（安全技术及工程专业论文）基于仿真优化的城市交通信号控制系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 a b s t r a c t r e c e n t l y ，a d v a l l c e dt r a 越cc o n t m ls y s t e mh a sd e r i v e dm o r ea t t e n t i o na i l dg e t sa q u i c kd e v e l o p m e n t a n da p p l i c a t i o ni nt h ew o r l d o nt h eo n eh 肌d ， i ti s a d v 姐t a g c o u st oi m p r o v e 仃a 伍cs a f e t y e m c i e n c ya 1 1 db e n e f i t ；o nt l l eo t h c rh a n d ， i ti sg o o df o ru s eo f1 a n dr c s o l e sr e a s o n a b l y ，c 卸c e l l a t i o no fm ee n v i r o m e n t p o l l u t i o na n dt h ec o m i n u a ld e v e i o p m e mo fn a t i o n a lc c o n o m y a t l es a m et i m e ， t r a m cs i m u l a t i o nh a sg o taw i d e l ya p p l i c a t i o na l o n gw i mt h ed e v e l o p m e n to ft h e c o m p u t e rt e c h n 0 1 0 9 ya i l dn l et r a 咀s p o n a t i o nt h e o r 主e sa 1 1 dp r o d u c e dag o o ds o c i a l a n de c o n o m i cb e n e f i t a 1 m o u g ht h e r ea r em o r et h a nt e nk i n d so fc o m m e r c i a l t r a n s p o r t a t i o ns o f t w a r eh a v eb e e nd e v e l o p e da b r o a d ，i ts t i l lj u s ts t a r ti no l l rc o u n 证y h o wt om a k eac o h - e c tu s eo f 吞b r o a dt r 毽f n cs i m u l a t i o ns o 盘w a r ei nc i r c u m s t a n c eo f o u rc o u n t r y ? h o wt od e v e l o pt h e 仃a m cc o n 打o ls y s t e ma c c o r d i n gt o 廿1 e 仕a m c s t a t u si no u rc o u n 打yb yu s i n gt r 娟cs i m u l a t i o ns o f t w a r ec o m b i i l i n gw i t l lm e a d v a l l c e dt r a m cc o n t r 0 1 t e c h n i q u e ? t h i si sw h a tw er e s e a r c hi nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot 1 1 e s t a t eo fo u rc o l m t r y ，廿1 i sp a p c rs t u d ym e a f 五cs i 印a 1 c o n 缸d ls y s t e mb a s e do nm i c r o s c 叩i c 仃a 瓶cs 油u l a t i o no p t i m i z a t i o n ，i nw h i c h a d v a n c e dc o m r o lm e o r i e s ，c o m p u t e rt e c h n o i o g ya i l dc o m m u n i c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y w e r eu s e d f i r s t l y ，l i sp 印e ra i l a l y z e st h es t r l l c t u r eo ft r a m cs i 印a lc o n t i d ls 弘t e m b a s e do nm i c m s c o p i ct r a m cs i m u l 砒i o n 叩t i m i z a t i o n s e c o n d l yt h ep a p c rs t i l d i e s t h e 仃a m cs i m u l a t i o np l a t f b 蛐w h j c ht h et r a 腑cc o i l 仃o ls y s t e mu s e si nd e t a i la 1 1 d c o r r e c t sm es i i i l u l a t i o nm o d e lu s i n ge x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o d b la d d i t i o n ，t 1 1 i s p a p e rs t u d i e st h ek e yt e c h i l o l o g yt h a tc o n v e n st h e 仃a 蚯cc o n t r o ls y s t e mi n t o p r a c t i c e s b a s e do nt h ea b o v et h e o r i e s ，t h et r a 伍cc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d i t c a nb ec o n c l u d e dt 1 1 a tt h i ss y s t e mp r o d u c e sp r e f e r a b l es o c i a lb c n e f i tt h r o u 曲也e d r a c t i c e k e yw o r d s ：t r a f 丘cc o n 仕o l ；t r 啦cs i h m l a t i o n ；m o d e lc o r r e c t i o n ；0 p 垃m i z a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 研究背景概述 1 1 1 城市交通问题 第1 章绪论 交通是幽人们的社会生产活动和生活活动而产生的，人类社会的行为与 交通息息相关。汽车的出现和汽车工业的发展，使整个交通运输格局发生了 巨大变化，极大地推动了人类社会的进程。 城市交通系统作为城市社会、经济和物质结构的基本组成部分，在组织 生产、安排生活、提高城市客货流的有效运转及促进城市经济发展方面起到 了十分重要的作用”】。 然而，事情总是一分为二的。现代交通工具也是一把“双刃剑”，它在提 高人们生活水平的同时，也带来了各种各样的城市交通问题。随着经济的发 展，汽车保有量的急剧增加，如何降低交通的负面效应己成为全球面i 晦的共 同问题。 在国外，特别是西方国家，由于经济发展起步较早，2 0 世纪6 0 年代时交 通问题就已经非常突出，纽约、巴黎、伦敦等城市的中心街道上，平均车速 每小时只有十多公里。美国德州运输研究所对美国3 9 个主要城市的研究，估 计美国每年因交通阻塞造成的经济损失约为4 1 0 亿美元，1 2 个最大城市每年 的损失均超过1 0 亿美元：日本东京每年因交通拥挤造成交通参与者时间损失 的价值相当于1 2 3 0 0 0 亿日元；而欧洲每年因交通事故、交通拥挤和环境污染 造成的经济损失分别达到5 0 0 亿欧元、50 0 0 亿欧元和5 0 5 0 0 亿欧元叫 。 在我国，由于经济发展相对落后，汽车拥有量相对较小，在改革开放前 及初期，交通问题并不严重。从8 0 年代中期开始，随着我国国民经济的持续 高速发展、城市化进程的加快以及机动化水平的提高，导致交通供需矛盾日 益尖锐，城市交通状况曰渐恶化，出行难已成为困扰人们生活的首要问题。 最近几年来，轿车开始进入家庭，交通供需更加不平衡，交通拥挤更加严重， 尤其是在一些大中城市，交通拥挤以及由此形成的社会公害，己成为我国城 市面临的极其严重的“城市病”之一，严重时甚至导致城市整体或局部功能 的瘫痪。城市交通问题在一定程度上已成为制约城市经济、社会可持续发展 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 的瓶颈。 交通拥挤不仅带来了交通系统的服务水平下降，交通延误增加，行车逮 度降低，出行时间大幅度增加等直接危害，还导致了交通事故频繁，能源浪 费严重，汽车尾气排放量增大，环境恶化等诸多问题。而交通事故的发生往 往又使交通阻塞加剧，形成恶性循环。因此，交通问题己成为备受关注的社 会问题。 以北京市为例，1 9 9 6 年，全市共发生交通堵塞1 6 7 9 8 起，市区严重堵塞 的路口、路段从1 9 9 4 年的3 6 处猛增至9 9 处，由此造成市区1 1 条主要干道 的车速降至1 2 l ( r 1 1 l ，个别路段时速仅有7 8 k m ，1 1 。公共汽车平均运营速度由 “五五”期间1 9 k 沛下降到“八五”期间的1 3 k i n 1 1 。低速行驶带来了环境 的恶化，据统计：北京市来自汽车排放尾气中的一氧化碳( c 0 ) 、碳氢化合 物( h c ) 、氮氧化合物( n 0 x ) 分别占北京大气污染物的6 3 ，7 3 和5 0 ， 是北京大气中的主要污染源。9 0 年代，北京市3 0 3 条主要监测路段的交通噪 声平均值一直处于7 2d b 左右，高于国家标准”】。 1 1 2 城市交通问题的解决对策 城市交通是一个复杂的、受制变量众多的庞大系统。同样，城市交通问 题也是一个复杂问题，由诸多因素决定。几十年来，尽管世界各国采取了各 种各样的对策，但城市交通问题一直没有得到很好的解决。 城市交通问题的关键是交通拥挤问题。在我国，出现道路全面紧张的主 要原因有两个方面： ( 1 ) 道路交通基础设施落后，路网结构不合理，交通需求的年增长速度 是道路建设速度的l o 多倍，使得道路交通设施运输能力不能满足需求； ( 2 ) 道路交通管理设施落后，交通流组织和管控水平不高，措施不完善， 我国特有的行人、非机动车和机动车三元混合交通流结构，又使得现有道路 交通设施的运输能力得不到充分利用而加重了交通拥堵。 在国内外长期的实践中，人们逐渐认识到任何单一层次、几种方法的简 单集成都难以解决交通不畅这一“顽症”，必须采用系统工程的思想和方法， 通过科学、系统的综合治理来加以解决。目前，解决城市交通拥挤问题必须 从供和求两方面同时入手，其根本途径有两条：一是在“硬件”方面，加快 交通基础设施建设，通过新建道路、立交或对现有的道路网络进行改造以提 高熬个路网的交通容量。二是在“软件”方面，加强交通管理，通过对交通 西南交通大学硕士研究生掌位论文 第3 页 流进行科学合理的组织与管控，充分发挥包括道路在内的现有交通设施的潜 力，最大程度上使交通流傲到安全、迅速、流畅、有序流动9 l 。 交通设施的建设是发展城市交通，满足各种交通需求的物质基础。但是 这种选择是有限的，首先这需要大量的资金投入，回报周期长，部分地区或 城市难以承受。其次，仅仅依靠单纯的修建道路，不仅无法满足日益增长的 交通需求，反而会刺激、诱增交通流，从而很快堵塞新建道路。而且在交通 问题严重的市区，由于建筑格局已比较固定，土地开发强度已经相当高，通 过大规模的道路建设提高交通用地比例往往是不可能的。在这种情况下，加 强城市交通管理便成为解决交通问题的一条有效途径。 城市交通管理是按照既定的交通法规的规定和要求，运用各种手段、方 法和工具，合理地限制和科学地组织、指挥交通。交通管理的范围广、内容 多，主要包括：技术管理、行政管理、法规管理、交通安全教育与培训考核、 交通控制等。其中，交通控制的目的是应用交通信号给不同流向的各类交通 流分配通行权，从而实现时间上的分离。几十年来，城市交通控制系统在世 界上备受瞩目且得到迅速发展，研究开发了一系列先进的城市交通信号控制 系统( a d v a n c e du r b a nt r 栅cc o n 怕ls y s t e m ，a u t c s ) ，在世界各国得到了 广泛应用，并起到了较好的效果。例如：使用t r a n s y t 系统后，较单点固 定配时一般可提高路网通行能力5 1 5 ，行车速度提高2 0 2 5 ，减少车辆 平均延误1 5 卅o ，减少交通事故o 1 5 ，减少废气污染5 1 5 ，节省 能耗5 2 0 。同时还能大大减少交通警察和工程技术人员的工作量，降低 其劳动强度，改善城市生态环境睁“1 。 下面简要介绍一下城市交通控制系统国内外的发展状况，进而确定本论 文的研究内容。 1 1 3 城市交通信号控制的发展 先进的城市交通控制系统是改善城市交通运行状况的重要途径之一，具 有投资少、见效快的特点。同时它也是城市现代化的重要标志。早在1 0 0 多 年前，人们就开始研究交通信号，控赘4 车辆出入交叉口的次序。伴随着科学 技术的飞速发展和人们对交通规律与运行机理的深入认识，城市交通控制技 术得到了长足的发展。( 1 ) 从控制范围来看，城市交通控制经过了单点信号 控制( 点控，i s 0 1 a t e db t e r s e c t i o nc o n 仃0 1 ) 、干线信号协调控制( 线控，a r t e r i a l i n t e r s e c t i o nc t r 0 1 ) 和区域信号协调控制( 面控，a r e a w i d ec d n t r 0 1 ) 三个阶 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 段；( 2 ) 从控制方式来看，经历了固定式信号控制( f i x e d - t i m ec o n 订0 1 ) 、感 应式信号控制( v 如l c l ea c t u a t 酣，v a ) 到实时自适应信号控制( r e a l t i m e a d a d t i v et r a m cc o m r 0 1 ) 的过程。( 3 ) 从控制设备来看，由机械控制器、电 机控制器、电子控制器发展到计算机控制系统。( 4 ) 从配时方案的制定技术 来看，从人工技术为主发展成为以脱机计算机技术( 0 玎_ l i n e ) 和联机计算机 技术( o n l i n e ) 为主的新阶段。因此。城市交道信号控制真可谓今非酱比， 日新月异。 1 、国外发展状况 1 8 6 8 年，英国发明家奈特( j p k 面目蛳) 在伦敦的威斯明斯特( w e 8 n 1 1 i n s t e r ) 街口设置了世界上最早的交通信号灯。它是仿效铁路信号，由红绿两种颜色 组成的臂板式煤气信号灯，用来控制交叉路口马车通行，只限于夜间使用。 后来，由于信号灯意外爆炸而停止使用。1 9 1 8 年，美国纽约街头出现了第一 座手动操纵的电气照明三色信号灯。随后，1 9 2 5 年英国伦敦的皮卡迪利 ( p i c c a d i l 】v ) 街口也采用了这种信号灯。1 9 2 6 年，英国人在伍尔弗汉普顿 ( w j l v e r h a m p t o n ) 安设了第一座自动交通信号灯，这是一种定周期的交通控 制方式，适用于交通量变化不大，需分时段控制的交叉路口。1 9 2 8 年世界上 第一台感应式信号机在美国巴尔的摩( b a l t i m o r e ) 试制成功，这种感应式信 号机所使用的检测器最初是用橡皮管作传感器，由交通工程师阿德勒( a d l e r ) 发明。 为了解决交通流时空连续性与交叉路口“各自为政”孤立控制之间的矛 盾，必须把相邻的交叉口作为一个系统来统一地加以控制。1 9 1 7 年，世界上 第一个线控系统出现在美国的盐湖城( s a l t l a k ec i t y ) ，它是一种可同时控制 6 个交叉口的手动控制系统。1 9 2 2 年得克萨斯州休斯顿市( h o u s t o n ) 发展了 可控制1 2 个交叉口的瞬时交通信号系统，控制特点是采用电子自动计时器对 路口的交通信号进行协调联动。6 年之后，上述系统经过改进，形成“灵活步 进式”定时干道协调控制系统，并很快普及到美国几乎每个城市。 随着交通信号感应技术和电子计算技术的发展，1 9 5 2 年在美国科罗拉多 州的丹佛市( d e n v e r ) 出现了模拟电子计算机的交通信号控制系统，经过改 进被称为“p r ”系统。该系统由东方工、监有限公司( e a s t c ml n d u s t r i e sh c ，) 研制，它将单一交叉口的交通感应控制概念应用于街道交通信号网络，采用 车辆控制器取样并向该系统控制中心输入交通数据，用模拟电子计算机进行 数据处理，然后再调整各交叉口的交通信号。从1 9 5 2 年到1 9 6 1 年的1 0 年间， 在美国建立了1 0 0 多个这种交通信号控制系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 到上世纪6 0 年代，世界各国开始研究控制范围较大的信号协调控制系统， 建立模拟各交叉口交通流状况的数学模型，以解决信号配时的优化闳题。1 9 6 0 年加拿大的多伦多市( t d r o n t o ) 将数字电子计算机( i b m 6 5 0 型计算机) 用 于区域交通信号控制系统，建成了世界上第个中心式的交通信号控制系统， 这个系统于1 9 6 3 年开始运转使用，可控制2 0 个交叉口，到1 9 7 3 年做到可控 制8 8 5 个交叉口。该系统将检测器的应用与交通信号控制系统结合起来，从 此，开始了城市交通控制系统( u r b a i lt r a 施cc o n f r o ls y s t e m ，u t c s ) 发展历 史的新纪元。因为系统试验获得圆满成功，所以在世界各大城市，如纽约、 伦敦、慕尼黑和东京等相继建立了与其相似但有所改进的城市道路中心式交 通控制系统( c e n 竹a l i z e dt r a m cs i 譬n a 】c o n 仃0 1s ”t e m s ，c t s c s ) 。 1 9 6 6 年英国交通与道路研究所( t r a n s p o r ta 1 1 dr o a dr e s e a r c hl a b o r a t o r y ， t r r l ) 以丹尼斯椤伯逊( d | i r o b e r t s o n ) 为首的小组开始研究开发t r a n s y t ( t r a 施cn e t 、o r kt o o l ，交通网络研究工具) 系统，并于1 9 6 8 年研制成功。 由于以上配时方案存在老化问题，2 0 世纪7 0 年代，人们开始研究实时自 适应的交通信号控制系统。1 9 7 3 年，英国道路研究所开始研究s c o o t ( s p l i t c y c 】ea n do 凰e to p l i m i z “o n r c q u e ，绿信比一周期长一相位差优化技术) 系统，1 9 7 7 年在哥拉斯格( g l a s 鼬w ) 进行了现场实验，取得了成功，1 9 7 9 年在哥拉斯格又进行了更大规模的实验( 4 0 个交叉口) 并获得成功。至此 s c o o t 系统宣布成功并开始在英国推广。与此同时，澳大利亚新南威尔士州 干道部以西姆斯( a g s i m s ) 为首进行新的交通控制方法的研究开发，经过 l o 年的时间，s c a t s ( s y d n e y c r d i n a 比d a d 曩p t i v e t 豫盟cs y s t 嘲，悉尼自适 应控制系统) 获得成功并在悉尼应用。 至此，形成了以t r a n s y t 系统为代表的固定式信号配时的区域协调信 号控制系统：以s c o o t 系统为代表的自适应方案生成式系统( 集中控制， c e n t 蹦i z e dc o n 牡0 1 ) ；以s c a = r 系统为代表韵实时自适应方案选择式系统( 分 层控制，m u h i l e v e lc o m r 0 1 ) 【m ”。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2 0 世纪7 0 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 1 0 。1 9 7 9 年北京前三门大街4 个交叉口进行交通干线 计算机( d j s 一1 3 0 型计算机) 协调控制试验成功。到1 9 8 0 年单点定周期信号 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 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”攻关项口，建成了南京城 市交通控制系统m ：u t c s ( 代号2 4 4 3 ) ：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：1 9 8 4 年北京引进了南斯拉夫 t r a n s y b 7 f 系统应用于中心区5 3 个路口( 即二环路及其以内) 。1 9 8 5 年又 引进了s c o o t 系统，应用于东区3 9 个路口，于1 9 8 7 年8 月建成投入使用， 后来扩展到北区和谣区。另外，上海、广州、沈阳还引进了s c a t 系统，大 连、成都、青岛引入了s c o o t 系统，长春引进了西班牙圣科( s a 矾c o t r a f i c o ) 系统，深圳市引进了日本的京三( k y o s a n ) 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【2 3 。2 “。 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、 南京2 8 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 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f 2 7 删。 ( 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( a n i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，a j ) 的研究始于2 0 世纪5 0 6 0 年代， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 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( e x p e ns y s t e m ，e s ) 、人工神经 网络( a n i f i c i a ln e u r a ln e 俩o r k ，a n n ) 、模糊控制( f u z z yc o m r o l ，f c ) 、遗 传算法( g e n e t i oa l g o r i t h m ，g a ) 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 2 研究内容及意义 1 2 1 论文的研究内容 本论文在我国智能交通系统研究的背景下和国外成熟交通仿真平台的 基础上，结合我国城市道路基本设施和城市交通控制发展现状，提出了基于 微观仿真优化的交通控制系统，并对其实施技术进行了研究。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 ) 基于微观仿真优化的交通信号控制框架结构。该部分首先介绍了 交通控制领域中的几个术语，并分析了几种典型的交通控制系统，在国外成 熟的交通仿真平台的基础上，提出了适合我国城市交通特性的基于微观交通 仿真优化的交通信号控制系统，最后阐述了该系统的工作原理。 ( 2 ) 微观仿真理论与适应性研究。该部分首先介绍了交通仿真进行了 概述，对国外成熟的交通仿真软件进行了介绍，并对本系统所应用的微观仿 真系统进行详细的研究，同时利用试验设计的方法，对微观仿真模型进行了 标定，使其真正的适合我国的道路交通状况。 ( 3 ) 基于仿真优化的城市交通信号控制系统关键技术研究。该部分在 第二章中所搭建的框架体系下，首先对交通流量检测技术进行了研究，然后 对系统的中的关键问题如流量预测技术、数据存储与交换技术和配时的优化 和评价技术进行了论述。 ( 4 ) 交通信号控制优化系统实施。在以上理论研究的基础上，在现场 进行了实践。实际表明，该系统在一定程度上提高了城市道路的服务水平， 到达了预期效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 1 2 2 论文的研究意义 近年来，先进的城市交通控制系统在世界上备受瞩目并且得到了迅速的 发展和应用。一方面，它有利于提高交通的安全性，生产效率与效益：另一 方面，它关系到土地资源的合理利用、环境污染的改善乃至国民经济的持续 发展和社会经济效益的提高。同时交通仿真随着计算机技术以及交通理论的 发展得到迅速的广泛应用，产生了良好的经济和社会效益。国外已经商业化 的交通仿真软件有十多种，而国内还处在起步阶段，如何将国外先进的仿真 软件本土化。将先进交通控制技术与仿真优化有机的结合，并开发出适合我 国交通状况的交通控制系统是本论文所研究的问题。 本论文针对我国国情，采用先进的控制理论、计算机技术、通信技术， 研究了基于微观仿真优化的交通信号控制系统。论文首先对基于微观仿真优 化的交通信号控制系统框架进行了分析，对该控制系统所利用的交通仿真平 台进行了详尽的研究，同时论文对该控制系统实旆的关键技术进行了探讨， 并在理论的研究基础上开发并初步应用了该系统，产生了一定的社会效益。 本论文的研究成果为利用国外先进的交通仿真技术为我国的交通信号控制优 化服务起到了理论依据和指导作用，具有较高的价值。 耍妻奎鎏奎兰堡主塑窒竺兰焦堡塞兰：要 第2 章基于仿真优化的城市交通信号控制系统框 架研究 基于微观仿真优化的城市交通信号控制系统是智能交通的重要组成部 分。本章阐述了交通控制中的几个概念，在研究分析了国外的信号控制系统 的基础上，根据我国的国情，提出了基于微观仿真的城市交通信号控制系统 框架。并详细阐述了该框架的功能。 21 交通控制中的基本概念】 21 1 控制参数 在交叉口信号配时中，主要用到有三个参数；周期长度、绿信比和相位 差。控制系统的功能就是最佳的确定各个路口在各个车流方向上的这些控制 参数，并付诸实施。要想正确理解和优化设计交叉口信号配时，还有几个概 念必须正确理解。 信号相位：一股或几股车流在一个信号周期内，不管何时都获得相同的 信号灯色显示，那么它们获得灯色的时序称作一个信号相位。信号相位是按 车流获得信号显示的时序来划分的，有多少种不同的时序排列，就是多少个 信号相同。 信号阶段：信号相位是周期性交替获得绿灯显示的，通过交叉口的“通 行权”是依次轮流分配给各个相位的，“通行权”的每一次转换就称为一个“信 号时段”。信号时段是根据交叉口通行权在一个周期内的更迭次数划分的，一 个周期内“通行权”交接几次，就是几个信号时段。 周期长度：信号周期是指信号灯灯色任何一个完整的循环。周期长度是 指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。信号 灯最短周期长度不要小于3 6 秒，否则不能满足各个车流方向的交通需求：周 期长度也不要太长( 不超过1 5 0 秒) ，否则车辆在交叉口的延误急剧增加。适 当的周期长度对减少车辆延误和改变交叉口的拥挤程度具有重要作用。 绿信比：绿信比是指在一个周期内( 对一指定相位) ，有效绿灯时问与信 号周期长度之比。有效绿灯时闻是指在指定相位中，获得通行权的车辆能够 号周期长度之比；有效绿灯时闯是指在指定相位中，获得通行权的车辆能够 西南交通大学硕士研究生学位论文第】o 页 利用的绿灯时间。要信比的大小对于疏通交通流和减少车辆在交叉口的延误 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( 即绿信比) ， 可使各方向上停车次数和车辆延误降到最小。 相位差( 又叫绿时差或绿灯起步时距) ：相位差是针对两个信号交叉口而 言，是指两个相邻交叉口它们同一相位绿灯( 或红灯) 开始时间之差。相位 差是系统高效率控制中的一个重要参数，当对一条干线上的交通流一个网络 内的交通流时行控制时，通过调节各个路口的相位差，可以使一串路口的信 号灯形成绿波带，车辆通过这些交叉口时畅通无阻。 2 1 2 交通信号控制方式的分类 根据所采用的控制装置的不同，交通信号控制可以划分为以下三种类型： ( 1 ) 定周期信号控制 在定周期信号控制中，配时方案包括周期长度、相位次序、绿信比和相 位转换时间都是根据历史的交通数据事先确定的。在事先确定的配时方案中， 绿灯时间的长短、信号周期长度以及每个相位上的绿灯起止时间都是相对固 定的，亦即在某一确定的时间段上，上述配时参数保持不变。可根据一天中 交通量的波动情况，划分若干时间区段，对应于每一时间区段的平均交通量 制定相应的配时方案。 ( 2 ) 半感应式信号控制 半感应式信号控制主要用在主次干道相交的交叉口，在这种信号控制中， 主干道总是保持绿灯。当埋设在次干道上的检测器检测到车辆到达时，经过 一个适当的信号转换间隔后，信号状态发生变化，主干道信号灯变为红灯而 让次干道变为绿灯。该绿灯将待续到次干道上的车辆全部通过交叉口或直到 规定的最大绿灯时间为止。该控制方式的周期长度和绿灯时间可根据实际需 要随时进行调整，当次干道没有车辆时，主干道总保持常绿，分配到次干道 的绿灯时间被充分利用，所有“多余”绿灯时间都分配给主干道。 ( 3 ) 全感应式信号控制 在全感应工作方式下，所有的相位随时都是由检测器的车流量来控制。 通常，相位的顺序是事先规定好的，此外每个相位的最大和最小绿灯时间也 是事先确定好的。在这种控制方式下，信号周期长度和绿灯时间可根据实际 的交通状况作很大的变化。全感应式信号控制的另一大优点是可以设置可选 相位，在此相位中，如果没有检测到车辆的到达，那么就可以跳过该相位， 西南交通大学硕士研究生学位论文第lj 页 继续运行其它的相位。 2 1 3 交通信号控制策略的分类 就控制范围而言，信号控制策略可以分为以下三种类型： ( 1 ) 单点信号控制 交叉口的单点信号控制，以称“点控”，用于单个信号交叉口，属于孤立 交叉口的信号控制。根据交叉口各个入口的交通控制根据交叉口入口的交通 流量，确定最佳信号配时，可以保证最大通行能力及最小停车延误。交叉口 的单点信号控制有定周期控制和感应控制两大类。而感应控制又包括全感应 信号控制和半感式信号控制两种。 ( 2 ) 干线协调控制( 又叫绿波协调控制) 主干道信号协调控制是一维信号控制，又称“线控制”。主要用于城市的 主干道上，它把主干路上相邻的交叉口协调控制以提高整个干道的通行能 力。参与协调控制的交叉口采用相同的信号周期，但各个信号交叉口参考相 位的绿灯开始时刻错开一定的时间差。线控往往是面控制系统一种简化形式， 控制参数基本相似。根据道路交叉口所采用的信号灯控制方式的不同，线控 制也可以为分干线交通信号定时式协调控制及干道交通信号感应式协调控 制。较为普遍的是交通信号定时式协调控制。 ( 3 ) 区域信号协调控制( 也叫面控制) 区域信号协调控制把整个区域中的所有信号交叉口作为协调控制的对 象，控制区内各受控交通信号都受中心控制室的集中控制。对范围较小的区 域，可以整区集中控制：范围较大的区域，可以分区分级管理，分区的结果 往往成为卜由几条线控制和点控制组成的分级集中控制系统。区域控制系 统按控制策略可以为分定时脱机控制系统及感应式联机控制系统两种。 2 2 国外交通信号控制系统概述哪 早在1 9 世纪，人们就开始研究交通信号，用信号灯指挥道路上的车辆运 行，控制车辆进入交叉口的次序。到上个世纪6 0 年代，世界各国开始研究控 制范围较大的信号联动协调控制系统，建立模拟各交叉口交通流状况的数学 模型，以解决信号配时优化问题。此后世界各国先后研制了很多控制系统， 这些控制系统采用先进的计算机技术、通信技术和最新的理论成果，来解决 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 城市交通存在的严重问题。这些交通控制方法又被称为先进的交通自适应信 号控制系统( a d v a i l c e dn a f i i ca d a p t i v es i g n a lc o n t r o ls ”t e m a r a s c s ) 。先进 的交通信号控制系统是采用计算机( 路口计算机、区域主计算机的控制中心 计算机) 联网控制，根据交叉口的实时交通流量，通过研制的交通模型和软 件确定交叉口路口信号灯的配时方案，实现整个交通路网的配时优化，在这 些交通信号控制系统中，比较典型的有三种：1 ) 英国交通与道路研究所( t r r l ) 于1 9 6 6 年开始开发的t r a n s y t ( 1 h f ! i c n e 射o r ks t u d y t 0 0 1 ) 系统，t r a n s y t 有很多版本，它在美国得到了进一步的开发和广泛的应用，困此也有人简称 为美国的t 则蝌s y t 系统；2 ) 澳大利亚从上个世纪7 0 年代开始开发的 s c a = r s ( s y “e yc o o r d i n 鑫t e da d a p 西et r a 伍cs y s t e m ) 系统；3 ) 英国t 也于 1 9 7 3 年开始研究开发的s c o o t ( s p l i t - c y c l e o p t i m i z a t i o nt c c h n i q u e ) 系统。 2 3 基于交通仿真的交通信号控制系统概述 在对国外先进的仿真系统深入研究的基础上，提出了适合我国城市交通 特征的信号控制系统。目前我国交通最为明显的特点是混合交通( 机动车流、 自行车流和行人流在交叉口相到影响) ：此外我国处于发展阶段。交通流不稳 定，变化较大。建立的交通信号控制系统必须具有能够根据交通状况的变化 而改变交通控制策略的能力；而且具有开放式结构( 即：根据实际需要改变 所控交叉口的数目) 。基于交通仿真的交通信号控制优化可以尽可能的减少投 资，以最快捷的方式寻找交通控制的最优方案。 2 3 1 基于交通仿真优化的交通信号控制系统工作原理 图2 1 是基于交通仿真优化的交通信号控制系统的基本工作原理图。系 统所要求的最基本的硬件设备是由检测器、信号灯、信号机、计算机和数据 传输系统组成的可进行通讯的网络。检测器负责采集实时交通信息，即检测 路网上所有每股交通流的动态情况，通过数据传输系统把信息传递给计算机 贮存起来，形成实时交通流量和历史交通流量，将其综合分析后作为交通仿 真模型的输入数据。仿真系统平台基本是由流量预测、控制方案优化、控制 方案仿真和控制方案评价四部分组成。交通仿真对检测的实时交通数据和历 史数据进行联机分析。预测出未来配时参数( 信号周期长度、绿信比、绿灯 起步时距) ，并在该情况下到达该交叉口停车线车辆的延误时间和停车率等反 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 映车流动特性的指标值。配时参数优化程序以由延误时间、停车次数等构成 的综合目标函数的预测值为依据来决定是否对现行配时参数进行调整和如何 调整，调整后的配时方案通过仿真平台的评价和方案的比选，最优方案通过 数据传输系统传递给信号机，信号机将根据最新收到的配时方案来控制路网 上的信号灯的运行。 交通量采集变通信号 ( 视频采察) 控制设备 图2 一l 基于交通仿真优化的交通信号控制系统的基本工作原理 2 3 2 基于交通仿真优化的交通信号控制系统功能 基于交通仿真的交通信号控制系统应提供如下功能： 1 采用点控、线控、面控相结合的控制策略，且全部基于仿真信号配时 优化； 2 信息采集和处理。通过安装于各路口每条车道上的车辆检测器所采集 的车辆到达信息，实现路口交通流量信息的自动采集，交通流量统计 分析，报警分析，系统监视分析等功能； 3 方案生成与方案选择相结合。通常情况下，通过对采集的信息的分析 处理，形成控制方案，实时地调整绿信比、周期时长及相位差等参数， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 使之与变化的交通流相适应。同时对历史方案进行比较分析，减少随 机的误差。 4 基于中心控制，即控制方案的生成或选择在控制中心的信号控制主机 上完成： 5 数据管理和存储。配有专门的数据库服务器，对每台信号控制机所采 集到的数据、运行参数、统计分析结果、控制方案、控制效果等进行 动态储和脱机备份： 6 交通仿真软件提供接口，便于对控制模型进行扩充、改进。在本系统 中采用的是u m f ( 统一的交通数据格式) 接口； 7 具有离线交通信号配时模拟功能。便于对交通信号配时方案进行评价： 8 能够提供特殊信号控制策略：如公交信号优先控制、v 口路线绿波控 制、特种车辆( 救护车、救火车等) 信号优先控制等； 9 系统运行状态监视：从中心控制室可以掌握整个受控范围的交通状况、 设备运行状况、控制方式等。系统监视的有关信息主要有：控制范围 内的全部信号灯的状态：路口控制机、交通情报板、通信系统、区域 控制机等的状态。 2 4 小结 本章首先介绍了交通控制领域中的几个术语，并分析了几种典型的交 通控制系统，在借鉴国外研究成果的基础上，提出了适合我国情况的基于 交通仿真优化的交通信号控制系统，最后详细阐述了该系统的工作原理。 基于微观仿真优化的交通信号控制系统采用先进的计算机技术、通信技术 和网络技术等来解决我国城市交通问题，在系统中涉及到如下几个方面的 技术方法：交通数据检测、交通流量预测和仿真模型校正以及信号配时优 化等，以下几章将对其进行深入的研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l5 页 第3 章微观仿真理论及适应性研究 3 1 交通仿真概述 3 1 1 交通仿真基本概念 仿真界专家和学者对仿真下过不少定义，其中比较通俗的描述性定义是： 仿真是通过对系统模型的实验去研究一个存在的或设计中的系统。 不管是物理仿真还是利用计算机仿真，都不是用数学解析方法或物理实 验方法，而是利用模拟模型产生一个人为的系统的运行过程，虚拟的表现真 实系统的结构和行为。对于简单的系统，我们可以通过微积分、概率论、代 数方程等解析方法求解；对于复杂的系统，解析方程难以建立或未知量过于复 杂难以求解，此时通常借助仿真求解口6 。7 5 8 1 仿真技术在交通工程领域有着广泛的应用，从6 0 年代起，国外就开始利 用计算机对交通现象和交通流进行模拟，到现在仿真技术与理论己趋于成熟， 并进入商业丌发与实用阶段。交通仿真可以动态、逼真的模拟交通流和各种 交通现象，深入分析道路环境、车辆、司机行为、控制设施、交通流的综合 特征，有效的进行交通规划、交通管理与组织、交通安全、能源交通等方面 的研究。 相对于其他交通分析技术，交通系统仿真技术具有许多优点，如： 1 不需要真实系统的参与，因此特别适用于对尚不存在的如规划中的交 通系统行为的研究。 2 通过系统仿真，能清楚地了解交通流中哪些变量是重要的，以及它们 是如何相互作用的。 3 不仅能提供交通流参数的均值和方差，还能提供时间一空间的序列值。 4 系统动态模型的时间标尺可以与实际系统的时间标尺不同，因此即可 以进行实时仿真，又可以进行欠时仿真或超时仿真。 5 对于交通系统中的某些危险情况或灾难性后果，系统仿真是很有效的 研究手段，如道路交通事故的仿真研究等。 6 胄b 重复提供同样的道路交通条件，从而可以对不同的规划设计方案进 行公正的比选。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 7 堵2 不断改变系统运行条件，从而可以预测道路交通系统在各种情况下 的行为。 8 胃够随时间和空间改变交通需求，从而对道路交通拥堵做出预报。 9 能够处理相互影响相互作用的复杂的排队过程。 l o 当交通到达和离去方式不服从传统的数学分布时，可以用系统仿真来 解决。 1 1 当其他的交通分析技术不适用时，系统仿真往往能有效地解决问题。 尽管交通系统仿真技术有许多优点，但它绝不是包治百病的万灵药，也 有许多缺陷和局限性，如： 1 需要花费大量的财力和时间，对此不可低估。 2 仿真模型需要大量的输入数据，对于某些实际问题，这些数据很难或根 本无法获得。 3 仿真模型需要验证、标定、进行有效性检验，如果忽视了这一点，仿真 结果将会失实。 4 建立仿真模型不仅需要大量的知识，如交通流理论、计算机程序设计、 决策论、统计分析等等，而且需要对所研究的道路交通系统有充分的认识 5 当仿真软件文档资料不完整或缺乏与之相适应的计算机设备时，将给使 用者造成很大的困难。 6 一些仿真软件的使用者只懂得简单地套用其数据模型，而对于模型的限 制条件和基本假设并不清楚，或将其视为“黑箱”