（光学工程专业论文）城市单交叉口的交通流量预测及信号控制.pdf

the traffic flow forecasting and signal contral of urban single intersection a dissertation submitted for the degree of master candidate：yuan shaopeng supervisor：prof. jian linsha changan university, xian, china i 摘要 单交叉口作为城市道路的交汇点，在整个城市路网中起着非常重要的作用，而城市 主干道上交叉口的作用在城市路网中更为关键。 对主干道上的交叉口进行合理的控制可 以减少车辆的减少停车次数，降低车辆的延误时间。因此可以在很大程度上减少车辆因 频繁的停车启动所产生的空气污染，并且能够提高整个路网的通行效率。因此对单交叉 口的控制有必要进行深入的研究。 本文以城市单交叉口的交通流量预测及信号控制为研究内容，首先，系统地研究了 交通流量预测和人工神经网络的基本原理和基本方法， 并在此基础之上以一个单交叉口 为例，根据单交叉口的历史实测交通流量数据，研究设计了一个单交叉口交通流量的 bp 神经网络预测模型。依据训练和仿真的结果，通过调用 matlab 中的 dividevec 函 数对样本数据的分类处理，提出了改进的 bp 神经网络模型。 其次，研究了模糊控制的基本理论和方法，并以此为基础，根据模糊控制的相关理 论，在 matlab 中，设计了一个单交叉口的两级模糊控制系统。给出了具有四个相位 的单交叉口入口方向在不同信号灯时下的平均延误计算公式。 在两级模糊控制器的第一 级控制中，对模糊控制器的输入量进行了改进，将红灯相位的最大排队长度与绿灯相位 排队长度的差值作为绿灯相位模糊控制器的一个输入参数。设计了控制流程、定义了控 制流程的各个参数，并与经典模糊控制系统进行了定性的分析比较。 关键词：交通控制、交通流预测、bp 神经网络、模糊控制器、matlab ii abstract as the converging point of the city road, single interaction play a very important part in the whole city road network, especially in the main road of the city. the control effect of the single interaction strongly affect the traffic efficiency of the city road network. so its necessary to take a deep research on the single interaction. this article mainly contains two parts, first of all, according to the traffic flow data and the netural network theory, design the modle of bp netural network, then train and simulation the network. according to the simulation result and the function in matlab, devide the train simple into three groups , and then creat a improved bp netural network. according to the fuzzy control theory, and with the help of fuzzy logic box, creat a two-class fuzzy control system. asure the queue length calculation formula in different light of the single interaction.improve the input of the fuzzy controller, an important err that is made of the maximum value of the queus length of the red phase and the value of the queue length of the green phase. compaired with the classic fuzzy controller, and make sure the two-class fuzzy controller is better than the calssic one. keywords: traffic control; traffic flow forcast; bp netural networks; fuzzy controller; matlab iii 目目 录录 第一章 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景和意义 . 1 1.1.1 研究的背景 . 1 1.1.2 研究的意义 . 2 1.2 国内外研究现状 . 2 1.2.1 国外的研究现状 . 2 1.2.2 国内的研究现状 . 3 1.3 本文的研究内容及结构安排 . 3 第二章 单交叉口交通流及信号控制的基本理论 . 5 2.1 交通流的基本理论 . 5 2.1.1 交通流理论的分类与研究内容 . 5 2.1.2 交通流的基本特性 . 6 2.1.3 交通流统计分布特性 . 8 2.2 单交叉口交通信号的一般控制方法介绍 . 10 2.2.1 交通信号控制主要参数 . 10 2.2.2 交通信号控制性能指标 . 12 2.2.3 定时控制方法简介 . 13 2.2.4 感应控制方法简介 . 14 2.3 单交叉口交通信号的模糊控制方法 . 15 2.3.1 模糊控制的基本理论 . 15 2.3.2 单交叉口交通信号模糊控制的基本思想 . 16 2.3.3 模糊控制器设计的一般步骤 . 16 第三章 基于 bp 网络的短时交通流量的预测 . 22 3.1 交通流量的预测 . 22 3.1.1 交通流量数据的特点 . 22 3.1.2 交通流量数据的预处理方法 . 22 3.2 神经网络的基本理论 . 23 3.2.1 人工神经网络理论 . 23 3.2.2 bp 神经网络基础 . 25 iv 3.3 bp 神经网络的短时交通量预测模型 . 30 3.3.1 数据说明 . 30 3.3.2 bp 网络结构的确定 . 30 3.3.3 网络的预测及分析 . 33 3.4 bp 神经网络预测模型的改进 . 36 3.4.1 输入数据的处理 . 36 3.4.2 改进后的 bp 网络仿真结果 . 36 第四章 单交叉口交通信号糊控制系统的设计 . 39 4.1 模糊控制的总体设计概述 . 39 4.1.1 交通信号模糊控制的基本原则 . 39 4.1.2 单交叉口交通信号的相位设置 . 39 4.1.3 模糊控制结构的设计 . 39 4.2 两级模糊控制器的设计 . 41 4.2.1 绿灯相位模糊控制器的设计 . 41 4.2.2 红灯相位模糊控制器的设计 . 45 4.2.3 决策模糊控制器的设计 . 49 第五章 两级模糊控制系统的评价 . 52 5.1 两级模糊控制系统的控制流程 . 52 5.1.1 控制流程参数设置 . 52 5.1.2 两级模糊控制器的控制流程图 . 53 5.2 与经典模糊控制器的比较 . 54 结论 . 57 参考文献 . 59 致谢. .62 长安大学硕士学位论文 1 第一章绪论 1.1 课题研究的背景和意义 随着城市化进程加快， 新技术、 新材料的不断涌现促进了制造业的迅猛发展， 其中， 汽车工业表现尤为突出， 汽车保有量的日益增加使人们在充分享受汽车所带来的巨大便 利的同时，也感受到交通拥堵，环境污染，交通事故等一系列问题所引发的困扰。有效 地管理和控制交通运输系统成为学术界和产业界的重要研究课题。 通过修路架桥来提高路网的通行能力，是解决交通问题的最直接的方法，但是按照 目前的城市化进程， 城市内部可利用的空间越来越少。 因此， 在无法增加路网的条件下， 充分挖掘现有道路的交通潜力，提高其通行能力，成为了最为有效的方法。 1.1.1 研究的背景 1. 交通严重拥堵，增加出行时间，影响经济效益 2010 年，由市场调查机构调查发现，北京市居民每个月因交通拥堵所产生额外的生 活成本已经达到 335.6 元，这个数据在全国各个主要大城市中高居首位。如果以 2010 年北京市最新统计的 2200 万人口来计算，全市每个月所造成的经济损失就高达 73.8 亿 元。此外，北京居民上下班时间的花费也在各城市中居于高位，道路畅通时每天平均花 费时间 40.1 分钟，而道路拥堵时则达到 62.3 分钟。 同样的情况也发生在国外，孟加拉国首都达卡交通拥堵状况严重，每天造成 320 万 小时的工作时间损失，几乎相当于达卡所有在职人员每人每天损失 1 小时，同时还在经 济上造成每年约 286 亿美元巨大损失。 2. 日益加剧的空气、噪声污染 汽车运行时产生的尾气和噪声是非常严重的污染源。有关调查表明：大气中污染物 的 60%以上是由汽车排放产生；交通噪声更是占据城市内环境噪声的 70%以上。而这些 污染在汽车制动、启动过程中加剧。实验表明，车辆在启动和制动时排放出的废气量以 及噪声均为匀速时的 7 倍多。根据实测，一辆轿车的速度在 7km/h 到 88km/h 之间加速 减速 1000 次，则比其在匀速时要额外消耗燃油 60l，同样情况下若为卡车则要额外消 耗 144l 燃油。 交通问题还会间接造成土地资源以及能源的浪费，同样会导致公共运输系统的低效 运行， 使其对公众吸引力下降， 影响了人们的生活质量， 给整个社会环境带来不利影响。 第一章绪论 2 1.1.2 研究的意义 1. 减少交通拥堵，提高效益 合理的交通控制可以有效引导交通流，使其保持在平稳状态，进而提高道路运输的 运行效率，避免车流与行人的冲突，减少交通事故的发生。在由主干道和次干道组成的 若干连续路口，在交通流量趋于饱和时，主干道的通行优先，从而提高整个路网的通行 能力。 2. 降低污染，节省能源 实施有效的交通控制，尽可能的保证道城市道路上运行的车辆在大部分的时间都可 以畅通的通行，减少尾气的排放和能源消耗。同时在交通控制中对公共交通系统进行优 化组合，提高公交车的运行效率，从而提高公共交通系统对公众的吸引力，减少私家车 的使用，降低交通负荷与空气污染。 另外，通过主动控制（交通流诱导）和被动控制（交通信号控制）相结合，在时间 和空间上合理优化，引导城市路网的交通流，均衡路网负荷，提高路网通行能力，可以 减少因缓解交通拥堵进行新建扩建道路桥梁的投资。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 国外的研究现状 国外的交通控制系统比较典型的有英国的 trrl 研究开发的 transyt 系统和 scoot 系统，澳大利亚研发的 scats 系统，美国的 rhodes 系统，德国的 vsr2100 型计算机交通控制系统，日本 kyosan 电器制作有限公司的京三交通控制系统等1。 英国道路研究所成功开发创作的 transyt 系统是目前最成功， 应用最广泛的静态 控制系统。通过对 transyt 进行持续不断地改进，世界上有 400 多个城市在使用以 transyt 系统为基础开发出的其他控制系统。澳大利亚的 scats 系统是一种实时配 时参数方案选择系统， 该系统把信号周期绿信比和相位差作为各自独立的参数分别进行 优选，优选过程中的算法以饱和度和综合流量为主要的依据，没有利用数学模型，而是 在各种预定的方案中进行优选。 scoot 系统是对路网实行实时协调控制的自适应控制系统，是在 transyt 的基 础上发展来的，因此其原理相似。scoot 系统主要包含了联机计算的实时的交通预测 模型。通过这个预测模型 scoot 系统可对交叉口某断面上的车流量、车辆排队状况以 及道路的拥挤程度进行定量预测， 还可以计算出由不同配时参数相组合的道路运行的目 长安大学硕士学位论文 3 标值。 美国亚利桑那州立大学的 p.b.mirchandani 等人成功研制出 rhodes 系统，通过实 际测试结果表明，该系统对半拥挤的道路较为有效。 1.2.2 国内的研究现状 目前国内的交通控制大多集中在开发交通信号控制器上， 对提高我国交通信号控制 系统硬件设施国产化水平， 开发具有我国自主知识产权的交通信号控制系统起到一定促 进作用1。在实际交通信号控制系统的应用中，大部分采用单点定时控制，基本没有干 线协调能力。部分国内学者在交叉口的线控方面做了相关探索研究。马建明等研究建立 了专家系统、仿真技术结合的方式，优化城市交叉口的设计和组织以及信号的设计。武 汉理工大学的罗美清等通过使用 vissim 交通仿真软件对单交叉口的通行能力、排队长 度以及延误进行相关的仿真计算分析，与 webster 公式、阿尔赛立克公式的计算结果相 比较，证明微观控制的准确性。其他学者有提出通过多智能体（multi-agent）对城市道 路交通采用智能控制。张宗华等通过使用遗传算法并结合交通仿真软件 tsis 对 3 个连 续路口的信号灯的绿灯时长以及信号周期进行了仿真优化。 1.3 本文的研究内容及结构安排 第一章简要论述了论文的研究背景和意义，以及国内外的研究现状。 第二章研究了交通流及单交叉口交通信号控制的相关基本理论，交通流的基本特 性。介绍了单交叉口的控制方法，重点分析了单交叉口交通信号的模糊控制方法以及模 糊控制器的设计思想。为交通流预测模型和模糊控制器的设计做准备。 第三章研究了交通流量预测的基本知识与神经网络的基本理论， 并在这些理论的基 础之上建立了基于 bp 神经网络短时交通流量预测模型，在仿真过程中，针对网络在重 新训练后误差增大的现象，提出了 bp 神经网络改进方法，并用 matlab 对改进后的 网络进行了仿真预测分析，验证了改进方法的可行性。 第四章主要研究了模糊控制器设计过程， 对两级模糊控制器观测模块的输入量进行 详细的设计和说明，并依据第二章所介绍的模糊控制基础理论，通过 matlab 完成绿 灯相位模糊控制器的设计，红灯相位模糊控制器的设计以及决策模糊控制器的设计。最 后完成了单交叉口两级模糊控制器的设计。 第五章对两级模糊控制的控制参数进行分析，结合第三章的 bp 神经网络预测得到 数据结果， 确定了系统的车辆生成模型以及单交叉口各个相位在不同灯色时的延误计算 第一章绪论 4 公式。给出两级模糊控制器的控制流程图，并与经典模糊控制器进行比较分析，得到两 级模糊控制器更适于对由主干道和次干道组成的单交叉口进行实时的控制。 长安大学硕士学位论文 5 第二章单交叉口交通流及信号控制的基本理论 单交叉口信号控制是最基本的交通控制形式。通过合理的交通信号配时，可以减少 道路上交通流之间的冲突，降低车辆与行人在交叉口的延误时间。 单交叉口信号控制根据采用的控制策略不同可分为定时控制、 感应控制以及智能控 制三种不同的控制方式， 其中定时控制与感应控制属于单交叉口交通信号的一般控制方 法。这三种控制方式将在下文中做详细分析，首先介绍交通流的基本理论。 2.1 交通流的基本理论 交通流理论通过使用物理学与数学方法，对交通流的特性进行描述，是交通信号控制的 基础理论。交通流理论主要通过解析的方法来阐述交通现象和交通机理，从而使人们能 够更加容易理解交通现象，了解其本质。从而让城市交通管理能更好的服务于人们的日 常生活。 2.1.1 交通流理论的分类与研究内容 1. 分类 1）传统交通流理论 传统交通流理论是以传统数学方法（数理统计、微积分）和物理方法作为基础的交 通流理论，其主要的特征是：对交通流模型有着苛刻的限制；模型的物理意义明确；模 型的推导过程严谨。 交通流的统计特性模型、车辆排队模型、车辆的跟驰模型、交通波模型等这些传统 的交通流理论和交通流模型由于应用时间长相对成熟和稳定， 所以在目前的交通理论研 究中仍占据着主导地位。 2）现代交通流理论 随着科技的发展，通过仿真技术、模糊控制、遗传算法和神经网络等现代化技术方 法为主要研究手段，逐渐形成了现代交通流理论。现代交通流理论的特点是不去片面追 求使用模型或者方法具有严格意义上的数学推导， 更加重视的是所使用的这种模型和方 法对实际道路上的交通流的模拟效果。 所以现代交通流理论主要应用在对复杂交通流现 象的模拟和阐释，而传统的交通流理论在这些方面没有优势。 2. 研究内容 交通流理论研究的是在一定的外界环境条件下，交通流随时间和空间规律性变化的 第二章单交叉口交通流及信号控制的基本理论 6 模型和方法体系。由于交通流理论包含的内容相当广泛，很难一言以蔽之，所以目前对 交通流理论的研究内容2并没有一个明确的定义。 根据 1957 年版和 1996 年版的交通流理论专著的所收录的内容以及阿道夫交 通流理论1990 年版的研究内容，可以概括为以下主要内容： 1）交通流特性是研究交通流特性的速度 v、流量 q、密度 k 这三个参数的调查方 式，分布特性以及三者间的关系模型。 2）车辆跟驰模型是研究车辆间的跟驰情况、加速度的干扰和交通稳定性等的数学 模型。 3）连续流模型通过流体力学的相关理论来研究交通流的速度 v、流量 q、密度 k 的关系，并且根据流量守恒原理来研究交通波理论。 4）宏观的交通流模型重点研究路网上不同位置的交通流特性，是在宏观上研究速 度 v、流量 q、密度 k 的关系。 5）交通影响模型研究的是不同管制条件下的交通影响，包括：交通安全、空气质 量和燃料消耗等。 6）无信号的交叉口理论主要是应用数理统计与排队论来研究在没有信号控制的交 叉口道路上的可插车间隙与竞争的车流间的相互作用。 7）有信号控制的交叉口交通流理论主要包含交通状态分析、定数理论和稳态理论 等，主要研究交通信号对道路上车流的阻滞作用。 8）交通模拟是将模拟技术应用在交通流分析中，包括模拟模型的种类以及建模步 骤。 9）交通分配主要研究交通分配的相关基本理论以及方法的应用。 10）驾驶员对交通行为的影响。 随着交通流理论的发展， 新内容和新方法不断出现， 比如实时动态交通流量的预测， 交通控制和交通诱导协同理论等，这些新的方法和理论会逐渐补充到交通流理论体系 中。 2.1.2 交通流的基本特性 1. 交通流三个基本参数及其基本特性6。 1）交通量（流量）q 交通量是指在选定时间段内， 通过道路某一地点、 某一断面或某一条车道的车辆数。 长安大学硕士学位论文 7 通常指来往两个方向的车流量数。 交通量是随时间不断变化的，通常取某个时间段内的平均值作为该时间段的代表交 通量。 按所取时间段的长度不同又可分为年平均交通量、 月平均交通量和周平均交通量。 2）速度 v 速度包括地点车速、行驶车速、运行车速、行程车速、临界车速和道路设计车速等。 通常在交通流理论中主要使用以下特征车速来表示车速的统计分布特性： 中位车速：在该路段上低于某一速度行驶的车辆数与高于该速度驶的车辆数相等时 的车速。 85%位车速：在某一路段行驶的所有车辆，其中有 85%的车辆低于某一速度行驶， 15%的车辆大于该行驶速度时的车速。 15%位车速：在某一路段行驶的所有车辆，其中有 15%的车辆低于某一速度行驶， 85%的车辆大于该行驶速度时的车速。 3）密度 k 交通流（车流）密度指的是某一时刻，单位车道长度上的车辆数目。 交通流三个基本参数之间的关系式为：qvk。 以这三个参数为坐标可以得到它们的关系曲线，如图 2.1。 图图 2.1q=v*k 曲线曲线 为了便于理解，通常可以用图 2.2 所表示的二维正交投影图来反映了三个基本参数 两两之间的关系。 第二章单交叉口交通流及信号控制的基本理论 8 图图 2.2 q-k,v-k,q-v 关系曲线关系曲线 图 2.2 反映了交通流特性的 5 个特征变量： （1）极大流量 m qq-v 曲线的峰值； （2）临界速度 m v流量达到极大值时的速度； （3）最佳密度 m k流量达到极大时的密度值； （4）阻塞密度 j k当车辆密集到使所有的车辆基本无法移动（v=0）时的密度 值； （5）畅行速度 f v车流量密度几乎为零，车辆通行无阻碍时的最大速度。 2.1.3 交通流统计分布特性 提前对交通流某些相关特性进行预测，可以为交通设施的改善和确定新的交通管理 方案提供参考和依据。 比如在信号灯配时设计时就需要提前预测在一个信号周期内到达 交叉口的车辆数。 因此掌握交通流的统计分布特性是有效解决交通流量预测问题的基础 8。 车辆到达的随机性可以通过两种方法来描述，一种是以离散型分布理论的方法，研 究在固定长度时间或空间内到达某个地点的交通量的波动情况； 另一种以连续型分布理 论的方法，研究事件发生时间间隔的统计特征。 实际情况是，到达道路上某一断面的车辆数服从离散型分布规律，而离散型分布规 律主要包括泊松分布、二项分布以及负二项分布。 1. 泊松分布6 适用于车流密度较小，车流间相互影响小，外界干扰因素对车流影响甚微的情况。 泊松分布的基本公式为： 长安大学硕士学位论文 9 () ! k t k t pe k （2.1） 式中：pk在计数间隔 t 内到达 k 辆车或 k 个人的概率； 单位时间间隔车辆的平均到达率（辆/s） ； t观测周期（s） 。 2. 二项分布10 当交通拥挤时，车辆自由行使的机会减少。这时可以采用二项分布来描述车辆到达 观测面的数量分布规律。但超速车辆和交叉口转弯的车辆的分布不能用二项分布来描 述。 二项分布的公式 c () (1),1,2, kkn k kn tt pkn nn （2.2） 式中， k p在计数间隔 t（观测周期）内到达观测断面 k 辆车的概率； 车辆平均到达率（辆/s） ； t观测周期（s） 。 其中 ! !()! k n n c k nk 为从 n 辆车中取出 k 辆车的组合。 若令/pt n，则二项分布可以写成： c(1),1,2, kkn k kn pppkn （2.3） 二项分布的均值：()e knp，方差：()()(1)d kn p kp显然()/()1d ke k ， 说明了服从二项分布的车流量比较均匀，这也是二项分布与泊松分布的主要区别。 3. 负二项分布 服从负二项分布的车流量条件是，当车流在受到干扰，车辆的到达数量出现较大波 动，并且观测周期较短。负二项分布的方差与均值之比大于 1。又称二项分布为帕斯卡 分布。 负二项分布的公式： 1 ( ) khk k h p kcpq 或 1 1 ( ) hhk k h p kcpq （2.4） 也可以写成： 第二章单交叉口交通流及信号控制的基本理论 10 (1)! ( ) 1)! hk kh p kpq hk （！ （2.5） 式中，k观测到有 h 辆车到达之前，并且没有到达车辆的观测周期数，则 h+k 为 观测周期数； ()p k车辆到达数为 h 的频数为 p 时，未达到车辆观测周期所出现的概率； h观测周期内车辆的到达数，取正整数； p观测周期内车辆到达的频数，p1。 2.2 单交叉口交通信号的一般控制方法介绍 2.2.1 交通信号控制主要参数 1. 信号周期 信号周期是指信号灯按设定的相位，顺序显示一周需要的时间1314，用 c 表示。交 通信号实际控制效果的好坏，最关键的控制参数就是信号周期。如果信号周期太短，各 个通行方向的车流很难顺利地通过路口，从而出现车辆在交叉口频繁地停车启动，导致 交叉口利用率较低；相反如果信号周期过长，容易导致车辆总延误增加。也会让司机在 交叉口等待时间过长产生烦躁情绪， 出现闯红灯的情况。 一般情况下， 如果交通量较低、 相位较少的次要路口的信号周期一般取 70s 左右；而对于交通量大且相位数多的主要路 口，信号周期一般取 180s 左右20。 2. 信号相位 相位是对一个交叉口各方向的交通流而言， 一组互相不发生冲突的交通流就可以构 成一个相位，表示在单交叉口将通行权给予某些方向上的车辆以及行人的时间顺序。一 个信号系统在一个周期内包含了几个信号相位，就称该系统为几相位系统。 长安大学硕士学位论文 11 图图 2.3 二相位二相位系统系统交通运行图交通运行图 图图 2.4 四相位四相位系统系统交通运行图交通运行图 有向线段表示相位，箭头表示车辆运行方向。图 2.3 表示的是两相位系统，第一相 位为南北直行，第二相位为东西直行。图 2.4 表示四相位的交叉口，第一相位南北向直 行加右转，第二相位南北方向左转，第三相位为东西方向直行加右转，第四相位为东西 方向左转。 相位差也是交通控制中一个非常重要的控制参数， 表示的是一条干道上相邻路口同 一相位绿灯或者红灯的起始时间之差。 合理的相位差可以使在道路上通行的车辆在经过 连续若干交叉口时不会出现停车，车辆可以零延误通过该路段。 根据道路实际的交通流的情况，可以确定一种适合于该路段的信号相位方案。信号 相位方案是确定信号轮流给某个方向的车辆或行人分配通行权的一种顺序安排。 信号灯 按照设定的相位方案，轮流显示不同的灯色信号，赋予车辆和行人通行权。 在交通控制中，如果信号相位能够得到合理的调整，可以明显提高交叉口的通行效 率，同时采用分时通行的方法可以避免交叉口各个方向的交通流之间发生冲突。 3. 绿信比 相位绿信比是一个相位信号的有效绿灯时间与信号周期的比值，用表示。其中有 效绿灯时间是指在绿灯信号时段内能够被车流充分利用通过交叉口的时间。 绿信比是进行信号配时设计最关键的时间参数，它对于疏散交通流、减少车辆在交 叉口的等待时间与停车次数都起着举足轻重的作用。 某一信号相位的绿信比越大则越有 利于该信号相位车辆的通行，但却不利于其它信号相位车辆的通行，这是因为所有信号 第二章单交叉口交通流及信号控制的基本理论 12 相位的绿信比之和必须小于 1。 4. 损失时间 损失时间是指由于受到交通安全以及车流的运行特征等影响因素，在整个相位时间 段内没有车辆行驶或者未被交通流充分利用起来的时间，用 l 表示。损失时间等于绿灯 显示时间与绿灯间隔时间之和减去有效绿灯时间； 也等于绿灯间隔时间与后补偿时间之 差加上前损失时间；同时还等于部分损失时间与全红时间之和。 rllyggflbcegg tttttitttititl （2.7） 式中，tr表示全红时间；tg表示绿灯时间；ty表示黄灯时间；tl表示部分损失时间； i 表示绿灯时间；tfl表示前损失时间；tbc表示后补偿时间；tbl表示后损失时间。 对于一个信号周期而言，总损失时间是指所有关键车流在其信号相位中的损失时间 之和，用 l 表示。而关键车流是指那些能够对整个交叉口的通行能力和信号配时设计起 决定作用的车流。交叉口总的绿信比是指所有关键车流的绿信比之和，即所有关键车流 的有效绿灯时间总和与信号周期之比值。 c lc n k k 1 （2.8） 2.2.2 交通信号控制性能指标 交通控制的评价指标主要有：道路通行能力、停车次数、相位的饱和度、平均延误 时间以及平均排队长度。 1. 道路通行能力 在单位时间段内车辆能够连续通过该路段的能力称为通行能力， 其中包括路口通行 能力与路段通行能力。路口通行能力是指在单位时间段内路口允许通过最大的车辆数 （单位 pcu/h） ，路段通行能力是指在单位时长内通过路段截面最大的车辆数（单位 pcu/h） 。 2. 相位的饱和度 相位的饱和度是指关键进口道的交通量与相位设计通行能力的比值。在信号配时设 计过程中要保证交叉口各个相位的饱和度都要小于 1。一般情况下取 0.750.926。 3. 停车次数 车辆停车次数指的是车辆通过交叉口时，由于受到信号控制的影响发生停车的次 数。需要注意的是，并不是所有受阻的车辆在受到交叉口的信号阻滞时会完全停车，有 长安大学硕士学位论文 13 一部分车辆在车速未降为零之前加速至原来正常行驶车速并驶离交叉口。 交叉口总停车次数是指通过交叉口的所有车辆停车次数之和。平均停车次数是指所 有通过交叉口的车辆停车次数的平均值， 这个平均值也是衡量交通信号控制效果好与坏 的一个重要指标。减少停车次数可减少燃油消耗、减少车辆的磨损、降低尾气污染、提 高司机与乘客的乘车舒适度，同时还可以确保车辆在交叉口的行驶安全。 4. 平均延误时间 车辆的延误时间是指车辆在受阻情况下通过交叉口所需时间与无阻碍情况下行驶相 同的距离所需要的时间差。 平均延误时间是指通过交叉口的车辆的延误时间的平均值，是评价交叉口运行效果 和衡量交叉口服务水平的重要指标。 平均延误的计算公式： 122 (2 5 ) 3 2 (1) 0.65() 2(1)2 (1) d cyc ty yqq （2.9） 公式中第一项表示由红灯阻滞造成的延误，其余两项为由于车辆到达的随机性所引 起的延误。 d t平均延误时间；c信号周期；q交通流量；y饱和度；相应相位的绿 信比。 5. 平均排队长度 在一个信号周期内各车道最大排队长度的平均值为平均排队长度。 1 = n i i l l n 平均 （2.10） n 为车道数。l 为车道绿灯相位起始时的排队长度。 2.2.3 定时控制方法简介 定时控制是其他控制方式的基础，是目前仍然被广泛采用的一种最基本的控制方 式。 在交叉口定时信号配时设计过程中，需要不断对设计方案进行验证，通过性能指标 计算与实际交通调查相结合，可以不断地对信号控制方案进行修改、完善。 需要注意的是，交叉路口在一天中的交通量是按时间段规律不断变化的。因此，为 使信号配时能适应各个时段的不同交通量，提高交叉口的通行效率，定时控制各时段的 第二章单交叉口交通流及信号控制的基本理论 14 信号配时方案应按所对应的设计交通量分别优化计算确定。 2.2.4 感应控制方法简介 定时信号控制是根据交叉口过去的交通情况来设定信号周期与相位绿灯时间等相关 参数， 这些参数在整个时间段内是固定不变的， 不会随着实际情况的变化而变化。 因此， 只有实际交通状况与最初设计信号配时时采用的交通状况相符的时候， 才会取得预期的 效果。显然在现实中，这种情况并不会经常发生，这就造成了定时信号控制无法适应实 际交通需求，导致车辆延误时间增加。 感应式信号控制的出现解决了上述问题， 根据车辆检测器所检测到的车辆到达情况， 按照感应控制方案使单交叉口信号灯的信号显示时间满足各个路口的交通需求。 工作原 理如图 2.5 所示。 车辆检测设备 交通状态信息感应控制算法控制输出信号 路口信号灯交通流系统 感应控制模块感应控制模块 图图 2.5 感应式信号控制工作原理框图感应式信号控制工作原理框图 从图 2.5 中我们可以看出，感应信号控制是一个闭环反馈控制过程，对车辆的随机 到达有较强适应性。理论上来说，这种控制方式会取得良好的控制效果，但是大量实践 表明，如果主干道和次干道上的交通流量很大，甚至于接近饱和状态时，感应控制的控 制效果却不如定时控制。 感应控制按照控制实施方式的不同可分为三种。 1. 半感应控制 半感应控制主要适用于主干道车流量与次干道车流量的差值较大，同时次干道车流 量有明显波动的交叉口。 2. 全感应控制 当交叉口两条道路上的交通量相仿，交通流量随时间波动较大，并且道路的通行不 分优先级别的路口，可以使用全感应控制。全感应控制要求在交叉口每一个进口道都设 置近端和远端两个检测器。根据路口实际的交通流状况，采用相应的全感应控制方式和 控制算法。 3. 优化感应控制 长安大学硕士学位论文 15 在交通需求随机变化较大的交叉口，感应控制比定时信号控制有更好的适应性，但 是现行的感应控制无法充分利用绿灯时间。为了解决这个问题，利用对信号配时进行优 化的原理来改进感应控制，就产生了优化感应控制。 2.3 单交叉口交通信号的模糊控制方法 1965 年美国人 l.a.zedeh 教授首次提出了模糊理论32。 模糊理论是建立在严格的数 学基础之上，描述和处理人类模糊语言的理论，其核心是对复杂的系统或过程建立一种 语言分析的数学模式，将自然语言转化为计算机的算法语言。最先将模糊理论引用在实 际控制领域中的是英国人 mamdani，他在 1974 年将模糊控制应用在热电厂蒸汽机控制 系统，这一