（模式识别与智能系统专业论文）城市交通公交优先信号控制技术研究及仿真.pdf

摘要 摘要 随着我国经济的高速发展和城市化建设进程的加快，城市交通日益拥堵，环 境污染日益严重。公交优先是解决城市交通拥挤的重要手段，是公共交通系统的 一个重要组成部分，它充分体现了“以人为本 的交通原则，减少了城市居民的 出行时间，提高了公共服务效率。 论文首先描述了一种典型的公交优先信号控制系统，该系统主要由社会车辆 检测子系统、公交车检测与定位子系统、智能信号控制器、通信子系统和控制中 心组成。其中智能信号控制器是公交优先的关键技术，实现实时、自适应的公交 优先信号控制。本论文的主要工作包括： l 、单交叉口公交优先的多层模糊控制模型。综合考虑公交车优先级和所有 车辆的交通流量，研究了单交叉口公交优先控制策略。根据交通需求强度，设计 了单交叉口的公交优先的多层模糊控制模型，其中，第一层用来判断路口的公交 需求强度，第二层主要完成相位优化功能，第三层用来确定各个相位的有效绿灯 时间； 2 、基于干线的公交优先控制。针对四相位的交叉口信号，建立了递阶模糊 控制模型。该模型由两层模糊控制器组成：下层控制器和上层控制器。下层控制 器由当前相位停止度控制器和下相位紧急度控制器组成，分别计算当前相位的停 止度和下相位的紧急度，上层控制器用来协调相邻路口，确定是否进行相位转换。 3 、论文最后对本文算法进行了仿真实验，通过模拟单交叉口，干线的交通 运行情况，分别采用定时信号控制方式和公交优先智能信号控制方式进行仿真。 实验结果表明：公交优先信号控制策略能够有效减少公交乘客在交叉口的等待时 间，同时没有引起其他类型车辆在交叉口的拥塞。 关键词：公交优先信号控制系统优先级多层模糊控制递阶模糊控制仿真 本文的研究受安徽省“十一五”科技攻关重点项目城市交通一体化集成管 控平台( 项目编号：0 7 0 1 0 2 0 2 0 4 9 ) 的资助。 a b s t r a c t w a i 石n gt i m eo fm ep a s s e n g e r sa ti n t e r s e c t i o n s i na d d i t i o n ，i tc o u l dn o ti n c r e a s em e c o n g e s t i o no fo t h e rt y p e so fv e h i c l e sa tt 1 1 ei n t e r s e c t i o n s t i l i sw o r ki ss u p p o r t e df i n a n c i a l l yb yt l l es c i e n c ea n dt e c 量1 1 1 0 l o g ) ，k e yp r o j e c to f 1 1 伍f i v e y e a rp l a n s o f a n h u ip r o v i n c e ( n o 0 7 0 1 0 2 0 2 0 4 9 ) k e y w o r d s ：b u sp r i o r i t ) ，；s i g n a lc o n t r o ls y s t e m ，p r i o r i y m u t i - l a y e rf u z z ) rc o 曲0 l ， h i e r a r c l l i c a lf 屺z yc o n t r o l ，s i m u l a t i o n i i i 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任 何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学 校有权按有关规定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，可以将学位论文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、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：丕幽 渺霹，月多d 日 第1 章绪论 在规划建设上，必须确立公共交通优先安排的顺序；在资金投入、财政税收上， 政府部门必须确立对公共交通的倾斜做法；在道路通行权上，必须确立公共交通 的优先权利。在技术层面上，主要可划分为两个方面； ( 1 ) 公交专用道 包括路段上的公交专用车道、交叉口的公交专用进口道以及单向道路系 统中公交逆行专用车道等； ( 2 ) 交叉口公交优先的信号控制 公交专用车道能够实现路段和交叉口空间通行权上的优先；公交优先信号控 制则能够实现时间通行权上的优先，它决定了专用道上的车辆能否顺利通过交 叉口，沿线的行车排队长度是否最小等。 公共交通信号优先策略的目的是减少公交车辆在信号交叉口的平均延误，这 种考虑的根本原因在于城市公共交通具有客运量大、相对投资小、占有资源少、 效率高、污染相对较少、人均占有道路少等优点。如果交叉口的延误用经过交叉 口的全部出行者的总延误来表示的话，那么一辆满载乘客的公共汽车在交叉口 3 0 s 的延误和一辆小轿车在交叉口3 0 s 的延误是不等价的。因此，让公共交通在 交叉口具有优先权，将会有效地减小交叉口的延误和排队长度。 同时，公交优先是智能交通系统中先进的公共交通系统中的一个重要组成部 分。因此，对公交优先的研究具有很重要的理论价值和现实意义。 1 2 国内外研究现状 “公交优先 最早是在1 9 6 0 年由法国提出的，随后，许多专家和学者对公 共汽车优先权的方法进行了研究( h o u n s e l l ，n b ，2 0 0 4 ) 。城市公共交通系统优 化技术所涉及到的研究内容非常广泛。下面就本文所研究领域的国内外研究现状 作一个简要的介绍。 1 2 1 国外研究现状 美国亚利桑那州立大学的p i t um i r c h a n d a n i ( 2 0 0 0 ) 研究了公交优先和交通自 适应信号控制的综合运用。信号相位优化是基于由亚力桑那州立大学研制的 i m o d e s 交通自适应信号控制系统。在该系统中输入交叉口感应线圈获得的实 时数据，可同时输出信号相位配时。假设可以得到公共汽车的实时位置( 通过公 交停靠站的检测器或通过g p s ) 和乘客数量( 通过先进的信息系统) 。这样可根 据乘客数量和公共汽车是否发生延误来判断公共汽车应获得的权重，在减少公共 汽车延误和缩短乘客出行时间的同时，对其余交通方式的影响较少。这种方法没 第l 章绪论 有一个精确的模型，具有一定的局限性。 澳大利亚昆士兰大学的d j e a s o n ( 19 9 9 ) 和l f e r r e i r a ( 19 9 9 ) 研究了公交优先通 行措施对道路交通的影响，通过对比设置公交专用信号前后道路上车辆的延误时 间，给出了不同饱和度下，设置公交专用信号的最佳公交比例和最佳公交客流量， 从而为在路网中选择合理的公交优先措施提供依据。 美国波士顿东北大学的p e t c rg f u r t h ( 2 0 0 0 ) 和荷兰代夫特大学的t h e o h j m u l l e r ( 2 0 0 1 ) 研究了信号交叉口的有条件公交优先，并已在荷兰的艾恩德霍芬 实施。通过某一交叉口在三种不同条件下：无优先、完全优先和有条件优先的交 通影响实验，得出相对于无优先和完全优先导致延误增加，有条件优先几乎没有 影响。这种方法指出了实施绝对( 完全) 公交优先会导致其他车辆延误增加，但 是没有给出具体的解决办法。 s l l i n i c h i r 0n a g a n u 嫩( 19 9 5 ) 等在日本的k l u m a m o t o 进行了同交通管理系统相 结合的公交优先信号通行系统设计，并利用设在公交专用车道上的光学监控设施 来保证公交专用道的路权专有( s h i n i c h i r on a g a i l u m a ，1 9 9 5 ) 。该论文讨论了在 空间方面给予公交优先的方法，并在现实中得到了实施，但是给予公交空间优先 需要大量的资金投入。 美国德克萨斯交通运输研究机构的k e v i nn b a l k e ( 2 0 0 0 ) 针对现有公交优先 措施的局限性，提出了智能公交优先的概念，将其分为四个模块：到达时间预测 模块、优先权评估模块、策略选择模块和策略实施模块。在v 恐分别为0 5 ，0 8 和o 9 5 条件下进行智能公交优先的模拟实验，得出结论：在三种不同的v c 条件 下，整个系统的延误变化很小。因此，只要v c 小于o 9 5 ，使用智能公交优先措 施对整个系统的延误基本上不会产生负面影响。该方法提出的系统实现了公交的 时间优先权，同时也兼顾了其他车辆，对实施公交具有一定的参考价值。 1 2 2 国内研究现状 我国对城市公交优先通行技术的研究起步较晚。到目前为止，从宏观上研究 公交优先政策对城市发展重要性的较多，而从技术层面上研究如何实施城市公交 优先通行的却很少。 同济大学杨晓光( 2 0 0 1 ) 教授等对城市信号交叉口公交专用进口道的设置方 法和相应的信号配时方案做了大量的研究，提出了系统最优的线性规划模型，并 对部分锯齿型的公交专用进口道的车辆的排队长度，车辆和行人延误进行了计 算。该论文对设置公交专用进口道做了研究，并给出了排队长度，延误计算公式， 但是没有考虑到对其他车辆的影响。 上海铁道大学的范文毅( 2 0 0 0 ) 提出了在道路交叉口实施动态实时公交优先 第l 章绪论 通行的模式和方案，分析了方案实施的条件和技术支持，给出了计算机模拟分析 的框图【3 j 。该论文提出的方法是从信号控制角度给予公交时间优先权，对实施公 交优先智能信号控制具有定的参考意义。 东南大学陆建( 1 9 9 8 ) 等对公交专用道的设置条件与效益进行了分析，张卫 华博士的学位论文对城市公交优先技术进行了系统的阐述，分别就“路段公交优 先通行措施及如何判断其实施条件 、“交叉口公交优先通行的技术和方法 和 “公交优先通行的实施效果或效益预测与评价方法 这三个主要方面提出了独 到的见解，季彦婕( 2 0 0 3 ) 的论文则重点研究了公交车辆在交叉口优先通过的技 术。 北京交通大学吴建平( 1 9 9 8 ) 对安装了公交优先预信号的交叉口公交优先通 行技术作了较多的研究，提出了两种不设检测器的预信号公交优先方案：仅社会 车辆受预信号控制，而公共汽车不受预信号控制：社会车辆和公共汽车均受预信 号控制，并给出了两种方案的信号配时以及方案实施前后公共汽车和社会车辆的 延误计算公式。 系统工程研究所关伟教授( 2 0 0 1 ) 等对交叉口公交优先的信号控制策略进行 了研究：模拟路边设立公共汽车辆检测器的情况下，不同交通流量和公共汽车发 车间隔的最优控制策略，得出使交叉口公交优先有效的交通流量和公共汽车发车 间隔的阀值。 季彦婕( 2 0 0 3 ) 等人在十字型信号控制交叉口典型相位设计基础上，对公交 优先通行的相位设计方法进行了研究和探讨。 1 3 主要研究内容 综上所述，公交优先交通信号控制技术的研究虽然取得了一定的成果，但由 于交通问题的复杂性，以及我国的混合交通流的特点，公交优先信号控制技术还 有待继续完善和提高。本文在提出一种在时间通行权上实现公交优先的智能信号 控制系统实施方案基础上，对公交优先智能信号控制技术进行了分析和研究，主 要内容包括： 1 ) 公交优先智能信号控制系统的研究 该系统由车辆检测子系统、公交车定位与检测子系统、通信子系统、智能信 号控制器、控制中心等组成。公交车定位与检测子系统在检测出车流量的同 时，还必须能区分出不同优先级的公交车，并将这些信息通过通信系统发送 给智能信号控制器。通信子系统实现各子系统之间的相互联系。 2 ) 单交叉口公交优先控制研究 设计了一个三层模糊控制结构，第一层用来判断路口的公交需求强度，第二 4 第1 章绪论 层主要完成相位优化功能，第三层用来确定各个相位的有效绿灯时间，对相 位和配时进行了优化。 3 ) 干线协调公交优先控制 针对固定相序的四相位城市交通信号，建立了递阶模糊控制模型，在线优化 相位差。该模型由两层模糊控制器组成：下层控制器和上层控制器。下层控 制器由当前相位停止度控制器和下相位紧急度控制器组成，分别计算当前相 位的停止度和下相位的紧急度，上层控制器用来协调相邻路口，决策是否进 行相位转换。 4 ) 公交优先仿真实验与分析 结合本实验室研发的公交优先信号仿真软件，通过模拟单交叉口、干线交叉 口的交通运行情况，分别采用定时信号控制方式和公交优先智能信号控制方 式进行仿真实验，并进行实验结果分析。 第2 章公交优先信号控制系统 还可以结合路段上的公交专用道或者交叉口锯齿型进口道，更好地实现公交优 先。 此外，在某一时刻没有公交车辆要求通过交叉口时，或者在夜间公共交通停 止运营后，智能信号控制器能自动根据检测到的所有车辆的流量信息，实时调整 信号状态，尽量使得所有要求通过交叉口的车辆在交叉口前等待的时间最短。 2 4 车辆检测子系统 在公交优先智能信号控制系统中，首先要完成的就是对所有车辆的流量检测 和对公交车辆的检测和定位( 沈国江，2 0 0 2 ) 。车辆检测子系统完成所有车辆的 流量检测，目前己经投入使用的车辆检测器有很多种，包括磁感应检测器，波频 车辆检测器，视频检测器等，根据安装方式可以分为埋设式和悬挂式。 2 4 1 磁感应检测器 环形线圈检测器是传统的交通检测器，是目前世界上使用量最大的一种检测 设备，多为埋设式检测系统。其检测数据准确、可靠、灵敏度较高。车辆通过埋 设在路面下的环形线圈，引起线圈磁场的变化， 其基本原理如图2 4 所示：在同一车道的道路路基段埋设一组( 2 个) 感应线 圈，每组感应线圈与多通道车辆检测器相连。当车辆分别经过两个线圈时，由于 线圈电感量的变化，车辆的通过状态将被检测到，同时状态信号传输给车辆检测 器，由其进行采集和计算。检测器据此计算出车辆的流量、速度、时间占有率和 长度等交通参数，并上传给信号控制器或控制中心，以满足实时交通控制系统的 需要。此方法技术成熟，易于掌握，并且成本较低。 图2 4 环形线圈检测器原理图 这种方法也有以下缺点： 9 第2 章公交优先信号控制系统 1 ) 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； 2 ) 埋置线圈的切缝软化了路面，容易使路面受损，尤其是在有信号控制 的十字路口，车辆启动或者制动时损坏可能会更加严重； 3 ) 感应线圈易受冰冻、路基下沉，盐碱等自然环境的影响； 4 ) 感应线圈由于受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： 2 4 2 波频检测器 波频检测器是以微波、超声波和红外线等对车辆发射电磁波产生感应的检测 器，这里主要介绍微波检测器( r t m s ) ，如图2 5 所示。它是一种价格低、性能 优越的交通检测器，可广泛应用于城市道路和高速公路的交通信息检测。 图2 5 微波检测器 r t m s 的工作方式是：采用侧挂式，在扇形区域内发射连续的低功率调制微 波，并在路面上留下一条长长的投影。r t m s 以2 米为一层，将投影分割为3 2 层。 用户可将检测区域定义为一层或多层。r t m s 根据被检测目标返回的回波，测算 出目标的交通信息，每隔一段时间通过r s 2 3 2 向控制中心发送。 r t m s 的车速检测原理是：根据特定区域的所有车型假定一个固定的车长， 通过感应投影区域内的车辆的进入与离开经历的时间来计算车速。一台r t m s 侧 挂可同时检测8 个车道的车流量、道路占有率和车速。 r t m s 的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。另外，微波检测器要求离最近车道有3 m 的空间，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应达到要求。因此， 在桥梁、立交、高架路上的安装会受到限制，安装困难，价格也比较昂贵。 1 0 第2 章公交优先信号控制系统 2 4 3 视频检测器 视频检测器是通过视频摄像机作传感器，利用图像处理技术，在视频范围内 设置虚拟线圈( 检测区) ，车辆进入检测区时使背景灰度值发生变化，从而得知 车辆的存在，并以此检测车辆的流量和速度，检测器可安装在车道的上方和侧面， 如图2 6 所示。 图2 6 视频检测器 与传统的交通信息采集技术相比，交通视频检测技术( 杨俊，2 0 0 3 ) 可提供 现场的视频图像，可根据需要移动检测线圈，有着直观可靠、安装调试维护方便、 无故障工作寿命长、价格便宜等优点。但存在的缺点是容易受恶劣天气、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。 以上三类车辆检测中，其中以环形线圈车辆检测方法技术最成熟，应用最广 泛，成本最低，完全能满足检测所有车辆流量信息的要求。视频检测技术因受光 线影响较大，在早晨以及晚上时间段内，检测效果将达不到系统的要求。随着图 像识别技术的发展，以后可考虑采用。因此，在公交优先智能信号控制系统中， 采用环形线圈车辆检测器来完成对所有车辆的流量检测。 在公交优先智能信号控制系统中，由于需要计算出交叉口进口道上排队等待 的车辆数，必须在每个进口道上设置两个环形线圈检测器，停车线感应线圈设在 停车线处，用于检测通过停车线的车辆，上游感应线圈设在停车线前8 0 1 0 0 m 处， 用于检测进入交叉口区域的车辆，如图2 7 所示。 在不同时刻，交叉口各进口道上的排队车辆数就可以根据两个感应线圈检测 值计算得到：当上游感应线圈检测到一辆车时，排队车辆数增加一个：当停车线 感应线圈检测上一尘壁虿i 型奘懋曾曼鬻罐星一囊。夔羹诵毽菱匿靠墓奏哗囊墼 野鍪坠蓠强鎏簿鹄惩埋臻最 有效和便利 第2 章公交优先信号控制系统 图2 7 交叉口地感线圈布置示意图 2 5 公交车检测与定位子系统 车辆定位的主要目的是找出车辆在特定时间的位置，主要应用于公交车队管 理系统，提高公共运输的吸引力、方便性及可靠性。除了公共运输以外，紧急救 援系统、交警部门、甚至普通的运输公司都逐渐采用车辆定位系统来进行车队的 管理( 孙泰屹，2 0 0 4 ) 。 车辆定位系统也是智能交通系统的基础工程，通过准确的定位系统，配合通 信技术以及数字地图的使用，可以进行实时路线诱导，避开拥塞路段，寻求最佳 路径。 车辆的定位技术分为两大类：一类是采用诸如全球卫星定位系统、航位推算 等方法确定车辆在某一空间内的坐标位置；另一类是确定车辆在相对于道路、交 叉路口等大地特征的位置，这种方法的实现需要地图( 杨东凯，2 0 0 0 ) 。目前应 用最为广泛的是全球卫星定位系统，公共交通中的车辆定位也有采用信号标杆定 位系统( 肖明忠，2 0 0 3 ) 。 2 5 1 全球卫星定位系统 全球卫星定位系统( g p s ) 是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全 球性、全能性、全天候、连续性和实时性的导航、定位、定时、测速等功能( 张 飞舟，2 0 0 0 ) 。 g p s 由地面控制站、空间设备、g p s 用户接收机三部分组成，如图2 ，8 所示。 用户直接使用的是g p s 接收机。g p s 由美国从本世纪7 0 年代开始研制，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，现已免费向全球民间用户开放。 第2 章公交优先信号控制系统 图2 8g p s 组成结构 g p s 导航定位是由g p s 接收机接收三颗以上g p s 卫星的信号，计算得到该点 的三维位置、三维速度和时间信息等。目前g p s 系统提供的定位精度是小于1 0 米， 为得到更高的定位精度，通常采用差分c 巾s 技术：将一台g p s 接收机安置在基准 站上进行观测。根据基准站己知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离修正数， 并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行g p s 观测的同时，也接 收到基准站发出的修正数，并对其定位结果进行修正，从而提高定位精度。 g p s 技术在交通领域中主要用于车辆定位，以实现对车辆的导航、跟踪、监 控以及防盗报警等功能。随着i t s 中先进的公共交通系统的研究，g p s 在公共交 通系统中的应用越来越广泛：在北京市公共交通智能调度指挥系统中，采用高精 度的差分g p s 进行公交车辆定位，再结合无线数据传输，利用模拟集群通信系统 进行调度，并在终端利用先进的地理信息系统进行显示。g p s 是智能交通系统 的核心组成部分，它可在提升管理效率与通行能力，提高车辆安全性、减少交通 阻塞、减少环境污染等方面发挥巨大的作用。g p s 技术的研究与应用在国内才刚 刚起步，相信随着我国经济的发展，g p s 技术的应用研究会逐步深入，g p s 在交 通运瀚中的应用也会更加广泛，发挥的作用也会更大。 2 5 2 信号标杆定位系统 标杆定位技术从原理上说十分简单：只要在所需获取数据的位置安装探测设 备，当车辆行驶到该位置时，探测设备即可探测到车辆的位置和经过的时间；在 理论上不存在时间和位置的误差( f 砷a n ，a l i ，2 0 0 2 ) 。 近年来国际上被广泛采用的微波短距通讯系统，是标杆定位中最有效和便利 的系统。使用无线射频卡( i 疆i d ) ，将智能卡( i c 卡) 连同共振电路( 天线) 一起使用，能以无线的方式，没有直接接触就可以辨认物体，而且由于其体积尺 寸比较小，可以很方便地安装在车辆上。当我们在需定位的地点安装短距通信器 第2 章公交优先信号控制系统 后，便可读取所经过车辆上安装的i u i d 卡中的i d 码，以及附带的其他信息，从 而得到公交车行驶的相关有效数据。 在城市高楼区、林荫道、涵洞、隧道、立交桥等区域时，g p s 可能会暂时失 效，同时其费用成本也相对比较高。信号标杆定位技术是通过信号标杆检测到经 过的车辆，来完成车辆定位的，信号标杆可以按定位需求布置在不同的道路上， 定位的精确度取决于信号标杆的设置密度，相对g p s 定位而言，它使得城市中公 交车辆的监控和定位以较低廉的价格就可实现，且能满足公交的应用需要。 由于各种导航定位技术都有各自的优缺点，因此，常采用多种导航方式组合 使用，以提高定位精度。常用的有将g p s 与航位推算定位技术以及地图匹配技术 组合使用，在公交车辆的定位系统中，如果将来g p s 的费用成本有所降低，可以 考虑将g p s 与标杆定位系统组合使用，实现更加精确的实时定位( n a k a t s u y 锄a ， m ，1 9 8 4 ) 。 公交车辆的定位有其特殊性，首先公交线路是相对确定的，公交站点是相对 均匀间隔分布的，而在车辆运行的实时信息中，车辆与站台之间的相对位置信息 尤为重要，同时还考虑到检测和区分公交车辆的要求，所以采用信号标杆定位系 统来实现公交车的检测、区分和定位。在公交优先智能信号控制系统中，公交车 的检测与定位系统采用信号标杆定位技术。在该定位系统中，公交车上装有车载 移动单元，即信号发射装置；固定单元( 即信号标杆) 分别安装在每个公交站点 处、信号控制交叉口附近以及其他较长路段间的均匀间隔处。 信号标杆技术的定位精度取决于固定单元的设置密度，该定位技术虽不能实 现连续的精确定位，但可以按不同的定位需求设置不同的信号标杆分布密度，即 要求定位精度高的路段上可以设置更多的信号标杆，所以完全能够满足公交车辆 的定位需求。最重要的是通过交叉口附近的固定单元，实现了对公交车辆的区分 和检测，于是信号控制器就可以在此基础上进行公交优先的智能控制。 该定位系统的运行过程如下：车载移动单元自动地按固定时间间隔不断发射 出包含多种信息的数据包；当公交车辆经过某一固定单元时，该固定单元就可接 收到车辆发出的数据包；固定单元对接收到的数据包进行简单的信息处理后，立 即通过通信链路将处理后的数据包发送给控制中心；控制中心不断地接收多个固 定单元发来的此类数据包，再经过查询处理和显示等，就可以完成对多个公交车 辆的识别和定位。同时为了实现对公交车辆进行优先信号控制，交叉口附近的固 定单元还要将处理后的数据包发送给交叉口的智能信号控制器。 2 6 智能信号控制器 智能信号控制器完成实时决策，根据不同时刻的车流量信息和公交车优先级 1 4 第2 章公交优先信号控制系统 信息，决策出下一时刻的信号状态：或者改变相位，或者延长当前绿灯时间，控 制器将智能决策以信号灯的形式最终输出( 刘焕成，2 0 0 2 ) 。内部结构图如图2 9 所示。 智能信号控制器由三部分组成：预处理模块、智能决策模块和信号输出模块， 内部结构如图2 5 所示。信号控制器接收到的信息有：所有车辆的流量信息，公 交车辆的相关信息；最后输出的是动态更新的相位信号状态。 所有车辆 公变车辆 号灯输出 图2 9 信号控制器内部结构框图 预处理模块先对接收到的信息进行预处理，处理后得到一个公交优先级和相 位拥挤度。决策模块是一个n 阶模糊推理系统，其模糊输入量分别是公交优先级 和相位拥挤度，然后进行模糊推理得出红灯相位的急切度和绿灯相位的转换度， 二阶模糊输入量为一阶模糊输出，推理系统根据事先建立的模糊规则进行模糊推 理，得出一个模糊输出，同理n 阶模糊输入量为n 。l 阶模糊输出，最后经过反模糊 化后，得出信号输出状态。 2 7 通信子系统 通信系统完成各个子系统之间的通信以及子系统与控制中心之间的通信。通 信方式根据不同的需要可采用多种形式。在公交优先智能信号控制系统中，相 互之间的通信有： 1 ) 车辆检测子系统和智能信号控制器之间的通信。 2 ) 公交车检测与定位子系统和智能信号控制器之间的通信。 3 ) 公交车检测与定位子系统和控制中心之间的通信。 4 ) 智能信号控制器和控制中心之间的通信。 车辆检测子系统与智能信号控制器之间的通信比较简单，通信方式：由环形 线圈检测器发送信息给智能信号控制器，单向通信；传递的信息：所有车辆的流 量信息；通信介质：有线链路，串行接口。 公交车检测与定位子系统由车载移动单元与固定单元组成。车载移动单元与 固定单元之间可采用无线射频或红外射频通信技术；通信方式：由车载移动单元 发送数据包给固定单元，单向通信；传递的信息：公交车辆的相关信息，包括车 第2 章公交优先信号控制系统 2 。9 本章小结 本章详细介绍了公交优先信号系统的各个组成部分，在公交优先信号控制系 统中，信号标杆固定单元发送出的数据包一方面用来进行车辆的检测和定位，另 一方面作为信号控制器的输入信息，很好地实现了信息的共享；在智能决策模块 中应用人工智能技术，很好地实现实时自适应的智能控制；在信号控制策略中， 优先考虑了公交车的晚点和载客量信息，同时综合考虑其他车辆的流量信息，得 出的控制策略能很好地体现公交优先的思想，并切实地实现了公交车在交叉口时 间通行权上的优先；此外，该系统还能很好地与公共交通信息系统、公共交通调 度系统等进行有机结合。 第3 章单点公交优先智能信号控制器 减少对其他车辆造成的延误。 在计算公交车辆的优先级时，主要考虑两个因素：一个是晚点时间，另一个 是载客量。当晚点时间很长时，计算得到的优先级应该很高；同时，当载客量较 大时，优先级也应该比较高。因此，一种可行的计算方法如下：直接将晚点时间 与载客量相乘，得到一个该公交车的乘客晚点总时间，再对该总晚点时间进行量 化处理，将优先级量化为三个或五个等级，也可更多，但处理过程也会变得很复 杂。 假设量化方法如下：当总晚点时间小于1 0 0 人分钟时，优先级定为“低级 ： 当总晚点时间大于等于1 0 0 人分钟且小于5 0 0 人分钟时，优先级定为“中级 ； 当晚点总时间大于等于5 0 0 人分钟时，优先级定为“高级 。例如：当有一辆 公交车，晚点了3 分钟，车上载客4 0 人，则乘客总晚点时间为1 2 0 人分钟， 量化为中等优先级。为了计算方便，将不同的优先级用“优先值”来表示，优先 值是一个肛1 之间的数，优先值较大者表示优先级较高，在量化为三个等级的情 况下，低优先级的优先值取为o 5 ；中优先级的优先值取为0 7 ；高优先级的优先 值取为0 9 。不晚点的公交车则不优先，也就不进行优先值的计算。此处，不同 优先级的优先值的取值可参考实际交叉口的所有车辆的流量信息以及公交车在 车辆组成中占的比例等。在取值时，低优先级的优先值不应太小，否则可能因车 流量较大而体现不出低优先级的公交车辆。 3 3 2 车流总公交优先值计算 在第二阶段，完成相位中每股车流的公交优先值的计算。一般一个相位有两 个车流方向，例如东西直行就有东向西的车流和西向东的车流，在一个相位中， 两股车流是相互独立的，所以在计算时分开迸行。预处理模块先将所有车辆按相 位的车流进行归类，再按每股车流中不同公交车辆的优先级计算出车流的总公交 优先值。 在计算车流的总优先值时，当车流中只有一辆公交车，总优先值就是该公交 车的优先值；当车流中的公交车多于一辆时，则必须进行加权计算。由于在车流 中的公交车辆数是不确定的，所以每辆公交车的权值也是动态的，根据其优先级 来确定。如果每辆公交车的权值取相等的值，不同优先级的优先值进行加权计算 后，得到的总优先值只是一个平均值，例如：若车流中有二辆公交车，分别是低 优先级和高优先级，则总优先值为( o 5 十0 9 ) 2 = o 7 。该值不能很好地反映出 整个车流中的各公交车的优先级情况，总优先值偏低，即没有很好地体现出优先 级高的公交车，同时也扩大了优先级低的公交车的作用。 为了解决此问题，可采用一种动态权值的方法：不同优先级取不同的权值， 2 l 第3 章单点公交优先智能信号控制器 信息也转化为一个“拥挤度 ，拥挤度在肚l 之间，拥挤度为o 表示车道上没有 排队车辆，完全不拥挤：拥挤度为1 则表示很拥挤。 在车辆检测子系统中，每个车道有两个环形线圈检测器，一个在停车线处， 另一个在车道上游8 0 1 0 0 m 处，通过这两个检测器的检测，可以得到两个检测 器间存在的车辆数，即该车道上的排队车辆数。检测器安装好后，两者之间的距 离已确定，则该距离之间能停放的最大车辆数在理论上也是确定的，或者说，在 该距离之间拥挤度为l 时的排队车辆数应该是可知的。可以根据交叉口实际情 况，按全部车辆都是小型车时，两检测器间能检测到的车辆数就是最大车辆数。 例如在1 0 0 m 距离中，大约可排队1 6 辆小汽车( 每车长约4 8 m ，两车间距约1 5 m ) ， 则此时的1 6 就是该距离能检测到的理论最大车辆数。 拥挤度的计算比较简单。假设拥挤度“，车道排队长度为厶，理论最大排队 长度为k 。，则拥挤度的计算公式如下： 掰= 老 。 3 4 智能决策系统 智能决策模块采用一种三层模糊推理系统，包括交通需求强度模糊控制器， 相位优化模糊控制器和绿灯延时模糊控制器( 陈森发，1 9 9 8 ) 。 三层模糊推理系统控制过程如图3 3 所示。交通需求强度模糊控制器，相位 优化模糊控制器和绿灯延时模糊控制器各自独立工作。 交通需求强度模糊控制器的功能是完成交通流状况的模糊判断推理过程( 徐 东玲，2 0 0 2 ) ，即根据检测到的交通流参数，来确定各个相位或各个车道所对应 的交通需求强度，是完成一个模糊分类器的功能。 镊 制竺竺墨竺 交逼信息 绿灯延时 模糊推理 蒙统 爵j 萼 爵1 灯 删l 组 车辆检浏 器 图3 3 模糊控制器工作流程 相位优化模糊模糊控制器的功能是是对所有非通行相位进行评价，找到紧急 度最高的相位作为下一个候选的通行相位；绿灯延时模糊推理系统的任务是比较 豢警糍瓣 位优化耋藿霈 第3 章单点公交优先智能信号控制器 3 4 2 相位优化模糊控制器设计 该层模糊控制器主要完成根据交通流状况进行相位优化的功能，核心是一个 基本相序不变的相位优化模糊控制器。 在多相位信号系统中，当各相位车流量不均匀，就有必要进行相序优化。根 据信号相位的优先级别来放行车流，先放行优先级高的信号相位，从而可以更有 效地实现实时动态信号控制。相序优化器是用来判断哪一个红灯相位优先变成下 一个放行相位，也就是从相序中根据优先权的大小，决定下一个放行的相位。 在对多相位研究的文献中，大多是以固定相序的交叉口作为研究对象，如果 相位顺序固定，就不能考虑到全部路口车流量的变化，如不能实时改变放行的相 位，交通信号就不能有效地处理交通情况，控制器的控制性能就会下降。按照固 定相序还可能给予没有排队车辆或者极少排队车辆的相位最小绿灯时间，造成不 必要的时间浪费和交通拥堵。 可变相序( 黄安贻，2 0 0 5 ) 是指不仅相位的时间及相位的顺序是可以改变的， 而且相位个数和相位的组合也是可以改变的。根据路口实际的情况。随各方向等 待车辆数的多少来改变相位，等待车辆多的车道先放行，等待车辆少的方向后放 行。这样能更加灵活地对路口进行信号控制，提高路口各方向车辆通行能力。 考虑到在未来的应用，本文选用普通十字交叉路口作为研究对象，每个进口 道方向都包括左，直，右3 个流向，暂不考虑右转车辆对相位的影响。 在图3 7 中，通常情况下四相位路口控制采用的是a b c d 的基本相位控制 顺序，在本文模型中采用基本相序不变的相位相序( 沈国江，2 0 0 2 ) ，其原因主 要有以下几点。 i 安全性考虑：如果在较短时间内( 例如l o 分钟) 对相序进行实时调整+ 则会引起驾驶员的不适应，产生一些潜在的影响交通安全的因素； 道路条件限制：在部分实行多相位控制的交叉口中，为了改进交叉口的 通行状况，常常设有左转车辆等待区，不宜进行相序的随意变动； 适应交通流变化：对各个进口方向交通流不完全均匀成比例的情况下， 在a b c d 基本相序控制的基础上增加e ，f ，g ，h 中的某个或某几个相位， 可实现放行不均匀车流的目的，保证路口通行能力的充分利用，同时不打破或减 少a b c d 的基本相序也有利于使某个方向的车辆不至于等候过长的时间( 例 如超过一个周期以上) 第3 章单点公交优先智能信号控制器 图3 7 相序变化图 在图3 7 的相位变化过程中，优化的内容主要是决定在相位a 结束后运行b ，e ，f 中的哪个，在相位c 结束后运行d ，g 、h 中的哪个。相位优化的目标是 最充分地利用路口通行能力，即在保证不使某个方向的车流等待极长时间的前提 下，使路口总的通行能力最大。以相位a 为例进行分析，相位a 的下一个相位 可能是b 、e ，f ，在进行相位判断的时刻，分别计算相位b ，e 、f 的相位紧急度 以，然后根据其值大小来进行下一相位的判断，具体规则如下： 球l ( b ) 很大，t h e nn e x tp h 2 u s ei sb ； i f ( b ) 大，a n da i i ( 厶( e ) ，毛( f ) ) 很大，t l l e nn e x tp h a s ei se ，f 中值大的那个。 相位优化模糊控制器选择一个候选相位作为下一通行相位，即后继相位。后 继相位选择的依据是各相位对交通的需求紧急度。后继相位紧急度越高，说明该 相位的交通状况越恶劣，越需要得到放行权。相位优化模糊控制器根据相位自适 应选择机制，比较除绿灯相位外的所有可能相位的紧急度值。 3 4 3 绿灯延时模糊控制器设计 绿灯延时模糊控制器是用来对当前的交通状况进行判断，确定当前相位的绿 灯延时时间( e v s u k 0 r ，2 0 0 3 ) 。它的输入有两个：当前绿灯相位转换度s 。和后 继相位紧急度阢。当前绿灯相位转换度s ，的模糊子集划分如图3 8 所示，共有5 个模糊标记：v s ( 很小) 、s ( 小) 、m ( 中等) 、b ( 大) 、v b ( 很大) 。后继相位紧急度以 的模糊子集划分如图3 6 所示，共有5 个模糊标记：v s ( 很低) ，s ( 低) ，m ( 中) ，b ( 高) ，v b ( 很高) 第3 章单点公交优先智能信号控制器 在考虑交通条件和驾驶员安全的基础上，加入公交车辆通行最短绿灯时间约束， 并能根据不同情况自动更新。 设置最短绿灯时间是基于如下的考虑，驾驶员对信号变化作出安全反应需要 一定的时间；获得通行权的车辆通过冲突点所需时间等。 公交优先最短绿灯时间瓯由下式计算： 吒n = 乞+ 名+ ( d 木钿 ( 3 4 ) 其中：吻为公交车启动延误时间常数；为自行车干扰时间常数；( 七) 为 当前等待通过交叉口的公交车辆数：钿为每辆公交车通过当前交叉口的时间常 数。 3 6 2 控制算法设计 图3 1 0 控制算法流程图 智能信号控制器的信号控制算法可描述为： 3 0 第4 章干线公交优先智能信号控制器 4 1 引言 第4 章干线公交优先智能信号控制 城市交通干线是城市路网中的重要组成部分，它的通畅与否直接影响整个城 域交通是否能够平稳、安全地运行。城市交通的负荷主要由交通干线承担，提高 城市交通干线的协调控制效果，减少干线上的交通延误和停车率，对改善整个城 市交通状况具有重大意义。 由于交通流具有连续运动的特点，特别是当两个相邻交叉路口距离很近时， 这种各交叉路口之间“各自为政”的孤立控制方式，难免造成频繁停车，使控制 效果不佳。要解决这个问题，必须把相邻的交叉路口作为一个系统来统一地加以 控制。1 9 1 5 年在美国盐湖市就开始使用联动式信号系统，即把六个交叉路口作 为一个系统，以人工方式加以集中控制，这种无计算机的、定周期的各路口信号 灯协调最优控制是交通信号灯控制的第一代，以后英国也开始使用这种信号灯。 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，该系统使用了电子自动计数器。六年后，即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。 美国交通手册h c m 证实：采用城市干线交叉口信号协调控制，使其在信号 配时优化条件下，实现交通流在一系列交叉口处遇到绿灯信号而不在交叉口处停 顿，从而形成道路双向交通流的“绿波带 ，将极大地改善在高峰期的交通拥堵 现象，是交通控制的最佳措施。 本章定位于基于公交优先的城市交通干线研究，从多个交叉口的协调控制方 面入手，寻找一种有效的控制方法，使得各交叉口公交车乘客等待时间最短，最 终使城市交通干线整体的通行能力得到较大提高。 根据以往的研究表明，同时考虑所有的信号周期、绿信比和相位的优化，将 使问题的求解过程十分复杂。因此对交通干线控制系统，本章提出了两级递阶模 糊控制结构，简化了模糊推理过程，并提高了系统的响应速度并改善了控制效果。 4 2 干线公交优先信号控制描述 干线协调控制的目的是使干线交叉口前排队长度尽可能短，干线控制中主要 的控制参数是：相位差。合理的相位差可以使上游放出的车流在到达下游路口时 能够不遇或者是少遇红灯，如图4 1 所示。 第4 章干线公交优先智能信号控制器 图4 6 模糊控制流程图 4 3 1 停止度模糊控制器设计 该控制器根据本地交叉口和相邻交叉口的交通情况，给出当前绿灯相位结束 的可能性大小、即停止度。对于来自上游路口的车辆，到达当前路口后遇到绿灯， 如果当前相位紧急度较高的话，车队可以不停滞地通过路口，但是如果当前路口 其它方向有更紧急的交通流需要得到通行权的话，则当前相位只能中止。因此， 上游路口对本地路口绿灯相位的影响仅体现在所检测到的本地绿灯相位车辆排 队长度。 由图4 2 可以看出，第一相位和第四相位的排队长度变化会影响相邻交叉口 的交通情况，而第二和第三相位的排队长度变化则基本上不会影响相邻交叉口的 交通情况，因此，将停止度模糊控制器分为两类计算。第一相位和第四相位停止 度的模糊控制器应该考虑相邻两交叉口之间的交通状况，将相邻两交叉口之间的 排队长度作为模糊控制器的一个输入；计算第二和第三相位停止度的模糊控制器 第4 章干线公交优先智能信号控制器 4 3 2 下相位紧急度模糊控制器设计 该模糊控制器根据本地交叉口和相邻交叉口的交通情况，来判断切换到下一 相位的可能性，即下一相位的紧急度( j e e h y o n gl e e ，1 9 9 9 ) 。由于本文中相序固 定，所以下相位是确定的。同本相位停止度模糊控制器类似，根据是否影响相邻 交叉口的交通情况，将模糊控制器分为两类：在运行第三，四相位时，计算下一 相位紧急度的模糊控制器将两交叉口之间的排队长度作为输入，此时计算的实际 上是第四和第一相位的紧急度；在运行第一，二相位时，计算下一相位紧急度的 模糊控制器将两交叉口之间的排队长度作为输入，此时计算的实际上是第二和第 三相位的紧急度。此外两种模糊控制器均将下相位的拥挤度和下相位的公交优先级作为模糊控制器的输入，两种模糊控制器的输出均为下相位的紧急度。模糊控 制器的结构示意图如图4 8 所示。 表4 2 一，四相位停止度模糊控制器模糊规则 r 。风q n& s s s h s s l h m s mlms h s s sh l m s hmsl m m m mm lmmh s m hl m sssl sl slsmlmlm lh ssl hls 当前相位排队长度r 论域为【o ，1 】，划分为三个模糊子集：s ( 小) ，m ( 中) ， l ( 高) ，反映了当前相位的拥挤程度；当前相位车辆优先级风论域为 o ，l 】，划分 第4 章干线公交优先智能信号控制器 为三个模糊子集：s ( 低) ，m ( 中) ，h ( 高) ，反映了公交需求强度；本交叉口与上 游交叉口间的排队长度q n 论域为【o ，6 0 】，划分为两个模糊子集：s ( 短) ，m ( 中) ， l ( 长) ，反映了上游交叉口对当前交叉口的压力程度。 图4 8 下相位紧急度模糊控制器 模糊输出下一相位紧急度u 反映了当前相位需要结束的程度，论域为【0 ，l 】， 共划分为三个模糊子集：s ( 低) ，m ( 中) ，h ( 高) 。 模糊输入、输出隶属度函数采用三角函数。 第一，二相位的停止度模糊规则如表4 3 所示；第三，四相位的停止度模糊 规则如表4 4 。 解模糊采用重心法。 表4 3 第一，二相位紧急度模糊控制器模糊规则 4 3 3 协调模糊控制器设计 该模糊控制器为上层控制器，根据下层控制器所获得的当前相位的停止度和 下相位的紧急度，通过模糊控