（通信与信息系统专业论文）平面交叉口交通控制算法与模式研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着工业的发展、国民经济的增长，人们的生活水平得到很大程度上 的改善和提高。工业革命给人类带来便利的同时也给人类增添了不少烦恼。 城市的规模在不断的扩大，城市在演变，影响城市发展的基本因素也在演 变。虽然现代城市的混乱是机械时代无计划和无秩序的发展造成的，但是 目前机动车的增长，交通设施建设滞后以及管理措施不够完善等原因，致 使道路交叉路口的交通堵塞现象日趋严重，从而影响到城市路网通行能力 的发挥，车辆在道路交叉路口处反复地分流、合流及交叉，交通状况复杂， 道路交叉路口是制约城市道路交通功能的瓶颈，城市道路交通堵塞是影响 我国城市发展的一个重要因素。 本论文在分析国内交通现状的基础上，论述了交叉口信号的评价指标、 系统组成原理以及交叉口信号控制的常用方法；并通过深入研究粗集理论 的特性，分析平面交叉口安全性、通行能力和车辆延误等主要技术指标， 采用粗集理论控制方法来控制平面交叉口信号灯，寻求更有效解决混合交 通环境下交叉口拥堵问题的方法，为混合交通环境下交叉口渠化设计和信 号配时设计及方案评价提供理论依据。 论文采用仿真手段来模拟交叉口运循状况。仿真程序主要由四个线程 组成。绘制静态道路图线程( 描述交叉口处的几何线形和标志) 、绘制信号 灯线程( 通过粗集理论对信号的服务水平进行分类来确定合适的绿信比) 、 车辆产生线程、车辆更新线程。论文对仿真结果进行了分析和讨论，得出 了有意义的结论。 关键词：信号交叉口，信号控制，粗集，约简，仿真 西南交通大学硕士研究生学位论文第n 页 a b s t r a c t w i t hi n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t 矗n di ，? , , o n o m i cg r o w t l p e o p l e sl i v i n gs t n n d a r d h a sb e e nj a l b s t 叫l i a l l yi m p r o v e d 1 1 砖i n d u s t r i a l v 涮。咀b r o u g h tc o l l v e n i c n e c 协瞳n 蛐b u ts i m u l t a n e o u s l yl e d 幻m a n yt r o u b l e s a si t sr e s t t l t , t b cs i 拂o f t b c c i t ye o n l i n u e st oe x l 呦l l da sw e l li i st h ee v o l u t i o no fc i t i e s 锄dt h cc s s m 龃 e l e m e m s , w h i e l aa f f e c tc i t i e s d e v e l o p m e n t , h a sb e e ne v o l v i n g t h ec o n f l | s i o no f m o d e mc i t i e si sr e s u l t e db yt h ei m p l a l m e da n dd i s o r d e r l yd e v e l o p m e mo ft h e m a c h i n 竹a 鳙e o n e l 讹l y , i ti s 也eg r o w t ho fv e l a i e l e , t h ed e f e e l i v e n e 豁o f m m p o r tf i l i l i e sc o n s t r u c t i o n , t h ef a u l t i n e s so fm z m a g c m c l a tn 妊强s i 脯m a d o t h e re f f e e t o r st h a tl e dt ot h ei 1 1 e r e a s i n g l ys e r i o u s 衄伍cc o n g e s t i o na tt l a e c 韶r o a d s t h e r e b yi m p a i r i n gt h ep e r f o r m a n c eo f c i t yr o a dn e t s 臼越嘲印f 喇哪 a n di ti st l a c 碍口；a e dd i 赶i u c 扭跫，e o n t l u e n e ea n di 删国c n o wo fv e h i e l 鹤o nt h e 嗡dc r o s s i n gt h a tl e a d st ot h ec o m p l e xt r a f f i cs i t u a t i o m , t t r 璐, t h ec r o s s j n gi st i l e b o t t l e n e c kt h a tl a i n d c r sm b a nl m t i cf l m c l i o n a r i a , 仪啊q l 砖珊坝t h el b 缸 妇伍c j 班i s i m p o r t a n t f l l e t o ri m p e d i n gt h ed e l 印m 锄o f a l i 鼹枷鹤 b a s e do nt h ea n a l y s i so f d o m e s t i c 们璇cs i t u a t i o n , t h i sp 印e fh sd i s e w s e d 删o n ss i g n a lv a l u a t i o n i n d s y s t e mc o m l , o s e dp r i n c i p l e 锄d 删o n ss i g n a lc o n l z o lm e l t a o d a n d t h r o u g hf b 栅s t u d y i n gt h e c h a r a c t e r i s t i co fr o u g hs c tt h e o r y ，i ta n a l y s i st h ei n t l u e n e eo ff o n di t c r s e e t i o n s a f e t y , c a p a c i t ya n dv e h i c l ea e l a rt ot h ee v a l u a t i o n t i r o l , i tu 螂加u g hs 班 t h e o r yt oe o n l r o lr o a di n t e r s e c t i o ns i g n a ll a m pa n d1 t i e st of i n das c i e n t i f i ca n d e f f e e t i v es o l u t i o nt os o l v et l a ct 隋伍cj a mp r o b l e mi nt h em i x 践lt 随伍c c m , i r o n m e 啦c o n s e q u e n t l y , i tc a n 硼o v i d et l o r yb a s i st oi i 吐翻瞎e c t i o 血sc a n a l m e l t sd e s i g n , s i g n a ld m i 雌m a t e l ad e s i g n 柚4s d l 伽ce v a l u a l i o ni n 位m i x e d 自m 伍ce n v i r o n m e n t f i n a l l y , t h i sp a p e rs i m u l a t e st h c 面髓稻鲥。曲w o r k i n gc o n d i t i o n sb y s i m u l l t t i l m l l t h cs i m u l a t i o np l o c e d u r ei sm a i n l ye o m p o 蚓lo ff o u rt l l l t 僦1 s - 位 d r a w i n g 鲥a 垃cr o a df i n et h r e a dw h i e l ad e s c r i b e si i 吐a 葛d sg e o m e t r ys h a p e a n d1 1 n a 伍c ：n a g ，t h ed r a w i n gs i s n a li n m pt l a r e a dw l a i c hd e c i d e st h eg r e e ns i g n a a p r o p o r t i o nb yc l a s s 啦s i g n a ls e l v i c el e v e la c e o r , t i n gt ot h er o u g hs e tt h e o r y , 西南交通大学硕士研究生学位论文第m 页 t h ev e h i c l ep n d l ：i c j 由gt h r e a da n dt h ev e h i c l eq ，d a t i 玛t h r e a d k e y w o r d s ：菇鲫e di n t e r s e c 6 0 n ；s i g n a lc o n u o l ；r o u g h s e t ；r e d u c 在o n ； s i m u l a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 概述 第一章绪论 交通控制是依靠交警或者采用交通信号控制设施，随交通变化特性来 指挥车辆和行人的通行。众所周知，先进的交通控制系统能够带来巨大的 经济效益和社会效益，是维持正常交通秩序、保障交通安全和提高通行效 率的重要手段。 平面交叉口是组成城市道路网的基本单元，同时也是交通事故的集中 发生地，改善公路平面交叉口交通安全是降低我国交通事故数量的重要途 径，因此交叉口的设计不只是土木工程层面的平、纵、横设计，而应根据 交通流通过交叉口的特性，综合考虑利用交叉口的时间和空间资源，结合 交通管理方式，以交通流安全、通畅通过交叉口为目标，作好交通流的组 织和交通标志、标线以及信号配时等方面的设计工作。因此对其进行研究 是开展城市交通系统研究的前提和基础。 城市交通控制分为单路口控制和多路口协调调制，并非后者比前者控制 效果更好，它们各有自己的适用范围。单路口控制不但更适于那些孤立的 平面交叉口，而且还担负着线控、面控控制方案的落实。我国城市建设资 金短缺，而协调控制一般投资较大，这就限制了其使用。所以我国目前各 个城市的绝大多数交叉口都在使用着单路口控制方式。如何赋予单路口控 制方式一些新的策略，使之能对大量的平面交叉口进行行之有效的控制， 最大限度地提高其通行能力及交通安全，对解决我国目前城市交通问题有 着非常现实的意义，也可为协调控制的研究提供思路和方法。 当今，社会已经进入了网络信息时代，计算机与网络信息技术的飞速 发展使得各个领域的数据和信息急剧增加，智能信息处理也已经是当前信 息科学理论和应用研究中的一个热点领域，并且由于人类的参与使数据与 信息系统中的小确定性更加显著。过去几十年中人们在专家系统、知识工 程、人工神经网络、模糊集合等众多领域的不断实践和探索，取得了很多 很好的成绩。如何从大量的、复杂无章的、强干扰的数据( 海量数据) 中挖 掘潜在的、有利用价值的信息，这给人类的智能信息处理能力提出了前所 未有的挑战。 由波兰数学家z p a w l a k 于1 9 8 2 年提出的，一种新的处理含糊性和不确 定性问题的数学工具相糙集( r o u g hs e t ) 理论已在信息科学研究领域 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 中表现出它的潜力。它与概率方法、模糊集方法和证据理论方法等其他处 理小确定性问题的最显著的区别是它无需提供问题所需处理的数据集合之 外的任何先验信息，并与其他处理小确定性问题的理论有很强的互补性。 因此把粗集理论更好地与其他智能技术结合和互补，应用在平面交叉 口控制研究上，来改善公路平面交叉口交通，提高城市路网通行能力，解 决交通拥挤等城市交通阿题，为建设和谐、创新型交通提供技术保障，推 进交通行业又快又好发展。 1 2 国内外研究现状 早在1 9 世纪，人们就开始研究交通信号，用信号灯指挥道路上的车量 交通，控制车辆进入交叉口的次序。1 8 6 8 年，在英国伦敦w e s t m i n s t e r 的 街口出现了最早的交通信号灯，不同于现在的三色信号灯，它只有红、绿 两种颜色；1 9 1 8 年，在纽约街头出现了手动操作的三色信号灯。1 9 2 6 年， 英国人在1 r 带e r h 鲫卵艿n 安设了第一座自动交通信号机。到上个世纪6 0 年 代，世界各国开始研究控制范围较大的信号联动协调控制系统，建立模拟 各交叉口交通流状况的数学模型。以解决信号配时的优化问题。 在已有的这些信号控制系统中，国外比较典型的是英国交通与道路研 究所( t r r l ) 于1 9 6 6 年开始研究开发的t r a n s y t ( t r a f f i cn e t w o r ks t u d y t 0 0 1 ) 系统，澳大利亚从上个世纪7 0 年代开始开发的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 ) 系统和英国t r r l 予1 9 7 3 年开始 研究开发的s c o o t ( s p l i t - c y c l e o f f s e t0 p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ) 系统、 美国亚利桑那州立大学的p b m i r c h a n d a n i 等人开发的 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 d e f f e c t i v e s 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。 城市交通是城市经济生活的命脉，是衡量个城市文明进步的标志。 随着我国经济的迅猛发展和城市化进程的加快，我国机动车拥有量快速增 长，导致了交通需求与道路设旌之问的尖税矛盾。尤其是在我国大城市， 常规公共交通萎缩、私人车和出租车迅猛发展、轨道交通还未起步、交通 管理水平低下，这些因素都使得城市交通拥挤堵塞日益严重，交通事故频 繁发生，环境污染进一步恶化。交通问题已经成为我国严重的城市病之一， 影响着城市功能的正常发挥和城市的可持续发展。我国道路基本上是机动 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 车、非机动车和行人共用一个道路空间的混合交通模式，不同车种、不同 流向、不同速度的交通流在路段和交叉口内交织。虽然部分路段设有机非 分隔设施，但在交叉口内仍是机动车、非机动车和行人混合行驶，在交通 量不大的情况下这种混行基本上不会影响车辆的通行。但近年来，随着城 市机动车保有量的增加，机非混行车辆的冲突越来越严重，混合交通所带 来的问题日益突出。 以北京市为例：据统计，2 0 0 6 年1 至8 月北京新增机动车2 4 万辆，相 当于每天有1 1 6 6 辆新车汇入车海人流。在全市2 7 8 万辆机动车中，私人机 动车达到1 9 7 万辆，占到总数的7 1 。大量新车涌向街头，势必造成车流量 的迅猛增加，从而降低了车辆正常行进的速度，遇有突发情况就会形成拥 堵或是变成“停车场”。在机动车急速增长的同时，城市的道路面积拓展缓 慢，城市道路大多处于饱和状态。 堵车已对城市造成惊人的人力和交通资源浪费，以每人每天堵车两小时 计算，则1 0 0 0 万人口的城市，每年的堵车损失就高达8 0 0 亿元人民币，城 市的各式汽车仍以惊人的速度增加。 要想改变现有城市结构难度相当大，而且最为关键的是，在现有条件下 改造成本极为高昂，如现有市区修建一公里道路，同时需涉及旧房拆迁、 道路改造、居民搬迁等问题，成本可能高达上亿元人民币。因此，无论何 种方案，都只能力图在“增量”上做文章。目前类似于北京市这样的交通 问题是我国大城市的通病，它所造成的社会经济损失非常之大。如果我们 不及早采取综合措施加以治理，则城市交通必将成为影响我国经济发展和 城市功能正常发挥的瓶径。 解决城市交通问题的根本途径有二条：一是加快道路设施规划建设， 健全城市道路网络体系；二是采用先进的科学技术，对城市交通进行现代 化的管理与控制，提高现有道路的通行能力。第一种办法是一种外延型的 发展途径。诚然道路设施是发展城市交通、满足各种交通需求的物质载体， 但它受到道路建设资金和城市土地空间的限制。我国城市道路系统建设不 能与交通需求同步增长，这是一个既普遍、又不可能在短时间内解决的问 题。因此，我们除了要保证每年有一定资金用于修路，更重要的是采取其 他投资小见效快的方法来充分利用好现有的路段。第二种解决交通问题的 方法是一种内涵型的方法。交通管理与控制的目的是为了发挥现有设施的 最大效益和提高交通安全。世界银行对发展中国家城市交通问题的调查研 究表明：发展中国家城市机动车数量远少于发达国家，但交通拥挤现象却 要严重得多，原因就在于发展中国家对道路疏于管理，使其通行能力降低， 道路的使用效率没有得到充分发挥。曼谷、新加坡等许多城市近多年来解 决交通问题的实践证明：用加强交通管理与控制的方法解决交通问题是当 前公认的效益显著、投资最省的方法。在我国，由于历史和认识方面的原 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 因，多年来发展交通的模式一直是每当交通需求有较大增长时就去修路。 这种简单的主要依赖投资驱动的解决交通问题的方法并未使城市交通的发 展形成良性循环。现在我们必须跳出这种陈旧的发展思路，对城市交通的 管理与控制引起足够的重视，用高科技的手段充分挖掘现有交通设施的潜 力。 交通管理与控制就是利用交通法规、交通工程技术措旌、交通信号控 制设施等对车辆、行人的交通行为进行规范和约束，使车与车、车与路、 车与行人之间形成一种相互沟通、相互合作的运行体制，产生协调效应， 使交通流有序、通畅、快捷。交通管理和交通控制是对交通流进行规范和 约束的两种手段。1 。 交通管理也称交通静态管理，主要强调交通管理部门立法、执法的人 为管理行为。交通控制也称交通动态管理，强调的是自动化设备在交通管 理中的应用。现有国外自适应控制系统是分区域的，随着大型通信网络技 术和大规模交通信号控制器的研发，要求在管理层上有大范围的战略交通 控制技术来实现交通控制的整体最优。这是未来智能交通控制发展的趋势。 1 3 论文的主要内容 本文对平面交叉口采用一种基于粗集理论的控制策略，并编制了基于二 维动画界面的平面交叉口交通流通用仿真系统。此仿真系统不仅完成了对 本文提出的基于粗集理论的控制策略的仿真模拟，还可作为交通管理部门 对平交口进行优化配时和控制策略比较研究的辅助工具。 论文的主要内容有以下五个方面： l 平面交叉口的信号控制研究。首先分析了平面交叉口的信号控制的 几个评价指标；接着阐述了平面交叉口的信号控制的系统组成原理和几种 常用的信号控制的常用方法；最后分析对比了几种典型的信号控制系统。 2 基于粗集理论的平面交叉口控制。首先从粗集理论的概念着手：然 后通过分析粗集理论以及平面交叉口的特性建立粗集理论的训练样本集。 通过决策表的属性简约、决策表的值简约来得到最有效的规则表，分析了 知识表示系统的不一致性产生的原因，最后为了检验方法所得到规则的有 效性，作者进行了样本测试，测试结果达到预期目的。 3 单交叉口混合交通微观仿真软件设计与实现。用c + + 编写模拟软件， 用于具体的单交叉口进行动态模拟，仿真程序主要由静态图的绘制模块、 信号灯的绘制模块、车辆产生模块、车辆更新模块构成。 4 采用软件对低峰，中锋与高峰三个不同时段对路口进行了仿真对比了 粗集理论和定时控制的仿真结果。结果证明当交通不处于高峰期时，本文 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 采用的粗集理论方法明显优于定时控制。 5 在结论部分详细总结了本文中的优点和不足之处，阐述了下一步工 作工作中应该要解决的问题和对将来的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章平面交叉口的信号控制 本章首先分析了平面交叉口的信号控制的几个评价指标；接着阐述了平 面交叉口的信号控制的系统组成原理和几种常用的信号控制的常用方法； 最后分析对比了几种典型的信号控制系统。 2 1 交叉口信号控制的评价指标 2 1 1 延误时间 观察信号控制下的交叉口的车辆运动过程可以发现：车辆到达交叉口 的数量和到达的时间间隔是随机变化的。因此，在每个信号周期内，总有 一部分车辆遇到红灯信号，需要减速并停车等待。当红灯信号结束并转为 绿灯信号时，等待的车辆要起动、加速并通过交叉口。还有一种情况就是 一部分车辆在到达停车线前，只是减速，而未真正停止前进。一般来讲， 车辆通过交叉口的延误时间主要受车辆到达率和交叉口的通行能力的影 响。在交叉口通行能力不变的情况下，延误时间主要取决于车辆到达率。 为了分析信号控制下，交叉口某一进口道的延误，不妨设车辆的到达率为 q ( p c u h ) ，同时设绿灯期间车辆的驶出率为j ( p c u h ) 。进口道周期时间， 可分为绿灯时间t ，和红灯时间t ，( 可理解为包括黄灯时间和损失时间) 。显 然有： c = f 。+ f ，。图2 - 1 描述了车辆到达交叉口和驶出交叉口的过程( 图中 假设到达率和驶出率均为常数1 。在红灯期间，车辆的驶出率为0 ，车辆排 队等待；当信号转换为绿色时，排队车辆以j ( p c u h ) 驶出率离开交叉口。 绿灯开启后g o ( s ) 内，排队长消失；此时到达车辆以到达率q ( p c o h ) 离开交 叉口，直到信号变红为止。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 t 妇e red掣n 幽2 - 1 车辆到达和驶离交叉口的过程 在不饱和交通流的情况下，排队长度为红灯期间所到达的车辆数q t ； 而绿灯时净驶出率为s q ，显然，队长消散所需时间g 。由下式计算： g 。卫f ，( 2 1 ) j q 为了保证每个周期时间内排队车辆能消散，必须有g 。f 。，即 导s t _ z _ e - a ( 2 2 ) cs 、7 式中，a 为该通行相位的绿信比。在满足式( 2 - 2 ) 的情况下，每周期内车辆的 总延误等于图2 - 1 中阴影部分三角形的面积，即 。警( g 。+ ) 。云t i 2 , s 丽q ( 2 - 3 ) 每周期到达的车辆总数为c 鼋，因此，每辆车的平均延误为 亏。面t r 而2 $ ( 2 川 式( 2 4 ) 是由于车辆均匀到达交叉口而引起的延误，一般称为均匀延误。 经实验发现，按式( 2 4 3 ) 计算的平均延误偏低，因为它没有考虑车辆到达的 随机性。即使式( 2 4 1 ) 成立，有时发生的车辆密集到达也可能使一些车辆等 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 待整个周期。可以这样来解释这种现象：除红灯期间车辆排队引起的延误 外，还有一种随机延误，这种随机延误可以用排队论来描述。把交通信号 作为服务台，到达的车辆作为顾客。设该排队系统的到达率服从均值为 q ( r c o h ) 的松分布，该排队系统的驶出率为常数s ( p c u h x a p 平均每辆车 需1 s 小时离开队列1 ，这样，该排队系统可用m d 1 排队模型来表示。该 模型中每个顾客的平均延误为： b - p - 2 q l ( i - x ) ( 2 - 5 ) 式中 xqas(2-国 称为饱和度，在排队论中称为有效利用率。该式被称为随机延误。将式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 相加得到每辆车的平均延误为 石! ：塑+ 茎：c ( 1 - a ) a + 兰：( 2 - 7 ) 2 c o - q )2 q ( 1 一x )2 0 一船) 2 , 1 ( 1 一石) 韦伯斯特( w b b s t e r ) 用蒙特卡罗模拟法进行了标定“ 石一丽c o - a y + 丽x 面2 一o 硒( 乒) 3 4 ( 2 t “i , ) 甜i 一+ 一u o ) l = - l 五 i 二j 2 喀( 1 一九r ) 2 呼( 1 一x )i q 2j 、 该公式称为韦伯斯特公式，它与实际延误的误差在5 以内。实际应用 表明：对于到达率不完全服从泊松分布的情况，韦伯斯特公式也能保证足 够的精度。 2 1 2 平均停车次数 平均起停次数是指车辆在交叉口区域由于交通信号的约束停车、再启动 的次数。起停次数不仅与控制参数密切相关( 尤其在线控系统，起停次数对 相位差极为敏感1 ，也是衡量饱和程度的指标之一。 2 1 3 通行能力 通行能力是指单位时间内连续通过车辆的能力，在信号控制的情况下， 路口的通行能力可以使用下式计算： q 。一q 。k c ( 2 。9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 式中，吼为路1 2 某一入口车道的通行能力( p c 啪) ，鼋为该入口车道的饱和 流量( p c u h ) ，0 为某相信号的有效绿灯时间( s ) ，c 为信号周期长度( s ) 。 饱和流量实际上是一个与交叉口绿信号时间无关的量，仅取决于道路 条件和车辆状况。2 0 世纪5 0 年代，英国的韦伯斯特( e w e b s t e r ) 做了大量的 实验研究工作。根据他的研究结果，对于饱和流量影响最大的因素是车道 宽度。当进口车道宽度为3 3 m 时，饱和流量标准值为1 8 7 5p c u m 。当进口 道为双车道，相互间干扰少，可取标准值的1 2 0 ：当车速低，左转车干扰 大及视野不良时，则取标准值的8 5 。当进口车道宽度为5 2 1 8 m ，通过 交叉口的车辆都视为标准小客车，面且不存在转弯车辆时，饱和流量q i 与 车道宽度w 有如下线性关系： 鼋j = 5 2 5 w( 2 - l o ) 当车道宽度在3 o 5 1 m 时，饱和流量与车道宽度不再呈现线性关系。 不同宽度车道所对应的饱和流量建议值如表2 4 所示。 表2 4 车道宽度和饱和流量的关系 车道宽 匿| m 3 o3 3 3 6 3 94 ，2 4 54 1 饱和流量 1 8 5 0 1 8 7 51 9 1 9 5 0 2 0 7 5 2 2 5 0 2 4 7 5 ( p c u h ) 2 0 世纪8 0 年代，英国道路运输研究所的金伯( r k i m b e r ) 和他的同事进 行了一系列实验研究后提出了一个计算车道饱和流量的非线性公式 q ，；1 9 6 w 2 9 7 9 w + 2 9 6 4 ( 2 1 1 ) 国内学者在北京进行了交通观测，并根据观测结果提出了一个类似的 公式计算直行车道的饱和流量： 留j - 2 4 1 w 2 1 5 6 4 w + 3 9 9 0 佗，1 2 ) 与式( 2 n ) 相比，式( 2 1 2 ) 的计算结果少2 0 左右，也就是说，相对于几 乎同样大小的规模较大的城市来说国内的饱和流量普遍比国外低。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 进口车道纵坡对饱和交通量有一定的影响，当进口道处于上坡段时， 纵坡值每增加1 ，饱和流量相应减少3 。反之，进口车道处于下坡段时， 纵坡值每增加l ，饱和流量值增加3 。这里的“纵坡值”系指停车线后 面2 0 0 m 范围内的车道平均纵坡值。当上坡段纵坡超过1 0 ，下坡段纵坡超 过5 时，则不在此例，需另作专门测定。 对混合车流行驶的车道，在计算饱和流量时，要考虑不同车辆的影响。 韦伯斯特根据英国的交通状况，提出了采用“折算标准小客车单位”作为 计算车道饱和流量的标准单位，其建议的折算系数如表2 5 所示。 表2 5 不同车辆的折算系数 车辆类有轨 公共 中、重 轻型摩托 电动车 自行 型，辆 电车 汽车 型货车 货车 主 车 折算标准 小客车单 2 5 0 2 2 51 7 51 0 0 o 3 3 n 3 0 o 加 位伊c u 上述折算系数不仅适用于平坡段车道，而且也适用于纵坡不大于1 0 的车道。 国内采用的车辆折算系数略有不同。按照国内车辆的分类方法，小客 车和微型卡车称为小型车，而大型车和拖挂车折算成标准小型车的方法如 下： 1 辆大型车= 1 4 8 p c u ，1 辆拖挂车= 2 3 4 p c u 在混行车道上，当大型车和拖挂车比重小于或等于3 5 时，小型车基 本不受阻滞影响，则一辆小型车就视为一辆标准小客车；若大型车和拖挂 车比重大于3 5 且不大于8 5 时，则每辆小型车折合1 1 5 辆标准小客车； 若大型车和拖挂车比重大于8 5 时，则每辆小型车折合1 3 5 辆标准小客车。 2 1 4 饱和度 在交通信号控制中，饱和度( 石) 是指交通量与通行能力之比。它是用来 描述交叉口交通需求与供给之间平衡的程度。供给表示可提供的通行能力， 需求表示实际的交通需求交通量。 定义 也可以写作： z ：旦 g 工；业。盟 q c i sq c ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第n 页 其中：吼为到达路口的实际流量( 辆由) ； 吼为通行能力； 饱和交通流s ( p c ui e g h ) ，单位为p c ui e g h 即换算小汽车辆数 有效绿灯小时。有效绿灯小时： qg+y-f(2-15) 式中口为实际绿灯时间( 占) ；y 为实际黄灯时间( s ) ；f 为一个相位的 信号损失时间( s ) ，由二种损失组成，绿灯启亮时，在停车线后等待的车 辆，由于不能立即提高速度，而存在启动时间损失，也叫绿时初损失1 1 ；为 避免交通流冲突，在一个相位的绿灯结束时，设有一小段黄灯时间，仅有 稀疏车辆通过停车线进入路口，形成黄时尾损失z ，；这样1 = 1 1 + 1 2 。 饱和度也是反映交叉口交通运行状况的一个定量化参数，饱和度数值越 大说明交叉口的饱和程度也越高。定性地可以分为如下三种情况： 1 饱和度小于1 ，表明此时的交通供给大于需求，交通运行状况为欠 r 饱和。 2 饱和度等于1 ，表明此时的交通供给等于需求，交通运行状况为临 界饱和。 3 饱和度大于1 ，表明此时的交通供给小于需求，交通运行状况为过 饱和。 对于一个交叉口来说，其饱和度并不是一个固定的数值。在道路条件 和信号配时一定的情况下，由于交通需求的随机变化，饱和度值也会相应 地发生着变化；在道路条件和交通需求一定的情况下，不同的信号配时方 案同样会导致不同的饱和度值。 饱和度作为交通控制的一个评价指标，能够定量化地反映交叉口的交通 供求之间的平衡程度，以及交叉口的交通运行状况。对于一个信号控制的 交叉口，为了保持交叉口的畅通、提高交叉口的通行能力、降低车辆延误， 总是力图使交叉口的饱和度维持在一定的范围内，既不希望太小，也不希 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 望太大。 在一定的交通条件下，如果要降低饱和度就必然要增大各相位信号的绿 信比，这意味着需要增大信号周期，从而必将增加车辆延误、停车次数等。 相反，如果要增大饱和度就需要减小各相位信号的绿信比，这意味着需缩 短信号周期，这样不仅会降低通行能力，而且也会增加车辆延误、停车次 数等。 在交叉口信号配时一定的条件下，即使一个时段内到达车流的统计平均 值相对固定，但由于车流到达的随机变化，单位时间内到达的车辆数并不 是固定不变的，这样交叉口运行的实际饱和度就随到达率的变化而变化。 按照平均到达率设计和计算的饱和度虽小于1 ，但在某时段内随着车流到达 率的增加，饱和度可能会大于1 ，这时交叉口的车辆延误会急剧增加，运行 条件恶化，易造成交通阻塞，如果持续时间较长还会导致相邻路口的交通 运行条件恶化，并引发较大范围的交通拥挤和阻塞，从而又会影响本路口 的交通运行。 为此，对于信号控制的交叉口，在信号配时设计时不仅要求饱和度小于 1 ，而且还要有一定的裕度，以保证有足够的余量适应交通流的随机变化， 保障交叉口的畅通。 在进行信号配时设计时，饱和度的实用范围通常为0 7 5 0 9 0 ，个别情 况可达0 9 5 。 除了上述几个评价指标外，还有旅行时间、拥挤时间、耗油量、废气 排放等其他指标。因为这些指标对评价孤立的平面交叉口来说不常用，故 不一一叙述。 需要指出的是，在一个控制系统中，这些评价指标并不能同时达到最 好；要想提高通行能力和减少起停次数，就必须加大信号周期，但是信号 周其超过最优周期，延误指标就会变坏。所以对于多目标的信号控制系统， 就必须引进综合指标这一概念。 综合指标用上述某几项指标的加权和表示。最常用的综合指标表示如 下： ，( g ) 一毛d + 七2 s + k 3 q 其i j ：d 为实际绿灯时f j ( s ) ； 、 t 是加权系数，荟岛- 1 5 ( 2 - 1 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 d ，s ，q 分别表示延误时间、停车次数和通行能力三个指标。此 三个指标的权值并非固定，而是根据交通流的变化，加以调整，以便优先 考虑某一指标，适应当时的交通状况。例如当交通处于欠饱和状态时，加 大岛值，应尽量使得延误指标最好；当交通处于过饱和时，加大屯值，使 得通行能力指标最好，以尽快消除堵塞。交叉口的各种交通状况可以用检 测器检出的实时交通数据，通过基于事件检测算法的判断进行确定。 2 2 交叉口信号控制的系统组成原理 平面交叉口的信号控制系统有开环系统和闭环系统两种。开环系统一般 采用定时控制的形式，假设交通流在各个时段固定不变，根据对各时段历 史数据的分析作一配时，控制系统即按此配时循环运行。开环控制适用于 交通流饱和程度高，并在各个时段内波动不大的情形。开环控制的缺点是： 它即就是把时段划分得再多，也不能适应交通流无规则的变化，难免会造 成绿灯时间的浪费。 闭环控制也即各种感应控制方式。它通过交通检测器把不断变化的交通 数据引入到控制系统，使系统能够根据实时的交通状态作出应答对策。闭 环控制适用于饱和度较低或各方向交通流无明显变化规律、随机性较强的 交叉口。当各向交通流接近允许的通行能力时，绿灯时间经过闭环控制系 统的调整必然接近最大绿灯时间，这时闭环控制与开环控制并无多大差别。 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 圈2 - 2 团环交通控制系统组成 闭环交通控制系统各部分功能介绍如下： 1 数据预处理 数据预处理完成把交通检测器检出的交通量数据换算成小车当量或把 交通量、占有率等数据进行平滑处理。由于检测器存在误检率，故原始数 据中的噪声因子不可避免。为了消除随机噪声的影响，对数据进行滤波处 理是必要的。 2 数据预报 交通控制系统不同于一般的工业控制系统，它是一个大滞后系统。系统 要在每个信号周期开始前就要根据此周期( 几十秒时间) 可能出现的交通需 求和交通状态数据进行控制参数的优化。所以，必须在每周期开始时就要 对该周期的某些交通数据进行预测。虽然也可通过把检测器前置的办法取 得被控路口的一些未来数据，但这只是一些感性的“点”数据，不能很好 满足控制系统的需要。为此，我们就要建立被控路口交通流的预测模型， 通过模型算法，对反映下一个控制周期交通流动态特征的数据进行多步预 西南交通大学硕士研究生学位论文第坫页 报。交通流预测的精度取决于检测器数量、检测器精度和预测模型精度。 目前已研究出的交通流预测模型有：基于卡尔曼滤波理论的预测模型、交 通需求的多变量动态线性模型、最优预测模型、神经网络预测模型。 3 最优对策 最优对策是交通工程师根据被控平交口的实际情况从对策库中优选出 的一种控制策略。有些控制系统中就做有对策库，系统可根据交通流状态 从对策库中实时选出最优对策，再对此最优对策的控制参数进行优化，去 控制信号灯。 4 对策库 对策库中各种策略是方法库中各种学科的理论、方法作用于数据库、规 则库的结果。数据库包括交通调查得来的历史数据及对策库所需的其他数 据。 规则库包括交通法规、交通控制方法( 如相序的安排、车道功能的合理 划分等) 等。方法库是能应用于交通控制的各学科的理论、方法、思想。 十 2 3 ；交叉口信号控制常用方法 平面交叉口常用控制对策有：定对控制、问隔感应控制、方案选择式感 应控制、方案生成式感应控制。 1 定时控制 根据历史交通数据确定其最优化配时的方法在w e b s t e r ( 1 9 5 8 ) ，b o l l i s ( 1 9 6 0 ) ，m m 盯( 1 9 6 3 ) ，b l u n d e n ( 1 9 6 4 ) ，a l l s o p ( 1 9 6 8 i 9 7 1 ) 等人的著作 中已有详述。我国杨佩昆等学者也有这方面的研究成果“。现在最常用的信 号配时方法有：韦尔伯特法、临界车道法、停车线法、冲突点法。需要指 出的是，这些理论配时结果很多情况下在实际应用中并不十分合适，需要 交通工程师现场进一步调整。 2 间隔感应控制 问隔感应控制是先运行一个最小绿灯时间，然后根据检测器送来的绿 灯相位车辆间隔大小决定是否再延时。每个相的绿灯时间还要受到最大绿 灯时间的约束。间隔感应控制又称微观控制，现在一般不单独使用，仅作 为宏观控制方案的微调措施。 3 方案选择式车辆感应控制 方案选择式车辆感应控制是在控制系统中存贮适合各种交通流状况的 多套配时方案，控制系统根据检测器送来的实时交通流、占有率等数据从 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 方案库中选出一套，控制信号灯的动作。这种控制方式在线计算量小，执 行速度快，但由于存贮的方案数总是有限，因而只能找到比较适合当时交 通流状况的配时方案，而不是最优的。方案选择式车辆感应控制和定时控 制统称宏观控制。 4 方案生成式车辆感应控制 方案生成式车辆感应控制能根据每个控制周期交通流的变动情况，自动 进行信号周期、绿信比、相位差( 甚至是相序) 等控制参数的优化计算0 1 。此 种 控制方式在线计算量增大，但适应交通流变化的能力大大增强，能实现基 于某个目标函数下的最优控制。方案生成式车辆感应控制有多种形式，如 自寻优控制、最优控制等。 在平面交叉口的实际控制系统中，往往包含有多个控制策略。检测器也 根据其放置位置的不同分为战路检测器和战术检测器，匹配各自控制策略。 日本京三制作所研究出的交叉口控制系统同时用到了多时段控制、宏观感 应控制、间隔感应控制等策略。 平面交叉口的信号控制也有其局限性嘲嘲。要使信号控制能够有效的前 提是：交叉口的交通需求必须小于其设计通行能力，也即路口处于欠饱和 状态。如果路口处于过饱和状态，控制系统只能按最大绿灯放行，堵塞己 不可避免。要解决过饱和交叉口的堵塞问题只有靠限制车流量，降低交通 需求或改善路口形状，提高其最大通行能力等办法了。 2 4 典型信号控制系统 城市区域交通信号的控制通常基于这样一个事实：在一个区域或整个 城市范围内，一个路口交通信号的调整将会影响相邻路口的交通流：而相 邻路口交通信号的改变也会影响本路口交通状况。因此，从整个系统的战 略目标出发，根据交通量检测数据，协调区域内各路口的交通信号配时， 必然能够取得整体最优的效果。而这种效果是交通信号单点控制所不能获 得的。 下面分别对这t i l n s y 、s c a t st 、s c o o t 、p d i o b e s 四大系统简单的 介绍分析。 。 2 4 1t r a n s y t 系统 t l 洲s y t 系统是当今世界上最负盛名的信号配时优化设计程序。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 t r a n s y t 的最初版本是由英国道路运输研究所( t r r l ) 于1 9 6 8 年研制成功。 经过3 0 多年的发展，目前已形成两个版本：t r l ( 其前身为t r r l ) 的 t r a n s y t i i 和美国f l o r i d a 大学的t r a n s y t 一7 f9 6 版。t r a n s y t 程序包括 如下两个主要组成部分。 1 ) 交通模型：用数学方法来模拟在信号灯控制下交通网上的车辆行驶 状况，以便计算在一组给定的信号配时方案作用下网络的运行指标。 2 ) 优化过程：改变信号配时方案并确定指标是否减小，这样经过反复 试算来求得最佳配时方案。 2 4 2s c a t s 系统 s c a t 控制系统是一种实时自适应控制系统。该系统是白7 0 年代开始研 究，并予8 0 年代初投入使用。最初应用于澳大利亚悉尼市，故而得此名。 目前，我国的上海等城市采用了s c a t 系统。这一系统是由澳大利亚新南威 尔士干线道路局的西姆斯( a g s i m s ) 等人开发的，实际上也是一种实时配时 方案选择系统。 s c 0 0 r r 即“绿信比、信号周期及相位差优化技术”，是一种对交通信号 网实时协调控制的自适应控制系统。s c o o t 系统是在t r a n s y t 基础上研制出 的一种自适应控制系统，全称为：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 n t e c h n i q u e ：绿信比、周期和相位差优化技术。该统与1 9 7 5 年在英国哥拉 斯哥市进行现场试验，取得了较好的效果。s c o o t 吸收了t a r a n s y t 各方面 的优点，进行实时控制，获得了明显优于静态系统的效果，被很多国家采 用。 2 4 4r 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 d e f f e c t i v e s y s t e m ：实时、递阶、最优化的、分布式、且可实施的系统) 系统是由美国亚利桑那州立大学的p b m i r c h a n d a n i 等人于近年