协调控制约束下的单交叉口信号优化设计方法研究

发布时间：2020-08-12 01:02

【摘要】：随着我国城市化与机动化的持续发展,城市交通供需矛盾日益加剧,交通拥堵现象日益严重,由于资源和经济的限制,城市道路建设和规模扩大不可能长期持续,提高道路通行效率的需求日臻强烈,迫切需要加强对城市交通的智能管理和优化控制,尤其是协调控制。在城市道路交通信号优化设计中,若不考虑路网、路径的协调控制,以单个交叉口运行效果最佳作为设计目标来确定的信号方案意义不大,但优化每个交叉口的运行效果也是协调控制工作中的一项重要内容。对此,本文研究城市路网信号协调控制约束下的单交叉口信号优化设计方法,完成的主要科研工作与取得的研究成果概括如下:1)分析面向城市路网的信号协调控制机理,研究了细化路网协调控制方法,将最小协调控制单元段细化为协调路径,利用协调路径链与协调路径集,实现对于路网中各种协调控制需求的精细化描述,研究了协调路径集的优选方法,进一步分析和确定协调控制的结构与约束。2)考虑协调控制约束下交叉口的通行需求问题,针对传统的信号配时设计方法在处理复杂的搭接信号相位结构下的交叉口绿信比分配时存在的不足,研究了通用的交叉口绿信比分配方法。首先提出了一种基于通行需求的绿信比分配目标函数,然后建立交叉口绿信比的基础分配模型与多轮分配模型,最后给出了绿信比与相位时间的分配流程,设计了一种程序化的交叉口绿信比分配方法,通过对绿信比及相位时间的多轮优化分配,实现了对跨相车流与非关键车流的绿信比优化,能够有效提升交叉口的整体通行效率,使绿信比分配方案设计更加科学合理。3)考虑协调控制约束下交叉口的通行需求问题,在本文提出的通用的交叉口绿信比分配方法上,研究了交叉口相位相序设计与配时同步优化方法。首先根据交叉口协调相位相序及相位时间等约束,考虑行人过街需求,建立相位配时基础模型,然后结合交叉口协调相位的设置情况,研究相位相序设计与配时同步优化方法,最后给出了交叉口信号相位设计与信号配时的同步优化流程,设计了一种相位设计与配时的同步优化方法,实现了交叉口的整体通行效率的有效提升。4)考虑最大化协调控制效益,基于现有干道绿波协调数解算法,研究了干道交叉口协调相位绿灯时间分配方法。首先根据交叉口车流通行需求确定基本信号配时,然后根据现有数解法确定最佳周期与协调相位相序并计算协调方向基础绿波带宽,最后调整瓶颈交叉口绿灯时间直至获得最大双向绿波带设计方案,实现了双向协调相位绿灯时间的优化,为获得全局最优的绿波协调控制方案提供基础。5)考虑最大化协调控制效益,基于现有区域路网绿波协调方案设计方法,进一步研究区域路网各交叉口信号相位时间的优化方法。针对进口单独放行方式下的区域绿波协调控制优化模型各交叉口相位时间分配问题,研究了根据相邻相位时间之和约束条件,以获得最大路网绿波带宽为目标分配交叉口各进口道的相位时间的模型方法,最大化区域绿波协调控制优化模型的协调控制效益。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U491.23
【图文】：

信号配时,仿真运行,绿信比,方案

b) Synchro 仿真车流的平均延误时间与总的延误时间图 3-6 三套信号配时方案的仿真运行结果3.4 本章小结结合协调控制约束，本章从交叉口的车流通行需求角度出发，提出了考虑车流通行需求的交叉口绿信比分配模型。与现有交叉口绿信比分配方法相比，该模型通过对绿信比及相位时间的多轮优化分配，实现了对跨相车流与非关键车流的绿信比优化，能够有效提升交叉口的整体通行效率，使绿信比分配方案设计更加科学合理；通过建立交叉口绿信比分配的通用模型，可适用于各种交叉口信号相位设计场合，特别是在相位设计越复杂、跨相车流越多的情况下，其均衡调配绿信比的优越性将越为明显。此外，根据各股车流的实时通行需求，利用本模型方法就可以实时计算出交叉口的绿信比分配方案。

车流,情形,相位,方案

图 4-7 案例交叉口 VISSIM 仿真路网对于上述两种不同的交通流量情形，分别用表 4-2 和表 4-3 的两个相位方案的最配时结果进行仿真，并利用行程时间检测器获取两种情形、两个相位方案共四组车流误时间数据，统计四组数据各自总平均延误时间如表 4-4 所示。由于优化模型是在“通行需求满足度最小的车流也能够获得尽可能大的通行效益”的原则下对车流通行时进行按需均衡分配以达到减少机动车延误与实现公平的控制目标，而在各个情形中，个相位方案的关键车流组合不同，因此对四组车流延误时间仿真数据按照车流总延误间大小进行排序，从而对比任一情形下模型求解的最佳方案与其他两个方案通行需求足度相近的车流总延误，得到图 4-8 对比结果。表 4-4 模型优化方案下四组车流平均延误时间（s）交通流量情形相位方案总平均延误时间情形 1方案 1 30.8方案 2 30.7

对比图,总延误,车流,方案

图 4-8 两种情形下两个相位方案车流总延误排序对比图（1）利用本章模型解决了案例交叉口多股搭接车流、相位设计较为复杂的方现行方案（方案 2）的配时问题。该模型是基于本文第三章提出的绿信比分配模型的进一步深化，其配时优化结果与一般绿信比分配方法结果的对比优势已经在第三章案例分析中体现，故在此不做赘述。由于两组方案的搭接相位设计均能使交叉口获得较高的进口道利用效率，并且对各股车流的流量变化有一定的鲁棒性，因此不管在交通流量情形 1 还是情形 2，两个方案利用本优化模型计算的最佳配时均使案例交叉口仿真车流总平均延误基本一致。（2）仿真结果显示，在车流总平均延误基本一致的情况下，不管哪种交通流量情形，优化模型选出的最佳相位方案的总延误较大的车流的延误时间均明显比另一个相位方案有所减少，其中在情形 1 时最佳相位方案（方案 1）最大总延误的车流延误时间较另一个相位方案减少 22.0%，次大总延误的车流延误时间较另一个相位方案减少 6.0%在情形 2 时最佳相位方案（方案 2）最大总延误的车流延误时间较另一个相位方案减少

【参考文献】