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大连理工大学硕士学位论文 摘要 城市交通拥挤是当今世界普遍关注的问题，智能交通系统是解决交通拥挤的必备手 段，而交通信号控制系统则是智能交通系统的核心。相对于现有交通信号控制系统中所 应用的各种数据采集技术，无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，具有不 受环境限制、自组织、分布性等优势。本文以此为出发点，对无线传感器网络环境下的 智能交通信号控制系统进行了研究，着重研究了单交叉1 ：3 下的信号控制方法、公交信号 优先控制方法以及多交叉口间信号协调控制的优化方法。 本文针对目前城市交通控制的现状，首先分析和讨论了交通流的基本理论，对交通 信号控制的基本概念、性能指标、分类方法以及几类典型的交通信号控制方法的适用性 进行了分析。对无线传感器网络在智能交通领域的组网模式、磁敏传感器车辆检测的原 理、算法及车辆定位算法进行了探讨。 其次，对无线传感器网络下的单交叉口信号控制方法进行了研究。其一，提出了一 种用于无线传感器网络静态组网模式下的单交叉1 3 信号模糊控制方法。该信号配时方法 从无线传感器网络动态获取实时数据，模仿交警指挥的决策过程，设计了一种单交叉口 的模糊控制器用于多相位信号控制。依据模型编写了仿真程序，并与定时控制法进行了 比较，结果表明该方法可有效降低车辆延误，证明了本文所提方法的有效性。其二，基 于动态组网模式，针对的单交叉口公交信号优先问题提出了解决方案。建立了采用公交 专用道的交叉口公交优先信号模型，并对公交信号优先的配时策略进行了分析。采用遗 传算法对模型的配时参数进行优化，并对优化前后的公交车辆延误进行了性能对比，证 明了采用公交优先策略可大幅降低公交车辆延误。 最后，对协调控制方法进行了研究。分析了交通干线多交叉口协调控制的特点，并 针对现有交通干线信号配时模型的不足，建立了以无线传感器网络为基础的交通干线相 位差优化模型，最终对优化前后车辆延误与定时控制进行了性能比对。仿真结果表明本 文所提的方法可有效缩短交通干线车辆延误。 本文提出了无线传感器网络环境下的城市交叉口信号控制解决方案，并进行了仿 真。仿真结果表明：与传统信号控制方法比较，本文提出的方法可实时获取交通流数据， 并在一定程度上减少了车辆的平均延误，是一系列有效的交通信号控制方法。 关键词：无线传感器网络；智能交通系统；模糊控制；公交优先；遗传算法 大连理工大学硕士学位论文 s t u d yo ni n t e r s e c t i o ns i g n a lc o n t r o lm e t h o db a s e do nw s n a b s t r a c t u r b a nt r a f f i c c o n g e s t i o ni st h em a j o ri s s u ed r a w i n gu n i v e r s a lc o n c e r nw o r l d w i d e n o w a d a y s i n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e mi san e c e s s a r ym a l n st or e s o l v et r a 衔cc o n g e s t i o n , a n d l z a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mi st h ec o r et oi n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e m c o m p a r i n gt ok i n d so f d a t aa c q u i s i t i o nt e c h n i q u e sa p p l yi nt h ee x i s t i n gt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m , w i r e l e s ss 既l s o r n e t w o r ki sa t o t a l l yn e wt e c h n i q u ef o rd a t aa c q u i s i t i o na n dd i s p o s a l ，w i t ht h ea d v a n t a g eo f n o t l i m i t e db ye n v i r o n m e n t , s e l f - o r g a n i z a t i o na n dd i s t r i b u t i o n t h i sp a p e rt a k i n gi ta st h es t a r t i n g p o i n t ，b yr e s e a r c h i n gt h ei n t e l l i g e n tt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mu n d e rt h ee n v i r o n m e n to f w i r e l e s s8 部t s o rn e t w o r k , m a k ea ne m p h a s i z i n gi n v e s t i g a t i o ni nt h es i g n a lc o n t r o lm e t h o d , t r a f f i cs i g n a lp r i o r i t yc o n t r o lm e t h o da n du r b a nt r u n kl i n eo p t i m a lc o n t r o lm e t h o d a i m i n ga t t h ec u r r e n ts i t u a t i o no fu r b a nt r a f f i cc o n t r o l ，t h i sp a p e rf l r s t l ym a k ea l l a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o na b o u tt h eb a s i ct h e o r yo ft r a f f i cf l o w ，t h eb a s i cc o n c e p to ft r a f f i c s i g n a lc o n t r o l ，p e r f o r m a n c ei n d e x ，c l a s s i f i c a t i o nm e t h o d ，a n dt h ea p p l i c a t i o no fs o m et y p i c a l t r a f f i cs i g n a lc o n t r o lm e t h o d s a n di tm a k e sa ne x p l o r a t i o no nt h en e t w o r k sm o d eo f w i r e l e s s s e n b o rn e t w o r ki nt h ef i e l do fi n t e l l i g e n tt r a f f i c ，m a g n e t i cs e n s i t i v ev e h i c l ed e t e c t i n gt h e o r y ， a n dv e h i c l ep o s i t i o na l g o r i t h m s e c o n d l y , i tm a k e sar e s e a r c ho ns i n g l ei n t e r s e c t i o ns i g n a lc o n t r o li nt h ee n v i r o n m e n to f w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k o no n eh a n d ，i tp u tf o r w a r daf u z z yc o n t r o lm e t h o df o rs i n g l e n w r s e c t i o ns i g n a lc o n t r o lu n d e rt h ee n v i r o n m e n to fw i r e l 髑ss e n s o rn e t w o r k t h i ss i g n a l t i m i n gm e t h o dc a nd y n a m i c a l l yo b t a i nt h er e a l - t i m ed a t af r o mw i r e l e s s 蝌l s o rn e t w o r k ， i m i t a t et h ed e c i s i o n - m a k i n gp r o c e s so ft r a f f i c p o l i c ec o m m a n d i n g ，a n dd e s i g nas i n g l e i n t e r s e c t i o nf u z z yc o n t r o l l c ra p p l y i n gi nt h em u l t i - p h a s es i g n a lc o n t r 0 1 o nt h eo t h e rh a n d ，i t m a k e sar e s e a r c h0 nt r a f f i cs i g n a lp r i o r i t yi nt h ee n v i r o n m e n to fd y n a m i cn e t w o r ko r g a n i z i n g m o d e ，s e tu pat r a f f i cp d o f i t ys i g n a lm o d a li nt h ei n t e 稿e c t i o no fb u sl a n e , a n da n a l y z e st h e t i m i n gs t r a t e g yf o rt r a f f i cs i g n a lp r i o r i t y w i t hg e n e t i ca l g o r i t h m ，i tm a k e st i m i n gp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o na c c o r d i n gt ot h ed e l a yf o r m u l a , a n dm a k e sap r o p e r t yc o m p a r i s o ni nd e l a y 基于w s n 的交叉口信号控制方法研究 b e t w e e nt h ep u b l i ct r a f f i cv e h i c l e sb e f o r ea n da l t e ro p t i m i z a t i o n i nt i f f ss n s e , i tp r o v e st h a t a d o p t i o no f p u b l i ct r a f f i cp r i o r i t ys t r a t e g y 啪r e d u c et h eb u sd e l a yi nag r e a te x t e n t f i n a l l y , t h i sp a p e rm a k e s 触i n v e s t i g a t i o no nc o o r d i n a t i n gc o n t r o lm e t h o d b ya n a l y z i n g t h ec h a r a c t e r i s t i co fm u l t i i n t e r s e c t i o n ( t r a f f i ct r u n kl a n e ) c o o m i n a t i n gc o n t r o l ，a i m i n ga tt h e d i s a d v a n t a g eo fs i g n a lt i m i n gm o d a li nt h ee x i s t i n gt r a f f i ct r u n kl a n e ，i ts e tu pam a i nr o a d p h a s e - d i f f e r e n c eo p t i m a lm o d e lb a s e do nt h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , a n dm a k e sp r o p e r c o n t r a s ti nt h ef i e l do fd e l a ya n dt i m i n gc o n t r o lb e t w 嘲t h ev e h i c l e sb e f o r ea n da f t e rt h e o p t i m i z a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o dm e n t i o n e di nt h i sp a p e ri sm o r ec l o s et om a k e t h ev e h i c l ee f f e c t i v e l yr e d u c et h ed e l a yo f v e h i c l ei nt h em a i nt r a f f i ct r u n kl a n e t h i sp a p e rp u tf o r w a r dt h es o l v i n gm e t h o df o ru r b a nm u l t i i n t e r s e c t i o ns i g n a lc o n t r o li n t h ee n v i r o n m e n to fw i r e l e s ss e l l s o rn e t w o r k , a n dm a k e sas i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t s h o w s ：t h em e t h o dm e n t i o n e di nt h i sp a p e r , c o m p a r i n gt ot h et r a d i t i o n a lt i m i n gs i g n a lc o n t r o l m e t h o d c a i lo b t a i nt h er e a l t i m et r a f f i cf l o wd a t aa n dr e d u c et h ea v e r a g ed e l a yf o rv e h i c l ei n s o m ee x t e n t t h e r e f o r e , i tc a nb er e g a r d s 鹤as e r i e so f e f f e c t i v et r a f f i cs i g n a lc o n t r o lm e t h o d s k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ；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 ；f u z z yc o n t r o l ； b u sp f i o r i t y ；g e n e t i ca l g o r i t h m i v 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：- j 鱼址日期：五雩卜 人连理工人学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：矸? ；，起作者签名： 笪! ! 竺 l 导师签名 埠噬一一一 年上二月2 _ 开 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景和意义 交通是经济、社会发展的基础性产业。现代社会中，如果没有高效运转的交通运输 体系，就不可能有经济的持续发展。然而，随着社会经济的发展，我国城市化进程进入 快速发展期，机动车辆迅速增加，城市人口的增长和城市范围的扩大，使城市交通基础 设施建设仍处于相对滞后的状态。同时，随着人民生活水平的提高和汽车工业的发展， 城市交通机动化趋势迅猛，特别是小轿车的增长己显现出强劲的势头。在城市化和机动 化的双重压力下，交通需求急剧膨胀，城市交通问题越发突出。人们越来越被交通拥堵、 交通事故频发、环境污染加剧和燃油损耗上升等诸多问题所困扰【i 捌。 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，平均车速每小时仅有十几公里。 美国德州运输研究所对美国3 9 个主要城市的研究表明，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1 0 亿美元；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m 】。 在我国，百万人以上的大城市每年由于交通拥挤造成的经济损失估计约1 6 0 0 亿人 民币，相当于我国国内生产总值的3 2 。而且，城市交通问题还派生出了其他的城市 问题。例如，城市生态环境状况也不容乐观，交通工具排放的废气己经成为破坏大气环 境的重要污染源头。严重的环境污染不仅导致了高昂的经济和环境成本，而且对公共健 康产生了损害。同时由于交通设施建设的需要，土地资源正以2 3 的速度不断减少， 更是加重了污染的严重程度【2 j 。 解决交通问题的传统办法是修建道路。但无论是哪个国家，可供修建道路的空间越 来越小。另外，交通系统是一个很复杂的系统，单独从车辆方面考虑或单独从道路方面 考虑，都很难从根本上解决问题。这些情况表明，单独依靠修建道路与交通设施和采用 传统的管理方式来解决交通问题，不仅成本昂贵、环境污染严重，而且其缓解交通拥堵、 提高交通运输的效果也是十分有限的。在此背景下，早在2 0 世纪6 0 年代，人们便提出 了智能交通系统的概念，但是对智能交通系统( 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 ，i t s ) 进 行系统研究则始于2 0 世纪8 0 年代。i t s 是将驾驶员、交通工具和道路、环境三位一体 基于w s n 的交叉口信号控制方法研究 来考虑。r r s 将先进的信息技术、传感技术、数据通信技术、自动控制技术、运筹学、 图像分析技术、计算机网络以及人工智能等有效地综合运用于整个交通管理系统。 道路车辆检测是i t s 中一项重要的基础内容，它通过各种传感器直接获取车流量、 车速、车间距、道路占有率等交通信息。作为智能交通系统的第一手数据，其检测结果 的准确性直接影响智能交通系统的有效性。为了获得更准确的检测结果和更加丰富的交 通信息，车辆检测技术一直是i t s 研究重点之一。 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，w s n ) 是由一组传感器节点以自组织方式 构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中被监测对象 的信息，并发布给观察者。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技 术和通信技术，在军事、工业、医疗、交通、环保等诸多方面有着巨大的应用价值。 使用无线传感器网络进行交通信号采集具有实时性、精确性及施工便利的特点。本 文的研究目的就是针对城市交通的现存问题，以单交叉口、公交优先及交通干线为研究 对象，对无线传感器网络有效应用于交通信号控制进行了初步研究与探讨，为下一步无 线传感器网络下的交通网络控制研究打下了良好基础。 1 2 交通信号控制国内外研究现状综述 1 2 1交通信号控制国外研究现状 ( 1 ) 交通控制系统发展 1 9 世纪，信号方式控制交通流的思想最早诞生于英国。到了2 0 世纪5 0 年代，北美、 西欧和日本等道路交通相对较为发达的国家，经过对这类信号机的引进和吸收，基本上 实现了本国大城市交通信号的自动控制。1 9 2 8 年，美国研制了世界上第一台感应式信号 机，首次实现了交通信号根据交通流而自行调整。1 9 6 4 年，加拿大的多伦多市建成了世 界上第一个利用计算机进行集中协调感应控制的交通信号控制系统。此后，世界各国都 相继将计算机技术应用到交通信号控制中 6 】，以求有效解决日益紧张的城市交通问题。 到2 0 世纪8 0 年代初，先后出现了英国的t r a n s y t 和s c o o t 系统、澳大利亚的s c a t s 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 系统等。目前，世界 上比较有名的信号控制系统有t r a n s y t 7 1 系统、s c a t s 引系统、s c o o t l 9 系统、 r h o d e s t l o j 系统、o p a c 11 】系统和p r o d y n 1 2 1 系统。 ( 2 ) 交通信号控制理论与方法 国外学者最先从2 0 世纪6 0 年代开始了对交通信号优化控制技术的理论研究和探索 其中，w e b s t e r ( 1 9 5 8 ) 和m i l l e r ( 1 9 6 3 ) 分别针对固定周期的信号控制建立了以车辆平均延 大连理工大学硕士学位论文 误最小为目标的信号配时模型及计算方法。1 9 7 7 年，p a p p i s 和m a m d a n i 提出了城市 单向单路口两相位模糊控制方法【1 4 】，为城市路口信号的控制翻开了崭新的一页。然而这 种控制方法是建立在理想化路口模型的基础之上，在实际的城市路口难以独立发挥作 用。1 9 8 6 年，a n t h o n y 等人提出将单交叉路口的交通状况分成不饱和状态饱和状态及 平稳状态不平稳状态之后再对信号进行控制【1 5 l 。1 9 9 2 年，f o y 等提出了一种在二相位 的系统中用g a 来分配绿时长的方法【1 6 】。k i l n 于2 0 0 1 年将遗传算法引入了城市路口信 号的模糊控制中，对模糊控制器的参数进行全局优化，有效地改善了模糊控制器性能”7 1 。 2 0 0 1 年，p a r k 等提出了一种针对固定周期的随机信号优化方法。该方法使用一种g a 的 接口与仿真模型相结合来对周期长度、绿信比、相位差同时进行优化【”】。2 0 0 3 年，p a r k 和s c h n e e b e r g e r 扩展了他们于2 0 0 1 年提出的方法，使之可以协调控制自动交通信号控 制系统和优化相位型”t 。 1 2 2 交通信号控制国内研究现状 ( 1 ) 交通控制系统应用 我国智能交通信号控制系统的应用发展较晚。北京市在2 0 世纪8 0 年代末期引进了 t r a n s y t 和s c o o t 交通控制系统，而上海和广州则使用的是s c a t 系统。目前，天 津、宁波、杭州等几个城市正在使用的也是s c a t 系统。1 9 9 0 年开始，国内的长春、 南宁、武汉及郑州等多个城市开始使用原西班牙圣科( s a i n c ot r a f i c o ) 公司开发研制 成功的自适应交通信号控制系统i t a c a 。 ( 2 ) 交通信号控制技术 国内学者在城市交通控制技术方面的研究，早期工作主要是引进和学习国外技术， 对交叉口信号配时设计理论的研究不多，这方面的研究成果并不多见。 1 9 9 2 年，徐冬玲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【2 0 1 ，仿 真结果较为理想。1 9 9 3 年，李立源等人研究了交叉路口的最优控制问题，建立了交通流 的最优预测模型，提出了一种交叉路口的在线最优控制方法i 2 ”。1 9 9 8 年，陈森发等学 者提出了关键车流和非关键车流的概念，分析了非关键车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，其仿真结果优于p a p p i s 方案【2 2 1 。1 9 9 9 年，刘智 勇、朱劲等人根据交警对多相位单交叉路口交通指挥的决策过程，设计了一种新的模糊 感应控制器，把队长作为控制目标，综合考虑相邻相位车道上的车队长，有效地降低了 车辆延误【2 孔。2 0 0 4 年，杨晓光对考虑公交优先的信号配时方案进行了一定研究【2 4 1 。2 0 0 5 年，陈闻杰将无线传感器节点引入智能交通领域，建立了一种道路模型，取得了较大突 破【2 5 1 。 基于w s n 的交叉口信号控制方法研究 1 2 3 现有研究的不足 ( 1 ) 适应国内交通流特点的交通信号控制的技术较少 近年来，国内外对智能交通系统的优化控制及其算法研究、软件开发成为了主要的 研究课题。由于国外交通状况与中国交通状况存在很大差异，交通控制中的交通参数取 值不尽相同。现存交通控制系统运行的实际经验表明，国外的研究和设计方法并不能很 好的适应我国混合交通流的特点。而我国对交叉口信号控制技术的早期研究重点在于国 外城市交通区域控制技术的引进，进行二次开发形成的区域交通控制系统。总体看来， 对单交叉口信号控制技术的研究已取得了一定进展，干线控制和区域控制的探讨还不够 深入，符合中国交通流特点的，实时交通信号控制技术还很缺乏。 ( 2 ) 交通信息检测方法对优化信号控制方法的制约 交通检测器被用于测量交通流的存在、速度与占有率等各种参量。目前已投入应用 的检测器类型有压力检测器、环形线圈检测器、雷达检测器、超声波检测器和发光检测 器。但它们均具有一些缺点，例如：压力传感器仅能检测运动的车辆，且安装需要封闭 车道，工程施工量大；雷达传感器仅能检测运动的车辆，适用于交通流成分简单，系统 控制压力小的环境，且安装与维护费用昂贵：超声波检测器则对大风等环境条件较恶劣 的环境较敏感，过饱和状态下检测数据不准确；发光检测器只有检测一个车道时才是准 确的，检测器价格昂贵，还会受到周围环境光源、路面颜色及气候条件的妨碍；应用最 为广泛的环形线圈检测器虽然既可检验运动的车辆也可检验静止的车辆，但局限于环形 线圈的物理特性，其在检测摩托车等小型车辆或底盘较高的卡车时会达到i i 缶界值，影响 交通信息采集的精确性 2 6 j 。交通信号控制系统由于无法采集到实时、精确的交通流数据， 在一定程度上阻碍了智能交通系统控制效能的提高。 ( 3 ) 交叉口渠化设计和信号配时相互分离 信号交叉口的渠化和配时优化应是互动的，但在目前的理论研究和应用中两者是分 离的，渠化设计很少考虑到信号配时；而信号配时一般也是在预定渠化方案( 车道功能 划分) 的前提下进行的，即在给定车道功能划分的情况下来研究配时，或在已有配时方 案的基础上调整车道功能。忽略了两者之间的互动和反复优化，实际应用中只能得到一 个局部最优，造成大部分交叉口运行状况不良，时空资源没有得到充分的利用，交叉口 通行能力没有得到充分的挖掘。 ( 4 ) 国内缺乏广泛推行的规范与系统应用原型 国内在信号交叉口设计方面还缺少全国性的标准与广泛应用的交通控制系统原型。 这就造成了在进行信号交叉口设计时无标准可依，各地仅凭经验进行。造成这种局面很 4 一 大连理工大学硕士学位论文 重要的原因是，国内有关交通信号控制的研究起步较晚，非常分散，相关部分没有形成 一个完整的体系。因此，对信号交叉口设计各方面的研究( 包括几何设计、配时设计等) 进行整合，迫切需要形成一套适应国内交通流实际情况的交通信号控制系统设计标准与 应用原型。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作分组概括为如下几个部分： ( 1 ) 城市交通信号控制基本理论的分析 介绍了城市交通流的概念，分析了交通信号控制的控制参数含义、性能指标的作用、 控制系统的分类和信号控制方法的适用性。 ( 2 ) 基于无线传感器网络的车辆信号检测方法分析 概述无线传感器网络的节点结构和使用协议。对无线传感器网络智能交通领域中的 组网模式进行了讨论，分析了磁敏无线传感器节点的车辆检测原理，对无线传感器网络 下的自适应阈值车辆检测算法和车辆定位算法进行了研究。 ( 3 ) 无线传感器网络静态组网模式下的单交叉口模糊控制研究 首先，提出了一种用于无线传感器网络环境下的单交叉口信号控制的模糊控制模 型。该模型利用经无线传感器网络获取的实时数据，模仿交警指挥的决策过程，设计了 一种单交叉口的模糊控制器用于多相位信号控制。其次，对设计的模型进行了仿真，并 与定制控制方法进行了性能比较。仿真结果表明，该模型在减少延误，增大通行能力等 方面，相比传统的定时方法有一定优越性。 ( 4 ) 无线传感器网络动态组网模式下的单交叉口公交信号优先研究 首先，建立了采用公交专用道的交叉口公交优先信号控制模型并对公交信号优先的 配时策略进行了分析。然后，采用遗传算法，依据模型的延误公式进行配时参数优化， 对优化前后的公交车辆延误进行了性能对比，仿真结果验证了公交优先信号控制模型可 有效降低经交叉口的公交车辆延误。 ( 5 ) 无线传感器网络静态组网模式下的交通干线多交叉口协调控制研究 首先，对无线传感器网络环境下的干线多交叉口协调控制方法进行了分析。根据交 通干线协调控制的特点，针对现有交通干线信号配时模型的不足，建立了以无线传感器 网络为基础的交通干线相位差优化模型。然后，对优化前后车辆延误与传统信号控制方 法进行了性能比对。仿真结果表明本文所提的方法更接近交叉口车辆到达实际，可有效 缩短交通干线车辆延误。 基于w s n 的交叉口信号控制方法研究 最后，总结了本文所提出的模型及信号控制方法的优缺点，并对下一步工作进行了 展望。 1 4 本文的组织结构 文章剩余部分组织如下： 第二章介绍了交通流的基本理论；然后详细介绍了交通信号控制系统的基本概念、 性能指标和分类方法；最后对交通信号控制方法的适用性进行了分析。 第三章主要对无线传感器网络的车辆信号检测方法进行了分析。首先对无线传感器 网络的节点结构和所采用协议进行了概述。其次对无线传感器网络智能交通领域中的组 网模式进行了讨论，并分析了传感器节点的车辆检测原理，最后对无线传感器网络下的 车辆检测算法和车辆定位算法进行了研究。 第四章首先阐述了单交叉口的交通信息采集模型；其次对穿越交叉口的车辆轨迹进 行了分析：再次，建立了静态组网模式下单交叉口信号模糊控制模型，并对模型应用的 跳相感应控制算法进行了深入研究，对提出的单交叉口信号模糊控制模型进行了仿真与 结果分析，证明了控制模型的有效性。之后，建立了采用公交专用道的交叉口公交优先 信号控制模型，并对动态组网模式下的公交信号优先的配时策略进行了分析；最后，采 用遗传算法，对公交优先信号设计模型进行了仿真，仿真结果验证了公交优先信号控制 模型可有效降低经交叉口的公交车辆延误。 第五章首先对无线传感器网络静态组网模式下的多交叉口协调控制方法进行了分 析。其次建立了以交通干线多交叉口相位差优化模型；然后，根据模型进行了仿真，并 与传统信号控制方法进行了性能比对。仿真结果表明本文所提的方法更接近交叉口车辆 到达实际，可有效缩短交通干线车辆延误。 最后，对本文进行总结，分析了下一步工作的重点，对未来工作的方向进行了展望。 6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 城市交通信号控制的基本理论 2 1 交通流基本理论 城市交通流可总体概括为三个方面的内容：交通流的度量、交通流的特性及公共交 通与行人的度量【拥。本节就以上三个方面的内涵和相互联系进行分析。 2 1 1 交通流的度量 已知任何交通流的运行状态都是由三种主要指标来衡定： ( 1 ) 速度 是用单位时间通过的距离表示，通常为k m h 。在表示交通流的速度特性时，因为 在交通流中可以观察到的速度分布通常都很宽，所以必须采用一些有代表性的数值。通 行的速度标准是平均行程速度( a v e r a g et r a v e ls p e e d ) ，这是因为该值是对交通流中单个 车辆的观测，很容易计算，并且与其他变量的关系方面在统计学上是最恰当的度量。计 算平均行程速度系采用该公路或街道的一段长度，除以车辆通过该路段的平均行程时 间。因此，如果有n 辆车，通过路段的长度为l ，测得车辆的行程时间为：t t ，0t 3 厶， 则平均行程速度如公式( 2 1 ) 。 s ：上：兰( 2 1 ) y t , ny t i f f i l= l 式中，s 平均行程速度( 公里4 , 时) ； 工公路路段长度( 公里) ； 第i 辆车通过该路段的行程时间( 小时) ； 观测行程时间的次数。 在交通控制中需要关注的是行程时间，包括由于固定间断或交通拥塞引起的停车延 误。它们是通过制定路段的总行程时间。需要注意的是，平均行程速度与另一衡量指标 平均行驶速度( a v e r a g er u n n i n gs p e e d ) 不应被混淆，平均行驶速度是距离除以通过此距离 的平均行驶时间，平均行驶时间仅为车辆处于运动中的时间。对于在非阻塞条件下运行 的非间断流设施，平均行程速度和平均行驶速度都是相等的。 ( 2 ) 交通量和交通流率 交通量和交通流率是在规定时问间隔内，通过车道或道路某一点确定车辆数的两种 度量值。定义如下： 基于w s n 的交叉口信号控制方法研究 交通量：在已知时间问隔内，通过一条车道或道路某一点或某断面的车辆总数。可 分为年交通量，日交通量，小时交通量或不足一小时的时段交通量。 流率：在给定不足一小时的时间间隔内，车辆通过一条车道或道路的指定点或指定 断面的当量小时流率。 道路能力分析中一个重要的考察因素就是高峰时间流率，高峰流率通过使用高峰小 时系数定义为整个小时交通量与该小时内最大1 5 r a i n 流率之比，可见公式( 2 2 ) 。 嬲= 翥糯 亿z ， 因此，尸聊7 计算方法如公式( 2 3 ) 。 肼俨= r ( 4 * v , 。) ( 2 3 ) 式中，v 高峰1 5 分钟时段的流率( 辆小时) ； 矿高峰小时交通量( 辆小时) ； p j 田7 高峰小时系数。 ( 3 ) 密度 密度的定义是在已知长度的车道或道路上的车辆数，按时间说取平均值。通常表示 为辆公里。 在现场直接测定密度是困难的，需要一处有利的位置，在哪里能对较长的一段公路 进行摄影、录像或者观测，测量密度的传统方式为：由易测定的平均行程速度和流率进 行计算。本文通过传感器节点对车辆计数，从而统计车道密度，如公式( 2 4 ) 。 v = s + d( 2 4 ) 式中，v 流率( 辆小时) ； s 平均行程速度( 公里d , 时) ； d 密度( 辆公里) 。 密度是一个描述交通运行的重要参数。它表示车辆之间相互接近的程度，反映在交 通流中的自由度。 2 1 2 交通流的特性 ( 1 ) 非间断流的特性 非间断流指交通流是连续的，车队连续通行，车道的通行能力不受阻碍的交通流情 景。非间断流的零值会在两种情况下出现，道路上没有车辆和道路密度达到或超过交通 设施的最大流率。交通设施的最大流率即它的通行能力，达到最大流率时出现的交通密 度称为临界密度，这时出现的速度称为临界速度。当接近通行能力时，流量则变得不稳 一8 大连理工大学硕士学位论文 定，因为交通流中有效间隙更小。当车道达到通行能力，交通流中不再有可利用的间隙， 并且车辆进出设施，或在车道内部改变行驶所带来的任何干扰，都会产生难以抑制或消 除的障碍。由于这一原因，设计非间断流的运行设施时，大多数设施的设计交通量，都 必须在小于通行能力的情况下运行。 ( 2 ) 间断流的特性 间断交通流远比非间断流复杂。间断流设施上的流量，通常受固定运行点的控制， 如交通信号，停车标志和让路标志等。不同的交通标志对整个交通流的影响各不相同。 间断交通流主要关注以下三个参数： 绿灯时间 交通信号在间断流设施上影响最大的是固定中断源。在交通信号处，每一流向的量 定期被中断。因此，在一定车道组上的车流只能占用一部分时间，在某些时间，信号禁 止通行。只有在信号显示绿灯时，对某个流向才是有用的。因为信号配时可以随意改变， 信号交叉口的通行能力和服务流率以“辆绿灯小时”表示，只要乘以信号的有绿灯时 间与周期长度的比值，就可以换算为实际时间的流量。 饱和流率 在信号交叉口，所有车道上的车辆都要周期性的停驶。当信号转换为绿灯时，必须 考虑排队等待车辆的起动特点。饱和流率( s a t u r a t i o nf l o wr a t e ) 的定义是在稳定行驶的车 列中，车辆能够通过信号交叉口每条车道的流率，如公式( 2 5 ) 。 j = 3 6 0 0 h( 2 5 ) 式中，j 饱和流率( 辆小时) ； h 饱和车头时距； 3 6 0 0 一每小时的秒数。 饱和流率表示在整个小时都是有效绿灯信号，并且车流从不中断的条件下，每小时 每车道通过交叉口的车辆数。这就假定除整个绿灯小时可以利用外，所有进入交叉口的 车辆的平均车头时距为h 秒。 车辆延误 间断交通流设施上的另一个关键性能度量参数则是延误，常用延误参数有两种：平 均停车时间延误和停车延误。平均停车延误是在规定时间段内，在一条车道上所有车辆 总的停车延误，除以同一时间段内该车道上进入交叉口的总交通量，用秒辆表示。用 于评价信号交叉口服务水平的服务效率。停车时间延误则是车队中单个车辆等待进入交 叉口时停车所耗的时间。 一9 基于w s n 的交叉口信号控制方法研究 2 i 3 公共交通和行人的度量 关于交通流中公共交通和行人的度量方式，主要关注以下三点： ( 1 ) 客位占用系数 客位占用系数( l o a df a c t o r ) 是一项公共交通性能的度量参数，定义为一辆公共交通 车上的乘客除以车上的座位数。通常是按车计数，而不是计算一组车的平均值。该系数 是提供给公共交通乘客的一项车内环境度量参数。 ( 2 ) 行车频率 行车频率( s e r v i c ef r e q u e n c y ) 是公共交通服务水平的一项重要度量。行车频率定义为 在规定的一段时间内每小时提供的公共汽车或列车数。行车频率影响候车和换乘时间， 并决定对某些出行服务的舒适和方便。 ( 3 ) 空间 空间是规定行人服务水平用的效率度量，它定义为在人流或队列中，给每个行人提 供的平均面积，以平方米人表示。 2 2 交通信号控制基本概念及性能指标 城市交通信号控制就是通过对交叉路口的信号灯配时方案进行有效控制，使得车辆 高效地驶离交叉路口，合理指挥交通流的通行或停止，达到疏导、改善交通流的目的。 对于平面交叉口的信号控制而言，信号配时的主要参数包括：周期、相位、饱和度和平 均车头时距。 2 2 1交通信号控制基本概念与控制参数 ( 1 ) 周期 周期长度即信号灯表示绿、黄、红一个循环所需的时间，简称周期，单位为秒。一 般来说，交叉口饱和度越高则周期越长，饱和度越低则周期越短。过长的周期增加延误， 从驾驶员、行人的等待信号的心理效果来考虑也不好，在实际中最大的周期长一般不超 过1 2 0 s ，多相位控制时不能超过1 8 0 秒【2 8 1 。周期也不能太短，考虑到车辆能安全通过交 叉口和行人过街所需的最短时间，最短周期长不低于4 0 s 。一般信号周期应根据某项性 能指标选取。 ( 2 ) 相位 信号相位是指在一个交叉口某个方向上的交通流( 或几个方向上的交通流的组合) 同时得到的通行权或被分配得到这些通行权的时间带。可根据实际情况设计为两相、三 大连理工大学硕士学位论文 相甚至四到八相。如图2 1 ，四相位时，相位一为东西向直行和右转弯，其他方向禁止 通行，相位二为东西向左转弯，相位三为南北向直行和右转弯，相位四为南北向左转弯。 纠il ；l 苛! 厂 ；二 ；lj ! l l ；f 啊 厂 图2 1 四相位车流示意图 f i g 2 1f o u r - p h a s ev e h c l ef l o wd i a g r a m ( 3 ) 饱和度 在相位i 时实际进入进道口的交通流量吼与进道e l ，的饱和流量s ，( 单位绿灯时间 的最大通过数) 的比值称为该进道口的饱和度屯，如公式( 2 6 ) 。 五= 孚 ( 2 6 ) u ， 交叉口的饱和度为各相位饱和度之和，如公式( 2 7 ) 五= 五 ( 2 7 ) ( 4 ) 平均车头时距 平均车头时距是指同一车道、同一方向的一列车队连续行驶时前后两相邻车的车头 通过某一断面的平均时间间隔，用h 表示( 秒辆) 。车队通过交叉路口停车线时的平均车 头时距可表示为饱和流量的倒数，如公式( 2 8 ) 。 h = 1 a ( 2 8 ) 2 2 2 交通控制的评价指标 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。常用的交 通效益指标有延误时间、通行能力、停车次数以及排队长度等。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。 基于w s n 的交叉口信号控制方法研究 ( 1 ) 延误时间 延误是由于交通干扰、交通管理和控制设施等因素引起的车辆运