（计算机应用技术专业论文）基于多agent的城市交通协调控制的研究.pdf

摘要 |jiijii jiiii ) 1firi i ii ) 1 1 i y 18 915 7 2 随着社会经济的发展，城市道路交通压力日益严峻，交通拥挤、阻塞现象日趋严重， 这些问题越来越引起社会的普遍关注。然而仅依靠修建更多的道路，增大城市道路覆盖率 等手段已经不能解决日益增长的交通需求，必须将高新尖端技术引入交通运输体系中去， 从而达到大幅提高路网通行能力和服务质量的目的。本文在研究和分析了经典的和当今的 多个交通信号控制系统的前提下，分析了交通信号控制的发展方向，发现传统的依赖数学 模型控制方法的局限性，并且不适合我国城市交通流非机动车和行人较多的实际。为解决 我国现代城市交通不断突出的问题，引入人工智能技术等先进技术将交通信号控制系统智 能化。 论文首先介绍了城市交通信号控制发展史和国内外研究现状，以及基础的交通理论知 识。为构建一个城市智能交通系统，论文研究了重要的基础理论方法做支持，包括a g e n t 理论、知识库理论、产生式系统理论和推理机策略等。在此基础上，引入了智能体( a g e m ) 的概念，提出并详述了基于多a g e n t 的城市交通协调控制的整体框架和策略。大胆地尝试 将产生式系统融入a g e n t 模型中，以一种新型的高智能体作为系统的一份子，为各种算法、 决策、经验知识做载体和执行体。与此同时设计了多个重要业务的模型与算法，包括基于 评价指标的信号配时模型与算法、车头时距分布模式匹配算法与m m l a b 仿真、交通流序列 分割算法、交通流预测模型与m a t l a b 仿真、实时调整绿灯时间的模型及模糊控制方法等。 通过本论文的研究，为我国当今智能交通系统的研究发展提供了一些新的思路和方法： 对信号配时等业务模型算法提供许多参考；对多智能体、知识库、产生式规则和推理机等 理论方法的应用研究有一定的参考价值。 关键字：智能交通系统，智能体，信号协调控制，产生式系统，参数优化 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y , t h eu r b a nr o a d 锄cp r e s s u r ea n dc o n g e s t i o n h a v eb e e nu n d e ras e v e r es t r a i n , t h e s ep r o b l e m so a l l ：s e du n i v e r s a ls o c i a la t t e n t i o n h o w e v e r p e o p l ei n c r e a s et h ec i t yr o a dc o v e r a g eb yb u i l d i n gm o r er o a d s ，i tc a n n o ts o l v et h et r a 伍cd e m a n d w em u s tt a k et h eh i g ht e c h n o l o g yi n t ot h et r a n s p o r ts y s t e m ，s oa st oa c h i e v ev a s t l yi m p r o v e d n e t w o r kc o m m u n i c a t i o na b i l i t ya n ds e r v i c eq u a l i t yg o a l b a s e do nt h es t u d ya n da n a l y s i so ft h e c l a s s i ca n dt o d a y ss o m et r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m ，a n a l y z e st h ep r e m i s eo f 仇喵cc o n t r o lo f t h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o n , f o u n dt h et r a d i t i o n a ld e p e n do nm a t h e m a t i c a lm o d e lc o n t r o lm e t h o d , a n dt h el i m i t a t i o n so fu r b a nt r a f f i cf l o wd o e s n l tf i tf o ro u rm o t o rv e h i c l e sa n dp e d e s t r i a n sm o r e t h a nt h ea c t u a l f o rs o l v i n gc h i n a sm o d e mu r b a nt r a f f i cp r o b l e m , b e i n go u t s t a n d i n gc o n s t a n t l y i n t r o d u c i n ga r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et e c h n o l o g y , i n t e l l e c t u a l i z d t h et r a 伍cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m i tf i r s t l yi n t r o d u c e su r b a nt r a m cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m sh i s t o r ya n ds t a t u si nt h ed o m e s t i c a n do v e r s e a s ，t h et r a m ca n db a s i ct h e o r e t i c a lk n o w l e d g e f o rb u i l d i n gac i t yi ni n t e l l i g e n t t r a n s p o r ts y s t e m , t h i sp a p e rs t u d i e st h ei m p o r t a n tb a s i ct h e o r ym e t h o dd o e ss u p p o r t , i n c l u d i n g a g e n tt h e o r y , k n o w l e d g eb a s et h e o r y , p r o d u c t i o ns y s t e mt h e o r ya n di n f e r e n c ee n g i n es t r a t e g y o nt h i sb a s i s ，t h ei n t r o d u c t i o no ft h ea g e n tc o n c e p t , p u tf o r w a r da n dr e c o u n t e dt h ef r a m ea n d c o n t r o l l i n gs t r a t e g yo fs i g n a lc o o r d i n a t e dc o n t r o lb a s e do nm u l t i - a g e n ts y s t e m b o l da t t e m p t w i l lp r o d u c et y p es y s t e mi n t oa g e n tm o d e l ，w i t han e wt y p eo fh i g hi n t e l l i g e n t e db o d y 笛p a r to f as y s t e mf o rv a r i o u sa l g o r i t h m s ，i tp r o v i d e sb o d ya n da c t i o nf o rd e c i s i o n - m a k i n g , e m p i r i c a l k n o w l e d g e m e a n w h i l et h i sp a p e rd e s i g n e ds e v e r a li m p o r t a n tb u s i n e s sa l g o r i t h m sa n dm o d e lo f e v a l u a t i o ni n d e x e s ，i n c l u d i n gs i g n a lt i m i n gm o d e la n da l g o r i t h m , t h eh e a d w a yd i s t r i b u t i o n p a t t e mm a t c h i n ga l g o r i t h mw i t hs i m u l a t i o na t m a t l a b ，t r a f f i cf l o ws e q u e n c es e g m e n t a t i o n a l g o r i t h m ，t r a f f i cf l o wp r e d i c t i v em o d e la n ds i m u l a t i o na tm a t l a b ，e t c t h r o u g ht h i sp a p e r , t h er e s e a r c hp r o v i d e ss o m en e wi d e a sa n dm e t h o d sf o ro u rc o u n t r y s c u r r e n ti n t e l l i g e n t t r a n s p o r ts y s t e mr e s e a r c h ；i tp r o v i d e dm a n yr e f e r e n c et os i g n a lt i m i n gm o d e l a l g o r i t h m ；i ta p p l i e dc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e t om u l t i - a g e n t , k n o w l e d g eb a s e ，p r o d u c t i o nr u l e sa n d i n f e r e n c ee n g i n et h e o r y k e y w o r d s ：i n t e l l e g e n tt r a n s p o r ts y s t e m , a g e n t , s i g n a l c o o r d i n a t e d c o n t r o l ，p r o d u c t i o n s y s t e m , p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n 第一章前言1 1 1 城市交通控制的发展历史1 1 2 国外智能交通系统发展现状3 1 3 国内智能交通系统发展现状5 1 4 研究背景和研究意义6 第二章交通信号控制基础理论7 2 1 交通信号控制的基本参数7 2 2 交通信号控制的类型8 2 - 3 交通信号控制的评价指标9 第三章论文研究的理论与方法1 2 3 1a g e n t 理论。1 2 3 2 知识库理论1 8 3 3 产生式系统理论2 7 3 4 推理机的控制策略3 8 第四章基于m u l t i a g e n t 的城市智能交通协调控制4 9 4 1 基于m u l t i a g e n t 的智能交通协调控制体系结构4 9 4 2 控制中心层s 0 4 3 协调层5 0 4 4 执行层a g e n t 结构5 1 4 5a g e n t 之间的通讯设计。s 2 第五章模型算法与仿真5 3 。 5 1 基于评价指标的信号配时参数优化5 3 5 2 车头时距模式匹配5 7 5 3 交通流序列分割6 5 5 4 交通流预测6 6 5 5 实时调整绿灯时间的模型与模糊控制方法7 2 结论7 6 致谢7 8 参考文献7 9 作者简介。8 3 第一章前言 第一章前言 1 1 城市交通控制的发展历史 城市道路交通自动控制系统的核心是城市交通信号控制技术，与汽车工业并行发展。 发展过程中，由于在城市交通中各种问题不断出现，人们总是尽可能地将当时最新的科技 成果应用到交通自动控制中来，这大力促进了交通自动控制技术的不断发展。 早在1 8 5 0 年，城市交叉口处不断增长的交通就引发了人们对安全和拥堵的关注。世界 上第一台交通自动信号灯的诞生，拉开了城市交通控制的序幕。1 8 6 8 年，英国工程师纳伊 特在伦敦威斯特敏斯特街口安装了一台红绿两色的煤气照明灯，用来控制交叉路口马车的 通行，但一次煤气爆炸事故致使这种交通信号灯几乎销声匿迹了近半个世纪。1 9 1 4 年及稍 晚一些时候，美国的克利夫兰、纽约和芝加哥才重新出现了交通信号灯，它们采用电力驱 动，与现在意义上的信号灯已经相差无几。1 9 2 6 年英国人第一次安装和使用自动化的控制 器来控制交通信号灯，这是城市交通自动控制的起点。 早期的交通信号灯使用“固定配时”方式实行自动控制，这种方式对于早期交通流量不 大的情况曾起过一定的作用。但随着汽车工业的发展、交通流量增加、随机变化增强，采 用以往单一模式的“固定配时”方式已不能满足客观需要，于是一种多时段多方案的信号控 制器开始出现并逐步取代了传统的只有一种控制方案的控制器。除了多时段多方案定时控 制的使用，为了避免各交叉路口之间“各自为政”的孤立控制方式对交通流造成的频繁停车， 还必须把相邻的交叉路口、干道各交叉口等作为一个整体来系统地控制。1 9 1 7 年，在美国 盐湖城开始使用联动式信号系统，把六个交叉路口作为一个系统，以人工方式加以集中控 制。1 9 2 2 年，美国休斯顿市建立了一个同步系统，它以一个交通亭为中心控制十二个交叉 路口。1 9 2 8 年，上述系统经过改进，形成“灵活步进式”定时系统；由于它简单、可靠、价 格便宜，很快在美国推广普及。这种系统以后不断改进、完善，成为当今的协调控制系统。 2 0 世纪3 0 年代初，美国最早开始用车辆感应式信号控制器，之后是英国，当时使用 的车辆检测器是气动橡皮管检测器。车辆感应控制器的特点是它能根据检测器测量的交通 流量来调整绿灯时间的长短，使绿灯时间更有效地被利用，减少车辆在交叉口的时间延误， 比定时控制方式有更好的适应性。车辆感应控制的这一特点刺激了车辆检测器技术的发展。 继气动橡皮管式检测器之后，雷达、超声波、光电、地磁、电磁、微波、红外以及环形线 圈等检测器相继问世。当今在城市道路交通自动控制、交通监测和交通数据采集系统中， 应用最广的是环形线圈车辆检测器。超声波检测器主要在日本等少数国家得到广泛应用。 计算机技术的出现为交通控制技术的发展注入了新的活力，1 9 5 2 年，美国科罗拉多州 南京信息工程大学硕士学位论文 丹佛市首次利用模拟计算机和交通检测器实现了对交通信号机网的配时方案自动选择式信 号灯控制，而加拿大多伦多市于1 9 6 4 年完成了计算机控制信号灯的实用化，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，成为世界上第一个具有电子数字计算机城 市交通控制系统的城市。这是道路交通控制技术发展的里程碑。 伴随着城市交通信号控制系统的迅速发展。人们认识到，要更好地提高城市管理水平， 不仅仅依靠硬件设备的更新和改进，还必须同时在控制逻辑和方法上有所突破，即城市交 通的区域协调控制。传统的城市道路交通控制指的是区域交叉口信号灯控制，而城市交通 的区域协调控制，是在整个城市范围内对交通进行控制，这无论是从理论角度还是实践角 度，都是一个极其复杂的大系统控制问题。 早在2 0 世纪6 0 年代初，国外就开始了对城市区域交通控制的研究。1 9 6 7 年，英国运 输与道路实验室( t r r l ) 成功开发出t r a n s y t 交通控制系统，后来又在t r a n s y t 的 基础上开发了s c o o t 系统。澳大利亚在7 0 年代末也开发了基于配时方案实时选择方法来 实现路网协调控制的s c a t s 系统。这些系统己经在西方国家的城市网络交通中取得了成功 的应用。 进入2 0 世纪8 0 年代后期，随着城市化进程的加快和汽车的普及，城市交通拥挤、阻 塞现象日趋恶化，由此引发的事故、噪声和环境污染己成为日益严重的社会问题，交通问 题成为困扰世界各国的普遍性难题。人们对交通系统的规模复杂性和开放性特征有了更深 一层的认识，并开始意识到单独考虑车辆或道路方面很难从根本上解决交通拥挤现象，只 有把路1 2 1 交通流运行与信号控制的藕合作用综合考虑，且赋以现代的各种高新技术方可彻 底消除有关问题。于是，智能交通系统( i t s ) 应运而生，并得到迅猛发展。除在技术和功 能上得到增强和完善的s c o o t 和s c a t s 以外，s t r e a m 、i t a c a 、m o t i o n 、r t - t r a c s 、 s u r f z 0 0 0 、p r o d y n 和u t o p i a 等新一代城市交通控制系统相继推出并投入应用。进入 2 0 世纪9 0 年代后，智能交通系统的提出又把交通研究推向了一个新的高潮，是目前世界 交通运输领域的前沿课题。 目前城市交通控制研究的新发展主要体现在城市交通网络的各个方面：区域交通信号灯 和城市快速公路匝道口的新的控制方法上；实现区域和快速公路的集成控制；采用动态路由导 航与交通网络控制结合：以实现先进车辆控制系统a v c s 为主的智能交通系统；以实现先进 交通管理系统a t m s 和先进驾驶员信息系统a t i s 为主的城市多智能体交通控制系统；以及 一些辅助的交通策略如道路自动计费、公共交通优先等。可以说，在近百年的发展中，道路 交通信号控制系统经历了无感应控制到有感应控制、手动控制到自动控制再到智能控制、单 点控制( 点控) 到干线控制( 线控) 再到区域控制和网络控制( 面控) 的过程。 2 自1 8 6 8 年英国伦敦首次使用煤气信号灯以来，道路交通信号控制经历了百余年的发 展。美国、英国、德国、澳大利亚、意大利和加拿大等西方发达国家投入大量的人力、物 力研究交通信号控制系统，并取得了一系列成果。目前比较成功的典型的交通信号控制系 统有t r a n s y t 、s c o o t 和s c a t s 等。 1 2 1t r a n s y t 系统 t r a n s y t 【2 5 1 ( t r a f f i c n e t w o r ks t u d y t o o l ，交通网络研究工具) ，1 9 6 8 年由英国交通与 道路研究所( t r r i ，) 成功开发的一套脱机操作的区域定时协调控制系统，目前版本号是 1 3 1 0 ，是当今最成功的静态系统，在世界各国有着广泛的应用。 系统首先建立交通仿真模型，通过公式( 1 1 ) 得到系统的性能指标( p e r f o r m a n c ei n d e x ， p i ) ： 丝 = ( 口+ s 鸠) ( 1 - 1 ) ，= l 式( 1 - 1 ) 中i 是连线的序号，n 是整个网络的连线总数，d i 是延误率，w & 是延迟加权系 数，m d 是单位延迟的总成本，s i 是单位时间内停车次数，w s i 是停车加权系数，m s 是单次 停车的总成本。 7 _ ： 系统采用瞎子爬山法优化p i 值，取其最小值。不足之处在于一是计算量太大，路网较 大时问题则更加突出；二是脱机优化要求花费大量人力物力预先采集路网信息和交通流信 息，同时也不能适应交通状况的实时变化；三是瞎子爬山法有可能使p i 值落入局部最小值 而无法获得真正的全局最优解，t r a n s y t - - 7 f8 1 以后版本采用了改进的遗传算法，但 因为对周期长度、相位差、绿信比和相序的优化不是同时进行，仍然有可能错过全局最优 解。 1 2 2s c o o t 系统 s c o o t l 6 9 1 ( s p l i tc y c l eo f f s e to p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ，绿信比周期长一相位差优化 技术) 是t r l ( t r l l 改名的) 与p e e k 公司、西门子公司在t r a n s y t 基础上于1 9 7 9 年 研制成功的“在线t r a n s y t 系统”，是一种方案生成式自适应区域协调控制系统，目前最 新版本是s c o o m c 3 。 s c o o t 系统通过检测器定时采集和分析交通信息，用预先设计好的优化算法算出最佳 配时方案，实时地写入交叉口信号机并执行；其优化算法采用爬山法思想，利用小步长渐 近寻优的方法，实时连续地调整绿信比、周期和时差三个参数，在计算量不高的情况下， 有效地跟踪当前的交通状态变化并优化信号配时；对检测器硬件获取的信息敏感度较低， 3 南京信息工程大学硕士学位论文 所以检测器的个别错误不会导致整体的关键错误。 不足之处在于，一是采用集中式控制结构，难以实现较大区域的控制；二是建立交通 模型需要采集大量路网信息和交通流信息，耗时费力；三是绿信比优化依赖于对饱和度的 估算和小步长的变化幅度，有可能不足以及时响应当前周期的交通要求；四是信号相位和 相序事先固定，不能参与自动变化；五是控制子区的自动划分问题尚未解决；六是饱和流 率的校准尚未自动化，现场安装调试相当繁琐。 1 2 3s c a t s 系统 s c a t s o - n l ( s y d n e yc o o r d i n a t e da r e an a 街cs y s t e m ，悉尼协调区域交通系统) 2 0 世 纪7 0 年代由澳大利亚新南威尔士道路交通局成功开发的一套实时自适应区域控制系统，它 是一个实时方案选择型的区域控制系统，目前最新版本s c a t s1 1 。s c a t s 系统事先利用脱 机计算的方式为每个交叉口设定4 个绿信比方案、5 个内部相位差方案和5 个外部相位差 方案，把信号周期、绿信比和相位差作为独立的参数分别进行优选，优选算法以“综合流量” 和“饱和度”为主要依据。 不足之处在于，作为方案选择系统，没有使用交通流模型，限制了配时方案的优化程 度；另外检测器安装在停车线处，难以监测车队的行进，没有车流实时信息反馈，这使得 相位差优选可靠性较差：三是系统只能实施在p d p 系列数字计算机上，限制了推广应用。 1 2 4r h o d e s 系统 r h o d e s ) 2 q 3 1 ( r e a l - t i m e ，h i e r a r e h i e a ，o p t i m i z e d ，d i s t r i b u t e da n d e f f e c t i v es y s t e m ， 实时、递阶、最优化的、分布式且可实施的系统) 是由美国亚利桑那大学开发成功的一个 实时自适应区域交通控制系统，测试表明该系统对半拥挤的交通网络比较有效。r h o d e s 以相位可控化、有效绿波带、和预测算法为核心技术。相位可控化是根据到达车辆的预测 值，用动态规划的方法找出最优相序和相位长度。有效绿波带是根据当前车队预测值用决 策树法进行网络综合优化并实时生成行进绿波带，使延误和停车次数最小。系统通过 a p r e s m n e t 预测模型，预先获得必要的交通流信息，并对其提前做出及时有效的相应； 采用非参数化控制模型来完全适应实时交通信号控制，该模型不再利用传统的周期、相位 差和绿信比等参数来确定配时方案，而是改用相序和相位长度来确定配时方案。 不足之处在于，一是没有建模解决公交车上下客对其他交通流及其本身造成的延误， 二是系统高层优化有待于进一步研究。 1 2 5o p a c 系统 o p a c 1 4 1 ( o p t i m i z e dp o l i c i e sf o ra d a p t i v ec o n t r o l ，自适应控制的最优策略) 是美国p b f a r r a d y n e 公司和马萨诸塞大学于1 9 7 9 年共同开发的一个分布式实时交通信号控制系统， 测试表明它对拥挤的交通干线比较有效。 4 第一章前言 o p a c 系统基于动态规划原理来优化控制策略，仍然是依据数学模型的方法求解；它 引入了有效定周期( v i r t u a lf i x e dc y c l e ，v f c ) 的概念，即允许每个路口的周期长度在一 个规定的时间和空间范围内变化，这使信号机有较大的回旋余地来应对本路1 2 1 的交通请求， 也为改善车队通行带保留了一定的协调能力；它是一个真正的分布式系统，中心计算机只 完成v f c 优化，路口机完成车队预测、相位优化以及排队长度、停车次数和延误等参数状 态的检测和估计；采用了动态规划、自校正、白调整算法等先进的优化方法和控制技术。 不足之处在于，一是通信速率较低，只有9 6 0 0 b p s ，对等通信只能3 0 s 完成一次，一定 程度上影响了实时性；二是控制算法复杂，对调试人员要求较高。 1 3 国内智能交通系统发展现状 国内交通信号控制系统起步较晚，2 0 世纪7 0 年代北京市采用d j s 1 3 0 型计算机对干 道协调控制进行了研究： 2 0 世纪8 0 年代以来国家一方面采取引进与开发相结合的方针， 先后建立了一些城市道路交通控制系统；另一方面投入力量研发城市交通信号控制技术， 开发适应我国以混合交通为主要特点的智能交通系统。 1 3 1 南京城市交通控制系统 南京城市交通控制系统【1 孓1 7 】( 简称n u t c s ) 是我国自行研制开发的第一个实时自适应 城市交通信号控制系统，是在原国家计委和国家科委的批准下，由交通部、公安部和南京 市共同完成的，是“七五”国家重点科技攻关项目( 编号2 4 4 3 ) ，多次获得公安部和国家的技 术大奖。 n u t c s 结合了s c o o t 与s c a t s 的优点，满足和适应国内路网密度低而且路口间距 悬殊的道路条件以及混合交通突出的交通特点；通常采用路口级和区域级两级控制结构， 需要的情况下可以扩充为路口级、区域级和中心级三级分布式递阶控制结构：系统设置了 实时自适应、固定配时和无电缆联动控制三种模式，具有警卫、消防、救护、公交信号以 及人工指定等功能，工作方式灵活，功能完备。 不足之处在于，一是机动车与非机动车控制模式尚不完善，仍然大量存在车流相互影 响的情况，限制了系统运行效果：二是优化目标只是综合考虑了行车延误、停车次数和阻 塞度，但未把提高道路能力作为系统目标加以充分考虑。 1 3 2 海信h i c o n 交通信号控制系统 h i c o n t l 8 - 1 9 交通信号控制系统是青岛海信网络科技股份有限公司开发的从路口信号 机、通信服务器到区域控制服务器，中央控制服务器的整套智能交通解决方案，包括 h s c 1 0 0 系列交通信号机、h i c o n 交通信号控制系统软件、c m t 交通信号机配置与维护工 具软件。 系统针对混合交通的现状建立了机非混合控制模型来控制混合交通流；采用多层次分 s 南京信息工程大学硕士学位论文 布式控制结构，分为控制平台层、控制中心层、通信层和路口层四层；具有完整的算法体 系，包括区域协调控制算法! 感应式协调控制算法、行人二次过街算法、城市快速出入口与 城市路口的协调控制算法以及突发事件的检测算法，支持n t c i p 开放协议，满足最新的国 家标准。 1 3 3 深圳市s m o o t h 交通信号控制系统 s m o o t h 交通信号控制系统【2 0 1 采用三层体系结构、分布式控制模式、多服务器协同处 理、大型数据库等技术；针对深圳市高饱和度、高复杂度、高期望值的交通需求，和规律 性、可变性、随机性相结合的交通特征，采用了灵活有效的控制策略，在平峰时段追求通 行能力最大，高峰时段追求拥挤度最小；系统采用识别交通状态的方法、s c o o t 系统的“临 近预测”策略以及s c a t s 系统战略控制与战术微调相结合的手段，提出了基于交通状态识 别下的多目标决策控制策略以及单路口自适应控制和路网区域协调控制相结合的综合解决 方案。系统在深圳市的应用结果表明，系统达到了设计目标和应用要求，有效降低了路网 的行车延误、提高了通行能力，交通堵塞状况明显得到改善。 此外，天津大学研制的城市交通智能实时控制系统( 简称t i c s ) 首次成功地将自学习 智能原理应用于交通信号控制系统中：上海交大高新技术股份有限公司的舒达( 简称 s u 盯s ) 城市交通自适应控制系统实时控制能力较好，能够和s c o o t 并网运行：浙江浙 大中控信息技术有限公司的i n t e l l i f i c 交通信号控制系统【2 l 】针对大中型城市交通复杂的路c i 应用较好；吉林大学杨兆升教授团队【2 2 - 2 3 1 创造性地提出了“准用户最优动态交通分配理 论”、“新型广义路阻理论”，首次研发出交通信息预测理论模型及体系和动态路径优化技术 ( 该技术拥有完全自主知识产权) ，开发了适合我国交通特点的混合交通自适应控制系统 ( 简称m a c s ) ，该系统率先实现了车辆诱导与交通控制的一体化，打破了国外交通控制系 统长期垄断我国该领域的局面；中科院自动化研究所王飞跃教授团队【2 4 】深入研究了城市路 网和高速路网控制，开发了 g r e e n p a s s - - i t o p 绿通智能交通操作平台软件”、“绿通交通信号 控制中心软件”等系列软件；同济大学杨晓光教授团队自主研发了适合中国实际混合交通流 的城市交通控制系统一同济先进的交通控制与管理系统( t o n g aa d v a n c et r a f f i cc o n t r o la n d m a n a g e m e n t s y s t e m ，t j a t c m s ) ，特别针对国内混合交通特点实现了交叉口单点及区域协 调控制、连续交通流与间断交通流整合控制以及公交优先和行人过街的智能化控制。 1 4 研究背景和研究意义 交通问题是当今世界人们普遍关注的重要问题，交通问题所带来的严重危害日益影响 到人们日常生活与社会经济的发展。计算机技术是当今世界最重要的技术成果，是人类社 会发展的重要推动力量，如何更好地是运用计算机技术解决各个领域的实际问题是人们目 前研究的重点。 6 交通信号控制基础理论 通信号控制基础理论 论文针对交通业务处理设计许多模型和算法，为便于对它们的理解，在本章对交通信 号控制作了简要的理论介绍。 2 1 交通信号控制的基本参数 经过近百年的发展，交通控制已经形成了一套较为成熟的概念和方法。在此，简单的 介绍一下交通信号控制的基本概念、评价指标等内容，这些内容也是设计交通控制系统的 基础。交通信号控制【2 5 】的基本概念： ( 1 ) 周期时长( c y c l el e n g t h ) 信号灯各种灯色轮流显示一周所需的时间。即各种灯色显 示时间之和，或是从某相位的绿灯启亮开始到下次该绿灯再次启亮之间的一段时间。用c 表示，单位符号s 。 ( 2 ) 信号相位( s i g n a lp h a s e ) ：一股或几股车流在一个信号周期内，不管何时都获得相同 的信号灯色显示，那么它们获得灯色的连续时序称作一个信号相位。信号相位是按车流获 得信号显示时序来划分的，有多少种不同的时序排列，就有多少个信号相位。 ( 3 ) 绿信比( s p l i t ) ：指在一个周期内某一相位有效绿灯时间g 与信号周期长度c 之比，： 用a 表示。 ( 4 ) 相位差( o f f s e t ) ：又叫时差，通常用o 表示，单位为s 。相位差有绝对相位差和相对 相位差之分。绝对相位差( a b s o l u t eo f f s e t ) 是指各个信号的绿灯( 红灯) 的起点或中点相； 对于某一个交叉口( 一般为关键交叉口) 信号绿灯( 红灯) 的起点或中点的时间之差。相 对相位差( r e l a t i v eo f f s e t ) 是指相邻交叉口同一相位的绿灯( 红灯) 的起点或中点的时间 之差。相对相位差等于两个信号绝对相位差之差。 在交通信号控制系统中，配时设计是在相位相序设计的基础上，根据进口道配置和交 通流量分布求解出最优的配时方案。相位相序设计是实际交通流与交通信号控制系统之间 的桥梁，它是时间上实现对交通流进行优化控制，为不同需求的交通流分配通行权，在时 间上确定优先次序。因此信号配时之前对控制区域交叉口进行合理的相位相序设计师进行 信号优化与协调的前提，这将直接影响到交叉口的通行能力和系统的运行效益。如果没有 合理相位设计和相位优化，所得到的最优配时方案只能是伪最优解。无法实现系统的最优 控制。 此外，合理的交通控制信号都是根据实际交通流量综合得出的。对于混合交通下的交 通流量计算，由于车型与车型问的差别，非机动车与机动车的差别，需要引入各种机动车、 非机动车与当量小客车之间的换算关系，并且设计混合交通条件下的综合流量计算模型。 7 南京信息工程大学硕士学位论文 2 2 交通信号控制的类型 一般来说，城市道路交叉口设置交通信号控制系统的目的有以下几个方面：第一，在 时间上隔离不同方向的车流，控制车流运行秩序，并获得最大的交通安全。第二，在平面 交叉的道路网络上，使人和物的运输达到最高效率，其效率往往用通行能力、延误及停车 次数三项指标来衡量。第三，为道路使用者提供必要的情报，帮助他们有效地使用交通设 施。城市交通信号控制有多种方式，其分类也有很多种。现从空间关系上对其分类，可将 城市交通信号控制划分为单路口控制( 点控) 、干线控制( 线控) 、网络控制( 面控) ；从控 制方式上划分为定时控制、感应控制、自适应控制【2 6 】。 ( 1 ) 点控 点控是交叉口信号控制最基本的控制方式，单个交叉口的交通信号控制只按该交叉口 的交通情况独立运行，其控制的主要目的是尽可能地减少该交叉口的评价指标 2 7 - 2 5 l ，不考 虑与相邻交叉口的协调控制。点控方式适用于距离相邻信号机较远，线控没有明显效果时 或因各相位交通需求显著变动，其交叉路口的周期长和绿信比的独立控制比线控更有效的 情况。 ( 2 ) 线控 线控也称为干线协调控制，它指同时控制沿着道路连续几个交叉口的信号机配时。针 对连续多个交叉口设计一种相互协调的配时方案，使得各交叉口的信号灯协调运行。交通 流本身具有连续运动的特点，如果交通干线上几个距离较近的交叉口控制信号互不相关时， 上游驶出的车辆有可能在下游遇到红灯。这种交叉口之间各自为政的控制方式容易造成停 车次数增加，控制效果并不理想。如果把这些交叉口的信号机通过行车速度等综合因素在 时间上贯通起来，则可以形成一条绿波带。大大减少了干线上车辆的停车次数和行车延误。 线控的主要特点是对干线上的几个信号机设置相同的周期长和相对的相位差。线控对多个 交叉口的城市交通干线进行信号协调控制，各路口通过绿波带控制，并用相位差使得进入 干线的车辆通过这些交叉口时不经常遇上红灯，适用于交叉口间距离较小，交通流量较大 的情况，因为这种情况交通流不易离散，控制效果较好。 ( 3 ) 面控 面控也称为区域协调控制，是对路网上的多台信号机( 网型结构) 采用集中协调的控 制方式，即以某个区域中所有控制交叉口信号机作为控制对象。原理上面控是线控方式的 扩展。面控对城市中部分区域的交叉口信号进行协调控制，使得这一区域内总的停车次数、 旅行时间、耗油量等最小。面控系统由中央控制机，区域控制机，路口控制机三级构成。 中央控制机确定各个区域的最佳周期长度，各个区域控制机负责相位差和绿信比的优化， 路口控制机再优化调整。面控系统适用于城市交通系统中若干条道路相互交错的路网结构， 2 ( 4 ) 定时控制 交通信号按事先设定的配时方案运行，它配时的仅依据历史交通流量数据。一天中各 个时段都采用一种配时方案的控制称为单时段定时控制，一天中分多个时段或多天多时段 采用不同配时方案的控制称为多时段定时控制。定时控制属于面控，加拿大多伦多的u t c 系统，英国早期的t r a n s y t 系统都属于定时控制。 ( 5 ) 感应控制 感应控制主要通过安装在停车线前的车辆检测器获得交通流量，然后改变信号机的相 位绿时时间等的控制方式， ( 6 ) 自适应控制 自适应控制把城市交通系统看作一个不确定的、实时改变的、非线性的系统，能够连 续获得交通系统的状态，如车流量、停车次数、延误时间、排队长度等，它们与理想的动 态特性进行比较，并利用差值或某种评价策略以优化系统的可调参数或产生一个控制策略， 由此不管环境如何变化，都保证可以使整个交通系统的控制效果达到最优或者次最优。英 国的s c o o t 系统，澳大利亚的s c a t 系统设计等都属于自适应控制系统。 2 3 交通信号控制的评价指标 交通信号控制的目的是，采用合理的配时方案使单个交叉口或交通网络获得良好的交 通效益。交通效益体现在系统的建模上就是评价函数的设计，交通信号控制系统的评价函 数由设计者根据需要进行选择，可以由以下的单个或多个指标【2 厶2 8 】组合而成。 ( 1 ) 延误时间 延误时间是指车辆在没有交通信号和等待队列的阻碍下行走所需的时间和实际的行程 时间之差。延误时间有平均延误和总延误两个评价尺度。交叉口进道口所有车辆的延误总 计称作总延误；交叉口进道口每辆车的平均延误称作平均延误。 ( 2 ) 饱和度 某个交叉口进口的车流量与可从该进口通过交叉口的最大流量的比值，即实际到达交 通量与通行能力之比，就是该进口的饱和度。计算公式为： x ：卫( 2 1 ) 九t s 式中：q 为进口的车流量；九为相应相位有效绿灯时间与周期时间的比值；s 为进口 的饱和流量。 ( 3 ) 排队长度 9 南京信息工程大学硕士学位论文 排队长度是衡量交叉路口信号控制的一个重要指标。目前，车辆在交叉路口停车线后 的排队长度计算分3 种情况f 2 3 】： 1 ) 非饱和条件下 在交通量还没有达到饱和状态时，可以采用下面公式计算车辆在停车线后的排队一长 度： l = 厶+ 厶( 2 - 2 ) 式中：l 为绿灯开始前车辆排队长度：k 为红灯开始前车辆排队长度，有 厶= e x p - ( 4 3 ) x ( u x t x q ，) o j ( 1 一x ) x 】【2 ( 1 一x ) 】( 2 3 ) l r 为红灯期间的车辆排队长度，有 ， 厶= g v 瓦= 吼( 丁一名) = 吼t ( 1 一等) = 吼t ( 1 一九) ( 2 - 4 ) 其中：q 3 为每单位路宽的饱和流量：几为红灯时间；t 为信号周期；t e g 为有效绿灯时 间：又为 绿信比；q v 为到达流量。 2 ) 饱和条件下 假设k l ，为第i 1 个周期的车辆排队长度；k 为第i 个周期的车辆排队长度，则有下面 的递推公式： 厶= 厶一l + ( 鸟，一a ) 名+ g ，( 2 - 5 ) 式中：k 为绿灯时间；t r 为红灯时间。 3 ) 过饱和条件下 在过饱和条件下车辆排队长度可根据以下公式确定： 三：粤( x l + 4 、 ) ( 2 - 6 ) 式中：q c 为交叉路口入口的通行能力； x 0 6 7 + 型鱼( 2 7 )x = + 三卫( 2 7 ) 6 0 0 ( 4 ) 通行能力 通行能力是指在实际的道路条件、交通条件和控制条件下，在一定时间内通过进口道 停车线的最大车辆数，是信号控制效果的重要评价指标之一。交叉口的通行能力不仅与控 制策略有关，还与实际道路条件( 包括引道宽度、车道数、转弯半径、转弯长度、引道坡 1 0 能划分等) 密切相关。通行能力是交叉口饱和程度的重要评价指标。在一定的道路条件下， 信号控制路口的通行能力受信号周期的影响。在正常的周期长范围内，周期时长越长，通 行能力越大，但车辆延误和油耗等也随之越大。而且在饱和度相当小时，片面的追求通行 能力的提高，只会无谓的增加油耗和车辆延误，对交叉口的交通效益无多大意义。通常根 据具体的控制策略采取合适的数学描述。 南京信息工程大学硕士学位论文 第三章论文研究的理论与方法 本章基于目前交通问题及交通系统发展的现状，将a g e