（计算机软件与理论专业论文）城市单交叉口实时控制方法研究.pdf

大连理工火学硕士学位论文 摘要 我国已经进入城镇化及城市机动化的发展高潮期，在城镇化和机动化的双重作用 下，全国约8 0 0 个大中城市普遍陷入了难以摆脱的交通困境，交通拥挤问题已成为制约 城市发展和居民生活质量提高的首要问题之一。解决城市交通拥挤的最有效的途径之一 是建设和使用先进、适用的交通管理系统，而交通信号控制是交通管理系统的核心。本 文以此为出发点，详细分析了传统的城市单交叉口信号控制方法，并重点研究了新型的 自适应交通信号控制方法。 本文首先介绍了目前城市交通信号控制的现状，并且分析和讨论了交通流的基本理 论，介绍了交通信号控制的基本概念、性能指标以及几种典型的交通信号控制分类。 其次，详细分析了传统的定时信号控制方法和感应信号控制方法，并且讨论了两种 信号控制策略的优点和适用范围；提出了一种基于无线传感器的交叉口实时交通流预测 方法，在此基础上，给出基于动态规划和基于遗传算法的自适应交通信号控制方法。 最后，在德国宇航局的开源微观交通仿真平台s u m o 上，对本文中的各种信号控 制方法进行了仿真比较，并分析各种信号控制策略的适用性。仿真结果表明：城市路网 中的交通流在中度拥挤以下时，自适应信号控制方法优于定时信号控制和感应信号控 制，减少了1 3 2 6 至4 0 6 4 的车辆平均延误时间，能更好的响应交叉口交通流的随机 到达；但是当交通流达到重度拥挤情况以后，即路网中交通流到达过饱和，各种信号控 制方法都没有得到较好的控制效果，全部接近定时信号控制所得到的控制结果。 关键词：交叉口信号控制；交通流预测；动态规划；遗传算法 r e s e a r c ho nu r b a ni n t e r s e c t i o nr e a l t i m ec o n t r o lm e t h o d a b s t r a c t o u rc o u n t r yh a se n t e r e dar a p i d d e v e l o p m e n th i g hl e v e lo fu r b a j l i z a t i o na n dc i t v m o t o r i z e d ，t h e r ea r ea l m o s t8 0 0b i go rm i d d l ec i t i e st h a tg e ti n t ot r a f f i ci 锄a n dt m 所c c o n g e s ti st h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mt h a tr e s t r i c t st h ei m p r o v i n go fc i t i z e nl i f e t 1 1 em o s t e f f e c t i v em e t h o do fs o l v i n gt r a f f i cc o n g e s t i o ni nt h eu r b a ni s c r e a t i n ga n du s i n ga d v a n c e d t r a f f i cc o n t r o ls y s t e m t r a f f i c s i g n a lc o n t r o li st h ek e m e lo ft r a f f i cc o n t r o ls y s t e m b e c a u s eo f a b o v ea l l ，t h i st h e s i sa n a l y s e sc o n t r o lm e t h o d so fc o n d i t i o n a li n t e r s e c t i o ns i g n a lt i m i n g ，a n d r e s e a r c h e sa d a p 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 f i r s t ，id i s c u s st h et h e o r yo ft r a f f i cf l o w , a n di n t r o d u c eb a s i cd e f t n i t i o n ，p e r f i o n 】1 觚c e t a r g e t ，t r a f f i cs i g n a lc l a s s i f i c a t i o no ft r a f f i cs i g n a lc o n t r 0 1 s e c o n d l y ，t h i st h e s i sd e e p l ya n a l y s i sf i x t i m i n gc o n t r o lm e t h o da n da c m a t e dc o n t r 0 1 m e t h o d ，a n dd i s c u s st h ea d v a n t a g ea n da p p l i c a b l ef i e l do ft w o s i g n a lc o n t r o lm e t h o d s y h e n i tp r e s e n t san e wr e a l - t i m et r a f f i cf l o wp r e d i c t i o nm e t h o d ，b a s e do nt h i sm e t h o d ，m i st h e s i s g w eo u tt w oa d a p 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 ：o n ei sb a s e do ng e n e t i ca 1 9 0 r i t l u l l ： a n o t h e ri sb a s e do nd y n a m i c p r o g r a m m i n g a tl a s t ，t h i st h e s i sc a r r i e so u ts i m u l a t i o no nt h es u m o w h i c hi sa no p e ns o u r c em i c r o t r a f f i cs i m u l a t i o ns y s t e mo fg e r m a na e r o s p a c ec e n t r e i t c o m p a r e sa l lt h es i g n a lc o n t r o l m e t h o d sp r e s e n t e da b o v ea n d a n a l y s i st h e i ra p p l i c a b i l i t y t h es i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a t ： u n d e rt h em i d d l ec o n g e s t i o no ft r a f f i cf l o w ，t h es i g n a ic o n t r o lm e t h o d sb a s e do n a d a p t i v e t r a f f i cc o n t r o lh a sb e t t e rp e r f o r m a n c et h a no t h e r m e t h o d s ，a n dt h e yr e d u c ef r o m13 2 6p e r c e n t t o4 0 6 4p e r c e n tv e h i c l ed e l a yi n a v e r a g e ，t h i si sb e c a u s et h ea d a p t i v et r a f f i cs i g n a lc o n t r o l m e t h o d sc a nr e s p o n s et ot h e c h a n g eo ft r a f f i cf l o wn e a t l y b u tw h e nt h et r a 硒cf l o wi n c r e a s e s t on e a v y c o n g e s t i o n ，a l s om e a n so v e rs a t u r a t i o n ，n o n eo ft h es i g n a lc o n t r o lm e t h o d s p r e s e n t e d a b o v ec o u l dg e tg o o dp e r f o r m a n c e ，a l lo ft h ec o n t r o lr e s u l t sa r ec l o s et o f i x t i m i n gc o n t r o l m e t h o d i nt h i sc o n d i t i o n ，p r o l o n gt h et i m eo f s i g n a lc y c l ei sag o o dm e t h o d k e yw o r d s ：i n t e r s e c t i o ns i g n a lc o n t r o l ；t r a f f i cf l o wp r e d i c t ；d y n a m i cp r o g r 锄；g e n e t i c a l g o r i t h m i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：趱垄盘翌堡幺望趁盔! 】幺磁丕五左 作者签名： 盔幺当丞日期：三坦年三月上l 日 大连理工大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 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目：越壶鎏幺里幺疽翘塑丛歪丑益 作者签名： 导师签名： 日期：趁亟年且月上l 日 嗍：一也月号日 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【l ，2 】。 随着交通数据检测技术、计算机技术和通信技术的不断发展，交通信号控制已逐步 由基于人工观测预置信号配时方案的固定配时信号控制方式，转变为基于实时交通数据 的自适应信号控制方式，交通信号控制的发展进入了一个崭新的阶段。各种实时优化信 号配时参数的控制技术不断涌现，使城市道路交通信号控制变得更加灵活、控制效果更 好。其中，最具代表性的有英国交通与道路研究所开发的s c o o t ( 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 ) 系统和澳大利亚新南威尔士州开发的s c a t s ( 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 ) 系统。这些系统已在许多国家的城市道路交通控制 中获得了较为成功的应用，其控制的主要目的是减少停车延误。 交叉路口是城市交通的关键，它是整个城市道路的瓶颈地带，交通信号灯又是交叉 路口必不可少的交通控制手段。对于传统的信号灯控制系统，控制周期固定，不能根据 实际的交通流状况随时调整各方向上信号灯的时间从而经常造成很多不必要的时间等 待和资源浪费。这是现今交通问题日趋严重的原因之一。交通信号优化控制系统则可以 根据各方向上检测到的车流量信息，实时调整控制周期和各个相位的绿灯时长，对交通 流实行合理的引导和控制，以缓解或防止交通拥挤、减少尾气排放和噪声污染及能源消 耗、缩短出行延时。 本论文的研究目的就是针对城市交通问题的现状，从方法上对交通信号的优化与控 制问题进行研究和探讨，以期为解决实际的城市交通问题提供有益的方法和途径。 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 城市单交叉口实时控制方法研究 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，经过对英国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【3 1 ，以求有效解决日益严峻的城市交通问题。 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 ( t r a f f i cn e t w o r ks t u d yt 0 0 1 ) 和 s c o o t 系统、澳大利亚的s c a t s 系统、美国的u t c s 3 g c ( u r b a nt r a f f i cc o n t r 0 1 t h i r d g e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n ) 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 4 】系统、s c a t s 5 j 系统、s c o o t 6 】系统、r h o d e s 7 】系统、o p a c 8 ( o p t i m i z a t i o n p o l i c i e sf o ra d a p t i v ec o n t r 0 1 ) 系统和p r o d y n 9 j 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 误最小为目标的信号配时模型及计算方法【l0 1 。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 1 1 ，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【l2 1 。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【l3 1 。k i m 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【i4 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1 ：3 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 制系统和优化相位差【l6 1 。以上成果，主要针对交通流状况未达到饱和情况下就行的研究。 2 0 0 6 年，y ij i a n g 等人提出了基于车队的主次干道的交通信号配时方法【i7 1 ，本文主要针 对主次干道的信号控制，所以该方法的应用范围有限。2 0 0 7 年，g h a s s a na b u l e b d e h 等提出拥挤状态的交通信号控制方法，给出了综合考虑多个邻近路口的控制思想【1 8 ，其 不足是在假定已知交叉口拥挤持续时间的情况下进行的静态计算。 1 2 2 交通信号控制国内研究现状 ( 1 ) 交通控制系统应用 大连理工大学硕士学位论文 我国智能交通信号控制系统的应用发展较晚。经过“七五”、“八五 国家重点科 技攻关，由公安部交通管理科学研究所、同济大学等在上个世纪九十年代初合作推出了 我国第一个具有自主知识产权的城市交通信号控制系统h t u t c s 。经过“十五”国家重 点科技攻关的延续和提高，目前已形成第三代产品。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 s 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 s 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【1 9 1 ，仿 真结果较为理想，但应用了智能算法的感应控制，降低了信号机对交通流变化的响应速 度，限制了该方法的实际应用。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，但没有给出 实际有效的路面车辆检测技术，对车辆的检测率过于理想化【2 0 1 。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，该方法仍然建立 在理想化路口模型的基础之上，难以实际应用1 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，由于路面 交通只有在较大车流时，才会形成车队，这种方法的控制效果和适用性有待证实1 2 2 1 。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，将不同优先权的车辆引入 到信号控制领域，但是没有给出综合特殊车辆和普通车辆的信号控制方法【2 3 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， 但没有给出相应的信号控制方法【2 4 1 。裴玉龙以饱和度为指标作为交叉口的交通状态判别 依据，在w e b s t e r 绿信比优化模型的基础上，针对饱和交叉口，采用通行优先权的方式 对交通需求大的相位给予更多的绿灯时间，以期尽快消散该方向的拥挤车流。该方法的 优点是将动态的交通状态判别和信号控制方式切换相结合，如果交叉口处于饱和状态， 则按照饱和信号控制方法进行配时。其不足是当各相位均达到饱和时，只能通过轮流获 得最大绿灯时间放行本相位拥挤车辆，无法对各相位拥挤程度的差异性进行照顾【2 5 1 。 一3 一 城市单交叉口实时控制方法研究 1 2 3 国内现有研究的不足 ( 1 ) 现有的交叉口信号控制算法，大多基于神经网络、模糊控制等目标优化方法， 这些方法通过对历史数据的分析，给出信号配时方案，不能有效解决交通流不平衡的问 题，无法适应城市交叉口实时变化的交通状况行。 ( 2 ) 现有的交叉口信号控制算法，在优化的过程中都没有考虑改变相位的执行顺序， 或者，在某一信号执行周期中，忽略执行到达车辆较少甚至没有车辆到达的相位。所以， 这些信号控制方法灵活性差，优化的效果有限。 ( 3 ) 没有给出支撑实时信号控制算法的短期交通流量预测算法，往往假设车辆在整 个信号控制阶段的行驶速度是固定的，降低信号控制算法与实际相结合的可能性。 1 2 4 道路交通信号控制发展历程 道路交通信号控制技术早在1 9 世纪中叶就已出现【2 6 1 。至今已经发生多次重大变革， 大体经历了四个主要的发展阶段： 第一代为机械式交通信号控制技术。主要依靠目视采集信息，并加以判断，由手动 闸刀控制红绿灯点亮时间长短。我国许多城市直到上世纪7 0 年代仍在采用此种控制技 术。这种技术完全依靠人脑进行控制，控制的随意性很大。 第二代是固定配时交通信号控制技术。主要靠经验和历史交通数据确定单台交通控 制器的信号周期和绿信比，由计算机技术实现自动控制，为定周期控制和多时段控制。 目前，国内外很多城市采用此种控制系统。定周期控制是全天为一个时段，自动运行预 置的信号周期和绿信比。多时段则根据交通需求变化情况，把一天的时间分成若干个控 制时段，随时间的推移，按预置的方案自动运行。这种技术不能“实时”反映路口的交通 流量变化。 第三代是感应式交通信号控制技术。主要根据车辆检测器测得的交通流数据来调节 单台交通控制器信号显示时间的控制方式，分为半感应控制和全感应控制。半感应控制 是交叉路口仅部分相位有感应请求的感应控制方式。全感应控制是交叉路口所有相位均 有感应请求的感应控制方式。 第四代是线控技术和区域交通信号协调控制技术。线控技术是把一条道路上多个相 邻交叉路口的交通信号协调起来加以控制的控制方式。区域交通信号协调控制技术是把 一个区域内所有交通信号联结起来进行区域协调控制的交通信号控制系统，可分成固定 配时协调控制系统、方案实时选择协调控制系统和实时自适应协调控制系统。固定配时 协调控制系统是根据预设的信号配时方案来对整个区域交通实施多时段定时控制的交 通信号控制系统。方案实时选择协调控制系统是对应于不同的交通状况事先做好各类控 大连理= 大学硕士学位论文 制方案，再根据实时采集的交通流数据选取最适用的控制方案来实旅交通控制的交通信 号控制系统。自适应协调控制系统是根据区域内实时采集的交通数据进行联机优化控制 的交通信号控制系统。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作可以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 及控制系统的分类。 ( 2 ) 传统城市交通信号控制方法的研究 分析研究传统的单交叉口定时信号控制方法和感应信号控制方法。给出了基于 w e b s t e r 的定时信号配时方法及a r r b 方法。详细分析了感应信号控制的两种控制方式： 全感应信号控制方法和半感应信号控制方法。 ( 3 ) 基于无线传感器网络的实时交通流预测方法 给出了一种新的无线传感器埋布方式和交通流实时预测方法。为之后的自适应信号 控制方法，提供实时交通数据。 ( 4 ) 基于动态规划的自适应交通信号控制方法 首先，介绍动态规划思想和基本概念。之后将动态规划算法引入到城市交叉口实时 信号控制，给出求解步骤。最后给出了适合各种交通流状况的优化模型。 ( 5 ) 基于遗传算法的自适应交通信号控制方法 首先，简单介绍了遗传算法的基本理论和遗传算求解问题的各个步骤。之后将遗传 算法引入到城市交叉口实时信号控制，并给出了遗传算法求解配时模型的设计方案。 ( 6 ) 对文中的各种信号控制方法仿真比较 在德国宇航局的开源微观交通仿真系统上，仿真比较各种交通信号控制方法。 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 文章组织如下： 第二章贪绍了交通流的基本概念和交通信号控制系统的基本概念、性能指标和分类 方法。 第三章详细分析了传统的定时信号控制方法和感应信号控制方法，并且讨论两种信 号控制策略的优点和适应范围。 城市单交叉口实时控制方法研究 第四章提出了一种全新的交叉口实时交通流预测方法，在此基础上，给出基于动态 规划和基于遗传算法的自适应交通信号方法。 第五章在德国宇航局的开源微观交通仿真平台s u m o 上，对本文中的各种信号控 制方法进行了仿真比较，并分析各种信号控制策略的适用性。 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。 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两个方面的内容：交通流的度量和交通流【2 7 】。本节就以 上两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 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，测得车辆的行程时间为： ，乞，己厶， 则平均行程速度为式2 1 。 s ：圭：旦( 2 1 ) s = 一= 一 l 乙lj t j n t = lt = l 式中，s 平均行程速度( 公里4 , 时) ； 三公路路段长度( 公里) ； t 第i 辆车通过该路段的行程时间( 小时) ； 珂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 t m 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间间隔内，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： 城市单交叉口实时控制方法研究 交通量：在已知时间间隔内，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 m i n 流率之比，可见式2 2 。 p h f ：尘堕奎望量 ( 2 2 ) 该小时内的交通流率 因此，p h f 计算方法如式2 3 。 p h f = v ( 4 奉v ) ( 2 3 ) 式中，1 ，高峰1 5 分钟时段的流率( 辆d , 时) ； y 高峰小时交通量( 辆4 , 时) ； p h f 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，如式2 4 。 v = s 奉d ( 2 4 ) 式中，1 ，流率( 辆d , 时) ； s 平均行程速度( 公里4 , 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 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， 大连理工大学硕士学位论文 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1 俨 - 她f j v , 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，如式2 5 。 s = 3 6 0 0 h ( 2 5 ) 式中，s 饱和流率( 辆d , 时) ； h 饱和车头时距； 3 6 0 旺每小时的秒数。 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办秒。 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 一 城市单交叉口实时控制方法研究 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e l 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 秒，多相位控制时不能超过1 8 0 秒【2 引。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 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左转弯，相位四为南北向左转弯。 n l 一一t 一 、 一一 - + 1 2 l i 上 t ， _ -_ 3 l4 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 i c l ef l o wd i a g r a m 大连理t 大学硕士学位论文 ( 3 ) 饱和度 在相位i 时实际进入进道口j 的交通流量g 。与进道口j 的饱和流量s j ( 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五，如式2 6 。 兄：塑( 2 6 )以= ol o ， s j 交叉口的饱和度为各相位饱和度之和，如式2 7 。 兄= 罗丑 ( 2 7 ) 一 ， ( 4 ) 平均车头时距 平均车头时距是指同一车道、同一方向的- n 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，如式2 8 。 h = 1 五 ( 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。 ( 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行时间损失。由于 延误能反映司机不舒适、受阻的程度以及油耗和行驶时间损失，所以是最常用的评价信 号交叉口运行状况的指标。 根据交通流运行特性和延误产生的原因，信号交叉口延误可分为三种：均匀延误、 随机延误和过饱和延误。均匀延误是假设车辆均匀到达时产生的延误；随机延误是由于 信号周期内，车辆到达的随机波动性造成的；过饱和延误是车辆到达超过了信号交叉口 的通行能力时，滞留车辆额外经受的延误。研究人员在分析延误时，习惯上把后两种延 误定义为增量延误。常用的延误公式为w e b s t e r 延误公式【2 9 】。 ( 2 ) 通行能力 通行能力是指在实际的道路条件、良好的气候条件和路面条件下，在一定时间内通 过进道口的最大流率。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，周期时长越大，车辆的延误和油耗等也随之增大。且当饱 城市单交叉口实时控制方法研究 和度相当小时，单纯追求道路通行能力的提高，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。 ( 3 ) 停车次数 停车次数就是一个信号周期内完全停车次数的总和，停车率是指一个信号周期内停 车数占通过停车线( 交叉口) 车辆总数的比率。 ( 4 ) 平均排队长度 平均排队长度是指在信号一个周期内各条车道排队最长的长度平均值。各条车道最 长排队长度一般是指该车道的绿灯相位起始时的长度f ，如式2 9 。 t l 平均= 生 ( 2 9 ) 刀 式中，刀车道数。 平均排队长度以周期为单位计算。某个周期平均车辆排队长度与此周期平均车辆延 误的指标基本是一致的。 2 3 交通信号控制策略介绍 交通信号控制有两种分类方式。一种按控制策略的控制范围来分类，主要包括单点 控制、干线控制和面控制；另一种按控制方法进行分类，即按信号控制器对局部交通信 息的响应方式进行分类，主要有定时控制、感应控制以及自适应控制。在交通信号控制 系统的实际应用中，以上两类控制方法内的各种控制方法可两两组合，从而达到优化信 号配时，改善交通状况的目的。 2 3 1 按控制范围分 按控制范围可分为单点控制( 亦称为单交叉口控制或点控) 、干线控制和面控制( 亦 称为区域交通控制或网络信号控制) 。 ( 1 ) 单点控制 单点控制又称为点控制，指的是每个交叉口的交通信号控制只按照该交叉口的自身 实际情况独立运行，不与邻近的交叉口有任何联系。在单点控制中，每个路口都有最适 合于自己交通状况的信号配时参数，路口的实际控制方式可采用定时控制、感应控制或 自适应控制。这种方式适用于相邻交叉口相距较远、线控无多大效果时，是交通信号控 制的基本形式，是目前我国大部分交叉路口采用的控制方式。 ( 2 ) 干线控制 大连理下大学硕士学位论文 干线相邻交叉口协调控制策略控制是为了减少车辆在各个交叉口的停车次数，提出 一种各路口间相互协调的配时方案。干线协调控制策略方法是基于绿波的概念，相邻交 叉路口执行相同的信号控制周期，主干道相位的绿灯开启时间( 相位差) 错开一定的时 间，交叉口的次道在一定程度上服从主干道上的交通。当一列车队在具有许多交叉口的 一条主干道上行驶时，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， 因而无需停车地通过交叉口，提高了车辆行车速度和道路通行能力，确保道路畅通，减 少车辆在行驶过程中的延误时间。 ( 3 ) 面控控制 面控控制是将整个区域中所有的信号交叉口作为协调控制的对象，控制区内各种受 控交通信号均受中心指挥室的集中控制。研究把一个城市区域内所有交叉口的交通信号 连起来综合加以协调控制，使得区域内的各个车辆在通过某些交叉口时所产生的总损失 ( 包括延误、停车次数、油耗等) 最小或使区域内交通网络的通行能力最大。 2 3 2 按晌应方式分 按响应方式可分为定时控制、感应控制和自适应控制等三种类型。 ( 1 ) 定时控制 定时控制根据交叉路口历史交通量数据预先确定配时方案，是实际交通中可以实现 的一种最基本控制方式。信号控制系统只执行一种配时方案的被称为单段式定时控制； 一天按不同时间段的交通量可以执行不同配时方案的则称为多时段定时控制。方案的好 坏取决于系统管理者事先的判断能力，典型应用是单点控制。 ( 2 ) 感应控制 感应控制根据交通路口的交通量的变动进行实时控制，没有固定的周期和绿信比。 该方式是在交叉口的进道口上设置车辆检测器，信号灯的配时方案随检测器检测到的车 辆信息而随时改变。感应控制为闭环控制系统【3 叭，即系统的输入量对系统的输出量有影 响的系统。感应控制可分为半感应控制与全感应控制，即仅在交叉口部分进道口安装检 测器的感应控制与在全部交叉口均安装检测器的感应控制。近年来，感应控制在实际应 用中不断发展，与模糊控制等智能控制方法相结合，出现了模糊控制全感应控制方法和 跳相全感应控制方法等一系列控制方法，有效地推动了智能交通系统的发展【3 1 1 。 ( 3 ) 自适应控制 自适应控制又称为优化控制。是在计算机技术和通信技术发展到一定的水平而产生 的控制方式。控制系统根据检测器送来的交通量信息，实时产生出对某种性能指标来说 是最佳的配时方案，自动调节各个参数( 周期、绿信比和相位差等) 。进行这种控制方式 城市单交叉口实时控制方法研究 的交通信号机将检测到的交通数据实时地通过通信网络传至上位机，上位机根据路网上 交通量的变化情况，不断调整配时方案以达到最优控制。通过这种控制方式，上位机同 时控制城市中某个区域内的多个路口的信号机，实现区域中交叉口交通信号之间的统一 协调管理，从而提高路网的运行效率。 大连理：【大学硕七学位论文 3 传统的城市单交叉口信号控制方法 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 控制目标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 的总延误时间最小。传统的单路口信号控制主要分为定时控制、感应控制。 3 1定时信号控制 定时控制( 定周期控制) 根据交叉路口历史交通量数据预先确定配时方案，是实际 交通中可以实现的一种最基本控制方式【2 6 】。信号控制系统只执行一种配时方案的控制方 式，称为单段式定时控制；一天按不同时间段的交通量可以执行不同配时方案的则称为 多时段定时控制。方案的好坏取决于系统管理者事先的判断能力，典型应用是单点控制。 在定周期信号控制中，配时方案包括周期长度、绿信比和相位转换时间都是根据历 史的交通数据事先确定的。在事先确定的配时方案中，绿灯时间的长短、信号周期长度 以及每个相位上的绿灯起止时间都是相对固定的，亦即在某一确定的时间段上，上述配 时参数保持不变。可分为单时段，多时段控制。单时段全天都只有一种配时方案。多时 段是根据一天中交通量的波动情况，划分若干时间区段，对应于每一时间区段的平均交 通量制定相应的配时方案定时控制适用于交通流量比较稳定的交叉路口。 3 1 1 定时控制基本控制参数 ( 1 ) 周期长：信号灯各种灯色轮流显示一次所需的时间，通常用c 表示。 ( 2 ) 绿信比：一个信号相位的有效绿灯时长与周期时长的比，通常用& 表示。 = 詈 ( 3 - 1 ) 式中，g 广- 绿信比；有效绿灯时间，单位为s ；c l 一周期时长，单位为s 。 ( 3 ) 流量比：是到达流量同饱和流量之比。车到流量比即为进口道上各车道的到达 流量同该车道饱和流量之比，即： 2 考 ( 3 2 ) 式中，车道流量比；研一车道到达流量，单位为v e h h ；爵一车道饱和 流量，单位为v e h h 。 ( 4 ) 绿灯间隔时间为：上一相位绿灯结束到下一相位绿灯启亮之间，通常用，表示。 i ：坠+ t v ( 3 3 ) 城市单交叉口实时控制方法研究 式中，l 绿灯间隔时间，单位