53城市交通控制信号配时参数优化方法研究

发布时间：2016-11-24 03:57

本文关键词：城市交通控制信号配时参数优化方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

第一章绪论；层控制，MultilevelControl）[1；2、国内发展状况；我国在交通信号控制系统方面的工作起步较晚，解放前；直到20世纪70年代，有关单位又开始这方面的研究；八十年代以来，城市道路交通问题越来越严重；TRANSYT-7F系统应用于中心区53个路口（；近年来，为解决日益突出的城市交通问题，出现了一批；3、交通控制系统发展方向；吉林大学博士

第一章绪论

层控制，Multilevel Control）[12-22]。这些系统经过几十年的发展完善，在今天仍然是主导控制系统。

2、国内发展状况

我国在交通信号控制系统方面的工作起步较晚，解放前后很长一段时间，只有少数几座大城市有为数不多的单点定周期控制交叉口[8]。

直到20世纪70年代，有关单位又开始这方面的研究，陆续试验了感应式、定周期信号控制[10]。1979年北京前三门大街4个交叉口进行交通干线计算机（DJS-130型计算机）协调控制试验成功。到1980年单点定周期信号机在全国大中城市得到了较广泛的应用，北京、天津、上海等城市初步开始采用计算机进行干道协调控制和感应控制。

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心交通为核心的交通控制系统研究，如：在国家计委、国家科委的支持下，交通部、公安部、南京市完成了“七五”攻关项目，建成了南京城市交通控制系统HT-UTCS（代号2443）；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，如：1984年北京引进了南斯拉夫

TRANSYT-7F系统应用于中心区53个路口（即二环路及其以内）。1985年又引进了 SCOOT系统，应用于东区39个路口，于1987年8月建成投入使用，后来扩展到北区和西区。另外，上海、广州、沈阳还引进了SCAT系统，大连、成都、青岛引入了SCOOT系统，长春引进了西班牙圣科（SAINCO TRAFICO）系统，深圳市引进了日本的京三（KYOSAN）系统。这些交通信号控制系统在一定程度上起到了提高城市道路运行效率，缓解交通拥挤的作用。但是由于我国开发能力相对落后，机动车、非机动车混行等因素，导致引进的系统多数执行的是单点多时段控制，少数具有简单的协调功能。而检测设备的损坏和系统维护工作的滞后也在一定程度上影响了控制效果[23-26]。

近年来，为解决日益突出的城市交通问题，出现了一批专业从事交通控制系统开发的公司，如：北京布鲁盾公司、京安通讯交通设施有限公司、清华紫光智能交通事业部、北京市振隆重科技发展公司、青岛海信网络科技股份有限公司、上海宝康公司、上海交大高新技术公司、无锡锡山大为科技、南京28电子研究所等。他们通过自行研究，或与清华大学、吉林大学、同济大学等高等院校合作，相继开发了一些具有自主知识产权的城市交通控制系统，这些产品正逐步在各类城市得到使用。

3、交通控制系统发展方向

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伴随着现代高新技术的广泛推广与应用，城市交通信号控制系统呈现出两大发展趋势[27-53]。

（1）控制理念的变化

控制侧重点由微观向宏观转变，人们开始从全局和整体角度出发考察交通系统运行、交通流组织、交通规划、土地利用及其相关关系，从而把握城市交通系统的运行状态，提高系统的运行效率，解决城市交通问题，进而保证城市大系统的可持续发展。

（2）人工智能技术的应用

人工智能（Artificial Intelligence，AI）的研究始于20世纪50～60年代，计算机的广泛应用促成了人工智能的巨大发展，针对传统交通控制系统技术的缺点，交通工程师把人工智能的专家系统（Expert System，ES）、人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）、模糊控制（Fuzzy Control，FC）、遗传算法（Genetic Algorithm，GA）等先进技术应用到交通工程领域，使得交通控制系统的智能化水平得到进一步提高。随着这些技术的逐步成熟和完善，实用化程度的提高，对硬件要求的降低，必将使城市交通信号控制系统呈现更广阔的发展前景。

1.3 本论文的主要研究内容及意义

1.3.1 论文研究内容

先进的交通信号控制系统是多种软硬件技术的综合体，它涉及交通信息采集与处理技术、交通流量预测技术、数据库技术、计算机网络技术、控制与最优化技术、通讯技术、仿真技术等多个组成部分，需要跨学科、多领域专家的共同合作。其中信号配时参数优化是其核心技术和最终解决目标。信号交叉口的实际通行能力，车辆通过交叉口时受阻滞程度（延误时间和停车次数），以及其它交通效益量度指标都直接受配时方案影响。最优控制，其实质就是最优配时。改善配时设计方法，设法寻求一个最佳配时方案，便成了提高城市交通运行效率，最终取得良好的经济效益、社会效益和环境效益的关键。因此本论文选择信号配时参数优化作为主要内容加以重点研究。

对于固定式（或自适应）交通控制，主要优化的配时参数有：周期时长（Cycle Length）、绿信比（Split）和相位差（Offset），其中周期时长、绿信比既用于单点孤立控制交叉口，也用于实行联网协调控制的交叉口群。而相位差则是协

第一章绪论

调控制时使用的一个重要参数。对于感应式控制，主要优化的配时参数有：最小绿灯时间（Minimum Green Time）、单位绿灯延长时间（Unit Extension Time）和最大绿灯时间（Maximum Green Time）。信号配时参数的优化就是对上述这些参数进行优化计算或优选。对于固定式（或自适应）配时参数优化，最理想的方法是在确定优化目标和配时参数关系的基础上，同时优化三个参数，从而寻求最佳信号配时方案。但是这就需要反复迭代和大量计算，对于实时控制来说是不切实际的，尤其是当网络所含交叉口数量较多时更是如此。为节省控制计算机的CPU时间以及对硬件设备的要求，更通用的研究思路是各参数分别优化，即首先研究对交叉口交通控制起决定作用的周期时长参数，然后将其按照控制原则分配到各信号相位，最后考虑各交叉口间的相互协调问题。本文采用后者进行研究。

论文突破以往按照点、线、面的传统研究顺序，以城市交通控制系统信号配时参数优化为主线，在总结信号配时参数优化技术已有成果的基础上，利用优化理论详细研究了固定式（或自适应）、感应式控制配时参数优化方法。本论文的研究内容由几个相互联系的部分组成，具体内容如下：

（1）城市交通控制系统基本理论。该部分首先介绍了交通信号控制中信号相位、信号阶段、周期时长、绿信比、相位差等基本概念；接着讨论了交叉口设立信号灯的利弊和依据；信号相位相序优化设计原则和方法；最后探讨了反映城市交通控制系统信号配时优劣的主要评价指标和辅助评价指标，以及它们与信号配时参数的关系。这些内容是全文的基础，它为信号配时参数优化的深入研究提供了基本理论依据。

（2）周期时长优化方法研究。周期时长和交叉口通行能力、车辆平均延误等直接相关，在固定式（或自适应）信号配时中，它是决定交通信号控制效益的关键控制参数。本部分深入研究了各种常用周期时长优化方法，包括：TRRL法、ARRB法、HCM法、冲突点法，对比分析了各自的优缺点。然后利用交通流量、时间占有率两个交通流参数，提出了反映交叉口交通负荷的交通强度模型，作为周期时长的优化依据。根据时间占有率计算公式，可将其转换为速度的函数，利用交通流理论流量与速度关系的伊迪模型，研究了交通强度随流量的变化规律。针对常见的2～5个关键相位交叉口，首次给出了基于交通强度的周期时长优化模型。该方法可以唯一地确定交通流的状态，弥补了以前方法的缺陷。通过长春市三个交叉口的摄像调查，对方法进行验证，周期时长计算值与实际交通状况较吻合，低峰时段延误较低，高峰时段通行能力较大，实现了

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优化目标，可用于周期时长的优化。论文还提供了一个四关键相位的交叉口配时实例。最后，论文研究了协调控制中周期时长的优化方法，包括周期时长的确定和双周期交叉口的判断。

（3）绿信比优化方法研究。绿信比反映交叉口各相位绿灯时长的大小，绿信比优化就是在各相位之间合理分配绿灯时间。本章首先回顾了韦伯斯特提出的“等饱和度”原则，以及阿克塞立科的“不等饱和度”修正方法，进而研究了关键相位的判断方法，并在此基础上深入研究了有无搭接相位等情况下绿信比的优化方法以及实际绿灯显示时间的计算。

（4）相位差优化方法研究。相位差是城市交通协调控制中的一个重要配时参数，它直接关系到协调效果的好坏。本部分对图解法、数解法、结合法、爬山法进行了研究，分析了各自的优缺点。并对实用相位差优化方法——数解法进行了改进，改进后的数解法可以实现流量不平衡下的双向绿波计算，存在双周期交叉口的协调子区绿波带计算，影响绿波带宽度交叉口的识别，绿波带线性方程组的求解等功能。同时论文根据长春市路段车流离散特性调查，以车辆延误为优化目标，应用结合法研究了区域控制下基于车辆到达与驶离图式的相位差优化方法。

（5）感应控制配时参数优化方法研究。感应控制是一种非常灵活的交通控制方式，在一些特定条件下具有非常好的控制效果。本部分首先回顾了感应控制的发展状况，以及感应控制的分类和简易流程；接着详细研究了感应控制配时三参数优化方法和理论。首次提出了可变单位绿灯延长时间的优化模型，并以长春市明德路－百汇街交叉口为例进行了研究。

1.3.2 论文研究意义

在我国，为了保证城市交通的可持续发展，各级政府部门对交通管理工作给予了高度重视，建立先进的交通控制系统已成为城市交通管理部门的共识。根据公安部、建设部在2000年联合推出的“畅通工程”的要求，地市级以上城市必须建设交通指挥中心，对城市交通进行科学、有效管理。而我国265个地级市中（截止2001年底），已建成和将要建成交通信号控制与管理系统的只有30个左右，而且多数为国外引进的系统。全国共有信号控制交叉口数量不到1万个（截止2001年底），远小于发达国家的数量（美国30万个，日本10万个）

[8，10，26]。由此可见我国城市对交通控制系统需求的紧迫性和深入研究控制原理的必要性。另外，自适应交通控制系统的开发应用还可以带动与交通有关的设备及软件开发，从而替代国外同类产品。

第一章绪论

论文的研究将为深入研究适合中国国情的城市交通控制系统奠定基础，其研究成果对于改善交叉口配时设计方法，降低交叉口平均延误，提高道路网使用效率和交通安全性，缓解城市交通拥挤、空气污染、车辆燃油消耗以及噪声污染具有现实意义。文中配时参数优化方法和理论模型已经完成程序编制开发，并集成于信号机中，正在进行示范工程，对进一步推动我国城市交通控制系统现代化具有较高的理论指导意义和实用价值。

1.4 小结

本章首先简要地介绍了课题来源，论文研究背景。接着剖析了先进的城市交通控制系统在解决城市交通问题中所起到的作用，并回顾了城市交通控制的国内外发展状况。最后简单概括了本文的主要研究思路和结构安排，阐述了研究配时参数优化方法的意义。

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