堵的因素， 包括机动车拥有量与日俱增、道路总面积相对较少、道路布局不合理、交通配套 设施不够完善、交通管理效率低下等。其中，最重要的因素之一就是道路交通的 管理水平低下。因此，提高交通控制和管理水平，改善交通拥堵的要求迫在眉睫。 在经济迅速发展的同时人们也在不停的寻求高效可行的交通控制的理论和方法。 目前，对于交通状况进行管理和控制主要有两大类方法：一类是通过不断改善道 路交通基础设施建设来增加交通管理的效率，比如将原有道路重修加宽以容纳更 多的车辆，修建城市高架道路以便最大程度的利用原有的道路空间；另一类是使 用更多的管理设备和管理方法使得交通流的管理和疏导变得更加合理高效。而在 长期的摸索和实践中，人们也发现单单通过第一类方法已经无法适应经济和交通 的快速发展。因此，基于交通控制的现代电子信息科学技术和计算机科学技术相 结合的智能交通理论应运而生。交通信号控制作为智能交通理论研究的最重要的 内容之一，它通过对城市道路交叉口信号灯相位和配时的合理配置，使得道路中 现有的资源和配置得到最大化的利用，以最大程度的改善道路交通状况。 为了改善整个城市或者城市中区域的道路交通状况，一种较为有效可行的办 法是实现区域协调控制。区域协调控制是指在一个区域或者整个城市范围内，一 个交叉口交通信号的调整将会影响到相邻交叉口的交通流；而相邻交叉口交通信 号的改变也会影响本交叉口交通状况。因此，从整个系统的战略目标出发，根据 交通流检测数据，协调区域内各交叉口的交通信号配时，从而取得整体最优的效 果。随着智能交通研究的不断深入，区域协调控制的研究也取得了很大的进展。 在学习和总结了现有的区域协调控制常用方法之后，本文提出了基于模糊控制的 区域协调控制算法。 1 1 研究背景 1 1 1 城市交通控制的发展及现状 城市交通信号控制系统是为了实现城市道路交叉口交通信号的控制和优化 第一章绪论 的一整套硬件设备和软件系统的集合。它是实现智能交通最主要的方式和途径。 随着智能交通的不断发展，交通信号控制系统也在不断的发展，先后经历了单点 控制，干线控制以及现在盛行的区域控制等。控制方式也多种多样，从最原始的 纯手动控制到自动控制，从定时控制到多时段控制以及自适应控制，感应控制和 半感应控制等等。 世界上第一盏红绿灯于1 9 6 8 年诞生于英国，由当时一名英国机械师设计， 制造的灯柱高7 米，由红绿两种颜色的煤气灯组成，通过人工交替转动红绿煤气 灯达到更换交通信号的目的。不过由于煤气灯安全方面的缺陷，这种“煤气信号 灯”很快就退出了历史舞台。而真正意义上的交通信号“电气信号灯”则由美国人 在1 9 1 4 年发明，从刚开始应用于克利夫兰市之后则很快风靡于美国其他各大城 市，如纽约和芝加哥等。从那时起直到今天，交通信号灯在城市道路交通信号控 制中一直扮演了极为重要的作用。 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，应该说，这是第一个能够真正成为“智能交通”的信号控制系统，它 通过把自动化技术和电子信息技术以及计算机控制技术相结合应用于交通信号 控制中。从而大大提高了交通信号控制的准确性和高效性。随后，其他发达国家， 如美国，英国，日本等陆续开发了基于计算机信息技术的交通信号控制系统。典 型的交通控制系统有t r a n s y t 系统、s c o o t 系统( s p l i t ，c y c l ea n do f f s e t o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e 即绿信比、周期和相位差优化技术) 、s c a t s 系统( s y d n e y c 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 ，即悉尼协调自适应交通系统) 以及r h o d e s ( r e a l t i m e ，h i e r a r c h i c a l ，o p t i m i z e d 。d i s t r i b u t e da n de f f e c t i v es y s t e m ：实时、递阶、分 布式且可实施的系统) 等等。这些交通信号控制系统的出现，标志着智能交通的 发展进入一个新的阶段。( 刘智勇，2 0 0 3 ：史忠科，2 0 0 3 ) 。 由于我国的科技发展较其他发达国家滞后，我国的智能交通发展与上面提及 的发达国家之间的差距也比较大，目前还没有特别成熟的智能交通信号控制系统 出现。目前使用的还是国外的较为成熟的系统，如北京，上海等大城市均使用了 s c a t s 系统。 我国非常重视智能交通的发展，科技部在科技基础性工作专项中安排了“智 能交通系统( i t s ) 标准和检测技术开发”项目，针对国家攻关项目中的示范工程 和产业化开发，在科技攻关专项中也安排了适当的经费进行标准化工作，这些项 目将在国家有关主管部门的领导下，由国家智能交通系统工程技术研究中心和 t c 2 0 4 中国委员会具体组织进行。我国政府充分重视智能交通技术的发展，投入 的人力和物力也越来越大，已经取得了长足的进展，但是，相对于国外先进智能 交通信号控制系统的技术还有较大差距，还需要不断的努力和奋斗。总之，研制 2 第一章绪论 适合中国交通状况的交通信号控制系统以及发展中国的智能交通理论和技术任 重而道远。 1 1 2区域协调控制技术的研究概况 实现区域协调控制的方法归纳起来主要有两种：一种是分级控制的思想，即 通过将控制的目标区域划分成小的子区，再对各个子区进行控制，最后协调各个 子区，从而达到整个大区域实现协调控制的目的。另外一种是采用一些人工智能 算法，以某个交通参数作为优化目标来优化整个区域内的交通。 目前国外的区域协调控制相对中国要更成熟一些，主要体现在一些比较成熟 的信号控制系统上，如t r a n s y t 、s c o o t 、s c a t s 、r h o d e s 等。它们的特 点是： t r a n s y t 系统是英国交通与道路研究所提出的一种离线优化网络信号配时 的程序，是当今世界上最著名的信号配时优化设计程序之一。该系统中区域协调 控制的实现主要包括建立区域协调道路交通模型和对该模型优化两个部分组成。 其中，建立区域协调道路交通模型由计算路网中车辆的延迟时间和停车次数来完 成的；对该模型优化是通过计算在给定的一组符合最小绿灯约束的配时信号的控 制下，路网的性能指标p i 最小。p i 由路网中所有的道路连线的延误时间和停车 次数的加权和确定。 s c o o t 系统也是由英国交通与道路研究所在t r a n s y t 的基础上采用自适 应控制方式，经过研究提出的动态交通控制系统。s c o o t 仍采用了t r a n s y t 的交通模型，吸收了t r a n s y t 各方面的有点，并因s c o o t 的实时控制，获得 了明显优于静态系统的效果，被很多国家采用。s c o o t 的主要技术特征有：控 制模式为联机( o n l i n e ) 实时控制，即动态模式；以p i 最小为系统优化目标；参数 s 、o 、c 均通过建立优化数学模型计算；采用小步长渐近寻优法；检测器位于 上游交叉口进口处。s c o o t 系统是在t r a n s y t 的基础上发展起来的，其模型 既优化原理均于t r a n s y t 相仿。他们的不同之处在于：t r a n s y t 是离线的而 s c o o t 是在线的，s c o o t 是以实时测量的交通量数据为基础，用交通模型进行 配时优化。 s c a t s 系统是由澳大利亚新南威尔士道路和交通局( r t a ) 于2 0 世纪7 0 年代 末研制成功的，从1 9 8 0 年起陆续在悉尼等城市安装使用。目前，世界上大约有 5 0 个城市正在使用s c a t s 系统。其主要技术特征有：采用地区级为联机，中央 级为联机与脱机同时进行的控制模式；以饱和度作为系统优化的目标；调整s 、 o 、c 时在预先确定的方案中选择；寻优方法为比较选择法，无实时交通模型等。 它的优点是结构易于改变，控制方案较为容易变换。但是s c a t s 系统也有几个 第一章绪论 明显不足：未使用交通模型，本质上是一种方案选择系统，因而限制了配时参数 的优化程度；系统过分依赖于计算机硬件，除了p d p i i 系列数字计算机外，无法 在其它计算机系统上方便实施；选择相位差方案时，无车流实时信息、反馈，可 靠性低。 r h o d e s 系统是由美国亚利桑那州立大学的e m i r c h a n d a n i 等人开发成功并 陆续在美国亚利桑那州进行了现场调试，结果表明该系统对半拥挤的交通网络比 较有效。r h o d e s 采用一种3 层的递阶结构，优化目标为最小化平均车辆延误、 最小化交叉口平均排队长度或最小化停车次数。 而国内的研究主要以理论研究为主，目前还没有已经实现区域协调控制的成 熟完整的信号控制系统。国内区域协调控制具有代表性的研究工作包括： 五邑大学董友球( 2 0 0 8 ) 利用q l e a r n i n g 算法优化目标区域内各交叉1 ：3 的信 号周期，把优化的目标区域按重要程度划分为若干干线并编排顺序，按顺序对各 干线相邻两交叉口协调相位间的相对相位差用q l e a r n i n g 算法进行优化，按同 样顺序依次确定各交叉口的绿信比，并结合优化得到的相对相位差确定绝对相位 差。对于多个交叉口的区域，随着交叉口数量的增多q 学习中用来存储状态动 作对的q t a b l e 的空间成指数级增长，导致存储空间以及计算复杂度巨大从而无 法完成q t a b l e 的迭代计算。 兰州交通大学王春雷( 2 0 0 7 ) 等人针对基本p s o 算法的缺点，如易陷入局部 极值点、搜索精度低等，引入了灾变模型，并采用双向并行策略，提出一种改进 的p s o 算法双向并行灾变粒子群优化算法( b p c p s o ) 并将其应用于城市区 域交通信号控制中用来优化交叉口的信号周期，这篇文章的缺陷在于没有给出明 确的优化目标。 北京工业大学张辉( 2 0 0 6 ) 等人提出了一种基于m u l t i a g e n t 的交通信号区 域协调控制系统，系统利用区域内各个交叉口交通流互相影响的特点构造了一种 基于分布权值函数的分布式q l e a r n i n g 算法，采用此算法实现了m u l t i a g e n t 的 学习以及协调机制。通过各a g e n t 间的协调控制来协调相邻交叉口处的控制信 号，从而减少路网中的道路拥塞，改善区域内的整体交通状况。文章使用的a g e n t 思想是从概念上描述区域协调的步骤和过程，而没有给出严格的理论推导过程。 兰州交通大学钱勇生( 2 0 0 7 ) 根据我国城市交通的特点，提出一种基于三群 协同粒子群优化算法的城市区域交通自适应协调控制方法。他通过分阶段优化控 制交通参数( 周期、相位差和绿信比) ，每个阶段长1 0 3 0 分钟，周期、相位差由 区域控制级每阶段优化一次，绿信比由交叉口控制级每周期优化一次。采用车辆 延误为性能指标，周期、相位差和绿信比均采用三群协同粒子群算法进行优化。 但是该方法没有给出具体的算法过程。 4 第一章绪论 五邑大学刘志勇( 2 0 0 6 ) 提出一种基于改进免疫遗传算法的城市区域交通自 适应协调控制方法。他采用两层的递阶分布式结构分阶段和分级优化控制参数 ( 周期、相位差和绿信比) ，每个阶段长5 3 0 分钟，周期、相位差由区域控制 级每个阶段优化一次，绿信比由交叉口控制级每个周期优化一次，采用最小化平 均延误时间或平均停车次数等为性能指标。周期、相位差和绿信比均采用改进的 免疫遗传算法进行优化。但是该方法并没给出如何协调交叉口级和区域级直接的 协调方法，从而很难达到区域内整体最有的效果。 兰州交通大学马昌喜( 2 0 0 7 ) 等人根据我国部分城市道路网包含多条环路的 特点，设计了一种双向并行灾变粒子群优化算法的城市环路交通协调控制系统。 该系统以路网中的闭合环路作为控制子区，采用三层递阶分布式结构和双向并行 灾变粒子群优化，分阶段优化控制周期、相位差和绿信比。由于优化的目标是环 路，因此有失一般性，不能适用于普通交叉口组成的交通路网。 中国科学院自动化研究所智能控制与系统工程中心刘小明( 2 0 0 3 ) 在a g e n t 技术的基础之上，对交通区域协调控制进行了初步研究。他通过对交通区域的交 叉口的结构和组成进行分析，然后将其抽象成对应的a g e n t ，通过多a g e n t 之间 的协商策略达到各个a g e n t 之间相互协调的目的，从而实现区域协调控制。该文 章从理论上一定程度的说明了实现区域协调控制的方向，但是没有给出具体的协 调算法和过程。 辽宁工学院杨兆升( 2 0 0 7 ) 等人针对我国城市交通的特点，如交通流车辆混 杂，人车混合，具有区域性等，将m u l t i a g e n t 技术和d a t a - c o n f u s i o n 技术相结 合对其进行分析研究，并提出了基于m u l t i a g e n t 技术和d a t a c o n f u s i o n 技术的 道路交通区域协调控制模型，然后采用博弈再励学习方法对其进行协调优化，从 而实现道路交通区域协调控制。但是文章并没有给出具体的算法步骤，只给出了 粗略的过程。 东北师范大学于晨牧( 2 0 0 9 ) 采用人工智能中的重要分支之一：智能规划技 术，由于交通区域协调控制是一个时间约束和资源约束相结的问题，因此采用智 能规划技术可以较好的协调这类多因素约束的问题。文章结合区域协调的问题提 出了基于时序规划的区域协调控制算法模型，该模型可以处理带有时间和资源约 束的交通信号控制问题，最后对该模型求解从而得到区域协调控制策略。 1 2 研究的目的和意义 区域协调控制的目的有：缓解目标区域内的交通压力，提高道路通行能力和 通行效率，减少区域内交通拥挤程度和交通事故的发生，充分利用现有的交通硬 第一章绪论 件设施。区域协调控制主要有子区划分方法和算法直接优化两大类方法，由于优 化的目标区域可能是任意不规则结构，所以对于子区划分优化方法有一定的局限 性。因此目前国内的文章对于第二类方法采用的较多，即利用一些人工智能算法 对区域内某个或某些个性能指标进行优化从而达到区域协调的目的。 本文综合考虑了多种情况，最终提出了一种交通信号区域协调控制方法：首 先对路网中的各个交叉口进行单交叉口信号优化控制，即先建立基于h c m 2 0 0 0 延误模型公式基础上的单交叉口交通信号控制方案优化配时的模型，以交叉口平 均延误最小为优化目标，采用p s o 对单交叉口的信号配时方案进行优化。然后 在单交叉口p s o 延误最小的优化方法基础上，提出基于模糊控制的路网级交通 信号区域控制模型，即针对所有交叉口的排队长度和对应相位的路段上的饱和度 建立模糊规则，对各个交叉口的相位绿灯时间进行优化。优化的目标是使得交通 区域整体交通状况最优。 1 3 研究的主要内容 综上所述，虽然国内外的专家学者对于道路交通区域协调控制都入的大量的 时间和精力去研究，出现了各种不同的算法和方案去实现区域协调控制，但是由 于交通问题的不确定性以及协调控制问题本身的复杂性，学术界一直没有出现实 现区域协调控制的特别好的方法得到大家的一直认可。已经存在的各种算法和方 案也都需要不断的改进和完善。本文研究的主要内容包括： 1 基于p s o 算法的单交叉口信号方案优化方法研究 首先根据h c m 2 0 0 0 延误模型公式建立一个单交叉口交通信号控制方案 优化配时的模型，研究基于p s o 的优化配时，以最小化目标交叉口的平均延 误。 2 基于模糊控制理论的区域协调控制方法 在单交叉口相位方案p s o 优化配时的基础上，研究区域级相位方案模糊 控制的模型。即针对区域内所有交叉口的排队长度，以及其相邻交叉口长度 和路段的饱和度来调整交叉口的相位配时，调整的目标是使得交通区域整体 交通状况最优。并分析基于模糊规则的相位配时的调整方法。 3 基于以上两种算法的实验验证和分析 使用中国科学技术大学微观交通仿真软件，分别以四个交叉口和五个交 叉口组成的交通区域验证前面两章提出的区域协调控制算法，通过仿真的结 果说明两种算法的有效性并且将两种算法的结果进行对比分析，总结出两种 算法在实现区域协调控制时适用的目标区域类型。 6 第一章绪论 1 4 论文组织 第1 章绪论。本章介绍城市交通发展的状况，说明了交通区域协调控制的 必要性。分析了国内外城市交通区域协调控制的相关研究进展，对国外具有代表 性的交通信号控制的进行了概述，最后给出本文研究的主要内容。 第2 章道路交通控制基本理论。本章介绍交通控制理论中的基本概念和技 术指标。常用的技术指标包括相位、周期、绿信比等，主要用来对交通状况进行 评价。基本概念则包括单点控制、干线控制和区域控制等。 第3 章单交叉口信号最优控制。首先根据h c m 2 0 0 0 延误模型公式建立一 个单点信号方案优化配时的模型，并以p s o 作为优化算法进行优化计算，优化 的目标是目标交叉口的平均延误最小，并给出了p s o 算法中各个参数的取值范 围和算法的具体步骤与流程。 第4 章区域协调的模糊控制。在单交叉口相位方案p s o 优化配时的基础上， 提出了区域级相位方案模糊控制的模型。即针对区域内所有交叉口的排队长度， 以及其相邻交叉口长度和路段的饱和度来调整交叉口的相位配时方案，调整的目 标是使得交通区域整体交通状况最优。该模型根据获取的路网信息，通过模糊规 则推导出相位绿灯时间的调整方案。 第5 章区域协调控制系统仿真实例验证。本章使用中国科学技术大学微观 交通仿真软件，分别以四个交叉口和五个交叉口组成的两个交通区域验证前面两 章提出的两种算法，通过仿真的结果说明两种算法的有效性并且将两种算法的结 果进行对比分析，总结出两种算法在实现区域协调控制时各自适用哪些不同的目 标区域类型。 第6 章总结与展望本文首先总结了整个论文所做的工作，然后对于未来的 工作方向和研究目标进行展望。 7 第二章道路交通控制基本理论 第二章道路交通控制基本理论 本章内容主要介绍了交通控制理论中一些常见的概念和一些常用的技术指 标。这些概念对于交通理论和本文的理解都是至关重要的，常用的技术指标主要 用来衡量交通状况的好坏。常见的概念有单点控制、干线控制、区域控制等，常 用的技术指标有相位、周期、绿信比等。 2 1 城市交通控制基本概念和指标 实现交通控制的主要目的是在交通流可能产生冲突的地方设置一些交通设 置，比如交通控制信号灯 2 1 1基本概念 1 相位： 相位是指交叉口各信号不发生变化的某时刻，放行交通流的绿灯时间内的绿 灯时间的长度和放行方向。相位是交通信号控制最重要的概念之一，也是信号控 制的基本单元，即通过调整某个相位的绿灯时间长度、黄闪时间、全红时间以及 一个周期相位的数量和相位的顺序来达到单点信号控制的目的。一般情况下，一 个交叉口经过n 个相位之后又循环到最初的相位运行，那么这个交叉口就是n 个相位控制。其中交叉口最常见的四相位控制与两相位控制，其中两相位控制多 见于原始的圆盘灯。标准四相位的相位设置一般为：“第一相位：东西直行，东 西右转；第二相位：东西左转，东西右转；第三相位：南北直行，南北右转；第 四相位：南北左转，南北右转。”标准四相位的示意图如下图2 1 2 4 所示： 图2 1 第一相位 9 第二章道路交通控制基本理论 图2 2 第二相位 图2 3 第三相位 图2 4 第四相位 一般常见的两相位要比四相位设置简单，一般设置成：“第一相位：东西直 行，东西左转，东西右转；第二相位：南北直行，南北左转，南北右转。”常见 的两相位设置示意图如下图2 5 和图2 6 所示： 图2 5 第一相位 1 0 第二章道路交通控制基本理论 图2 6 第二相位 2 周期： 交叉口信号控制中，当信号控制装置运行了n 个相位之后又回到初始的相位 运行，那么这个信号周期的相位数为n ，信号周期指的就是这n 个相位时间长 度之和。例如，某交叉口有n 个相位，每个相位的时间长度为尸，其中有 f = 0 ，1 ，2 一l ，则信号周期c 有： ，一l c = p t ； ( 2 1 ) f ；0 3 绿信比： 绿信比是指一个信号周期内，可用于车辆通行的有效绿灯时间与信号周期的 比值。绿信比参数是信号优化中一个重要的优化目标，通过对绿信比的优化可以 更加充分的利用有效的绿灯时间放行更多的车辆，从而将车辆的平均延误降到最 低。绿信比一般用名表示，且一般有： 名= g 口c ( 2 2 ) 其中，g e 为有效绿灯时间，c 为信号周期。 4 调整步长： 在交通信号控制中，对于信号的优化最主要的手段之一是调整相位时间的长 度，由于信号调整的第一前提是安全，安全重于一切，所以在调整相位时长的过 程中，只能采取循序渐进的方式调整，以最大程度的减少安全隐患。调整步长就 是表示在调整相位时长的过程中，每次可以调整的最大时间长度。例如某个相位 时长为p t ，在对其进行一次调整过后，新的相位时长的范围一。有： 曩 心- a t ，p t t + a t 】( 2 3 ) 2 1 2基本指标 1 延误： 延误是指车辆在道路上不能快速的自由通行，由于各种原因停车，减速等导 第二章道路交通控制基本理论 致车辆在道路上行驶时的时间损失等。本文把延误分成两种，分别为一致性部分 ( u n i f o r m ) a n 随机过饱和部分( r a n d o m m i d o v e r s a t u r a t i o n ) 。一致性部分是当某一 道路上平均驶入的交通量低于该道路设计通行能力时，车流受红灯阻滞而产生延 误的时间，我们用n 表示一致性延误。随机过饱和延误是由于到达停车线的车 流不均衡造成的附加延误时间，尽管车流的平均到达数低于绿灯时间可以放行的 车辆数，但由于车辆到达不均衡，有时仍有部分车辆不能在绿灯期间通过，我们 用n 表示随即过饱和延误。则对于平均延误d 有： d = 口+ b( 2 4 ) 我们采用t r r l 的w e b s t e r 模型来表示d 1 ( 庄焰，2 0 0 6 ) ，则有： d 1 = 糕。i - 莉x 2 堋( ( 2 5 ) 1 2 ( 1 一脑) 2 9 ( 1 一x )、g 、。 其中，c 为信号周期，g 为平均车辆到达率( 辆车，小时) ，x 为饱和度，即交 叉口的最大流量与交叉口的通行能力的比值，五为绿信比。 随机与过饱和延误n 的计算方法如下( 仇东华，2 0 0 8 ) ： 2 等) + 扣1 ) 2 + 币4 x i - ( 2 6 ) 其中，t 为分析时段的持续时常( 0 2 5 h ) 。 2 服务水平： 服务水平是指道路在某种交通条件下所提供运行服务的质量水平，是由道路 上所有通过的车辆的平均行车速度来确定的。我们引用美国道路通行能力手册 中的标准，根据道路等级和自由流车速将道路的服务水平分成六类，分别为a ，吓， 六类服务水平的一般描述如下： 服务水平a ：车辆在道路上都能以该级干道自由流速度9 0 以上的速度行驶， 道路十分畅通，在道路上行驶的车辆通行状况十分良好，信号交叉口处的延误达 到一个非常小的水平。 服务水平b ：代表车辆在道路上行驶基本畅通。车辆的平均行驶速度大约为 该级干道的7 0 ，车辆在行驶过程中稍受限制。停车延误不会使得司机产生不安 情绪。 服务水平c ：车辆可以在道路上平稳行驶，在相邻的交叉口之间，驾驶员对 于车辆的控制，不像服务水平b 那样的可以自由加减速和随意换道。在交叉口 附近会出现停车等待红灯以及轻微的交通拥塞，该服务水平下车辆的速度大概为 自由流速度的5 0 左右，行驶过程中驾驶员会有紧张的感觉。 服务水平d ：该服务水平下，如果道路上交通流稍有增加就会很大程度的增 1 2 第二章道路交通控制基本理论 加道路交叉口平均延误的值，从而大大降低道路上的所有行驶车辆的平均速度。 出现这种情况的原因可能是由于不合理的相位配时、干线协调控制中的相位差时 间设置不当或者较大的交通流量造成的。此时车辆的平均行驶速度大约为自由流 速度的4 0 。 服务水平e ：该服务水平表明道路上车辆的平均延误较大，道路上所有的车 辆的平均速度大约只有自由流速度的三分之一或以下。服务水平到达此水平是由 于交通流密度较大且交叉口相对密集，车辆行进过程中频繁遇到交通信号灯且信 号灯信号设置无规律导致车辆排队拥塞造成的。 服务水平f ：表示道路上车辆只能以极低的车速缓慢行驶，交叉口严重拥塞， 车辆需等待超过一个信号周期长度的时间才能通过交叉口的情况。该服务水平一 般是由于多个因素相互影响造成的，比如在上下班高峰期间，市中心交通流密度 极大，导致道路严重堵塞，车辆行驶缓慢，可导致驾驶员心情急躁，易产生交通 事故。 表2 1 自由流车速与道路服务水平对照表 干道等级ii ii i i 自由流速度范围( 叫 7 2 5 65 6 4 85 6 4 0 典型自由流速度( 1 ( n a h ) 6 45 34 3 服务水平平均行程速度( 叫 a 5 6 4 8 4 0 b 4 5 3 8 3 0 c 3 5 3 0 2 1 d 2 7 2 2 1 4 e 2 1 1 61 1 f 2 l 1 6 1 1 3 通行能力： 通行能力是指一段道路在不同运行质量情况下每小时能够通行的最大车辆 数，亦即同等条件下能承受的最大交通负荷能力。通行能力按作用性质主要可以 分为三种： 1 ) 基本通行能力：在道路、交通可能达到的最接近于理想状态时的通行能 力。基本通行能力是确定其他通行能力的基础。道路的理想状态是指有 足够的车道宽度与侧向余宽，纵坡、弯道线形良好，且有足够的视距。 交通的理想状态是指单一的轿车车流且无车速限制的状态。基本通行能 力c ( 辆小时) 在理论上可用车头间距与车速的关系来确定，即用车流 保持同一车速v ( 公里小时) 时的最小安全车头间距h ( 米) 来计算： c = 10 0 0 v h 第二章道路交通控制基本理论 2 ) 可能通行能力：在现实的道路、交通状态下的通行能力，它是在基本通行 能力的基础上，根据道路、交通的现实状态相对于理想状态的差别加以修 正而得。 3 ) 实用通行能力：在现实的道路、交通状态下，车辆能够安全顺利通过时的 通行能力。 4 排队长度： 在道路交通控制中，排队长度是指某个交叉口或者路段由于车流前进方向的 前方被堵塞或截断，导致车辆被迫停止等待通行而依次排开所行成车队的车辆数 目。排队长度指标是在交叉口控制中最常用的指标之一，是常用来判断交叉口交 通状况优劣的重要指标。 2 1 3交通信号控制模式 1 单点控制 交通信号单点控制是指在信号控制过程中，每一个被控制的单元只是单个交 叉口，对于该交叉口的信号控制和优化不受其任何相邻交叉口交通和信号状况的 影响。这是最原始最基本的控制方式。历史上第一个交通信号灯诞生之时就采用 了单点控制的方式，单点控制是最简单最直接有效的信号控制方式，直到今天， 大部分城市和郊区的信号控制方式仍然是单点控制模式。 2 干线协调控制 干线协调控制又叫“绿波带”控制，主要用于城市的主干道上。参与协调控制 的各交叉口可以采用不同的绿信比，但是必须采用相同的信号周期，在绿灯开始 时刻该交叉口对比其相邻的两个交叉口会延迟或超强一个时间长度，这个时间长 度成为“相位差”，每个周期的第一个相位称为“协调相位”，“协调相位”的时长必 须相同。如果车辆行进在干道上的时速在特定的速度范围内，则可以保证该车辆 从干线协调的开始交叉口到结束交叉口一直保持畅通。 3 区域协调控制 区域协调控制是指在一个区域或者整个城市范围内，一个交叉口交通信号的 调整将会影响到相邻交叉口的交通流：而相邻交叉口交通信号的改变也会影响本 交叉口交通状况。因此，从整个系统的战略目标出发，根据交通流检测数据，协 调区域内各交叉口的交通信号配时，从而取得整体最优的效果。怎样实现区域协 调控制是本文研究的主要内容。 4 多时段定周期控制 多时段定周期控制是指在某特定时间段内，交叉口信号控制的相位方案和配 时方案不发生变化，即采用固定的相位数和相位时长。比较常见的是把一天的时 1 4 第二章道路交通控制基本理论 间分成若干个时间段，每个时间段根据不同的交通特性使用不同的相位配时方案 进行交通控制，以达到最高的控制效率。 5 感应控制 感应控制是信号控制装置根据交叉口的传感器( 比如地感线圈或者视频流量 检测器) 感应交叉口的各个进口道是否有车进入，从而采取相应的放行或禁行信 号的控制模式。根据具体执行方式的不同又可以分为两种：全感应控制和半感应 控制。 全感应控制是在交叉口的所有进口道安装车辆检测装置，当信号控制装置在 某相位运行时，同时检测本相位剩余车辆和下一相位车辆达到情况，当本相位时 间耗尽或者下一相位车辆到达数达到一定阈值时切换到下一相位，如此循环检测 车辆信号并控制交通信号灯装置达到全感应控制的目的。 半感应控制是把交叉口的道路分成主干道和次干道，正常情况下，主干道一 直保持通行状态，当检测器检测到次干道有车来到时，信号控制装置则考虑将相 位切换到次干道放行次干道上的车辆，当车辆放行完毕或者达到最大绿灯时间时 则又切换回主干道，同时不停的检测次干道上的车辆达到情况，如此反复。 6 自适应控制 自适应控制就是通过埋设在道路上的检测器实时地检测到交通流数据，交通 流数据包括流量，速度，排队长度等，并把这些实时交通数据传递给控制中心， 控制中心的计算机根据收到的数据优化路网上各交叉口的信号配时( 包括周期时 长，绿信比，相位差等) 。 2 2 区域协调控制基本理论 2 2 1 基本概念 我们知道，交通控制系统直接关系到道路交叉口及路网的交通状态，特别是 在目前交通量日益增大的情况下，对交通控制的效率要求也越来越高。在当前的 交通控制理论界，对整个城市或者城市内某个区域的区域控制也越来越引起专家 学者们的研究热情，这就是区域协调控制，又称为交通控制中的“面控”。 区域交通控制中，我们需要理解一些基本的概念，分别列举如下： 1 交通模型 严格来说，交通模型的概念不是区域协调控制所特有的，在单点控制和干线 协调控制中都会存在模型的建立与优化问题。然而，一个区域信号控制模型对于 信号控制系统实现区域信号控制和优化来说，是更加不可或缺的。我们以英国道 1 5 第二章道路交通控制基本理论 路交通研究所的著名的交通控制系统t r a n s y t 为例介绍其中的区域协调交通 控制模型( 刘志勇，2 0 0 3 ) 。 首先，建立交通模型的目的就是用数学抽象的手段来模拟车流在路网中行 驶，从而可以使用科学的计算方法来对其进行分析和优化。因此，交通模型应该 能够准确的计算和预测使用不同的相位和配时方案时交通的各种运行参数，如延 误，停车次数以及道路的服务水平等。这些运行参数通常作为交通模型优化的对 象。t r a n s y t 的建模步骤如下： ( 1 ) 绘制路网结构图。t r a n s y t 把交叉口简化为节点，路段简化为线段， 从而把路网简化成节点和节点间连线的网状结构图，值得注意的是，表示路段的 线段并不只是表示一条道路，而是相邻两个交叉口之间的道路数目。然后尽可能 将获取的各种交通流信息显示在图上。 ( 2 ) 推算交通量模式。交通量模式是指路网中某个交叉口一定时间段内的交 通流量和排队长度随时间变化而改变的曲线图。为了简化计算，t r a n s y t 用直 方图来代替连续曲线，它把一个周期等分成5 0 个时间段，每一段内，近似认为 交通流量和排队长度不发生变化。 从进入网络的连线处开始计算，顺着交通流的方向保证每条连线都可以遍历 的到。某一路段的交通流图是将前面计算的从上一交叉口驶出的交通流量乘以一 个比率得到的。实际行驶中每个车辆的速度会有差别，所以当多个车辆从交叉口 同时驶出时，各个车辆之间的距离会发生变化，这种现象称为“离散”现象。英国 道路交通研究所的d i r o b e r t s o n 为了准确预测这种“离散”现象的程度，推导出如 下公式： g d ( 互) = f q 。( z t ) p + ( 1 一f ) q d ( 互一1 ) ( 2 7 ) 其中，吼( z ) 表示第i 个时间段内，下游某截面上预计到达的车流量；q o ( z ) 表示第f 个时间段内上有停车线截面通过的车流量；f 为上述两个截面之间平均 旅行时间的o 8 ；p 为进入下一个交叉口截面的车流量占经过上有停车线截面车 流量的百分比；f 表示车流在行驶过程中离散程度大小，称为车流离散系数，有 下式确定： f = 甬丽1 ( 2 8 ) 2 路网结构 在区域协调控制中，使用最多的方法之一就是子区划分优化方法，即将一个 城市或区域划分成若干个内部交通耦合性高的子区，再对子区进行协调控制，由 于子区与子区之间的交通耦合性会低于子区内部的耦合性，因此可以先对子区进 行优化，再对子区之间进行协调控制。在划分子区之前，首先就要对区域的交通 1 6 第二章道路交通控制基本理论 结构有所了解，这就是路网结构。t r a n s y t 中