（电力电子与电力传动专业论文）城市智能交通信号控制系统的研究.pdf

塑堡查茎堡圭篁苎 竺： a b s t r a c t o nb a c k g r o u n do ff u n dp r o j e c to fh u n a np r o v i n c ee d u c a t i o no m c e t h er e s e a r c ho fu r b a f ii n t e l l i g e n tr ， q es i g n a ls e m a p h o r es y s t e m ， t h i s p a p e rm a k e sr e s e a r c h o nu r b a nt r a m cs i g n a lc o n t r 0 1 t h ea u t h o r c o l l e c t e da n dr e s e a r c h e df o rl o t so fd o m e s t i ca n do v e r s e a sa r t i c l e s f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y z e sa n ds t u d i e sf o ru r b a nt r a f n cf l o wt h e o r ya n du r b a n t r a f f i cs i g n a ls y s t e mc o n t r 0 1 t h e n ，t h ep a p e rp r o p o s e saa d a p t i v em e t h o d w h i c h a d o p t s 【h e m u h i o b j e c t i x e g e n e t i c , o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m s t o o p t i m i z ep h a s e d u r a t i o nt i m eo ne a c hi n t e r s e c t i o n i tb a s e so nt r a f f i c n e t w o r ks i m u l a t i o nm o d e lw i t hf i v ei n t e r s e c t i o n si nm i n i d i s t r i c tw h i c hi s d e s c r i b e di n p a p e r 2 9 a n d i ti s i m p l e m e n t e d i nas i m u l a t i o n c i r c u m s t a n c e u n d e rt h em a t l a be n v i r o n m e n t t h ea u t h o ra c c o r d st ot h er u l e s w h i c hm a k et h et o t a ln u m b e ro fw a i t i n gv e h i c l e sm i n i m i z ei nac y c l e w h e nt h eg r e e ns i g n a li s e n d i n g a n dm a k et h et o t a ln u m b e ro fw a i t i n g v e h i c l e sa sl e s sa sp o s s i b l ea tt h ee n do fac y c l eo i le a c h1 a n eo ft h e i n t e r s e c t i o n t h et r a 捕cf l o wo fn e x tc y c l ei sf o r e c a s ta n da l l o c a t e dt h e b e s tp h a s et i m ei nr e a l t i m eb yf i x i n gt h ec y c l eo ne a c hi n t e r s e c t i o n t h e r e s u l ti n d i c a t e st h a ti ti sf e a s i b l e c o m p a r e dw i t ht h ef i x e d t i m ec o n t r o i u n d e rt h es a m et r a f 矗cf l o w , t h en e wm e a s u r eo b v i o u s l yr e d u c e st h et o t a l w a i t i n gv e h i c l e sa tt h ee n do fg r e e n i na c y c l e ，e s p e c i a l l yw h e n t h et r a f f i c f l o wi sb u s y t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e si nd e t a i las e to fw h o l ed e s i g ni n t e l l i g e n t t r a m c s i g n a ls y s t e m h a r d w a r em a i n l yi n c l u d e st h ek e m e l c o n t r o lc i r c u i t ， m a n m a c h i n ei n t e r f a c ec i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e c i r c u i t ，u r g e n t c i r c u i t ，p o w e rd r i v ec i r c u i ta n ds oo n m o r e o v e r , t h es y s t e ms o f t w a r ei s b r i e f l y i n t r o d u c e dw h i c hi n c l u d e sm a i n p r o g r a m k e m e ld i s p o s i n g p r o g r a m ，c o m m u n i c a t i o np r o g r a ma n d t h e p r o d u c e d d a t ao fa l l o c a t i n g s i g n a lt i m ea n d c o l o rf o rt r a f f i cs e m a p h o r e ，a n dt h ep r o g r a mo fi n t e g r a t e e n v i r o n m e n to nu p p e r - m a c h i n e a tl a s t t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a t t h e s y s t e mc a nr e a l i z et h es e q u e n c ec o n t r 0 1o fm u l t i - p h a s ea n d v a r i a b l ep h a s e i m p r o v e ds l i g h t l yt ot h ea c t u a ia p p l i c a t i o n i tc a n b es o l v e dt h ep r o b l e mo f m i x t u r et r a f f i cf l o wt os o m ee x t e n t - i i 塑星查耋堡当丝兰 j! ! 呈： k e y w o r d s ： u r b a nt r a f f i cf l o w , u r b a nt r a f f i cc o n t r o ls y s t e m i n t e l l i g e n tt r a f f i cs e m a p h o r e ，a r e a t r a f f i cn e t w o r k g e n e t i ca l g o r i t h m s ，m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n 1 1 1 湘潭大学硕士论文城市智能交通信号控制系统的研究 第一章引言 随着城市化速度加快，机动车日益普及，人们在享受机动车所带 来的巨大便利同时，也面临着交通拥挤的困惑。解决交通拥挤的直接 办法就是修建更多的路桥以提高城市路网通行能力。然而，修建路桥 的巨额资金和城市空间的严格限制，使这一方法的有效性大打折扣。 因此，在现有道路基础上，提高交通控制和管理的水平，合理使用现 有交通设施，充分发挥其能力，是解决交通问题的有效办法之一。自 上世纪以来，世界各国都展开了对城市交通控制系统的研究。 1 1 城市交通信号控制的演变 从1 8 6 8 年英国伦敦首次使用燃气色灯信号以来，城市交通信号 机由手动到自动，交通信号由固定周期到可变周期，系统控制方式由 点控到线控和面控，从无车辆检测器到有车辆检测器，经历了近百年 的发展。到1 9 6 3 年加拿大多伦多市建立了一套使用i b m 6 5 0 型计算机 的集中协调感应控制信号系统，从而标志着城市道路交通信号系统的 发展进入了一个新阶段。之后，美国、英国、前联邦德国、日本、澳 大利亚等国家相继建成以计算机为核心的区域交通控制系统，这种系 统一般还配备交通监视系统组成交通管制中心。各个时期典型交通信 号控制系统的发展过程j ，如表1 1 所示。 表1 1 交通信号控制系统的发展过程 方式年份国别城市系统名称系统特征路口数周期检测器 伦敦 克利大二 各城市 各城市 盐湖城 休斯顿 燃气色灯 电灯 自动信号机 感应信号机 手控协调 电子计时 定无 定无 定无 变气压式 国国国国国国英美英美美美 8 4 6 8 7 2 6 1 2 2 1 2 8 9 9 9 9 9 控控控控控控点点点点线线 湘潭大学硕士论文城市智能交通信号抟! 制系统的研究 1 2 国外的典型城市道路交通控制系统 随着计算机技术和自动控制技术的发展，以及交通流理论的不断 发展完善，交通运输组织与优化理论、技术的不断提高，交通管制 中心的功能得到了增强，控制手段也越来越先进，形成了一批高水平 有实效的城市道路交通控制系统。 从系统结构与控制方式上分，有集中式计算机控制系统( 控制中 心的计算机处理道路网上的所有信息，并向各个路口发出控制指令) 、 分布式计算机控制系统( 有中央、地区、路口控制三级组成，各级电 计算机负责自己控制区域，并执行上一级控制指令) 和动态系统( 根 据检测器实时采集的交通流数据优化信号配时) ；从控制区域的路网 结构上分，有开环网络和闭环网络；从系统功能上看兼有监视、控制 和诱导功能| 2 6 】 2 7 】【2 8 】。 当前世界各国广泛使用的最具代表性且有实效性的城市道路交 通信号控制系统有三个l 。 湘潭大学硕士论文城市智能交通信号控制系统的研究 ( 1 ) 英国t r a n s y t 系统 t r a n s y t ( t r a f f i cn e t w o r ks t u d yt 0 0 1 ) 是由英国道路研究所花 费近十年时间研制成功的交通信号控制系统，经过不断改进，已发展 到t r a n s y t - 8 型。它的主要技术特征有： 控制模式：静态模式。 系统目标：平均延误时间、停车次数、排队长度最小。 参数特征：绿信比( s ) 与相位差( o ) 是通过建立优化数学模型 计算，即是优化确定的：周期( c ) 不进行优化，仅从事先确定的方 案中通过比较各运行指标选出最佳的，即是选择性确定。 寻优方法：爬山法。 t r a n s y t 系统被世界4 0 0 多个城市采用，目前是最成功的静态 系统。但它存在几个不足的地方：第一，计算量大，在大城市中这一 问题尤为突出；第二，不对周期进行优化，实际上很难获得整体最优 配时方案；第三，它是离线优化，需要大量的路网几何、交通流数据， 需要花费大量的人力、物力、财力。 ( 2 ) 澳大利亚s c a t s 系统 s c a t s ( s y d n e y c o o r d i n a t e d a d a p t i v e i r a f f i cs y s t e m ) 是澳大利亚 于7 0 年代末开发的交通信号控制系统。它采用先进的计算机网络技 术，呈计算机分层递阶形式，结构为模块形式。它的主要技术特征有： 控制模式：地区级，联机，中央控制，联机与脱机同时进行。 系统目标：饱和度最大及通过带宽度最大。 参数特征：在预先确定的多个s ，c ，o 中选择合适的参数。 寻优方法：无实时交通模型，比较选择法。 s c a t s 系统充分体现了计算机网络技术的突出优点，结构易于更 改，控制方案较为容易变换。然而，它也有几个明显的不足之处：第 一，它实为一种方案选择系统，限制了配时参数的优化程度：第二， 过分依赖于计算机硬件，移植能力差；第三，选择控制方案时，无实 时信息反馈。 湘潭大学硕士论文城市智能交通信号控制系统的研究 ( 3 ) 英国s c 0 0 t 系统 s c o o t ( s p l i tc y c l e o 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 ) 也是由英国道 路研究所在t r a n s y t 系统的基础上采用自适应控制方法，经过八年 的研究于1 9 8 0 年提出动态交通控制系统。s c o o t 采用实时控制，获 得了明显优于静态系统的效果，被许多国家采用。它的主要技术特征 有： 控制模式：联机实时模式，即动态模式。 系统目标：费用最小为优化目标。 参数特征：s 、o 、c 均通过建立优化数学模型计算。 寻优方法：小步长渐进寻优方法。 s c o o t 系统同样存在不足的地方。第一，相位不能自动增减， 任何路口只能有固定的相序；第二，独立控制子区的划分不能自动完 成，只能人工完成；第三，安装调试困难，对用户的技术要求过高。 1 3 国内的城市交通状况及控制系统使用情况 1 3 1 国内的城市交通状况 近年国内的经济快速发展和机动车急剧增加，导致j ，现有交通设 施不胜负荷的局面。 ( 1 ) 城市道路结构不合理 目前，国内的城市交通以路上交通为主，大多数城市道路空间结 构属平面交通状态，形成“人车混行，快慢车混驶”的特点【12 1 。道路 系统布局多采用简单的平面方格形式，难以适应交通系统现代化管理 的需要。路网功能的结构层次混乱，主、次干道和支线比例失调，衔 接关系紊乱，使干线道路难以发挥其功能。 就道路面积来说，国内的城市道路面积率低于世界上同等规模大 城市。据统计( 源于北京统计网2 0 0 0 年统计数据) ，国内的城市道路 面积率平均不足8 ，人均道路面积也低于世界上同等规模的大城市 ( 见表1 2 ) 。 湘潭大学硕士论文城市智能交通信号控制系统的研究 表1 2国内的城市道路面积同国外同等规模大城市的比较 。嘉、芝 北京上海天津东京华盛顿巴黎 城市道路面积 6 5781 3 54 32 5 8 率( ) 人均道路面积 ( m 2 人) 64 4 67 5 31 3 61 0 19 3 ( 2 ) 交通出行结构失衡 国内的城市交通主要由各种机动车、非机动车和行人构成，形成 特殊的三元混合交通结构。交通方式可分为两大类，即公共交通和私 人交通。其中公共交通由公共汽车( 包括有、无轨电车) 、出租汽车、 地铁、轻轨组成；私人交通主要由自行车、摩托车、私人小汽车及步 行交通构成。由于这些交通方式的自身特点，使它们能够在系统中共 存。另外，由于系统所具有的自组织能力，并在外界交通环境的协同 作用下，形成了各种交通方式问的制约与平衡。因此，对某种交通 方式来说，不能任其自由发展，否则会破坏这种平衡状态，使系统出 现问题。 目前，国内的城市交通结构，由于公共交通畸形落后、不胜负荷 的局面，在一定程度上刺激了私人交通的发展，主要体现在对自行车、 私人小汽车需求的急剧增长，使交通方式间比例严重失调。据调查， 大部分城市公交车与自行车出行比例为2 ：8 一l ：9 ( 源于北京统计网) ， 或更加严重失调，导致的结果是巨大的自行车流，特别是上下班高峰 期间，势如潮涌，并与机动车争道抢行，阻碍正常交通。这种局面反 过来又影响了公共交通的服务水平，由于大量出行被自行车吸引，使 公共交通经营陷入困境。低劣的服务水平又增大了广大群众的不信任 感，增加了对私有交通需求的倾向，这更加重了城市交通系统的紊乱。 ( 3 ) 交通管理技术水平低，交通事故频繁 国内的城市交通管理和交通安全现代化设施极少。以北京与东京 比较，两市都有一个交通管制中心，但北京交通控制中心管理交叉路 湘潭大学硕士论文城市智能交通信号控制系统的研究 口数目仅是东京的3 ，交通标志数是东京的7 ，人行横道数是东京 的4 8 ，人行天桥数是东京的3 6 ，地下人行通道是东京的5 ，国 内的交通事故率居高不下，万车事故死亡率北京为6 人( 国内为最小 的城市) ( 源于中国安全网) ，而东京仅为1 9 人，美国、澳大利亚和 英国平均分别为2 6 和2 7 人( 源于北美交通信息杂志) 。 1 3 - 2 国内的城市道路交通控制系统 国内应用和研究城市交通控制系统的工作起步较晚，在七十年代 后期，北京市开始采用d j s 一1 3 0 型计算机进行了干道协调控制的研究。 八十年代以来，城市道路交通问题越来越严重，国家一方面进行以改 善城市市中一t 5 交通为核心的u t s m ( u r b a nt r a f f i cs y s t e m m a n a g e ) 技 术研究；另一方面采取引进与开发相结合的方针，建立了一些城市道 路交通控制系统1 2 6 1 。以北京、上海为代表的大城市，交通控制系统主 要是简易单点信号机、s c o o t 系统、t r a n s y t 系统和s c a t s 系统 其中几个结合使用；而如湘潭、岳阳等国内中小城市，交通控制系统 主要还是使用国产的简易单点信号机和集中协调式信号机。现以北京 使用的交通信号控制系统进行说明。 ( 1 ) 简易单点信号机，可以用来实现手动或自动控制的交叉路l 单点定时控制，并且具有夜晚黄闪控制功能，使用方便并且成本低。 ( 2 ) m s k e 2 0 型微处理器路口信号机，它是属于t r a n s y t 系 统，具有自动运行、中心控制、人工控制、无电缆协调控制、黄闪控 制、备用方式等功能。 ( 3 ) t - 2 0 0 m k 2 型路口信号机，它是属于s c o o t 系统，具有自 动运行、中心控制、人工控制、黄闪控制、及降级控制( 它包括区 域协调控制、无电缆协调控制、单点感应控制、单点定时控制、手动 控制) 等功能。 这些信号系统虽然取得了较好的效果，但我国实际情况决定了需 要对这些系统进行改进，主要体现在t ( 1 ) 需要完善信号控制现有单点信号控制系统，一般只能实现 第6 贞 湘潭大学硕士论文 城市智能交通信号控制系统的研究 两相位控制，存在一定的局限性。而实际中，如果根据交叉路 j 的情 况，适当采用多相位控制、变相序控制，可减少交叉路口的交通冲突， 提高交通的安全性。 ( 2 ) 需要合理解决混合交通流问题现有信号控制系统对自行车 流的放行几乎都是与机动车同时开始，容易造成交通流冲突。因此， 需要设计出一种信号系统能对各个相位包括对自行车流单独进行控 制。 ( 3 ) 实现小型区域网络控制目前，虽然在我国的几个大城市， 引进或研制了具有区域控制功能的交通信号系统，但对于中小城市来 说，建立这样庞大的系统一方面代价高昂，另一方面实际利用效率小 高。为了解决这一情况，在国内的中小城市应大量推广小型区域网络 控制信号系统。 ( 4 ) 国产化率低目前国内采用的信号控制系统，国产化率整体 较低，进口费用昂贵。 随着我国城市化水平不断提高，进一步完善城市交通控制系统是 大势所趋。因此，研制并设计出符合我国实际情况的微机化、模块化 的信号系统，意义十分重大，效益也将十分明显。 1 4 论文要解决的问题和工作要点 ( 1 ) 本文以湖南省教育厅基金项目“城市智能交通信号机系统的 研究”为背景，针对城市交通信号控制展开研究。本人在大量搜集和 研究国内外文献资料的基础上，首先对城市交通流、交通流理论和城 市交通信号系统控制进行了理论分析与研究。 然后，本文参考文献 2 9 1 建立了城市小型区域五交叉路口交通网 络仿真模型，提出了采用遗传算法多目标优化，全局寻优网络各路口 相位时间的自适应方法，并进行了计算机仿真应用研究。 在m a t l a b 环境下，作者根据一个周期内使各交叉路口各车道 在绿灯结束时的等待放行车辆数总和最小，且在一个周期结束时的等 湘潭大学硕士论文城市智能交通信号控制系统韵研究 待放行车辆数总和尽可能小的原则。通过固定各交叉路口周期参数， 并预测各自下一周期的车流量，实时分配相位时间。实验结果表明： 该方法切实可行；在网络交通流情况完全相同时，它与定周期控制相 比，明显减少了在一个周期内绿灯结束时的总延迟辆数，特别是当交 通流较大时，效果尤其明显。 实验证明：该新方法寻优时间短、优化效果明显；虽它具有一定 的特殊性，但现实性强、对系统实现的要求不高，能满足国内的中小 城市对小型区域网络进行一定优化的要求。 ( 2 ) 设计了一套智能交通信号机系统，硬件电路主要包括：主控 板电路、人机接口电路、通信电路、感应接口电路、应急处理电路和 功率驱动电路。并解决了系统数据保护功能、抗干扰问题和远距离通 信问题。软件设计主要包括：系统主程序设计、核心处理程序设计、 各中断子程序和各控制模式子程序设计，以及上位机方案配时集成环 境。该系统具有单点控制的所有控制模式，同时扩展了区域网络控制 功能。实验表明：该系统能够实现多相位、变相序控制。稍加改进投 入到实际应用中，它将能够在一定程度上解决混合交通流的问题。 论文各章节的内容如下：第二章介绍了城市交通控制基本理论， 第三章介绍了智能交通信号机系统的设计，第四章介绍了基于遗传算 法城市交通网络信号控制优化的研究，第五章论文总结与展望。 湘潭大学硕士论文城市智能交通信i 控制系统的研究 第二章城市交通控制基本理论 与高速公路交通控制相比，城市街道交通控制研究和应用的历史 要更长一些，目前应用更普遍一些。解决交通路口的交通流冲突可以 从两个方面进行考虑，一是：从空问上将相互冲突的车流分开，这就 需要修建立交桥、专用车道、行人过街天桥；二是：从时间上将相互 冲突的车流量分开，就是要设置交通信号灯及控制机，通过对信号灯 的配时与配色给不同时刻、不同交通需求给予不同的通行权，将相互 冲突的车流分离开。由于城市道路平面交叉的特点，信号控制要妥善 解决各方向车流的优化控制，特别是街道网络交通控制的复杂性，再 加上行人和自行车交通的混合，使我国城市交通控制问题显得更加复 杂。 2 1 交通流的基本特性 2 1 1 交通流的基本参数 表征交通特性的三个基本参数分别是：交通量q 、车流密度k 、和 行车速度v 【1 ”。 ( 1 ) 交通量q 交通量q 是指在选定的时问段内，通过道路某一地点、某一断面 或某一条车道的交通实体数。交通量是一个随机数，不同时间、不同 地点的交通量都是变化的，交通量随时间和空间变化的现象，称之为 交通量的时空分布特性。通常取某一时间段内平均值作为该时间段内 的交通量，如式( 2 1 ) 所示。 g = 去吼 ( 2 1 ) 式中： 吼规定时间段内的交通量 n , - t l 司段数 ( 2 ) 车流密度k 湘潭大学硕士论文城市智能交通信号控制系统的研究 车流密度意是指某一瞬间单位道路长度上的车辆数目。 k ：一i ( 2 - 2 ) 上 式中： k 车流密度( v e h k m ) 路段内的车辆数( v e h ) 路段长度( k m ) 车流密度大小反映一条道路上的交通密集程度。为使车流密度具有可 比性，车流密度也可按单车道来定义，同式( 2 2 ) ，而单位为：v e h k m 车道。 ( 3 ) 行车速度v 行车速度v 是指区间平均速度。即是指在某一特定瞬间，行驶于 道路某一特定长度内全部车辆的车速分布平均值。当观测长度一定 时，其数值为车速观测值的调和平均值。 v ： !：! 生 ( 2 - 3 ) ： h 智v ，智 式中： 路段长度 f 第i 辆车的行驶时间 ”行驶于长度为上路段上车辆数 v ，第i 辆车的行驶速度 v 区间平均速度 2 1 2 三参数的基本关系 交通流三参数之间的基本关系式为9 】： q = v k ( 2 - 4 ) 式中： g 平均流量( v e m a ) 湘潭大学硕士论文城市智能交通信号控制系统的研究 v 区间平均车速( k i n h ) k 平均密度( v e h k r n ) ( 1 ) 速度与密度的关系 常用的速度一密度线性关系模型为： q 。= v 。- k 。 一州卜軎) v f k m h ) 、f v 卅 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 图2 1 速度一密度关系 如图2 1 所示，当k = 0 时，v ：v ，口在交通量很小的情况一卜，车辆可 以畅通行驶；当k ：k ，时，v = 0 ，即在交通量很大的情况下，车辆速度 就趋近与零。由于q ：v k ，所以流量等于图中所示虚线与坐标轴之问 的面积。 当交通密度很大时，它们之间的关系一般采用g r e n b e r g 对数模 型： v = v 。l n ( ；) ( 2 - 7 ) k 当交通密度很小时，它们之间的关系一般采用安特伍德指数模 湘潭大学硕士论文 城市智能交通信号控制系统的研究 v = v ，e k ( 2 ) 流量与密度的关系 交通流的流量一密度关系，如式( 2 - 9 ) 所示： ( 1 幸) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 图2 2 中为流量一密度关系曲线。点c 代表通1 z - j - 6 日t g , 力或最大流量 q 。从这点起，流量随密度增加而减少，直至达到阻塞密度七。( e 点) ，此时流量q = 0 。以a 为原点、曲线上b 、c 和d 点的连线为矢 径，这样矢径的斜率就表示速度。在流量一密度曲线上，对于密度比 k 。，小的点，表示不拥挤情况；而密度比t 。大的点，表示拥挤情况。 a q ( v e m k 。( v e h k m ) 图2 2 流量一密度曲线图 ( 3 ) 流量与速度的关系 流量与速度的关系，如式( 2 1 0 ) 所示： 2 g = k ，( v 一旦) ( 2 - 1 0 ) 矿， 流量与速度的关系曲线如图2 3 所示。从图中可以看出，通常速 度随流量增加而降低，直至达到最大通行能力的流量q 。为止。曲线在 湘潭大学硕士论文城市智能交通信号控制系统的研究 拥挤部分，流量和速度都降低。点a 、b 、c 、d 和e ，相当于流量一 密度和速度一密度曲线上同样的点。从原点e 到曲线上点的斜率表示 j j j j - 点密度的倒数丢。流量一速度曲线点c 上面的部分表示不拥挤的 情况；而曲线c 点下面的部分表示拥挤的情况。 e q 图2 3流量一速度关系图 2 2 交通流的基本理论 目前交通流理论的研究仍无统一的、成熟的研究体系，所以存在 许多交通流理论模式。常用的交通流理论有：概率统计分布、排队论、 跟车论、交通流模拟理论。限于篇幅的关系，本文只对后续部分用到 的跟车论作简单的阐述。 2 2 1 跟车论 跟车论又称为跟驰论，它是运用动力学方法处理单车道上无超车 现象时车队行驶前后相互跟随的一种数学模型伸1 。 ( 1 ) 线性跟车模型 当道路上行车密度高，限于单车道行驶时，车间间距不大，后车 速度受到前车速度的制约，驾驶员必须按前车动态进行控制车速，车 湘潭火学硕十论文城市智能交通信号控制系统的研究 流处于非自由行驶状态。非自由行驶的车队有如下特性： 制约性在同一车道上的车队中，后车跟前车行驶时般不愿意 落后很长距离，而是紧随前车，车间间距较小，这就称为“紧随要求”。 这时，为保证安全，跟车必须满足后车速度不得较长时间大于前车速 度和车间必须保持安全间距两个条件。前者称为“车速条件”，后者 称为“问距条件”。 延迟性由车队具有制约性知，前车的速度快慢影响到后车的行 驶状态。但前车加减速或刹车时不可能要求后车同时加减速或刹车， 而是前车改变运动状态后，后车延缓一瞬间才能相应改变运动状态， 这就称为延迟性，它包括四个阶段： 感觉阶段：发现前车有状态改变； 认识阶段：知道前车是何种改变； 判断阶段：本车应采取何种措施的判定： 执行阶段：产生有效的改变本身运动状态的动作。 上述四个阶段需要的总时问称为“反应时间”。假定反应时间为， 前车在t 时刻动作，后车就要到( 7 + f ) 时刻才能做出相应的动作，后车 延缓了7 时间。 传递性由于存在制约性和延迟性，且逐个向后影响，因而产生 了传递效应。这种传递性不是平滑连续的，而是脉冲式间断连续的。 第1 辆车的动作传递到”辆车时，已相隔相当长的时间才采取相应的 动作。 跟车模型是一种刺激反应的表达式。假设( ，+ 了1 ) 为反应时刻， 则( ，+ 7 t ) 时刻的反应= 灵敏度，时刻的刺激。灵敏度是与车间间距有 关的参数，时刻的刺激是一种运动状态的特征值。前后两车在刹车 过程相对的位置如图2 4 所示。 假设：驾驶员保持本车与前车的距离为s ( ，) ，驾驶员反应时问为7 1 ， 在反应时间内车速不变，这前后两车在，时刻的相对位置如图2 4 的1 所示。图中一为前车，”+ 1 为后随车。刹车完全停止时刻的位置如图 湘潭大学硕上论文 城市智能交通信号控制系统的研究 2 4 的2 所示。 ，嗣1s 嗣蠢：。r 磊篡鬻 + 卜_ 一一l 二竺塑十鱼一 ! h 十ln 十lh ： i 嗣籼鳓 斛! 竺竺竺竺兰 ； 2 完全刹车后两卞的位置。 - _ 一 一。” 图2 4 线性跟车模型中刹车过程中前后两车的位置 图中的符号： z 。( f ) 在f 时刻前车n 的位置； x 。( ，) 在f 时刻后随车( ”+ 1 ) 的位置； s ( ，) 在，时刻前车n 与后随车( n + 1 ) 的车头距， s ( o = 。( ，) 一( r ) ( 2 - 1 1 ) d 。后随车( ”+ 1 ) 在反应时间r 内行驶的距离， d ，= t x ( f ) = 7 t k + ，( f ) ( 2 - 1 2 ) d ：后随车0 + 1 ) 在减速时间内行驶的距离， d 、：! 匕! ! 坠堕 2 v h o + t ) 破前车的刹车距离， d ： 匕蚴： 2 v 。( f ) 若前后两车的减速制动距离相等( d ：= d 3 ) ，则 s ( ，) = x 。( f ) 一x 。+ i ( r ) = d 】+ 上 即：s ( o = r x 。+ l ( r + 7 1 ) + ( 2 13 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 一 6 ) 湘潭大学硕上论文城市智能交通信号控制系统的研究 上式对f 微分，得： x 一( f ) 一x ( t ) = t x ( ，+ 丁) 或 扎( m ) = 扣以) 一纠 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 式中： l 完全停车后，前后两车的车头距； x “( ，+ r ) 后随车在o + 丁) 时刻加速度，称为后随车反应； 未敏感度或称j , j 灵敏度； ，( f ) 一x “( r ) f 时刻的刺激，又叫前后两车在t 时刻的速度差。 跟车模型可描述如下： 反应= 灵敏度刺激 因为式( 2 - 1 8 ) 是由一系列假设条件而得出的公式，实际上情况 很复杂，因而将该式修改为： 。1 ( ，+ 7 1 ) = a z 。( ，) 一x 。+ ，0 ) ( 2 - 1 9 ) 这时吉由d 代替，而圭与a 物理意义不完全相同，口称为反应强度。 2 3 交通信号控制的基本概念 2 3 1 控制参数 信号控制的参数有三个】：周期长度、绿信比和相位差。交通信 号控制系统功能就是最佳地确定各路口各车流方向上的这些参数，并 执行实施之。 ( 1 ) 周期长度 周期长度即信号灯运行一个循环所需的时间，等于绿灯、黄灯、 红灯时间之和。一般信号灯最短周期不能少于3 6 s ，否则不能保证几 个方向的车顺利通过交叉路口。最长周期不超过2 m i n ，否则引起等待 司机的抱怨。适当的周期长度对疏散路口的交通流、减少车辆等待时 湘潭大学硕士论文城市智能交通信号控制系统的研究 间有重要意义。 从疏散的角度来讲，虽然当交通需求越大时，周期应越长，否则 一个周期内到达的车辆不能在该周期的绿灯时间内通过交叉路l j ，就 会发生堵塞现象。从减少车辆等待时间的角度来计划，太长或太短的 周期都是不利的。若周期太短，则发生上述堵车现象。若周期太长， 则某一方向的绿灯时间可能大于实际需要长度，而另外方向的红灯时 间不合理的延长，必然导致该方向车流等待时间的延长。 正确的周期长度应该是：一个方向的绿灯时问刚好使该方向入口 处等待车队放行完毕。例如一个两个方向( 东西向和南北向) 交叉路 口，设两个方向的交通需求( 到达率) 分别是d 、d ，通行能力分别 是s 、s ：，周期时间长度为tl ，绿灯时间分别为( 】= l g ，其中损失时 间分别为厶、上，( 损失时间是指不能被充分利用的时间，原因是绿灯 出现之初车队有个反应和加速过程) ，黄灯时问不计，则： f 。d 】= ( g 1 一i ) s i t d 2 = ( g 2 一2 ) s 2 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 将以上两式相加，并将g ，+ g ：= ，代入得： ，c - 可l i + 互1 2 ( 2 - 2 2 ) 由式( 2 2 2 ) 可以计算出，保证路口不堵塞的一个最小周期值。 若实际需求过高，堵塞现象成为不可避免的，信号周期长度应取最大 允许值。 ( 2 ) 绿信比 一个周期中，绿灯时间与周期长度之比称为绿信比。设绿灯时问 为g ，周期长度为t ，则绿信比g 为： 耳= i ” ( 2 - 2 3 ) ， 绿信比的大小对于疏散交通流和减少路口总等待时间有着举足 轻重的作用。通过合理分配各车流方向的绿灯时间( 绿信比) ，可使 第17 砍 湘潭大学硕j 二论文城市智能交通信号控制系统的研究 各方向上阻塞车次数、等待时间减至最少。 现以两向交叉路口为例，说明确定绿信比的方法。设某一向上( 例 如东西向) 通行能力为s ，损失时间为。，交通需求为d 。，则不发生 堵塞的条件为： ( g j ，。一三1 ) j i = ，。d i ( 2 2 4 ) 即： ，：生+ 一l 1 ( 2 - 2 5 ) 一 s lf 。 另一个方向交通信号的绿信比为： g2 = 1 一g 。 ( 2 - 2 6 ) 根据跟车论，可以推导出最短绿灯时间。将最短绿灯分成两部分， 一部分是疏散波( 发车波) 传到最后一辆车的时间，记为，。，另一部 分时间是车辆通过交叉路口的时间，记为，最短绿灯时间可以表示 为： ，。= ，。+ ，。 ( 2 - 2 7 ) 图2 5 中是一个具有车辆检测器的十字路口，假设检测器到交叉路口 停车线的距离为d ，绿灯开启后，疏散波以v ，的速度往后传，。= 旦到 达检测器。考虑最拥挤情况，紧靠检测器内区域有一辆车，疏散波传 图2 5 带检测器的一个十字路口 nili 城市智能交通信，捧制系统的研宄 到后，起动该车，因为这辆车的速度肯定与前一辆车的速度有关，即 满足跟车理论式( 2 一1 9 ) ，假定在司机反应时间7 1 内，车辆的速度变 化是匀加速，等于该段时间内头尾加速度的平均值，根据距离、速度、 加速度的关系有下列方程组： 监! 业：亟盟+ l 掣+ 堡：掣i t ( 2 2 8 ) d lm d l 2 d - h m 忉一。+ 掣丁+ 引学+ 掣塑! 孚2 9 ， 初始条件： x 。( o ) = ox n ( o ) = l ( 车头距) ( 2 - 3 0 ) 塑刿婴：0( 2 3 1 ) 以 以上方程组可以求出任意时间内，引导车和跟随车的位移和速度近似 解。比较_ + 和d 之间的关系，可以确定最后一辆车从起动到通过交叉 路口的时间。因为绿灯开放时，道口前方没有车辆或车辆很少，车辆 一直可以加速到。，然后稳定行驶，所以当堕盟盟：v f 时的t x 就是这辆 车起动直到稳定行驶的时间。 ( 1 ) 相位 相位是对于一个路口多方向交通流而言的，一个交通流方向( 个绿灼信号) 称为一相。例如一个十字路口，根据实际情况可以设计 为两相位、三相位甚至四n ) l 市h 位。四相位时( 如图2 6 ) ，相位1 为 东西向直行( 包含右转) ，相位2 为东西左转，相位3 为南北相直行 ( 包含右转) ，相位4 为南北左转。相位越多，交通安全性越好，但 交叉路口的利用率越低。目前我国城市交叉路口交通信号，取两相位 者居多。 相位差是对两个路口同一信号相位而言的。例如一条东西走向的 第1 9 页 湘潭大学硕上论文 城市智能交通信号控制系统的研究 大街上有两个相邻的交叉路口，交通信号周期相等，它1 1 | 一j 一相位( 例 如东西直行绿灯) 起始时间之差就是该两路口东西直行信号的相位 差。 当涉及到对一条干线上的交通流或一个网络内的交通流进行控 制时，相位差是一个重要的控制参数。通过调整各路口间相位差，可 以使一串路口的信号灯形成一条绿波带( 如图2 7 ) ，车队通过这些路 口时畅通无阻。 一 ll 相位l 卜目位2 1 相位p 目位 广厂 jllll 相位3相位4 f 厂 1 厂 时间 下 周期 氏篁 图2 6 四相位示信号控制 口绿灯_ 红灯 距离 图2 7 相位差时距图 第2 0 页 城市智能交通信号控制系统的研究 2 3 2 交通信号控制的基本方式 交通信号控制的方式分为三种：定时控制、车辆感应式控制、自 适应控制f 2 】【1 1 】。 ( 1 ) 定时控制根据交叉路口一定时间的交通流量预先确定所有 的控制参数，即周期、相位、绿信比，人为设置方案( 配时参数) 。 在定时控制中，又可分为定周期控制与变周期控制。在定周期控制中， 信号控制系统只能执行一种配时方案，信号灯一天2 4 小时按照相同 的周期执行同一方案。在变周期控制中，2 4 小时分成多个时间段，每 一个时间段内执行不同的方案。由交通警察根据当时交通实况编制方 案表的切换时间，或每天由时钟自动选择、切换。这种控制方式的优 点在于：实时性好，但方案的好坏取决于系统管理者事先的判断能力。 ( 2 ) 车辆感应式控制根据交通路口的交通流量需求变换信号灯 色，没有固定的周期和绿信比。车辆感应式控制使用感应式信号控制 机，通过埋设或悬挂在交叉路口的车辆检测器获得车辆信息。这种控 制方式可以延长特定相位的绿灯间隔时间长度【2 l ，车辆驱动某一可延 长绿时相位的绿灯间隔时间( 如图2 8 所示) ，它包含三个参数：最小 绿灯时间、单位延长绿灯时间和最大绿灯时间；也可以跳过没有交通 需求的相位，即实现跳相位控制。在车辆感应式控制中，又可分为： 半感应控制和全感应控制。 交通需求 + + 士+ 最小绿灯时间最人绿灯时间 图2 8 感应相位绿灯间隔延长时间 湘潭人学硕士论文城市智能交通信号控制系统的研究 半感应控制方式：主干道一直开绿灯，辅道一直开红灯。辅道有 车辆要通过时，车辆检测器发出信息，辅道的红灯变为绿灯，主干道 相应变为红灯，辅道车辆通过后，红灯恢复原状态。这种控制方式的 缺点在于：辅道有连续车辆通过时，容易造成主干道车辆阻塞。 全感应控制方式：四个方向上都设置车辆检测器，一般主干道经 常绿灯，次干道经常红灯，当次干道有车而主干道无车时，次干道才 变为绿灯，主干道变为红灯。次干道车辆通过交叉路口后，次干道恢 复红灯，主干道恢复绿灯。这种控制方式的缺点是：当主干道连续有 车时，容易造成次于道车辆阻塞。 ( 3 ) 自适应控制像车辆感应式控制一样，控制系统根据检测器 送来的信息，实时产生性能最佳的绿灯配时方案，并付诸实施，使一 段时间内车辆放行最大，或者使车辆延误时间和停车次数最小。这种 控制方式各参数随着变化的交通量自动调节，它是由于计算机技术和 通信技术发展到一定水平而产生的控制方式，进行这种控制方式的交 通信号机将检测到的交通数据实时地通过通信网传至上位机，上位机 根据路网上交通量的变化情况，不断调整配时方案。通过这种控制方 式，容易实现交叉路网的统一调度和管理，上位机同时控制一个城市 区域的数个或数十个路口的信号机，实现区域中交叉路口之间的统一 协调管理，提高路网的运行效率。 2 4 选择信号控制的依据 在城市交通控制中，并不是每个交叉路口都要选择信号控制。选 择某一个交通量比较稳定的时段，将此时段主干道与次干道交通量之 和作为标准流量，并规定一天中有三分之二的时问需要信号控制时应 该安置信号控制。 选择信号控制的标准1 如下： 城市智能交通信号控制系统的研究 ( 1 ) 按最低交通流量选择( v e h h ) 选择( 表2 1 ) ； ( 2 ) 按中断主要道路交通量的连续时间考虑( 当主、次干道交通 量之比太大时，次干道车流受阻，受阻时问大于3 0 s 时，定为受阻， 呈不均匀交通流) ( 表2 2 ) ： ( 3 ) 按最小行人交通量选定过街信号灯； ( 4 ) 以上三项中，任意有两项满足规定值的8 0 以上时，也可以 选用信号控制。 表2 i适合用信号控制的最小车流量 区主干道( 双句流入量)次干道