（计算机应用技术专业论文）城市道路交通智能控制方法的研究.pdf

父微人学坝l j 学位论史摘要 摘要 交通是城市经济活动的命脉，对城市经济的发展、人民生活水平的提高都 起着十分重要的作用。智能交通系统( i t s ) 作为2 1 世纪交通运输体系的发展方向， 受到了世界各国的广泛重视，它是解决现代交通拥挤、有效提高道路利用率的 根本出路。 交叉路口是城市交通流的汇集和分流点，交叉路口的红绿灯信号优化配置 是城市智能交通系统的重要组成部分。单个交叉口的交通信号控制是交通控制 系统的基础，本文提出利用对信号灯控制的数学建模与计算机仿真软件技术相 结合的信号灯优化配置方案设计的新方法，将有效地缓解城市交通堵塞。 本文着重研究单个路口的信号灯优化配置，其主要目标是给出交叉口信号 灯的优化配置设计方法，提出以最大利用交叉路口的空问和时间为优化目标， 从而达到缩短车辆平均延误时间的目的，并提出了一种多相位信号灯优化配置 算法双周期法。在此基础上我们进步研究了相邻路口信号灯配置的优化 算法。并将单路口信号灯配时算法实现，编写成了应用软件。该软件能够根据 输入的各条道路上的车流量值和相应的饱和流量值计算出优化的信号灯配时结 果。我们还将此配时软件和交叉口微观仿真系统相连接，在仿真过程中，以仿 真系统提供的道路流量检测信号作为输入变量，将计算出的配时结果输出给仿 真系统，达到了对信号灯配时实时控制的目的。 综上，本文的主要工作包括： l 、单个路口的信号灯优化配置。以道路车辆的历史数据为基础，给出了智 能交通的数学模型，计算出信号灯周期与绿信比，提出了用双周期法对单路口 信号灯配时进行控制。 2 、主路口与相邻四个路口的信号灯整体优化配置设计。对主路口与相邻路 口的信号灯相位差进行控制，使相邻路口关键方向车流到达主路口时正好遇到 绿灯，从而减少延误时间；同时对各个路口的周期、绿信比进行协调控制。 3 、单路口信号灯的动态自适应控制。将配时软件与交通微观仿真系统相连 接，对信号灯配时进行实时控制。 除此之外，本文还对城市交通干线控制和区域控制进行了初步研究，介绍 了当前线控和面控的一些方法，我们以后还将进一步探索线控和面控的优化算 法。 关键词： 交叉口i 交通控制；信号灯配时；双周期；绿信比；稆位差 安徽人学硕l ：学位论文 a h s t r a cc a b s t r a c t t r a 仃i ci st h ee c o n o m i ch e a r to fac i 哆i tp l a y sa ni m p o r t a n tr 0 1 e i n t h e d e v e l o p m e mo fu r b a ne c o n o m ya n d t h ei m p r o v 嘶e n to ft h e 由t u a t i o no fp e o p l e sl i f e a st h ed i f e c t i o no fm e2 1 mc e n t u r yt r l n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i n t e l l 逸e n tt r a f r i cs y s t e m ( i t s ) i sw i d e l yr e s e a r c h e db yt h es p e d a l i s t sa n ds c h o l a r so fm a n yc o u n t r i e sj nl h e w o r l d ，a n di ti st h ee s s e n t i a lw a yo fe l i m i i l a t i n gc o n g e s t i o na n di m p r o v i n gt h e u t i l i z a t i o no fr o a d s i n t e r s e c t i o ni st h e p o s i t i o nf o r t h et r a m cn o wt o i n n u xa n dd i s t r i b u t e o p t i m i z i n gt h ec o n f i g u r a t i o nf o rc r o s s r o a dt r a m cl 塘h t si so n eo fi h em o s ti m p o r t a n t p a r t si nr r s t r a f f i cs i 印a lc o n t r o lf o ras i n 酉ei n t e r s e c t i o n i st h eb a s eo fu r b a n t r a 衔c 蛩柏c o n t m ls y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ep u tf o r w a r da no p t i m a i a l g o f i t b a s e do t h ec o n l b i n a t i o no ft h em o d e l i i l g ( ) fs i g n a ll i g h ta n dt h ec o m p u t e r s i m u l a t i o nt e c l l i l o l o g y a n dt h i sm e t h o dw i l la l l e v i a t et h ec o n g e s t i o ne f f e c t i v e l y t h eo p t i m a ld e s i g nf o rc r o s s r o a di r a f f i cl i g h t si st h ee m p h a s i so fo u rr e s e a r c hi n t h i sd i s s e r t a t i o n t h ep r i m a r yt a r g c ti st op f 0 v i d ea no p t i m a lm e t h o df o rc m s s r o a d t r a f f i cl i g h t s t h j sd i s s e n a f j o np f o p o s e sam e l h o db ym a k i n gu s eo ft b es p a c ea n d t i m ef i l n l 坨s ti no i d e rt or e d u c et h ea v e r a g ed e l a y t i m e ，a n da l s op u t sf o r w a r da n o p t i m a ia l g o r “h mn 锄e dd o u b i e c y c l ei nm u i t i p h a s es i g n a ic o n i r 0 1 o nt h i sb a s i s ， w es t u d yo nt h eo p t i m a la l g o r i t h ma b o u ts i g n a l1 i g h t so fa d j o i n i n gi n t e r s e c t l o n s f u r t h e m o r e ，w ed e s i g n as o f m a r ep a c k a g et o i n l p l e m e n t o u ra l g o r i t m t h i s s o f t w a r ep a c k a g ec a nc a l c u l a t ea no p t i m a lr e s u l to fs i g n a lt i m i n g sb a s e do nt h ei n p u t o ft h et r a 炳cf l o wa n ds a t u r a t e dn o wo fe a c hf o a d w ea l s oc o n n e c tt h i ss o f t w a r ew i t h i 】1 t e f s e c t i o nm i c r o c o s m i cs i m u l a t i o ns y s t e m d u r i n gm ec o u r s eo fs i m u l a “o n ，t h e i n p u tp a r a m e t e r i st h ed e t e c t o fd a t ao ft h er o a d ，w h i c hi sp r o v i d e db yt h es i m u l a t i o n 5 y s t e ma n dt h eo u t p u ti st h er e s u l to ft i m i n 昏t h e nw ei m p l e m e n tt h er e a l t i m ec o n t r o l o ft h es i 弘a l l i g h t st i r n i n g t bs u mu p ，t h ep r i m a r i l yw o r kt h a tw ed i s c u s s e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e s ： 安徽人学倾l 学位论文 a h m 阿cc 1 t h eo p t i m a ld e s i g nf o rc r o s s r o a dt r a 行i cl i 曲t s b a s e do nt h eh i s t o r i c a jd a t ao f t r a f n cn o w ，w ep r o p o s eam a t h e m a t i c a im o d e la b o u ti n t e l l i g e n tt r a f n c ，c a k u i a t e s i g n a ll i g h tc y c l et i m ea n ds p l i tb yt h i sm o d e l ，a n dp u tf o r w a r dt h em e t h o dt oc o n t r o l t 1 1 es i g n a lt i m i n go fi i l t e r s e c t i o nb yu s i n gt h ed o u b l e - c y c l em e t h o d 2 g l o b a lo p t i m a ld e s i g nf o r s i g n a ll i 曲t s a tc e n t r a li n t e r s e c t i o na n df o u r a d j o i n i n gi n t e r s e c t i o n s b yc o n t r o l l i n gt h eo 仃s e t sb e t w e e nt h ej u n c t i o n s ，t h ev e h i c l e s w i l lf a l la c r o s s 掣e e nt i m ew h e nf h e ya r r j v ea cm ec e n t r a li n t e r s e c t j o n i nt h i sw a y ， t r a f f i cd e i a yw i l lb er e d u c e d a n o t h e rw o r ki st oc o n t r o lt h ec y c l et i m ea n ds f l i to f e a c hi n t e r s e c t i o n 3 r e a l - t i m ea d a p t i v et r a m cs i g l l a lc o n t r o lf o rs i n 酉ei n t e r s e c t i o n w ec o n n e c t t i m i n gs o f t w a r ew i t ht r a f i cm i c r o c o s m i cs i m u l a t i o ns y s t e mi no f d e rt o r e a l i z e r e a l - t i m ec o n t r 0 1o ns i g n a ll i g h t s i na d d i t i o n ，m i sd i s s e n a t j o na l s or e s e a r c h e se l e m e n t a r i l yo nu r b a nl i n e a rt r a f f i c c o n t r o la n da r e at r a f j cc o n t f o la n di t 沁t r o d c e ss o m em e t h o d sa b o u tl i n e a ta n da f e a t r a f f i cc o n t m lc u r r e n t l y i nf i l r u r e ，w ew i l la l s os e e k 王o rl h eo p t i m a la l g o r 打h ma b o u t l i n e a ra 玎da r e at r a f f j cc o n t r 0 1 k e yw o i d s ：i n t e r s e c t i o n c r o s s r o a d ；t r a f f i cc o n t r o l ；s i g n a lt i m i n g s ：d o u b l ec y c 】e ；q p l i t ； 0 f f s e t u j 安徽人学 i ! i fl 学位论文 圈表目录 图表目录 图1 1 各种交叉路口形状2 圈2 1 单交叉路口交通模弛一1 3 图2 2 两相位信号配时图1 4 幽2 3 具有专用左转相位的三相位方案1 5 图2 4 四相位信号配时图1 6 图2 5 市辆数据直方图1 7 表2 1 车辆数据统计表1 7 图2 6 四相位车流通行分布图2 2 幽2 7 十字路口相位约束图2 4 图2 8 配时简图2 4 图2 9 平移后的配时简圈，2 5 图2 1 0 信号灯配时图2 5 幽2 1 1 平移后的信号灯配时图2 6 图2 ，1 2 路口信号灯的双周期配时图2 6 图2 1 3 双周期中各方向约束网络2 7 表2 2 实验一路口车流量数据表3 0 表2 3 方案一配时3 0 表2 4 方案二配时3 0 表2 5 方案三配时3l 表2 6 方案一平均延误时间3l 表2 7 方案二平均延误时间3 2 表2 _ 8 方案三平均延误时间3 2 表2 9 方案一平均排队长度， 表2 1 0 方案二平均排队长度 表2 1i 方案三平均排队民度 表2 1 2 实验一各种配时方案仿真结果比较一 v l 3 3 。3 3 安徽人学 ! i i 学位论文 图表日录 表2 1 3 实验_ 二路口车流量数据表 表2 1 4 方案一配时 表21 5 方案二配时 表21 6 实验二各种配时方案仿真结果比较 表2 1 7 实验三路口乍流量数据表 表2 。18 方寨一配时 表2 1 9 方案二配时 表2 2 0 实验三各种配时方案仿真结果比较3 7 图2 1 4 当前配时仿真过程抓图3 8 蚓2 t 5 我们的配时仿真过程抓图3 8 图2 1 6 t 形路口交通模型3 9 图2 1 7t 形路口相位约柬图 图2 1 8t 形路口信号灯优化配置图 3 9 。4 0 图2 1 9 配时软件主界面。4 2 图2 2 0 信息设置对话框一4 3 留2 2 1 饱和流量设置图4 3 图2 2 2 实际流量设置图4 4 图22 3 配时结果显示图4 5 图2 2 4 信号灯配时图 幽3 1 线控系统时距图 图3 2 “4 + l ”简单道路网络模型 表3 i 静态控制与动态控制比较 图4 1 信号控制系统的类型 图4 2s c a t s 系统结构图 4 5 4 8 4 9 巧 弱 弘 弘 拍 卯 独创性声明 本人声明昕呈交的学位论又是本人在导师指导下进行的研觅1 作及取得的 研究成果。据我所知、除r 文中特别加以标注和致谢的地万外、沧文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获哟诌客孳或其他教育机构 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 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 靴论文作者签名：话他嘎签铀期：川年r 月8 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解詹f 协学有关保留、使用学位论文的规定 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借闽。本人投蝴可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索、司以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者挠传、 趁碍q 导师签名 签字日期：刀开年f 月日 签字目期 学位论文作者毕业去向： 工作单位 ：重讯地址 电话 邮编 仁o 月r弘圪年 邂盱w 安徽人学坝j 学位论立 城市道路交通智能控制方法的删f 究 第章引言 2 0 世纪以来，随着汽车工业的迅速发展，汽车已成为人们生活中必不可少 的交通工具之一。进入2 1 世纪以后，汽车的生产量和消费量更是与r 俱增，已 经有越来越多的人拥有了私人汽车。汽车工业在给人们带来各种便利的同时， 也带来了一系列令人困惑的问题，如环境污染、交通拥挤、交通事故的频繁发 生，给人们的生命财产带来了很大的损失。城市交通问题是困扰城市发展、制 约城市经济建设的重要因素，人们对交通进行智能化控制的意识越来越强烈了。 智能交通控制系统有许多不同的定义，但都有个共同特点，就是将先进的 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、人工智能等有效地综合运用于整个交通服务、管理与控制， 从而建立起一种大范围、全方位发挥作用的实时、准确、高效的运输综合管理 系统，以解决日趋恶化的道路交通拥挤、交通事故和环境污染等问题i 】6 ，”。 本章主要介绍城市交通信号控制的意义、任务，交通信号控制的基本概念、 相关的控制参数以及基本的交通控制方法，并对本文的主要内容作了介绍。 1 1 城市交通信号控制的意义及任务 我国已于1 9 8 5 年颁布了“中华人民共和国道路交通管理条例”，制定了对 “人”、“车”、“路”、“环境”四者的管理规则。它以法制的形式和币确应用法 律的权威来维护基本的交通秩序，保障交通安全、舒适和畅通。城市道路增长 的有限性与车辆增加近似无限这对矛盾，是导致城市交通拥挤的根本原因。为 适应交通量猛增的趋势，缓解道路拥挤状况，国内许多城市采取延长道路、加 宽路面、建高架路( 立交桥) 等措施，收效虽明显，但却是有限的。必须从供 求两个方面采取措施来解决城市交通问题，不仅要进一步加强交通基础设施的 建设，而且要最大限度的提高现有路网的利用效率，同时加强对交通需求的管 理，加强对城市道路网的智能管理与优化控制。 城市交通信号控制的目的有：减少交通事故，增加交通安全；缓和交通拥 弟一尊7 j l 鬲 挤，提高交通效益：提高公共效益，减少交通负荷；降低污染程度，节省能源 消耗等。交通控制的主要任务是通过对交通流的调节、警告和引导以达到改善 人和货物的安全运输，防止或缓和交通拥挤、减少能源消耗，提高运营效率。 其目标在于改善交通流的质量，更好地利用现有运输能力，及时为车辆上的有 关人员及行人提供交通状况信息，实现交通流的安全性、快速性和舒适性1 4 】o 1 2 交叉路口及交通信号控制概论 在城市道路中存在大量的平面交叉路口，成为交通流的汇集和分流点，j 下 是这些交叉路口组成了城市交通网络。为了使交通流安全地进入和离开平面交 叉路口必须采用某种控制方法，合理地分配通行权，使发生冲突的交通流在 时间上和空间上分离，从而保证车辆和行人的安全通行。对平面交叉路口来说， 根据相交道路条数不同，可分为三路交叉、四路交叉、多路交叉等；根据交叉 口的形状又可分为t 形、y 形、十字形、x 形、环形交叉、多路交叉形等。环 形交叉口中央设置交通岛，车辆沿交通岛的周围单向行驶的同时进行交织分流， 这种形式的交叉口需要大量的用地面积，当交通量增大时不好管理，适合于城 市郊区车流量不是很多的地方使用。由于多路口交叉交通组织复杂，应尽量避 免。各种平面交叉路口类型如图1 1 所示1 ，1 9 】： 厂 x 形交叉口 t 形交叉口 y 形交叉口 多路形交叉口 图1 1 各种交叉路口形状 l 厂如交形_ 博 第一章。j i 言 订的欧洲道路交通标志和信号协定，我国也于1 9 8 8 年3 月颁布了中华人 民共和国道路交通管理条例，其内容基本与协定相同，规定如下【s l = 指挥灯信号： 1 ) 绿灯亮时，准许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍直行的车辆和 被放行的行人通行； 2 ) 黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和己进入人行 横道的行人，可以继续通行： 3 ) 红灯亮时，不准车辆、行人通行： 4 ) 绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行； 5 ) 黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。右转弯的车辆和 t 形路口右边无横道的直行车辆，遇有前款2 ) 、3 ) 项规定时，在不妨碍被放行 的车辆和行人通行的情况下，可以通行。前两款规定亦适用于列队行走和赶、 骑牲畜的人员。 对人行横道信号灯有如下规定： 1 ) 绿灯亮时，准许行人通过人行横道； 2 ) 绿灯闪烁时，不准行人进入人行横道，但已进入人行横道的，可以继续 通行： 3 ) 红灯亮时，不准行人进入人行横道。 各种信号灯的装置次序也有统一的规定，便于驾驶员分辨。次序安排的原 则是重要的灯色放在重要的位置，信号灯的次序安排分竖式和横式两种。 1 竖式 1 ) 普通信号灯的次序：国际规定，自上而下为红、黄、绿灯。 2 ) 带有箭头灯式，安排次序为：自上而下，一般为红、黄、绿、直行箭头、 左转箭头、右转箭头灯，中间可省掉不必要的箭头灯。当同时装有直、左、右 三个箭头灯时，可省掉普通绿灯。 2 横式 1 ) 普通信号灯的次序，国际规定，自外向里为红、黄、绿灯。 2 ) 带有箭头灯时，安排次序如下：自外向里，一般为红、黄、左箭头、直 箭头、右箭头灯；或红、黄、左箭头、绿灯；或红、黄、绿、右箭头灯。 且徽凡学坝 ：学位论土 城市道路 交通智能拎谁4 方法的研究 1 3 交通信号控制参数 交通信号控制的基本参数包括周期时长、相位持续时间( 或相位绿信比， 或交通流绿信比) 、相位差7 1 。 1 ) 周期时长 周期时长是指信号灯的各种灯色轮流显示一次所需要的时间，也即各种显 示时间之总和。周期是决定单点控制定时信号交通效益的关键控制参数，用c 表示。一般信号灯有个最短周期值，否则就不能保证几个方向的车辆顺利通过 交叉口；还有个最长周期值，至多不超过2 0 0 秒，否则可能引起等待司机的烦 躁或误认为灯色控制已经失灵。 2 ) 相位差 相位是对于一个路口多方向交通流面言，指在周期时间内按需求人为设定 的，同时取得通行权的一组互不冲突的交通流。相位信号是指一个信号周期内 的信号控制状态，表示在道路交叉口给予某些方向的车辆或行人以通行权的时 序。而相位差则是指相邻路口同一相位绿灯( 或红灯) 起始时间之差。 3 ) 绿信比 相位绿信比是一个相位信号有效绿灯时长与周期时长之比。一般用五表示。 2 = g 。，c ，式中五为绿信比，g 。为有效绿灯时长( s ) 。c 为周期时长( s ) 。有 效绿灯时间是指被有效利用的实际车辆通行时间，它等于绿灯时间与黄灯时间 之和减去头车启动的损失时间。交通流绿信比是一个交通流在一个周期时间内 所获得的有效绿灯时长与周期时长之比，一般用n 表示。 绿信比的大小对于疏通交通流和减少路口总等待时间有着举足轻重的作 用。通过合理的分配各车流方向的绿灯时间( 绿信比) ，可使各方向上阻车次数、 等待时问减至最少。 现以两方向交叉口为例，说明确定绿信比的方法。设某一个方向( 例如东 西向) 上通行能力为s ，损失时问为l ，交通需求为d ，则不发生堵塞的条件 为： ( c 一厶) q = 例1 第一奇引吉 即：旯，= d j ，+ c 则另一个方向交通信号的绿信比为：a ，= 1 一旯。 应该注意单个路口信号的最优配时并不等于对整个交通网络( 线控或面控 系统) 也是最优的。对于多个路口联合控制，需统筹考虑各路口的周期、绿信 比，而且要妥善确定不同路口信号之间的相位差。 除了上述3 个控制参数外，还有一些与交通信号控制有关的概念： 1 ) 交通流量 交通流量是单位时间内通过某一位最的车辆数，用q 表示，单位为辆，j 、时。 一般来说，交通流量是时间和位置的函数，可表示为q ( x 。t ) 。 2 ) 交通密度 交通密度为每车道单位长度道路上拥有的车辆数，用k 表示，单位是辆千 米。一般说来，交通密度是时问和位置的函数，可表示为k ( x ，t ) 。 3 ) 车流速度 车流速度指区间平均速度，即在某一瞬间行驶于道路某一特定长度内的全 部车辆的车速分布的平均值，用v 表示。在交通流理论中，交通流量q 、交通密 度k 、行车速度v 三者之间的基本关系为： q = k v 4 ) 自由行车速度 自由行车速度是指车流密度趋于零时车辆可以畅行无阻的行驶的速度。 5 ) 占有率( 车辆占有率) 占有率是指一路段车辆占用的道路长度的总和与路段长度之比。由于难以 测量，通常用时间占有率代之，即在一个周期时间内车辆通过车辆监测器而得 到的脉冲信号宽度的总和与周期时长之比用o 表示。 o = f ，c f 其中，r ，为第i 辆车通过车辆检测器的脉冲宽带，c 为周期时长。 6 ) 进口道饱和流量 进口道饱和流量是指在次连续的绿灯时间内，交叉口进口车道上车队能 够连续通过停车线的折算为当量的最多车辆数，单位是p c “s ，用s 表示。 6 塞丝叁兰! 型! ：堂些笙皇； 笾立垄堕銮望塑! ! 丝型查生堕竺! 塞 饱和流量随交叉口几何因素、渠化方式及各流向冲突等情况而异，比较复 杂，因此应尽量采用实测数据，实在无法取得实测数据时，如新建交叉口设计 时，才根据经验考虑估算方法。 7 ) 流量比y 流量比又称饱和度，是进口道实际到达流量与饱和流量之比。车道流量比 即为进口道上各条车道的到达流量q 同该车道饱和流量s 之比。即： y = q s 8 ) 信号控制交叉口的通行能力 在信号控制交叉口，车辆只能在有效绿灯时间内通过停车线，因此信号控 制交叉口一侧进口道上的通行能力c 。为： c 。= s g 。c 2 五s 其中 为绿信比，即有效时间g 。与周期时长c 之比。 一般来说，交通信号控制的目的是要使单个交叉口或交通网络获得良好的 交通效益。评价交通效益的指标有：通行能力、排队长度、延误时间、停车次 数、停车率、油耗、行程时间等。目前，常用的交通效益指标是延误时间、排 队长度、通行能力等。交通信号控制的评价函数可以由设计者根据需要进行选 择。 1 4 基本的交通控制方法 1 4 1 单路口的交通信号控制 单路口的交通信号控制是最基本的交通控制形式，也是线控和面控系统的 基础，其目的是通过合理的信号配时，消除或减少各向交通流的冲突点，同时 使车辆和行人的总延误最小。单路口的交通信号控制主要分为定时控制、感应 控制、实时自适应控制等，其中定时控制和感应控制是基本的交通控制方法。 交叉口交通信号控制机均按事先设定的配时方案运行，称为定时控制。一 天只用一个配时方案的称为单段式定时控制；一天按不同时段的交通量采用几 个配时方案的称为多段式定时控制。 弟一辛0 l 禹 定时信号控制方法是以历史数据( 车流量，饱和流量) 为基础的，这些数 据是通过交通测量、车辆计数获得的。根据交通流的变化设置交通信号，也就 是对每个时间段寻找出能给出最好性能指标的最佳信号设定。每个时间段术各 个方向交通流的随机、过饱和排队长当作下一个时间段该交通流的初始随机、 过饱和排队长。 对于不同的交叉路口，由于道路上的交通车流呈现很大的随机性，车辆行 驶过程又是一种随机过程，因而实施相位控制也应针对不同的车流情况采取不 同的方案。对交叉路口交通信号优化控制，般有以下几种方法【5 】= 1 ) 针对信号周期进行优化； 2 ) 针对相位信号配时( 或绿信比) 进行优化； 3 ) 针对周期和相位信号配时( 和绿信比) 同时进行优化，甚至还包括相位 信号顺序的优化； 4 ) 综合优化( 针对交通流高峰期整个时间段) 。 对单个路口的信号控制来说，评价其配时方案是否最佳的主要指标有延误 时间、通行能力和交通事故次数等。显然，延误时间是驾驶员最关心的指标， 而且也容易折合成经济指标。 定时控制方法因为简单易行，是目前使用最广的一种控制方法，其配时方 案是根据交通调查所得的历史数据制定的，一经确定则维持不变，直到下次重 新进行交通调查。显然这种方式不能适应交通流的随机变化。经常可以看到这 种情况：亮绿灯的车道没有车辆通行，而亮红灯的车道却有车辆等待。为了克 服这种现象，就必须首先检测是否有车辆到达，然后再决定是否给该车道开绿 灯，这就是感应控制的基本原理。 感应控制是在交叉口进口道上设置车辆检测器，信号灯配时方案由计算机 或智能化信号控制机计算，可根据检测器检测到的车流信息而随时改变的一种 控制方式。感应控制随检测器设置方式不同可以分为两种：一种是半感应控制， 即在交叉口处将检测器安装在次干道上，根据次干道的交通需求进行信号控制； 另一种是全感应控制，即在交叉口所有入口道上均安装检测器，根据所有入口 道的交通需求进行信号控制m “。 宜徽入学坝l j 学位论史城市道路交通智能控制方法的研究 1 。4 。2 城市干线交通的信号协调控制 对主干线各个交叉口的协调控制是种线控方式。在城市道路网中，交叉 口相距很近，两个相邻的交叉口之间的距离通常不足以使一小队车流完全疏散。 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，通行不畅。 为了减少车辆在各个交叉口的停车次数，使车辆在主干线上畅通行驶，人们研 究了一种干线相邻交叉口协调控制策略。协调信号计时的最初方法是基于绿波 的概念：当一列车队在具有许多交叉口的一条主干道行驶时，协调控制使得车 辆在通过干线交叉口时总是在绿灯开始时到达，因而无须停车地通过交叉口。 实践证明，通过协调各个交叉口之间的信号配时可获得很大的效益。 主干线交通信号控制可分为离线方式和在线方式。离线方式下，主干线上 设定一台主信号机和多台从信号机，由主信号机向各个从信号机发送同步信号， 各个从信号机根据预先设定的相位差和绿信比分配红、绿灯起始时间和持续时 f 自j ，从而实现绿波控制。 在线控制方式是由城市中心计算机对主干线各个交叉口的交通信号机进行 协调控制，各个交叉口的交通信号机将检测到的交通流信息发送给中心计算机， 后者根据采集到的干线上的交通流数据进行优化处理，然后向各交叉口的交通 信号机发送红、绿灯起始信号实现绿波控制。 在城市交通网络中，绿波控制的观点早在2 0 世纪3 0 年代就已经为人们所 认识。然而，在复杂的城市网络中，通常不可能同时将所有道路设置成绿波。 1 9 6 9 年由r 0 b e r t s o n 等人研制出了称之为t r a n s y t 的软件包，采用爬山搜索法， 能优化分配每一个交叉口各相位的绿灯时间( 绿信比) 、每一个交叉口周期的起 始时间( 相位差) 和周期时间，该系统现今使用较广。 1 4 3 区域交通信号控制 区域交通信号控制又称为在线网络控制，系统的控制对象是整个城市或某 个区域中所有交叉口的交通信号。人们把其中所有的交通信号联结起来加以协 调控制，以使得区域内的各个车辆在通过交叉口时所产生的总损失最小。区域 交通信号控制也有两种方式，一是离线优化在线控制方式，另一种是在线优化 第一币0 者 在线控制方式。 目前，国外的典型城市交通控制系统有英国的t i m n s y t 系统和s c o o t 系 统、澳大利亚的s c a t 系统、日本k y o s a l l 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。控制方式有方案选择式和方案生成式，最初出 现的系统是基于方案选择式，针对经常出现的情况( 如早、晚、高峰期交通流 的变化) 设计相应的交通信号控制方案。但实际中可能出现的情况太多，难以 预先对每神情况设计出相应的信号控制方案，交通需求的变化以及交通网络的 变化会使得己有的固定时间方案迅速失效。此外在信号控制方案之间切换时， 特别是在方案改变迅速时也会产生损失。因此，目前研究的兴趣大多已集中于 在线优化方法。 1 5 论文的主要内容及结构安排 本文共分五章，第一章为引言部分，主要介绍城市交通控制的意义，交通 信号控制概念，交通信号控制参数及基本的交通控制方法。 第二章介绍单路口交通信号控制方法的研究与实现，为本文的主要部分， 先介绍了单路口的交通模型，再介绍了车辆信息采集的方法；然后重点研究了 我们提出的单路口信号灯的双周期配时设计方法，主要针对常见的十字路口。 并将该方法实现，编写成了应用软件，将配时结果运用于德国p t v 公司的v i s s i m 交通微观仿真软件进行了仿真测试，取得了不错的效果，比传统配时方法优化 了许多，也比p t v 公司的c r o s s i g 信号配时计算软件给出的配时方案有所优 化。 第二章还给出了t 形路口的信号灯控制方法，接着介绍了单路口交通信号 的动态控制方法。并对信号灯配时软件作了简要的介绍。 第三章介绍了城市干线交通的信号灯协调控制方法。首先介绍了线性控制 的基本概念和方法，然介绍了我们提出的“4 + 1 ”道路的协调控制方法，并将此 方法实现编写成应用软件与交通微观仿真系统连接，进行仿真测试，实验结果 表明协调控制比定时控制优化了许多。 1 0 兰堕叁堂塑! ：兰垡堡兰塑主堕堕奎望塑壁丝型塑鲨竺! 壁垒 第四章对城市区域交通信号控制进行了评述，先给出了区域交通控制的概 念及分类，然后主要介绍了目前国际常用的典型区域交通信号控制系统： t a m n s y t 系统，s c o o t 系统和s c a t s 系统。最后对我国目前交通信号控制 的现状及发展趋势做了一下介绍。 第五章是对全文进行了总结，并对我们以后应继续研究的内容进行了展望。 第一章节交叉u 交通信 j 拧制方法的研究实现 第二章单交叉口交通信号控制方法的研究与实现 在现代城市道路交通中，平面交叉口成为通行能力与交通安全的瓶颈，交 通阻塞大部分是由于平面交叉口的通行能力不足造成的。其原因主要两方面： 一是道路规划设计的路段通行能力已不能满足目前交通量的最大需求：二是路 口信号灯没有进行最佳配置造成交叉口不必要的拥塞。因此研究单交叉路口交 通信号灯最优配时方案十分必要。 单交叉口的交通信号控制是交通控制系统的基础，从1 4 1 节中可知，一般 有定时控制和感应控制两种方法。定时控制是根据历史数据设定的方案进行控 制，因此无法响应交通需求的随机变化。感应控制在一定程度上克服了定时控 制的不足，其主要特点是：某相位在绿灯时间内只要检测到车辆到达就给出一 个单位绿延时，直到最大绿时为止。然而，这种方法仍然存在缺陷，它只能检 测是否有车辆到达而不关心有多少辆车到达，因此，它无法真f 响应各相位的 交通需求，也就不能使车辆的总延误最小。 本章主要介绍单路口的交通信号控制方法，先介绍单路口的交通模型，然 后介绍我们提出的交叉口信号灯双周期设计方法，包括十字路口和t 形路口， 并给出实验结果。接着介绍信号灯的动态控制方法，这里把定时控制和感应控 制联系起来对单交叉口交通信号进行动态控制。 2 1 单交叉口交通模型 1 2 节中已经介绍了几种常见的单路口模型，本文主要对最常见的十字形路 口和t 行路口交通信号控制进行研究，主要任务是为交叉路口的交通信号灯确 定信号灯周期及各个方向的信号灯红绿灯起止时间及通行时间。 城市单交叉路口的交通流模型如图2 1 所示。 东、南、西、北四个方向，每个方向均存在左转、直行、右转三个车道车 流。对路口各个车道车流量进行实时检测而获得车流量信息，为优化决策提供 必要的数据。由于各个车道在不同时刻具有不同的车流量，交通工程技术人员 奠徽人学坝l ：学位论文城市道路交通智能控制方法的研究 需经过较长时间的摸索，总结出适合该路口车辆放行的规律，由此制定出相应 交叉路口的相位信号控制方案，并且根据一天之中交通流的高峰期时刻不同实 施不同的配时方案。 刘上l 西二二二二 l 止 j t ”一 厂一 r 京 俨 南 图2 1 单交叉路口交通模型 然而，由于各个方向的车流是随机变化的，固定相位时间配置显然难以得 到理想的交通状况。况且一个交通信号控制系统也不可能针对每天不同时段的 不同车流分布制定出相应的信号配时方案。若依据各个车道的车流检测信息， 以交叉路口流通能力最大、平均延误时间最小或排队等待的车辆数最少为优化 目标函数，对交叉路口车流情况进行综合优化，实时修正各个相位的配时，则 有利于减轻交通拥挤程度，使之获得最佳性能指标。 一个信号化的交叉口，其信号灯控制方案必须根据路口的交通状况制定。 一般通过对交叉口各方向交通量的大小以及在一天当中分布情况进行较长时间 的调查，才能确定该路口信号配时方案。再将方案转换为交通控制系统或交通 信号控制机能够识别和实施的控制方案。一旦交叉口的交通流发生了大的变化， 则相应配时方案要进行调整，以适应新的交通需求。信号配时方案包括两方面 的内容：确定相位信号方案和信号控制基本参数。 确定相位信号方案，是用交通信号轮流给某些方向的车流或行人分配通行 权顺序的确定。相位方案是在一个信号周期内，安排了若干种控制状态，每一 种控制状态对应某些方向的车辆或行人配给通行权，并合理安排这些控制状态 的显示次序以及显示时间。交通信号控制机按设定的相位方案，轮流开放不同 寻 第一章单交叉u 交通信号拄制方法的研究j 实现 的信号显示，轮流为各方向车辆和行人给予通行权。每一种控制状态对应显示 一组不同的灯色组合，称为一个信号相位。从一个相位变到另一个相位，需要 经过过渡灯色，如绿闪灯色、黄灯灯色等。因此，一个相位又可分为几个步伐， 每一步伐对应一种灯色组合。所有这些信号相位及其顺序通称为相位方案。一 般有2 相位和多相位( 3 相位以上) f 5 8 j 。 信号配时方案一般用信号配时图表达，如图2 2 所示的是一种最基本的两相 位 东西路 南北路 第一相位第二相位 赏 红 绿灯间隔时间绿灯间隔时间 图2 2 两相位信号配时图 图中的第一相位对不同的方向显示的灯色组合是：东西向道路放绿灯，南 北向道路放红灯。控制状态是给东西向车辆以通行权，南北向车辆不准通行。 第二相位改为东西向道路放红灯，南北向道路放绿灯，即给南北向车辆以通行 权。 在车流量较小的路口一般采用两相位配时方案，在东西( 南北) 两侧进口 道左转车都相当多的地方，而交叉口进口道上又设有专用左转车道时，可考虑 用三相位信号配时方案。如图2 - 3 所示。 三相位配时方案中，专用左转相位需要用绿色左转箭头灯。三相位配时方 窒墼苎兰竺! 堂竺笙苎 塑卫堕墅銮堡塑鐾丝型立鲨塑型塑 案各进口道不同方向的信号灯色组合为：对东向南和西向北左转车放绿色左