（计算机应用技术专业论文）单交叉路口信号控制方法研究.pdf

摘要 由于希腊学者p a p p i s 首次将模糊数学理论应用于城市交叉路口信号控制， 许多学者都与他论文中结果作比较。本文作者查阅了很多论文，没有找到能实现 p a p p i s 提出模糊控制具体步骤的文章，如果该步骤不清楚，后期智能控制很难 进行说明比较，所以本文对其进行了认真地研究，实现了该过程，并用不同的方 法与其比较，以达到改善交叉路口车辆平均延误时间的目的。 首先，采用定时控制方法对其进行研究。在研究目前国内外单交叉路口信号 控制技术上，本文对传统的定时控制技术根据韦伯斯特提出的最佳周期及车辆延 误公式进行计算和仿真，结果与p a p p i s 论文中的定时控制延误时间进行比较， 基本吻合。 其次，采用模糊控制方法对其进行研究。随着经济的发展，车辆的增多，交 叉路口阻塞现象频繁发生，因此迫切需要找到一种智能技术改进传统的控制方 法，本文针对p a p p i s 提出的单交叉路口模糊控制算法进行研究仿真，其结果与 本文定时控制延误时间进行比较，延误时间减少。 再次，采用模糊神经网络控制方法对其进行研究。针对p a p p i s 论文中的模 糊控制，本文用两种模糊神经网络算法：b p 、e l m a n ，分别对其进行研究仿真。 结果与本文模糊控制算法进行比较：模糊神经网络算法优于单纯的模糊控制算 法。 最后，对本文的四种信号控制方法进行了综合分析研究。仿真结果表明，在 单交叉路口信号控制计算车辆平均延误时间方面，模糊神经网络算法优于单纯的 模糊控制算法，模糊控制算法优于定时控制算法。 关键字：单交叉路口，定时控制，模糊控制，模糊神经网络控制，信号控制 a b s t r a c t p 印p i s ，g r e e c es c h o l 弛f i r s t l y 印p l i e dt l l e 勉z ym a t h e m a t i c s t 0c 埘s i 印a lc o n 仰l ，m a n y l a t e ra u t h o rc o m p a r ei t se x p e r i m e n tr e s u l tt op 印p i s t l l i sp a p e r sa u t h o rr e f e r st 0m a i l y p 印e r s ，a i l dd o n tf i n da n yp 印e rt h a tr e a l i z et t l ep a n i c u l a rs t e po fm z z ) rc o m r 0 1 i f l es t 印i s n oc l e 撕坝t l l en e x t 、o r kp u tu pd i 硒c u l t l y s o ，廿l ep 印e rr e a l i z e st h es t e pa n dc o m p a r e s d i f r e r e n tm e t h o dr e s m tt oi t t oi m p r 0 v et h ec a rd e l a yt i m ei si t sa i m f i r s t l y ，m et i m e dc o n 仃o li ss t u d i e d w 0 r k i n go nm es i 酬c o n 们lr e s e a r c ho ft h es i n g l e i n t e r s e c t i o na th o m ea i l da b r o a d ，t h ep a p e rc a l c u l a t e sa 1 1 ds i m u l a t e sm e 触d i t i o n a lt i l n e d c 0 n 们it e c l l i l o l o g yv i ao p t i m a lc y c l ea i l dt h ef o m u l af o rv e l l i c l ed e l a yw h j c hi sp r o p o s e db y w 曲s t e r c o m p a r e d t op 印p i s st h e dc o n t r o l ，m er u s u l ti sa c c o r d a n t s e c o n d l y ，t l l e 矗忆z yc o n t r o li ss t u d i e d w i 也t h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya 1 1 dm e i n c r e a s eo fv e h i c l e ，t 1 1 ep h e n o m e n o no f 雠i cb l o c ko 舭nh a p p e n s 皿u s ，i tn e e d sa d v a n c c d t e c m q u et oi i n p r o v em e 缸砸i t i o n a ls i 印a lc o n 臼0 1 t 1 1 ep a p e rs n l d i e s 缸石万s i g i l a lc o n t r o l w 1 1 i c hi sd e v e l o p e dp a p p i s 龇l ds i m u l a t et h em e t h o d ，n l er e s u l tc o m p a r i n gt h e 仃 狙i t i o n a lw a y i n d i c a t et l l a t 吐l ed e l a yo fc a rd e c r e a s e 1 1 l i r d l y ，t h e6 您z yn e u 棚c o r l t r o li s s t u d i e d 1 1 l ep 印e rd e v e l o p st w r 0 矗l z z yn e u r a l n e r kc o n t r o lm e m o d ( b p 、e l m a n ) t os i n m la _ t ep a p p i s s 矗忆巧c o n t r o lm e t l l o d 1 1 l er e s u l to f 如z 巧n e u m ln e 似o r kc o 曲的“ss u p e r i o rt h es i i l l p l e 丘坯万c o n t r o l - i nt h ee n d ，t l l ep a p e rm a l ( e st h eg e n e r a ls t u d yo ft l l e s ef o u rw 猡s o v e r a l l ，n l e 如z 巧 n e l 船ln e t 、阳r km e t l l o di ss u p e r i o rt om ef 娩巧c o n 舡d la n dt h e 缸强拶c o n t r o li sb e 慨r 吐l a l l l e t i m e dc o n t r o lm e t h o di ns i 舯a 1c o n t r o lo fs i n g l ei i l t e r s e c t i o n k e yw o r d s ：s i i l g l ei n t e r s e c t i o n ，t i m e dc o n t r o l ，f 嵫yc o n t r o l ， s i g n a lc o n l 胁l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：匆阑砷年4 月弘日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：岔栅哆l j 导师签名：醢枣一 舶 一7 年歹月牛日 长安大学硕上学位论文 1 1 课题的提出 第一章绪论 改革开发以来，随着社会和经济的迅速发展，城市的规模、人口数量、交通流量急 剧地增加，城市的交通问题越来越突出。交通基础设施建设缓慢、车辆阻塞现象严重、 交通事故频繁发生、环境污染加剧等这些都制约着人与自然的和谐发展。世界各国都在 努力改善交通问题，以北京为例【1 1 ，说明我国交通压力日益严重的趋势。北京市常住人 口规模在2 0 0 3 年底已超过1 4 0 0 万人，到2 0 0 8 年北京市常住人口总规模突破1 6 0 0 万人。 城市人口快速膨胀，必然加剧了对城市资源和环境的压力，并且给城市的就业、生活、 交通、住宅建设以及各项基础设施带来了压力。北京市、对交通基础设施投入在“九五 期间达4 0 0 亿元，占g d p 的4 3 ；“十五”期间预计投入8 3 8 亿元，占g d p 的5 1 5 。 这样的投资力度在全世界都是少见的，但是实际的北京市交通并没有得到根本的缓解。 在这种情况下，应该积极挖掘交通设施的潜力来改善交通环境。 城市的路网由若干条道路及若干个交叉路口组成。交叉路口是城市道路中的“咽喉”， 它是整个城市道路的瓶颈地带。车流汇集到交叉路口，又从交叉路口被分流出去，交叉 路口的车流情况是十分复杂的，因此交叉路口承担着十分繁忙的任务。在规划城市道路 时，交叉路口的确定起着重要的作用。交叉口设计得当，可以有效地缓解交通压力。所 以说解决城市交通问题的关键是城市道路交叉口的运行状态。 交叉路口的交通信号灯是一个交通信号指挥棒。交通信号灯的作用主要体现在四个 方面：确保道路安全、畅通、秩序、快捷。然而传统的信号灯控制系统，是按照预先设 定的固定周期进行控制的，不能根据实际交通流随时调整绿灯延时，例如当前东西方向 是绿灯时间，南北方向是红灯，而东西方向的车流比较稀少或者没有车经过，红灯方向 的车辆排队比较长，按照传统的方法依然要给绿灯方向固定的放行时间，这就造成了不 必要的等待时间和资源浪费。随着城市规模的扩大，传统的信号控制方法已不能满足实 际的需求，这就迫切要求寻找智能的、自适应的信号控制方法，以缓解交通拥挤，减少 环境污染和提高能源利用率等问题。 本课题是在上述背景下提出的，主要的研究目的是对于城市交通问题的现状，用不 同的方法，对单交叉路口交通信号的优化与控制问题进行研究和探讨，以期为解决实际 的城市交通问题提供有益的方法和途径。 第一章绪论 1 2 交通信号控制国内外研究历史和现状 交通控制有两种控制方式：一种是动态控制，包括交通信号的控制和可变交通标志： 另外一种是静态控制，包括固定的交通标志和交通标示。通常情况下所研究的都是信号 控制( 2 1 。 1 2 1 交通信号控制国外研究历史及现状 用信号方式控制交通流的思想最早产生于1 9 世纪【3 ，4 1 ，1 8 6 8 年，英国机械工程师纳 伊特在伦敦威斯敏特街口安装了一种红绿两色的信号灯，这是城市交通信号使用开始的 标志。1 9 1 8 年，纽约的街口安装了一种手动的三色信号灯，首次出现真正意义上的信号 灯。 1 9 2 6 年，英国人在伍尔弗汉普顿安设了第一座自动交通信号机5 1 。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。 1 9 6 3 年，加拿大多伦多市建立了一套由i b 6 5 0 型计算机控制的交通信号控制系统， 这是道路交通控制技术发展的里程碑。该系统第一次把计算机技术用于交通控制，大大 提高了控制系统的性能和水平。此后，世界各国都相继将计算机技术应用到交通信号控 制中( 6 ， ，以求有效解决日益严峻的城市交通问题。 2 0 世纪8 0 年代初，先后出现了很多区域交通控制系统，如t r a n s y t ( t r a f f i cn e t w o r k s t u d yt 0 0 1 ) 、s c a t s 、s c o o t 、r h d e s 【4 3 1 蚋，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 e c o n t r 0 1 ) ， p r o d y n 【6 ，1 9 ，2 们。 随着人工智能技术的发展，模糊控制、神经网络、遗传算法也相继应用到交通信号 控制中。 1 9 7 7 年，p a p p i s 提出了城市单向单路口模糊控制方法【2 ，首次把模糊数学应用于 交叉路口的信号控制中，这为城市路口信号的控制翻开了崭新的一页。 1 9 8 6 年，a n t h o n y 【2 2 1 等人提出将单交叉路口的交通状况分成不饱和状态饱和状态 及平稳状态不平稳状态之后再对信号进行控制。 1 9 9 2 年，f o y 等提出了一种在二相位的系统中用g a 来分配绿时长的方法。 2 长安大学硕- 士：学位论文 2 0 0 1 年，p a r k 【2 4 】等提出了一种对于固定周期的信号控制优化方法。该方法利用一 种g a 的接口与仿真模型相结合来对周期长度、绿信比、相位差同时进行优化。 2 0 0 6 年，y ij i a n g 【2 5 】等人提出了基于车队的主次干道的交通信号配时方法。 2 0 0 7 年，g h a s s a na b u l e b d e h 【2 6 】等人提出了拥挤状念的交通信号控制方法【2 6 】。 1 2 2 交通信号控制国内研究历史及现状 国内早期的技术主要是引进和学习外国的技术，我国智能交通技术应用的比较晚， 北京市在2 0 世纪8 0 年代末期引进了t r a n s y t 和s c 0 0 t 交通控制系统。目前，天津、宁 波、杭州等几个城市正在使用的是s c a t 系统。1 9 9 0 年，由原来的西班牙圣科( s a i n c 0 t r a f i c o ) 公司开发研制成功了自适应交通信号控制系统i t a c a ，目前该系统已在欧洲、 美洲、亚洲及非洲应用，国内已有长春、南宁、武汉、郑州等多个城市在应用【3 1 。 我国的交通工作者最近几十年也作了大量的研究，其中与本文有关研究如下： 1 9 9 2 年，我国学者徐冬玲【2 7 1 提出了基于感应控制思路的单路口模糊神经网络控制 方案，仿真结果比较理想。 1 9 9 8 年，陈森发等【2 8 1 提出了关键车流和非关键车流的概念，研究了非关键车流对 控制效果的影响，并且对p a p p i s 的算法进行了优化，仿真结果优于p a p p i s 方案3 1 。然 而该方法主要适用于城市交叉路口左转车流较小的时候，当左转车流较大时信号控制还 必须采用多相位控制。同年，东南大学的顾怀中、王炜等例人，在考虑交叉路口的延 误、停车及通行能力的情况下，提出了交叉口信号配时的模拟退火全局优化算法，对交 叉口的信号周期时长进行优化。 1 9 9 9 年，刘智勇、朱劲等【3 0 1 人根据对多相位单交叉路口交通指挥决策过程的研究， 设计了一种模糊感应控制器，把队长作为控制目标，综合分析相邻相位车道上的车队队 长。 2 0 0 1 年西北工业大学的黄辉先和史忠科【3 1 1 提出基于遗传算法的城市交叉口信号配 时模型，该模型以交叉路口滞留车辆数最小为目标函数对信号进行控制，缺点是没有考 虑交叉路口车辆在上一周期的时间延误。 2 0 0 4 年，浙江大学的沈国江、王智等3 2 1 利用模糊神经网络对城市区域交通进行实 3 第一章绪论 时分散控制。仿真结果表明：在交通流量较大和流量时变的环境下，此方法比传统信号 控制方法效果好。 2 0 0 6 年王秋平、谭学龙、张生瑞【3 3 】通过分析单点信号控制交叉口交通流特性与通 行能力基础上，建立以平均延误时间最短、平均停车次数最少为目的，以有效绿灯时间、 饱和度及周期长度为约束条件的城市单交叉口信号配时优化模型，采用遗传算法及遗传 模拟退火算法对其进行求解。 根据上述对国内外交通信号控制历史及现状的研究，本论文的主要着眼点是单交叉 路口的信号控制，并选择单交叉路口信号控制为研究课题。 1 3 论文的研究意义 单交叉路口的交通信号控制是交通系统的基础。目前，我国的信号控制特点为：单 点信号控制较多，主线信号控制、区域信号控制较少。根据全国城市交通管理“畅通工 程 专家组调查，仅有不足1 的信号交叉口进入主线信号控制或区域信号控制，9 9 以上的均是单点控制，并且，随着交通量的增加，单点控制信号交叉口的数量还在不断 增加。本文以不同的理论对单交叉路口两相位信号控制进行了研究，并对各种车流 情况下单交叉路口的车辆平均延误作了综合分析。研究的结果对实际应用有重要的参考 价值。 ( 1 ) 随着工业的发展、城市规模的扩大、车辆数量的逐年递增，城市交通的压力将 会越来越大。而单交叉路口的信号控制的有效力度是解决城市交通问题的关键。所以研 究单交叉路口的信号控制对国民经济发展、节省能源、降低污染、促进城市可持续发展 等方面具有重要的理论和实践意义。 ( 2 ) 城市区域控制中存在问题。其一是在城市交通中有一些交叉口，距离其他交叉 口比较远，该路口的信号控制不影响其他交叉口的车流，如果对这些交叉路口实行区域 控制则不能得到较好的效果，国外实践表明：对于相距1 i ( 1 i l ，且需求较大的交叉路口， 采用单点控制的效果要明显优于区域控制1 3 4 1 。其二，对于一些交通流量比较大的交叉 路口，区域控制不如单点控制理想。因此，研究单交叉路口是必要的。 ( 3 ) 单交叉路口智能控制的社会效益。单交叉路口的智能控制作为城市交通管理智 能化的基础，在改善交通问题的同时，也间接提高了城市的国际竞争能力，为城市的投 资环境的改善起到一定的作用。交通问题解决的好，还可以推动城市旅游业的发展，间 4 长安大学硕士学位论文 接地给城市带来了经济效益。由于智能交通控制是信息技术产业的分支，单交叉路口的 智能控制在推动城市交通管理智能化发展的同时，也推动了i t 业的发展。物流业的发 展依赖于城市交通运输的发展规模和发展水平，单交叉路口的智能化发展，必将影响物 流产业的发展，将推动城市口岸经济效益的增长。 ( 4 ) 神经网络和模糊控制相结合是智能控制新的研究方向之一。该方法的研究对信 号控制领域的发展有一定的推动作用。 1 4 论文的研究内容 本课题主要工作是在希腊学者p a p p i s 对于城市单交叉路口研究基础上，对单交叉 路口使用不同的方法进行研究和仿真实现。具体的研究内容如下： ( 1 ) 课题背景的研究 首先通过对城市交通运行状况进行分析，提出了本课题的研究目的。其次通过大量 阅读国内外文献，并对城市单交叉路口信号控制及相关领域的国内外发展概况进行了研 究。最后指出论文研究的意义。 ( 2 ) 单交叉路口定时信号控制的研究 先对交通信号控制的基本概念、参数意义、目前单交叉路口信号控制的主要方式及 城市区域交通控制进行了仔细地研究，接着对学者p a p p i s 论文中提到的用韦伯斯特公 式计算单交叉路口信号定时控制的方法进行了研究，并通过m a t l a b 程序具体实现，结 果比较理想。 ( 3 ) 单交叉路口模糊信号控制的研究 模糊控制是交叉路口信号控制新的研究方向之一，由于p a p p i s 提出的模糊控制技 术是模糊控制在交通领域应用的开端，许多研究者把自己的研究结果与之比较，本文作 者查阅了很多论文，没有找到能实现p a p p i s 提出的模糊控制方法具体步骤的文章，所 以本文对其进行了认真地研究，给出了模糊控制的具体步骤，并用m a t l a b 仿真实现。 ( 4 ) 单交叉路口模糊b p 神经网络信号控制的研究 论文在定时控制、p a p p i s 模糊控制的技术之上，提出了模糊神经网络信号控制技术。 通过用b p 算法对单交叉路口进行了仿真，结果说明交叉路口车辆的平均延误时间比模 糊控制需要的时间短。 ( 5 ) 单交叉路口模糊e l i i l a n 神经网络信号控制的研究 5 第一章绪论 e 1 m a n 神经网络是一种典型的动态神经网络，它是在b p 网络基本结构的基础上，通 过存储内部状态使其具备映射动态特征的功能，从而使系统具有适应时变特性的能力。 因此，本文尝试用模糊e l m a n 网络对单交叉路口信号控制进行仿真，结果说明在车流量 较大时，单交叉路口车辆的平均延误时间比模糊b p 算法要短。 最后本文对信号的定时控制、模糊控制、模糊b p 神经网络控制、模糊e 1 m a n 神经 网络控制做个综合分析研究。 1 5 论文的组成 本文具体内容和组织结构安排如下： 第一章绪论 首先阐述了信号控制对于交通问题发展的重要性作用，给出了本课题。接着简要地 研究国内外城市交通信号控制的历史和现状，最后对本课题所作的工作进行了说明，并 概括地描述了论文各章节的组成。 第二章定时控制 本章简要介绍了交通信号控制的基本概念、控制参数，单交叉路口信号控制的两种 传统方法。根据韦伯斯特公式使用定时控制计算单路口两相位的最佳周期及车辆的平均 延误时间，并使用m a t l a b 编程实现。 第三章单路口两相位的模糊控制 首先简要地介绍了模糊控制的概念及特点，模糊控制的数学基础，模糊控制器的设 计步骤。研究p a p p i s 提出的单路口两相位模糊控制方法，从模糊控制器的输入、模糊 规则推理、输出给出了详细的说明，并用m a t l a b 编程实现和仿真。 第四章模糊b p 神经网络信号控制 本章是在第三章的基础上，使用另外一种新的研究技术对p a p p i s 研究方法进行分 析和仿真实现的。先介绍b p 神经网络的特点及其学习规则。利用神经网络的特性，建 立基于模糊b p 神经网络的信号控制方法，并对网络进行训练和测试，应用网络进行仿 真和车辆延误的计算。 第五章模糊e l m a n 神经网络信号控制 首先介绍e l m a n 神经网络技术，接着在第三、四章的基础上，建立e l m a n 神经网络 模型，并对其进行训练和测试，应用网络进行仿真和车辆延误的计算。最后按照车辆延 6 长安大学硕一l 学位论文 误时间，对本文所使用的四种单交叉路口方法进行综合分析。 7 第- 二章定时控制 第二章定时控制 2 1 交通信号控制的基本概念 在繁忙的交叉口，车辆和行人有序的通过，这都因为有交叉口信号灯的有效控制， 合理地分配交通流量，及时地疏导交通的结果。城市道路交通控制的基本理论是了解交 通信号控制的基础。 2 1 1 平面交叉口的交通组织方式 平面交叉口根据车流量可采用以下三种组织方式： ( 1 ) 无信号控制。在交通量较小可以不设信号灯管制。 ( 2 ) 信号控制。采用信号灯或者人进行控制。 ( 3 ) 环形交通。在交叉口的中央设置环形岛，使车辆按照一个方向行驶。 2 1 2 交通信号灯 目前的交通信号灯分为红、黄、绿三种3 5 1 。早期的信号灯只有红、绿两种。随着社 会的发展，交通信号灯发展成现在的三种并且还包括左转、直行及右转的绿色和红色箭 头，还有闪烁灯及倒计时灯等。随着信号灯种类的发展，各国使用信号灯的差别也越来 越大，为了一致，各国基本认同1 9 7 4 年发布的欧洲道路交通标志和信号协定【引， 其含义如下： ( 1 ) 非闪灯 绿灯：表示面对绿灯方向的车辆可通行。 红灯：表示面对红灯方向的车辆禁止通行。 黄灯：表示即将亮红灯，车辆需停止。 ( 2 ) 闪烁灯 红灯闪：表示警告车辆不许通行。 黄灯闪：表示车辆可通行，但要特别小心。 ( 3 ) 箭头灯 绿色箭头灯：表示车辆只允许沿箭头所指方向通行。 红色或黄色箭头灯：表示只对箭头所指方向通行。 ( 4 ) 专用于自行车的信号灯 在信号灯的基础上标示自行车的图案。 r 长安大学硕 ：学位论文 ( 5 ) 专用于行人的信号灯 在信号灯的基础上标示人的图案。 2 1 3 交通信号灯的安排和排列 目前交通信号灯的安装方式有两种：一种是安装在伸向交叉口中央上的r 型臂上； 一种是安装在路口边或中央的灯柱上【3 5 1 。 信号灯有两种排列方式： ( 1 ) 水平排列方式 从左边开始红、黄、绿的顺序排列。 ( 2 ) 垂直排列方式 从上往下依次是红、黄、绿灯。 2 2 交通信号控制参数 交通信号的作用是将时间上相互冲突的交通流进行分离，使车辆能安全、迅速地通 过交叉口。一般来讲，交通控制至少有3 个参数是由信号机控制的，像周期、绿信比和 相位差等。 2 2 1 信号周期 在某一时刻，灯控路口各个方向各信号灯状态所组成的一组确定的灯色状态称为 步。步持续的时间称为步长。交通信号灯总是一步一步循环变化的，一个循环由有限个 步构成。一个循环内各步的步长之和称为信号周期，简称周期，用c 来表示3 5 1 。若一 个循环由刀步，各步步长分别为，乞，乙，则 c = + 乞+ + 乙 ( 2 1 ) 2 2 2 信号相位 在交通控制中，为了避免平面交叉口上各个方向上交通流之间的冲突，通常采用分 时通行的方法，也就是在一个周期的某一个时间段，交叉口上某一支或某几支交通流具 有通行权( 即该方向上的信号灯位绿色或绿箭头) ，而与之冲突的其他交通流不能通行 ( 即该方向上的信号灯为红色) 。在一个周期内，平面交叉口上某一支或某几支交通流 9 第二章定时控制 所获得的通行权称为信号控制，简称相位；一个周期内有几个信号相位，则该信号系统 为几相位系统。 2 2 3 绿信比 在一个信号周期中，各相位的有效绿灯时间与周期长度的比称为绿信比。若设乞，为 第f 相位信号的有效绿灯时间，c 为周期长度，则该相位信号的绿信比五，【3 5 】为 丑= 乞c ( 2 2 ) 从公式2 2 可得：0 允， 砂是到达车头时距厅( 车头时距指的是在同一车道上行驶的车辆队列中，两 连续车辆车头端部通过某一断面的时间间隔) 大于f 秒的概率；a 是车流的平均到达率； f 是连续的时间。 ( 2 ) 移位负指数分布 a 使用条件：用于描述不能超车的单列车流的车头时距分布和车流量低的车流的 车头时距分布。 b 基本公式： p ( 办 f ) = e a h ， f f ( 2 9 ) 式2 9 中尸仰 砂是到达车头时距办大于f 秒的概率；旯是车流的平均到达率；f 为最小 车头时距；，是连续的时间。 移位负指数分布的均值和方差分别为： m = 屺d = 嘉， ( 2 1 0 ) 兄 力 式2 1 0 中，用样本均值m 代替坛样本方差s 2 代替d ，则可算出移位负指数分布的两 个参数a 和f 。 1 2 长安人学硕士学位论文 2 3 单点信号控制 单点信号控制就是一个交叉口的信号控制只能由该交叉口运行控制，与其它的交叉 口没有关系。单交叉口主要有两种控制方式：定时控制和感应控制。 2 3 1 定时控制 所谓的定时控制就是交叉口的周期及各步步长是不变的。交叉口的信号控制机均是 按事先设定的配时方案运行，一天只用一个配时方案的称为单段式定时控制；一天按不 同时段的交通量采用几个配时方案的称为多段式定时控制【2 9 j 。 目前，国际上定时控制比较成熟的方法有英国t r r l ( t r a n s p o r ta n dr o a dr e s e a r c h ) 方法和澳大利亚a r r b ( a u s t r a l i a nr o a dr e s e a r c hb o a r d ) 方法，下面简单的介绍这两种 方法。 1 英国t r r l 方法 这种方法是由韦伯斯特( w e b s t e r ) 提出。先来说明有关术语及参数，然后简要介绍 配时和通行能力的计算方法。 ( 1 ) 饱和流量：在一次连续的绿灯时间内，交叉口进口道上连续车队能够通过进口 道停车线换算为小客车的最多车辆数。t r r l 通过观测和试验得到： s = 5 2 5 wp c u 时w 5 5 ( 2 1 1 ) 式2 1 1 中p c u 指道路运行段的流量，是将各种客运交通工具和货运汽车产生的道路 交通量统一折合成标准小汽车的当量，w 是进口道宽度( 米) ，s 是进口道的饱和度。 ( 2 ) 流量比：进口道实际到达交通量同进口道饱和流量之比，即流量比少= 等，g o 是进口道实际到达交通量，s 是进口道饱和流量。 ( 3 ) 有效绿灯时间和信号损失时间 绿灯亮时，车辆不可能立刻启动开出停车线，因此，绿灯不是全部可用在通行车上 的。有效绿灯时间是实际上可用于通车的绿灯时间。上一相位绿灯结束到下一相位绿灯 启亮之间的时间叫绿灯间隔时间。信号损失时间即包括启动损失和绿灯间隔时间中的部 分损失时间。有效绿灯时间g e = 实际绿灯时间g + 黄灯时间a 一启动损失时间l 。实际 绿灯时间就是绿灯的显示时间。绿灯初与黄灯尾的损失时间都属于启动损失时间。 ( 4 ) 最佳周期时间 韦伯斯特给出了交叉口定式控制的延误公式【3 7 】： 第二二章定时控制 以= 筹+ 嘉- o 6 5 ( 枷 ( 2 1 2 ) 。 2 ( 1 一无f )2 q ( 1 一x )、9 2 式2 1 2 中，z 表示车辆的平均延误；c 表示周期长；兄等于有效绿灯时间与周期 之比；鸟表示某一方向的车流量；x 表示饱和度； 为了使延误最小，得出定时信号控制最佳周期时间公式： c o = 等 ( 2 1 3 ) 式2 1 3 中，三表示每个周期的总损失时间；y 是各方向的车流量之和。 ( 5 ) 信号配时 根据式2 1 4 确定的周期时间，可得到每周期的有效绿灯时间 g = c o 一 ( 2 1 4 ) 式2 1 4 中，g 表示每周期中的有效绿灯时间，c o 表示周期长度，上每个周期的总损失 时间。 ( 6 ) 通行能力 在信号灯交叉口，车辆只能在有效绿灯时间内通过交叉口，因此信号灯交叉口进口 道上的通行能力为： ：鱼窒巳：力s( 2 1 5 )：! 显：力s( 2 1 5 ) 式2 1 5 中，表示进口道的通行能力，表示有效绿灯时间，c 表示周期长度，s 表示 饱和度。 2 澳大利亚a r r b 方法 a k c e l i k 在韦伯斯特公式基础上改进而得到了a r r b 方法。在韦伯斯特延误公式中， 当饱和度x l 时，d 一，即x 越接近于1 ，算得的延误越不正确，更无法计算饱和 交通情况下的延误。因此，a k c e l i k 把延误公式改为： d = 掣+ 。x ( 2 1 6 ) 2 ( 1 一y ) ” 、 式2 1 6 中：d 为总延误，0 为平均溢流排队车数。g 表示流量，c 表示周期时间。y 是流量比，x 表示饱和度。 根据我国的具体国情，城市道路设计规范印1 采用了两种方法计算信号灯交叉路 1 4 k 安人学硕上学位论文 口通行能力分别为：停车线法和冲突点法。 2 3 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，信号灯的配时方案随着检测器检测 到的数据变化而变化。感应控制从实施方案上可分为两种：一种是全感应控制，是在交 叉口的所有入口道上均安装检测器，并根据各个进口道的交通量来分配绿灯时间，这种 适用于等级相当的道路、其交通量变化大且难于预测的交叉口上；另一种是半感应控制， 就是将检测器安装在次要道路上，并给予最小限度的必要的绿灯时间，而把大部分绿灯 时间都给主要道路的种控制。它适用于在主次道路相交并且交通量变化比较大的交叉 口。我国设计了一种半感应控制，把检测器设置在主要道路上，只有当检测器在一段时 间内测不到车辆时，才换成次要道路的相位通车：当干道上测得车辆到达时，通车相位 又换回主要道路。这种控制方式有利于次干道上自行车的通行。 2 4 城市区域交通控制 一个路口的交通信号灯通常不是独立的，会受到相邻的交叉口信号灯的影响。从整 个区域考虑交通流对交叉口的影响，各路口的配时会取得较好的效果。 区域交通控制系统是将城市某个区域中的所有交叉口作为对象，对整个区域各交叉 口的交通流用计算机进行统一的协调控制。区域控制系统是随着交通控制理论的不断发 展，通讯、检测、计算机技术在交通控制领域的广泛使用而发展起来的。早期的区域控 制系统着重于对周期、绿信比和时差等交通信号参数进行最优控制。现代的交通控制系 统则是多种技术的综合体。它包括车辆检测、数据采集与传输、信息处理与显示、信号 控制与最优化、电视监视、交通管理与决策等多个组成部分。区域控制系统从控制策略 上基本分为两大类1 3 7 1 。 2 4 1 定时控制系统 该系统利用交通流历史统计数据，进行脱机优化处理，得出多时段的最优信号配时 方案，存入控制器或控制计算机内，对整个区域交通实施多时段定时控制。定时控制简 单、可靠、效益投资比高；但不能适应交通流的随机变化，特别是当交通流数据过时后， 控制效果明显下降，重新制定优化配时方案将消耗大量的人力再作交通调查。 1 5 第一：章定时控制 2 4 2 自适应控制系统 它是一种实时联机的控制系统，也叫动态响应控制系统。在控制区交通往来中埋设 检测器，实时采集交通流数据，实施联机最优控制。自适应控制结构复杂、投资高、对 各种设备可靠性要求高，但能较好地适应交通流的随机变化。 区域交通控制可以从不同的角度进行分类。按运行方式可分为离线控制系统和在线 控制系统。 在线控制系统主要是指：通过路网上的车辆检测器，实时采集交通量数据，进行交 通模型辨识，进而可得到与配时参数有关的优化问题，在线求解该问题即获得配时方案， 然后对区域内的交通信号实施控制。在线控制系统能够及时响应交通流的随机变化，控 制效果好，但控制结构复杂，系统维护困难。 离线控制系统主要是指：利用已有的交通量统计数据进行脱机优化处理，得出最优 配时方案，然后存入信号机或者控制计算机内，对整个区域实施控制。目前比较成熟的 信号配时和分析软件主要有：t r a n s y t 、c o r s i m 、m a x b a n d 等系统。 2 5 单交叉路口两相位的定时控制 单交叉口的信号控制是最基本的交通控制形式，控制的目的是减少车辆和行人的延 误时间最小。本节内容是根据c p p a p p i s 【2 1 1 中提到的定时控制方法来实现的。 2 5 1 问题描述 城市单交叉路口交通流图如图2 1 ，假设有东、南、西、北四个方向的车流，每个 方向只考虑直行的情况，其它的忽略不计。 一j i 上l 西东 t 厂 图2 1 单交叉路口示意图 该交叉口有两个相位，每个相位对应的车流分别如图2 2 和2 3 所示： 1 6 长安大学硕士学位论文 北 北 一土儿l l 西东 ttt 厂 南 图2 2 第一相位 西 = 东 卜一乐 _ i 一 厂 南 图2 3 第二相位 用定时信号控制方法对该交叉口进行控制，即根据两个相位的车流情况，通过韦伯 斯特公式算出最佳周期长度和各相位的步长，从而计算各个相位的车流延误情况。下面 具体实现控制器的设计和算法。 2 5 2 单交叉路口定时控制器模型的设计 ( 1 ) 单交叉路口周期的确定 韦伯斯特最佳周期计算公式如公式2 1 4 ，计算有效绿灯时间如公式2 1 7 ： 矿 岛= 号( c o 一三) j = 1 ，2( 2 1 7 ) 式2 1 7 中：c o 是最佳周期，岛是第f 相位的有效绿灯时间，f 取值为l 和2 ，三是周期 的损失时间( 1 0 秒) ，z 是第f 方向的车流量，y 是总的车流量，等于第1 相位和第2 相 位车流量之和。 假设当前南北方向的车流是3 6 0 车小时，东西方向的车流是1 0 8 0 车小时，通过 韦伯斯特公式可到当前的周期3 3 3 3 秒，第l 相位的有效绿灯时间是5 8 3 秒，第2 相 位的有效绿灯时间是1 7 5 0 秒。 ( 2 ) 计算车辆的平均延误 该模型中用到的是韦伯斯特公式计算车辆的平均延误，韦伯斯特公式如本文公式 2 1 2 。 根据车流情况通过周期公式计算，可得到该情况下的周期长度和延误公式中的各种 参数，从而可求得车辆延误。因此可计算第1 相位的车辆延误是1 4 9 8 秒车，第二相 位的车辆延误是6 1 6 秒车。 由此公式并不能得到定时控制某周期车辆的平均延误数据，还需要对各个方向的延 误作加权运算，权值就是各个方向的车流量，公式2 1 8 如下： 1 7 第一二章定时控制 z ：盟幽丛生 ( 2 1 8 ) g l + 9 2 上2 1 8 式中：吐( f ) 表示第i 相位的车辆延误，i = 1 ，2 ； 吼表示第i 相位的车流 量；i = 1 ，2 ；z 表示交叉口车辆的平均延误时间。 通过公式，可求得南北方向的车流是3 6 0 车小时、东西方向的车流是1 0 8 0 车小 时情况下的车辆平均车辆延误是8 3 3 6 秒车。同理，可以求得各种车流情况下的车辆 平均延误。 2 5 3 编程实现 ( 1 ) 程序流程图 l 入口 输入东西、南北 方向的车流量 上 分别计算第1 、2 相位的车辆延误 上 计算车辆平均延 误 退出 0 图2 4 流程图 ( 2 ) m a t l a b 实现 程序如下： q 1 = i n p u t ( i n p u tq lp l e a s e ：) ：请输入南北方向的车流量 q 2 = i n p u t ( i n p u tq 2p l e a s e ：) ：请输入东西方向的车流量 q 1 = q l 3 6 0 0 ：对南北车流量进行单位转换 q 2 = q 2 3 6 0 0 ：对东西方向车流量进行单位转换 y 1 = q 1 ：d i s p ( y 1 ) 用y 1 来表示南北方向车流量及权值 y 2 = q 2 ；用y 2 来表示东西方向车流量及权值 1 8 长安大学硕：f ：学位论文 y = y 1 + y 2 ：d is p ( y ) 权值相力日 c = 2 0 ( 卜y ) ：d i s p ( c ) 求周期长度 9 1 = y 1 ：i ：( c 一1 0 ) y ：d i s p ( 9 1 ) 求第1 相位的有效绿灯时间 9 2 = y 2 术( c 一1 0 ) y ：求第2 相位的有效绿灯时间 w 1 = 9 1 c ；d i s p ( w 1 ) 求第一相位的绿信比 w 2 = 9 2 c ：求第二相位的绿信比 x 1 = q 1 w 1 ：d i s p ( x 1 ) 第一相位的饱和度 x 2 = q 2 w 2 ：第二相位的饱和度 d 1 1 = c ，i ： ( 1 一w 1 ) 4 2 2