（计算机应用技术专业论文）饱和交通干线的信号协调控制算法研究.pdf

硕士学位论文 m a s t e r s t h e s l s 中文摘要 随着城市化进程的加快及机动车辆人均拥有率的增加，城市交通问题已成为影 响社会进步的热点及难点问题。而城市干线道路作为城市交通网络中车辆通行的大 动脉，承担着车辆流通的重担。因此，在解决城市交通阻塞问题中，重中之重的是 提高干线上车辆的通行能力，减少车辆的阻塞次数。由于地理资源和资金的限制， 尚难以通过道路的大量投资建设，来满足城市交通发展的需要。因此，提高现有道 路的通行能力成为解决城市道路设施负担过重的突破点。 在目前的交通控制研究中，热点集中于根据交通流量的变化来制定交通控制方 案的智能控制。然而，在城市交通网络中，主干线的交通流通常是运行在饱和或接 近饱和状态下，在这种情况下，由于干线十字路口每个入口方向都有辆车等待，因 此，智能控制方法失去了用于调控的决策因素，从而退化为静态随机相位差信号控 制。 本文针对目前城市干线交通拥挤的现状，设计了交通干线信号协调控制算法， 主要工作如下： 1 ) 根据饱和干线交通路况，设计了针对非特殊交叉路口间距干线的最大双向 绿波带b e s t m r a n g e 干线协调配时算法。该算法能够在确保干线路口次干道正常调 度的情况下，使得车辆在规定的高速度下，以脉冲式车队的形式无阻塞地通过所有 干线主干道路口。从而，极大地减少了过往车辆的停车与启动次数，提高了主干道 车辆的吞吐量。 2 ) 随着干线上十字路口的增加，找到一个能在干线上形成最大双向绿波带的配 时策略的概率减小。此时，论文设计了g r e e d y算法，该算法将bonelinearrange 干线上的信号灯进行分段，以每一段都能满足b e s t a r r a n g e 而形成双向绿波带为前 提，以贪心思想找到干线分段数最小的分段配时方法。针对各个信号灯之间的交通 饱和度不等的情况，论文设计了s a t u r a t i o nb o n e l i n ea r r a n g e 算法。该算法以动态 规划思想找到干线车辆通行总延误最小的分段配时方法。采用该算法，对不同饱和 度的干线而言，车辆因遇到停车信号而产生的延误总量将会最小化。 最后对全文进行了概括性总结，并指出了理论和应用上有待迸一步研究的问 题。 关键字：双向绿波带，信号灯，城市干线，饱和交通，协调控制 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t i o no ft h ep r o c e s so fu r b a n i z a t i o na n dt h ei n c r e a s i n go w n e r s h i p o fv e h i c l e s , t h ei s s u eo ft r a n s p o r t a t i o nh a sb e c o m eah o tt h o m ya n dd i f f i c u l tp r o b l e mi n u l b a n a st h ec i t y 锄ca r t e r yo ft r a f f i cn e t w o r k , u r b a nb o n er o a dt a k et h eg r e a tr o l ei n t h et i a 伍cf l o w t os o l v et h eu r b a nt r a m cp r o b l e m , t h em o s ti m p o r t a n c ei st oi m p r o v e t h ec a p a c i t yo ft h es k e l e t o nr o u t e ，t or e d u c et h en u m b e ro fv e h i c l e sb l o c k i n g ，o w i n gt o g e o g r a p h yr e s o u r c e sa n dt h ef u n d sl i m i t , t os a t i s f yt h en e e d so fm u r t i c i p a lt r a n s p o r t a t i o n i sh a r dt oi m p l e m e n t a t i o nj u s tb yb i gi n v e s t i n gi nt r a m cc o n s t r u c t i o ns t i l l t h e r e f o r e ， i m p r o v i n gt h ec a p a c i t yo fd e l i v e r yv e h i c l e sa b o u tt h ee x i s t i n gt r a 伍cl i n eb e c o m et h e b r e a k t h r o u g hp o 硫o f s o l v e so v e r b u r d e n e do ft h eu r b a nr o a df a c i l i t y a tp r e s e n t , t h eh o ts p o ti si n t e l l i g e n td y n a m i c a lc o n t r o lm e t h o dw h i c hc a nm a k e t h ew a f f l ec o n t r o lp l a na c c o r d i n gt ot h ew a f f l ef l o wc h a n g i n gi nt h et r a 伍cc o n t r o lf i e l d h o w e v e r , t h et r a f f i cf l o w i n gu s u a l l yi si nt h es a t u r a t e do rc l o s es a t u r a t e dc o n d i t i o no n t h es k e l e t o nr o u t ei nt h eu r b a nt r a f f i cn e t w o r k i nt h i sc a s e ，t h e r ea l em a n yv e h i c l e s w a i t i n ga te v e r yd i r e c t i o no ft h ec r o s s i n g s o ，d u et ot h ei n t e l l i g e n td y n a m i c a lc o n t r o l m e t h o dl o s i n gt h ef a c t o r su s e dt om a k i n gd e c i d i n g ，i td e g e n e r a t e st ot h es t a t i cr a n d o m p h a s e o f f s e ts i g n a lc o n t r 0 1 o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gp r o b l e m so ft h es k e l e t o nr o u t ei nt h eu r b a nt r a m c n e t w o r k , t h et h e s i sd e s i g n sn e wa l g o r i t h m so ft r a f f i cs i g n a lc o o r d i n a t e dc o n t r 0 1 t h e r e s e a l c hm a i n l yi n c l u d e ss e v e r a lp a r t sa sf o l l o w ： f i r s t l y , i nv i e wo ft h en o n - s p e c i a ld i s t a n c eb e t w e e ni n t e r s e c t i o n s ，t h et h e s i sd e s i g n s c o o r d i n a t i o no ft i m i n ga l g o r i t h m ，“b e s ta r r a n g e ，w h i c hf o r m st h el a r g e s tb i d i r e c t i o n a l g r e e n - b a n d , a c c o r d i n g t os a t u r a t e ds k e l e t o nr o u t e s t a t u s u s i n g b e s ta r r a n g e a l g o r i t h m ，t h ev e h i c l e sc a l lp l u s f o r m e dc r o s sa l li n t e r s e c t i o n sw i t h o u ta n yb l o c k i n gb y t h er e ds i g n a la tl e g a lh i g hs p e e d ，a l s om a k es u r et h es u b r o u t ea tt h en o r m a ls c h e d u l i n g p l a n t h u s ，i tg r e a t l yr e d u c e st h en u m b e ro fs t a r t i n ga n dp a r k i n gv e h i c l e s ，a n di m p r o v e s t h et h r o u g h p u tc a p a b i l i t yo ft h et r u n kr o a d s e c o n d l y , w i t l lt h ei n c r e a s i n go fi n t e r s e c t i o no nt h eb o n el i n e , t h ep r o b a b i l i t yi s r e d u c e dt of i n das u i t a b l es t r a t e g yo fs i g n a lc o n t r o l ，w h i c hc a nf o r mt h e l a r g e s t b i d i r e c t i o n a l g r e e n - b r a n d o nt h eb o n el i n e a tt h i s p o i n t , t h e t h e s i s d e s i g n s 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s “g r e e d y _ b o n e l i n e _ a n a n g e ”a l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h mc u t so f ft h eb o n el i n et os e v e r a l p a r t i t i o n s ，a n dm a k e ss u 咒t h en u m b e ro fp a r t i t i o n si st h es m a l l e s tb yg r e e d yt h i n k i n g ， e v e r yp a r t i t i o nc a nb eu s e db y b e s t a r r a n g e i st h ep r e m i s e i nv i e wo ft h ed i f f e r e n t s a t u r a t i o nb e t w e e ne a c hs i g n a ll i g h t , t h et h e s i sd e s i g n s “s a t u r a t i o n _ b o n e l i n e _ a r r a n g e ” t h i sa l g o r i t h mc a 1m i n i m i z e dt h et o t a ld e l a yt i m eb yd y n a m i cp r o g r a m m i n gt h i n k i n g u s i n gt h i sa l g o r i t h r a ，t h et o t a ld e l a yt i m eo fg e n e r a t e db ys t o ps i g n a lw i l lb em i n i m i z e d i nw h o l eb o n el i n e f i n a l l y , t h et h e s i sm a k e sac o n c l u s i o na n dp r o p o s e st h ef u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s k e yw o r d s ：b i d i r e c t i o n a lg r e e n - b a n d , t r a f f i cs i g n a l ，u r b a nt r u n k , s a t u r a t e d t r a f f i c ，c o o r d i n a t e dc o n t r o l 硕士擎位论文 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 角浩 日期：如7 年月f 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 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。本人授权华中师范大 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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同意华中师范大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传 播学位论文的全部或部分内容。 作者始瑚澎 孙娩湛喜儿 日期：如c 7 年石月f d 日日期：力傍弘月。日 i f 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程”中的 规定享受相关权益。圃壶途塞握交后进厘! 旦坐生；旦二生；旦三生发查! 作者签名：瑚涪 日期：小。r 年乡月p 日 导师 日期 曝。眨 年cbl o 日 ：q町 戤知 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 1 选题背景 第一章绪论 1 7 6 6 年随着英国发明家瓦特( 1 7 3 6 - - 1 8 1 9 ) 对蒸汽机的改良，第一次工业革命拉 开了帷幕。世界从此发生了翻天覆地的变化。 人类进入蒸汽时代，生产力不断的发展，社会工业发展所面临的首要问题是怎 样摆脱了地域限制。交通运输的发展成为人类发展的决定性因素之一。从1 7 6 9 年 法国陆军工程师古诺( 1 7 2 5 1 8 0 4 ) 制造出第一辆蒸汽机驱动的汽车开始，经历1 8 8 6 年第一辆小汽车在德国问世，到如今汽车已经成为人们日常生活中必不可少的交通 工具。有关资料表明，我国民用汽车增长快速，私人汽车增长多集中在我国的城市 地区，并且增长十分迅猛n 1 。截止到2 0 0 8 年6 月底，全国机动车保有量为1 6 5 7 1 3 3 4 7 辆。其中，汽车6 1 2 2 1 7 5 0 辆，摩托车8 8 8 6 6 4 0 8 辆，挂车9 7 0 6 2 0 辆，道路上行驶 的拖拉机1 4 6 3 3 7 9 5 辆，其他机动车2 0 7 7 4 辆。全国机动车驾驶入1 7 2 4 2 9 9 2 8 人， 其中汽车驾驶人1 1 4 6 3 8 8 6 6 人馏1 。 伴随车辆数量的不断，车辆与交通资源之间的矛盾越来越尖锐，首当其冲的便 是给大城市道路设施带来沉重负担，塞车的时间更多了。这不仅是影响人们日常出 现，更是降低整个城市的运转效率、阻碍了城市化进程的发展。据统计，2 0 0 6 年由 交通堵塞造成的直接经济损失大约相当于国内生产总值的5 一8 ，而交通堵塞在其 它方面带来的间接负面影响更是难以估计。如交通汽车尾气对环境污染、交通噪音、 交通事故给人们的生命和财产带来了很大的损失。据公安部交通管理局昨天对外公 布的最新统计数字表明，2 0 0 8 年，全国共发生道路交通事故2 6 万多起，造成7 万 多人死亡、3 0 万人受伤，直接财产损失l o 亿元。同时，机动车污染己经上升为我 国城市大气和噪声的主要污染源。据世行世界发展指标2 0 0 6 ，在调查所涉及的 总共1 1 0 个超过百万人口的各国城市中，如果按照悬浮微粒来排名，空气污染最严 重的前2 0 个城市，中国占了1 3 个，包括天津、重庆、沈阳、郑州、济南、兰州、 北京、太原、成都、鞍山、武汉、南昌、哈尔滨。 修建更多的道路是最为直接和最为有效的解决城市道路设施负担过重的方法。 据建设部2 0 0 6 年提供的统计数据显示，我国城市人均用地仅8 8 6 3 平方米，人均 道路面积仅1 0 6 平方米。对比国外城市人均道路面积1 5 至2 0 平方米，国内道路 设施水平还很低。然而，我国是农业大国，土地是关系国计民生的重要战略资源， 硕士学位论文 n 【a s t e r st h e s i s 事关粮食安全和国家安全。城市用于道路交通建设的土地资源极为有限所以说， 无论在短期内还是未来，尚难以通过道路的大量投资和快速延伸，来满足城市交通 发展的需要。因此，提高现有道路的通行能力成为解决城市道路设施负担过重的突 破点。 1 2 当前交通控制方法的研究 近来几十年，国内j , i - 有许多学者都致力于交通控制方法的研究，交通控制方法 取得了长足的进步，有些研究成果已经成功应用于现实的交通控制之中。参考文献 3 提出基于绿波带最大化干线定时控制方法；参考文献 4 提出基于延误最小的干 线定时协调控制；参考文献 5 借鉴免疫机理，利用免疫算法在用于求解复杂动态 环境下优化问题时能够取得较好效果，将免疫算法用于城市交通信号配时的在线优 化控制；参考文献 6 针对传统的单交叉路口交通信号控制方法考察不全面和运算 量大等缺陷，引出了“大相位”的概念，并提出了一种基于模糊逻辑与遗传算法的 城市单交叉路口交通信号控制方法；参考文献 7 在分析城市交通信号控制研究现 状的基础上，设计了单交叉路口两级模糊控制系统。参考文献 8 针对传统城市交 通控制采用有线方式进行数据通信的缺点，提出基于g p r s 网络的城市交通控制数据 通信系统；参考文献 9 提出了二种考虑双向绿波的于线相邻交叉口相位差优化控 制方法，并采用改进的遗传算法( g a ) 进行求解；参考文献 1 0 利用c p n 网对离散事 件系统建模的优势，针对城市道路交叉口的交通流特性，用c p n 对单路口交通信号 多相位实时控制进行建模。参考文献 “ 使用强化学习来实现分布式交通控制的方 法使得车辆可以在交通模拟过程中，从经验中学习车道的选择策略；参考文献 1 2 提出了一种针对固定周期的随机信号优化方法；参考文献 1 3 】提出利用q 一学习控制 算法和模糊算法对交通干线进行分层递阶控制的方法。 以上这些算法采取不同的理论基础及技术背景对道路交通提出更为合理控制 方案，最终的目的就是为了尽可能地充分利用现有的交通道路资源，提高交通道路 的通行能力和运载能力。 1 3 论文研究内容及意义 1 3 1 研究内容 本文在研究交通控制的基础上，设计了一种改进的干线交通信号协调控制算 法，重点研究干线交通控制系统信号配时方法，具体内容如下： ( i ) 交通理论研究。交通理论是交通控制的基础，基本参数包括信号相位、周 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 期时长、相位差、绿信比等概念。每个参数的不同设置对于交通控制都有着重要的 影响。通过分析各个参数的作用侧重方向，选取最为合适参数作用调控参数。在干 线协调控制中，主要选取周期、相位差作用调控参数。 ( 2 ) 交通协调控制的评价标准。交通，作为一个复杂的网络，自然拥有许多不同 的评价标准。常用的性能评价有最大通行能力、饱和度、延误、服务水平、停车次 数、油耗及排队长度等。对于城市主干线而言，通常处于是近饱和或饱和状态。本 文就是基于这样前提对干线进行协调控制。干线进行协调控制的目的就是要提高干 线的通行能力。对于提高城市干线通行能力而言，最为直观方法就是提高干线绿波 带利用率，减少车辆通过干线时因遇红灯而阻塞的总次数，及车辆通过是总延误。 因此选取干线的绿波带利用率、停车次数、和延误作为交通协调控制的评价标准。 ( 3 ) 协调控制方法。依据上面的研究，找到和改进干线协调控制方法是本文的研 究重点。目前对于干线协调中，为了达到干线主道上双向通过的畅通，即绿波通行， 需要对干线进行相位差进行调节，信号协调。然而，干线上的绿波带的利用率达到 1 ，即绿波带时长等于相位的时长，按照目前的干线协调控制必须要求干线上的信 号灯的间距相等或成比例，否则无法使得干线上的绿波带的利用率达到1 。首先， 论文对该问题的局限性进行研究及探讨出对应的解决方法，提出一种双向绿波协调 配时方案，使得在干线上的信号灯的间距不相等或也不成比例干线的条件下，利用 该方案也能形成干线绿波带的利用率达到l 。同时研究了该方案中配时成功因素， 分析不同控制参数与配时成功率之间的关系。其次，论文进一步考虑在客观条件限 制下，采用双向绿波协调配时方案无法对干线进行得到成功配时，以干线上总的停 车次数为衡量指标，找到总停车次数最少的配时方案。最后，论文考虑当交通干线 主道的车辆的饱和度变化很快，或干线上各个交通十字路口之间的车辆的饱和度不 同时，将饱和度作为干线配时的一个重要的参考因素，同样以干线上总的停车次数 为衡量指标，找到总停车次数最少的配时方案。 1 3 2 研究意义 伴随着社会经济不断发展，城市交通问题日趋严峻，城市交通工具与道路设施 之间的矛盾日益突出。而城市干线交通是城市交通网络中的大动脉，它承担着城市 车辆流动的主要重担。通常情况下，干线都是处于繁忙状态，干线上车辆饱和度高。 特别在车辆高峰期，如上下班期间，干线通常是处于饱和状态，甚至是超饱和状态。 此时往往容易发生交通阻塞事件，严重影响了人们正常出行。在整个交通网络中， 城市干线交通阻塞通常是交通网络中最为严重的瓶颈，是最为重要控制对象。因此， 硕士学位论文 m a s t e r s1 1 e s i s 解决交通阻塞问题，首要是解决城市干线交通阻塞。通过建设立交桥、架设轻轨、 地铁，可以起到分散交通，提高人们出行效率。然而，由于资源的有限性，及交通 道路的局限性，大多数情况上述方法都无法成功实施。因此，怎样提高当前道路的 通行能力是解决上述交通问题最为重要的研究方向之一。 1 4 论文组织结构 第l 章主要介绍了论文选题背景、当前交通信号协调控制的研究、及论文研究 的内容和意义。首先介绍论文的研究背景，然后回顾交通信号协调控制的发展历程， 并且就目前研究的概况做了简要介绍，分析当前城市交通中存在的诸多问题，最后 以此为基础分析了本论文研究的目的，确定本文的研究内容。 第2 章主要介绍了交通信号控制的基本概念及术语、交通的性能评价指标、交 通信号协调控制的基本理论、交通信号控制的分类、典型的城市交通信号控制系统。 本章首先介绍交通流的基本概念，比如相位、周期和停车次数等。其次介绍用于评 判交叉路口交通控制的性能评价的几种指标，其中包括交叉路口通行能力、饱和度、 延误、停车率以及排队长度等。然后通过分类进行，介绍交通信号协调控制的基本 知识。最后介绍了典型的城市交通信号控制系统，如t 黜n s y t 、s c o o t 系统等。 第3 章主要分析了最大绿波带方法所面临的问题，设计了一种干线协调改进算 法一双向绿波带干线协调算法，并对之进行分析及仿真试验。本章首先介绍了干 线协调控制的几何模型，其次分析了当前最大绿波带化方法所面临的信号配时冲突 问题、信号配时冲突问题、相位3 与相位4 公平性问题，并对这些问题提出相应的 解决思路，然后依据解决思路设计双向绿波带干线协调算法，最后对该算法参数的 参数进行了分析，并进行仿真验证。 第4 章在双向绿波带干线协调算法无解的情况下，设计了贪心算法 g r e e d yb o n e l i n e 。在考虑干线的饱和度的情况下，设计了动态规划算法arrange s a t u r a t i o nb o n e l i n e 。在考虑三四相位的平衡的情况下，设计了动态规划算arrange 法s a t u r a t i o nb o n e l i n e 。并对每个算法进行了分析证明，同时以一个干线_arrange 示例，进行干线协调分段配时，及对结果进行分析。 第5 章总结了全文的研究成果和创新点，回顾论文的研究过程以及论文的主要 内容，同时提出了论文的进一步研究的方向。 4 硕士擎位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章交通信号控制的基本理论 2 1 交通信号控制的基本概念及术语 交通信号控制是指通过交通信号灯的灯色来向行使车辆传递交通控制信息，不 同颜色代表不同的交通命令。通过统一的信号含义，来统一调控车辆行驶，使得车 辆能以高效且有序的通过交叉路口。目前，我国交通信号控制理论还尚未成熟。 2 1 1 交通信号灯 交通信号灯，是指由不同颜色控制交通信号，向道路交通参与者发出引导或指 示通行的固定性警示标示物设施。交通控制信号的最终目标是使的各个交通流安 全、高效地通过交叉路口。正确设计与设置交通控制信号，不仅可以提高道路通行 能力，而且还可以提高交通安全。 根据交通安全法第二十六条：交通信号灯由红灯、绿灯、黄灯组成。红灯 表示禁止通行，绿灯表示准许通行，黄灯表示警示。道路交通管理条例第1 0 、条 规定指挥灯信号表示的控制命令的含义为： ( 1 ) 绿灯亮时，准许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍直行的车辆和被放 行的行人通行； ( 2 ) 黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人行横道 的行人，可以继续通行； ( 3 ) 红灯亮时，不准车辆、行人通行； ( 4 ) 绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行； ( 5 ) 黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。右转弯的车辆和t 形 路口右边无横道的直行车辆，遇有前款( 2 ) 、( 3 ) 项规定时，在不妨碍被放行的车辆和 行人通行的情况下，可以通行；前两款规定亦适用于列队行走和赶、骑牲畜的人员。 2 i 2 交通信号控制的基本概念 ( 1 ) 信号周期 信号周期是指交通信号灯不同的灯色依次轮流显示，不同灯色的现实具有互斥 性。周期时长是指信号灯不同灯色依次显示所需要的时间长度，通常用t 表示，单 位为秒。周期时长的选取应根据优化性能指标来确定。一般情况，对于多相位控 制信号灯，信号灯的最短周期时长不少于4 0 秒，否则就不能保证信号的各个相位 5 硕士擘住论文 m a s t e r st h e s i $ 的车辆能顺利通过交叉路口；最长周期时长一般不超过2 4 0 秒，否则容易发生因等 待时间过长，而引起司机烦躁的情况。 ( 2 ) 相位 在交叉路口信号控制中，由于不同车流方向具有冲突性，所以必须对交叉路口 采用互斥处理，即对不同车流方向采用分时通行。通常将一个信号周期分为几个时 间段，并将车流方向分为相应个数的相容组，组内的车流方向互不冲突，每组占有 一个信号周期的时间段，在该时间段内该相容组的车流方向具有通行权( 即信号灯显 示为绿色) ，而在其它相容组的车流方向则不能通行( 即信号灯显示为红色) 。在信号 周期中，交叉路口上被分为一个相容组的交通流获得的通行权称为信号相位，简称 相位：一个信号周期中拥有几个相位，该信号系统就称为几相位系统。显然，相位 越多，每一个相容组的饱含的交通流会越少，安全性就会越好：但是，相位越多， 信号由于切换而造成的延误就会增加，信号的有效利用率会降低【1 5 】。 ( 3 ) 相位差 相位差是指相邻的交叉路口的信号灯开启同一相位绿灯( 或红灯) 起始时间之差 【1 6 l 。例如，在东西走向的干线上有两个相邻交叉路口，且交通信号周期相等，那么 它们同一相位( 如东西方向直行) 绿灯( 或红灯) 起始时间之差就是该路口东西直行信 号的相位差。 相位差按照参照对象的不同可以分为绝对相位差和相对相位差。 绝对相位差 绝对相位差是指信号的绿灯( 红灯) 的起点( 终点) 参照于某个标准绿灯( 红灯) 的 起点( 终点) 的时间之差。 相对相位差 相对相位差是指信号的绿灯( 红灯) 的起点( 终点) 参照于相互之间绿灯( 红灯) 的 起点( 终点) 的时间之差。 对干线上的交通流或一个网络内的交通流进行协调控制时，相位差是一个重要 的调控参数。通过协调各路口间的相位差，可以使干线上的车辆沿着绿波带，以脉 冲的形式无阻地通过连续的交叉路口，而达到减少车辆通过这些交叉路口时遇到的 红灯次数。 ( 4 ) 绿信比 绿信比是指相位绿灯时长于信号灯周期时长之比。绿信比与交叉路口的信号流 的总等待时间有重要关系。通常情况下，可以通过合理地设置各个相位的绿信比， 来减少各相位车流的停车次数及等待延误时间。 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ( 5 ) 饱和度 饱和度是指在相位i 中实际进入进口车道j 的交通流量q 日与进1 3 车道j 的饱和 流量的比值，也称流量比，用) 【i i 表示。用x i 来表示交叉路e l 相位i 所控制的各进口 车道饱和度的最大值。用x 来表示交叉路口所有相位的饱和度x i 之和为该交叉路口 的饱和度，并称为该交叉路口的饱和度。 饱和度x i j 、相位i 饱和度x i 、交叉路1 3 饱和度x 的计算公式可以用公式分别表 示为公式2 1 、公式2 2 、公式2 3 1 1 7 1 。 q 。 ) 【i j = 蓄 ( 2 一1 ) x i = m a x t x i j ( 2 - 2 ) j x = e x i ( 2 - 3 ) ( 6 ) 绿波带 绿波带又称为车辆通行带，代表了车辆在绿灯下的顺畅通行。绿波带的宽度是 指绿波通行的时间长度，单位为秒。通常情况下，由于各交叉路口之间距离不等和 双向行驶的缘故，绿波带的时间不可能为l 。连续通行时间带与周期时长的百分比 成为系统的效率。单行道路的绿波带时间可以得到充分利用，绿波带的宽度可以窄 一些，普通双向道路的绿波带则要设计宽一些【1 8 l 。本论文的重点即是打破传统的交 2 2 交通的性能评价指标 交通网路做为一个复杂的网络系统，自然拥有很多性能评价指标。一般的交通 控制效益的性能指标有：通行能力、饱和度、行程时间、车辆延误、停车次数、停车 率、燃油消耗、废气排放、交通噪声等。下面对其中主要的评价指标进行简单介绍。 ( 1 ) 车辆延误 车辆延误时间是指车辆受到一定阻碍情况下通过交叉路口所需时间和无阻碍 情况下通过所需时间之差。通常延误时间分为平均延误和总延误。总延误是交叉路 口进道所有车辆的延误总计；平均延误是通的限制，提高绿波带的宽度，进而提高 系统的效率。交叉路1 3 进口每辆车的平均延误【1 9 1 。 ( 2 ) 启停次数 启停次数是车辆在交叉路口区域因信号变化，而产生的车辆停车与再启动的次 数。在干线协调控制中，启停次数是干线协调优劣的判断指标。 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s ( 3 ) 通行能力f 2 0 】 道路通行能力是指道路某一横切面在单位时间内能通过的最大车辆数。 信号控制交叉口相位通行能力计算公式如下： e ：挚：s i u ； ( 2 q e 一相位i 通行能力 s ；一相位i 关键车道饱和流律。 g 一相位i 有效绿灯时间。 t 一周期时长。 u i 一相位i 绿信比。 交叉路口通行能力表示为： p = b ( 2 5 ) i = l ( 4 ) 排队长度 排队长度是指在交叉路口区域内因等待交叉路口通行权而阻塞时车辆的长度。 排队长度是衡量交叉路口信号控制的重要指标之一。通常，排队长度的计算分为三 种情况进行：非饱和条件、饱和条件、过饱和条件。一般情况下城市主干线的主道 在高峰期排队通常是处于在饱和状态，有时甚至是处于超饱和状态。 2 3 交通信号控制的分类 站在不同的角度，可以将交通信号控制分为不同类别：按照控制范围分类，可 以分为单点控制、干线线控制和面控方式；按照控制策略分类，可以分为分散控制、 集中控制和递阶控制；按照控制策略分类，可以分为定时式脱机操作控制和感应式 联机操作控制。 2 3 1 按控制范围分类 ( 1 ) 单点控制 单点控制是指，对某个交叉路口的信号控制不考虑其周围的交叉路口信号控制 情况，而只考虑该交叉路口本身而设置的控制方式。通常情况下，通常单点控制适 用于因相邻信号灯间距较远线控和面控效果微弱的交叉路口。单个交叉路口可以采 3 硕士掌位论文 m a s t e r st h e s i s 用定时控制，也可以用感应控制。目前，我国城市中的大多数交叉路口采用的控制 都属于单点控制。 ( 2 ) 干线控制 干线控制是指考虑到交通干线上连续的交叉路口信号灯的相互影响关系，而采 取协调控制方式。目的是降低车辆通过这些交叉路口时遇到的红灯次数，从而减少 车辆的停车次数，减少了车辆通过干线的延误时间，最终提高了整个主干道的通行 能力。干线控制是通过对可以协调控制几个信号灯设定共用的周期时长，同时以交 叉路口之间的距离为依据，确定各信号灯对于干线主道上绿灯信号开启的时间时间 差，即相位差。这样，车辆通过第一个路口后，以一定的速度行驶到第二个路口的 时候，遇到的也是绿灯，依次继续下去，车辆有如运行在没有红灯控制的干线道路 上，减少了车辆应停车与启动的次数和延误时间，提高车辆行驶速度，进而提高道 路通行能力，保证主要干道的交通高效畅通。相对与单点控制，干线控制的最大的 优势就是使得干线上的车辆沿着绿波带，以脉冲的形式无阻地通过连续的交叉路 口，而达到减少车辆通过这些交叉路口时遇到的红灯次数。根据相邻交叉路口问信 号灯连接方式的不同，干线控制又可分为有线电缆线控和无线电缆线控。 交叉路口采用点控还是线控目前还没有固定的标准。一般来说，可根据如下情 况进行综合判断：1 ) 相邻交叉路口间距越小，线控的必要性越大；2 ) 交通量( 干线 主道方向) 越多，线控的必要性越大。 ( 3 ) 面控方式 面控方式又称为区域控制，它是指对城市或城市的一个区域上的所有信号灯采 用综合性协调控制。该控制方法以车辆通过控制区域而产生的总损失，饱含总的阻 塞次数，总延误，总的油耗等，为面控的衡量指标，通过对区域所以的信号灯进行 协调配置，而尽量减少车辆通过控制区域的总损失，提高交通控制区域的通行能力。 面控方式可分为无中心计算机控制方式和电缆协调控制。中心计算机控制是指 中心计算机直接通过数据通讯系统调控交通信号控制器。无电缆协调是指各个交通 信号控制器之间不采用信号控制线相连协调控制，而是采用共同的时基同步来实现 协调控制。 2 3 2 按控制策略分类 ( 1 ) 定时式脱机操作控制 定时式脱机操作控制是根据交通流历史及当前统计数据脱机得出分时段的最 优信号配时方案。通过该配时方案存入控制器或控制计算机内，从而对整个区域交 9 通实施多时段定时控制。此种控制方式控制简单、可靠且投资小，但不能根据交通 流的变化情况而实时调整方案。 ( 2 ) 感应式联机操作控制 感应式联机操作控制是一种能够根据交通流实时变化而不断自适应调整的控 制方式，也称为动态响应控制系统。通过在控制区域的交通网中设置检测器来实时 采集交通数据并实施联机最优控制。自适应控制系统投资高、结构复杂，对设备可 靠性要求高，相对于定时式脱机操作控制，感应式联机操作控制最大的优点是能更 好地适应交通流的随机变化，适用于交通流变化较大的交通网络1 2 l 】。 2 3 3 按控制结构分类 ( 1 ) 分散控制 分散控制是指控制系统有若干个相对独立分散的控制机构组成，每个分散控制 机构只能获得控制系统的部分信息，并根据局部环境对大系统作局部控制。分散控 制的优点：d 设备的费用低，维护方便；2 ) 可靠性好；3 ) 局部控制好。由于所 获得的信息局部性，其缺点体现在整体协调性差。 ( 2 ) 集中控制 集中控制是指对控制过程及控制对象的监测都是由中心控制机构来完成，监测 信息集中传递给中心机构，中心机构根据全局状况以系统的评价指标作为参考依据 来发出控制命令。集中控制的优点：1 ) 整体协调控制好；2 ) 管理调控方便；缺点： 1 ) 随着系统规模的扩大，集中控制的可靠性降低；2 ) 计算控制命令的时间上。 ( 3 ) 递阶控制 递阶控制是指由分散控制机构加上一个协调机构组成，通过协调各个分散控制 机构的工作而形成递阶控制。在该结构中，第l 级是包含各个局部控制机构，它们 根据局部环境做出局部控制。第2 级是对第1 级控制机构进行协调的机构，它们根 据全局环境完成全局性的控制任务。随着问题规模的扩大，控制系统还可以扩展更 多控制级。因此，递阶控制也称为多级控制。由于系统的组织结构，阶梯控制兼有 分散控制与集中控制的共同优点，可以灵活进行地进行交通数据采集与交通控制决 策工作。 2 4 城市交通信号控制系统 城市交通信号控制系统是现代城市交通管理系统的中枢，也是智能交通系统的 重要组成部分。其管理与控制手段的优劣将直接影响城市道路交通拥堵或疏通的效 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 果虽然城市道路交叉口信号控制有改善交通流秩序与保障安全的优点，但是若不 能提供优化的控制，将会产生交通流停顿与拥堵的负面效果，会成为城市交通拥堵 的一个重要原因。运用高科技手段建设现代化的交通信号控制系统已经势在必行。 2 4 1t r a n s y t 系统 t r a n s y t f r r a f f i cn e t w o r ks t u d yt o o l s ) 系统是由英国道路研究所研制成功，目 前有t r a n s y t - 11 和t r a n s y t - 7 f 9 6 两个版本。 t r a n s y t 系统采用静态控制模式，以平均延误时间、停车次数、排队长度作 为交通的评价指标，通过已有的系统控制策略来计算出交通控制的重要参数，如相 位差、信号周期1 2 2 。t r a n s y t 已部署在很多不同城市，取得了不错的社会经济效 益。但是，由于t r a n s y t 的数据静态采集性，其存在着许多应用中的不足，如计 算量大，对于交通流量的变化反应过慢，对城市交通网络的改变及扩展实用性差， 需要重新制定新的交通控制方案。 2 4 2s c o o t 系统 s c o o t ( s p l i tc 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 ) 系统，是英国运输和道路 研究所与3 家公司在t r a n s y t 的基础上开发出的一种具有实时协调性与自适应性 的交通网络控制系统团】。 s c o o t 优化原理与t r a n s y t 相仿，最主要的不同点在于实时性。s c o o t 系 统通道路检测器采集车流量信息，并联机对信息进行处理来生成交通控制参数设置 方案。s c o o t 采用“小步长渐近寻优”方法来减少计算量。相对于t r a n s y t ， s c o o t 采用了实时控制，调控方便灵活，因此获得优于静态系统的控制效果。它 的不足之处在于：第一，局部检测器的实效可能导致系统优化的失败；第二，信号 灯相位及相位顺序不能自动改变。 2 4 3r i i o s d e 系统 r h o d e s ( r e a l t i m eh i e r a r c h i c a lo p t i m i z e dd i s t r i b u t e da n de f f e c t i v es y s t e m ) 系统 通过预测单个车辆的到达和车队的运动，分别跟踪交通流在较短时间内的波动和较 长时间内的变换趋势，根据最优化给定的性能指标，如最小平均延误、最小路口平 均排队长度或最小停车次数等，来划分相位，提出了非参数化控制模型，即不是利 用周期、相位差和绿信比等参数制定信号配时方案，而是采用相序和相位长度来制 定信号配时方案 2 4 1 。实验证明r h o d e s 系统对半拥挤的交通网络有很好的控制效 果。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 2 4 4m o t 系统 m o t o v i u l t i a l g o r i t h m i co p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e ) 系统，即多路运算优化技术，是 一种适应式联机操作控制系统。 m o t 系统采用分层式结构，由中心控制主机、区域控制器、路口设备三级构成， 因此具有较好的可靠性和安全性。在系统通讯正常时它执行的是中心控制方式；当 控制中心和区域控