（计算机软件与理论专业论文）实时交通信号控制模型与算法研究.pdf

大连理= 人学硕士学位论文 摘要 交通问题已经成为制约城市经济发展，影响人民生活质量的世界性难题。同时它也 吸引了全世界大量的科研工作者投身交通领域的研究之中。作为一个交叉学科，最大限 度地利用其它领域先进的研究成果和技术手段是交通控制研究领域实现科研创新的重 要途径之一。 本文以实时交通控制模型为研究对象。提出了一个实时城市交通信号控制系统原 型。然后逐层的介绍该模型各层次豹模块功能、算法以及模块，层次之间的联系。通过 分别对该模型中的路口控制层、主干道控制层、空问调度层这三个层次的模型的详细分 析，论证了所提出模型的可行性和有效性，在分析过程中，本文针对所提出系统模型中 使用的算法和计算模型进行了详细的分析和论证。并在分析的过程中说明它们的局限性 和适用范围。同时还指出了该模型的松耦合的层次结构给该系统模型带来的可以很容易 地修改模型实现及检测介质的优点。再后，本文又针对本模型具体实施实现的过程中需 要解决的实际问题提出来解决方案。比如参数设置，检测器埋布方式等等问题。在这之 后，本文运用软件设计技术和软件工程的理论，详细论述了本系统原型的软件设计、丌 发以及编码实现工作。最后，本文提出了对于交通控制系统的评估标准和仿真方法。并 通过仿真实验，证明了本系统可以有效的优化城市交通信号挎制方案，减少整个交通网 络内的交通总延误时问。在本文的总结中还指出了本系统中目i 订存在的1 i 足，可以改进 的内容，以及未来提高和发展的方向。 关键词：实时控制；智能交通；交通控制；无线传感器网络 大连理：大学硕士学位论文 r e a l t i m et r a f f i cs i g n a lc o n t r o lm o d e la n da l g o r i t h m sr e s e a r c h a b s t r a c t t h et r a f f i cp r o b l e mi sb e c o m i n gaw o r l d - c l a s sp r o b l e m ，i tw i l li n f l u e n c et h ed e v e l o p i n g o fc i t ye c o n o m ya n dp e o p l e sl i f e i nt h es a l n et i m e , i ta l s oa t t r a c t sm a n ys c i e n t i s t sw o r k i n g o ni t a saa c r o s ss u b j e c t ，c o n c e r n i n go t h e rs u b j e c t so rt e c h n o l o g i e si sv e r yi m p o r t a n t t h i sp a p e ri sa b o u tt h ei n t e l l i g e n c et r a n s p o r t a t i o nc o n t r o l l i n gs y s t e mp r o t o t y p e a n di t g i v e san e wp r o t o t y p e t h e r ei sav e r yp a r t i c u l a ri n t r o d u c t i o na b o u tt h er e l a t i o n s h i pa m o n g t h em o d u l e s ，a l g o r i t h m sa n dl a y e r s t h e3 - l a y e rm o d u l ec o n s i s t so fi n t e r s e c t i o nc o n t r o l l i n g l a y e r m a i nr o a dc o n t r o l l i n gl a y e r ，a n ds p a c ed i s 雠b u t e dl a y e r d u r i n gt h ei n t r o d u c t i o n ，i t m a k e si tc l e a r ，t h a tt h em o d d ei sc o r r e c ta n de f f e c t i v e i ta n a l y s e sa l g o r i t h m sa n dc a l c u l a t i n g m o d e li nt h es y s t e mv e r yc l e a r l y a n dp r o v et h a tl o o s e - c o u p l i n gl a y e r sm o d e li sa p p r o p r i a t e f o re x t e n d i n g ，s u c ha sc h a n g i n gd e t e c t o r s ，e t c a f t e rt h a t ，f o ri m p l e m e n t i n gt h i sm o d e l ，i t g i v e st h es o l u t i o ni nd e t a i l s f o rr e a lp r o b l e m s a n dt h e n ，i td e s i g n st h es y s t e ms o f t w a r e ， d e v e l o pt h em o d e l ，a n dc o d i n g f i n a l l y ，t h i sp a p e r # v e st h es t a n d a r da b o u te v a l u a t i n gt h e t r a f f i cc o n t r o l l i n gs y s t e m ，a n du s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r et e c h n o l o g yt op r o v et h ec o r r e c t n e s s o ft h em o d e l i tp r o v e st h a tt h i sm o d e lc o u l db eu s e di no p t i m i z i n gu r b a nt r a f f i cf l o w s t h e m o d e lc a nb eb e t t e rf o rs o m er e a s o n s ，t h i sp a p e rp o i n tt h e mo u t ， k e yw o r d s ：r e a l t i m ec o n t r o l ；i n t e l l i g e n c et r a f f i c ；t r a f f i cc o n t r o l ；w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k 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：至堡驻日期：上串卜 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 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 导师签名 垄垒丝 立弦 丝 俎年压月盟日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 交通运输是城市功能活动的命脉，它直接影响社会经济、生产与生活的各个方面。 在世界范围内，随着人口密度高速增长，城市化的脚步不断加快，交通问题同渐严 重。尤其在国际性大都市，拥挤的交通造成了巨大的能源损失，环境污染，也给人们的 生活带来了巨大的困扰。在我国，这个情况尤为突出，我国是全世界中，城市化、工业 化、机动车增加速度最快的国家，人们在尽情享受由机动车辆所带来的巨额利润以及汽 车所带来的巨大便利的同时，也越来越受交通拥堵、交通环境恶化等问题的困扰。交通 问题已经引起了科学界的广泛重视，成为典型的交叉学科研究领域。 1 1交通控制系统要解决的问题 就以我国为例，仅2 0 0 3 年就有交通事故6 6 7 5 0 7 起，造成1 0 4 3 7 2 人死亡，4 9 4 1 7 4 人受伤，直接经济损失高达3 3 7 亿元【l 】。目f i f ，我国平均每一分钟就有1 人因交通事故 受伤，每五分钟就有1 人交通事故死亡。同时，由于交通的阻塞和拥挤，对全球的经济 带来了巨大的影响。在美国，1 9 8 4 年由道路阻塞所造成的交通延迟大约有1 2 亿车时 ( v e h i c l e h o u r s ) ，由此对用户所造成的损失在1 9 9 0 年估计达1 0 0 0 亿美元之巨。据估计， 2 0 0 5 年，美国的交通延迟会达到每年6 9 亿车时，将有7 3 亿加仑的燃料浪费于公路交通 拥挤，到2 0 1 0 年，荚幽山于交通拥挤而浪费的行驶时间将e y t 。5 7 ；每年因交通捌挤 造成额外的燃油消耗就高达9 0 亿美元。在英国，一个大约具有1 0 0 个平面交叉口的城 市内，每年由于车辆延误造成的经济损失就为1 4 0 0 力| 英镑。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。据统计， 目前，大气中的7 0 以上的一氧化碳( c o ) 、碳氢化合物( h c ) 、氮氧化合物( n o x ) 和硫 化物( s o x ) 等有害气念污染物主要是由汽车排放造成的。严重的环境污染不仅导致了高 昂的经济和环境成木，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 地资源正以每年2 3 的速度不断减少，更是加重了污染的严重程度【2 j 。 叶其孝【3 】翻译的文章自然界真正的神秘一是什么原因造成了交通堵塞? 对此 进行了综述：洛斯阿拉莫斯实验室，更为人熟悉的是原子弹的诞生地和超级计算机的发 源地，曾全力研究物质的基本性质和人工智能极限问题的科学家，现在试图解开更加令 人望而生畏的谜：为什么交通是如此的糟糕? k a in a g e l 说： “物理学为理解交通问题 实时交通信号控制模型与算法研究 给出了许多方法，但仍有许多迄今尚未解决的问题”。h a n im a h m a s s a n i 曾这样表述： “突然问，从自由畅通的交通流成了停停走走的状态，这是我们时代的难题之一。” 将“交”和“通”这两个字进行解析【4 i “交”有以下几个含义：( 1 ) 交叉学科：交通 科学的研究需要交通工程学、力学、数学、物理学、非线性科学、复杂性科学、经济学、 管理学、城市学等多学科的知识。( 2 ) 道路交叉形成了网络：道路网络功能结构的合理 布簧具有重要的作用。( 3 ) 交通系统依托于城市，交通源的产生与分布和城市土地利用 密不可分。( 4 ) 交叉口处交通流交织在一起。“通”字的含义即通畅：交通系统追求的 主要目标就是通畅、效率。“控制”，即采用多个交叉学科中的理论和方法将系统中的 人、车、路和环境组成一个有机的整体，能够在现有的路和环境的支撑下，高效、通畅 的输送人和车，从而实现供需平衡。可以通过图1 1 进行刻画，其中供应函数l = s ( t ， v ) ，需求函数v = d ( a ，l ) ，l 为服务水平，t 为运输系统提供的通行能力，v 为交通 流量，a 为车辆数。 耀务农警 i 。 图1 1 交通供需平衡图 f i g 1 1t h e f i g u r e o f t r a f f i cs u p p l ya n dd e m a n d b a l a n c e 所以，城市交通问题已经非常严重，解决交通拥挤与堵塞己经追在眉睫。在多数情 况下，交通拥挤与堵塞问题必须通过修建更多、更宽的道路和其他交通设施从根本上解 决。然而，有限的空间和其他经济、环境等问题阻碍交通基础设施的进一步扩展。为了 从根本上解决城市交通的拥挤和堵塞问题，除了改善城市建筑群的合理分布、拓宽城市 交通要道、增强人民的交通意识外，更重要的是引进高新技术来改造现有道路系统以及 管理系统，从而大幅度提供路口、路网的通行能力和服务质量。随着研究的深入，系统 大连理工大学硕士学位论文 的功能扩展到道路交通运输的全过程及其相关的服务部门，发展成为带动道路运输现代 化的智能交通系统( i t s ：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 s ) 。智能交通系统是将先进的信 息技术、数据通讯技术、电子技术、控制技术及计算机网络技术等有效的集成运用于整 个交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的、实时、准确、高效的综 合交通运输管理系统件明。i t s 将从根本上改变人们出行和交通管理的状况，带来巨大 的经济和社会效益。据初步估计，i t s 技术的应用可减少l o 的废气排量，2 0 的交通 延时，3 0 的停车次数。据报道，美国l o sa n g e l e s 地区和t e x a s 州在i t s 技术方面投资 的效益成本比率分别是1 6 ：1 和2 2 ：l ，收益非常显著。 综上所述，一个有效的城市交通控制系统对于国民经济，环境污染，人民生活，节 约能源都有极为重要的意义。尤其在我国这样一个人口众多，资源相对匮乏，城市规划 脚步无法跟上城市人口和机动车数量增加速度的国家来说，更加尤为重要。 1 2 交通控制领域研究现状概述 自1 8 6 8 年英国伦敦首次使用燃汽色灯信号以来，道路交通信号控制经历了近百年 的发展。1 9 6 3 年，加拿大多伦多市建立了一套使用i b m 6 5 0 型计算机的集中协调感应 控制系统，标志着城市交通信号控制的发展进入了一个新阶段【5 】。随后，在计算机技术、 检测器技术和网络信息技术迅速发展的同时，交通控制技术也取得了显著进展，并经历 了从点拧制到线控和而控、从定时控制到感应拧制和实时自适应最优控制的过程。目| j ， 比较有影响的交通信号控制系统主要有s c o o t 、s c a t s 等。然而，交通控制技术的发 展并不是一帆风顺的，美国联邦公路局曾于1 9 7 5 年研制出基于自适应控制理论的第三 代城市交通信号控制系统并在华盛顿特区投入使用，但遗憾的是，该系统的运行效果较 差甚至不如固定配时控制系统1 5 】，结果，联邦公路局不得不在1 9 7 6 年拆除了该系统。此 后近3 0 年的时间，交通工程界对城市交通系统的实时自适应最优控制基本上持否定态 度。 有人总结了交通系统实时自适应最优控制失败的原因【6 】：当时的通讯网络技术还不 能满足系统的需要，一旦没有可靠的通讯网络，系统的基础将不复存在；最优控制策略 收敛速度慢，导致响应时间太长，从而使控制失去意义；系统的价格和维护费用太高， 由于当时电子信息技术的水平限制，还不能生产制造出性价比较高的系统。2 0 世纪9 0 年代，随着城市交通问题的日趋严重，人们对城市交通信号的控制策略进行了重新思考， 交通管理者们面临的挑战是：如何实时优化信号配时使得道路能够最大限度地发挥通行 能力，从而缓解快速增长的交通需求。电子信息技术特别是网络技术的发展和普及为解 决这一问题提供了契机。事实上，借助先进的计算工具，人们对交通流特性的认识也不 实时交通信号控制模型与算法研究 断深入，因而出现了很多新的交通流建模方法和交通控制技术，现在可以确信的是，在 新技术同新月异的今天，通讯技术的革新、计算机计算能力提升、并行计算的普及性和 其可操作性的不断提高、新的物理检测和控制手段的出现，这些都给新的交通控制方案 的出现提供了温床。 1 2 1 控制方式 传统的控制方式从空间关系上划分可把交通信号控制分为单路口控制( 也称点控) 、 干道控制( 也称线控) 、网络控制( 也称面控) 【”。从控制原理上划分可把交通控制分为定 时控制、感应控制和自适应控制。其中定时控制为开环控制，感应控制和自适应控制为 闭环控制。这罩需要特别指出的是，白适应控制是比感应控制更高级的一种控制方式。 感应控制往往是对单路口而言的，其主要特征是：某相位的绿灯时| h j 根据车流量的变化 而变化。而自适应控制通常把交通网络看作一个不确定系统，系统能够通过连续测量该 不确定性系统的状态，如车流量、停车次数、延误时间、排队长度等特征，逐渐了解和 掌握对象，把它们与希望的动态特性进行比较，并利用差值以改变系统的可调参数或产 生一个配时方案，从而保证不论环境如何变化，均可使控制效果达到最优或次最优。一 般来说，城市各交叉路口处的交通流是相互关联的，并且是非确定性的，因此，有理由 认为，实施交义路口间的协调白适应控制能够获得更好的效果。也i f 是基于这一理由， 一些比较成熟的系统都使用了交通信号协调自适应控制方式。 目前，自适应控制已经成为交通控制方式发展的主要趋势。 自适应控制方法通常包括两类：一是在线生成式，即通过车辆检测器，实时采集交 通量数掘，在线求解最佳信号配时方案，然后进行信号控制。该方法能够及时响应交通 流的随机变化，控制效果好，但实现复杂而且计算量比较大。 二是方案选择式系统，根掘不同的交通流，事先配置各种配时方案，储存在中心计 算机内，系统运行时按实时采集的交通量数据，选取最适用的配时方案，实施信号控制。 然而，随着研究的深入，自适应控制的研究已经超过了最初的范围，目l ；i 国外对自适应 控制研究内容己经扩展为：不仅能适应交通流的变化，而产生最优配时方案，而且还能 适应天气的变化即恶劣天气下的信号配时或者对特殊的突发事件产生应急策略。 总之，由于其灵活性、可用性和最优性，自适应控制方法将成为信号控制研究的主 流。本文提出的系统就是使用自适应控制的方法的一个例子，它是属于前面提到的自适 应控制方法的两种分类中的第一种：通过在线生成的实时交通流数据进行计算，产生最 优的信号配时方案，来响应实时的交通变化。 大连理i 大学硕士学位论文 1 2 2 检测方式 自2 0 世纪3 0 年代美国研制出“声控”式感应式交通信号控制机以来，以计算机为 核心的交通控制系统对车辆检测的要求越来越高，交通流量检测器技术也得到了迅速发 展，目前所存在的实时交通流数据采集检测器主要有以下几种【8 1 ：环形线圈检测器、超 声波检测器、光辐射式检测器、雷达检测器和视频检测器等。 幽1 2 交通检测f 段示意图 f i g 1 2 s k e t c h o f t r a f f i cd e t e c t i n g 环型线圈感应式检测器设备自应用以来，由于其价格低廉，性能较稳定，在世界范 围内的城市交通控制系统中一直是首选的车流量信息检测手段。但是，利用环型线圈进 行实时交通流数据采集却存在以下几个缺点： ( 1 ) 线圈无法直接与路口信号机进行通信，而是将采集的交通流信息传递给控制中 心，再由控制中心计算出路口控制策略后，才发送给路口信号机，这样从交通流的采集 到路口控制策略的传输，通信延迟太大，影响控制系统的实时性； ( 2 ) 线圈在安装或维护时必须直接埋入车道，这样交通会暂时受到阻碍； ( 3 ) 切割路面面积比较大，埋置线圈的切缝软化了路面，路面被阿水浸泡后容易出 现路面下陷，使路基遭到破坏，容易造成整个路面的下陷； ( 4 ) 感应线圈易受冰冻、路基下沉、盐碱等自然环境的影响，容易损坏，使用寿命 短： 实时交通信号控制模型与算法研究 ( 5 ) 感应线圈由于自身的测量原理所限制，当车流拥堵，车间距小于3 m 的时候， 其检测精度大幅度降低，甚至无法检测。 交通微波检测器是一种工作在微波频段的雷达检测器，该检测器能够较精确检测各 车道的交通流量、道路占用率、平均速度和车流量及排队状况等信息；并且安装方便， 可以安装在路旁的电线杆上而避免破坏道路，并且不受气候环境的影响，因此能够全天 工作。但是，该方法存在以下几个缺点：( 1 ) 该方法同样不能与路口信号机进行实时通信， 也存在通信延迟大的缺点：( 2 ) 该方法无法检测出路口车队的长度；( 3 ) 测量方式在车型 单一，车流稳定，车速分布均匀的道路上准确度较高，但是在车流拥堵以及大型车较多、 车型分布不均匀的路段，由于遮挡，测量精度会受到比较大的影响；( 4 ) 微波检测器要求 离最近车道有3 m 的空问，如要检测8 车道，离最近车道也需要7 - 9 m 的距离而且安装 高度达到要求。因此，在桥梁、立交、高架路的安装会受到限制，安装困难，价格也比 较昂贵。 视频检测方法属于路面型实时交通流检测方法，检测精度较高，且安装方便，但是， 存在以下几个问题： ( 1 ) 视频检测器无法与路口信号控制器直接通信，存在通信时延大的缺点； ( 2 ) 无法获得单个车辆的运行状况； ( 3 ) 容易受恶劣天气、灯光、阴影等环境因素的影响，汽车的动态阴影也会带来干 扰，特别是晚上误报率比较高： ( 4 ) 安装调试麻烦，需要专业人员来操作； ( 5 ) 视频检测产品造价也比较高，大面积铺设需要大量资会，维护成本也很高。 除了上面几种传统的检测，渐渐的，一些新的检测手段也渐渐得被运用到交通领域， 比如下一节就要提到无线传感器网络( w s n ) 。它是最新的检测技术，它的出现给交通检 测领域带来了新的技术和新的预测模型实现的可能。关于无线传感器网络，本文会在稍 后的章节详细介绍。 1 2 3 主流城市交通控制系统介绍 英国、澳大利亚、美国、法国、意大利和加拿大等西方发达国家在交通控制应用研 究方面投入了大量的人力、物力，取得了一系列成果。其中比较成功的有：s c o o t ( 英 国) 、s c a t s ( 澳大利亚) 、u t o p i a ( 意大利) 、r h o d e s ( 美国) 、o p a c ( 美国) 和p r o d y n ( 法 国1 。这些就是最常见的交通控制系统。 ( 1 ) s c o o t 系统 6 大连理l ：大学硕七学位论文 s c o o t ( s p l i t ，c y c l ea n do 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、周期和相位差优 化技术) 【9 】是由英国运输研究所( t r i t r a n s p o nr e s e a r c hl a b o r a t o r y ，1 9 9 0 年代t r r l 改名为t r l ) 在t r a n s y t 基础上研制的自适应控制系统，该系统于1 9 7 5 年研制成功， 并在英国城市g l a s g o 进行现场试验，取得了较好的效果。1 9 9 0 年代s c o o t 系统进行 了多次升级，其最新版本为4 1 4 版，其版权为t r l 、p e e k 公司和西门子公司共同拥有。 s c o o t 已经历了2 0 多年的发展，全世界共有超过1 7 0 个城市正运行着该系统。文献【l 2 】详细介绍了该系统的主要特点。新版本主要增加了如下功能； 新增公交车辆和紧急车辆优先功能。通过带有车型识别能力的检测器或自动车 辆定位( a v l ) 系统检测公交车辆和紧急车辆，给出优选通行权。 新增交通信息数据库a s t r i d 模块和综合事故检测1 n g r i d 模块，能够对交通 数据进行滤波、分析，并将处理好的数据用于参数的优化；还能够实时检测事故，为 交通管理部门提供服务。 ( 2 ) s c a t s 系统 s c a t s ( s y d n e yc 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 ：悉尼协调自适应交通系统，”j 是由澳大利亚新南威尔士道路和交通局( r t a ) 于上世纪7 0 年代末研制成功的，从1 9 8 0 年起陆续在悉尼等城市安装使用。s c a t s 系统一直出p l e s s e y 公司负责销售。2 0 0 0 年 p l e s s e y 公司的交通业务部与p h i l i p sp r o j e c t s 公司合并成宦了t y c o 系统集成公司，接管 了s c a t s 系统的经营、j k 务。据报道，r t a 正推出s c a t s 的升级版s c a t s i i 。目前， 世界上大约有5 0 个城市正在运行s c a t s 系统。文献【l 。2 】详细介绍了该系统的主要特点。 ( 3 ) s p o tp u t o p i a 系统 s p o t ( s i g n a lp r o g r e s s i o no p i m i z a t i o nt e c h n o l o g y ：信号连续优化技术) p u t o p i a ( u r b a nt r a 街co p t i m i z a t i o nb yi n t e g r a t e da u t o m a t i o n ：基于集成自动化的城市交通优 化) 【“1 系统是意大利m i z a ra u t o m a z i o n e 公司开发的分布式实时交通控制系统。其最早版 本于1 9 8 5 年安装在意大利的t u r i n 市，取得了比较满意的效果。目前，p e e k 公司拥有 s p o tp u t o p i a 系统的版权。该系统在意大利、挪威、荷兰、瑞典、芬兰和丹麦等国 应用较多，在英国和美国只有个别城市使用了该系统。s p o tp u t o p i a 系统的特点如 下： s p o tp u t o p i a 实际上是由两个部分组成【2 一”。s p o t 独立工作时是一个小型 的分布式交通控制系统，一个s p o t 系统管理的路口一般不超过6 个。每一个路口机必 须安装一个s p o t 单元( 要求为3 8 6 以上的工控机) ，可以与交通灯信号机( t l c ) 及其它 路口机通信，因此各路口的通信方式是对等的。u t o p i a 是一个面控软件，在联网的中 实时交通信号控制模型与算法研究 心计算机上运行。路口数较多时，可划分若干子区，每个子区是一个s p o t 系统，然后 由u t o p i a 协调组成区域控制系统。 每3 个路口机之间的数据交换一次，同时各路口机在滑动时间窗( r o l l i n g h o r i z o n ) 上进行一次优化，该时间窗的长度为2 m i n 。路口机优化时主要考虑路口状态( 指各个方 向的排队长、转向率和饱和度等) 、延误、停车次数、公交和特种车辆优先、路段的剩 余通行能力、行人过街请示及中心机的区域控制方案。这意味着每次优化的结果只能运 行3 s ，这种方式被称为“开环反馈控制”。 系统在当初设计和开发时就考虑了公交优先的功能，因而其控制目标是：在尽 可能保证公交车不遇红灯的情况下，使私家车总的旅行时问最短。为了实现这一目标， 该系统在最小化目标函数中，引入权重的概念。最大权重赋给公交车在路口的损失时间 项。 系统为了保证子区控制的最优性和鲁棒性，采用的“强相互作用”概念，即本 路口的目标函数要考虑相邻路口的状念及区域控制级给出的约束条件。 u t o p i a 要为整个网络进行最优控制决策，它接收各s p o t 单元发来的路口状 态信息，确定子区的划分、子区的最佳周期( 每个子i 式在同一周期卜| 运行) 、最佳权重等。 陔系统除了与s p o t 通信外，还可通过t c p p i p 接r 与更上一。层的系统( 如交通指挥中 心) 交换信息。u t o p i a 在运行过程中还建立了一个实际状态信息数拥库，以便在系统实 时系统故障时，可进行后备方案选择。欧洲的公共交通比较发达，而s p o t p u t o p i a 系 统的公交优先功能比较完善，因而应用较多。但s p o t p u t o p i a 系统在美国内布拉斯加 州o m a h a 市的应用情况并不理想【2 】，一方面说明美国的公共交通并不发达，该系统发 挥不了其特长；另一方面说明该系统在交通信号控制策略上还存在不足，需要进一步改 进。 ( 4 ) o p a c 系统 o p a c ( o p t i m i z a t i o np 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) h 2 是一个 分何式实时交通信号控制系统，由美国p bf a r r a d y n e 公司和m a s s a c h u s e t t s l o w e l l 大学共 同开发。最早的版本为o p a c 0 1 ，于1 9 7 9 年完成；以后陆续将版本升级，其最新版 为o p a c 5 ，于2 0 0 0 年完成。1 9 8 6 年以前的版本只能离线进行控制方案配时，1 9 8 6 年 后推出实时控制版。1 9 9 6 年，在美国新泽西州的1 8 号公路对o p a c 系统进行了现场测 试，取得了满意结果，特别是对很拥挤的交通干线比较有效。o p a c 系统主要有以下几 个特点。 大连理工大学硕士学位论文 o p a c 引入有效定周期( v f c v i r t l l a if i x e dc y c l e ) 的概念，即允许每一个路 口的周期长度在一个规定的时间和空间范围内变化。其好处是，信号控制机有比较大的 回旋余地以应付本路口的交通请求，另外，也为两路口日j 的行进中的车队改善其通行带 保留了一定的协调能力。 o p a c 在硬件上为分布式结构，每个路口机由信号控制机和一台5 8 6 以上的p c 机组成，路口机之间可以对等通信，或通过中心计算机通信。中心计算机由2 到3 台 p c 机组成。在控制上分为3 个层次：最低层在v f c 的约束下，对未来的信号配时进行 优化；中间层对相位差进行优化；最上层进行信号同步，找出最优的v f c 。 是个真j 下的分布式系统，中心计算机只完成v f c 的优化，当相邻路口之间通 信失败时可通过中心计算机进行对等通信。路口机完成车队预测、相位优化以及排队长、 停车次数和延误等参数或状态的估计和检测。路口机在进行优化时，主要考虑v f c 约 束和可操作性约束。 检测器安装在各个车道上游离停车线8 1 2 s 车程的地方，便于准确预测车流量、 车队行进等数据。 采用先进的优化方法和控制技术，如动态规划、自校正、自调整算法等。为了 保证实时性，采用滑动时间窗方法。o p a c 系统的应用时问较短，控制算法比较复杂， 对调试人员的要求较高；另外，其9 6 0 0 b p s 的通信速率较低，对等通信只能3 0 s 完成一 次，这对实时性可能会产生影响。 ( 5 ) r h o d e s 系统 r h o d e s ( r e a l t i m e ，h i e r a r c h i c a l ，o p t i m i z e d ，d i s t r i b u t e d ，a n de 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) 系统是由美国a r i z o n 大学 p t m i r c h a n d a n i 等人于1 9 9 6 年开发成功并陆续在美国亚利桑那州的t u c s o n 市和t e m p e 市进行了现场测试【l3 1 ，结果表明该系统对半捌挤的交通网络比较有效。现在大约有2 0 个路口运行着该系统。该系统主要有以下几个特点。 r h o d e s 在硬件上是一个两级结构，即中心计算机级和信号控制器级，从这一 点来看与s c o o t 系统类似：但它把系统控制问题分解为3 层递阶结构，路口控制层、 网络控制层和网络负荷分配层，如图l 所示。在路口控制层主要根据测得的交通流及各 种约束条件进行交通流预测、相位和绿时的控制，这种控制每秒钟都要进行；在网络 控制层主要对车队的行驶情况进行预测，从而为网络中的各个路口建立协调约束。这种 预测每2 0 0 s 至3 0 0 s 进行一次。在网络负荷分配层主要进行总的交通需求预测。先进的 出行信息系统( a t i s ) 和动态交通流分配中的许多技术可以在这一层实施。 9 实时交通信号控制模型与算法研究 r h o d e s 系统主要由路口控制参数优化模块、各方向交通流预测模块、路网车 流优化模块、车队预测模块和参数及状态估计模块组成。各模块之问均有信息交换。 该系统在预测方法上进行了深入研究，为了保证预测的准确性，它把车辆检测 器安装在路口的车辆进口处，本路口某方向到达车辆可由上游路口3 个方向( 左转、右 转和直行) 上检测到的车流量进行预测，通过本路口检测器可对预测值进行检验和校正， 从而使预测尽可能准确。 提出了一种相位的可控优化概念( c o n t r o l l e do p t i m i z a t i o no f p h a s e s ) ，根据到达车 辆的预测值，用动态规划( d p ) 的方法找出最优相序和相位长度。为了实时应用动态规划， r h o d e s 采用滑动时间窗以减少计算量。 提出了一种称为“实时绿波带”( r e a l b a n d ) 的概念，根据当前的车队预测值， 综合考虑网络上各方向车队可能发生的冲突，用决策树法进行网络优化并实时生成行进 绿波带，其宽度和速度值能使区域目标函数达到最优，即延误和停车次数最少。 提供了与交通分析软件的接口，可离线评价配时方案的优劣或作为研究工具。 ( 6 ) p r o d y n 系统 p r o d y n ( d y n a m i cp r o g r a m m i n g ：动态规划) 是一种实时交通控制系统，出法国 c e r t p o n e r a 于1 9 8 0 年代未丌发成功，后由法国g a r b a r i n i 公司商品化。该系统主 要在法田的3 个城市使用。严格地说，p r o d y n 是一种用于城市交通控制的实时方法。 该方法的特点是： 需要建立状态方程模型。 在滑动时间窗( 该时问窗的长度为7 5 s ，每5 s 为一个单位) 上，把基于先验概率 的b a y e s i a n 估计技术用于排队长和拥挤程度预测；用k a l m a n 滤波技术估计转向率和 饱和度。 每个路口要在在滑动时间窗上求解一个向i ； 动态规划问题以获得最优控制方 案。从这个意义上说，p r o d y n 是一个分布式系统。 路口信号控制的协调是通过交换车队预报数据进行的。 在公交优先功能中具有优化功能，公共汽车和特种车辆的检测是通过g p s 完成 的。 1 2 4当前主流城市交通控制系统存在的问题 目前s c o o t ，s c a t s 系统是世界上应用最广泛的交通控制系统。但是他们都存在 着一些设计上的硬伤。当然，需要强调的一点是，任何科学理论和模型都有其适用范围， 不存在完美。 大连理工大学硕士学位论文 s c o o t 交通模型的建立需要大量的路网几何尺寸和交通流数据，因而费时费力； 绿信比的优化依赖于对饱和度的估算，并且以小步长变化对其进行调整，因此在应对突 发的交通流变化时难免有些应对速度不足。而且s c o o t 系统的路口探测器埋在上游路 口处，虽然这样使得系统有了提自口预判交通流的能力，但是这同时带来了两个问题，其 一是不好处理在该路段中新产生的运动车辆，其二就在于预测时间窗的长度问题，由于 探测器埋放位置的车辆行驶到对应路口的时间段长度就是预测时间窗长度。所以 s c o o t 的预测时问窗是相当短的，一般来说只有1 0 2 0 s 。这么短的时间窗导致预测范 围极短，这使得优化策略的可控制范围也很小。并且，s c 0 0 t 系统是一个以参数优化 为基础的系统，也就是说它认为参数得到优化了，那么整个交通情况就会得到好转。它 选定的参数包括绿信比，相位差，信号周期长度。以参数优化为基础的控制系统已经渐 渐显露出反应速度动作慢，不够灵活的缺点。 s c a t s 系统未使用交通模型，本质上是一种实时方案选择系统，因而限制了配时 方案的优化程度；它的另一不足是，因检测器安装在停车线处，难以监测车队的行进， 故相位差的优选可靠性较差。 1 2 5 我国特有的交通问题 出于我国是全世界经济发展速度最快的国家，无论是城镇化速度和机动车数量的增 长速度鄙腊世界前列。我目的城市交通问题已经成为关系到城市生活的命脉。相比于其 他的发达l i 家的情况，我国有我凼独有的交通问题。最主要的问题是以下几点：交通规 划不够合理，交通流极为混杂，私家车数量f i 断增加，城市粕局不合理导致上下班时f 、日j 段交通拥挤f i 堪。对于我国特殊的交通状况，一味引进国外的交通控制系统很难起到优 良的控制效果。 目盼在我国的各大城市，大多使用的就是进口的交通控制系统。比如，北京使用 s c o o t 系统，上海使用s c a t s 系统。由于北京，上海正在成为国际上交通状况最复杂， 人口最多的城市，而且目前使用的引进交通系统或多或少的都存在着种种适用性问题。 比如，s c a t s 系统本身为澳大利亚为悉尼设计的交通控制系统，可以想象对于世界最 大的都市上海来说，它的状况多么的窘迫。而且s c a t s 系统需要后期大量的维护，失 去维护，整个系统将荒废。所以对于我国来说，更多的发展本国的交通控制系统才是解 决的根本之道。 目前我国也有一些交通控制系统。但是它们主要以单路口控制为主，并且控制方式 多是感应控制，这很难跟上我国交通车辆和城市规划发展的速度【2 9 1 。但是我国大多数城 实时交通信号控制模犁与算法研究 市并没有有效的利用交通。就如图1 3 所示，交通控制的研究与工作，在我国还是任重 而道远。 幽1 3 部分城市中心区( 丹发防) 信号控制路口数草图 f i g 1 ，3 n u m b e r so f i n t e r s e c t i o nu n d e r s i g n a lc o n t r o l l e di nc h m a 1 3 新的交通检测手段 对于智能交通来说，从基本实现方式来看，只是分为预测和控制两个功能，预测是 为控制服务，提供数据，而控制又反作用于预测。总而言之，预测是控制的基础，没有 准确的预测，根本不可能有精确的控制。所以新的交通控制系统的基础一定是先进的检 测手段。 先进的检测手段分为两种，一种是先进的硬件设备，先进的硬件设备可以得到更加 精确的检测结果，并且可以使用更加实时的检测方式。另一种是先进的检测模型，即使 通过同样的物理检测介质，用不同的埋布方式，不同的预测方法，就可以得到不同的预 测结果，在预测时间窗和预测精度之间做出某种取舍。 适当的选择物理检测介质和相应的检测模型，就可以找到适当检测方法，可以和相 应的控制模型相对应。 大连理工大学硕士学位论文 1 3 1交通无线传感器网络的引入 无线传感器网络在最近成为了科学界的研究热点。关于它的应用各科研机构都展开 了深入的研究，在2 0 0 3 年开始加州大学伯克利分校开始了将无线传感器网络用于交通 网络的研究【”】。 无线传感器网络是由一组传感器以a dh o c 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感知对象的信息，并发布给观察割。无线传 感器网络在现实中研究如此热，主要与它的研究价值有着重要关系。无线传感器网络有 以下几个特点： ( 1 ) 与i m e r n c t 以及现有的无线网络仅仅作为数据通信、传输的媒介不一样，无线 传感器网络能够协作的实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的 数据，并对这些数据进行处理，获得详尽而准确的信息，传送到需要这些信息的用户； ( 2 ) 传感器节点能够自动组织成网，提供了廉价而且快速部署网络的可能； ( 3 ) 节点具有多跳性以及存储转发功能，可以在不降低网络覆盖范围的条件下减少 每个节点的发射范围，从而降低了通信部件的设计难度和功能，为节点的小型化、低功 耗提供了可能； ( 4 ) 传感器网络本身具有一定的鲁棒性、抗毁性，能够满足某些特定应用的需求； ( 5 ) 传感器节点之日j 能够采取分南式协同的工作方式【i “，即：传感器将数据发送到 特定执行器，执行器根据奉节点上的局部行动规则及与其它执行器的协调来采取合适的 行动。这种方式可以降低网络传输跳数，从而降低通信延迟，同时将数据分伟在不同执 行器上处理而延长了整个网络的生命期。 ( 6 ) 无线传感器精度高，美国加州大学伯克利分校于2 0 0 4 年1 0 月4 号在m a n i n l u t h c rk i n gb i d 做了实验 1 ”，用磁性传感器节点进行交通流数据采集，并与基于检测 线圈的采集技术进行了比较，观察的车流为7 9 3 辆，结果为：磁性传感器节点的检测准 确率为9 8 ，重复检测车辆数为8 辆，漏检车辆数为7 辆；检测线圈的检测准确率为8 6 ， 其中，重复检测车辆数为1 1 1 辆。 ( 7 ) 无线传感器节点易于安装，不需要专业人员的参与。 ( 8 ) 节点不受天气和光线的影响，可以全天候工作，信息采集误差小。 ( 9 ) 节点设备易于维护，可以很方便的建立一个监控中心来对各个车道上的传感器 节点进行监控，从而及时发现运行异常的节点及其安放位置。 综合以上特点，无线传感器网络是很适合作为交通控制系统的检测手段的。它能够 提供准确的预测能力、精确的预测区域、低廉的设备成本和部署费用、茁壮的适应能力。 实时交通