硕士论文-基于智能控制方法的城市道路交通信号控制系统的研究.pdf

长沙理工大学 硕士学位论文 基于智能控制方法的城市道路交通信号控制系统的研究 姓名 谢赛 申请学位级别 硕士 专业 交通信息工程及控制 指导教师 魏武 20070314 摘要 随着城市化进程的逐步加快 城市道路交通问题己经成为中国各大城市共同 面对的难题 而交叉口作为城市道路的交汇点 在道路网和交通流中起着十分重 要的作用 如何充分利用现有的道路资源 通过科学合理的交通控制手段 最大 限度的提高信号交叉口的通过能力 降低延迟时间一直是交通工程领域重要的研 究课题 在诸多交通控制手段中 交通信号控制是最简单直接有效的办法之一 而智能控制技术的发展为实时交通信号控制系统提供了新的解决思路 本文首先介绍了城市道路交通信号控制系统的目的以及分类 并着重对交叉 口交通信号控制系统的优化方法进行了介绍 然后 重点阐述了交叉口信号控制 的基本概念 评价指标 车辆到达分布 并介绍了相关的智能控制技术 在此基 础上 对传统单交叉口信号控制系统进行了分析 并发现传统单交叉口信号控制 系统在交叉口具有多相位的情况下存在考察不全面和运算量大等缺陷 针对这些 缺陷 本文引出了 大相位 的概念 即把同一个方向的多个相位合并到一个大的 相位 并由此提出了一种基于模糊逻辑一遗传算法的城市单交叉口交通信号控制 方法 该控制方法首先根据当前绿灯大相位开始时绿灯方向的队列长度计算出该 相位的预估绿灯时间 然后根据当前绿灯方向上两个相对方向车辆到达的不平衡 以及红灯方向上总的队列长度 利用遗传算法优化后的模糊逻辑控制器计算出调 整时间对上述的预估时间进行修正 在确定实际的大相位绿灯时间后 再通过遗 传算法计算大相位中各个小相位的绿灯时间 该控制系统既能保证以清空当前大 相位的排队队列为主要考虑因素 又能全面地考虑整个交叉口上各方向各转向的 差异性 而大相位的提出以及分级控制的思路能够减少由于全面考察交叉口所带 来的计算量大的问题 最后 通过仿真以及与定时控制系统的比较 对该信号控制方法的有效性和 先进性进行了验证 验证的结果表明本文所设计的信号控制系统在控制性能和交 通特性上相对于传统的定时控制系统而言都有明显的提高 特别是在交叉口各方 向车辆到达率不相同的情况下 更能体现出该控制系统实时性强 适用度高等优 点 关键词 单交叉口信号控制系统 模糊逻辑 遗传算法 信号配时优化 大相位 微观仿真 W i t ht h c 瑚l p i dd c v c l o p m 锄to ft h cu I b 孤i z m i 咖 t h cp r o b l 啪o fd t y 胁s 删i o nh 弱 b nb o c o m i n gt h es 锄ei s s u et 0e a c hb 螗d t yj nc h i n a A st h e 啪V e r g ep o i n t so fu r b a n 雠曲c t h eu r b 柚i n t e r s e c t i 0 璐a 聆p l a yi m p 0 吐卸tm l ei nt h em a dn e ta n dt m 伍cn o w H o wt o i m p r o v et h ec a p a d t y 缸dr e d u c ct h ed c l a yo fi n t c I s e c t i sm 缸i m u mb yr o a dr c s o u r w i t h c x i s t a l 柚ds d e n t i 丘c 仃a 伍c m m lm e t h o di s 衄i m p 0 砌mt o p i c0 ft h c 仃a 伍c 吼g i l 蛐g 1 m 伍cs i 印a lc o n t m li sO o fn 璩脚s te f f i c i 锄tm e n l o d s A n dn 忙n e ww a y sf b rt h c a l t i m e n a 伍cc 0 咖ls y s t c ma 聆p 加岬i d e db yt h ei m p 加v c m c n t0 fi n t e m g c n c ec o n t lm e t h o d s F i 瑙t t h ea j m 卸dd 弱s i f yo fu r b a n 伽cs i g n a l n t ls y s t 锄a 佗i n 协D d u c c db yt h i s t h c s i s a n dt h e0 p t i n i z a t i 衄m e t h o d sf b rs i g n a lc 0 咀t r o ls y s t c ma mj n 蜘阳u c c d 锄p h a t i c a l l y A n dt 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城市道路面临着日益拥挤的交通问题 这具体表现在 出行时间延误 交通事故增多 环境污染加剧 燃油损耗上升等方面 以美国为 例 1 9 7 6 1 9 9 7 年期间 年车辆公里数以7 7 的速度上升 可是同期道路建设里程 的增长数却仅为2 在城市交通中的高峰时期 5 4 的车处于拥挤状态 由于交 通拥挤 人们每天消耗在上下班的时间比平时多了1 5 小时 l l 同时导致商业车辆 在交通运输中延误 增加了运输成本 显然 解决上述交通问题最直接和最有效 的方法是修建更多的路桥以提高路网的通行能力 然而有限的土地和经济制约等 使得道路建设不可能达到相对满意的里程数 所以就需要在不扩张路网规模的前 提下 综合地运用现代信息和通讯技术等手段来提高交通运输的效率 提高交通 路网的通行能力 在城市道路交通系统中 交叉口是两条道路相互交叉而产生的作为方向转换 的枢纽 是道路网中道路通行能力的 咽喉 也是交通阻塞和事故的多发地 世 界上一些大城市如纽约 巴黎的市中心高峰时车速在1 6 公里 小时左右 公共汽车 速度则更低 在日本东京市内 早晚高峰对车速仅为9 公里 小时 最低时只有4 公里 小时 出现了乘车比步行还慢的情况 而机动车在市中心的旅行时间约l 3 花在交叉口上嘲 日本全国每年由于交通拥挤所造成的经济损失高达1 2 兆3 千亿 日元 合人民币9 0 0 0 多亿元 作为经济和科技都很发达的美国 每年因为交通 问题导致的经济损失也高达2 3 7 0 亿美元 而美国交通事故约有一半以上发生在交 叉口 我国国内百万人口以上的大城市 每年由于交通拥挤带来的直接和间接经 济损失达1 6 0 0 亿元 相当子国内生产总值的3 2 3 1 因此 解决好交叉口上的交 通控制问题能够极大地缓解目前城市道路交通所面临的各种交通闯题 在信息技术日益发展的今天 交通信号控制作为一种经济简单有效的控制方 式 对缓解城市道路承受压力 保证城市交通顺畅与安全起到了积极的推动作用 也日益引起了交通运输管理机构和专业协会的热切关注 所谓交通信号控制 就 是利用交遥信号装置改变道路上车辆的行驶状态 以此来在时间上和空间上改变 路网的交通分布 达到提高交通运输效率的目的的一种交通控制方法 考虑到交 通信号装置多集中分布在交叉口上以及交叉口在城市道路交通系统所起到的重要 作用 因此对交叉口交通信号控制系统进行设计和研究是一项非常有必要和有意 义的工作 在各种交叉口交通信号控制系统中 单交叉口交通信号控制系统既能 作为实际单交叉口的实施方案 又是组成大型路网信号控制系统的关键部分 更 具有理论和实际的研究价值 因此 本文将针对城市道路交通信号控制系统中的 单交叉口信号控制系统的设计及仿真展开论述 1 2 城市道路交通信号控制系统的演变 从1 8 6 8 年英国伦敦首次使用燃油色灯信号以来 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 系统控制方式由电控到线控和面控 从无 车辆检测器到有车辆监测器 经历了近百年的发展 从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系统 从而标志着城市道路 交通信号控制系统的发展进入了一个新的阶段 之后 美国 英国 前联邦德国 日本 澳大利亚等国家相继建成数字电子计算机区域交通控制系统 这种系统一 般还配备交通监视系统组成交通管制中心 到8 0 年代初 全世界建有交通管制中 心的城市有3 0 0 多个 4 1 各个时期典型交通信号控制系统的特征如表1 1 所示 5 1 表1 1交通信号系统的发展状态表 控制信号控制方 简称时间 年 国别城市名称检测器 路口数周期式 1 8 6 8 英国伦敦燃气色灯 苴 1 9 1 4美国克利夫兰电力色灯 萱 l 点控 但点定周期自动信号 1 9 2 6 英国各城市 苴 定 自动 机 1 9 2 8 美国各城市感应式自动信号机 J 邕 定气压式自动 1 9 1 7 美国盐湖城手控干道协调系统 6 个 定 人工 1 9 2 2 美国 休斯敦 电子计时干道协调系 1 2 个定 电动 线控统 步进式定时干道协调 1 9 2 8美国各城市 多个 线 变 电动 系统 模拟计算机交通信号 1 9 5 2 美国丹佛多个 网 变气压式 计算机 控制系统 1 9 6 3 加拿大多伦多 数字计算机协调感应 多个 网 变电磁式计算机 面控 交通控制系统 1 9 6 8 英国各城市T R A N S Y T 系统路网 变计算机 澳大利 7 0 年代末悉尼s c A T 系统路网 变电磁式 计算机 亚 1 9 8 0 英国各城市s C o o T 系统路网电磁式计算机 2 1 3 城市道路交通信号控制的目的与控制分类 般来说 城市道路交叉口设置交通信号控制系统的目的有以下几个方面 第一 在时间上隔离不同方向的车流 控制车流运行秩序 并获得最大的交通安 全 第二 在平面交叉的道路网络上 使人和物的运输达到最高效率 其效率往 往用通行能力 延误及停车次数三项指标来衡量 第三 为道路使用者提供必要 的情报 帮助他们有效地使用交通设施 城市交通信号控制的分类多种多样 1 根据所采用控制装置的不同 交通信号控制一般有3 种类型1 6 1 预定周期式信号控制 这种信号的周期时长 相位 绿灯时问及转换间隔等都是事先确定的 信号 周期时长以不变的形式运行 每个周期的周期长和相位恒定不变 依靠所提供的 设备 可用几种预定配时方案 每种都自动的在一天规定的时问内交替使用 2 半感应式信号控制 这种信号控制保证主干道总保持绿灯直至设在次干道上的监测器监测出有车 辆到达 这时信号经过一个适当的转换间隔后 立刻为次千道显示绿灯 该绿灯 时间将维持到次干道上车辆全部通过路口或持续到规定的最大绿灯时间为止 在 绿波信号系统中 配给次干道的绿灯时间须限制在预定的时间内 该系统的周期 时长和绿灯时间可根据需要随时进行调整 当次干道没有车辆时 主干道总保持 绿灯 事实上 分配到次干道的绿灯时间可充分利用 所有 多余 的绿灯时间财 分配给主干道 3 全感应式信号控制 该信号的所有相位全由传动监测器来控制 一般每个相位都规定最小与最大 绿灯时间 这种控制形式的周期长度和绿灯时间可根据要求做很大的变动 周期 中的某些相位是可以任意选择使用的 当检测器未测出交通量时 该时刻的相位 可自动取消 2 根据控制范围分为点控 线控和面控 7 J 1 点控方式 点控方式是指道路交叉口的信号灯互不相关的各自独立运行的方式 点控方 式适用于相邻路口间距离较远 线控无多大效果或者因各相位交通需求变动显著 其交叉口的周期长和绿信比的独立控制比线控更有效的情况 单个交叉口点控制 是一种最基本的控制方式 因其设备简单 投资最省 维护方便 至今仍被广泛 采用 在技术上 点控方式又分为离线点控制和在线点控制 2 线控方式 线控方式又称干线协调控制 绿波控制 在城市道路网中 如果交通干线上 3 几个距离较近的交叉口的控制信号互不相关 当各交叉口分别设置单点信号控制 时 从上游驶出的车辆很有可能在下游又遇红灯 这种交叉口之间各自为政的孤 立控制方式难免造成行车不畅 污染严重 为此人们研究出一种基于绿波概念的 干线相邻交叉口协调控制策略 即把这些交叉口的信号机在时间上联接起来协调 控制 使得一列车队在具有多个交叉口的一条主干道行驶时 总是在绿灯开始时 到达交叉口 因而无须停车的通过交叉口 这样确保道路畅通 从而减少干线上 的停车次数和行车延误 线控的主要特点是对几个信号机设定共同的周期长和相 对的相位差 线控适用于交叉口间距较小 交通干线流量较大的情况 因为这时 车流不会离散 控制效果好 干线交通信号控制可分为离线方式和在线方式 离线方式下 主干线上设定 一台主信号机和多台从信号机 由主信号机向各个从信号机发送同步信号 各个 从信号机根据预先设定的相位差和绿信比分配红 绿灯起始时间和持续时间 从 而实现绿波控制 主干线交通信号在线控制方式是由城市中心计算机对主干线各 个交叉口的交通信号机进行协调控制 各个交叉口的交通信号机将检测到的交叉 口交通流信息发送给中心计算机 中心计算机根据采集到的干线上的交通流数据 进行优化处理 然后向各个交叉口的交通信号机发送红 绿灯起始信号实现绿波 控制 在城市交通网络中 绿波控制的观点早在3 0 年代就己经为人所认识 然而 在复杂的城市网络中 通常不可能同时将所有道路设置成绿波 在交通密度较大 的情形下 绿波会导致拥挤以及在交叉口的阻塞 当一列车队恰好在清车时间后 到达交叉口时 在此情形下 绿波控制导致了负面效果 因此 需要通过交通信 号定时及采用一种处罚策略限制进入拥挤区域的车辆 这些事实也说明了交通网 络控制的必要 3 面控方式 面控方式又称区域协调控制或在线网络控制 系统的控制对象是城市或某个 区域中所有交叉口的交通信号 面控方式是线控方式的扩展 面控区域一般划分 成若干个子区 这里的子区是指用相同的周期去进行控制的区域 面控系统由中 央控制机 子区控制机 路口控制机三级组成 中央控制机给出每个子区的最佳 周期长 各个子区控制机负责相位差和绿信比的优化计算 路口控制机再做优化 调整 总的目标是使得区域内的各个车辆在通过某些路口时所产生的总损失最小 面控系统适用于城市中若干条干道相互交错环绕的路网结构 这时若采用线控不 能达到预期效果 区域交通信号控制也有两种方式 一是离线优化在线控制方式 另一种是在 线优化在线控制方式 系统和S C O o T 系统 目前 国外的典型城市交通控制系统 有英国的T R A N S Y T 澳大利亚的S C A T 系统 日本K y o s 孤电器制作有限公司的交 4 通控制系统 德国的s i e m e 璐系统等 国内有深圳的S T c 交通控制系统 南京的 交通控制系统以及天津的交通控制系统等 网络控制方式有方案选择式和方案生 成式 和固定时间网络控制方式相比 交通响应网络控制系统通过按交通需求的 变化分配绿灯时间的办法可以获得更大的效益 最初出现的系统是基于方案选择 式 针对经常出现的情况 如早 晚高峰期交通流的变化 设计相应的交通信号控制 方案 但实际中可能出现的情况太多 难以预先对每种情况设计出相应的信号控 制方案 交通需求的变化以及交通网络的变化会使得已有的固定时间方案迅速失 效 此外 在信号控制方案之间切换时 特别是在方案改变迅速时 也会产生损 失 因此 耳前研究的兴趣大多己集中于在线优化方法 1 4 交叉口交通信号控制优化方法综述 1 4 1 经典控制优化方法 1 4 1 1 定时控制 早期的交通信号控制器是按照固定不变的周期长和红绿灯的时间比例来控制 信号灯的变化的 研究定时控制 就是研究如何根据交叉口的道路条件及交叉口 各进口道到达交通的流向和流量来确定定时信号的配时方案 该方案包括确定交 叉口的相位顺序和数量以及相位周期和绿信比等参数 确定控制信号基本参数的 主要依据是使交叉口的交通效益最大 其评价指标一般有以下几个 通行能力 饱和度 行程时间 延误 停车次数 停车率及油耗等 周期时长越大 通行能 力越大 但车辆的延误以及油耗等也随之增长 周期时长越小 延误停车越小 但是有效绿灯时间所占比例下降 信号有用周期时间减少 通行能力急剧下降 因此信号控制交叉口的信号配时原则是 在一定的道路条件下 应配以适当的周 期时长 让通行能力稍高于交通需求而使延误 停车 油耗等指标最小 这样既 可以保证车辆的畅通又能降低运行费用 定时信号配时技术的基本原理是其他控 制方式配时的基础 定时信号的配时方法还在不断地研究 改进之中 普遍采用的是W 曲s t e r 方法 该方法以交通延误作为交通效益指标 以交通延误最小求解最佳周期时长 各相 位绿信比由各相位的最大流量比按比例分配 还有其他的计算方法如澳大利亚的 A R R B 方法 考虑到超饱和交通情况 对W 曲S t e r 公式进行了改进等 定时控制适合于交叉口的交通流量变化比较有规律的交通情况 对于一天内 的交通量的不同变化情况 采用多时段定时控制可以适应交通情况的规律变化 仍是一种常用的信号配时方案 5 1 4 1 2 感应控制 交通感应控制是通过车辆检测器测定到达进口道的交通需求 使信号显示时 间适应测得的交通需求的一种控制方式 感应控制对车辆到达随机性大的交通情 况适应性较好 可使车辆在停车线前尽可能少停车 以保证交通通畅 交通感应 控制分为全感应控制和半感应控制两类 图1 1 所示为主要道路安装检测器的半感 应算法流程图 感应控制的基本工作原理是 一相位起始于绿灯 感应信号控制器内预设有 一个 初期绿灯时间 G m 到初期绿灯结束时 如在一个预置的时间间隔内 无 后续车辆到达 即可更换相位 如检测到有后续车辆到达 则每测得一辆车 绿 灯延长一个预置的 单位绿灯延长时间 G 0 只要在这个预置的时间间隔内 车 辆中断就换相 连续有车 则绿灯连续延长 一直延长到一个预置的 极限延长时 间 G m 时 即使检测到后面仍有来车 也中断这个相位的通车权 转换到另一 个相位 所以 感应控制适用于在交通量变化大而不规则 难于用定时控制处置 的交叉口 对于必须降低对主要干道干扰的交叉口 用感应控制的效益较好 在 不适宜处于联动定时系统中的交叉口 通常也采用感应控制 特别在有几个流向 的交通量时有时无或多变的复杂交叉口上 感应控制可得到最大效益 图1 1 主要道路设有检测器的半感应信号控制系统流程图 1 4 2 基于智能控制的交叉口交通信号控制优化方法 虽然感应控制比定时控制更能适应交通流量的随机变化 但是感应控制的算 6 法中只是考虑对当前通行相位时间的延长 而没有考虑其他相位的车辆排队情况 有时 即使通行相位有车辆连续到达 如果其他方向的车辆排队长度很长 也要 及时改变相位 以取得整个路口交通效益的最大 解决该问题的方法有两种 一 是采用数学模型对交叉口各个方向的车辆到达作准确的预测 根据运筹学和最优 化的理论确定各个方向的绿灯时间 二是采用智能控制的方法对交叉日进行控制 由于城市交通系统具有随机性 模糊性 不确定性等特点 很难对其建立数学模 型 国内外学者通过建立交通系统的数学模型提出了各种控制算法 但是由于数 学模型不能很好地反映实际的交通系统 尽管算法十分复杂 控制效果却不尽人 意 实时性也较差 近年来 随着智能控制理论的发展 用智能控制的方法对交 通系统的控制得到了国内外学者的关注 在各种智能控制方法中 模糊控制与神 经网络控制占据着主导地位 1 4 2 1 模糊控制 早在1 9 7 6 年 P a p p i s 和M 锄d 柚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 左右限 0 1 但是P a p 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 而忽略了两相位的菲 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 如图1 2 所示 其仿真结果 较P a p p i s 等提高1 2 5 1 1 1 I 甜 延长e A 图I 2 交叉口交通信号灯多级模糊控制系统结构图 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l O s 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 鉴于此 我国学者徐建闽等 1 3 1 5 采 用了路段车辆数这一新的概念 其优点是在每个路口设置两个检测器使输入量不 用预测即可得到 减少了预测算法和车流的随机性带来的不确定性 而且这一数 据便于采集 根据检测器检测到的绿灯相的关键车流的路段车辆数以及红灯相的 关键车流的排队长度信息 由模糊控制器可得到绿灯时间增量 仿真结果显示 该控制比定时控制平均延误时间减少了2 5 但同时也存在一些问题 如对跟车 模型的设计与实际车辆的运行还有差距 没有考虑多车道的情况 对模糊变量的 划分和隶属度函数取值没有进行深入研究 7 以上各种模糊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 1 4 2 2 神经网络控制 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 强祸合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 i i 和T c n n 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 1 6 1 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 l 7 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 如图1 3 所示 图1 3 交叉口交通信号神经网络控制系统结构图 当系统处于自学习运行状态时 两个神经网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 8 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用于当 前的交遥控制 不能适应交通的实时快速变化 1 4 2 3 发展方向 随着交通控制技术智能化的不断提高 利用模糊控制 神经网络控制 遗传 算法等智能控制技术对交叉口信号灯控制能取得比定时控制与感应控制更好的效 果 但是单一使用一种智能控制方法 在技术上都存在一定的优点和缺点 如果 把多种智能控制方法结合起来 充分利用他们特点上的互补性质 控制的效果将 有很大的提高 所以采用多种智能控制方法的结合对交叉口的控制是一种必然的 趋势 而且 随着城市交通量的增大 多相位路口的信号控制将成为主流 国外研 究表明 当左拐车辆比例大于3 0 时 就应实行多相位控制 这样消除了直行车 和对面左拐车的冲突点 既减少了绿灯方向上左拐车和直行车在冲突点附近由于 避车等待而损失的绿灯时间 也提高了行车安全 但相位数的增加必然会增大控 制系统的复杂度以及计算量 因此如何在多相位的情况下 综合考虑系统的全面 性 不平衡性 实时性以及计算复杂性 构造出交通性能和控制性能更好的信号 控制系统是今后研究工作的重点 1 5 本文的研究目的和研究内容 按照上一节所论述的发展方向 本文的主要研究内容是设计一个基于模糊逻 辑及遗传算法的城市单交叉口信号控制系统 相对于其他传统的单交叉口信号控制系统 本文希望所设计的信号控制系统 能够在综合考虑系统的全面性 不平衡性 实时性以及计算复杂性等因素的基础 上进行设计 因此 本文所设计的系统需要满足如下四个方面的要求 1 就一个典型的四个到达方向的单交叉口而言 该信号控制系统需要综合这 四个方向各个转向的具体情况来优化配时 而不是只考虑一个方向或两个方向的 情况 2 四个方向各转向的情况对于配时影响的比重应该根据对当前相位影响大小 的不同而有所不同 这样就能够在保证全面性的基础上突出主要影响因素的决定 作用 3 要保证在某个方向上某个转向的交通量发生异常时 该异常能够实时地反 映到控制系统中并及时地通过控制系统调整当前相位的绿灯时间 并且该控制系 统能够通过调节配时方案在较短的几个周期内使系统回复稳定状态 4 要在获得较优配时结果的同时 尽量减少计算量 设计一个满足上述要求的信号控制系统在实际的应用中有着十分重要的意 9 义 在实际的交叉口中 四个方向的车辆到达情况不可能完全一致 对于一个方 向而言 车辆的到达的情况相对于仿真也会有较大波动 因此 需要对系统的全 面性和鲁棒性提出更高的要求 而由于系统的实时性要求 因此也就需要在计算 量与计算效果上获得平衡 1 6 本文的组织结构 针对上述研究内容 本文分为下列几章 第一章简要说明了该课题的研究背景及意义 国内外研究现状及本文的论文 结构 第二章介绍交叉口信号控制的基本概念 评价指标 到达交叉口交通流的概 率统计分布以及相关智能控制技术 第三章分析了城市单交叉口信号控制系统的特性 以及传统单交叉口信号控 制系统的不足 提出了一种基于模糊控制理论以及遗传算法的城市单交叉口信号 控制系统 第四章对上述城市单交叉口信号控制系统进行仿真 并对算法仿真结果进行 深入分析 第五章总结与展望 总结研究成果以及对后继研究的展望 l O 第二章交叉口信号控制概述 本章就交叉口信号控制的基本概念 评价指标 到达交叉口交通流的概率统 计分布以及相关智能控制技术进行介绍 这些都是建立基于模糊逻辑以及遗传算 法的单交叉口信号控制系统的前提和基础 2 1 交叉口信号控制的基本概念 交叉口信号控制的基本参数包括周期长度 绿信比及相位差 对单交叉口信 号控制只包括周期长度和绿信比两个基本参数 控制系统的控制目标就是要最佳 地确定道路各交叉路口在车流方向上的控制参数 并付诸实施 2 1 1 周期长度 周期长度是指信号灯的各种灯色轮流显示一次所需要的时间 也即各种灯色 显示时间之总和 对于单交叉口定时控制系统而言 它是决定交通效益的关键控 制参数 用C 表示 而对基于智能控制的实时信号控制系统而言 每个周期的周 期长度是根据交叉口在此周期内的实时交通情况而变化的 一般信号灯的最短周 期长度不应少于P 1 5 秒 否则就不能保证几个方向的车辆顺利通过交叉口 最长 周期长度一般不超过P 6 0 秒 否则 可能引起等待司机的烦躁或误以为灯色控制 已经失灵 其中p 为相位数 适当的周期长度对路口交通流的疏散和减少车辆等 待时间具有重要意义 从疏散交通的角度讲 显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口 就会发生堵塞现象 从减少车辆等待时间的角度来讲 太长或太短的周期都是不利的 若周期太 短 则发生堵车现象 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延长必然导致该方向车流等待时间的延长 对定时信号控制系统而言 周期时长是通过统计出来的该交叉口上各路段的 车辆到达率以及车辆离开率计算出来的 在一个较长的时间段内该周期时间是不 变的 对于智能信号控制系统 由于各相位的绿灯时阃都是根据实时的交通状况 确定的 因此 每个周期的周期长度也是变化的 正确的周期时长应该是 每一个相位的绿灯时间刚好使该相位各入口处等待 车队放行完毕 以一个具有两相位 东西向和南北向 交通流的交叉口为例 对 于定时信号控制系统而言 可以通过下面的公式获得系统的周期时间时长 c 一未 亿 卜尝 薏 一 其中 Z 正 两个相位的车辆到达率 而 吐 两个相位的车辆离开率 厶 厶一两个相位的损失时间 由上式可计算出保证路口不堵塞的一个最小周期值 然而 若交通流的需求 过高 堕 生趋近于l 或者大于1 时 堵塞现象将成为不可避免的 对于智能信号控制系统 周期时间时长C 等于全部相位的绿灯时间之和 即 C 2 9 1 9 2 2 2 蜀 篱 f l 2 2 3 其中 g l 9 2 一两个相位的绿灯时间 g l 9 2 两个相位的绿灯时间 若4 Z 则在此绿灯相位内会发生车辆堵塞 信号周期长度的选取应根据某 种优化性能指标选择 2 1 2 绿信比 相位绿信比是一个相位信号有效绿灯长度于周期长度之比 一般用五表示 五2 c 2 4 式中 A 为相位绿信比 为相位有效绿灯长度 秒 C 为周期长度 秒 交通流绿信比是一个交通流在一个周期时间内所获得的有效绿灯长度与周期长度 之比 一般用A 表示 绿信比的大小对于疏散交通流和减少交叉路口总等待时间 有着举足轻重的作用 通过合理地分配各车流方向的绿灯时间 绿信比 可使各 方向停车次数 等待延误时间减至最小 以两相位 东西方向 南北方向 交叉口为例 对于定时控制系统而言 两 个相位的绿信比为 搿 亿 对智能控制系统而言 每个周期的周期时间是不同的 每个相位的绿灯时问 也是不同的 因此每个周期的绿信比也是不同的 但按上述公式计算出来的绿信 比对智能信号系统也有一定参考作用 2 1 3 相位差 相位是对于一个路口多个方向交通流而言 一组互不冲突的交遁流即可构成 为一个相位 或者说相位信号是指一个信号周期内的信号控制状态 表示在道路 交叉口给予某些方向的车辆或行人以通行权的时序 图2 1 为一个两相位示意图 J 上 LJl L r 1J 卜 二三 一j 卜F 一 T 厂 Il 厂 蓁一相位 第 相位 图2 1 两相位车流示意图 对行车而言相位越多越安全 但相位越多周期就越长 延迟的时间也就越长 效率就越低 相反 相位少 交叉口车流虽然较乱 但通行效率却较高 相位差是相邻路口同一相位绿灯 或红灯 起始时间之差 例如一条东西走 向的大街上有两个相邻交叉口 交通信号周期相等 它们同一相位 例如东西方 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 当对一条于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 通过调整各路口间的相位差 可以使主干线上一连串路口的信 号灯形成一条绿波带 使车队通过这些路口时畅行无阻 除了上述3 个控制参数外 还有如下一些与交通信号控制有关的概念 1 交通流量 交通流量是单位时间内通过某一位置的车辆数 用g 表示 单位为辆川 时 一般说来 交通流量是时间和位置的函数 可表示为g 瓴f 2 交通密度 交通密度为每车道单位长度道路上拥有的车辆数 用七表示 单位是辆 千咪 一般说来 交通密度是时问和位置的函数 可表示为七 f 3 车流速度 车流速度指区间平均速度 即在某一瞬间行驶于道路某一特定长度内的全部 车辆的车速分布的平均值 用v 表示 在交通流理论中 交通流量窜 交通密度 i 行车速度v 三者之间的基本关系为 9 2 枷 2 国 4 进口道饱和流量 进口道饱和流量是指在一次连续的绿灯时间内 交叉口进口道上车队能够连 续通过停车线的折算为当量小车的最多车辆数 用s 表示 5 流量比 流量比又称车流量系数 是进口道实际到达流量与饱和流量之比 车道流量 比即为进口道上各条车道的到达流量4 同该车道饱和流量s 之比 即 口 J 2 2 7 当在一个相位中具有多个车流同时运行时 应取各个车流中最大的J 值作为 该相位的J 值 流量比不但是计算信号配时所使用的最重要的参数之一 同时也 是一个衡量交叉口阻塞程度的尺度 6 饱和度 某一交叉口进口道的车流量与可从该进口道通过交叉路口的最大车流量的比 即该进口道的饱和度 它由下式计算 x 旦 知 2 8 式中 4 相应的车流量 名 相应相位有效绿灯时间占周期时间的比例 J 相应的饱和流量 7 信号损失时间和有效绿灯时间 信号损失时间是指在一次信号周期内 任何方向车辆都不能通行的时间 属 于信号损失时间 包括绿灯间隔时间和起动损失时间 绿灯间隔时间是指上一相 位绿灯结束到下一相位绿灯启亮之间的那段时间 也叫交叉口清车时间 起动损 失时间是指不能用于通车的绿灯启亮初期 约1 3 如 和黄灯后期 约O 1 孙 的这两段 时间之和 实际绿灯时问 黄灯时间中 除掉损失时问后 实际上用于通车的时间即为 有效绿灯时间 部分参数之间的关系如图2 2 所示 1 4 失对阿曩失时爵 饱和蠢量 出 立 缸 有效簟玎时喝 夤缸 戋际鼍灯时何 I 冀灯时爵 图2 2 部分控制参数间关系图 8 通行能力 在信号控制交叉口 车辆只能在有效绿灯时间内通过停车线 因此信号控制 交叉口一侧进口道上的通行能力为 勺 詈 触 其中 A 为绿信比 即有效绿灯时间 与周期时长c 之比 相当于进口道饱和流量的名倍 2 2 交叉口信号控制的评价指标 2 9 可见 通行能力 对交叉口实行信号控制的基本目标是 用灯色信号合理分配入口车道通行权 指挥交通流的通行或停止 使路口有良好的秩序 减少或完全消除可能引起交通 事故的冲突点 并使得路口的运行指标最好 单交叉口的控制问题可用数学语言 描述如下 求G 使得 月回 m i n 趾 q 2 1 0 c 乃s 6 翻 l 其中 表示某相位绿灯时间 黄灯时间 拼 疗是相位数和黄灯数 C 表示周期 G 表示绿灯时间向量 八G 是指标函数 目前 常用的信号控制效果的评价指标有 延误时间 平均排队长 平均起 停次数 通行能力 交通信号控制的评价函数可以由设计者根据需要进行选择 下面分述如下 1 5 2 2 1 延误时间 延误时间是指车辆在交叉口入口引道处被阻碍下行走所需时间和无阻碍行走 所需时间之差 延误时间有平均延误和总延误两个评价尺度 在定时信号控制系统中 对一交叉口 假定其车辆到达服从均匀分布 如果 我们着眼于一条停车线 在非饱和情况下 交叉口一个周期的总延误D 的表达式 为 焉 志 仁 2 s g 2 1 一乃 1 每辆驶入车辆的平均延误是 孔昙 去 糕c 口 一 一 J o o n1 g C2 C 1 一五 2 1 一句 7 其中 F 饱和流量下的驶离率 阮厅 s g 车辆平均到达率 啪 J 五 饱和度 Z g s 置 红灯时间 包括损失时间 C 周期长 s g 是绿信比 g G c 够一最 C 对智能信号控制系统而言 由于周期长度 绿信比等参数在每个周期都有所 不同 因此 不能通过上面的公式计算延误时间 而是需要按照实时的数据来计 算 假定某车流红灯转变为绿灯后车流以d 辆 s 的速率离开等候的车队 计算车辆 延误 一 设 f l 如果在身h 1 秒内有一辆车到达 吼2 1o 否则 2 1 3 红灯相位的车辆总延误 D 窆 娼 羔q Q 2 艺g 2 1 4 其中 Q I G 绞 分别表示前绿灯时间红灯相位两个方向未走完的车辆数 鼋h g 分别表示红灯相位两方向在红灯第 l I s 内的车辆到达数 一表示该周期