硕士论文-基于人工智能的城市交通信号控制研究.pdf

浙江工业大学 硕士学位论文 基于人工智能的城市交通信号控制研究 姓名 杨海东 申请学位级别 硕士 专业 控制理论与控制工程 指导教师 王万良 杨旭华 20071101 浙江工业大学硕士学位论文 基于人工智能的城市交通信号控制研究 摘要 随着智能交通系统的发展 城市交通信号控制己成为最重要的研究方向之一 由于城 市交通的复杂性 采用传统的控制方法己无法有效地解决交通信号控制问题 本文采用人 工智能控制的方法对城市交通信号进行研究 主要包括以下几方面内容 1 基于R B F 神经网络建立了单交叉口自学习控制系统 该系统能够模拟交通警察指挥 交通的思维过程 能够根据四相位交叉口各相位车辆的排队长度 对各个相位的绿信比和 总的信号周期进行实时分配 并且随着交通状况的变化 可以对信号配时效果进行评价 根据车辆排队长度的变化 对信号作出调整 具有自学习功能 与传统的定时控制相比较 该系统能够更好地适应实际交通状况 提高交叉口的通行能力 2 提出优化相序和模糊神经网络控制相结合的方法对交通干线进行实时控制 并建 立了协调控制模型 该模型由两层控制器组成 交叉口控制器 下层 和协调单元控制器 上层 下层控制器又由两个控制器组成 相序优化器和绿灯延时控制器 相序优化器 用于调整交叉口的相序 绿灯延时控制器负责各个相位的绿灯延时时间 上层控制器用于 调整干线的信号周期和两交叉口间的相位差 使干线上行驶的车流尽可能不遇到红灯 并 且使各交叉口车辆排队长度尽可能短 仿真表明 该模型比传统的定时控制更能有效地减 小平均车辆延误 验证了算法的有效性 3 最后 对全文进行总结 并对进一步的研究提出一些展望 关键词 神经网络 模糊理论 相序优化 相位差 单交叉口 交通干线 浙江工业大学硕士学位论文 R E S E A R C Ho FU R B A NT R A F F I CS I G N A L C o N T R o L B A S E Do NA R T I F I C I A LI N T E L L I G E N C E A B S T R A C T W i mt h ed e v e l o p m e n to fI T S I n t e l l i g e n tT r a n s p o r t a t i o nS y s t e m s u r b a nt r a f f i cs i g r l a l c o n t r o lh a sb e e ng r o w i n gi n t oo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c ha s p e c t s A st h ec o m p l e x i t yo f u r b a nt r a n s p o r t a t i o n t r a d i t i o n a lm e t h o d sa r en o ta b l et os e t t l et h ep r o b l e mo fs i g n a lc o n t r o l e f f i c i e n t l y T h i sp a p e rd e a l sw i t hu r b a ns i g n a lc o n t r o lb ym e a n so fi n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h m a n df o c u s e so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s 1 as e l f l e a r n i n gs i g n a lc o n t r o ls y s t e mb a s e d o nR B FN e u r a lN e t w o r ki se s t a b l i s h e d T l l i s s y s t e mc a l ls i m u l a t et h et r a f f i cp o l i c e Se x p e r i e n c e A c c o r d i n gt Ot h eq u e u el e n g t hi ne a c h i n t e r s e c t i o n t h es y s t e mc a r lg i v eo u tb o t ht h es i g n a lc y c l ea n dt h es p l i to fe a c hi n t e r s e c t i o n F u r t h e r m o r e i tc a ne v a l u a t et h ee f f e C to ft h ec o n t r o lw i t ht h ec h a n g i n go ft h et r a f f i c a n dt h e n a d j u s tt h es i g n a l S i m u l a t i o nr e s u l t sr e v e a lt h a tt h es y s t e mC a nm u c hm o r ep e r f e c t l yc o n t r o lt h e a c t u a lt r a f f i cc o n d i t i o na n di m p r o v et h ep a s s i n ga b i l i t yo f t h ei n t e r s e c t i o n 2 ak i n do f r e a lt i m ea r t e r i a ls i g n a lc o n t r o lm e t h o db a s e d o np h a s es e q u e n c eo p t i m i z a t i o n a n dF u z z yN e u r a lN e t w o r k si sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r a n dac o o r d i n a t e dc o n t r o lm o d u l ei s e s t a b l i s h e d u s i n gt w o s t a g e e o n t r o H e r i n t e r s e c t i o nc o n t r o l l e r T h el o w e rc o u r s e a n d c o o r d i n a t e dc o n t r o l l e r T h eu p p e rc o u r s e T h el o w e rc o u r s eo ft h em o d u l ec o n s i s t so ft w o c o n t r o l l e r s p h a s es e q u e n c e ra n dg r e e n t i m ed e l a y e r 1 1 1 ct w oc o n t r o l l e r sa l eu s e d t oo p t i m i z et h e p h a s es e q u e n c ea n da d j u s tt h eg r e e n t i m ed e l a yr e s p e c t i v e l y T h eu p p e rC O U r S eo f t h em o d u l ei s r e s p o n s i b l ef o ra d j n s t i n gt h es i g n s lc y c l eo ft h et r a f f i c 协1 1 1 kr o a da n dt h eo f f s e tb e t w e e nt w o i n t e r s e c t i o n a T h er e s 谢t so fs i m u l a t i o np r o v et h a tt h ep r o p o s e dm o d u l eh a sb e t t e rp e r f o r m a n c e t h a nt r a d i t i o n a lf i x e d t i m ec o n t r o l 3 I nt h ee n d s u m m a r i z i n gt h ew h o l ew o r ka n dp o i n t i n go u ts o m ec o n t e n tw h i c h 浙江工业大学硕士学位论文 K e yW o r d s n e u r a ln e t w o r k f u z z yt h e o r y p h a s es e q u e n c eo p t i m i z a t i o n o f f s e t s i n g l e i n t e r s e c t i o n t r a f f i ct r u n kr o a d 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所提交的学位论文是本 在导师的指导下 独立进行研究工作所取得 的研究成果 除文中已经加以标注引用的内容外 本论文不包含其他个人或集体已经发表 或撰写过的研究成果 也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的 材料 对本文自q 研究作出重要贡献的个人和集体 均已色史中以明确方式标明 本人承担 本声明的法律责任 作糍 扬诲磊 日期 哼年 L 月2 7 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 同意学尉杲留并向国 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 授权浙江工 业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 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授侈沣 2 不稞密口 请在以匕相应方框内打叶 储獬 扬函泉蹴碲 上月叫日 导燃莎万体日蛳 2 月z 日 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景及研究意义 城市交通是城市经济活动的命脉 对城市经济的发展 人民生活水平的提高起着十分 重要的作用 从1 8 8 6 年第一辆小汽车在德国问世 增加了人类在交通领域的机动性 便 捷性 同时促进了城市道路和高速公路的发展 随着汽车工业的迅速发展 汽车已经成为 人们日常生活中必不可少的交通工具 现在 人类社会的科学技术和经济力已经发展到了 相当高的水平 机动车辆迅速增加 有关资料表明 1 9 7 8 年至1 9 9 5 年全国城市机动车的 保有量的增长速度是道路增长速度的8 0 倍 从7 0 年代末起 我国城市汽车拥有量以每年 平均1 2 1 4 的速度增长 1 9 7 8 年 我国民用汽车总量仅有1 3 5 8 4 万辆 到2 0 0 1 年超 过1 8 4 5 万辆 机动车总数达到6 8 5 2 万辆 其中 私人汽车由1 9 8 5 年的2 8 4 5 万辆增加 到7 7 0 万辆 这些民用汽车特别是私人汽车 多集中在我国的城市地区 而且增长趋势迅 猛f l 汽车工业虽然给人们带来各种便利 但是也给城市交通带来了沉重负担 城市道路交 通供需的严重不平衡已经成为各大中城市所共同面对的严重问题 特别是在大城市 交通 堵塞现象时有发生 这不仅影响城市的正常运转 而且明显降低了人们的日常工作效率 据统计 现在全国3 2 个百万人口以上的城市中 有2 7 个城市的人均道路面积低于全国平均 水平 每年由交通堵塞造成的直接经济损失大约1 6 0 0 亿元 相当于国内生产总值的3 2 2 1 由此产生了一系列的问题 如环境污染 交通拥挤 交通事故频发等 给人们的生命和财 产带来了很大的损失 2 0 0 1 年 全国共发生交通事故7 0 多万起 l O 万多人死亡 受伤人数5 0 万人 直接经济 损失达3 0 亿元 近五年 全国道路交通事故起数上升了3 2 5 死亡人数上升了8 5 受伤 人数上升了4 2 目前 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 例如 北京市汽车排放的一氧化碳 碳氢化合物 氮氧化物已占总排放的4 0 7 5 广州市与交 通有关的排放占一氧化碳总排放的8 7 和二氧化氮的6 7 据国际卫生组织1 9 9 8 年公布的 调查报告 在全球空气污染最严重的1 0 个城市中 我国就占了7 个 包括太原 北京 乌 6 塑坚三些奎堂塑主堂垡丝塞 鲁木齐 兰州 重庆 济南 石家庄 3 1 为了解决上述交通问题 修建更多的道路是最直接和最有效的方法 然而 修建新路 的巨额资金和城市有限空间的严格限制 使这一方法的有效性大打折扣 近年来 世界各 国都非常重视日益严重的交通问题 投入大量人力物力对道路交通运输系统的管理与控制 技术进行开发 相继出现了许多不同的交通控制手段和系统 为缓解交通拥挤发挥了巨大 的作用 在以上诸多交通问题中 城市交通问题是困扰城市发展 制约城市经济建设的重要因 素 随着城市中的交通线承担了更大量的交通负荷 现有的设施 道路 特别是交通线中 承受着高负荷的交叉口 已经很难适应这种发展速度 变得越来越拥挤 成为道路交通的 瓶颈 因此采用先进的科学技术手段对城市交叉路口的交通灯实施合理优化控制 对改善 城市交通状况有很大的作用 t 2 智能交通系统简介 近年来 迅速发展起来的智能交通系统 I n t e l l i g e n tT r a n s p o r t a t i o nS y s t e m s 简称I T S 有别于传统的交通改善技术 它是国际上对运用当代高新科技 计算机 信息 通信 自 动控制 电子 系统工程等 提高交通运输效率 增强交通安全性的一系列先进技术或技 术集成 交通控制与线路导行系统 车辆行驶安全控制系统 交通运输信息服务系统等 的 个统称I 钔 作为基础设施 道路交通运输支撑着人们的日常生活和经济活动 对社会发展起着十 分重要的作用 然而不断发生的交通事故 持续的交通拥挤以及交通发展所引起的空气污 染 环境破坏也逐渐成为倍受关注的严重社会问题 智能交通系统被认为是缓解这一问题 的极具潜力的方法i s 7 1 发达国家从2 0 世纪6 0 年代就开始从事这一领域的研究和开发 并 取得了不少有价值的成果 8 一 据统计 智能交通运输系统技术的应用可以减少1 0 的废 气排量 2 0 的交通延时 3 0 的停车次数 美国L o sA n g e l s 地区和T e x a s l 在智能交通系 统方面投资的效益一成本比率分别是1 6 1 和2 2 1 收益非常显著 o l 而这一切 都是在基 本上没有进行道路改建和引入新的高速车道的情况下取得的 投资I T S 所带来的收益可见 一斑 智能交通系统开发的领域主要包括 居民出行与货物运输需求智能诱导系统 交通流 优化与运输组织智能化方案生成系统 综合交通枢纽协调疏导信息系统 先进的交通管理 系统 车辆运营智能调度管理系统 智能公共交通系统 智能大城市公共交通运输服务系 7 塑坚三些查兰堡圭堂垡丝苎 统 货物运输智能型配载运输服务等 1 1 1 我国在2 0 世纪7 0 年代末就已经开始在交通运输和管理中应用电子信息技术 此后的2 0 多年里 在政府的支持与坚持自主开发的基础上通过广泛的国际交流与合作 在I T S 领域 进行了初步的理论研究 产品开发和示范应用 并取得了一定的成果 一批从事I T S 研究 开发的研究中心和生产企业通过理论与实践相结合正在成长 国家科技部1 9 9 9 年批准建立 了国家I T S I 程技术研究中 L I T S C 2 0 0 0 年又批准建立了国家铁路智能运输系统工程技术 研究中心 许多大学和研究机构也纷纷组建I T S 研究中心 从事I T S 的理论研究和产品研发 例如东南大学I T S 研究中心 武汉理工大学I T S 研究中心 吉林大学I T S 研究中心 北京交 通大学I T S 研究中心 同济大学I T S 研究中心 华南理工大学I T S 研究中心等f 1 2 1 中国交通 领域和1 T 行业的很多企业被I T S 巨大的高新技术市场所吸引 纷纷涉足I T S 领域进行其产品 的开发研究和推广应用 将先进的智能控制技术 信息融合技术 智能信息处理技术与交 通工程结合起来 已成为一个崭新的研究方向 1 3 1 为协调和引导中国I T S 的发展 2 0 0 1 年初国家科技部会同当时的国家计委 经贸委 公安部 铁道部和交通部等部门 联合成立了全国I T S 协调指导小组及办公室 并成立了I T S 专家咨询委员会负责组织研究中国的I T S 发展总战略 技术政策和技术标准 积极支持有 关部委 地方 企业及科研单位 根据行业和地区特点开展I T S 的关键技术研究与应用示 范工程 促进I T S 研究成果的产业化 1 3 国内外城市交通信号控制的发展历程 1 8 6 8 年英国在伦敦市首次使用了燃汽信号灯 用于管理城市交通 这种信号根据铁路 信号显示方式由红灯与绿灯组成 这标志着城市交通信号使用的开始 4 这时交通警察大 多使用手提式照明灯来指挥交通 1 9 1 4 年 美国在克利夫兰城安装使用了人工操作的电气 照明信号灯 六年后被日本采用 十年后被英国采用 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 c m 的红 绿 黄三色的圆形投光器 许多国家采用后又逐 渐给予了改进 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 功并开始使用 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 使用橡皮管气压式检测器 几年后被英国 日本采 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 也在不断进步 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 个采用电子计时器的干道信号协调系统 1 9 2 8 年 美国研制成功一 8 塑堡三些查堂堡主堂堡堡苎 种灵活的步进式定周期干道信号定时系统 由于其技术简单 可靠性高 价格低廉 很快 被英国 前联邦德国 日本等国广泛应用 随着交通信号感应控制技术和电子计算机技术的发展 1 9 5 2 年在美国丹佛城出现了采 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 于街道交通信号化网络 并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 然后再调整各交叉路口的交通信号程序 在随后的1 1 年间 美国建立了1 0 0 个这种信号控制系统 1 9 6 3 年加拿大多伦多市投入了由I B M 6 5 0 型计算机控制的交通信号协 调控制系统 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 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 统一般还配合交通监视系统组成交通管制中心 到八十年代初 全世界建有交通管制中心 的城市有3 0 0 多个 1 4 城市交通信号灯控制的发展方向 越来越多的资料显示表明 城市交通信号控制的研究主要体现在以下三个方面 1 1 人工智能 A I 在城市交通信号控制问题中的应用有利于提高当前交通信号控制系 统的性能 最近 越来越多的人们开始把注意力集中在人工智能技术应用于交通工程问题上 城 市交通信号控制系统在操作方面分为三个重要阶段 即交通数据采集 数据分析与处理 判断与控制 从数据采集和处理 到确定最好的控制动作 以及到动作的实施 关键是全 面提高信息决策过程的质量 这些都和相当多的专门知识有关 在很大程度上涉及相关的 规章制度 并且受限于现实中的实际约束 归纳上述问题 用m 途径来提高相应的基本职 能是可能的 综合起来 难题集中于精确交通信号方案选择体系 交通信号方案选择体系 在欧洲已经被广泛用于U T C S U r b a nT r a f f i cC o n t r o lS y s t e r a 中 2 利用离散时间 滚动区域法 r o l l i n gh o r i z o n 研究交通信号控制系统 滚动区域法利用最近检测到的数据 对系统现行状态 主要是各个路口的现行排队长 进行估计 为滚动区域的持续时间内搜寻一种优化信号控制方案 滚动区域的时间必须足 够长 时间分为两部分 前一段时间执行滚动区域法的优化方案 在滚动区域法的最后一 段时间内 以终端代价函数的形式验证滚动区域法基础上优化的信号方案 若满足要求 则继续执行该方案 否则停止执行 重新优化信号方案 R o b e r t s o n 和B r e t h e r t o n 于1 9 7 4 年最 初提出了离散时间滚动区域法 至今该领域的主要研究及发展 大多在欧洲国家 用户网 O 塑里三些查兰堡主兰竺丝奎 络的离散时间 滚动区域法信号控制系统有待于研究 3 分散控制系统仍是未来的一个研究方向 分散控制系统相对集中控制系统来说可以减少信道负载 减少网络控制中灾难性失 效 因此 这种控制系统仍是未来研究和发展的一个重要方向 1 5 论文的主要工作 本文针对单交叉口信号控制和干线交叉口协调控制进行了相关的研究 主要工作包 括 1 针对城市四相位单交叉E l 交通信号 建立实时优化控制模型 用R B F 神经网络建 立自学习控制系统 进行仿真研究 并同定时控制和B P 神经网络进行比较 结果表明基于 R B F 神经网络的交叉口自学习控制系统学习速度快 对车流的变化具有很强的适应性 2 针对城市交通干线的信号控制模型 提出基于模糊神经网络和相序优化的控制模 型 该模型由两层控制器组成 交叉口控制器 下层 和协调单元控制器 上层 下层控制 器又由两个控制器组成 相序优化器和绿灯延时控制器 相序优化器用于调整交叉口的相 序 绿灯延时控制器负责各个相位的绿灯延时时间 上层控制器用于调整干线的信号周期 和两交叉口间的相位差 使干线上行驶的车流尽可能不遇到红灯 使各交叉口车辆排队长 度尽可能短 最后将该算法的结果同定时控制相比较 结果表明 该方法比定时控制更能 有效地减小平均车辆延误 最后总结论文的研究内容 分析不足 同时指出论文需要的进一步工作 浙江工业大学硕士学位论文 第二章城市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 城市交通信号控制就是通过控制交叉口信号灯的灯色变化 使得车辆能够高效地驶离 交叉路口 实现合理指挥交通流的通行或停止 达到疏导 改善交通流的目的 目前 我 国交通信号控制理论的研究才刚刚起步 尚未形成完整的体系 有关交通控制的许多理论 正在研究之中 下面仅对城市交通信号控制的相关内容作一些简单介绍 2 1 1 交通信号灯 交通信号灯及其控制技术随着社会的发展而发展 早期的交通信号灯只有红 绿两种 灯色 绿色表示允许通行 红色表示禁止 后来 车辆不断增多 驾驶员争道 则出现了 红 黄 绿三灯色的交通信号控制 黄灯色对驾驶员争道起预警作用 随着交通事业的发 展 在交叉路口 各个方向的车一车冲突 人一车冲突问题越来越突出 这要求对车流 人 流在时间上进行更加严格的分离 为了适应这种发展的需要 信号配时技术的研究不断进 步 相继出现了各种时间分离方法 同时 电子技术的发展 为设计适应需要的交通信号 控制机及车辆检测器提供了条件 先后出现了机械控制器 电机控制器 电子控制器 直 至计算机控制系统 相应地 也就产生了符合多种时间分离方法的多样化的现代信号灯 除了红 黄 绿三色灯以外 还出现了指示方向的箭头灯 闪烁灯以及倒记时指示灯等 随着信号灯种类的发展 各国使用这些信号灯的方法差别也越来越大 赋予信号灯的 含义也有一些差异 后来 经过各个国家协商 基本上认同了1 9 7 4 年的 欧洲道路交通标 志和信号协定 其信号灯含义简述如下嗍 1 非闪灯 绿灯 表示面对绿灯的车辆可通行 红灯 表示面对红灯的车辆禁止通行 黄灯 表示即将亮红灯 车辆需停止 但 闪烁灯 塑坚三些查竺堡圭兰垡丝苎 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的方向通行 红色或黄色箭头灯 表示只对箭头所指方向起红灯或黄灯的作用 4 专用于自行车的信号灯 应在信号灯的基础上加有自行车的图案 5 专用于行人的信号灯 应在信号灯的基础上加有人的图案 我国对信号灯含义的规定基本上与国际规定一致 交通控制信号的主要目标是使各类 各向交通流有秩序 高效率地通行 一个交叉口 若其车流量较小时 通过设置停车或让路标志就可解决交通分离的问题 一旦当交叉口的 交通量接近其通行能力时 若不设置交通控制信号 车流就会不畅而且大大增加了车辆的 停车次数与延误时间 正确设计 合理设置和运行交通控制信号 不仅可以达到提高道路 通行能力 疏散交通 保证交通畅通的目的 而且有改善交通安全的效果 2 1 2 交通信号控制的基本概念 1 相位 在交通控制中 为了避免平面交叉口上各个方向交通流之间的冲突 通常采用分时通 行的方法 即在 个周期的某个时间段 交叉口上某支或几支交通流具有通行权 a P 该方 向上的信号灯为绿色 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 平面交叉口上某支或几支交通流所获得的通行权称为信号相位 简称相位 一个周期内有几个信号相位 则称该信号系统为几相位系统 可以用有向线段表示相位 有向线段的箭头方向与车辆运动方向一致 图2 1 是一个灯控路口为2 相位系统 第1 相位东 西向交通流直行 第2 相位南北向交通流直行 JI J 1 I L 一 厂一 f r 一 第一相位第二相位 图2 一l 两相位信号控制 1 2 浙扛工业大学硕士学位论文 图2 2 是一个4 相位系统 第1 相位东西向交通流直行 第2 相位东西向交通流左转 第3 相位南北向交通流直行 第4 相位南北向交通流左转 J t J 三一I LJ L L 一 广一 L 一 J J r h 厂 厂 厂 l 广 第一相位第二相位 第三相位 第四相往 图2 2 四相位信号控制 2 车道流量比率 车道流量比率即为各进口道实际车流量同该车道饱和流量之比 通常车道流量比率最 高的相位称之为关键相位 它对整个交叉口的通过能力和信号配时起决定作用 流量比率 的计算公式为 五 q s 2 1 3 通行能力 通行能力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最 多车辆数 单位为P c u l l 其中 P C U p a s s e n g e rc a ru n i t 称为标准小客车当量 2 1 3 交通信号控制的基本参数 1 周期时长 周期时长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 信号灯的最短周期时长不少于3 6 秒 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1 2 0 秒t 懈 否则引起等待司机的拖怨 或者误以为信号灯已经失灵 适当的周 期时长对疏散路口处的交通流 减少车辆等待时间有重要意义 2 绿信比 相位绿信比是一个相位信号有效绿灯长度与信号周期之比 一般用兄表示 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 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 3 相位差 相位差是相邻路1 2 1 同一相位绿灯 或红灯 起始时间之差f 1 7 1 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 起始时问之差就是该路口东西直行信号的相位差 当对一条干线上的交通流或一个网 1 3 塑塾三些查兰堡主堂垒丝苎 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 4 车辆占有率 车辆占有率指一路段内车辆占有的道路长度总和与路段长度之比 由于难以测量 通常用时间占有率来代替 用环形线圈检测器测量 设在某个观测期T 内 共有 辆车 通过线圈 测得f 车道车辆 通过环形线圈的方波宽度为 则该时间段内 车道f 上车 辆的时间占有率为 吒 芸小 2 2 交通信号控制系统的分类 交通信号控制系统可以从不同的角度进行分类 2 2 1 按控制范围分类 考虑交通信号控制范围可将系统分为点控 线控和面控 点控指独立控制各信号机 线控指同时控制沿着道路连续的几个信号机 面控是指把城市道路网分区域进行控制的方 式 1 9 1 决定交叉口控制方式为点控还是线控目前为止无固定的标准 一般来说 可根据如下 情况进行综合判断 a 相邻交叉口问距越小 线控的必要性越大 b 交通量 线方向 越多 线控的必要性越大 c 相邻两个信号机之间交通流的脉动越大 线控的必要性越大 d 在相邻交叉口饱和度相差很大 最优周期长不同 但不是相差整数倍或整数分之一 的情况下 应把实施线控的损失和不采用线控的损失进行比较后再决定是否采取线控 1 点控方式 点控方式适用于相邻信号机间距较远 当线控无多大效果时 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 a 定周期控制 定周期式交通信号控制器 又称固定配时式交通信号控制器 定周期控制是对应于交 1 4 塑坚三些查堂堡主兰竺丝苎 通需求的变动参数 将一天分为几个时间段 相应于不同时段设定不同的周期长 绿信比 等信号控制参数 由时钟来控制变换参数的控铡方式 在日本一般多采用可设定低峰时间 用 通常时间用 拥挤时间用等1 0 个种类的程序 一套控制方案 因为此方式采用内装 日历的多段程序方式 即使平日和休息日的交通量实际变动模式有差别时也可以处理 定 周期控制方式适用于交通量的变动模式基本固定并可以预测的情况 但因某种原因变动模 式发生变化时要修改控制参数 b 交通感应控制 交通感应控制方式是对应于交通状况的变动进行实时控制的方式 该方式将根据使用 车辆感测器测得的比较短时间的交通需求的变动 改变绿灯时间和周期长的控制方式 c 行人信号控制 交叉路口附近的人行过街道一般由路口信号控制器进行信号控制 但在一些路段上 的行人过街道 则由一种专门的行人过街交通信号控制器进行信号控制 行人过街交通信 号控制器也有两种 一种是定周期式 另一种是行人按钮式 定周期式 即控制器内存有一种或多种配时方案 控制器按相应的配时方案周期性地 放行行人和车辆 这种控制器适应于机动车流量和过街行人流量都较大的路段 行人按钮式 一般都事先设置一个机动车最小绿灯时间 它的工作过程近似于半感应 式路口交通信号控制器 在机动车最小绿灯时间的结束段 控制器给出行人过街申请权 当行人要过街时 按一下行人绿灯按钮 控制器即可给出相应的行人绿灯信号 如果在机 动车最小绿灯期间按行人绿灯按钮 控制器则在按钮盘上显示 等待 信号 待机动车最 小绿灯过后 对行人放行 如果在整个时间内没有行人按按钮 控制器则一直保持机动车 绿灯 这种控制器主要安装在机动车流量较大而行人过街流量较小的路段 在必要的情况下 这两种控制器也可以设计成与相邻路口的交通信号控制器联动或受 中心计算机控制的行人过街控制器 以方便形成协调式的机动车交通流 2 线控方式 线控方式把一条道路延长线上的连续几个信号机在时间上相互联系起来进行信号显 示 通过减少车辆停止次数 缩短停车时间达到使交通畅通的目的 另外 此种控制方式 有助于形成适当速度的交通流 线控的主要特点是对几个信号机设定共用的周期长 系统 周期长和确定各信号时间上的相对关系即相位差 a 定周期控制 定周期控制与点控制方式一样根据交通需求的变动模式设定固定配时 通常分为单时 塑垩三些查兰堡主兰垡堡塞 段式和多时段式 单时段定周期式交通信号控制器是迄今为止交通信号控制系统中最简单 的交通信号控制器 通常机内只配置一种配对方案 该方案的主要参数可以通过改变矩阵 控制板插针 拨码开关或多位拨段开关设置与调整 与点控方式不同的是控制参数中还有 相位差 多时段定周期交通信号控制器可存储多个配时方案 机内装有实时日历钟 交通 工程师通过事先的交通统计调查 优化出若干个配时方案 将其存入多时段控制器中 并 根据路口交通流的日变化 周变化的统计规律 将一日的交通信号控制划分为若干时段 设置好各时段配时方案的切换时刻 这样 多时段定周期控制器可根据实时日历钟自动按 以上设置时间表变换相应的控制方案 它适用于交通流比较稳定的路况时间 比如低峰时 段 普通时段 拥挤时段分别有明确的交通模式情况下 交通指挥人员可根据交叉路口的 交通实际情况 随时调整配置方案中的各种控制参数 以适应路口交通流的变化 固定配时式交通信号控制器结构简单 造价低廉 维护使用方便 是当今单个交叉点 交通信号控制中使用最普遍的交通信号控制器 b 交通感应控制 交通感应控制方式是对应于变化的交通状况实时改变控制参数 周期长 绿信比 相 位差 进行控制的方式 此方式可根据交通需求的变动进行实时的控制参数修正 从而实 现高度的线控制 因此 它适用于交通量随时间变动剧烈 交通量大 要求有快速的交通 处理效率的干线道路 该控制方式的手段通常有两种 其一是在线路上设置车辆感测器 监测交通流的变动 以这些测量值为基准 从预先设定的几个程序中 一套控制参数 选择 最合适的控制程序 另一种是基于交通流的联机测量 实时算出控制参数并据此值形成控 制方案 感应 半感应式交通信号控制器 进行路口实时性闭环控制 其控制流程如图2 3 所 示 图2 3 交通信号控制器控制流程 从图中可以看出 感应 半感应控制加入了车辆检测系统 出现了对控制决策的信息 反馈 形成了信息与控制之间的闭路循环 提高了信号控制的实时性和适应性 全感应交通信号控制器一般用于饱和度不大于6 0 主次干道延误相差不大的路口 1 6 塑坚三些查兰堡主兰垡丝苎 目的在于尽量减少各方向车辆的延误 最大限度地提高单个交叉路口的放行效率 3 面控方式 对设置在大面积道路网上的多台信号机采用集中控制的方式称为面控方式 这种控制 方式原理上可看做是将线控扩大到面上 因此 面控是由若干个子区控制构成的 这里的 子区是指由相同的周期长进行控制的区域 对每一个子区给出最佳周期长 在各个子区内 得到最优控制的效果 面控方式又分为无电缆协调控制和中心计算机控制方式 所谓无电缆协调是指控制器之间没有信号控制线相连 其相关协调控制是靠采用共同 的时基同步实现的 目前 大都利用从供电网络5 0 H z 频率中获取相同周期 固定相位的 秒时基信号 并通过人工或自动装置将信号控制器内实时钟的日 时 分 秒校正至同步 的方法实现无电缆协调控制 其优点是比较简单易行 但必须要用人工或自动装置及时矫 正 目前 大多数多时段固定式交通信号控制器 尤其是采用分级处理的控制器 均具备 无电缆协调控制的功能 之所以在此着重强调这一功能 是因为它可以作为相对独立的功 能加到上述任何一种控制器上 使各单个交通信号控制器很容易地形成相关控制 中心计算机控制式交通信号控制器通过数据通讯系统与中心控制计算机系统相连 受 中心计算机的直接控制 这种控制器也可分为两类 一类是简单型的 另一类是复杂型的 简单型 一般受中心计算机的直接控制 它的每一步操作均接受中心计算机的直接指 令 并且随时将其工作状态以及交通数据直接传送给中心计算机 当中心计算机或通信系 统出现故障时 它可降级做简单的运行 即运行一个基本的配时方案 复杂型是指当今以微处理器为核心 功能齐全 可与中心计算机系统连接 较高级的 交通信号控制器 它可以接受中心计算机的方案 阶段调用 可以实现包括无电缆协调 多时段固定配时 半 全感应等控制方式 它对所收集的各种交通数据可做预处理 实现 多台信号机集中控制 2 2 2 按控制方法分类 根据所采用控制装置的不同 交通信号控制可以分为 定时控制 感应控制 自适应 控制 智能控制等 1 定时控制 这种信号的周期时长 相位 绿灯时间及转换间隔等都是事先确定的 信号周期时长 以不交的形式运行 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 1 7 塑垩三些查兰堡主堂丝丝苎 定配时方案 每种都自动的在一天规定的时间内交替使用 2 感应控制 a 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检测器检测出有车辆至q 达 这时信号经过一个适当的转换间隔后 立刻为次干道显示绿灯 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 的绿灯时间则分配给主干道 b 全感应式信号控制 该信号的所有相位全由检测器来控制 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 3 自适应控制 这种控制方式是把交通系统作为一个不确定系统 能够连续测量其状态 如车流量 停车次数 延误时间 排队长度等 逐渐了解和掌握系统状态 将其与希望的动态特性进 行比较 并根据差值来改变系统的可调参数或产生一个控制方案 从而保证不论系统如何 变化 均可使控制效果达到最优或者次最优的一种控制方式 2 1 4 智能控制 智能控制不仅是交通信号的控制而且是整个交通系统的控制 即智能运输系统 I T S 它是将先进的信息技术 数据通讯技术 检测传感技术 自动控制理论 运筹学 人工智 能 机械电子技术以及计算机处理技术综合运用于整个地面运输管理子系统而建立起的一 种大范围 全方位发挥作用的实时 准确 高效的公路运输综合管理系统 这个系统将汽 车 驾驶员 道路及其相关的服务部门相互连接起来 从而使汽车与道路的运行功能一体 化 智能化 2 3 交通信号控制的常用性能指标 交通控制的性能指标 既是衡量和评估控制系统控制效益的一些参数或物理量 也 是制定控制策略 优化控制参数的目标函数 一般地交通控制效益的性能指标主要有 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 1 8 塑坚三些查兰堡主兰垡堡壅 噪音等等 对平面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 使 路1 2 1 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 平面交叉口的控制问题可用数学语言描述如下 求取G 使得 厂 G 一r a i n s t g 2 q 2 3 m自 c g l Z v 6 l It l 式中 g Y 分别表示第i 相位的绿灯时间和黄灯时间 埘 肝分别为相位数和黄灯数 C G 分别为信号周期和绿灯时间向量 f G 为目标函数 本节对一些主要的性能指标进行概要地介绍 2 0 2 3 1 车辆延误 车辆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1 2 对一平面交叉I I 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 饱和情况下交叉口的延误表达式为 羔 而q R 2 2 4 2 s g 2 1 一秒 每台驶入车辆的平均延误是 扛生q C 高 描c 2 5 口 抽 二 二o Z l 2 C n 一 2 f 1 一五 一 7 式中 s 是饱和流量 V e h s g 是车辆平均到达率 V e h s 力是饱和度 2 q l a 1 9 浙江工业大学硕士学位论文 R 是红灯时间 包括损失时间 F C 是周期长 J g 是绿信比 g c R C 另外假若车辆到达率服从泊松分布 则每台驶入车辆的平均延误为 孑 糕c 丽2 丽2 2 1 一五 2 9 1 一Z 7 式中 X q s g 2 g 2 3 2 平均排队长度 平均排队长度是指在一个信号周期内各条车道排队的最长长度平均值 各条车道最长 排队长度一般是指该车道的绿灯相位起始时的排队长度 2 善告 2 7 式中 疗是车道数 平均排队长度以周期为单位计算 某个周期平均车辆排队长度与此周期平均车辆延误 的指标基本是一致的 2 3 3 平均起停次数 平均起停次数是指车辆在交叉口区域由于交通信号的约束停车 再启动的次数 起停 次数不仅与控制参数密切相关 尤其在线控系统中 起停次数对相位差极为敏感 而且是 衡量饱和程度的指标之一 2 3 4 通行能力 通行能力是指在一定时问内通过某交叉口所有进口道停车线车辆数之和 交叉口的通 行能力不仅与控制策略有关 还与实际道路条件 包括引道宽度 车道数 转弯半径 转 弯长度 引道坡度 和交通条件 车流量 车辆种类 拐弯车比例 车速 非机动车和行人 干扰 车道功能划分等 密切相关 通行能力是交叉口饱和程度的重要评价指标 除了上述几个评价指标外 还有诸如旅行时问 拥挤时间 耗油量 废气排放等其他 指标 因为这些指标对评价平面交叉口来说不常用 故不详述 2 0 塑翌三些查堂堡主兰垡丝苎 性能指标能客观地反映交通控制的实际效果 但由于有些性能指标之间存在着一定的 关联性 因此在实际控制时 要根据侧重点 选择其中的一项或几项作为实际的性能指标 在道路条件一定的情况下 交通信号控制性能指标与信号配时有直接的关系 但指标 之间也会存在矛盾 在一个控制系统中 这些评价指标并不能同时达到最好 如要想提高 通行能力和减少起停次数 就必须加大信号周期 但是如果信号周期超过最优周期 延误 指标就会变坏 所以对于多目标的信号控制系统 就必须引进综合指标这一概念 综合指标采用上述某几项指标的加权和表示 最常用的综合指标表示如下 G kiD k2S 毛Q 2 8 3 式中 k 为加权系数 k l l 1 1 D S Q 分别表示延误时间 停车次数和通行能力三个指标 此三个指标的权值 并非固定 而是根据交通流的变化 加以调整 以便优先考虑某一指标 适应当时的交通 状况 例如当交通处于欠饱和状态时 加大k l 值 应尽量使得延误指标最好 当交通处于 过饱和时 加大k 值 使得通行能力指标最好 以尽快消除堵塞 交叉口的各种交通状况 可以用检测器检出的实时交通数据 通过基于事件检测算法的判断进行确定 2 2 因此 为了获得预期的控制效益 就必须选择合适的指标 并以选定的指标为依据确 定信号配时 以使控制达到最佳 如使延误 停车次数 油耗达到最小 而通行能力相对 较大等 一旦控制方案实施后 还需要进行实际的调查分析 确定各个指标的实际值 并 与方案实施前的调查结果进行比较 从而可以客观准确地对控制的效果进行评价 2 4 典型的城市交通信号控制系统 2 0 世纪7 0 年代末以来 城市交通阿题日益严重 传