（系统工程专业论文）城域交通冲突点控制策略研究.pdf

浈疆太擎暖学位论文 摘要 随着城市化避程的加快，城市交道量急逮增加，交通问题日趋严熏，所以需 要对交通进行台理酶蕊裁、羟制藕管理。交通冲突是产生突遵延误与交通事故豹 根源之一，面交叉口由于存在大量的交通冲突点，使其成为交通通行缆力和交通 安全的瓶颈，困毙，辩予交叉弱控制弱醭究具有重要鹃瑗谂意义与实际应瑙价俊。 本文邋过对国内外交又口控制策略相关理论的研究，提出了基于自适应协同 迸纯的援台交通条件下荸点交叉墨稠密蹴纯及藩号配辞方案，莠在擎点交叉口研 究基础上，对定时式1 ：线协调控制方案设计中所涉及的各种影响因素进行分析。 控制酶基毽是实对豹检测数猫，两交通钱颓捡溅技謇已成为交遥信息粟集与处理 的发展方向，因此本文对a u t o s c o p es o l op r o 视频检测系统进行搭建与研究。全 文的主要磷究战果慧雅蠡下： ( 1 ) 研究城域混合交通条件下单点交叉【j 的相位优化及信号配时。针对两种典 型豹单点信号控铡交叉口十字交叉口拳t 鼙交叉日，分裂建立信号稿 位优化模型，以车辆平均延误时间最小为目标，以交叉口几何形状、渠化 及禁止游交通瀛渖突为约柬，撵出是适应协慝迸转算法缢援索最铙鲍信号 相位序列并获取相应的信号配时方案。 t 2 ) 裂用d e l 曲i 分剐秀发了十字交叉霹谊号醚嚣| 软终与t 型交哭口信号配对 软件。该软件一方面实现了混合交通信号稻位优化算法，通过软件输出敬 撰分析，验证了本文提出的自适应协同进化冀法在姨上两秘类型交叉翻捂 位优亿及信号配时阀题上的可彳亍健及优越性：另一方面可作为遥用的交叉 疆僚母爱盼魄纯设计较馋。 ( 3 ) 研究定时式平线镪调控糊的影响因素。钎瓣定时式千线协调控制的特点， 憩绪控制方案设计过程中的影响鼠素。一方面建某些因素避嚣理论分辑， 勇一方面构造m a t l a b 协囊平台，对流量，闯距与带速等主要的影响因素 进行仿真分板，为设计定时式手线协调控制方案提供漫计与分柝的依据。 ( 4 ) 研究a u t o s c o p es o l op r o 视频检测监控系统。掌握a u t o s c o p es o l op r o 视频 梭溅系统功能与系统结构，实现现场硬馋设鍪与上经机的连接并调试使 用，为采集现场数据打下了基础。 浙汀大学硕士学位论文 - v l - 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea c c e l e r a t e du r b a n i z a t i o n ，r a p i d l yi n c r e a s e du r b a nt r a f f i c ，t h et r a f f i c p r o b l e m sh a v eb e c o m e m o r e s e r i o u s , s or e a s o n a b l et r a f f i co r g a n i z a t i o na n d m a n a g e m e n ta r en e e d e d t r a f f i cc o n f l i c ti so n eo f t h er o o t st h a tt a l u s e so f t r a f f i cd e l a y a n dt r a f f i ca c c i d e n t s ，a n db e c a u s et h e r ea r el o t so ft r a f f i cc o n f l i c tp o i n t s ，t h e i n t e r s e c t i o n sh a v eb e c o m et h eb o t t l e n e c ko ft r a f f i cs a f e t ya n dt r a f f i cc a p a c i t y t h e r e f o r e ，t h ei n t e r s e c t i o n sc o n t r o lh a si m p o r t a n ta p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da sw e l la s r e s e a r c hm e a n i n g s a f t e rr e f e r r i n gt ot h em a j o rr e s e a r c h e so nt h ei n t e r s e c t i o n sc o n t r o li nh o m ea n d o v e r s e a s ，t h e d i s s e r t a t i o n p r o p o s e sa n e f f e c t i v ew a yf o rm i x e d - t r a f f i c p h a s e o p t i m i z a t i o na n ds i g n a lt i m i n ga tt h es i n g l e - p o i n ti n t e r s e c t i o nb a s e do na d a p t i v e c o e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m ，a n a l y s e st h ev a r i o u sf a c t o r st h a ta f f e c tt h ed e s i g no ft h e t i m i n ga r t e r i a l c o o r d i n a t e dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h es i n g l e - p o i n ti n t e r s e c t i o n c o n t r o l ，a n df u r t h e r , c o n s t r u c t sa n dr e s e a r c h e st h ea u t o s c o p es o l op r ov i d e od e t e c t i o n s y s t e m i nv i e wo ft h ev i d e od e t e c t i o nt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h ed e v e l o p m e n t d i r e c t i o no f t r a f f i ci n f o r m a t i o nc o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n g t h em a j o rw o r ka n de o r r e s p o n d i n gr e s u l t sa c h i e v e di nt h i sd i s s e r t a t i o nc a nb e s u m m a l l z e da sf o i l o w s ： ( a ) s t u d yt h ep h a s eo p t i m i z a t i o na n ds i g n a lt i m i n go ft h eu r b a ns i n g l e p o i n t i n t e r s e c t i o n i no r d e rt os o l v et h ep h a s eo p t i m i z a t i o na n ds i g n a lt i m i n go ft h e u r b a ns i n g l e - p o i n tc r o s si n t e r s e c t i o na n dti n t e r s e c t i o nu n d e rt h em i x e d - t r a f f i c , t h es h o r t e s ta v e r a g ed e l a ya r et a k e na so b j e c t i v e , a n dt h ei n t e r s e c t i o ng e o m e t r y s h a p e , c h a n n e l i z a t i o ns t a t u sa n dp r o h i b i t i o no f t r a f f i cf l o wc o n f l i c t sa r et a k e na s r e s t r i c t i o n s an e wg l o b a ls e a r c ha l g o r i t h mc o m b i n i n ga d a p t i v eg e n e t i ca l g o r i t h m w i t hc o - e v o l u t i o n a r ya l g o r i t h mi sp u tf o r w a r dt os o l v et h eo p t i m i z a t i o np r o b l e m ( ”d e v e l o pt h es i g n a lt i m i n go p t i m i z a t i o ns o f t w a r eo fs i n g l e - p o i n tc r o s si n t e r s e c t i o n a n dti n t e r s e c t i o n ，d e s i g ns o f t w a r ei n t e r f a c ea n da c h i e v eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m p r o g r a m ，a n df u r t h e r , a n a l y z ea n di n d i c a t et h a tt h ea d a p t i v ec o - e v o l u t i o n a r y 浙江大学硕士学位论文 a l g o r i t h mi sf e a s i b l ea n de f f e c t i v ef o rm i x e d - t r a f f i cp h a s eo p t i m i z a t i o na n ds i g n a l t i m i n g a tc r o s si n t e r s e c t i o na n dti n t e r s e c t i o nb yo u t p u td a t ao f t h es o f t w a r e ( c ) s t u d yt h ev a r i o u sf a c t o r st h a ta f f e c tt h ed e s i g no ft h et i m i n ga r t e r i a lc o o r d i n a t e d c o n t r o ls y s t e m f i r s t ，s u m m a r i z et h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s ，t h e n ，o nt h eo n eh a n d ， t h e o r e t i c a l l ya n a l y z es o m ef a c t o r s ，o nt h eo t h e rh a n d ，c o n s t r u c tt h es i m u l a t i o n p l a t f o r mb ym a r l a b , a n da n a l y z et h em a i ni n f l u e n c i n gf a c t o r s ，s u c ha sv e h i c l e t r a f f i c ，i n t e r s e c t i o ns p a c ea n db a n dv e l o c i t y ( d ) s t u d yt h ea u t o s c o p es o l op r ov i d e od e t e c t i o ns y s t e m ，m a s t e rt h es y s t e mf u n c t i o n a n ds y s t e m c o n f i g u r a t i o n ，c o n n e c t f i e l dh a r d w a r ea n d p c ，a n dd e b u g s u c c e s s f u l l y 浙汀大学硕士学位论文 1 、绪论 摘要：本章概述了城f l i 交通冲突点的含义，着重阐述了单点交叉口信号控制和干线信号协调 控制，并对在交通控制领域起重要辅助作用的视频捡测技术及优化问题中所应用的遗传算法 进行简单介绍，最后给出本论文的主要研究内容。 关键词：冲突点；交叉口控制：视频检测；遗传算法 1 1 交通冲突点 交通冲突是产生交通延误和交通事故的主要根源( 特别是在交叉口) ，产生 交通冲突的地点就是冲突点。广义的冲突点指道路事故的潜在碰撞点，交通冲突 是事件，冲突点是在一条道路或车道上穿越、合流、分流的道路用户与另一使用 相同道路或车道的用户发生冲突的地点i l j 。 按照冲突方式分，冲突点主要分为交叉冲突点，合流冲突点和分流冲突点， 后两种统称为交织冲突点。 按照发生地点分，冲突点主要分为固定冲突点和随机冲突点，前者的位置比 较固定，如路口，人行横道处：后者位置难以确定，如闯红灯引起的随机交叉冲 突：非机动车非法占用机动车道引起的随机交织冲突。 狭义的冲突点定义针对交叉口：在交叉路口，不同行驶方向的车流相互交叉 形成的交会点；在交叉口内，各方向车流固定行驶轨迹的交会点。 如图i - i 所示，在一个没有交通信号的平面交叉口上，各机动车交通流按照 箭头所指的方向行驶，形成交通流冲突点，这些冲突点成为了导致交叉口处车辆 事故发生的主要因素1 2 1 。交叉i ：1 一般有下面几种类型的冲突点： l 一 l r 一一。 舔 、 1 。、广 图l - 1 平面交叉口冲突点示意图 ( 1 ) 夹角等于9 0 度的冲突点，如图1 1 中黑点所示，记为0 型冲突点： 浙汀大学硕士学位论文 ( 2 ) 夹角大于9 0 度的冲突点，如图1 i 中圆圈所示，记为l 型冲突点； ( 3 ) 夹角小于9 0 度的冲突点，在图i 1 所示范围之外，记为2 型冲突点。 通常认为，0 型冲突点对交通事故的影响最大，l 型冲突点对交通事故的影响 次之，2 型冲突点对交通事故的影响更小些。o 型和l 型冲突点一般发生在交叉口 范围内，2 型冲突点一般发生在交叉口范围外。当交叉口设置信号灯后，可以避 免0 型和l 型冲突点但是如果信号相位安排不合理，冲突点将仍然存在【2 】。 由狭义冲突点定义及对图i - i 的分析可见，交叉口是影响城市交通安全非常 关键的地点，在不考虑非机动车及行人的情况下，已经出现如图1 - 1 所示的大量 冲突点，在考虑之后，将会产生更多的冲突点。凼此，为了保证交叉口的交通安 全，使各种车辆和行人能够顺利通过交叉口，应该对交叉口进行有效控制，减少 冲突点的个数，从而降低冲突点对交通流的影响程度，减少交通延误以及交通事 故。 1 2 单点交叉口信号控制 1 2 1 交通信号控制 虽然1 8 6 8 年伦敦威斯敏斯特街口安装了第一个红绿两色的臂板式信号灯， 但1 9 1 8 年纽约的街口安装的手动操作的三色信号灯才是真正意义上的信号灯， 因为它是作为一种控制交叉口车辆行驶的手段出现。自此之后，交通信号控制快 速发展，并成为当代城市交通巾必不可少的控制手段。现行交通信号控制一般有 单点、干线、区域三种控制方式。 1 2 2 单点交叉口控制方法 单点交叉口的信号控制方式主要有两种1 3 1 ：一种是以历史交通流的统计值为 依据，找出交通流变化规律，预先计算好配时方案，称为定时控制；另外一种是 感应控制，通过车辆检测器测定到达进口道的变通需求，使信号显示时间适应测 得交通需求的一种控制方式。按照检测器设置车道的数量，感应控制分为全感应 控制与半感应控制。由于本文对于单点交叉口配时研究主要采用定时控制，因此 对其几个重要参数及概念做出详细描述。 ( 1 ) 信号相位序列：信号灯轮流给某些方向的车辆或行人分配通行权的一 种顺序安排。作用是明确不同流向、不同种类交通流的时间路权，控 制冲突点上冲突现象的发生1 4 j 。 ( 2 ) 信号周期：信号灯各种灯色轮流显示一次所需的时间，即各种灯色显 浙江大学硕士学位论文 示时间总和；或是某主要相位绿灯启亮开始到下次该绿灯再次启亮的 一段时问【5 1 。 ( 3 ) 绿灯问隔时间：一个信号相位绿灯时间结束到下一个信号相位绿灯时 间开始之间的时间间隔。通常，一个相位绿灯时问结束以后，总要插 入一段黄灯和红、黄灯时间，或者全红灯时间，目的是为了清空交叉 1 3 中剩余的车辆i j j 。 ( 4 ) 各相位有效绿灯时间：各相位绿灯信号时段减去相位前后损失时间| 3 ； ( 5 ) 各相位的绿信比：一个信号相位的有效绿灯时长与周期时长之比p j 。 ( 6 ) 信号总损失时间：各相位绿灯信号时段内前后损失的时问之和p 】。 1 2 3 单点交叉口控制国内外研究现状 1 2 3 1 国外研究现状 针对孤立交叉口信号配时问题，英国学者f w 曲s t e r 于1 9 5 8 年提出了一套较 为严谨的理论和方法【6 1 ，从此成为该领域公认的研究基础。1 9 7 7 年，p a p p i s 等首 先提 f 了城市孤立交叉1 3 的模糊控制方法，即所谓的p 叩p i s 法1 7 ：1 9 8 0 年，澳大 利亚的r 阿克塞立科在w e b s t e r 法的基础上引入了“停车补偿系数”，并将它与 车辆延误时问结合在一起，用以评价信号配时方案的优化程度悼j 。1 9 9 8 年，j o s e p h a b a l l 等基于h 理论，提出了信号配时的反馈控制算法唧。2 0 0 1 年，d u s a n t e o d o r o v i c 等在p a p p i s 法基础上将遗传算法与模糊控制相结合对孤立交叉1 3 进行 信号配时优化”u j 。 除了大量的理论研究，国外已经开发出很多交叉口控制系统，如英国的 t r a n s y t i ”1 和s c o o t 系统【”1 、澳大利亚的s c a t s 系统和西班牙i t a c a 系 统等。t r a n s y t 系统是英国交通与道路研究所( t r r l ) 于上个世纪6 0 年代开 发的，它是一种脱机操作的定时控制系统，早期的优化采用“瞎子爬山法”对相 位差和绿信比进行优化。美国f l o r i d a 大学的t r a n s y t - 7 f 8 i c 以后的版本采用遗 传算法对相位差、绿信比和相序进行优化，但不能及时地对实时交通状况及突发 事件进行响应和调整是其最大的缺陷。针对此不足，t r r l 又于1 9 7 3 年开发了 s c o o t 系统，它是一种方案产生式的在线交通控制系统，能根据实时的交通流 数据来产生新的交通控制方案。s c a t s 是一种以方案选择式优选配时方案与单 点感应控制作调整结合的实时区域自适应交通信号控制系统，由澳大利亚于2 0 世纪7 0 年代末研制成功，是目前世界上先进的交通信号控制系统之一。i t a c a 系统是由西班牙圣科公司于1 9 9 0 年开发研制的一套自适应交通信号控制系统，其 以整个系统控制网络的停车次数和延误最小为优化目标实现实时优化控制，目前 也已经在世界广泛应用。 浙江大学硕士学位论文 国外先进信号控制系统存国内应用也比较多，如上海、杭州、宁波等用 s c a t s ，成都、大连、北京等用s c o o t ，还有些城市用i t a c a 。挚体来看，s c a t s 和s c o o t 的控制较好，但价格比较昂贵，而且大部分城市在应用国外控制系统 时，没有充分考虑中国混合交通现象比较严重的国情，也没有先期做好城市交通 规划设计和路口渠化设讣，使控制系统建设流于表面，并没有起到预期的作用。 1 2 3 2 国内研究现状 国内对于单点交叉口控制研究的起步比较晚，主要集中在：评价指标，交叉 口内部交通流模型，配时优化和相位优化等四个方面的理论研究，下面分别叙述。 ( 1 ) 评价指标 评价指标主要是指从饱和度、通行能力、延误时间、服务水平等方面分析交 通的性能。徐立群等对目前比较常用的三种通行能力计算方法( 冲突点法、停车 线法、美国法) 进行了比较分析1 1 3 】；张彬等基于道路通行能力手册研究了单向 条件下交叉口通行能力1 1 4 】：徐良杰等利用统计学的方法，研究了交叉口行人过 街时间模型1 15 j ；蒲琪等利用概率统计知识，建立了交叉口延误的概率统计模型 ”6 j ；杨晓光等深入考虑了车道宽度对初始时距、饱和流率及启动延误的影响， 给出了相应模型【1 7 】；李庆丰等研究了不同走向的行人在交叉口的延误；马万 经等分析了h c m 延误模型在计算信号控制交叉口实时延误方面的不适应性，建 立了实时延误的计算模型【l9 j ；丁柏群等基于蒙特卡洛模型研究交叉口的服务水 平【2 0 】；袁振洲等对各种评价指标进行内在相关性分析，理论上确定了评价的指 标和分级标准口“。 ( 2 ) 交通流模型研究 交通流模型是指通过建立交通模型以模拟实际的交通流状况。关宏志等于 2 0 0 0 年提出了基于基本路段的混行交通流模型【碉；王新伟等也针对十字交叉口 建立了动态离散非线性模型，用于研究各种情况下车流量1 ；张莉结合交通波 理论建立了t 型交叉口的交通流数学模型【”】；张全等提出了利用元胞自动机对 交叉口内部交通流进行建模1 2 ”，黄悦等在其基础上采用二维元胞自动机模型对 交叉口进行仿真研究【2 6 l ；钱大琳等分析了干扰对混合交通流速度的影响，并提 出了干扰的计算方法旧。 ( 3 ) 配时优化与相位优化研究 由于信号配时与相位设置是交叉口信号控制的核心，因此对于这两方面的研 究较多。 卢凯等对不同交通流状况下的信号配时进行了研究，并着重阐述了饱和交通 状况下信号配时的最优方法【2 8 】；丁恒等研究了低交通流量条件下的配时优化1 2 9 j ； 王秋平等建立了非线性函数模型，并利用遗传模拟退火算法进行配时优化【刊； 浙江大学硕士学位论文 史忠科等建立实时动态模型，采用线性预估的方法，利用遗传算法进行信号配时 优化；杨晓光等采用改进的爬山算法进行配时优化l j 2 1 ：张卫华等研究了公交 优先条件下的交叉口信号配时【3 3 】：王炜等研究了混合交通条件下的信号配时优 化【蚓；中国科学院自动化研究所的高海军等考虑了混合交通流环境下机动车与 非机动车对信号配时的影响，并改进了w e b s t e r 配时公式1 3 5 】；张君纬等也对 w e b s t e r 公式进行修正，提出了运用车流波动理论计算交叉口信号控制中最短周 期设计的修正公式【蚓：郭艳玲等基于混杂系统的理论，采用p e t r i 模型，利用遗 传算法进行配时优化 3 7 1 ；p a p p i s 法提出以来，我国学者也大量将模糊控制应用于 配时优化，龚晓兰基于模糊逻辑理论，实现了周期、绿信比和相位顺序的实时改 变，能有效地响应交通情况的随机性和不确定性1 3 8 】；乔维德等i 刊羊利用模糊控 制方法对单点交叉口进行实时配时优化，并以p l c 为智能控制器核心i j 埘；于泉 等引入模糊逻辑模拟高峰时段过饱和交叉口处交通信号控制器的逻辑1 4 0 l ；吴银 凤等提出了一种主从式模糊逻辑自适应控制算法设计了两极模糊控制器用于实 时配时优化一“。 以上方法均是主要对信号配时方面的优化，以下是目前国内学者对于相位方 案设计的一些研究成果。 朱胜华等根据路口各车流向的期望车流量的实时预测生成最优配时，同时实 时改变相位车流组成 4 2 1 ；徐良杰等分析了行人、非机动车以及机动车的运行特 征，提出了设置行人、非机动车专用信号1 4 习；景春光等通过研究行人、非机动 车和机动车间冲突，也提出了设置非机动车相位、行人相位提前截止等方案j ； 马万经等提出了二次过街条件下行人相位的设计方法h s ；季彦婕等对公交优先 情况下的相位优化进行了研究i 舶j ；赵晓华等基于混杂系统理论，建立混杂自动 机模型，采用两状态法寻找最佳相位轮转次序和绿信比1 4 7 j ；杨晓光等对两相位 信号控制下的交叉口行人专用相位的设置条件进行了研究 4 8 1 ；陈宽民等针对左 转车流的交通特性，提出设置左转专用信号灯、禁左和变左转为右转等策略”川； 严萍等对右转车与行人的冲突进行了探讨，设计了右转车辆与行人相位分开设置 情况下的流量临界模型【划；王学堂等从冲突点出发，利用网络图的计算方法进 行相位优化刚：陈振起等对交叉口行人的二次过街进行研究，提出了行人信号 相位与原机动车信号相位进行叠加组合的相位设计方法，并分析了在不同的机动 车信号相位条件下和二次过街设置方式下的行人信号相位设计方法暇j 。 在实际应用方面，由于对交通管理与控制的研究发展较晚，国内交叉口的控 制现在所使用的主要是国外引进的交通控制系统，使用国内软件的并没有太多的 实例，但是目前也存在一些已开发的交叉口控制软件，如哈尔滨工业大学的“东 方绿星”，同济大学的平面交叉口交通自动化设计软件，浙江大学智能交通研究 所开发的交叉口性能评价软件以及中南大学研究开发的城市交通智能红绿灯优 - 5 - 浙江大学硕士学位论文 化系统。国内现在使用的主要是国外引进的交通控制系统，使用国内软件的并没 有太多的实例，大多在国外系统上加以改进。 通过对国内单点交叉口交通控制研究现状的叙述，总结存在的不足如下： ( 1 ) 理沦分析较多，实际应用不足 ( 2 ) 没有将各种交叉口评价指标综合考虑。 ( 3 ) 未完伞实现交叉口交通流模型与信号配时相结合的仿真与计算 ( 4 ) 不能满足我国各种交叉口的道路、车流要求及混合交通的特殊情况。 ( 5 ) 未实现各种实际约束的统一优化，更多的是针对局部问题进行探讨。 1 3 干线信号协调控制 在城市路网中，由于交叉 | 相距很近，各交叉口独自配时会导致车辆经常遇 到红灯而行车不畅，为了解决这个问题，将干线上相邻交叉路u 作为一个整体考 虑，协调控制方案应运而生。 1 3 1 绿波带信号控制 目前，常用的一种方法就是把主干道上批相邻的交叉路口的交通信号协调 控制，使主干道车辆通过这些交叉口时尽可能的遇到绿灯，减少干道上的延误和 停车次数，以保证干道上的车辆能够畅通，这种协调思想称为绿波带信号控制l j j 。 根据交通流方向，绿波带信号控制主要包括两种研究对象：单向绿波和双向绿波。 前者是针对单向交通道路，或者双向交通量相差十分悬殊时，只需照顾单向信号 协调控制；后者是针对双向交通道路需要同时考虑的信号协调控制。 1 3 2 干线协调控制方案 对于干线信号协调控制的目标主要有两种设计思想：一是以“绿波带”带宽 的最大化为目标，即绿波带时间内通过的车辆最多；二是以主干道的交通性能指 标最小化为目标，如停车次数最少与延误时间最小。 干线协调控制系统中，除了与单点交叉口类似的参数外，另外还有一个重要 的参数一时差，其有绝对时差和相对时差之分： ( 1 ) 绝对时差 各个信号的绿灯或红灯的起点或终点相对于某一个标准信号绿灯或红灯的 起点或终点的时间之差1 3 1 。 ( 2 ) 相对时差 相邻两信号的绿灯或红灯的起点或终点之间的时间之差。 浙江大学硕士学位论文 为了使车辆通过信号协调控制系统时，能连续通过尽可能多的绿灯，时差的 选取至关重要。 目前，干线协凋控制方案主要分为以下三种口】： ( 1 ) 定时协调控制 定时协调控制指各交叉口信号按照预先设定的方案运行。主要依靠时钟校 准，调整干线信号灯之间的相位变换起始时刻，即时差，形成有效的绿波带。 ( 2 ，感应式协调控制 - 二是在干道上设置车辆感应器，监测交通流的变化，根据测量值从预先设定 的配时方案中，选择合适的控制方案，时问分段型协调控制属于这种控制方案； 二是基于交通流的联机测量，实时算出周期、时差等最佳控制参数并据此形成控 制方案。 ( 3 ) 自适应协调控制 根据自适应控制的思想，连续测量交通系统状态，逐渐了解和掌握检测对象， 保证控制效果达到最优。 1 3 3 干线协调控制国内外研究现状 1 3 3 1 国外研究与应用现状 早在2 0 世纪6 0 年代，国外已经开始了干线协调控制的研究1 5 3 1 ，美国学者 j d c l i t t l e 于1 9 6 4 年提出基于最大带宽实现干线协调控制的思想口j ，并于1 9 6 6 年建立混合整数线性规划模型进行优化求解【5 5 1 ，在上述设计思想基础上，j d c l i t t l e 于1 9 8 1 年开发了m a x b a n d 软件，不过由于该软件基于不交带宽的模型， 因此不能根据实际交通的变化调整带宽。g a r t n c r 等人在m a x b a n d 基础上进行 改进开发研制了m u l t b a n d ，它能够产生可变带宽的“绿波”以适应交通流量 的变化。英国道路研究所的j a h i l l e r 于2 0 世纪6 0 年代初最早研究了相位差与 延误的关系，并在此基础上形成了结合法c m 。前面1 2 3 1 中所提到的t r a n s y t 系统与美国道路交通研究协会开发的s i g o p i i 系统就是基于最小延误的协调控 制定时脱机系统。1 9 6 5 年，m i ld e r 研究出了最早的大型路网的感应控制算法，但 是由于实际交通流运行规律变化大，外界干扰大，因此该算法并没有得到很好的 应用。为保证控制效果，在干线协调控制系统中引入自适应的思想形成干线自适 应协调控制系统，如1 2 3 1 节中所提到的s c a t s 系统、s c o o t 系统、i t a c a 系统以及美国亚利桑那州立大学9 0 年代初开发的r h o d e 系统啪j 、美国p b f a r r a d y n e 公司与m a s s a x h u s e t t sl o w e l l 大学于1 9 7 9 年完成的o p a c 系统p “。 浙江大学硕士学位论文 1 3 3 2 国内研究现状 类似于单点交叉口信号控制，围内对于下线协调控制的研究起步也比较晚， 但是近几年已经出现大量的理论研究，主要集中于带速研究，相位差优化，干线 协调建模以及延误计算等方面。 刘灿齐等早在1 9 9 6 年就对交叉口的散布模型进行研究，他从交通流密度角 度定量描述车队散布规律得出散布模型，并将其应用于协调控制d 5 1 ；2 0 0 0 年以 后国内出现大量学者对干线协调控制进行研究，万绪军等对干线上、下行车辆延 误规律进行分析，建立了相位差优化模型p w ；陈旭梅等研究了干线协调控制系 统中的超速行为旧】；于雷等提出了基于概率过程的单向交通流相邻交叉v i 信号 问的相位差优化方法，利用概率论和排队论，兼顾车队离散情况和随机变化【6 ”； 王殿海等以交通波理论为基础，研究了车辆在交叉口的排队消散过程【6 2 l ：金双 泉以c o r i s m 模型为基础，提出y _ - 次相位差调整州：常云涛等基于遗传算法 对干线协调进行优化岬j ；沈国江等设计了两级模糊协调控制算法并利用b p 神经 网络进行实现1 6 5 】；彭国雄等对绿波带系统的延误计算进行了分析脚】；孔庆杰等 改进了单路口模糊控制器，提出了一种全新的车流检测方法，结合中断请求思想 进行实时协调控制【67 j 王俊刚等建立了可变带速的协调控制模型1 6 8 l ；赵围永等 采用单向_ t 线协调的递阶模糊控制策略，在决策开关作用下，实施绿波协调控制 与分散控制 6 9 1 ；方虎生等利用g p s 精确授时技术，采用干线无线同步软件算法 和m a x b a n d 算法，实现双向无电缆干线协调控制【“。 由于干线协调控制需要满足的前提条件很多，因此目前国内干线协调控制更 多是理论层面的研究，实际应用较少，而且均没有充分考虑各种影响因素对控制 方案设计的影响。 1 4 交通视频检测技术 1 4 1 交通检测技术 交通信息是城市交通规划和交通管理的重要基础信息，为了更好地保障城市 交通安全，对路网建设、交通管理以及交通规划提供有力的决策支持，以采集交 通数据为主的交通信息检测是必不可少的。只有提供真实、准确、实时的交通数 据，才能够实行合理的交叉口信号灯配时控制；发布准确、实时的信息诱导驾驶 员的驾驶行为；快速发现交通事故及处理交通事故现场；正确评价道路服务水平。 交通检测器的运用正是随着上述需求逐步发展起来，国外起步比较早【7 “， 我国从9 0 年代初才开始大规模使用。目前，以形状感应为检测对象的超声波脉 浙江大学硕士学位论文 冲式和光电管式车辆检测技术、以电磁感应为检测对象的环形线圈式和地磁式车 辆检测技术以及由多普勒雷达发展起来的微波车辆检测技术这三大技术已逐渐 成为交通信息采集的主要技术手段。近年来，随着图像处理技术的快速发展，视 频车辆检测技术j 已经成熟并代表了交通信息采集和处理的发展方向”。表1 - 1 与 表1 - 2 分别给出了各种交通检测技术的优缺点以及应用场合。 表1 - 1 各种交通检测技术优缺点 技术 优点缺点 超声波检测体积小，易于安装性能随环境温度和气流影响变化 微波多普勒检测 在恶劣气候f 性能出色，可直接检不能检测静止或低速行驶的车 测车速辆，以向前方式用定向天线追踪 单车道 微波真实现场检测在恶劣气候下性能出色，可检测静 止车辆，可以侧向方式检测多车道， 可直接检测车速 可见光视频榆测可为事故管理提供可视图像，可提大型车辆会遮挡随行的小型车 供大量交通管理信息，单台摄像头辆，阴影、积水反射或昼夜转换 核处理器可检测多午道 可造成检测误差 红外线视频检测昼夜可采用同一算法而解决昼夜转可能需要很好的红外线焦平面检 换问题，可提供大量交通管理信息测器，也就是要用提高功率、降 低可靠性来实现高灵敏度 声学检测根据特定车辆的声学特征识别该车为识别车辆需将接收信号进行大 辆量的除去背景静噪声的处理 磁力计检测可检测小型车辆，包括自行车；适很难分辨纵向过于靠近的车辆 合在不便安装线圈场合采用 感应线嘲检测线圈电子放大器已标准化，技术成安装过程对可靠性和寿命影响很 熟、易于安装，计数非常精确大，修理或安装需中断交通，影 响路面寿命，易被重型车辆、路 面修理等损坏 浙江大学硕士学位论文 表1 - 2 各种应用场合常用检测技术 应用场所设想条件常用技术 真实现场微波雷达，被动红外 交义路口信号控制检测停止车辆，一般天气条件检测器激光雷达，超声波， 视频检测 真实现场微波雷达，超声波， 交叉路u 信号控制检测停止车辆，恶劣气象条件 长波、红外视频检测 不需要检测停止车辆，恶劣气 真实现场微波雷达，多普勒微 交叉路口信号控制波雷达，超声波，长波、红外 象条件 视频检测 模拟检测感应线圈探测区域，视频检测器，真实现场微波雷 实时自动信号控制 可侧面安装达，被动红外 城市道路或商速公路车辆计检测并计数，车速在2 - 3 英里 真实现场微波雷达，多普勒微 波雷达，激光雷达，超声波， 数，小时 视频检测 检测并计数，车速在2 - 3 英里 真实现场微波宙达，多普勒微 车速检测波雷达，激光雷达，超声波， 小时 视频检测 视频检测，激光雷达，真实现 车辆识别按车辆长度 场微波雷达 车辆识别按车形激光雷达 1 4 2 视频检测技术 视频检测技术，也被称为数字图像处理技术，是一种结合视频图像和电脑化 模式识别技术而应用于交通领域的新兴技术口”。它通过视频摄像机和计算机模 仿人眼的功能，将连续的模拟图像转换成离散的数字图像后，在成熟的物理模型 和数字模型的基础上编制软件进行分析处理，模拟各种其他形式的车辆检测器获 取各种所需的交通信息l ，”，为交通领域的多种实际应用提供工作平台。 视频检测系统主要分为主动式检测系统和被动式检测系统两种工作方式。其 中主动式检测系统是基于虚拟线圈的检测方式，它在车道的某个横断面上设置虚 拟线圈，当车辆越过该位置时进行测量，与真实的感应线圈功能类似，它可以提 供交通流量、平均速度和车辆分类等数据。目前这种检测方式已经比较成熟，如 浙江大学硕士学位论文 美国i s s 公司的a u t o s c o p e 系统【7 5 l ，比利时路畅通公司的t r a f i c o n 系统均采 用这种技术。而被动式检测系统是一种图像处理系统，可以对道路某个方向所有 车道上1 0 0 - - 2 0 0 米内的移动车辆进行跟踪。不但可以提供交通流量和行车速度， 而且可以提供密度、车道变换、加速度和排队长度等数据，还可以通过判断有无 停驶车辆来识别交通事件。 1 5 遗传算法 爵为本文研究中采用自适应协同进化算法搜索优化模型的解，所以下面简单 介绍遗传算法、协同进化算法以及自适应遗传算法 1 5 1 遗传算法简介 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，g a ) ，由美国m i c h i g a n 大学的霍兰( h o l l a n d l 教授于1 9 7 5 年提出i “，是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程而形成的一 种自适应全局优化概率搜索方法。因其具有并行性，通用性，可操作性等优点， 自提出后就广为应用，但应用中发现它也具有收敛速度随着编码长度增加而降 低，易早熟收敛等缺陷。凶此，目前已经有自适应遗传算法，并行遗传算法，小 生境遗传算法以及混合遗传算法等多种改进遗传算法来克服这些缺陷切。 1 5 2 遗传算法基本流程 遗传算法的基本流程如下叨： ( 1 ) 编码 ( 2 ) 初始群体的生成 ( 3 ) 适应度评估检测 ( 4 ) 选择 ( 5 ) 交叉 ( 6 ) 变异 ( 7 ) 适应度评估检测 ( 8 ) 终止条件判断 1 5 3 自适应遗传算法 鉴于遗传算法是受进化思想启发面来的，人们很自然希望适应性不仅用于寻 找给定问题的解，同时还可以让遗传算法针对特定问题进行变化。为了将遗传算 浙汀大学硕士学位论文 法针对现实世界的问题有效地实现，目前已经提出并测试了许多适应性方案。总 体来说，存在两类适应性：对问题的适应性以及对进化过程的适应性。以上二者 的区别在于：前者提出修改遗传算法的某些元素( 比如编码、交叉、变异和选择) 从而得到算法的理想形式以满足给定问题的本质；后者提出一种在遗传算法解决 问题的同时对其参数进行动态调整的方法。 交叉概率所和变异概率p m 的选择是影响遗传算法行为和性能的关键，直 接影响到算法的收敛性。m s r i n i v a s 等人于1 9 9 4 年提出一种使尸p 和m 能够随 适应度自动改变的自适应遗传算法j 在保持种群多样性的同时，能够保证遗传算 法的收敛性p 1 。白此之后，基于交叉、变异概率改变的自适应遗传算法被大量 采用，- 日_ 在搜索全局最优解问题上优于传统的遗传算法。 1 5 4 协同进化算法 借鉴生态学协同进化理论，d ej o n g 等提出了协同进化算法( c o - e v o l u t i o n a r y a l g o r i t h m ) 。协同进化中，首先要将待优化问题变量进行分类，即进行种群分 割，形成多个子种群：之后各子种群独立进化，在适应度评估时进行信息交换， 从而利用目标函数进行适应度评估以求取最优解。协同进化算法与传统遗传算法 的最大差异在于进行了种群分割，进而带来适应度评估方法的不同1 8 0 l 。协同进 化算法主要有两种：竞争型协同进化算法和合作型协同进化算法。 1 6 论文主要内容 本文的第一章简单介绍了论文工作的研究背景，综述了交通信号控制的国内 外研究现状，给出了本文工作的一些理论基础，本文主要的研究内容与研究成果 由以下三部分组成： 第一部分是本文的第二章，研究混合交通条件下的单点交叉口信号控制。针 对两种典型的单点信号控制交叉口十字交叉口和t 型交叉口的信号相位优 化问题，以车辆平均延误时间最小为目标，以交叉口几何形状、渠化及禁止的交 通流冲突为约束，提出自适应协同进化算法搜索最优的信号相位序列并获取相应 的信号配时方案。利用d e l p h i 实现十字交叉口信号配时软件与t 型交叉口信号 配时软件的开发，并对自适应协同进化算法在以上两种交叉口信号相位优化问题 上的可行性进行仿真、分析。 第二部分是本文的第三章，研究定时式干线协调控制的影响因素。针对定时 式干线协调控制，总结控制方案设计过程中的影响因素。一方面对其中某些因素 进行理论分析，另一方面通过m a t l a b 构造仿真平台，对车流量，交叉口间距与 带速等主要的影响因素进行仿真、分析，从而为设计定时式干线协调控制方案提 浙江大学硕士学位论文 供辅助。 第三部分是文本的第四章，研究a u t o s c o p es o l op r o 视频检测、监控系统。 概述了a u t o s c o p es o l op r o 视频检测系统的功能与系统结构，并对其硬件设备及 安装、上位机操作软件进行描述，重点关注虚拟检测器的种类，最后着重阐述了 该视频检测、监控平台的操作实例。 本文的第五章为总结与展望。总结了全文主要研究内容与研究成果，并对相 关领域未来研究方向进行展望。 浙江大学硕士学位论文 2 、混合交通单点交叉口信号控制研究 摘要：针对两种典型单点信号控制交义口十字交叉口和t 型交叉口，建立信号相位优 化模型，以车辆平均延误时闻最小为日标，以交叉口几何形状、渠化及禁j t 的交通流冲突为 约束，提出自适应协同进化算珐搜索最优的信号相位序列并获取相应的信号配时方案。利用 d e l p h i 实现 4 字交义l | 信号配时软件与t 型交叉口信号配时软件的开发，并对自适应协同 进化算法在以上两种交叉口信弓相位优化问题上的可行性进行仿真、分析。 关键词：十字交叉口；t 型交叉口；自适应协同进化；信号配时；相位序列