（模式识别与智能系统专业论文）城市交通信号控制系统的研究.pdf

城市交通信号控制系统的研究 摘要 ，随着城市化进程加快，城市规模急剧膨胀，城市交通问题变得更加尖锐，已 戊为一种城市病。原来单纯的开环定时控制和单点控制已经不能解决城市交通 络的阻塞问题；同时随着人们生活的质量改善，以及超大型国际会议的承办， f 现代交通需求提出了更高的质量和效率要求，这就对城市交通控制和管理提出 皂高更紧迫的要求。在这个背景下，本文提出：单个交叉路口应采用闭环的自适 应信号控制策略，同时作为道路网络的一个节点，单个路口必须肩负起交通网络 信息收集的任务，构建“一体化 系统的区域社会与交通信息数据库，并提供实 时更新信息，为道路网络规划、建设和管理提供科学决策的信息基础，同时为交 通信号区域协调控制打下坚实的基础。 本文首先分析路口采用信号控制原因和条件，各种信号控制方式的原理和优 缺点，为路口采用何种管理箫略提供实用有价值的参考。文章还分析信号控制系 统的基本结构，为实现区域协调控制和城市道路网的交通状态信息集中方法提供 了框架思路。 其次对单点的自适应信号控制作了深入的分析，将信号控制系统分成了四个 子系统：交通信息采集子系统、参数预测子系统、配时生成子系统和配时运行子 系统。分析了交通信息数据采集子系统的软硬件结构层次，参数预测中的车道车 流量预测和排队长度估算。在配时运行子系统中，提出了一种配时改变投票决策 算法流程，它能够较好地保证系统的鲁棒性和适应性，不会出现系统配时频繁震 荡。 接着对信号控制自动配时作了非常细致的研究。为了实现在计算机中描述各 b 各样的实际路口的目的，提出了一个通用的路口模型和映射矩阵的概念；为了 述车流向的冲突问题，提出冲突矩阵概念，并给出了根据车流向的物理布局自 生成冲突矩阵的算法。该算法巧妙运用了近世代数中加法群的理论思想，并作 j 一些改进。 本文还分析了配时生成过程和最优配时搜索问题。配时问题首先是相位的车 流向组合问题，对一个米字形路口来说，组合数是4 81 种可能，使穷举法不能 使用。首先要降低组合数，冲突矩阵是降低组合数的一个重要依据，同时还有其 它依据，从而使穷举法可以使用，但是搜索速度慢，不能满足系统实时性要求。 本文从确定绿灯时间长短的车道短时车流量出发，提出了相位的车流向组合效率 的概念，以此为理论根据，提出了基于车道短时车流量需求预测值生成最优配时 的快速算法。该算法能够满足系统的实时性要求。还提出了在生成配时根据路口 各车流向车流量分布状况的改变，合理改变相位的车流向组成的观点，解决了信 号控制系统的长期适应性问题。 最后对信号控制下城市道路网最优路径搜索等问题提出了一套基于交通状 态实时信息库的解决思路。城市道路网络的拓扑一般采用图来描述，本文针对两 点间最优路径这个特殊问题的需要，提出用等价“树”来描述图的概念和方法， 然后对树进行修剪，寻找到最优路径。 关键字城市交通，配时，信号控制，o d 矩阵，投票决策，i t s ，g i s ，最 优路径搜索 r e s e a r c ho fu r b a nt r a f flcsig n a lc o n t r o ls y s t e m a b s tr a c t t h eu r b a n i z a t i o np r o c e s si ss p e e d i n g ，t h ec i t ys c a l ei se x p a n d i n g s h a r p l y ，a n dt h eu r b a nt r a m cj a l t l s ，a c c i d e n t sa n dp o l l u t i o no ft h e e n v i r o n m e n th a v eb e c o m em o r es e r i o u sc i t yd i s e a s e s 劢eo l ds i m p l e t i m i n gs i g n a lc o n t r o lw i t h o u tf e e d b a c ka n di s o l a t e ds i g n a lc o n t r o l c o u l dn o ts o l v et h eb l o c k i n gh a p p e n i n gi nt h er o a dn e ta n ym o r e m o r e o v e r 。w i t ht h ei m p r o v e m e n t so fp e o p l e sl i v i n gc o n d i t i o na n d h o l d i n gs u p e rl a r g e s c a l ei n t e r n a t i o n a ls p o r t s m e e to r e x p o s i t i o n ， m o r eh i g h l yq u a l i t ya n de f j i i c i e n c yc o m m a n d sh a v eb e e np u tf o r w a r d t h e r e f o r em o r ep r e s s i n ga n dh i g h l yr e q u i r e m e n t sa r eb r o u g h tf o r w a r d t ou r b a nt r a f f i cc o n t r o la n dm a n a g e m e n t 。u n d e rt h e s eb a c k g r o u n d s w ep r o p o s et h a t ：a tc r o s s r o a d ss e l f - a d a p t i v es i g n a lc o n t r o lw i t h f e e d b a c ks h o u l db eu s e d ，a san o d eo fn e tt h ec r o s s r o a d ss h o u l d c o l l e c tt r a f f i ci n f o r m a t i o n ，b u i l dr e g i o n a ls o c i a la n dt r a f f i ci n f o r m a t i o n d a t a b a s e o f “i n t e g r a t e ds y s t e m ”，p r o v i d ew i t hr e a l t i m ed y n a m i c i n f o r m a t i o n ，s u p p o r ts c i e n t i f i cd e c i s i o n m a k i n gf o rr o a dn e tp l a n ， c o n s t r u e t i o na n dm a n a g e m e n t a n ds u p p o r tt r a f f i cs i g n a lc o n t r o lw i t h r e g i o n a lh a r m o n y w ef i r s ta n a l y z ew h yw eu s et r a f f i cs i g n a lc o n t l 7 0 1a tc r o s s r o a d s t h ep r i n c i p l e ，a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fm a n yk i n d so ft r a f f i c s i g n a lc o n t r o ls t r a t e g y ，w h i c hc a nh e l pd e c i d ew h a tm a n a g e m e n t s t r a t e g ys h o u l db eu s e da tc r o s s r o a d ，a n dt h eb a s i cf r a m e w o r ko f t r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hc a nb eh e l p f u lo nh o wt oc o l l e c t t r a f f i ci n f o r m a t i o ni nt h en e t 砀a nw ea n a l y z et h es e l f - a d a p t i v es i g n a lc o n t r o ls y s t e ma ta s i n g l e c r o s s r o a d h e r e s e l f - a d a p t i v es i g n a l c o n t r o ls v s t e mw i t h f e e d b a c ki sd i v i d e di n t of o u r s u b s y s t e m s ：t r a f f i c i n f o r m a t i o n c o i l e c t i o n s y s t e m 。t r a f f i cp a r a m e t e rp r e d i c t i o ns y s t e m ，t i m e a s s i g n m e n tp l a ng e n e r a t i o ns y s t e m a n dt i m ea s s i g n m e n t p l a n r u n n i n gs y s t e m t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eh i e r a r c h yo ft r a f f i c i n f o r m a t i o nc o l l e c t i o ns y s t e m t h ep r e d i c t i o no ft h ev e h i c l eq u e u ea n d l a n et r a f f i cv o l u m ei nt h et r a f f i cp a r a m e t e rp r e d i c t i o ns y s t e m ，a n dt h e v o t i n gd e c i s i o n m a k i n go nc h a n g i n gt h et i m ea s s i g n m e n tp l a ni nt h e t i m ea s s i g n m e n tp l a nr u n n i n gs y s t e ma r es t u d i e di nd e t a i la n dm a n y n e wi d e a sa r ep r o p o s e d a n dt h e ne m p h a s i si sp u to nt i m ea s s i g n m e n tp l a ng e n e r a t i o n s y s t e m w eb u i l dag e n e r a lc r o s s r o a dm o d e la n dm a p p i n gm a t r i x ( i n c l u d i n ga ，b ，c ) w i t hw h i c ht or e p r e s e n ta l lk i n d so fc r o s s r o a d si n t h ec o m p u t e r ，a n db u i l dac o n f l i c tm a t r i xdt od e s c r i b et h ec o n f l i c t r e l a t i o no fl a n e s w ea l s og i v ea n c o n f l i c tm a t r i xd t h ea l g o r i t h m g r o u p w i t hs o m er e v i s i o n a u t o m a t i cg e n e r a t i o na l g o r i t h mo f i sb a s e do nm a t h e m a t i ca d d i t i v e t h e nw ea n a l y z et h ep r o c e s so ft i m ea s s i g n m e n tp l a ng e n e r a t i o n a n dt h er e q u i r e m e n t so fb e s tt i m ea s s i g n m e n tp l a n 。劢et i m e a s s i g n m e n tp l a ni n c l u d el a n e s c o m b i n a t i o no fp h a s e t oag e n e r a l c r o s s r o a dw i t he i g h te n t r a n c e s ，t h en u m b e ro fc o m b i n a t i o ni s4 81 ， w h i c hi st o ol a r g et od i s a b l et h ee x h a u s t i v es e a r c h i n g 。w em u s tl o w e r t h en u m b e r ，a n dt h ec o n f l i c tm a t r i xa n do t h e rc o n d i t i o n sa r eh e l p f u l i ng e t t i n gt h eb e s tt i m ea s s i g n m e n tp l a nt h r o u g he x h a u s t i v es e a r c h i n g h o w e v e r ，t h es e a r c h i n gs p e e di st o os l o wa n dc a r ln o ts a t i s f yt h e r e a l t i m es y s t e m f r o mt h ef a c tt h a tt h ev e h i c l ev o l u m ed e c i d e st h e t i m eo fg r e e nl i g h t s ，w ep r o p o s el a n e s c o m b i n a t i o ne f f i c i e n c yo fp h a s e b a s e do nw h i c hw ep u tf o r w a r daf a s ta l g o r i t h mo nt i m ea s s i g n m e n t p l a ng e n e r a t i o nb a s e do np r e d i c t i o nv a l u eo fs h o r t t e r ml a n et r a f f i c v o l u m e t h ef a s ta l g o r i t h mc a ns a r i s f yt h er e a l t i m es y s t e m an e w i d e ai sp u tf o r w a r dt h a tt h ep h a s e c o m b i n a t i o no fl a n e sc a nb e c h a n g e da c c o r d i n gt ot h ed i s t r i b u t i n go ft h e i rp r e d i c t i o nv a l u eo f s h o r t t e r ml a n et r a f f i cv o l u m e t h i si d e ac a ns o l v et h el o n g - t e r m s e l f - a d a p t i v ep r o b l e mo ft r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m i nt h ee n dw es t u d yt h eb e s tp a t hs e a r c h i n gi nt h er o a dn e t u n d e rt r a f f i cs i g n a lc o n t r o la n dp r o v i d eas o l u t i o nb a s e do nr e a l t i m e t r a f f i ci n f o r m a t i o nd a t a b a s e t h et o p o l o g yo fr o a dn e ti sg e n e r a l l y d e s c a b e da sg r a p h 。h e r ew ep u tf o r w a r de q u i v a l e n tt r e et od e s c r i b e t h et o p o l o g yo fr o a dn e t a n dt h e nw ep r u n et h et r e et og e tt h eb e s t p a t h k e yw o r d s ： u r b a nt r a f f i c ，t i m ea s s i g n m e n tp l a n ，s i g n a lc o n t r o l ，o d ，v o t i n g d e c i s i o n m a k i n g ，i t s ，g i s 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。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作品成果。 对本文的研究做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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 摩畔 日期：m 哆年上月如e l 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并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。本人授权上海交通大学可以将本学位 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、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 1 保密曰，在五年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：粜博舛 日期：砷弓年月加日 指导教师躲稍物育 日期：m 铂月、了日 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 引言： 2 0 0 8 年奥运会将在中国北京举行，2 0 1 0 年世博会将在中国上海召开，新千 年伊始中国好戏连连。大型国际运动会和博览会的召开，经济的发展和社会的进 步，对城市交通运输的能力和质量提出了更高的要求，研究解决城市交通问题迫 在眉睫。 1 1 城市交通信号控制系统研究的背景 近些年来，随着经济的发展和社会的进步，城市化进程越来越快，城市规模 越来越大，人口急剧增长，现代交通和运输需求急剧膨胀，城市交通基础设施难 以适应，交通问题已经成为一种城市病，主要表现在以下几个方面： 交通拥挤：城市交通干道、中心区交通繁忙，车辆密度很大，如洛杉机平均 每公里有车5 0 1 4 辆，米兰平均每公里有车7 5 3 8 辆，其拥挤程度可见一斑。 车速下降：在高峰区间中心区车速下降到4 - 9 公里小时，我国一些城市也因 交通堵塞而车速下降，6 0 年代平均车速2 5 公里小时，7 0 年代为2 0 公里每 小时，8 0 年代下降为1 5 公里小时。有的交叉路口车辆经2 0 多个信号周期 不能通过，个别路段全面堵塞，如上海市中山西路和虹桥路交叉口高峰期会 经常出现严重堵塞。 交通事故增a n 世界每年交通事故受伤人数超过1 0 0 万人以上。如纽约1 9 7 8 年一年交通事故1 4 9 5 9 2 件，同年东京交通事故伤亡人数为3 8 0 0 0 多人。1 9 8 7 年我国交通事故伤亡达2 4 万人。这样严重影响人民群众安全，并造成巨大的 物质经济损失。 交通公害严重：城市噪声主要来源于汽车，同时汽车排放的一氧化氮等大量 有害气体严重地污染了环境，使得城市环境质量大大下降。 为了全面综合地解决日益严重的城市交通问题，提出了智能运输系统 ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m ，简称i t s ) 的概念。 1 1 1it s 的基本概念 早在2 0 世纪的3 0 年代，美国通用汽车公司和福特公司倡导推广的“现代化 公路网 ，认为是现代智能运输系统的雏形。2 0 世纪6 0 年代出现了静态路径诱 导、计算机交通控制技术等都可谓是i t s 的雏形。由于当时科学技术，特别是计 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 算机技术并不成熟，i t s 的发展和实用性并不明显，没有受到人们的足够重视。 进入2 0 世纪9 0 年代以后，i t s 开始以惊人的速度发展，许多发达国家争先恐后 地投以巨资进行i t s 研究与开发。经过十余年激烈竞争，国际i t s 领域已形成美 国、欧洲和日本三强鼎立的局面。“美国智能运输协会( i t sa m e r i c a ) ，“欧洲 道路运输通信技术实用化促进组织( e r t i c o ) ”和日本的“道路、交通、车辆智 能化推进协会( v e r t i s ) 成为了世界上最有影响力的i t s 推进组织。 智能运输系统是人们将先进的信息技术、数据通讯传输技术、智能控制技术、 传感器技术以及计算机处理技术等有效地综合运用于整个运输体系，从而建立起 的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理系统。 其目的是使人、车、路密切的配合、和谐的统一，极大的提高交通运输效率、保 障交通安全、改善环境质量和提高能源利用率。 1 1 2it s 的主要内容 目前发达国家的i t s 项目很多，i t s 又正处于开发试验阶段，其功能和规模 不断的发展扩大，对其构成的描述也不尽相同。日本和美国都对i t s 进行了明确 的分类。日本把i t s 分为先进的导航系统、自动收费系统、协助安全驾驶、交通 管理优化、道路管理效率化、协助公交车辆运营、商用车效率化、协助行人、协 助紧急车辆运营等九个领域。而在美国，智能运输协会把i t s 分为先进的交通管 理系统( a t m s ，a d v a n c e dt r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m s ) 、先进的旅行者信息系统 ( a t i s ，a d v a n c e dt r a v e l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m s ) 、先进的公共运输系统( a p t s a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 、商用车辆运营( c v o ，c o m m e r c i a l v e h i c l eo p e r a t i o n ) 、先进的车辆控制和安全系统( a v c s 或a v c s s ，a d v a n c e d v e l l i c l ec o n t r o la n ds a f e t ys y s t e m s ) 、自动公路系统( a h s ，a u t o m a t e dh i g h w a y s y s t e m s ) 、先进的乡村运输系统( a r t s ，a d v a n c e dr u r a lt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 等7 个大系统。从日、美两国对i t s 系统的分类来看，在基本的内容上是相同的。 从世界范围看，i t s 所涵盖的内容也大体相同。 1 1 3 我国it s 的发展 虽然我国的i t s 推进组织还没有明确建立，国家i t s 体系结构开发尚未完成， 但不等于说我们就没有开展系统体系结构开发和i t s 标准化工作。 首先，中国i t s 用户可以基本分为7 个大类，如表1 1 所示： 类别飘争 基础设施建设与管理部门各级政府公路管理部门 高速公路管理公司 2 上海交通大学硕士e k 龇k -第一章绪论 货运部门汽车运输公司、铁路货运机构、航空 货运机构、港口运输机构 客运部门汽车运输公司、铁路客运机构、航空 客运机构、水路客运机构 公共安全负责部门公安机关、消防部门、急救中心 产品服务提供部门汽车制造商、汽车维修商、通信和信 息产品制造商、系统集成商 普通消费者驾驶员、过往客商、旅游观光者、老 弱病残等特服人员 相关团体规划部门、学术机构、环境保护组织 表1 - 1 中国i t s 用户分类 t a b l e l - 1c l a s si f i c a ti o no fc h i n e s ei t su s e r s 这些用户所希望i t s 能提供给他们的服务就是中国i t s 需提供的服务功能。 按照目前的国内研究水平，可以把众多的服务功能归纳为5 个子系统。 系统名称服务功能 交通监控与管理交通监控、城市出入口控制 信息服务路线引导服务、旅行者信息服务、出 行信息服务、驾驶员信息服务 安全保障事故报警、事故响应、应急车辆管理、 行车安全警报服务、纵向、横向防撞、 自动驾驶 电子收费人工收费、半自动收费、不停车收费 运输管理快速客货运服务、电子数据交换、运 营车辆调度管理、自动调度系统、公 共交通服务 表1 - 2i t s 子系统 t a b l e l 2s u b 。s y st e mo fi t s 这5 个子系统实际构成i t s 的逻辑功能结构。功能的请求与实现伴随着信息 流动，按照信息的采集、传递、处理、利用过程，可将i t s 划分为4 个层次：物 理层、传输层、处理层和服务层。 服务功能物理基础 交通控制与管理环形检测器、摄像机、紧急电话、标志、标线、交通 信号机、信息处理计算机、通信网络和设备、巡逻车 电子收费车载标志卡、微波读写设备、摄像机、收费处理计算 机、通信网络和设备、银行结算网络 3 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 集成信息服务可变信号标志、语音广播接收机、数据终端、车载数 字地图导航设备、电子公告牌、双向信标 运输服务无线通信网络设备、g p s 车辆定位设备 安全保障紧急电话、环形检测器、摄像机、清障车、巡逻车、 车载报警设备、车辆数据记录仪、防撞雷达 表1 - 3i t s 功能子系统的物理基础 t a b l e l _ - 3p h y si c a lb a s eo fi t ss u b - 。s y st e m 物理层包括各种基础设施。根据5 个功能子系统，可以粗略的判明他们所可 能依赖的物理基础。物理层除了完成信息的采集并将整形、放大、变换后的原始 信息传递给传输层外，还负责完成传输层下达的指令，是服务功能最低层的执行 机构。 传输层负责信息的双向( 有时是单向) 传递，是信息层与处理层之间流动的 桥梁，它将物理层和处理层紧密联系起来。借助传输层实现信息的充分利用和共 享，处理层是体系结构中最活跃的一个层次。信息经物理层采集后传递到处理层， 处理层负责信息的再加工，包括信息的检索、分类、转储和更高级的自适应控制、 模式识别、人工智能、辅助决策、事故预测等。处理后的有效信息和指令再通过 传输层传递给物理层，物理层响应之后就体现出某种具体的服务功能。 服务层是一个抽象的层次，体现了i t s 的服务功能，是依靠物理层、传输层、 处理层来实现的。当i t s 中的用户请求某项服务功能时，请求信息经物理层采集 之后由传输层传递给处理层，处理层在识别出请求信息后向服务层发出服务请 求，服务层针对申请服务的种类给处理层发出相应的指令，处理层受到服务层的 指令后，从信息库中取出相应的信息，随同指令经传输层到物理层后，物理层向 用户提供它所请求的服务。服务层是体系结构中集中反映服务功能的层次。 1 1 4l i s 中的主要技术 i t s 是人们将先进的信息技术、数据通讯传输技术、智能控制技术、传感器 技术以及计算机处理技术等有效的综合运用于整个运输体系所得到的新型运输 系统。在这里，我们选择一些i t s 中最常用的技术，介绍其最基本的概念和与i t s 关系最密切的内容。 计算机网络和数据通讯技术。在i t s 系统中，由于各种交通信息和管理信息 分布于各处，它们通常通过计算机网络来实现信息的汇总和集中处理。 传感器技术。许多交通信息的检测都需要使用传感器技术。它将各种非电量 的参量，如磁、频率、波等转化为电量，然后通过点的方法进行检测和控制。 显示技术。可用于公共场所的信息显示，如车站站牌、车内信息显示板，也 可以通过大屏幕为管理、决策人员提供信息显示，如在调度中心，有相当一 4 上海交通大学硕士学位论文第一章缝论 部分信息需要及时、快捷、直观的提供给生产调度人员和经营决策人员。 人工智能。在控制领域中的应用，产生了智能控制技术，如专家控制、知识 控制、神经控制及模式控制等。它为各种交通应用的自动控制提供了基础。 g p s 技术。主要目的在于自动地找出某部车辆在特定时间的位置，应用于车 载导航系统、车队管理系统，提供公共运输的吸引力、方便性及可靠性。 自动车辆识别( a v i ，a u t o m a t i cv e h i c l ei d e n t i f i c a t i o n ) 。是当车辆通过某一特 定地点时，自动将该车的身份识别出来的技术统称。车辆的身份，指车辆本 身的代表符号以及固有的属性。在a v i 系统中，有些采用传统的车牌识别， 但更多的采用条形码、电子车牌、电子识别卡和智能卡等技术。 地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ) 。也称为土地资源信息 系统，是以地理空间数据库为基础，采用地理模型分析方法，实时提供多种 空间的和动态的地理信息，为地理研究和地理决策服务的计算机技术系统。 i c 卡技术。i c 卡( i n t e g r a t e dc i r c u i tc a r d ) 是一种微电子类产品，将一个集 成电路芯片镶嵌在塑料基片中，封装成卡的形式。i c 芯片具有写入数据和存 储数据的功能。在i t s 系统中，i c 被使用在高速公路收费系统、公共交通收 费系统、动态限速管理及车辆数据存储。 e d i 技术( e l e c t r o n i cd a t ai n t e r c h a n g e ) 。是计算机到计算机之间的结构化的 事务数据交换，是通讯技术和计算机技术发展的结晶。 1 2 研究城市交通信号控制系统的必要性 目前城市交通阻塞问题比较突出，造成城市功能下降，严重影响了人们的出 行效率和生活质量，大量的时间延误所造成的损失难以估计。所以研究城市交通 智能控制系统，改善交通拥挤状况，并为道路规划、建设和管理提供科学的信息 决策基础，十分迫切。 城市交通智能控制系统是i t s 中一个重要的组成部分，伴随i t s 应用研究热 潮的兴起，它在世界上倍受瞩目且得到迅速发展和应用。一方面，它有利于提高 交通的安全性、生产效率和效益；另一方面，它关系到土地资源和能源的合理利 用、环境污染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。 1 2 1 我国的城市交通状况 目前我国由于经济快速发展，交通增长大大超过人们原来的估计，交通问题 十分尖锐，主要反映在： 道路交通设施落后，建设缓慢，不能满足经济建设与车辆增长对交通的需求。 主要表现为车辆密度大，道路面积率低，路网容量小，道路网不完善，结构 5 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 缺乏层次，交通功能混乱，缺乏停车设施建设等方面。城市第三产业的兴起， 侵占了大量道路用地，缺乏规划和管理，造成很多路段堵塞，加剧了交通紧 张的局面。 城市公共交通落后：城市公交车辆少，乘客多，乘车难的矛盾特别突出。自 1 9 4 9 年以来客运量增加近6 0 倍，而公交车辆增加才1 5 倍，运量大于运力。 城市平均2 5 0 0 3 0 0 0 人才有一辆公交车，每辆车一年运送乘客达6 0 - 7 0 万人 次，有的特大城市高达9 0 万人次，高峰时每平方米要挤1 3 - 1 4 人。同时公交 线网密度低，经常不能正点运行。一般公交企业由于票价低及其他原因，亏 损严重，使得企业发展缺乏活力。 交通规划和管理技术落后：目前全国交通管理设施水平低，缺乏现代城市交 通管理设施。经济较发达的地区所采用的现代交通设施，大部分是从国外进 口，代价昂贵，而且没有掌握这些设备的关键技术，国内的交通科技非常落 后。交管人员素质也与目前交通发展水平不相适应。 这些问题造成城市功能下降，大量的时间延误所造成的损失难以估计。北京 六五期间因车辆受阻一项每年经济损失1 0 0 0 万元，上海因公交车速下降一项每 年经济损失3 0 0 0 万元，天津六五期间因交通问题造成经济损失每年达5 亿元。 综合全国因交通问题而造成的经济损失将是十分惊人的。所以城市交通问题是个 迫切需要解决的经济和科技战略问题。 我国城市交通问题的解决要结合我国的国情现状，同时要考虑现代交通需求 的发展规律。思路有： 继续完善交通管理部门建设，培养和提高交管人员的素质，同时加强交通法 规的建设，交通知识和法规的宣传，提高居民的交通觉悟和素质； 继续加大交通道路网络建设，交通规划、管理和建设决策更加科学化，科技 化。在有经济能力的城市，要大力开展智能交通系统的研究，发展具有自主 知识产权的智能交通系统。在当今的知识经济竞争的社会里，这个问题显得 格外重要，所以加大我国i t s 的研究力度，势在必行，而且迫在眉睫。 1 2 2 一体化系统的要求 我国目前的城市道路网络规划、建设及管理方法方面，尚存在以下几个方面 的不足： 道路的网络规划、建设管理( 工程可行性研究、工程项目后评估) 、运行管理 都是单独、分开进行的，很少考虑它们之间的协调，往往造成网络规划与网 络建设的脱节，网络建设与网络管理脱节，造成已建道路网络运输效率不高。 在道路网络规划中，由于中、长期规划目标的实施方案较粗，对远期的规划 目标甚至只是一种大致的设想，没有十分确切的实施方案，因此有必要对规 6 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 划的内容实施滚动调整。而用以往手工作业式方法所做的公路网规划只是静 态的，缺乏连续性，不便对其进行必要的滚动调整。 在进行公路工程可行性研究或后评估时，往往只考虑有直接影响的某一条或 几条线路，缺乏对所建公路在公路网络整体中的作用进行研究，往往造成预 测交通量与实际情况相差甚远。 在进行道路网络规划、工程可行性研究时，重复进行大规模的o - n ( 车辆出 行) 调查、交通量调查等工作，浪费大量的人力、物力。 在道路网络规划、网络管理及工程项目可行性研究过程中，存在着大量的重 复性的研究工作，如道路网的交通调查分析，社会经济调查分析、道路网络 交通需求预测的研究、网络交通分配及交通评价方面的研究等。 因此，以往那种手工作业式的公路网络规划、和管理模式已不再适应现代化 交通建设的需要，建立一套适合我国交通特点的现代化“公路网络规划、建设与 管理一体化系统 已经成为我国道路交通建设中一个亟待解决的问题。 1 3 城市交通智能控制系统的研究内容 城市交通管理与控制方法已经不再局限于传统的单一交叉口信号控制，而是 朝多样化的方向发展，其研究内容主要包括以下几个方面的内容，如图1 1 所示。 智 能 交 通 控 制 系 统 城市交通信号控制系统 城市交通信息管理系统 快车道监控管理系统 动态路线导引系统 事故处理和排障系统 停车场监控管理系统 商业运营车辆调度管理系统 公共运输调度管理系统 特殊车辆监控管理系统 图1 - 1 智能交通控制系统结构示意图 f i g u r e l 一1s t r u c t u r eo fi n t e ll i g e n tt r a f f i cc o n t r 0 1s y s t e m 城市交通信号控制系统：根据城市道路网中交通状况实时变化，通过优化信 号配时方案和控制各交叉路口信号灯的灯色显示，指挥疏导交通，以减少交 通阻塞和延迟，从而提高路网通行能力。 城市交通信息管理系统：负责交通静态信息数据库( 存储关于城市交通道路 网几何拓扑及道路特征的信息和数据) 和交通动态信息数据库( 存储源自城 7 上海交通大学硕士学位论文第一章绪论 市交通信号控制系统、快车道监控管理系统等检测采集和分析所得的城市交 通实时信息和数据) 的管理和维护，并通过交通信息无线广播电台和计算机 网络实时在线发布最新路况分析报告，为运输部门进行车辆营运调度管理及 道路使用者选择路径提供决策依据。 快车道监控管理系统：对快车道进行车辆运行状况进行监控和自动化管理， 以减少阻塞和事故的发生。 动态路线导引系统：依据城市道路网实时路况信息，向行驶车辆提供最优路 线选择服务。 事故处理和排障系统：在预测和发现道路网中发生交通事故的情况下，迅速 组织处理事故的各方力量赶赴现场，诊断事故起因及责任，并排除故障，恢 复交通的正常流通。 停车场监控管理系统：实现停车场的实时监控和管理的自动化。 商业运营车辆调度管理系统：实现车辆调度与管理决策的自动化，改善营运 状况，提高生产效率和效益。 公共运输调度管理系统：基于实时交通路况和交通需求信息，实现公共运输 调度管理的自动化，以提高公共交通的可靠性、安全性、和生产效率。 特殊车辆监控管理系统：为警车、消防车、救护车、运钞车及装载有毒物品 的货车等特殊类型的车辆提高实时优先通行权、监控和跟踪等专有服务。 1 4 论文的主要内容 城市交通监控和管理系统是国家“9 7 3 ”重点资助研究项目( 项目编号： g 1 9 9 8 0 3 0 4 0 8 ) ，本文研究的城市交通信号控制系统是其中的一个重要子课题。 城市道路网络纵横，交通运输繁忙，路口大多必须采用信号控制策略，整 个城市交通基本上是信号控制下的运输网络。如何改善路口的信号控制策略，有 效地解决城市交通的安全和阻塞问题，同时也要为城市道路网络规划、建设和管 理提供科学的信息决策支持，是城市交通信号控制系统研究的重点。本文对城市 道路网络中单个路口信号控制策略进行了深入的研究，提出了一些新思路和方 法，同时对一些基于道路网络的现代交通需求的问题提出一些解决方法。 本文内容安排如下： 第一章简要介绍城市交通信号控制系统研究的背景、必要性和主要内容以 及课题来源和研究内容。 第二章详细地分析了信号控制系统采用的信号控制技术，内容包括路口采 用信号控制的动因和条件、信号灯的基本控制方式、信号控制系统 的基本结构以及“一体化系统”。 8 上海交通大学硕士学位论文第一章结论 第三章详细地分析了道路网络中单个路口的信号控制问题，将闭环信号控 制系统分成四个子系统：数据采集子系统、参数预测子系统、配时 运行子系统和配时生成子系统。对前三个子系统的中几个关键问题 进行了深入分析和研究。 第四章仔细观察路口的特征和信号灯控制的基本原理，深入分析相位的组 合和运行特性以及配时的生成过程，给出了路口的通用模型和实际 路口地表示，并提出一种根据路口交通状态分布( 短时车流量预测 值) 快速生成最优配时算法，和根据路口交通状态分布的变化合理 地改变相位的车流向组合，达到提高信号控制系统长期适应能力的 新观点。 第五章信号控制下城市道路网最优路径搜索是一个非常有意义的交通需 求抽象，也具有社会效益。受计算机数据通信网的路径寻优思想启 发，并结合城市道路网自身的时变等特点，提出了一种算法思路。 第六章对城市交通信号控制系统研究工作进行总结和展望。 9 上海交通大学硕士学位论文第二章信号控翻系统控翩技术分析 第二章信号控制系统控制技术分析 2 1 路口采用信号控制的原因和条件 交叉口是道路网中道路通行能力的“咽喉 ，交通阻塞和事故的多发地，如 日本大城市中的机动车辆在市中心的旅行时间约1 3 发生在交叉口，美国的交通 事故约有一半以上发生在交叉口。所以，对交叉口实施科学的管理和控制是交通 控制工程的重要研究课题，是保障交叉口的交通安全和充分发挥交叉口的通行能 力的重要措施。对交叉口的管理方式有三种：无信号控制方式、信号控制方式和 交叉口立体化，如表2 1 所示。 一般当交叉口交通总流量比较小时，采用无信号控制方式；当交通总流量发 展到接近停车或让路标志所能处理的能力时，才在这种路口采用信号控制。无信 号控制交叉口的冲突数随着其总流量的增加而增加。在相同的流量条件下，无信 号控制交叉口的冲突数比信号控制交叉口的冲突数要大得多。确定无信号控制交 叉口设置信号灯的流量称为临界流量。当无信号控制交叉口设置信号灯后，延误 将会增加，即设置信号灯提高安全性，是以增加延误为代价的。所以说不是所有 的路口都必须采用信号控制，实施信号控制的优点是保证安全，缺点是增加延误 和停车。在城市中，特别是大中城市的中心商业区，由于交通流量远远超过了设 置信号控制的临界流量，所以城市中的大多数交叉口采用了信号控制。 如果交叉口采用交通分流和最优化的信号控制措施还不能解决交通疏导问 题，经常性出现交通堵塞，那么只有采用交叉口立体化交通方式来疏导车流了。 交通总流量低于临界流量高于临界流量远远高于临界流量 管理策略无信号控制信号控制交叉口立体化 无成本，延误 有一定的成本代价，延代价昂贵，但可保证 利弊分析小，安全性差且 误