（交通信息工程及控制专业论文）城市双交叉口信号协调模糊控制与优化算法的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 摘要 随着经济发展和科技进步，交通运输已经成为人们经济生活中不可缺少的重要组 成部分。传统交通控制方式已无法满足现有城市交通的发展要求。鉴于城市交通的复 杂性、传统交通控制方法的局限性，把模糊控制理论和遗传算法应用到交叉口信号控 制研究领域，以尽量减小交叉口的排队长度为控制目标，研究交通信号配时优化方案， 对城市智能交通控制的发展有重要意义。 通过对国内外城市交通控制系统发展现状的研究与分析，可知在孤立交叉口的理 论研究已经比较成熟，但实旌孤立交叉口控制对提高整个交通于线的通行能力，效果 往往不够理想。研究干线多交叉口协调控制是解决城市道路交通问题的根本办法，但 是对干线协调控制的研究却存在许多的不足，本文重点对干线双交叉口的协调模糊控 制进行了较深入的研究。 本文在阐述城市交通控制理论和模糊控制理论的基础上，介绍了一种以尽量减小 交叉口的排队长度为控制目标的单交叉口两个相位经典模糊控制方案，通过m a t l a b 仿真，表明此方案比传统控制方式有更好的控制效果。 通过对城市干线交通信号协调控制方法的研究和分析，可知干线多交叉口信号配 时整体优化变量为：相位差、周期、绿信比。前两个变量表达的是交叉口之间的联系， 绿信比表达的是单交叉口的配时优化。本文设计了干线双交叉口协调模糊控制方案， 此方案主要由两层组成。第一层为系统的协调单元，它根据双向绿波原理，为交叉口 提供优化的周期和相位差。第二层为控制单元，把每个交叉口作为单独控制对象，综 合考虑各路口排队情况，对交叉口进行信号配时优化。通过对信号配时方案的研究和 分析，本文在普通的模糊控制算法和经典两级模糊控制算法的基础上进行改进，设计 出一种两级两次修正的模糊控制算法来决定是切换相位还是延长当前相位的绿灯时 间。通过m a t l a b 仿真，证明了本文设计的干线双交叉口协调模糊控制方案能够有效 的减少排队长度，提高整个交通干线的通行能力。 针对初始设置的模糊控制器中的隶属度函数并不一定能适应交通流变化的问题， 本文采用自适应的遗传算法对模糊控制器的隶属度函数进行优化，使模糊隶属度函数 在不同交通情况下自适应地变化。通过m a t l a b 仿真验证了优化后的模糊控制器比未 优化的模糊控制器有更好的控制效果。 关键词：干线双交叉口；协调控制；模糊控制；遗传算法：排队长度 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s tr a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n di m p r o v e m e n to ft e c h n o l o g y , t r a n s p o r t a t i o nh a s b e c o m ea l le s s e n t i a lp a r to fe c o n o m i cl i f e h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a lm o d eo ft r a f f i cc o n t r o l h a sn o tm e tt h en e e d so ft h ec u r r e n tu r b a nt r a n s p o r t a t i o n a st h ec o m p l e x i t yo fu r b a nt r a f f i c a n dt h el i m i t a t i o no ft r a d i t i o n a lt r a f f i cc o n t r o lm e t h o d ，t h et h e s i sa p p l i e st h ef u z z yc o n t r o l t h e o r ya n dg e n e t i ca l g o r i t h mt ot h er e s e a r c ha r e ao fi n t e r s e c t i o ns i g n a lc o n t r o li no r d e rt o d e c r e a s et h eq u e u el e n g t hi ni n t e r s e c t i o na ss h o r ta sp o s s i b l e s oi ti ss i g n i f i c a n tt os t u d yt h e o p t i m i z i n gt i m i n gp l a n b a s e do nt h es t a t u sa n a l y s i so fc o r r e l a t i o n a lr e s e a r c ho nu r b a nt r a f f i cc o n t r o lb o t hi n d o m e s t i ca n do v e r s e a sf i e l d ，i ti sa w a r et h a tt h es i n g l ei n t e r s e c t i o nt h e o r e t i c a ls t u d i e sh a v e b e e nr e l a t i v e l ym a t u r e b u tt h ee f f e c to fe n h a n c i n gt r a f f i cc a p a c i t yo ft h ew h o l et r a f f i c n e t w o r kb yu s i n gc o n t r o lo fs i n g l ei n t e r s e c t i o ni ss t i l lu n s a t i s f i e d t h ef u n d a m e n t a la p p r o a c h t ow o r ko u tt h ep r o b l e mo fu r b a nt r a n s p o r ti ss t u d y i n go nm u l t i i n t e r s e c t i o n h o w e v e r , t h e r e a r es t i l ll o t so fs h o r t a g e s t h et h e s i sm a i n l yf o c u s e so nc o o p e r a t i v ef u z z yc o n t r o lo fa d j a c e n t t r a f f i ci n t e r s e c t i o n sa n dr e s e a r c h e so nt h i sf a c ti nd e p 也 b a s e do nt h ee l a b o r a t i o no ft h eu r b a nt r a f f i cc o n t r o la n df u z z yc o n t r o lt h e o r i e s ，a m u l t i p h a s ec l a s s i c a lf cw h i c ht a r g e t so nd e c r e a s i n gt h ea v e r a g el e n g t h o fq u e u e si s i n t r o d u c e d ，a n di th a sb e e np r o v e nt o b eam o r ee f f e c t i v ew a yt h a nt h et r a d i t i o n a lw a y t h r o u g hm a t l a bs i m u l a t i o n t h ec o o r d i n a t i o nc o n t r o lm e t h o do fu r b a na r t e r i a lt r a f f i cs i g n a li sa n a l y z e di nt h i st h e s i s ， a n dt h e r ea r et h r e eo p t i m i z a t i o nv a r ia ：b l e sf o rm u l t i - i n t e r s e c t i o n ：p h a s ed i f f e r e n c e ，c y c l e l e n g t ha n dg r e e ns p l i t t h ef i r s tt w ov a r i a b l e si l l u s t r a t et h er e l a t i o n s h i pa m o n gj u n c t i o n s ， w h i l et i m i n go p t i m i z a t i o ni ns i n g l ei n t e r s e c t i o ni sd e m o n s t r a t e db yg r e e ns p l i t a c o o p e r a t i v ef u z z yc o n t r o ls y s t e mo fa d j a c e n tt r a f f i ci n t e r s e c t i o n si si n t r o d u c e di nt h i st h e s i s t h i ss y s t e mc o m p r i s e st w of u n c t i o n a ll a y e r s t h ef i r s tl a y e ri sc o o r d i n a t eu n i to fs i g n a l s y s t e mw h i c hp r o v i d e so p t i m i z a t i o nc y c l el e n g t ha n dp h a s ed i f f e r e n c ef o ri n t e r s e c t i o nb a s e d o nt h e o r yo fg r e e nw a v e t h es e c o n dl a y e ri st h ei n t e r s e c t i o nc o n t r o lu n i t ，w h i c ho p t i m i z e s t h es i g n a lt i m i n gt h r o u g ha n a l y z i n gt h el e n g t ho fq u e u e si ni n d i v i d u a li n t e r s e c t i o n s a f t e r a n a l y s i n gt h es i g n a lt i m i n gs y s t e m s ，t h et w o s t a g ea n dt w o m o d i f yf ca l g o r i t h m ，w h i c ho n t h eb a s i so ft r a d i t i o n a lf ca l g o r i t h ma n dc l a s s i ct w o s t a g ef ca l g o r i t h r ni si n t r o d u c e di nt h i s t h e s i st oc o n t r o lt h eg r e e nl i g h td e l a yi np h a s e sa n dp h a s es w i t c h i n g t h et w o - s t a g ea n dt w o m o d i f yf ca l g o r i t h mh a sb e e np r o v e dt ob ea b l et os h o r t e nt h el e n g t ho fq u e u e s b e c a u s et h em e m b e r s h i pf u n c t i o no fi n i t i a ls e tf cm a yn o ta l w a y sf i tt h er e q u i r e m e n t o ft r a f f i cf l o w t h et h e s i sa d o p t sa d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h mt oo p t i m i z em e m b e r s h i p f u n c t i o no ff co nt h eb a s i so fp a s td a t aa n de x p e r i e n c er e c o r d t h i sm e t h o dc a nm a k et h e f u z z ym e m b e r s h i pf u n c t i o na d a p tt oa l t e r a t i o ni nd i f f e r e n t t r a f f i cc o n d i t i o n s t h r o u g h m a t l a bs i m u l a t i o n ，i ti sc o n f i r m e dt h a tt h eo p t i m i z e df ci sm o r ee f f e c t i v et h a nt h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 n o n o p t i m i z e do n ei nc 幻n t r o le f f e a k e yw o r d s ：a d j a c e n t1 、r a 伍ci n t e r s e c t i o n s ；c o o r d i n a t i o nc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；g e n e t i c a l g o r i t h m ；l e n g t ho fq u e u e s 西南交通大学 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 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彰使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：劫涠闻_ 日期： 讪i o 岁f g 指导老师签名： 铡 日期刃f 护于乃 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 针对我国城市交叉口信号控制所面临的问题，围绕如何实现合理有效的城市交叉 口交通信号智能控制，把模糊控制理论和遗传算法应用到交叉口信号控制研究领域， 对城市交通信号模糊控制展开了深入的研究。本文以尽量减小交叉口的车辆排队长度 为控制目标，分别对单点交叉口和干线双交叉口交通信号的实时配时优化方案进行深 入细致的研究。 本文完成的主要工作有以下三个方面： 1 本文在阐述城市交通控制理论和模糊控制理论的基础上，介绍了一种以尽量减 小排队长度为控制目标的单交叉口两个相位经典模糊控制方案。通过m a t l a b 仿真， 此方案比传统控制方式有更好的控制效果。 2 通过对城市干线交通信号协调控制方法的研究和分析，可本文设计了干线双交 叉口协调模糊控制方案，此方案主要由两层组成。第一层是系统的协调单元，它根据 双向绿波原理，为交叉口提供优化的周期和相位差。第二层是控制单元，把每个独立 的交叉口作为单独控制对象，综合考虑各路口排队情况，对交通信号进行配时优化。 通过对信号配时方案的研究和分析，本文设计出一种两级两次修正的模糊控制算法来 决定是切换相位还是延长当前相位的绿灯时间。通过m a t l a b 仿真，表明本文设计的 算法能够有效的减少排队长度，提高整个交通干线的通行能力。 3 针对初始设置的模糊控制器中的隶属度函数并不一定能适应交通流变化的问 题，本文采用自适用遗传算法对模糊控制器的隶属度函数进行优化，使模糊隶属度函 数在不同交通流量情况下自适应地变化。通过m a t l a b 仿真验证了优化后的模糊控制 器比未优化的模糊控制器有更好的控制效果。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 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 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 缴固刚 日期： u l o 岁。7 移 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 随着经济全球化与科学技术日新月异的发展，人类社会文明进入了一个快速发展 的新时期，很多传统领域都面临着革命性的变革，交通运输是城市经济活动的命脉， 对城市经济发展、人民生活水平提高起着十分重要的作用。随着汽车工业的迅速发展， 汽车工业在极大推动世界经济迅猛发展的同时，也为人类生存的环境、经济和社会带 来了日益严重的不良影响。由于城市道路建设难以跟上车辆发展的速度，导致城市交 通问题日益严重。无论是我国还是发达国家，都面临着例如：交通事故频繁、交通拥 堵、空气污染严重、运输效率下降等一系列严峻问题。在外国，2 0 世纪6 0 年代时交通 问题就已经非常突出，其中纽约、巴黎、伦敦等发达城市的中心路段，平均车速每小 时只有十几公里。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 , - - 一5 0 0 亿欧元；美国德州运输研究所对美国3 9 个主要 城市的研究，估计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【l2 1 。同样的交通问题，在中国情况也很严重，在许多大 中城市，交通拥挤和事故频发以成为众所周知的“都市顽症”。市区机动车平均行驶速 度已经由2 0 世纪6 0 年代的2 5 - - - 3 0 k m h 下降到现在的1 0 - - 1 5 k m h ；1 9 7 8 - - 1 9 9 3 年全 国共发生交通事故3 1 0 万余起，死亡6 3 2 万人；我国百万人口以上大城市每年由交通 拥挤造成的直接和间接经济损失约为1 6 0 0 亿元【j 】。 而城市交叉口是组成城市交通最重要的单元和咽喉要道，交叉口的通行能力的好 坏直接影响着整个城市道路网的运行效率。很多发达国家大规模地进行道路交通运输 智能化的研究，以保障交通畅通，改善道路安全，最大限度发挥现有交通系统的效率， 减少交通拥挤和空气污染对生态环境造成的恶劣影响。随着科技信息技术的迅速发展， 科学家们把计算机技术、通信技术、电子技术、智能控制技术运用到交通控制系统的 研究领域中已成为寻求解决城市交通问题的必然选择。智能交通控制系统是将计算机、 通信等众多高新技术与传统交通运输融合的集成和应用，智能交通控制系统与广大人 民群众的切身利益直接相关，智能交通控制研究和发展符合未来交通运输发展的方向， 对促进经济发展和城市建设有十分重要的实际意义。在城市交通路网系统中，城市交 通干线道路承担了较大的交通负荷，因此，研究城市干线多交叉口信号的控制策略， 提高交通干线信号的协调控制效果，对减少干线上的车辆停车率与交通延误，改善城 市道路交通状况具有重要的实际意义。城市干线交通信号的协调控制是城市交通控制 中较易于实现且应用广泛的一种控制方式。城市干线交通信号的协调控制的主要控制 参数为各交叉口的信号周期、绿信比以及交叉口之间的相位差。干线交通信号的协调 控制实际上就是把干线上一批相邻交叉口的信号进行协调配时，使得进入干线的车队 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 尽可能不遇或少遇红灯，以减少延误和停车率。由于城市干线的交通特征及重要性相 当突出，因此研究城市交通干线协调控制技术具有非常重要的实际意义和良好的应用 前景【4 1 。 1 2 国内外现状 1 2 1 国外城市交通发展现状 1 8 6 8 年英国伦敦燃汽信号灯的问世，标志着城市交通信号使用的开始。交通信号 灯源于铁路信号灯，不同于现在的三色信号灯，它只有红绿两种颜色。1 9 1 3 年，在美 国俄亥俄州的c l e v e l a n d 市首次出现了世界上最早的交通信号控制【5 引，两年后这种信 号灯被日本采用，英国七年后也采用了这种信号灯。直到1 9 1 8 年，美国纽约的街口才 安装了种手动操作的红黄绿的三色信号灯，后来被世界各国普遍采用。随着社会经 济和汽车工业的迅速发展，城市车辆数目不断增多，传统的信号灯己不能满足交通控 制的需求，很多交通工程师开始寻求其它工程领域的技术来解决交通信号控制遇到的 问题，由此带来了交通控制技术的迅速发展。1 9 2 6 年英国诞生世界上第一台用于街道 交叉口交通控制的信号机，这是一种定周期的单点信号控制机，它采用固定周期控制 方式，随后又出现多时段固定周期控制方式l 。1 9 3 0 年，美国首先研制成功了世界上 第一台感应式交通信号控制机。首次实现了交通信号根据交通流而自行调整，这种感 应式信号机采用的车辆检测器最初是橡皮管气压式，然后随着技术进步又出现了电磁 感应式、超声波脉冲式、多普勒雷达式等【89 1 。1 9 6 4 年，加拿大的多伦多市建成了世界 上第一套使用i b m 6 5 0 型计算机的集中协调感应控制的交通信号控制系统。标志着城 市交通信号控制的发展进入了一个新的发展阶段。它是城市交通控制系统发展的里程 碑，从此以后，美国、英国、澳大利亚、法国、日本等国都相继将计算机技术应用到 交通信号控制中以求有效解决日益紧张的城市交通问题。 经过几十年的研究发展，到2 0 世纪8 0 年代初，先后研制出很多种城市交通信号 控制系统，其中最具有代表性的有：英国的t r a n s y t 系统和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 一3 g c 系统以及a s c o t 系统。 在这些系统中，t r a n s y t 系统、s c o o t 系统和s c a t s 系统在城市交通实践中取得 了较好的应用效果，并在世界上很多发达城市得到广泛应用【l 。 1 2 2 我国城市交通发展现状 由于我国在交通信号控制系统领域的研究起步较晚，技术比较落后，解放前后很 长一段时间内，只有少数几个大城市有为数不多的单点定周期控制交叉口。一直到2 0 世纪7 0 年代，这种情况才有所改观。在1 9 7 0 年后期，北京市首先开始采用d j s 1 3 0 型计算机进行了干道协调控制的研究。到1 9 8 0 年单点定周期信号机在全国大中城市得 到了较广泛的应用，北京、天津、上海等大城市初步开始采用计算机进行干线协调控 制和感应控制。我国人口众多，城市道路基础设施条件较差，又是自行车大国，中国 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 交通的一个很大特点是混合交通居主要地位，交通情况尤为复杂。国外交通信号控制 系统模型和软件没有考虑到我国的混合交通问题，所以国外的智能交通系统无法适应 我国城市交通的国情f 3 】。 八十年代以来，随着城市的规模的快速发展和汽车数量的不断增加，城市道路交 通问题也越来越严重。国家一方面进行以改善城市市中心交通为核心的交通控制系统 研究，如：在国家计委、国家科委的支持下，交通部、公安部、南京市完成了“七五” 攻关项目，建成了南京城市交通控制系统。南京城市交通控制系统( 简称n u t c s ) 采用 分布式递阶控制结构，主要由分区域控制级和路口控制级组成，具体系统结构如图1 1 所示。另一方面采取引进与开发相结合的方针，建立了一些城市道路交通控制系统， 如：1 9 8 4 年北京引进了南斯拉夫t r n s y t 一7 f 系统应用于中心区5 3 个路口( 即二环 路及其以内) 。1 9 8 5 年又引进了s c o o t 系统，应用于东区3 9 个路口。另外，上海、 广州、沈阳等城市还引进了s c a t s 系统，大连、成都、引入了s c o o t 系统，深圳市 引进了日本的京三( k y o s a n ) 系统。这些交通信号控制系统在一定程度上起到了提高 城市道路运行效率，缓解交通拥挤的作用。但是我国国情是人口众多，城市道路基础 设旌条件较差，又是自行车大国，混合交通是城市交通的基本特点。国外交通信号控 制系统模型和软件没有考虑到混合交通问题，脱离中国国情，无法适应连续流和间断 流的协调控制，使用效果不佳。由于我国开发能力相对落后，机动车、非机动车混行 等因素，导致引进的系统多数执行的是单点多时段控制，少数具有简单的协调功能。 而检测设备的损坏和系统维护工作的滞后也在一定程度上影响了控制效果【l 。 区域控制中心( 主机) 彩 色 图 像 显 刁 器 动 态 地 图 板 室 外 可 变 情 报 板 室 内 交 通 信 息 板 信号控制器( a 型) 自 行 车 检 测 器 图1 - 1n u t c s 系统结构示意图1 1 】 1 3 交通信号控制理论研究状况 机 动 笙 检 测 器 信 号 灯 当前的城市交通系统中被控对象过程的非线性、较大的随机干扰、过程复杂以及 现场车辆检测的误差，对于日益复杂的城市交通控制系统不可能直接获取或者建立系 统的精确数学模型，而传统的城市交通控制系统又难以取得令人满意的控制效果。针 对此问题，国内外很多学者开始利用智能控制方法对交通信号控制系统进行研究，在 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 曼皇曼蔓曼舅曼曼曼曼曼曼曼 ：嗣-= 研li ：i=_=ii i 曼 各种智能控制方法运用在交通信号控制研究中，模糊控制与神经网络控制占据着主导 地位 1 2 】。 1 神经网络控制 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，a n n s ) ，简称为神经网络( n n s ) ，是模 拟生物神经网络进行信息处理的一种数学模型。它以对大脑的生理研究成果为基本理 论，其目的在于模拟大脑的某些机理，它在一定程度和层次上模仿了人脑神经系统的 信息处理、存储和检索等功能，因而具有学习、记忆和计算等智能处理功能。 学者李秀平等人【l3 】提出了一种具有实时学习功能的多相位双神经网络信号控制方 案，该方案由两个处于底层的神经网络信号控制器和一个处于顶层的控制效果评价准 则组成。如图1 2 所示，当信号控制系统处于自学习运行状态时，两个神经网络总是 交替处于学习和工作状态。神经网络完成自学习后就可作为信号控制器使用在网络运 行前先将交警的指挥经验用规则的形式表示出来，然后用这些规则来训练神经网络。 神经网络的主要优点是：不需要建立数学模型，非线性映射能力强，利用学习规则可 有效提高控制的精度。但是它也存在一定的缺陷，该控制算法的缺点是神经网络初始 权值的确定选取比较困难，很难得到优化的权值，对信号控制器的硬件计算能力和速 度要求很高，而且由于是将以前历史数据的学习结果用于当前交通控制，因此不能很 好的适应交通的实时剧烈变化【1 4 1 。 图1 2 交通信号神经网络控制系统结构【l 习 2 模糊控制 当前的城市交通系统具有较大的随机性、复杂性，所以要想建立一个较好的反映 实际城市交通系统的数学模型难度很大。把模糊控制理论引入到城市交通控制系统中， 利用其是一种不需要建立精确数学模型，能模拟人的思维、推理和判断的控制方法。 它能将人的经验、常识等用自然语言的形式表达出来，建立一种适用于计算机处理的 输入输出过程模型。把智能控制引入到城市交通控制系统中，才能适应未来城市交通 控制系统发展的需求。从长远来看该研究具有巨大的现实意义。图1 3 是模糊控制在 交通信号控制的简单结构示意图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图1 3 交通信号模糊控制系统简单结构【l 4 】 近年来，随着模糊控制理论和智能交通的迅速发展，在国外研究领域中，p a p p i s 等人【l5 】首先提出第一个城市单交叉口两相位信号模糊控制方法，在对理想平面交叉口 的仿真中表明此种控制算法比传统的控制算法减少车辆延误7 左右。之后很多学者 1 6 1 71 8 1 9 】在此算法基础上进一步的扩展。主要算法是将单车道扩展到多车道，从2 个相位 扩展到更多的相位，也考虑左转交通流的情况。同时，国内的一些学者也致力于城市 交通信号的模糊控制技术研究，并取得了一定的成功【2 0 2 1 2 2 1 。高俊侠等人设计了单交叉 口交通信号两级模糊控制系统，并采用遗传算法对两级模糊控制器中模糊隶属度函数 进行优化，仿真表明该方法能有效降低通行车辆在交叉口的平均等待时间，明显优于 传统控制方法。刘智勇，朱劲等人基于人对多相位单交叉口交通指挥的决策过程，设 计了一种新的模糊感应控制器，把排队长度作为控制目标，综合考虑相邻相位车道上 的车队长度，以此来决定绿灯时间分配。李威武，王慧等人提出了一种面向城域单交 叉口的自适应两级模糊控制系统，并采用遗传算法对两级模糊控制器中模糊隶属度函 数进行优化调整。该控制系统具有分级模糊控制的优点，从而达到改善控制效果的作 用。但是这些研究大多致力于城市孤立交叉口的信号控制，对干线协调控制探讨还不 够深入。而在实际交通中，任何一个交叉口只是城市交通路网中的一个节点，其工作 状态必然受其相邻节点状态的影响。实施孤立交叉口的交通信号控制难以有效提高整 个交通干线的通行能力，特别是在城市主干线处于交通流高峰时期，由于交通流在大 部分交叉口遇到红灯停顿产生的拥堵现象会从小面积扩大到大面积，会产生极其严重 的拥堵现象。因此进行干线多交叉口协调控制是解决城市道路交通问题的根本办法， 对城市干线交通控制的深入研究具有重要意义【l 。 1 4 研究内容 针对我国城市交叉口信号控制所面临的问题，从如何实现城市交叉口交通信号智 能控制出发，把模糊控制理论和遗传算法应用到交叉口信号控制研究领域中。本文以 尽量减小交叉口的车辆排队长度为控制目标，分别对单点交叉口和干线双交叉口交通 信号实时配时优化方案进行深入细致的研究。 论文的主要工作概括为以下几个方面： 第一章首先介绍课题研究的背景和意义，然后从国内外两个方面描述本课题的研 究发展状况以及存在的问题，最后阐述了本文的工作内容。 第二章首先介绍了城市交通信号控制和模糊控制的基本原理；随后把交通信号控 制理论和模糊控制原理结合到一起，详细介绍了一种以尽量减少排队长度为控制目标 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的单交叉口两个相位经典模糊控制算法。通过m a t l a b 仿真，并与传统定时控制和感应 控制做对比。 第三章首先介绍了干线交通协调控制基本条件以及干线交通协调控制的基本方 法，然后对干线协调控制研究成果进行了深入的分析，重点设计了干线双交叉口协调 模糊控制方案及干线双交叉口的研究模型。 第四章在第三章提出的干线双交叉口协调模糊控制方案基础上，详细的分析了系 统协调单元( 第一层) 的设计方案和独立交叉口( 第二层) 的配时优化方案。 1 第一层主要作用是根据双交叉口之间路段的交通拥挤情况，为独立交叉口提供 优化的周期和相位差。该层不会干涉到单独交叉口的配时优化方案。 2 第二层主要把交叉口作为独立的研究对象，来研究交通信号配时优化方案。针 对普通模糊控制算法的缺点，本文在经典两级模糊控制算法的基础上进行改进，设计 出一种两级两次修正的模糊控制算法来决定是切换相位还是延长当前相位的绿灯时 间，并设计了相应的模糊控制器a ，b ，c 。最后通过实验仿真，并与经典两级模糊控制算 法和普通的模糊控制算法做对比。 第五章针对初始设置的模糊控制器中的隶属度函数并不一定能适应交通流的变 化问题。本文采用自适应的遗传算法对模糊控制器隶属度函数进行优化，详细阐述了 设计思想、编码方案、适应度函数的选取、遗传算子的改进等细节问题。 最后，总结了全文的工作，并指出了有待于今后进一步研究的内容。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章单交叉口两个相位经典模糊控制 本章首先介绍了城市交通信号控制种类以及交通信号控制的主要参数、性能指标： 然后介绍了模糊控制的原理及设计步骤；最后把交通控制理论和模糊控制理论结合在 一起，详细的介绍了单交叉口两个相位的经典模糊控制方案。 2 1 交通信号控制理论 2 1 1 按照区域划分 城市交通信号控制类型按照区域划分可分为三种类型【22 3 】：单个交叉口的控制，又 叫做点控；交通干线的协调控制又叫做线控；区域交叉口的网络控制，又叫做面控。 1 点控方式 当一个交叉口与相邻的交叉口相距较远时，可以利用一台信号控制器控制其信号 的变化，又称孤立交叉口信号控制。其特点是指交叉口的信号灯各自互相不相关的独 立运行的方式，点控制方式可以使用人工控制、定时控制和感应式控制。 2 线控方式 称为干线协调控制，也叫做绿波控制。交通流具有连续运动的特点，若交通干线 上几个距离较近的交叉口其控制信号是独立的不相关时，从上游驶出的车辆有可能在 下游又遇红灯。这种交叉口之间各自为政的孤立控制方式难免造成频繁停车，控制效 果往往不佳。线控是指：对含有多个交叉口的城市交通干线进行信号协调控制，并对 各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按此协调方案联合运 行，使得进入干线的车队按某一车速行驶时，能不遇或少遇红灯而通过该干线。线控 的主要特点是对几个交叉口信号设定共同的周期长和相对的相位差。线控的研究方法 在第三章专门介绍。 3 面控方式 对设置在大面积道路网上的多台信号机采用集中控制的方式，即以某个区域中所 有信号控制交叉口作为协调控制的对象，称为区域交通信号控制，简称面控方式。原 理上此方法可看做是将线控扩大到面上，由若干个子区域构成。其中子区是指用相同 的周期长进行控制的区域。对每个子区给出最佳周期长，在各个子区内可得到最优控 制的效果，而且控制区内各受控交通信号都受中心控制室的集中控制。对范围较小的 区域，整个区域可集中控制；范围较大的区域，可分区分级控制p 】。 2 1 2 按照控制方式划分 信号控制按照控制方式可分为：定时控制、感应控制、脱机优化控制、自适应控 制四类【32 4 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 定时控制 定时控制是根据历史的交通数据，按照几种典型状况制定出不同的配时方案，由 交通警察根据交通实况进行选择，或每天对应于交通需求的变动参数，将一天分为几 个时间段，不同时间段设定不同的周期长、绿信比等信号参数，由时钟自动选择、切 换变换参数的控制方式。由于该方式采用内装日历的多段程序方式，即使平时和休息 日的交通量实际变动模式有差别时也可以处理。定周期控制方式适用于交通量的变动 模式基本固定，并可以预测的情况。这是一种简单经济但适应能力较差的控制方式。 2 感应控制 感应控制是在交叉口进口道上设置车辆检测器，信号灯配时方案可随检测到的车 流信息而随时改变的一种控制方式。感应控制的基本方式是单个交叉口的感应控制， 单点感应控制随检测器设置方式的不同，又可分为半感应式控制和全感应式控制。 半感应式控制是指只在交叉口部分进口道上设置检测器的感应控制；全感应式控 制是指在交叉口全部进口道上都设置检测器的感应控制。该控制方式是在交叉口的进 口道的上游设置车辆检测器，信号配时方案可随检测器检测到的车流信息而动态改变。 进行感应控制时，在一个给定的最小绿灯时间内，绿灯无条件开放，该事件结束后， 若位于停车线处的车辆检测器检测到车辆到达，则追加一小段绿灯时间，若一直有车 辆到来则继续延长绿灯时间直至最大绿灯时间。若在追加的绿灯时间末没有检测到有 车辆到来，则结束绿灯【2 5 】。感应式控制的控制具体流程如图2 1 所示。 图2 - i 感应式控制流程结构图【2 6 】 采用感应控制的线控制和面控制也可称为动态线控制和动态面控制。这种控制方 式在一定程度上改变了定时控制的缺点，但是由于自身固有的缺陷，并没有考虑红灯 相位的车辆排队长度，因此只是局部的，对全局来说这种改变没有起到很好的优化作 用。另外，进行干线协调控制时，每个周期的周期值，绿信比等参数无法进行调整， 相位差更是不能发挥优势等【2 。 3 脱机优化控制 在对交通流历史统计数据进行分析与计算中，采用计算机技术，故适用于复杂道 路网的信号配时优化。建立优化模型时，通常以车辆延误等作为运行指标( 目标函数) ， 在约束条件下进行计算机优化求解，即寻求使道路网运行指标达到极值下的最佳信号 配时方案。在脱机优化过程中，计算机承担大量历史数据分析与计算以及优化求解， 故脱机优化技术又称离线优化技术。当道路网结构参数和交通流数据变动较大时，需 要重新进行优化求解，以寻求在新情况下的最佳配时方案。为此，采用脱机优化技术 的信号协调控制多适用于交通流相对稳定的道路网。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 4 自适应控制 在一条干线或一个区域，根据交通流的动态的随机变化而自动地调整信号控制参 数，使控制系统自动地适应交通流的随机变化，这种控制方式就是自适应交通控制方 式。在联机优化过程中，计算机实时地生成最佳配时方案，并实时地参与信号协调控 制，故联机优化技术又称为在线优化技术。采用此种优化技术的信号协调控制多适用 于交通流波动大的道路网。 2 1 3 交叉口信号控制的主要参数 对于交叉口的信号控制而言，信号配时的主要参数包括：信号相位、周期、绿灯 时间( 绿信比) 等【3 2 引。 1 信号相位 信号相位是指在一个交叉1 2 1 某个方向的交通流( 或几个方向交通流的组合) 同时得 到的通行权或被分配得到这些通行权的时间带。根据实际情况可以设计为两相位、三 相位、四相位、甚至八相位。其中四个相位表示如图2 2 所示。 图2 - 2 四个相位 2 周期 周期也叫做周期长，是指信号灯色发生变化，信号运行一个循环所需的时间，等 于绿灯、黄灯、红灯时间之和，即显示信号程序一周所需要的时间，或者是从某主要 相位的绿灯开始到下次该绿灯开始的时间( 从绿灯开始到下一次绿灯开始为止) 所需要 的时间，其单位为秒。一般信号灯都有最短周期( 每个相位最少1 5 秒) ，否则不能保证 几个方向的车顺利通过交叉1 2 1 。最长周期不超过1 2 0 秒，否则引起等待司机的抱怨 i 引。 适当的周期长度对疏散路1 2 1 处的交通流、减少车辆等待时间有重要意义。从疏散交通 的角度来看，显然当交通需求越大时，周期应该越长，否则一个周期内到达的车辆不 能在该周期的绿灯时间内通过交叉口，就会发生堵塞现象。 3 绿信比 绿信比是指在周期长内的各相位绿灯时间与周期长之比，用秒或者周期的百分数 表示。即相位i 的有效绿灯时间g i ( 有效使用的绿灯时间与实际绿灯时间之比) 除以周 期长c 所得的值称为绿信比g 。绿信比的大小对于疏散交通流和减少交叉口总等待时 间有着举足轻重的作用。通过合理地分配各车流方向的绿灯时间( 绿信比) ，可使各方 向停车次数、车辆平均等待排队长度减至最小。 4 周期长、绿信比、损失时间的关系 周期长c ，绿信比毋、损失时间之间存在关系如下【3 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 ”告= 1 ( 2 1 ) 厶6 f 。，1 7 此外，为使各相位的处理能力满足交通需求，必须令绿信比22i 。代入2 一i 则 有： f f 。 g ；= 1 - l l 见 ( 2 - 2 ) 由此可以得到满足交通需求的最小周期长i ： c 击= ( 2 3 ) 5 相位差 相位差是交通干线协调控制系统中的一个重要概念，分为绝对相位差和相对相位 差。在一个交通干线协调控制系统中，干线上所有交叉口周期相同，各交叉口设定某 一相位参加协调，称为协调相位。把干线上某一交叉1 2 作为基准路口，其他各交叉口 的协调相位起始时刻滞后于基准交叉口的协调相位起始时刻的最小时间差，称绝对相 位差；沿车辆行驶方向任意相邻路口的协调相位起始时刻的最小时间差称为相对相位 差。 除了上述控制参数外，还有如下一些与交通信号控制有关的概念3 1 4 1 ： ( 1 ) 交通流到达：通过大量的交通观测，交通流在一定的观测周期中到达的车辆服从 p o s s i o n ( 泊松分布) 、二项式分布、负二项式分布等离散型分布。一定的路段上分布的 车辆数也服从这些离散型分布规律。 p o i s s o n 分布公式如下【3 1 ： 丑= 譬k p ( 2 4 ) l z 。斗， 式中：只表示在计数间隔( 观测周期) 时间 内到达某观测断面处有k 辆车的概率； 旯表示车辆平均到达率，单位为v e h h ；t 表示观测周期，即每个计数间隔持续时间， 单位为岛旯掌 表示p o i s s o n 分布参数，即由平均到达率所求的的观测周期芒时间内 的平均到达车辆的数量，单位为v e h h 。 ( 2 ) 交通流量：交通流量是单位时间内通过某一位置的车辆数。一般交通流量均指双 向交通量。用q 表示，单位为：v e h h 。 ( 3 ) 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。般说来，交通密度是时间和位置的函数，可表示为k ( x ，f ) 。 ( 4 ) 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，交通流量孙交通密度 k 、行车速度1 ，三者之间的基本关系为： q = k v ( 2 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ( 5 ) 进口道饱和流量：进口道饱和流量指在一次连续的绿灯时间内，交叉口进口道上 车队能够连续通过停车线的折算为当量小车的最多车辆数，用5 表示。 2 1 4