（交通运输规划与管理专业论文）综合环境因素及延误的交通控制方法研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 y 8 7 8 5 0 8 摘要 随着社会的进步以及交通可持续发展理念的倡导，公众对能源消耗、 尾气排放和噪声污染的关注日益广泛，交通环境已经成为交通规划、管理 与控制中需要考虑的重要因素。 本文在综述国内外交通控制相关研究的基础上，提出了综合考虑环境 因素及交叉口延误的交通信号配时的优化方法和流程：在优化算法的选择 上，本文选择目前应用较为广泛的遗传算法作为优化工具，并利用微观交 通仿真模型v i s s i m 以及m a t l a b 、s u a lb a s i c6 0 等编程工具，设计出 了相应的算法程序；最后通过选取实际路网中的交叉口作为案例研究，对 本文所提的方法和理论的可行性和有效性进行了验证，并总结得出了相应 的结论，从而为城市道路交叉口的交通信号配时提供新的设计思路，为o e m 数据在交通控制中的应用提供技术支持和借鉴。 关键词：交通控制优化；尾气排放：o e m ；遗传算法；微观仿真 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c e m e n to fs o c i e t ya n dm ep r o m o t i o no fs u s t a i n a b l e 仃a n s p o r t a b o nd e v e l 叩m e n t ，e n e r g yc 衄s u m p t i o n ，v e h i c l ee x h a u s te m i s s l o n sa n d n o i s ep o l l u t i o nh a v eb e e np a i da t c e n t i o ni n c r e a s i n g l yb yt h ep u b l i c n a 伍c e n v i r o 姗e n th a sb e c o m ea ni m p o r a n tf a c t o rc o n s i d e r c di n 扭甚n s p o r t a t i o n p l a n n i n g ，m a n a g e m e n ta n d c o n t r 0 1 o nt h eb a s i so far e v i e wo fs t a t e o f - t h e a r to n 仃a m cc o n 仃o l s ，t l i st h e s i s p r o p o s e sa n 印p r o a c ha n dp r o c e d u r ef o rt r a m cs i g 衄lt i m i n go p t i m i z a t i o nb ya n i n t e 盯a t e dc o n s i d e r a t i o no f 仃a 珩ce n v i r 0 姗e n ta n di n t e r s e c t i o nd e l a yf a c t o r s t h ew i d e l yu s e dg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i ss e l e c t e da st h eo p t i m i z a t i o nt o o l ， w h i c hi sj m p l e m e n t e db yu s i n gt h em i c r o s c o p i ct r a 伍cs i m u l a t i 0 力m o d e l v i s s i m ，t h ep r o g m m m i n g1 a n g u a g em a t l a ba n d s l l a lb a s i c6 o f i n a l l y ， m ef e a s i b i l 时a i l dv a l i d i t yo f m ep r o p o s e da p p r o a c hi sc x a m i n e db ys e l e c t i n ga n i n t e r s e c t i o n 丹o mt h er e a lr o a dn e t w o r ka st h ec a s es t i l d y t h ec o n c l u s i o 璐 s u m m a r i z e d 舶mt h i sm e s i 8p r e s e n t san e wa p p r o a c ht od e t e m i n i n gt h e 仃a 历c s i g n a ld m i n g so fi n t e r s e c t i o n si n t h er o a dn e t 、v o n a sw e l la sp r o v i d e st h e t e c h n i c a ls u p p o r ta n dr e f c r e n c ef o rt h e 印p l i c a t i o no fo e md a t ai n 协l m c c o n 仃0 1 s k e yw o r d s ：o p t i m i z a t i 肌o f1 h m cc o n t r o l ；v e h i c l ee x h a u s te m i s s i o n ；o e m ； g e n e d ca l g o d t l l m ；m i c r o s c o p i cs i m u l a t i o n i 【 北京交通大学硕： 学位论文 1 绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 近二十年来，随着城市经济的迅猛发展，我国城市的交通需求量急剧 增加。为了适应城市交通发展的需要，交通相关部门投入了大量的人力和 物力进行城市交通的规划、建设和管理。然而，由于传统的交通规划与管 理单一的面向交通，没有充分考虑交通对环境的影响，使得我国许多城市 的交通建设和管理不符合城市可持续发展的需要，不仅交通拥挤问题依然 存在，城市的环境质量也日益恶化。 随着交通环境的恶化，道路拥挤和交通控制而产生的环境影响引起了 公众的注意。许多工程师，交通管理者，院校的科研人员都试图在解决交 通拥堵的基础上，寻找一些有效的方法和措施，来减少燃料消耗和机动车 尾气排放。最突出的一些方法是开发宏观及微观尾气排放模型，例如，宏 观尾气模型育美国环保署( e p a ) 开发的m o b i l e 模型，微观尾气模型有 c m e m 等。尽管很多预测模型已被开发出来，但大多数并没有真正应用到 交通控制和管理上，主要原因有：一、模型具有局限性。现有的模型大多 数都是根据特定的对象和环境而设计的，在交通规划目的、车辆性能及表 现、交通对环境的影响评估都有所差异；二、在实际应用中较为困难。由 于交通流的复杂性和时变性，车辆的行驶工况随时发生变化，使得排放预 测模型很难应用到实际的交通控制中。 计算机和通讯技术的迅猛发展，公众对能源消耗、尾气排放和噪声污 北京交通人学硕士学位论文 染的关注，不停车电子收费系统的成功开发，使得考虑到环境因素的交通 管理和控制成为可能。目前，一些国家( 如美国、英国、德国等) 的专家 和学者已经将环境因素逐步纳入到交通的规划、控制和管理之中，并开展 了相关的研究。但是，现有的基于环境因素的考虑基本上是利用经验模型 预测，预测的结果与实际路网状况存在较大的偏差，在实际的交通管理和 控制应用中还存在一定的局限性。因此，如何精确量化机动车尾气排放、 能源消耗，并将其应用于实际的交通管理与控制中，己成为亟待解决和深 入探讨的重要问题。 0 e m ( o n b o a r de m i s s i o nm e a s u 瑚n e n t ) 机动车排放实时检测系统是最 新的基于车辆实际行驶路况的新型车载尾气检测系统呻】。该系统突破了传 统的定点尾气收集数据的局限性，能够方便快捷地获得不同路段、不同车 型( 包括汽油车、柴油车、重型车、轻型车等) 、不同时段的尾气排放数据， 可以检测到的尾气排放有c o 、c 0 2 、h c 、n o 。，当然还包括尾气中的0 2 及柴油车的p m 等值。因此，o e m 技术已经可以精确量化实际路网中的机 动车尾气排放情况，为机动车尾气排放控制提供了技术支持。 1 1 2 研究意义 机动车尾气排放的主要影响因素有车辆性能、行驶工况等，但在实际交 通路网中，更主要受行驶工况的影响。一般情况下，在路段上行驶的车辆 往往保持匀速行驶的状态，机动车尾气排放变化不大，但是在信号交叉l 】 由于受信号控制的影响，车辆往往需要改变行驶状态，如减速、加速等。 在这种情况下，机动车尾气排放更加严重，所产生的延误也比路段上的要 大。因此，将机动车尾气排放、车辆的延误与交叉口的信号控制进行有效 的协调，减少车辆在交叉口的尾气排放和延误，改善交叉口交通运行环境 北京变通大学硕士学位论文 和质量，具有重要而现实的意义。目前，交叉口延误获取技术已经成熟， 而现有的尾气预测模型并不能很好的应用于实际的交通控制中，特别是交 叉口的信号配时中。因此如何量化尾气排放成为本文研究的重点。另外， 随着机动车尾气排放量化技术的提高，特别是o e m 技术的应用，如何深度 挖掘o e m 测试数据，将o e m 测试数据应用到现实的交通规划中，已经成 为亟待解决的问题。 由于目前国内在基于尾气排放的交通控制的研究上还处在起步阶段，特 别是o e m 测试数据在交通控制中的应用还是一片空白。本研究试图将机动 车尾气排放控制、交叉口延误降低与信号配时相结合，分析它们之间的协 调关系；基于有效的交通仿真平台，运用科学、有效的算法寻求基于多因 素的信号配时优化方案，从而为更深入的研究交通控制方法提供一些新的 思路，同时也为o e m 数据在交通控制中的应用提供技术支持和借鉴。 1 2 研究目标及内容 本文的研究目标在于提出综合考虑环境因素及交叉口延误的交通信号 配时的确定方法，从而对o e m 测试数据在交通控制中的应用作初步探讨； 借助微观交通仿真模型及计算机编程工具，设计出综合考虑环境因素及交 叉口延误的交通控制优化算法程序，并通过案例研究，对所提的方法进行 论证，从而为城市道路交叉口的交通信号配时提供新的设计思路，为o e m 数据在交通控制中的应用提供技术支持和借鉴。 针对阻上研究目标，本文的研究内容主要包括以下几个方面： ( 1 ) 国内外研究发展综述 综述国内外关于交通控制方法以及基于多因素的交通控制方法研究 概况，并对其存在的问题进行总结与分析：在此基础上，提出基于交通 北京交通大学硕士学位论文 环境、交通延误的交通控制优化研究的必要性。 ( 2 )基于优化算法的交通控制方法的设计 提出基于优化算法的交通控制方法及流程，在此基础上介绍排放因子及 其获取方法、交通仿真模型的原理及优化算法的基本思想。 ( 3 )交通控制优化算法程序的设计与开发 根据本文提出的基于优化算法的交通控制方法及流程，利用m a t l a b 及v i s u a lb a s i c6 o 开发出相应的计算机程序，为进行实际路网交叉口的交 通控制优化提供技术支持。 ( 4 ) 排放因子的计算 包括尾气排放量化主要方法的介绍，0 e m 交通尾气数据特性的分析以 及基于o e m 交通尾气数据库进行数据库操作，计算得到不同车类型、不同 速度、不同加速度下的尾气排放因子等。 ( 5 ) 案例研究与分析 即选取实际路网中的交叉口作为研究对象，在进行实际交通调查的基础 上，搭建交叉口的微观仿真平台，运行本文设计的算法程序，并对运行结 果进行具体分析和总结，从而对本文所提的方法和理论的可行性和有效性 进行验证。 1 3 研究技术路线 本研究的技术路线( 如图1 一l 所示) 如下： 首先，在对国内外关于交通控制方法、基于多因素的交通控制研究概况 研究进行综述的基础上，总结经验和启示，并结合我国现有的研究条件、 研究技术，提出本文的研究目标。 其次，提出论文在面向环境优化及延误减少的交通控制研究中所采用的 北京交通大学硕士学位论文 方法及理论。本文借助微观交通仿真模型模拟实际路网，获取交叉口延误 数据，再将模型与尾气排放因子数据结合，得到路网的尾气排放情况，利 用优化算法得到优化的交通控制策略。针对研究所涉及的三个核心，即如 何模拟实际路网，如何得到尾气排放，应用什么样的优化算法，选择微观 仿真模型、排放因子的获取方法及优化算法。 再次，在本研究所采用的方法及理论的基础上，进行优化算法程序的开 发。利用程序开发优化算法主程序，同时针对仿真模型接口特点，开发相 应的仿真模型调用程序。 最后，选取实际路网中的交叉口，建立微观交通仿真平台，同时根据 o e m 数据库中的尾气数据得到不同车类型、不同工况下的平均尾气排放。 最终运行算法程序，得到综合尾气排放因素、交叉口平均延误的的交通控 制优化方案，实现交叉口的优化组织。 北京交通大学硕士学位论文 1 4 本章小结 图1 一l 研究技术路线图 随着我国城市化进程的加快，交通拥堵、交通环境恶化的问题已经越来 越突出，引起了交通学者和交通部门的高度重视。然而，现在的交通控制 往往致力于解决交通拥堵，却很少关注于综合考虑环境因素、交通延误的 交通控制研究。本文将在总结国内外相关研究经验及及方法的基础上，提 出基于多因素的交通控制优化思想，开发出基于遗传算法的优化算法程序， 并通过实例加以验证，为今后工作的进一步研究打下基础。 北京交通大学硕士学位论文 2 国内外研究综述 2 1 交通控制方法概述 城市交通控制主要指的是道路交叉口信号控制，与高速公路交通控制相 比，城市道路交通控制研究和应用的历史更长久一些，应用更普遍一些。 2 1 1 交通信号控制分类及基本控制参数 交通信号控制分类 交通信号主要分为三种类型，即单点控制、绿波协调控制及面控制三类。 单点定时控制是交通信号控制最基本的控制方式，其配时技术的基本原 理是其他控制方式配时的基础。这种控制方式中，路网中每一个道路交叉 口、交通枢纽的信号等各自互不相干的独立自动运行。 绿波协调控制是干线交叉口交通信号定时协调控制的关键，它通过协调 主干道路上各信号交叉口之间的相位差，使干道上按规定车速行驶的车辆 获得尽可能不停顿的通行权。当干道相邻交叉口距离不是很长时易于为驾 驶员所接受，而且它操作简便。相对经济，是一种较为普遍而又十分重要 的交通控制策略。 面控制是交通控制的发展趋势，在城市的路网中，通过中央控制室统一 控制路网中各交叉口的信号配时，提高路网车辆的运行效率。 由于目前定时信号仍然是城市道路交叉口普遍采用的一种交通信号控 制方式，因此，本文只针对定时信号控制进行重点研究。 定时信号配时的主要控制参数 定时信号配时主要有两个控制参数：周期长度、绿信比。 北京交通大学硕士学位论文 ( 1 ) 周期时长：周期时长是信号等运行一个循环所需要的时间，它等 于绿灯、黄等、红灯时间之和。一般信号周期时长不少于3 0 秒，否则不能 保证各方向的机动车辆顺利通过交叉路l j 。 ( 2 ) 绿信比：一个周期中，绿灯时间与周期时长之比称为绿信比。绿 信比的大小影响着交通流的疏散情况及路口车辆的等待时间，通过合理的 分配各车流方向的绿信比，可使交叉口各方向上的停车次数及延误时间最 小。同时，从定义可知，对于固定信号配时而言，绿信比在实际的信号配 时中能用绿灯时间进行间接表达。 2 1 2 交通信号系统应用的演变 世界上真正意义上的交通信号灯最早出现在英国。1 9 6 8 年，英国伦敦 市首次使用燃气色灯信号，用于城市交通的控制。这种信号灯源于铁路信 号的灵感，信号显示的方式由红灯和绿灯组成，已经具备了现代交通信号 灯的基本特点，但因易发生爆炸未能推广使用。在以后的几十年中，世界 各国纷纷应用交通信号系统并对系统改进。1 9 1 4 年，美国在克利夫城安装 使用了人工操作的电气照明信号灯，1 9 2 0 年，这种系统被日本采用，1 9 3 0 年，被英国采用。这种信号设置在交叉口中央的信号塔上，四个方向均有 直径为3 7 5 厘米的圆形投光器。1 9 2 6 年，世界上第一台自动控制街道交叉 路口的交通信号机在英国研制成功并使用，它采用固定周期控制方式，随 后又出现多时段固定周期控制方式。1 9 2 8 年，美国研制成功车辆感应式交 通信号灯，采用橡皮管气压式检测器。几年后被英国、日本等国采用。 在交通信号不断改进和发展的同时，用于多个路口协调统一控制的交 通信号控制方式也在不断发展。1 9 1 7 年，美国盐湖城安装使用了人工控制 的干道信号协调系统。1 9 2 2 年，美国休斯敦市建立了一个采用电子计时器 北京交通大学硕士学位论文 的干道信号协调系统。1 9 2 8 年，美国研制成功一种灵活步进式定周期干道 信号定时系统，由于其技术简单，可靠性强，价格低廉，很快被英国、德 国、日本等国广泛应用。 随着科技的发展，电子计算机技术也逐渐应用到交通控制中。1 9 5 2 年， 在美国丹佛出现了采用模拟电子计算机的交通信号控制系统，该系统将单 一交叉路口的交通感应控制概念应用街道交通信号网络，并使用车辆检测 器向控制中心输入交通流数据，用模拟电子计算机进行数据处理，然后再 调整各交叉口的交通信号程序。在随后的十一年间，美国已建立了一百多 个这种信号控制系统。1 9 6 3 年，加拿大多伦多市投入了一套使用i b m 6 5 0 型计算机的集中协调感应控制信号系统，这标志着城市道路交通控制系统 进入了一个新的阶段。其后，美国、英国、德国、日本、澳大利亚等国家 相继建成数字电子计算机区域交通控制系统，这种系统一般还配合交通监 视系统组成交通管制中心。到八十年代初，全世界已经建有交通管制中心 的城市有3 0 0 多个n 上述各时期典型的交通信号系统的特征及表述如表2 1 所示： 表2 1 各时期典型的交通信号系统的特征 控制 时间国别城市 信号 控制路口控制方式 类型周期 1 8 6 8 年 英国伦敦 j 酸 | 点 1 9 1 4 年美国克利夫兰 盟 控 1 9 2 6 年 英国各城市 定 苴 自动 1 9 2 8 年美国 各城市 定 虽 自动 线 1 9 1 7 年 美国盐湖城 6 个 定 人工 1 9 2 2 年美国 休斯敦市 1 2 个定电动 控 1 9 2 6 年 美国各城市多个定电动 1 9 5 3 年美国丹佛市多个变计算机 面 1 9 6 3 年 加拿大多伦多市多个变计算机 北京交通大学硕一 ：学位论文 2 1 3 典型城市道路交通控制系统的分析 随着计算机技术和自动控制技术的发展，以及交通流理论的完善，交 通运输组织与优化理论技术水平的提高，交通控制中心的功能不断增强， 控制手段越米越先进，逐步形成了实用性强的城市道路交通控制系统。这 些交通控制系统有着独立的寻优方法，通过信号配时参数的改变实现交通 控制的优化。 当前，世界各国广泛采用的最具代表性且有实效的城市道路交通控制 系统主要有三种。 一、t r a n s y t 交通网络研究工具m 】 t r a m cn 咖o r ks t u d vt 0 0 1 ( 简称t r a n s y t ) 是英国交通与道路研究 所( t m n s p o r ta n dr o a dr e s e a r c hl a b o r a t o r y ，简称t r r l ) 于1 9 6 6 年提出的 脱机优化网络信号配时的一套程序。t r a n s y t 自问世以来，随着交通工程 的实践，得到了不断的改进和完善。英国已发展出型号为t r a n s y t 1 l 的 控制系统，美国在英国t r a n s y t 一7 的基础上进行改进，目前的版本是9 版，法国也把t r a n s y t 改进为t h e s e e 型及t h e b e s 型。 t r a n s y t 是一种脱机操作的定时控制系统，系统主要由仿真模型及优 化算法两部分组成。系统利用爬山法进行优化控制，通过优化绿信比及相 位差，实现车辆的平均延误、停车次数及排队长度减少的目的。 t 凡n s y t 是相当成功的静态系统，它被世界上4 0 0 多个城市所采片j ， 证明其产生的社会经济效益很显著。但也存在着许多可i 足。第一，计算量 很大，在大城市中这一问题尤为突出：第二，周期长度不进行优化，事实 上是很难获得整体最优的配时方案；第三，因其离线优化，需大量的路网 集合尺寸数据和交通流数据，在城市交通发展过快时，为保证可信度不得 玎i 重新采集数据在整理优化，制定新的方案。 o 北京变通大学硕士学位论文 二、s c 0 0 t 一绿信比、周期和相位差优化技术 5 】 s p l i t - c y c l e - o f f s e to p d m i z a t i o nt e c h n i q u e ( 简称s c o o t ) 系统也是由 t r r l 在t r a n s y t 系统的基础上采用自适应方式，经过八年的研究于1 9 8 0 年提出的动态交通控制系统。s c o o t 仍采用了t r a n s y t 的交通模型，吸 收了t r a n s y t 各方面的优点，并因s c o o t 的实时控制，获得了明显优 于静态系统的效果，被很多国家采用。 系统结合埋设的检测器，调整交叉口绿信比、相位差、周期时长，利 用小步长渐进寻优法实现交叉口的优化信号配时。实践证明，s c o o t 系统 有个灵活、准确的实时交通模型，不仅用于制定配时方案，还可以提供 各种交通信息：s c o o t 采用对下一周期的交通进行预测的方法提高了结 果的可靠性和有效性：s c o o t 调整参数是采用频繁的小增量变化，既避免 了信号参数突变给路网上车辆带来的损失，又可通过频繁的累加变化来适 应交通条件的变化：s c o o t 的车辆检测器埋设在上游路口的出口处，为下 游交叉口信号配时预留了充足的时间，且可有足够时间做出反应以预防车 队阻塞到上游交叉口。同时，即使检测器出现故障，它也能做出相应的调 整，减少影响。但是，s c 0 0 t 的不足仍是突出的，一是相位不能自动增减， 相序不能自动改变；二是独立的控制子区的划分不能自行解决，需人工确 定：三是饱和流率的校核未自动化，使现场安装调试时相当繁琐。 三、s c a t 一悉尼协调自适应交通方法m 】 s y d n e yc o o r d i n a t e da d a 西v et r a 币cm e t h o d ( 简称s c a t ) 是由澳大利 亚a g s i m s 等人在七十年末期进行开发的。 s c a t 采用先进的计算机网络技术，预先设定多个信号配时方案，通过 比较选择实现饱和度( 车辆有效利用绿灯时间与绿灯显示时间之比) 最大 及通过流量最大。 s c a t 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 北京交通大学硕士学位论文 制方案容易修改。在需要的情况下，s c a t 能合并相邻地区联合控制，也可 允许各路口自主实行车辆感应控制。经悉尼市的对比实验表明：s c a t 与 t r a n s y t 相比，在总旅行时间相同的情况下停车次数明显减少。然而， s c a t 系统有以下几点不足：第一，s c a t 是为一种方案选择系统，限制了 配时参数的优化程度；第二，s c a t 过分依赖于计算机硬件，除了p d p i l 系统数字计算机外，无法在其他计算机系统上实施；第三，选择相位差无 车流实时信息反馈，可靠性低。 2 2 4 交通控制优化理论和方法研究 目前，定时信号的配时基本上都是参照国际上主要的方法或利用传统 的公式进行确定的，如英国的t r j 也法( 也称w e b s t e r 法) 、澳大利亚的 a r r b 法以及美国的h c m 法等。但是，由于这些方法过于公式化，而各国 的实际交通状况均有很大的差异，且城市交通系统具有随机性、模糊性以 及不确定性等特点，因此，使用这些方法进行定时信号的配时仍然具有较 大的局限性。鉴于此，近年来，不少交通专家以及学者开始利用智能控制 理论及一些先进的优化算法来对信号配时进行优化研究，其中主要的方法 和理论有模拟退火法、模糊控制、神经网络控制以及遗传算法等。 1 、模拟退火法 随机神经网络的模拟退火( s i m u l a t e da n n e a l i n g ) 算法【7 1 是一种求解大规 模组合优化问题的随机方法。它的出发点是基于物理中固体物质的退火过 程与一般组合优化问题间的相似性，利用m e t m p o l i s 启发性随机搜索算法 并适当地控制温度的下降过程实现模拟退火，从而达到求解全局优化问题 的目的。模拟退火算法在搜索策略上与传统的随机搜索方法不同，它在迭 代过程中不仅接受使目标函数值变“好”的试探点，而且还能够以一定的 北京交通大学硕士学位论文 概率接受使目标函数值变“差”的试探点，接受概率随温度的下降逐渐减 小。模拟退火算法是一种通过适当地控制温度的变化过程实现大范围的粗 略搜索与局部精细搜索相结合的搜索策略。 冯晓、王炜【8 提出利用模拟退火法求解交叉口信号配时全局优化综合指 标优化的问题，通过一个案例的分析，发现采用模拟退火算法与w 西s t e r 公式所得的信号配时相比，前者车辆平均延误略有增加，但减少了车辆平 均停车次数，增加了交叉口的通行能力。 2 、模糊控制 早在1 9 7 6 年，p 印p i s 和m 锄d a i l i 就将模糊控制用于单交叉口的交通控 制，所用的模糊输入量是排队长度、到达车辆数和绿灯时间，输出量为绿 灯时间增量，仿真结果表明比传统的控制方法减少延误时间7 左右0 1 。 但是p 印p i s 的研究仅仅依据单交叉口的两相位的关键车流来决定交通信号 配时，而忽略了两相位的非关键车流对信号配时的影响。我国学者陈洪在 此基础上进行了进一步的研究，考虑了非关键车流的影响，采用了多级模 糊控制的方法，其仿真结果较p 印p i s 等提高1 2 5 【1 1 1 2 1 。 以上模糊控制方法中的到达车辆数是基于时速不变的理想情况下对后 1 0 秒的预测，这种预测在实际中有很大的局限性。其一，由车辆检测器检 测到的车辆速度是当前时刻的数值，带有很大的随机性：其二，在车道上行 驶的车辆速度要受到环境的影响，这种影响包括前后车辆、行人和意外事 故等因素，由此预测的到达车辆数在实际情况下将遇到很大的局限性。同 时，这种控制方法均局限于两相位的简单交叉口的信号控制，而实际应用 表明，适合两相位控制的交叉口，其交通量较小，根据交通量历史数据进 行常规定时控制也能取得不错的效果。虽然用模糊控制可以取得一些改善， 但意义不是很大。 3 、神经网络控制 北京交通大学硕士学位论文 人工神经网络是由大量简单的称之为神经元的处理单元以某种拓扑结 构广泛地相互联接而构成的复杂的非线性动力学系统，它是在对人脑为主 要的生物神经系统的组织结构和行为特征进行研究的基础上提出的，侧重 于对人脑某些特定功能的模拟，强调大量神经元之间的协同作用。神经网 络控制系统的智能性、鲁棒性较好，能处理多维、非线性和不确定的复杂 系统的控制问题。其显著特点是具有学习功能，不断修正神经元之问的连 接权值，并离散存储在连接网络中，因而对非线性系统和难以建模的系统 具有良好的映射功能和学习功能。神经网络控制比较适合难以建立准确数 学模型的交通系统，许多学者己经将它用于交通控制的研究之中。1 9 9 1 年， n a h a t s u j i 和t e r u t o s h i 通过训练一个神经网络使其给出某单个交叉口的最优 绿信比，后来又把研究工作扩展到三个交叉口上。国内学者徐冬玲等研究 了一种由神经网络实现的单点模糊控制器，效果明显【”】。但也存在一些不 足，如只讨论了两相位的信号控制，而目前越来越多的路口采用了多相位 信号控制，而且控制规则一经确定就不再改变，即不具备实时学习的功能。 因此，对于交通状况复杂的多相位路口，很难取得满意的效果。 国内学者李秀平等提出了一种实时学习功能的多相位双神经网络信号 控制方案。该方案由两个处于底层的神经网络信号控制器和一个处于顶层 的控制效果评价准则组成。当系统处于自学习运行状态时，两个神经嘲络 总是交替处于学习和工作状态，由控制效果评价准则根据路口的实际交通 状况，确定神经网络是否需要进行学习，神经网络完成自学习后就可作为 信号控制器使用。仿真研究结果表明该方案能有效提高多相位路口的通行 能力，对车流的变化具有很强的适应性。在网络运行前，可先将交警的指 挥经验用规则的形式表示出来，然后用这些规则来训练神经网络。该方法 的不足之处在于神经网络初始权值的确定比较困难，对信号控制器的硬件 的计算能力和速度有很高的要求，而且由于是将以前历史数据的学习结果 北京交通大学硕士学位论文 用于当前的交通控制，不能适应交通的实时快速变化。 4 、遗传算法 遗传算法是一种模仿生物界进化机制的随机搜索算法，它移植了达尔 文、孟德尔的进化遗传思想，本质上是一种高效、并行、全局搜索的优化 办法，能在搜索过程中自动的获取和积累有关空间的知识，自适应的控制 搜索过程以求得最优解1 1 4 ，”l 。遗传算法自问世以来对函数的优化问题始终 是其重要的应用领域之一。由于g a 对函数的数学性质几乎不做任何要求， 因此具有很广泛的适应面。同时由于g a 采取群体搜索技术具有很高的鲁 棒性和并行性，在许多问题上取得了很好的应用效果，遗传算法控制也比 较适合难以建立准确数学模型的交通系统，许多学者己经将它用于交通控 制的研究之中。a n i lk a m a r a j u g a d d a 等开发了遗传算法程序，用于实现对 平均延误及第9 5 百分点延误的控制优化，发现对于一个交叉口，相对于利 用s y n c h r o 计算的结果，利用遗传算法减少的延误要大得多。 在国内，西北工业大学的黄辉先和史忠科提出了基于遗传算法的城市 交叉u 信号配时模型 1 ”，该模型以交叉口滞留车辆数最小为目标函数，该 模型的缺点是未考虑交叉口车辆在上一周期的时间延误。 2 2 考虑环境因素的交通控制研究 控制和降低机动车尾气排放需制定有效的机动车尾气控制策略。世界 各国在机动车尾气治理历程中采取或提出了多种控制策略，这些策略可分 为静态和动态两大类： 静态尾气控制策略包括：( 1 ) 发动机控制技术，如改进燃油喷射技术， 点火技术，废气再循环技术，涡轮增压和中冷技术等：( 2 ) 催化转换技术， 如氧化催化，还原催化和三元催化技术等：( 3 ) 燃油改进、替代技术，如 北京交通大学硕士学位论文 汽油无铅化、加氧技术，l p g 、c n g 、乙醇等代用燃料技术等。这些静态 控制技术的应用，在单车尾气削减方而取得了巨大成就。以日本为例，其 单车的c o 、h c 和n 0 。的排放已分别比应用控制技术前下降了9 5 、9 6 和9 2 。但随着机动车保有量和交通出行的增加，城市空气质量问题依然 存在，尤其是发展中国家，甚至于越米越严重。而继续采取上述手段进一 步降低排放的困难越来越大，成本越来越高，交通和环境领域的专家学者 不得不开始寻找其他策略。 动态尾气控制策略包括：( 1 ) 宏观土地利用与交通规划方案，从土地 利用规划层面减少交通出行，从交通规划层面提出有利于尾气削减的路网 规划方案等；( 2 ) 交通控制与i t s 实施对策：公交优先、交通诱导、道路 交叉口类型设置或信号配时优化等：( 3 ) 政策性管理措施，交通需求管理、 车辆的载重限值、怠速时间限值等排放控制政策等。 与过去对车辆、发动机、尾气静态性的控制技术相比，动态尾气控制 控制策略具有明显的动态性，强调从车辆的出行起因、运行状态和路线等 方面进行动态管理控制。由于城市路网中的交叉口相对于其它区域尾气污 染更为突出，因此针对出现问题比较严重的交叉口有针对性地进行交通控 制，可以有效的减少尾气排放。 需要指出的是，近年来，随着世界各国对环境污染问题的日益重视， 许多专家学者开始将环境因素纳入交通控制和交通规划的研究中，并取得 了一定的研究成果。但是，现有的这些基于环境的交通控制以及交通规划 的研究在很大程度上都是依赖于机动车尾气排放评价系统的开发，即机动 车在各种交通网络环境下尾气排放的精确量化，如果机动车尾气量化不精 确，这些控制策略的可行性也就无从判另0 。此外，这些方法大多数也只是 停留在研究阶段，并没有在实际中真正发挥效用。下面即是对国内外的相 关研究现状的总结与分析。 北京变通大学硕士学位论文 2 2 1 国外研究现状 随着公众对能源消耗、尾气排放和噪声污染的日益关注，许多交通专 家、学者在交通规划及控制的研究中逐步纳入了交通环境的因素，并将这 一因素作为交通规划及控制中考虑的重要因素。 在早期一些关于交通规划的研究以及智能交通系统( i t s ) 的评价分析 中，已经开始考虑了环境因素。 r i l e t 【等最先提出了将环境因素与交通分配相结合的理念1 8 ，他们使用 一个简单的两节点两路径的路网定量的评估了i v h s 技术所带来的环境改 善。k h a n 于1 9 9 3 年定性的分析了i v h s 技术对能源消耗、噪声污染和尾气 排放的有效减少【1 9 】。y u 等提出了动态交通条件下的基于环境的动态路径理 论【2 0 】，利用t i 认n s y t 7 f 计算燃油消耗及h c 、c o 、n o 。等排放因子，将 尾气排放模型应用于交通分配模型中，计算动态交通条件下的最优尾气排 放。其中动态交通主要包括交通与控制中的排队饱和、路径选择、信号配 时的改变及事故的发生等。 近年来，由于世界各国道路交通拥堵现象日益加剧，交通专家及学者 们在对路网进行宏观规划的同时，也在考虑利用交通控制的手段来对路网 中的局部区域( 如拥堵较为严重的主干道或交叉口) 进行减少尾气排放及 能源消耗的研究。 u n a l 等川选取美国两条信号控制的主干道作为研究对象，通过8 辆轻 型汽油车行驶1 0 0 个小时共2 0 2 0 车英里的单向行驶的数据分析，c h a p e l “l l r o a d 在非拥堵时段和拥堵时段比较，各种尾气排放减少了3 5 6 0 ；w a l n u t s 仃e e 采取改进的信号配时方案后，反映交通流行驶状态的行驶时间、平均 速度、平均延误率、每英里的停车次数优化了1 5 6 0 ，而尾气排放减少了 1 0 一2 0 。t o n g b i n q u 等【2 2 】选择休斯敦的一条道路作为研究对象，利用交通 北京交通大学硕士学位论文 分析模拟系统t r a n s p o r t a t i o na 1 1 a l y s i ss i m u l a t i o ns y s t e m ( t r a n s i m s ) 模拟 不同速度限制下的道路交通，通过对输出结果的分析，发现降低速度限制 可以减少机动车的尾气排放，在高峰时段，速度限制值从1 1 3 公里川、时变 为8 9 公里，j 、时，h c 、n o ，、c o 三种机动车尾气排放也相应的减少了1 5 、 3 0 及2 1 。结果说明公路上机动车的尾气排放和速度的大小有很大的关 系，可通过适当的限速，减少公路上机动车的尾气排放。 交通控制手段不同，交叉口及至路网的机动车燃油消耗、尾气排放也不 同。a 丑d m a s 等将实际交叉口的改造方案进行比较后发现：实行环岛改造 及让行规则的交叉口要比信号交叉口的燃油消耗及尾气排放小的多。他们 选择瑞典小镇路网进行研究，经计算发现：实行环岛改造的的交叉口c 0 、 n o ；及燃料消耗比原来信号交叉口减少2 9 、2 1 、2 8 ；而实行让行觌则 方案后，c o 、n o 。及燃料消耗相比环岛改造方案多4 、6 、3 。在研究 中，他们主要利用“浮动车”获取路网的道路工况数据，同排放因子表进 行匹配，得到路网尾气排放。 2 2 2 国内研究现状 目前，我国已经有不少专家、学者以及研究人员提出了利用交通控制 手段来有效控制机动车尾气污染及能源消耗的思想，并进行了相关的研究。 但从总体上来说，国内对于考虑环境因素的交通控制研究仍然还处于起步 阶段。 东南大学项乔君、王炜等【“】从车辆通过交叉口时减速、停车和加速过 程入手分析了信号交叉口汽车燃油消耗的影响因素，提出了基于汽车燃油 消耗微观模型和信号交叉口延误分析技术的交叉口机动车燃油计算方法和 步骤。他们通过选取南京市北京东路与进香河路交叉口进行分析、计算， 北京交通大学硕士学位论文 发现在交叉口，机动车辆加速过程的油耗所占的比例最高，停车阶段其次， 减速过程油耗最小，并认为停车油耗偏高的主要原因是交叉口的相位过多， 导致车辆停车时问过长。 李修刚等f 2 5 】针对单点交叉口提出了以“交通、污染、能耗”为优化目 标的信号配时方法。他们借用美国通行能力手册计算公式以及其它经 验公式等确定了信号配时与交通延误、尾气排放、燃油消耗之间的关系； 在此基础上，利用全面枚举法，在保持各相位绿信比不变的条件下，将信 号周期的步长取1 秒，运算得到优化信号配时方案。他们选取南京市一个 交叉口进行分析，经过运算得到优化信号配时方案，将交叉口每辆机动车 的延误从1 9 秒减少到1 5 秒，h c 、c o 及n o 。的排放分别从9 0 5 4 7 2 m 、7 5 7 6 7 5 蚰、5 3 31 7 蚰减少到8 8 l1 2 9 m 、7 5 5 6 9 8 蚰、5 2 7 5 8g m 。 随着计算机技术、应用电子技术的广泛应用，智能交通系统作为交通 控制手段也广泛的应用到尾气排放控制中。冯晓等2 印论述了发展智能交通 系统( 1 1 r s ) 对缓解城市道路交通矛盾，减少机动车排放污染的基本原理与 控制手段。作为该理论的一种实际验证，他们对重庆市拥有2 5 万辆规模的 路桥不停车电子收费系统进行了检测。通过实测，得出的结论：在重庆市， 同一路段实施不停车收费与停车缴费相比，前者可使机动车排放物c o 降 低1 7 2 倍，n 0 、可降低o 4 9 倍，h c 可降低o 1 7 倍。 2 3 现有研究存在的问题 经过前面章节的论述，现有的交通控制研究方法存在的一些问题可以 总结为以下几点： l 、交通控制忽略环境影响 对于交通控制优化的研究，往往基于交通质量进行，例如研究基于车 北京交通大学硕士学位论文 辆行程时间、车辆平均速度、交叉口机动车辆平均延误以及交叉口最大排 队长度等，而忽略了交通环境的因素，特别是机动车尾气排放控制。 2 、对交通延误的计算公式化 美国道路通行能力手册计算公式以及其它经验公式等确定了信号 配时与交通延误、尾气排放、燃油消耗之间的关系。虽然应用经验公式非 常方便进行交通控制的研究，但是其只是反映了美国的交通状况，对其他 国家的适应性还有待进一步的验证。 3 、机动车尾气排放量化的问题 在进行交通环境管理与控制研究时，车辆尾气排放因子的量化，主要 采用传统测试数据收集及模型预测这两种方法。然而这两种方法都存在着 一定的不足：传统的测量法基本上存在数据精度不高或者无法反映车辆在 实际道路中的实时尾气排放。模型法的基础数据大多都是基于实验室底盘 测功方法得到，且测试车辆也不能反映北京市车辆的构成。 因此，需要在保证预测尾气排放精确的基础上，借助良好的优化算法 进行面向多因素的交通控制优化研究，突破传统交通控制研究的缺陷。 2 4 本章小结 本章对交通控制方法包括交通信号控制的分类、基本控制参数、交 通信号系统应用的演变、典型的城市道路交通控制系统以及现有的交通 控制优化方法研究进行了介绍；综述了国内外考虑环境因素的交通控制 的研究，并对其存在的问题进行了总结与分析；在此基础上，提出了基 于交通环境、交通延误的交通控制优化方法研究的必要性。 北京交通大学硕士学位论文 3 基于遗传算法的交通控制优化方法设 计 3 1 研究方法与流程 基于以上的分析可知，机动车尾气排放控制、交叉口的延误与信号配 时有着重要的协调关系，因此，可通过优化信号配时米减少交叉口机动车 的尾气排放及交叉口平均延误。 随着计算机技术的不断发展和完善，同时由于道路交通系统特性的复 杂性和时变性，利用交通仿真模型来研究道路交通问题已经成为交通领域 的研究热点。根据仿真模型的精度，交通仿真模型可分为宏观、中观以及 微观三种。其中，微观仿真模型对于交通流的描述精度最高2 7 1 2 8 】。微观交 通仿真模型对于交通流的描述是以单个车辆为基本单元的，能够非常细致 和真实的反映出道路上的跟车、超车以及车道变换等微观行为。同时，微 观交通仿真模型通过一些相对简单但真实的仿真模型来模拟车辆在不同道 路和交通条件下的路网上运行，并以动态图像的形式显示出来，因而其在 描述和评价路网交通流状况方面具有传统数学模型所无法比拟的优越性， 特别适合于在计算机上精确再现路网上的实际交通状况。特别指出是，利 用微观仿真模型可以很方便地得到交叉口平均延误及各种类型车辆的即时 速度及加速度。但是，模型却无法精确的评估路嘲中机动车尾气排放情况。 本文将充分发掘微观交通仿真模型的优势，结合典型车辆的排放因子 表( 这里的排放因子是每秒的尾气排放质量) 对路网的交通环境进行评价， 最终利用优化算法得到综合考虑尾气排放及交叉口延误的交通控制方案。 在具体实现时，首先选择研究对象，利用微观仿真模型进行仿真模拟， 建立微观仿真平台，在得到交叉口延误数据的基础上将微观交通仿真平台 北京交通大学硕士学位论文 和排放因子表进行结合，得到交叉口即时的排放情况，最终运用优化算法 得到优化的交通控制方案。具体实现过程如图3 1 所示： 图3 1 交通控制优化研究流程图 3 2 排放因子及其获取方法 3 3 1 排放因子定义及影响因素 机动车排放因子是指单辆机动车运行单位里程或消耗单位燃料或每秒 排放污染物的质量，单位为g l 或g l ( g ( 燃料) 或g ，s 【2 9 】。不同车型、不 同污染物的排放因子不同。排放因子反映机动车的排放水平，是进行尾气 排放控制对策研究的基础和依据。 影响机动车单车排放因子的因素很多，主要包括：机动车排放控制水 平、速度、运行工况( 包括加速、减速、怠速等) 、燃料性质及其他外界影 响因素。需要指出的是，由于本文是结合微观仿真模型去评价机动车尾气 北京交通大学硕士学位论文 排放，因此，本