（交通信息工程及控制专业论文）高速公路控制系统仿真研究.pdf

型竖鳖i 丝耋尘堡墼塞。，。 塑垂 摘要 随着社会经济发展，高遮公路的交通流量以几何级的速度递增。由于交通流 量的增加日l 起交通堵塞及交通事故频发，并由此导致的各种损失难以估计。擞据 高速公路的具体特点，本文从如何提高控制器的实时性及控制效果出发，以充分 剥用高速公路现有资源、提高交通流量为目的，对高速公路匝道协调控制送行了 研究，论文主要工作有： ( 1 ) 蓠先把高速公路全段作为一个整体考虑，以高速公路各段突通流为研究 对象，把各匪遵处流量律为系统的控制变量，设计了入口匪道诉调控是5 器，使高 速公路主线交通流处于最佳状态并达到最大流量。同时把免疫算法应用于高速公 路题道协调控制，提搿了搜索局部可行解的速度，改善了控制器的性能。最后通 过某高速公路实测数据对控制器进行了仿真验证，并与遗传算法对比，仿真结果 表明免疫算法控制效莱更好。 ( 2 ) 为了提高控制嚣的实时性和有效性，设计了适用予高速公路环境豹b p 神经网络对高速公路各段交通流的密度和速度进行短期预测，通过适当地提前改 变控告4 策略以减小各种延误对控制效果的影晌。掇据历史襄测数据，把相邻前后 备段历史交通数据咀及预测段实时交通数据等六组数据作为输入，训练该神经网 络。经过训练后，再使用该享申经网络对未来5 分钟后韵交通情况进行短期豫测， 通过预测数据提前更改控制策略以提高撩锢器的控制效果。 ( 3 ) 研究了高速公路车辆运动模型以及毫选公路道路模型，设计了二维仿真 系统，根据预测、控制豹仿真效果，把各种枯燥的交遂漉数据和控制策珞的变化 形象地展现给用户，让用户对高速公路匝道协调控制有更深刻地认识。 关键词：高速公路，匪遴协调控制，免疫算泫，神经列络预测 塑! 型! 些叁耋堡圭薹堡鎏兰垒! ! ! 璧璧 a b s t r a c t w i t ht h ep r o g r e s sf o rt h es o c i e t ya n de c o n o m yd e v e l o p m e n t , t h ef r e e w a ym a d e t r e m e n d o u sc o n t r i b u t i o nf o ri 媾t r a n s p o r t a t i o na b i l i t ya n ds p e c dc h a r a c t e r i s t j c t h c t r a f f i cv o l u m eo ft h ef r e e w a yi si n c r e a s ew i t hv e r yf a s tf i e r c es p e e di nt h el a s tf e w y e a r s ，t h ei n c r e m e n to ft h et r a n s p o r t a t i o nd i s c h a r g ec a u s e st h et r a n s p o r t a t i o ns t o p d h e c t l ya n dt r a f f i ca c e i d e n to c c u ro f t e n c a u s eb i gl o s s 1 1 1 i sp a p e rb a s e do nh o w t o d e s i g nm o r ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g yf o rv a r i e t yf l o wt os e to u tt ot h et r a n s p o r t a l i o n ， w i t hm a k eu s eo fa l le x i s t i n gr e s o u r c e so ff r e e w a yw e l l e x a l t a t i o nt r a f f i cv o l u m ef o r p u r p o s e ，c a r r yo i lt h o r o u g l lr e s e a r c ho fc o o r d i n a t e dc o n t r o lo fr a m p ，t h et h e s i sm a i n l y w o r k st oh a v e ： ( 1 ) f i r s t , d e s i g nt h ec o o r d i n a t e dc o n t r o lo fr a m pb yt a k i n ga l lt h es e g m e n t so f f r e e w a yf o rc o n s i d e r a t i o n ，e a c hs e g m e n ta st a r g e t ，a n dt h ef l o wo fe v e r yr a m pa s c o n t r o lo b j e c tt om a x i m i z et h ef l o wo ff r e e w a y a tt h es a l l l et i m e ，i m p r o v et h e a l g o r i t h mv e l o c i t yb ym a k i n gu s eo fi m m u n i t y a tl a s t ，t h ec o m p a r e dm s u l t ss h o w i m m u n i t ya l g o r i t h mh a dab e t t e rp e r f o r m a n c e ( 2 ) s e c o n d ，d e s i g n e dt h eb p n e p en e t w o r kt op r e d i c tt h ef l o wi ne a c hs e g m e n t o ff r e e w a y , t oi m p r o v et h er e a l t i m ea n dv a l i d i t yo ft h ec o n t r o l l e rb yc h a n g i n gt h e c o n t r o ls t r a f e g yi na d v a n c et or e d u c ev a r i o u sd e l a yt ot h ei n f l u e n c et h a tc o n t r o l se f f e c t a c c o r d i n g t h e m e 8 $ 1 1 i 砸d a t a 。t r a i n t h e n e r v e u e t w o z k b y t h e 6 i n p u t o f f l o w i n p r c d i c t s e g m e n ta n da r o u n do n e s 。a f t e rt r a i n i n 琢u s e 缘ep r e d i c td a t ao f t h ef l o wi nt h ef u t u r e 5 r a i n st oc h a n g ec o n t r o ls t r a t e g yf o ri m p r o v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o n t r o l l e r ( 3 ) l a s t ，a n a l y z e dt h ef r e e w a yv e h i c l em o d e la n dr o a dm o d e l ，d e s i g np l a n a r s i m o l a f i o ns y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l to ft h ec o n t r o la n dc a l c u l a t i o n ，s h o wt h e i m 蹦cd a t aa n ds t r a t e g yc h a n g i n gt ot h eu s e r s , l e tp e o p l eh a v eav i s u a l i z e da n d i m p r e s s e du n d e r s t a n d i n g f o r c o o r d i n a t e d c o n t r o l o f r o m p k e y w o r d ：f r e e w a y , c o o r d i n a t e do n - r a m pm e t e r ，i m m u n i t ya l g o r i t h m ，t h en e u r o ln e t w o r k p r e d i c t 西北工业大学硕士学像论文第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一豢绪论 交通运输业是国民经济基础性产业乏。高速公路作为现代化的交通基础设 施，以其通行能力丈，行车速度侠的显著优点，克服了戳德公路运输在综合运输 体系中具有短途、零散、中转接卸的种神缺点成为适应现代产业结构发展需要的 骨于运输方式和重要的运输通道。i 秘i 寸也把汽车运输灵活、机动和“门到门”的 优势褥到了极太发挥 l 一。 高速公路是科学技术和社会生产力发展捌一定水乎的必然产物，极大地促进 了交遂运输业和国民经济的发展，体现了人类的改造犬自然的能力，提高了人是 的生活质量。自1 9 1 9 年德国在柏林修建了世界上第一条往返分离的高速公路以 来，世界各国都加快了离速公路的修建步伐，迄今为止世界上已有6 0 多个国家 和地区修建了高遮公路。镦观全球发达国家的经济发展孰避，无不例外地优先发 展交通搴业。越是发达国家和地区，高速公路建设规模之丈以及发晨水平之高早 已成为交通运输发展的一般靛律。大部分发达国家，己经或初步形成高速公路干 线体系，高速公路的运输强度已丈大超过了铁路、运河跌及航空譬运输的强度， 成为运输的主力军l v j 。 我国的高速公路建设是从2 0 世纪7 0 年代开始的，自1 9 8 8 年第一条沪嘉高 速公路建成通车吐来，标惑藿我嗣进入了离速公路大发展时期。截i e2 0 0 3 年底， 全阑公路总墨程达1 8 0 9 8 2 8 k m 。其中商速公路2 9 7 4 5 k ；m ，离缓路面3 4 4 2 7 l k m 全国公路密度为1 8 8 5 k m n f f l l i o n k m 2 ，通公菇的乡镇比例为毁s 7 ，通公路的 行敢树比例为9 1 8 9 掰。随着离速公路豹不断建成和投入运营，如何控制、有 效剥用高速公路成为追在腾睫的润题。作为新兴事物，加上管理人员缺乏经验， 一些地方将普通公路豹拄镧方式只作简单修改就照搬捌高速公路上，但是又因为 高速公路的情况犬大不同子瞢道公路，各地在高速公路车辆管理控制方面纷纷遇 到了很多棘手的翔题。 其中高速公路拥堵导致的影响最为严鬟，并由此导致瓯大的经济损失。根据 有关资料统计表明我嚣每年出于交通拥挤和交通事故所s 超的经济损失丑高达 1 7 0 0 多亿a 民币。一些地区由于发生经常性的交通堵塞，交通拥堵的妻接经济 损失i 旨闻民生产总值的1 ，而邦分大城市达到所在城市国民生产总傣的l o 左 右w 。同样，这个i 司题也严重地困扰蓑发达匿家，例如美国一年由于高速公路交 通拥挤带来2 0 亿小时的时问损失，7 0 0 亿美元的经济损失。改善拥挤最胤接的 西北【业人学硕士学位论文 第一章绪浍 办法楚修建或扩展逆路，然；珂由于地域的限弗4 等，无限售地修建或扩展道路是不 现实的，因此目前最有效的办法是通过变通管理和控制来最大限度地含理使矧高 速公路1 3 , 4 ，s 1 。 交通拥挤现象的本质为交通筮需求超过了道潞通行能力，其疆著特征是交通 密度增大( 般认为双车道密发大于5 0 v 曲砌z ) 、空间平均速度下降( 小于 6 0 跏l h ) 、交道流量减少( 双车道流最低于3 0 0 0 v e , l h ) 。拥挤情况严重时，路 面上出现走走停停的现象，甚至完全堵塞，并有可能导致重犬交通事故j 。 因此各国交通专家研究认为，包括公共交遗在内的运输系统的研究对国家社 会经济和交通运输的影响，可能会超过第一次工业革命带来的影响。它的意义幂 价值在于p 1 ： 提高高速公路的通行能力，缓和交通拥挤，提高交通效益，同时可以增 加驾驶员以及乘客在高速公路上的舒适性 降低污絷程度，节省能源消耗 降低安会事故率，减小交通事故，增勰交通安全 1 2 高速公路控耕研究现状 为了尽最减轻交通拥挤，保证道路应有的通行能力和服务水平，目前高速公 路采用的交通控制策烙一般来说可分为以下凡类f 搦： ( 1 ) 入口匝道控制 入墨匝道控靛 可以调节驶入离速公路番段韵交逶萤，可以使整个高速公路各 段交逶流量分碓合理，减少激波避免事故，充分发挥其通行能力，同时可以消除 或减少匝道处交通流交抠时的冲突和事故，更重要的恳窟可以影响与之相邻的簧 通道路的交通状况，是高速公路交通控制豹主要手段。实际上，入日匿道撩制系 统早在6 0 年代早期就歼始使用，并在许多城市得到了成功的应用。虽然在有的 地方应胡效果并不太理想，瞧大家还是达成共识，如果使用恰当，入口匝道控制 方法可极大掇离道路流通能力，减少行驶时间和道路堵塞。由于入口匝道控制的 最蔫效粜，有人甚至进步没想对高速公辫段的主要车遒实彳亍入1 3 匝道控制，卡仁 为减少和管理阻塞的有力工具。 ( 2 ) 主线交通控制 熏线控制方法主要是是了取得最佳车速，使其黼颈路段的服务交道量达到最 大和防止交通状态变化面导致追尾等目的。但是这类控制方法的最大缺点是不能 对高速公路的交遗量产生重大影响，改善交通的教果不明显。该方法包括可变车 速控制法、车道封闭控制法等。如采取可变车速控制法，但并不是所有司机都严 格遵守鼹速指示。焉虽该方法没有考虑与之相邻的普通道路的影哺。所以，此手 * 2 * 两北r 业人学硕士学位硷文 第一章绪论 段只是作为一种辅助调节手段需要交通环境的软硬件条件成熟了【= 差后才能发挥 更犬的作用。 ( 3 ) 出口匝道控制 该方法魁以缓解出口匝道衔接的平面交叉口的交通阻塞和防止出口排队过 长面导致快速于道上的交通阻塞为根本出发点的控制方法，包括调节驶出高速公 路的车辆数和封闭出瞄匝道。这种强追限制车辆离开高速公路的做法通常会导致 行车时问增长。同时出于有时没有相应的代替路径选择，会导致车辆不能正确到 达目的地，因此会遭到司机和出行者的强烈反感和反对，所戳一直阻来除非发 生重大交通事故或其它人为不可抗拒的情况外都极少采用该种控制手段。 ( 4 ) 通道控制策略 高速公路的通道是指高速公路主线，匝道以及与其相连的普通道路。通过通 道控制，使高速公路上交通需求和通行能力达到摄佳平衡，一般采用交通感应式 通道控制，借助于对遴道上各路线交通状况的监视，适当地限制交通流量，使其 低于通行能力。或者通过上述各种控制的协调配合和驾驶员情报系统，把车辆从 超负荷的道路上 导到有剩余通行能力的道路上去。 ( 5 ) 管理措施 以上介绍的备种方法均磊技术牲措施。而一系列的行政与管理措施对于优化 交通流运行同样有着重要的意义和明显效果。例如，提高事件处理效能。一鼠检 测4 交通事件，通知相关部门尽快处理，避免事故带来的交通拥挤和恶化。同时 可以借鉴国外的经验，根据国内具体情况做适当调整，应用于国内高速公路等。 1 。2 1 国外研究进裁 瓯道控肯技术最早出现在美匿的芝加哥市，1 9 6 3 年芝捷哥市借助于变通警 察在高速公路入口匝道处管理交通流，通过事先设定好的控制比例来释放入口匝 道处的车辆进入高速公路主线，这样在一定程度上确保车辆的行车安会和主线牢 流的平滑。芝加哥市匝道控制豹成功使得美莺备槲及加室大、法国、日本的- 。些 地方纷纷效仿，应用匝道控制技术来控制高速公路交通流。并且各种各样匝道控 弗9 算法的研究也应运葙生，其中实际使用的臣道控制算法主要有：定时匝道控制 算法、感应控制算法、z o n e 匝道控制算法( s t e p h a n e d e s 。1 9 9 4 ) 、帮助型匝道控 制算法( l i p p e t a l ，1 9 9 1 ) 、瓶颈路段匝道擦弗5 算法( j a e o b s e n e t a l ，1 9 8 9 ) 、c o m p a s s 匝道控制算法( m e l d r u ma n d t a y l o r , 1 9 9 5 ) 、相连匝道控制算法( b a n k s ，1 9 9 3 ) 、 a l i n e a 何i 道控制算法( p a p a g e o r g i o u e t a l ，1 9 9 7 ) ，针对这些算法文献f 9 1 进行了 详细的分析，该报告认为：( 1 ) 与没有实施匝道控制技术相比，匝道控制能使得 总的车辆出行时间减少7 左右，并且匝道控制的效果依赖于高速公路上的交通 曲北工业人学簸+ 学位论文第一章绍沧 量，交通量越丈，取得的效果越好：( 2 ) 匝道控制技术在有效消除高速公路交通 女n 挤，提高高速公路的通行能力、增加交通流的安全性以及减少车辆对空气污染 方面效果明显；( 3 1 匝道控制技术能为高速公路l ! 二高占有车辆( h i g h o c c u p a n c y v e h i c l e s ) 提供优先进入服务：( 4 1 在一定的交通是水平下，匝遂控制技术控制交 通流的效果明显好于其它控制技术。但是该报告也指出上述匝道控制技术的不足 之处，例如第一种算法鼓励使用替代路径，在替代路径不多或容量有疆的情况下， 效果不明显；第二种则需要车辆在入口匝道排队，降低用户满意度，町能会对交 通系统管理产生负面影响。 除了上述已经实施的匿道控制算法以外，一些没有投入实际应用的新的蹑道 控制算法也不断出现，其中包括b a l la e r o s p a c ef i - 1 v c a 匝道控制算涟、s w a r m 匝道控制算法( p a c s a n i e t a l ，1 9 9 7 ) 、a 工神经网络匿遭控制算法( w e ia n dw u ， 1 9 9 8 ) 、通行能力最大化的匝道控制算法( e m m a a o u i l 。2 0 0 3 ) 、最小有利行驶时 阃匝道控制算法( z h a n g a n dl e v i n s o n , 2 0 0 3 ) 、基于摸糊逻辑的匝道控制算法( t a l e a n ds l a g e r , 1 9 9 9 ) 以及基于节点平衡的匝道控制算法( y a f c n gy ma n dh a m e d b c n o u a r ，| 2 0 0 4 ) 。 文献1 1 0 1 在总结以上最新的匝道控制算法啦届认为未来的匝道控铜研究应 该向三个方向发展：( 1 ) 计算机仿真技术的采用，诗算机仿真技术具有两方面的 优点，即整体性和动态性，整体性是指一个匝遥控弗i 系统包含多种控镑4 策略，例 如定时控制、定时需求控制、定时需求一能力控制及动态公路控制等，而计算机 仿真可班根蠢高速公路交通环境豹不同选择适应的控制策略；动态性利用计算棍 仿真技术可以根据不同交通条件对控制策略选择恰当的控制参数；( 2 ) 模糊逻辑 控制方法，在现实的交通环境下，高速公路上交通流具有定的复杂性，并且伴 随着一些非线性及不稳定性的情况，很难甩精确的数学模擞描述这样的非线性的 系统，面模糊逻辑控制可以将一些人为的因素结合进来，应用模糊推断来控制这 些情况。这些独特的优点使得模糊逻辑控制明显好于其它些线性模型：f 3 ) 综 合的控制方法，综合控制方法是指匝道控制结合其它一些工t s 控制方法如( 可 变限速系统及先进的出行信息系统等) ，这样可以发挥各种控刺方法的优点，更 好地控制交通流。 2 2 国内研究进展 在匝道控制镶域我函学者也取得了一定成绩，中科院自动化研究所陈德望教 授在文献 1 1 1 中首先对嗣外先进的匝道控制算法进行t n 顾，详细比较了几种应 用比较广泛的入门匝道控制方法的适壤场合和局隈性，使用分层递阶智e 控角l 理 论和多目标优化的方法来文现高速公路与替代公路的综合集成控制。长安大学差 辐北l ：娃( 学硕士学垃论文 第一章绪论 紫峰教授利在文献f l z 中针对m a r k o sp a p a g c o r g i o a 的高速公路交通流宏观、动 惫、确定性交通流模型，采质独立的入口匝道控制和入日通道联合控制两种策略， 并以高速公路总行程时问、总服务流量计算入口哦道平均等待时间作为入口匝道 控制效果评价的目标丽数，稠用计算机仿真技术对上述两种策略进彳亍了仿真验证 了上述两种入口匝道控制策略的控制效果。此外，国内学者的著作还有上海间济 大学杨晓光教授的考虑进出口照道排队约束的城市快速道路交通系统动态控制 方法、华南理工大学谭满春等的高速公路入口匝道模糊控制、哈尔滨工业大 学裴玉龙教授的高速公路入口贩道模糊控制研究及华南理工大学贺敬凯等的 基于b p 神经网络的入口匝道控制器的设计等f 1 ”4 1 5 ，“l 。 。3 高速公路仿寞研究现状 交通仿真模型的建就以及交通仿真实验系统的开发是交通仿真研究的两个 核心内容。根据交通仿真模型对交通系统描述的细节程度的不同，交通仿真可分 为微观仿真、中观仿真和宏观仿真。 ( 1 ) 宏观交通仿真模型是用描述交通运行宏观规律的参数来设计模型迸 子仿 真的，它通过考察交通流特征。即车队的“平均”行为来描述系统的状态。一般 来说，宏观仿真所模拟扮交通运行规律其分布函数往往己知，参加交通运输活动 个体的主要有关状态是确定的。与微观仿真相比，宏观仿真所需的计算机储存空 问和计算肘闽较少，仿真结果也易于理解。但是，存在如下缺点：一些情况下， 如道路瓶颈处的交通状态变化的动态得不到清晰地描述：由于宏观仿真中采用 平均值描述交通流参数，各个车辆的随机性影响得不到考虑；计算不出备个车辆 的交通参数。宏观交通仿真模型主要用于研究交通纂础设藤盼新建与扩建及宏观 管理措施、道路网变通状态的研究和交叉【：= 1 交通状况的研究，在进行交叉口交通 状况的研究时，基于摔阢理论的宏观仿真碍用于信号灯前排队长度的研究。 ( 2 ) 中观交通仿真模型是在宏观交通网络的基础上，将个体车辆放入到宏观 交通流中进彳亍分柝的，它根据模越的器要，对特定车辆豹速度、位惹及其它属性 进行标识，或对个体车辆分组，从而对每组车辆的速度、位置及其它属性进行标 识，其对交通系统的要素及行为的细节摇述程度较高。这一仿寞系统可以用来拟 定、评价较大范围的交通控制和平预的措施和方法，对交通流进行最优控制。根 拐目前计算机硬件的发展水平，可以在较大规模的路刚范围内进行实时、动态的 交通中礁仿囊。 微观交通仿真模型是用描述交通运行微观规律的参数来设计模型进行仿真 的，它通过考察单个驾驶员和车辆及其穗曩作用特征来描述系统的状态，黠交通 系统的要素及行为的细节描述程度最高。跟车模型、超车模型及换车道模型是微 - 5 西北业大学碗十学位论文 第章绪论 观仿真的基本模型，微观仿真通常用于研究交通流与同部的道路设施的相互影 i 晌，如车道划分、宽度、弯道、坡度及公交站的设嚣等；还用来研究交通信号灯 控制、让路停车等交通控翎。另外，它还适崩于描述动态交通现象，如交通波动 分析、可接受空档分析、交织影响分析等，这些分柝通常是在非稳定交通状态下 述行的，使用宏观仿真不可能或摄难获得结果。不同精度模型的比较见表l l 。 表t 1 不同精度模型的特性比较 不| i 司精度模型 宏观串观微观 运动学动力学、 使用仿真技术流体力学模型 驾驶反应模型心理学、生理学 对交通的需求分时段、犬规模分时段、小规模 实时、无空间燮化j 对道路状况韵黼求分时段1 0 m 级精度分时段1 t n 级精度 实时1 m 以下级精度j 描述无时间变化不考虑时闻变化个 考虑时阻j 变化考 车辆一驾驶受单元考虑个体差异体分粪井陡机分布虑某些个体差异 仿直空闯范围继点教量级为1 0结点数量缴为i 或1 0结点数为0 或1| 仿真时钟精度数量级1 5 以上数量级小于1 9数量级小于0 5 si 小范围区域车辆，驾驶员l 用途网络交通分柝评价 交通分析评价特性分析评价j 国外对此领域研究的时间比较早，西此模型也相对较多。其中微观模型旧 主要包括i n t r a s 、f r e s i m 、c a r s i m 、w e a v s i m 、f r e e s i m 等，而宏观模 型包括f r e o 、f r e f l o 、k r o n o s 、c o r q 等。i n t r a s ( i n t e g r a t e dt r a f f i c s i m u l a t i o n ) 模型是美国最为成功的微观交通仿真模型。它以网络理论为鏊础， 是统计的微观仿真模型。最初应用与高遥公路事件研究及交通控制。虽然起步较 晚，僵国内墩有不错的研究成绩l 迅1 9 2 0 , 2 1 目，倒如蘸齑交通丈学静杜进有、罗霞 利用仿真控制进行了商速公路车头i 甘j 隙分布规律及应用。同济犬学的吴兵利用微 观仿真对高速公路互通式立交的通行能力及延误进行了研究。圊济犬学的毁进宇 开发了以高速公路匝道控制为研究对象的微观交通仿真软件m i c r o s l i m 。 m i c r o s l i m 建立丁车辆生成模型和基于驾驶员心里反应p i e v 模式的车流行驶模 型，评价了影响道路入蕊匝道范围内交遁流运行状况各因素的作用。北京工烛大 学的荣建开发了高速公路基本路段仿真软件b e s s 建立了高速公路基本路段的 仿真模型。 1 4 论文的基本思想及完成的主要内容 本文在研究高速公路交通流理论、匿道控制原理的基础上，研究学习了火量 6 f 人的研究成果，设计了高速公路匝道游调控制系统，并透过实际离遽公路数据 对系统进行了仿真验证。具体从f ) l 个方瑚进行了研究： ( 1 ) 采用b p 神经鼹络建立遂路交通流量预测模型，该摸型可以有效地_ ； 用 矾托工业大学硕士学位论文第一章缝论 实时交通数据信患预测未来一定时闻内的交通状况。 f 2 ) 将免疫算法应用于高速公路交遥控制，根据神经网络预测的来来交通流 数据信息，对高速公路各匝道依次按照字符编码方式编码，具体班禹速公路最大 流量、最小行程对闻和入口平均等待对润三项指标伟为搜索指标，求褥未来时| 蜀 内的下多个匝道协调控制的优他控捧8 序数。 渤编制仿真动画程序，可以根据输入的交通流数据或者计算所得数据泉控 制仿真界亟上的车辆流动，把枯燥的数据直观地演示给用户，以便用户对高速公 路交通流的直观认识和分橱。并在后台对数据进行处理，形盛统计分析图表。 1 。5 论文章节安排 第章绪论。首先论述本文盼立题背景及研究的必要性，接着对国内外 有关匿道控制算法研究的概况及存在的闷题进行瞬述，然君叙述了高速公魏模型 殴及国内外在宏、微观仿真方藤的研究进展和成果。最卮介绍本文的主要研究内 容及章节安摊。 第二章首先介绍了高速公路交通流的基本概念，然后展开阐述速度、密度和 流量之问的关系模型以及动态交通流的描述模型。进一步介绍了入口匝道控制系 统的原理及系统构成，对比分析了拜前常用豹各类入口匝道控制算法，将算法分 为单独型及协同型两类，总结各自的优缺点，并对世界上典型的入口匝道实拖地 医及采用的控靠l 方法进行了汇总。为本文亮速公路匝道协调控翻的介绍奠定了理 论基础。 第三章首先介绍了交通流颈澜4 理论和享申经网络豹结构以及如何投耀实际闷 题设计神经网络结构，然后利用神经网络能够模拟不确定的、复杂的、菲线性的 过程的特点，以务段当蘸的实铡流量、历史流量等六顼指标炸为输a 量，应藤 b p 啐经列络对未来时亥i 的流量进行短期预测。最后对神经网络进行泛化改进， 进一步提高宇亭经网络预测精度。本章为下一章的匝道协调控制器提供数据支持， 通过预测的交通信息提供控制效果的有效性。 第哩章首先描述了高速公路匝道协调控制问韪以及控制模型，其次通过和传 统遗传算法异同比较，引入免疫算法。然后结合匝道携调控制的具体情况，确定 了抗原的模型，确定了抗体的其体编码方式，以及亲和力和排斥力的计算公式， 设计基于免疫算法的匝道协调控制器。最后援据高速公路实测数据和上一章神经 网络预测数据进行仿真，并通过免疫算法和遗传算法的控制效果比较，证明免疫 葬洼的忧越性。 第五章徽胡变通仿真模型的建立。计算橇仿真就是采用计算机对数学模型进 行仿真实验，奉章详细的介绍了交递生产模型、车辆行驶行为模型、车辆在匝道 阳北f ：业人学硕七学位论文第一章终论 处合流以及分流模犁。选择台适的模型完成对匝道控制系统的计算机仿真的程序 设计，为高速公路控制系统仿真提供理论基础。最后介销仿真系统软件的设计。 用运蕊向对象的程痔设计思想，介绍了仿奏系统软件的总体结构和各个模块的设 计、开发方法和程序流程，并对仿真系统中主要操作界面做了详细介绍。 第六章回颓与爱望。分析总结了年多来的研究工作，对论文中存在的阀题 以及不足之处进行了阐述，并对为进一步的研究工作进行了展望。 堕些三些兰堡土兰堡i 生墨三至查堡垒些型童至堡堡塑篁丝型 第二章高速公路动态交通流描述模型 交通流模型是描述交通流状态变量随时问与空间而变化、分布的规律及其与 交通控制变量之间关系的方程组p i 。交通流模型是交通系统分析、预报、评价 和交通自动控制系统设计、分析、仿真、运行的基础，同时，也是某些交通设施 设计所需要的理论依据。 交通流模型分为微观模型和宏观模型两类。微观模型是描述单个车辆运行规 律：宏观模型是描述车流( 车队) 的运动规律，即反应些集总变量如流量、速 度、密度等变量的变化过程，如p a y n e 模型( p a y n e , 1 9 9 7 ) ，p a p a g e o r g i o h 模型 ( p a p a g e o r g i o u 。1 9 9 0 ) 、p h i l l i p s 模型( p h i l l i p s ，1 9 7 8 ) 、r o s s 模型( r o s s ，1 9 8 8 ) 、 m i c h a l o p o u l o s 模型( m i c h a l o p o u l o s ，1 9 9 3 ) 、k a r a a s l a n 模型( k a r a a s l a n 。1 9 9 0 ) 、 吴正模型( 吴难，1 9 9 1 ) 等。微观仿真模型是以驾驶员车辆单元为研究对象， 通过分析高速公路系统的特性，即分析驾驶员、车辆和道路各自的特性，以及相 互作用后的关系，描述体现不同驾驶员一车辆单元之间相互作用的本质联系，如 p i p e s 模型( p i p e s ，1 9 9 0 ) ，g i p p s 模型( g i p p s ，1 9 8 0 ) ，t o d o s i e v 模型( t o d o s i e v , 1 9 6 3 ) 、m i c h a e l s 模型( m i e h a e l s ，1 9 6 2 ) 、s h i n y a 模型( s h i n y ak u c k i ，1 9 9 2 ) 等1 6 1 。 二者分别应用于不同的领域。交通控制系统显然所需要的应是宏观模型，文献 f 2 4 ，2 5 ，2 6 ，2 7 ，2 8 所应用的模型也基于宏观模型。宏观交通流模型又有静态模型和 动态模型。静态模型描述随时间改变的稳恒交通流随空间分布的变化规律。该模 型为常系数线性模型，用该模型进行控制，可望预防常发性拥挤，但不能适应偶 发性拥挤。动态模型描述交通流随时间和空问变化的，因而宏观动态交通流模型 比较精确地描述交通流的真实行为。该模型为微分方程形式，用这种模型进行控 制，能实现准确控制，可自动预防消除常发性、偶发性拥挤。 2 1 基本概念介绍 交通量1 2 w ：交通量口用单位时间t ( 一般为日、小时) 内通过某一断面的车 辆数表示，单位为v e h h 。 速度：车辆运行的速度分为地点车速、行驶速度、区间车速、时间平均车速 和卒间乎均速度i 驯。 密度p l f ：交通密度p 用某一瞬问一定长度的车道内拥有的车辆数表示，单 位为v e h k m l a n e 。密度表示交通流捌挤程度的指标，但存在观测困难的缺点。 占有率：在交通管理控制方面，也常使用较易测定的占有率。占有率分为空 西北一( 业人学硕士学位论文第二章高速公路动态交通流拙述模型 嘲占有率和对闽占有率。实际观测中多袋用时问占有率，时闭占有率定义为：在 一定时间内全部车辆透过某一断面所霈时闯的累计焦占该时闯的比例。芝船哥的 经验表明，当用超声波煎测器检测的占有率上升到1 5 2 5 i h ，高速公路j 二的交 通拥挤即将发生( 对于环形线圈监测器，比较趋近于2 0 - 3 0 ) 。 时间占有率的表达式为： y 佤化) q 一。= 一x 1 0 0 ( 2 1 ) 2 。2 交通流基本参数模墼 经过长期研究总结，学者发现：交通量、密度、车速这三个参数之闻存在饕 某种霸数对应关系。擐据经验可得：在假定车流均匀，车种单一时，蝌以得到三 者之间的理想关系式，即交通流基本模型i 删： p 一曼( 2 2 ) 叱 式中：p 一交通密度( v e h k ) ；g 交通量( v , 蛹h ) ；匕空间平均速度 ( 轫砌) 当密度为革车遴密度时，流量为单车道流量。 2 2 。1 车速与密度模型 车速与密度闻有许多关系模型，下蔼瑷常用的线性模型距离举倒说明。常用 的线性模型是格林希尔茨密度模型c 3 2 1 ： 匕一d 助 ( 2 - 3 ) 式中n ，b 为待定参数，当密度趋近于0 肘，空间平均址车速接近于盎由行 进车速车速v ，：当道路完全堵塞，车流羌法行进对，此时对应的密度为阻塞密 度n 。 由此得到线性关系式为： 2 2 2 交通量与密度模型 叱。v f ( 1 - 生)( 2 4 ) 。p 7 将( 2 3 ) 式代入( 2 2 ) 式中即撵流掇一密度模型 西北工业大学硕士学位论文第一：章高速公路动态交通流描述模型 q ；y ，( p 一) 。p i ( 2 - 5 ) 由( 2 - 5 ) 式求导可知，最大交通量吼所对应的螨界密度为：以拿，即临界 密度为阻塞密度的一半- 由( 2 5 ) 式描述的流量一密度关系k 5 n - l 知, 当户cn 时 交通流量处于自由运行状态；而当p n 时，交通流处于拥挤状态f 捌。 2 2 3 交通纛与车速的关系 由前图表达式司得流量盼表述式： q 啊饥一导) ( 2 _ 6 ) 对此式求导可知，最太交通量吼所对应的最佳速度为k 一鼍。朗j 临界车速 为自由车速的半。当o u 吐时，交通瀛量处于拥挤状态；当v c t 匕t h 时刚， 交通流处于自由状态，并由此可得吼。旦。 以上内容阐述了交通流的基本概念以及基本参数所对应的简单模型。描述实 际交通流的模型并非上述简单的线性模型，其表达较为复杂，下面将逐步介绍所 需要的描述模型。 2 3 嘉速公路交迸流动态模型 高速公路某个位置在某个时刻的交通状态与该位置在该时刻之蘸的交逶状 态以及该位置上下游相邻的交通状态有关，即交通流是交通状态随着时问、空间 变化而变化的动态过程，精确描述需要采用偏微分方程嘲。应用于控制和仿真 时，学者为了使模型简单清晦便于实用，常常采用时闯离散化、空间离散化处理， 使模型成为离散时间的麓分方程【3 q 。时间离散是指对交通流进行采样，用采样 数值序捌代替时附连续变化的交通变量。 空间离散是指将一条高速公路划分为若干路段。设第i 路段道路长度为， 该段内在采样时n i j k t 的交通密度、空闰平均速度分别表示为p ，( t ) 、v ，忙) ，主线 幽七叫k 人学硕士学位论文第二章高速公路动态受通流描述模掣 上驶入该段的交通流蒙为岳，轼) ，驶出该段的流量为q l 忙) ，该段范围内匝道驶 入流盛、匝道驶出流量分别记为僻) 、s 似) 。路段的划分规则应保证每段道路几 何情况一致，每一 | 寸刻肉所有路段内各处交通状态摹本一致，这个规定实质上是 为了保证微分方程离散化后不举误差过大，由此可知，路段划分不一定等距。另 外每个路段至多古有个入口、一个出口，入口一般认为位于路段之首，出朗一 般认为位于路段之尾。实际分段示意图如图2 1 所示。 路段1 毋- 路段i 路毁n 圉2 - l 高速公路分段示意凰 路段的长度约为数百米至数千米，视道路、交通条件及采样周期而定。路段 划分越细，则摸型精确度会越好，但变量数露相应地增加，模型阶次也对应提高， 运算难度复杂程度加大。空间离散化的结果是用多路段的多个交通变量近似反映 交通流沿道路长度( 空问) 的连续分布，好处是避免了对空间坐标的偏微分，代 价是变量数目增加。 不同于稳惫交通流的流量、密度、空闽平均速度闻存在一一对应的关系，知 其一即可确定另二个变量的关系。动态交通流参数盼关系较为复杂，必须分别对 三个变量进行离散化处理，并结合三个参数间的关系加以联解，以构成描述高速 公路动态交通流的实用模型册。 2 3 1 动态密瘦模墅 假设条定长度的多车道商速公路，其交通流运动方式可以看作是一个密 度为p 0 ，t ) ，流量y q q ( x ，t ) 的流体沿着道路x 坐标( 车辆前进方向) 的运动，它 遵守流体运动的守恒方程： 丝+ 煦。，一s a td t 将( 2 7 试进行空间和时间离散化后，可得如下差分方程： 胛+ 1 ) 硅叭云。h + 删一删 i = l 2 n ：女so , l 2 - - ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 西：i tt ：业大学硕士学位论文第- 二章高速公路动态交通流描述模型 式( 2 。8 ) 中右侧第一壤表示一个周期内该路段交透密度的增加量决定于浚周 期内驶入的流麓( 吼一，+ ) 与驶出流鼍研+ 砖之差a 2 3 2 动态流量模型 交通流动态过程中，一个位置处的交逶漉量不仪取决子上游相部位置处的滚 量，且与下游交通状况也有关，也即一个断面上的流量取决于和逆流两个方向所 传递来的信息。 考虑到拥挤现象的客观存在，在确定路段i 的动态流最聃僻) 时，应同时考虑 该路段交通n 耻) 密度和下游相邻路段肉交逯密度n + ，让) p ”，即 儡 ) 一a q p ，僻) l + ( 1 - a ) q p , + 。辑) 】 ( 2 - 9 ) 其中，氆冰) 一拜冰) b 馥) ，a 为加投系数，其取值与n 。 ) 有关。当 p i + 。啦) t n ( 非拥挤时) ，取a - 1 ，即此时q i 辑) 主要取决于本路段状态；若 b 。( 七p 以( 拥挤状态耐) ，取口一0 ，即此时目；主要取决于路段i + 1 的状态。 当路段i 中存在一个出口匝道，第i + 1 路段始端存在一个入口匝道时，上式 修正为： 吼传) 一a q p t 往) 】+ o - a 两【n 。辑) 】+ 0 耻) 一墨 )( 2 - 1 0 ) 将蜀驻) 一n 丞) - b 体) 代入( 2 - l o ) 式可以得到： 吼( 七) i a p ； ) u 耻) + ( 1 一“) _ p ；柑啦) v t + i ) + 吩 ) 一墨衅)( 2 一1 1 ) 式( 2 王1 恻为密度方程式中流量的籀述表达式。 2 3 3 动态速度摸熬 ，茼速公路上车辆行驶速度是由驾驶员根据车辆、道路、交通以及环境等实际 情况实时动态调整的。任何一个车辆在某时嘉在某位置的速度都与该车在过去时 刻的速度有关与当时该位置处交通状态有关，还与前方变通状况有关，速度的 动态变化规律较为复杂，同时必须考虑驾驶员的行为特征及车辆的动力学特征。 事实上，高速公路上驾驶员调接车速变化做出反应需要根据前方车辆的闾距，印 考虑到前方交通密度；且驾驶员应对前方交通状况变化做出爱应需要有一个延迟 时间，车辆发动机、传动装置的调整也存在一个厦应时间。所以车速的变化总比 舡前方处交通密度的变化滞后一个时问f 。经过对延迟时间f 及静方出处展开 成泰勒级数，略去高次项可得速度的差分方程p 。 西北：i ：业大学硕士学能论文第二章高速公路动态交通流描述模型 啡m 忡和硐m ) 】+ 和w m 删一罢镙簿 f 2 1 2 ， 其中此差分方程引入修正系数曼a 、 ，它们可以调整该项的权重，使整个 模型f 2 1 2 ) 更符合实鞲交通情况。引入 可避免当密度值较小聪该颈呈太大的值。 式( 2 - 1 2 ) 中右边第2 、4 壤的权熏，可通过对参数“v 适当飑估值加班调整。式( 2 。1 2 ) 表弱在动态过程中某路段的空阕平均速度v ；罅+ 1 ) 由以下鳃个方援的因素共弼决 定： 1 ) 前一时刻该路段平均速度q ( 蠡) ； 2 ) 前一时刻该路段变通密度p ，竹) 及该路段的p v 特性。v ( 七+ 1 ) 要按照 p v 特性朝着与p ；8 ) 相适应的方向变化。p v 特性是路段交通境的基本特性， 描述y 随着p 增加面降低的规律。一般用下列表选式播述； p ( p ) 一叶群一- y r ( 2 - 1 3 ) p l 式中v ，表示自由行驶速度：p 表示交通堵塞时的密度。模型所涉及参数z ，挑a 应 根据实测交通数据加以接计； 3 ) v ； + 1 ) 瑟与上游相邻路段前一对刻的平均速度v 。 + 1 ) 相适应： 4 ) q 让+ 辞要与下游楣邻路段的交通密度p ；。传) 程关，郎当前方密度较高时。 车逮受影确将会降低。 2 。3 4 模型藤缩及殿用说鹅 一袅包含n 个路段的高速公路，动态交通模型包含p ，冰) 、v f 辑) ( f 。1 , 2 ， ) 为状态变量豹知维差分方程l 鲫j 。这是一组非线性模型。应用此模型避行交通仿 真时，乒簧给出： ( 1 ) 各状态初壤p ；( o ) 、砖( 0 ) ； ( 2 ) 边界路段的状态序列p ，耻) 、q 批) 、p 。辑) 、匕啦) 搴一1 , 2 ，) ； ( 3 ) 匝道驶入、驶出流量序列，。、s 。琏) # 一1 , 2 ，一) 经