（系统工程专业论文）基于DSPs的交通控制系统研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 a b s 仃a c t 摘要 城市交通拥挤所带来的严重危害日益影响到人们的日常生活和社会经济的发 展。交叉口是城市交通的主要集散地，是交通拥挤产生的主要环节。交叉口交通 控制的研究是城市交通控制问题的关键切入点。本文针对目前我国城市交通问题 的现状，研究了交叉口的动态优化控制算法；对智能交通信号协调控制系统进行 了研究和探讨，并设计研制了基于d s p s ( 数字信号处理器) 的智能交通控制器。 主要工作是： 针对单交叉路口的信号控制问题，提出了以控制周期内路口总延误排队车辆 数最小为目标的交通信号动态优化控制方法。针对典型的交叉路口交通流分布， 以信号周期时长和绿信比为优化控制变量，建立了相应的交通流动态优化控制模 型。提出了一种基于遗传算法和混沌算法的交通信号优化算法。该算法首先采用 遗传算法对优化问题进行全局最优搜索，在搜索过程中利用混沌算法的遍历性、 随机性克服遗传算法的早熟、局部寻优能力较差等缺陷，以达到提高搜索效率和 改善解的质量的目的。为了便于应用本文的混合优化算法对约束优化问题进行求 解，设计了一种处理约束条件的自适应惩罚策略。该策略通过引入约束可行测度、 可行度等概念来描述决策变量服从于不等式约束和等式约束的程度，以此构造适 用于优化算法的自适应惩罚函数，将具有不等式约束和等式约束的优化问题转变 为仅包含决策变量上、下限约束的优化问题。对该算法在单交叉路口的信号动态 优化控制问题中的应用进行了仿真研究。在多种交通状况下的仿真结果表明本文 优化算法的有效性。 关键词：遗传算法混沌算法排队长度d s p s 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es e v e r ec o n d i t i o nc a u s e db yu r b a nt r a f h cc r o w d i n gh a si n n u e n c e dt h e d e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m ya 1 1 dp e o p l e sd a i l yl i f e c r o s s r o a d sa r et h em a i n d i s t r i b u t i n gc e n t r eo ft r a 伍ca n dt h ec a u s ef o rt h em a l lc r o w d i n g r e s e a r c ho nt h e 舰m cc o n t r o lo ft h ec r o s s r o a d si st 1 1 ek e yp o i n tt os o l v et h eu r b a nt r a 伍cp r o b l e m c o n s i d e r i n gt h ec u r r e n tc o n d i t i o no ft h et r a f h cp r o b l e m s ，t h et h e s i ss t u d i e st h ed v n 锄i c o p t i m i z i n gc o n t r o la l g o r i t h ma tt h ec r o s s r o a d s ，a n dd i s c u s s e st l l es i g n a lh 锄o n i z e d c o n t r o ls y s t e mo fi n t e u i g e n tt r a m c t h e nt h et r a f h cc o n t r o u e ri sd e s i g n e da n d a c c o m p l i s h e db a s e do nd s p ： t h em a i nw o r ko f t h em e s i si sa sf o l l o w s ： u n d e rt h ec o n s i d e r a t i o no ft h et r a m cc o n t r o lp r o b l e m ，t h ed y n 锄i co p t i m i z e d c o n 仃o lm e t h o di sp r o p o s e da i m i n ga tm i n i m i z i n gt h en u m b e ro fv e h i c l e sw h i c ha r e d e l a y e da tm ec r o s s r o a d si nap e r i o d a c c o r d i n gt ot h ec l a s s i cd i s 仃i b u t i o no ft r a 行i cn o w a tt h ec r o s s r o a d s ，t h ec o n e s p o n d i n gd y n a m i co p t i m i z i n gc o n 订o lm o d e li se s t l b l i s h e d w i t l lt 1 1 ec o n t r 0 1 l i n gv 撕a b l e so ft i m es p a j la n dg r e e nl i g h tr a t i o ，a n da 舰m cs i g m l o p t i m i z i n ga l g o r i t h mi sp r e s e n t e db a s e do ng e n e t i ca l g o r i m ma 1 1 dc h a o sa l g o r i t l l m f i r s t ， t h em e t l l o da d o p t sg e n e t i ca l g o r i t l l mt oc a r r yo ng l o b a lo p t i m i z i n gs e a r c h i n g ，d 嘶n g w h i c ht h ef l a w so ft h ep r e m a t u r ea n dl o wa b i l i t yi nl o c a ls e a r c l l i n go fg e n e t i ca l g o r i t h m a r es o l v e db ye r g o d i cr a n d o mp r o p e n yo fc h a o s a l g o r i t h m ，w i mt h ep u 印o s eo f i m p r o v i n gs e a r c h i n ge m c i e n c ya 1 1 dt h eq u a l i t yo fs o l u t i o n s t h ea d 印t i v ep u n i s h m e n t s t r a t e g yt h a ti su s e dt op r o c e s sc o n s t r a i n tc o n d i t i o n si sd e s i g n e dt oa p d l yt h ec o m b i n e d o p t i m i z i n ga l g o r i t h m t h es t r a t e g yi n t r o d u c e sc o n s t r a i n tm e a s u r e m e n ta 1 1 dm ee x t e n to f a p p l i c a t i o nt od e s c r i b et h ee x t e n tt ow h i c hm ed e c i s i o nv a r i a b l e sc o m p l yw i mi n e q u a l i t v r e s t r i c t i o na n de q u a l i t yr e s t r i c t i o n m e a n w h i l e ，t h ea d a p t i v ep u n i s l l i n e n tr m c t i o ni s c o n s t r u c t e dt oa p p l yo p t i m i z i n ga l g o r i t h m ，w h i c h 协a 1 1 s f o m l st h eo p t i m i z i n gp r o b l e mo f i n e q u a l i t ya n de q u a l i t yc o n s t r a i n t st ot 1 1 ep r o b l e mc o n t a i m n gt h eu p p e ra j l dl o w e r l i m i t a t i o n s t h es i m u l a t i o nh a sb e e nt a k e nt or e s e a r c ht h ed v l l 锄i co d t i m i z i n ga l g o r i t h m a ts i n g l ec r o s s r o a d ，a n dp r o v e dt h ev a l i d i t yo ft h eo p t i m i z i n gm e t h o di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：g e n e t i ca l g o r i t h m ，c h a o sa l g o r i t h m ，t r a m cq u e u e ，d s p s 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全j 解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文。| ，作 的知识产权单位属于两北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印什和电子版。本人允许论文被查阅利借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章律注明作者单位为两北1 1 业 大学。 保密论文待解密厉适用本声明。 学位论文作者签名：重醚困! 指 文。口7 年歹月f 日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所旱交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究【作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致榭的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成 果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学能论文与资料若有不实，愿意承担切相关的法律责任。 学位论文作者签名：塑! 翌 i 。a 7 年z 月f f 日 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 交通是经济、社会发展的基础性产业，是社会、经济活动中人流、物流、资 金流和信息流的主要流动方式。现代社会中，如果没有高效运转的交通运输体系， 就不可能有经济的持续发展。然而，随着社会经济的发展，机动车辆迅速增加， 人们在赚取由机动车辆所带来的巨额利润以及充分享受汽车带来的巨大便利的 同时，越来越被交通拥堵、交通事故频发，环境污染加剧和燃油损耗上升等诸多 问题所困扰【i 捌。 在国外，特别是一些发达国家，由于经济的快速发展，早在上个世纪年 代，交通问题就日渐严重；而我国，经济发展相对较晚，机动车辆拥有量相对较 少。在改革开放前及初期，这一问题并不严重，+ 但近2 0 年来，随着经济的飞速 发展，城市化、汽车化进程加快，机动车辆保有量迅速增加，交通状况日渐恶化， 交通拥挤以及能源、环境问题日益严重，特别是一些大城市，交通拥挤已成为制 约城市经济发展的瓶颈 现代城市交通问题主要表现为： ( 1 ) 交通事故频发，对人类生命安全造成极大威胁 世界卫生组织( 孵o ) 的研究结果表明u 司：交通事故是人类死亡的第五大原因， 占各种事故死亡的比重最大，并且造成中青年人死亡比重最大。据有关部门统计， 2 0 0 5 年全国共有9 8 7 3 8 人死于车祸，车祸是人类非正常死亡的重要因素 ( 2 ) 交通拥堵严重，导致出行时间增加，能源消耗加大。 根据2 0 0 2 年联邦与各州公路资料统计嘲，洛杉矶是美国交通拥塞最严重的 城市，交通高峰期平均堵9 3 个小时，而华盛顿是6 7 小时、纽约5 0 小时。因为 堵车，每年仅在燃料一项上就浪费了2 6 0 亿升。把浪费掉的燃料费和损失的生产 力综合在一起计算，那么每年交通拥堵造成的经济损失就超过6 3 0 亿美元，而 2 0 年前仅为1 4 0 亿美元；在巴黎，每天由于交通拥挤引起的损失时间相当于一 个拥有1 0 万人口的城市的日工作时间；在英国一个大约具有1 0 0 个平面交叉口 的城市内，每年由于车辆延误造成的经济损失就达4 0 0 万英镑嗍。 ( 3 ) 空气污染和噪声污染程度日益加深。 交通车辆的尾气排放是主要的大气污染源，它带来了大量的微粒物质，还有 氮化物和臭氧等。调查表明i l 。日：汽车排出的污染物占大气污染物总量的6 0 以 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 上；交通噪声占城市噪声的7 0 以上。而交通堵塞时，由于燃料不完全燃烧，造 成的污染更加严重。实验表明，车辆在起、制动时排出的废气量是匀速行驶时的 7 倍以上，产生的噪声也比正常行驶时高出7 倍。 交通拥挤和由其带来的其他问题已经成为目前全球面临的一个严峻问题。近 几十年来，尽管世界各国采取了各种各样的对策，然而有限的土地资源和经济制 约等因素使得道路建设不可能达到相对满意的里程数，所以需要在不扩张路网规 模的前提下，提高交通路网的通行能力。以计算机技术、通信技术、电子技术、 优化控制技术为核心的智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a i l s p o r t a t i o ns y s t 鲫，简 称i t s ) 的研究、应用开始成为人们寻求解决城市交通问题的方式【lo 】。而作为i t s 的重要组成城市交通信号控制系统也得到各国政府的重视。在城市交通中城 市交通信号控制系统在改善道路通行状况、减轻交通堵塞等方面，发挥着不可替 代的作用，同时也是城市交通流的直接控制手段和主要管理措施，是研究和实施 的关键所在。其控制与管理优劣直接影响城市道路交通拥堵或疏通的效果，是解 决城市交通问题的有效途径。 本论文的研究目的就是针对我国目前城市交通信号控制的实际情况，对基于 d s p s 的智能交通信号协调控制系统进行研究，从方法上对交通信号的优化与控 制问题进行研究和探讨，以期可以为解决实际的城市交通问题提供有益的方法和 途径。 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 2 1 交通信号控制技术的发展 交通拥挤和公路阻塞已成为许多国家的重要社会问题。与此同时，因土地资 源的紧张使得基础设施的提供受到限制。8 0 年代以来，欧美和日本的发达国家改 变单纯依靠扩大路网规模来解决的交通需求问题，开始利用高新技术来改造现有 道路运输体系及其管理方式，从而提高路网服务质量和通行能力，提高能源利用 率的目的，改善环保质量。i t s 正是在这种条件下产生和发展起来的；交通信号控 制系统是最早采用计算机控制的i t s 分支系统。 早在1 9 世纪，人们就开始研究用信号灯指挥道路上的车辆交通，控制车辆 进入交叉口的次序。1 8 6 8 年，在英国伦敦w j s h n i n s t e r 的街口出现了最早的交通 信号灯，只有红、绿两种颜色。1 9 1 8 年，纽约街头出现了手动操作的三色信号 灯。城市交通自动控制始于1 9 2 6 年，英国人在w b l v e r h 锄p t o n 安设了第一座自 动交通信号机，首次采用自动化交通信号控制器来控制交通信号灯【2 ，6 7 】。 2 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 早期信号控制机以固定不变的周期长和红绿灯时间比例来控制信号灯的变 化，即以“固定配时”方式实现自动控制。警察可不必直接控制信号变化，把主 要精力用于交通管理上。随着汽车工业的发展，交通流量变化增大，绿灯时间不 能有效利用，车辆在交叉路口的延误和停车次数增加，致使已有的道路不能有效 利用，采用以往那种单一模式的控制方式已不能解决交通问题。为解决相关问题， 咬通领域的学者研制了多时段多方案信号控制机，这种控制机在一天时间里备有 几种不同的配时方案，能按不同的时间及交通流的变化规律选用不同方案。当交 通流变化规律明显时，其控制效果明显地好于传统的老式控制机。 在多时段多方案定周期控制器不断改进、提高的过程中，唯i 于其控制规律有 其自身无法克服的缺陷。特别是现代城市突发事件多，交叉路口各个方向交通流 随机变化大，无法预计交通流的变化规律时，会不可避免的出现控制效率低下的 结果。要解决这个问题，需要准确检测出交叉路口各个方向交通流情况，对信号 灯进行实时自适应感应控制。1 9 2 8 年，美国研制了世界上第一台感应式信号机， 首次实现了交通信号根据交通流而自行调整。1 9 6 3 年，加拿大的多伦多市建成 了世界上第一个利用计算机进行集中协调感应控制的交通信号控制系统。这是城 。市交通控制系统发展的里程碑，使得城市交通信号控制系统的发展进入了一个崭 新的阶段1 7 1 。此后，世界各国都相继将计算机技术应用到交通信号控制中以求有 效解决城市交通问题。车辆感应式交通信号机能根据检测器检测的交通量来调整 绿灯时间的长短，使绿灯时间更有效地被利用，减少车辆在交叉路口的时间延误， t 因此比定时控制方式有更大的灵活性 2 0 世纪7 0 年代末以来，传统的交通信号灯已不能满足交通控制的需求，人 们开始寻求其他工程领域的技术来解决交通信号控制问题。在城市交通信号控制 系统领域，到2 0 世纪8 0 年代初，先后出现了澳大利亚的s c a t s 系统、英国的 t r a n s y t 和s c t 系统、美国的o p a c 系统( 1 9 7 9 ) 、意大利的唧o p i s p o t 系 统( 1 9 8 5 ) 希腊的t u c 系统( 1 9 9 7 ) 等。其中。t r a n s l f t 系统、s c 0 0 r r 系统和s c a t s 系统在应用中取得了较好的效果，在世界上很多城市得到应用。我国的北京市在 t 2 0 世纪8 0 年代末期引进了t r a n s y t 和s c 0 0 r r 交通控制系统，而上海和广州则使 。用的是s c a t s 系统。 ( 1 ) s c a t s ( s y 血c yo r d i n a 女e da d a p t i v et r 拭cs y s 自锄) 系统【1 9 捌，由澳大利 亚在2 0 世纪7 0 年末期进行开发，于年代初投入使用。采取分层递阶的控制 结构。每一级完成自己的特定功能。s c a ：r s 采用地区级联机控制，中央级联机 与脱机同时进行的控制模式；以类饱和度( 车流有效利用绿灯时间与绿灯显示时 间之比) 综合流量最大为系统目标；无实时交通模型，控制参数为绿信比，相位 差和周期，参数从预先确定的多个参数中通过比较法确定。s c a t s 是一种先进 3 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 的交通控制系统，在世界上许多城市的交通控制中起着重要的作用，但存在以下 缺点：由于没有实时交通模型，从既定方案中选择信号控制参数，限制了控制参 数的优化程度；选择相位差方案时，无车流实时信息反馈，可靠性低；无法检测 到排队长度，难以消除拥挤。 ( 2 ) o p ：a c ( 0 l t i i n i z e dp o 珏c i e s 细a d a 砸v ec o n 灯0 1 ) 系鲥1 4 j 是一个分布式实时 交通信号控制系统，可以连续地进行信号配时以减小指定区域内整个路口的延迟 和停车次数等性能指标，既可以作为单点优化控制器，也可以作为协调控制系统 的一部分。要使该系统更好的工作，必须提供比离线方式更高的性能，还要扩展 一些新的概念，它能够频繁或连续地更新方案。0 p a c 系统不断改进，到2 0 0 0 年已修改6 次。第一代o p a c 1 是1 9 7 9 年提出的，是一种动态可编程优化，适 应于任意区间内的单交叉路口。经过改进，到2 0 0 0 年的第六代a c - 6 是一种 主动控制，能和进行综合控制任务的d t a 结合起来完成交通控制任务。 ( 3 ) s c o o t ( s p l i t 、c y c ka n d0 钕t0 l t i l i z a d 1 龇i q 蝴系统【4 1 1 3 1 ，是在 弧a n s y t 的基础上发展起来的交通网络实时协调控制的自适应控制系统，于 1 9 8 0 年投入使用。模型与优化原理与1 1 ra n s y t 相仿，不同的是s c o o t 为方案 生成式系统，通过安装在交叉口最上游的车辆检测器所采集的车辆到达信息，联 机处理，形成控制方案，连续实时调整周期、绿信比和相位差以适应不同的交通 流。采用小步长渐近寻优方法，无需大的计算。 由于采用了实时控制，s c 0 0 t 获得了明显优于静态系统的效果，被很多国 家采用。它的不足之处在于：相位不能自动增减，相序不能自动改变；需要大量 的车辆检测器，单个检测器的失效可能引起系统的崩溃；饱和流率的校核未自动 化，使现场安装调试时相当繁琐。 ( 4 ) u t o p i s p o t 系统是响意大利m i z a ra l 哟姗l z i o 公司开发的分布式实 时交通控制系统。系统有两部分，s p o t ( 小型分布式交通控制系统) 和u r o p n ( 面控软件) ；系统考虑了公交优先的功能；采用了“强相互作用”的概念，保 证区域控制的最优性和鲁棒性。 自适应感应控制通常把交通网络作为一个不确定性系统，连续测量其状态， 如车流量、停车次数、延误时间、排队长度等，逐渐了解和掌握对象，把它们与 希望的动态特性进行比较，并利用特定算法产生一个配时方案，从而使控制效果 达到最优或次最优。 近年来，世界各国更是竞相进行交通信号控制器的研究，如英国e c 系列交 通信号控制器，美国e a g l e2 0 7 m 玎c 系列智能交通信号控制器，德国西门子公 司s t 8 0 0 s e 智能交通控制系统，西班牙的s a i n c o 系统，美国的q l i i k n e t 系统等。 这些系统均采用了先进的电子技术、通信技术、优化策略，并且具有高集成度等 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 特点，所以可以得到很好的控制效果【l 删，8 9 l 。 我国的城市交通控制系统方面的研究起步较晚，2 0 世纪7 0 年代北京市开始 研究采用d j s 1 3 0 型计算机对干道协调控制【2 j 。8 0 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中心交通为核心的u t s m 技术研究； 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 北京引进了s c 0 0 t 系统，上海引进了s c a r s 系统，深期l 引进了日本的控制系 统。：在国家计委、国家科委的批准下，交通部、公安部、南京市完成了“七五” 计划攻关项目，建成了南京城市交通控制系统( 简称为n u l s ) 该项目的攻关 目标是研究和建立适合于中国国情的机动车与非机动车混合交通的城市控制系 统n i r i s 系统结合了s c 0 0 t 与s c a r s 的优点，是我国完全国产化自行设计 建成的第一个适合中国混合交通条件及路网密度低、路口间距悬殊的城市道路条 件的交通控制系统。国内还有很多的研究所及大学、公司开发了微机化、模块化 的信号控制系统，比如由西北工业大学空中交通管理研究所研制与开发的x a l m 系列智能交通信号机，上海东川公司u r c l o o l 多时段多方案式交通信号控制机， 淄博双百电子公司s b - u r c 2 0 0 0 城市交通控制系统等，这些信号控制系统都采用 了多相位、多时段控制方式，克服了早期信号机简单的两相位、单时段控制带来 m 的不灵活性等缺点。在功能方面也增加了不少。 城市区域交通信号的控制通常基于这样一个事实：在区域或整个城市范围 内。各个路口交通信号的改变会影响相邻路口交通状况。某些情况下，提高某一 交叉口的通行能力或减少车辆在该交叉口的延误，有可能引起关联路口更多的延 误，换句话说：予系统最优并不能保证大系统最优。因此，从整个系统的统一目 标出发，根据交通量检测数据，协调区域内各路口的交通信号配时，必然能够取 得整体最优的效果。而这种效果是交通信号单点控制所不能获得的。上文提到的 s c 0 0 下、s c 瑚r s 等，都是比较成熟的面控系统，而国内在这方面的研究还有待 加强。 交通信号控制从最初的手动式控制开始，经历了机械式控制、电动式控制以 及目前的计算机控制。控制范围从最早的单个交叉路口的点控发展到单条干线的 线控以及整个交通网络的面控，同时，控制方式也由离线定周期控制发展到了在 线实时控制，为解决城市交通阿题做出了积极的贡献。但是城市交通信号控制的 发展不会就此停止，随着n 葛其它相关技术领域的发展以及信号优化控制相关模 型和算法的不断出现，城市交通信号控制系统将会不断走向完善。 1 2 2 交通信号优化控制技术的发展 对交通信号优化控制技术，国内外学者采用相关理论和方法从模型和算法两 5 西北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 方面进行了大量的理论研究和探索。国外学者早在2 0 世纪6 0 年代就开始了这方 面的研究工作。w 曲s c c r 和m i l l e r 四分别针对固定周期的信号控制建立了以车辆 平均延误最小为目标的信号配时模型及其计算方法，前者的方法仍是今天定时信 号控制的基础。g a z i s 田l 对由两个这样的交叉口构成的简单交通网络进行了最优 性研究。后来许多学者的研究工作都是基于g a 西s 的理论并且将其扩展到由更多 交叉路口组成的交通网络。由于缺乏实时的交通流信息，所采用的控制策略不能 完全适应交通流的动态变化。 针对交通流的动态变化特性，s i i l g h 【3 1 】首先运用了大系统的观点和方法，将 大系统递阶控制的目标协调法和t a m 咐的改进形式应用于城市交通网络控制， 建立了饱和交通流状态下的网络模型及其两级分解控制算法。在寻找快速算法方 面，h 的g i l l 【i 和t a 删蛐u 【2 鄙提出了多段线性规划处理过饱和网络的最优控制算法。 最近几年，国外一些学者将信号控制与交通分配理论结合进行研究，开辟了均衡 网络交通信号最优配时这一新研究领域。但所提出的均衡网络交通最优配时模型 均是静态的，并未抓住交通网络的动态特性，而且由于模型的复杂性使得问题求 解遇到很大困难。目前这类研究的学术性强于实用性。 国内学者对城市交通信号优化控制技术也进行了大量的研究。黄辉先1 3 】等人 研究了单交叉路口四相位控制方式下的信号控制问题，在当前周期的基础上实现 了对下一周期交通流的预测和优化控制。万绪军【2 6 】等人研究了城市交通干线的信 号优化问题，建立了以车辆延误最小为目标的相位差优化控制模型，但作者并未 对模型的求解算法及控制效果做进一步的研究分析。而且对信号周期和绿信比未 进行任何优化。此外，国内许多学者还运用模糊控制、神经网络控制以及智能体 技术等智能控制相关理论和方法对交通信号的优化与控制问题进行了大量的研 究和探索。 这些研究虽然仅在理论上进行，且均有一定局限性，但为交通控制实践提供 了许多有益的新思想、新方法，推动城市交通信号控制的不断发展。由于交通系 统的复杂性，交通信号优化控制技术有待继续完善，以更好适应交通流的动态特 性；另一方面，如能将优化算法在路口信号机中实现，必将极大改善控制效果。 1 3 论文主要工作和章节安排 1 3 1 主要工作 综上所述，解决我国交通问题的关键是将高新技术用于交通控制和管理，充 分挖掘现有道路交通的通行潜力，提高实际通行能力，即发展i t s 系统，而交通 6 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 信号控制系统是解决该问题的重要途径。论文的主要工作概括为以下几个方面： ( 1 ) 研究了单交叉路口的信号优化控制问题，针对典型的城市多车道双向交 通的交叉路口交通流分布，提出了一种动态交通流的优化控制方法，建立了以控 制周期内路口总延误排队车辆数最小为优化目标、以信号周期时长和绿灯信号时 间为优化控制变量的动态交通流优化控制模型。 ( 2 研究一种针对交通信号优化问题的优化算法。，为了克服遗传算法存在的 早熟问题，基于实值遗传算法和混沌算法，提出了一种改进的优化算法：算法采 用实值遗传算法进行全局最优搜索。利用混沌算法改进遗传算法。具体方法是： 初始值利用混沌算式生成，这样可以避免各个解之间的内在耦合性；在生成交叉 概率以及变异概率时。利用混沌算式产生的随机小数来决定该个体是否进行交叉 以及变异操作；这样保证了遗传算法得到的解的全局最优性。 分别针对轻度、中度和重度三种交通需求模式。在两相位控制和四相位 控制方式下用本文的混合优化算法对此优化控制问题进行了仿真研究，井对仿真 结果在算法性能和控制效果方面与目前大量应用的定时控制方式进行了对比分 析。 仰介绍了，智能交通信号控制系统整体结构。采用高性能浮点d s p s 作为核 心处理器芯片，。设计7 基予1 m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 的主控板。多总线的设计保证了本 系统可以方便的与现有的系统实现协调工作。为增强系统的可靠性，从软件和硬 件两方面对系统进行了抗干扰设计 1 3 2 章节安排 第一章绪论 首先从交通问题的实际出发，论述了本文研究工作的必要性和意义；接着介 绍了交通信号控制系统的现状及其发展趋势；最后，简要介绍了论文的主要工作 以及论文的章节安排。 第二章预备知识 概括介绍了本文研究所涉及的理论基础。内容包括：交通流理论基础、城市 交通控制，并对优化所采用的遗传算法及混沌算法进行了简要介绍 第三章交叉路口优化控制模型 首先给出了交叉路口的基本描述。在此基础上讨论了几个相关的交叉口交通 模型的优劣。以每个周期结束的时候交叉口各车道的延误车辆数为优化指标，建 立了信号动态优化控制模型。在此基础上讨论了该模型的适用性以及优劣性。 第四章交叉口信号优化控制研究 首先在上一章的基础上讨论了一种优化算法。算法利用遗传算法对单交叉口 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 的交通流进行控制优化。在算法中针对遗传算法的缺陷，设计利用混沌算法优化 遗传算法的运算过程。在此基础上对单交叉口的交通流控制进行了常见的两相位 以及四相位交通流控制仿真研究。对仿真的结果与定时控制下的控制效果进行了 比较。 第五章智能交通信号控制器系统设计。 在上述基础上，设计了一款交通控制器。以1 1 公司的i m s 3 2 0 c 6 7 1 3 为核 心处理器。介绍了系统的设计及实现问题。给出了系统的总体设计思路，重点介 绍了系统的总体结构和各部分的实现功能以及系统的软件设计。 第六章工作总结与展望 全文工作回顾以及进一步工作展望。 8 西北工业大学硕士学位论文 第= 章预备知识 2 1 引言 第二章预备知识 交通工程学是一门涉及人、车、路、环境等因素的边沿学科。本章将介绍与 交通信号控制有关的交通流理论相关知识，以及城市交通信号控制的相关概念。 同时，对于本文交通信号优化研究的基础方法遗传算法以及混沌理论，也给予简 单介绍。 2 2 交通流基本理论 交通流理论是用分析的方法阐述交通现象及其机理，使人们更好的理解交通 现象本质，并使城市道路与公路的规划设计和营运管理发挥最大限度的作用。 2 2 1 交通流的基本参数 交通流量、车流密度及行车速度等是交通流的基本参数【1 毛2 1 捌。 交通流量碍 交通流量4 是指在选定时间段内，通过道路某一地点、某一断面或某一条车 道的交通实体数。交通流量是一个随机数，不同时间、不同地点的交通流量都是 变化的。交通流量随时间和空间变化的现象，称之为交通流量的时空分布特性 通常取某一时间段内平均值作为该时间段内的代表交通流量。如式( 2 - 1 ) 所示。 孽；丢喜吼 式中： 吼期定时闻段内的交通流量； 力各规定时间段的段数。 c 玢车流密度七 车流密度后指某一瞬间单位道路长度上的车辆数耳， 七：笪 工 式中： ( 2 1 ) 表达式如( 2 - 2 ) 所示。 ( 2 2 ) 西北工业大学硕士学位论文第二章预备知识 七车流密度( 辆k m ) ； 路段内的车辆数( 辆) ； 三路段长度( k m ) 。 车流密度大小反映一条道路上的交通密集程度。为使车流密度具有可比性， 车流密度应按单车道来定义，单位为辆蛔1 车道。 ( 3 ) 行车速度1 ， 行车速度1 ，是指区间平均速度。所谓区间平均速度，是指在某一特定瞬间， 行驶于道路某一特定长度内的全部车辆的车速分布的平均值。当观测长度一定 时，其数值为车速观测值的调和平均值，其表达式如下： ，：士：粤 ( 2 3 ) 吉喜古挚 一 式中： 工路段长度( 1 ； 第f 辆车的行驶时间( h ) ； 疗行驶于长度为路段上车辆数( 辆) ； m 笫f 辆车的行驶速度0 锄，h ) ； 1 ，区间平均速度o a n h ) 。 ( 4 ) 三参数之间的基本关系 根据上述定义和实地测量结果，在车流均匀，车种单一时，交通流三参数之 间的基本关系式为： 式中： g 平均流量( 辆m ) ； ，区间平均车速o 咖； 七平均密度( 辆l ) 。 2 2 2 交通流的统计分布 g = 1 ，| 交通流的随机性有规律可循：交通流中一定的时间内到达某一断面处的车辆 数是随机的；在交通流中车辆到达的时间间隔则是一种连续分布。利用这些分布 在不同的交通流状况下的不同分布模型，就可以用已知数据对未来的交通状况进 1 0 西北工业大学硕士学位论文第二章预备知识 行预测，来有效地解决交通流中的某些实际问题。在交通控制信号配时设计中， 要利用交通流的这种随机分布来预测一个信号周期内到达的车辆数。 下面对车流到达的离散型分布作简单介绍。 1 ) 泊松分布 适用条件为：车流为完全随机现象，车流密度不大，车流间互相影响情况小， 其它外界干扰因素基本不存在。呲时车流中的车辆是数量不等地随机到达某断 面，驾驶员调节车速的余地大。泊松分布基本公式为： 2 警；譬矿“ ( 2 - 5 ) 式中： n 。 在计数间隔( 观测周期) 内菜观测断面有七辆车到达的概率； m 泊松分布参数。由平均到达率求得的观测周期f 内的平均到达车 辆数( 辆s ) ，材= 五； 名- 车辆平均到达率( 辆，s ) l t 观测周期，即每个计数间隔持续的时间( s ) ； e 自然对数底，取值为2 7 1 8 2 8 泊松分布的特点是：分布的均值肘和方差d 的值均为名f 。 ( 2 ) 二项分布 适用条件为：车辆比较拥挤，自由行驶机会不多的交通流。车辆在观测断面 的到达数量在平均值附近波动，适合采用二项分布来描述。二项分布还适用于路 段上超速车辆、交叉口转弯车辆数的分布。基本公式为： 丑柳= c 手p 鬈( 1 一d “ q 1 6 ) 式中： p 观测周期r 内到达一辆车的概率： 以观钡4 周期f 内可能到达的最大车辆数( 辆) ； 硝2 面云当面，为从n 辆车中取出足辆车的组合 二项分布的均值和方差： 髦： 【蛾置) = 靠p ( 1 一力 。 显然，d 膏) e ( 量， 0 5 ，则遗传算法退化为随机搜索，失去其优良特性。 实值编码方式下的变异操作，除了具有恢复群体多样性的功能外，还具有重 2 0 哟弘 删州 一 一 o 0 + + 础叫 = = 掣掣 ，j、【 西北工业大学硕士学位论文第二章预备知识 要的搜索功能。因此，人们设计了多种不同的变异算子，下面仅介绍均匀变异和 非均匀变异两种变异算子嘲。 l l 均匀变异 均匀变异是利用符合某一范围内均匀分布的随机数，以较小的概率替换 个体编码串中的原有基因值。均匀变异算子描述如下：假设原个体为 x = ( 而，屯。，以，而) ，均匀变异后的新个体为z = “，屯，而) ， 黾e 生， 七】为变异点，则； = 吆”( 吒一吆) ( 2 1 9 ) 式中，r 为i o l 】范围内符合均匀概率分布的一个随机数。均匀变异特别适合 于遗传算法的初期运行阶段，可使搜索点在整个搜索空间内自由移动。从而 增加群体的多样性，使算法处理更多模式。 非均匀变异 非均匀变异操作与均匀变异类似，但重点搜索原个体附近的微小区域。 算子描述如下：由x = ( 毛，2 ，而) 向x = 瓴，而，一) 的非均匀 变异操作时，若靠处的基因值取值范围为【c 盘，【t 】，则新的基因值由下 式确定： 茅淼二：) 一矿脚d ( o ，1 ) = l 其中，以力= y o 一，7 抛) ，为【o 1 】范围内均匀分布的随机数，为 当前进化代，r 为最大进化代数，6 为确定非一致性程度的系统参数，且 6e 2 期。非均匀变异把变异算子与进化代数联系起来，在进化初期变异范 围相对大，到后期变异范围越来越小，更接近于原有基因值。 二迸制编码方式遗传算法的变异操作比较简单，其基本过程是对于交叉操作 后产生的后代个体的每一个基因产生一个随机数m 耐e ( 叫) ，如果聊耐 ( f + 1 ) ，则将z 作为当前最优个体进行保留，并 不再进行任何遗传操作。 关于遗传算法的收敛性有如下定理限鞫： 定理一、若参数满足：变异概率0 只 l ，交叉概率0 只s l ，则简单遗 传算法收敛到全局最优的概率小于l 。 定理二、若参数满足：变异概率0 匕 l ，交叉概率o 只l ，且在选择 操作前实施最优保留策略的遗传算法最终能收敛到全局最优。 定理三、若参数满足：变异概率o 己 l ，交叉概率o s 只l ，且在选择 操作后实施最优保留策略的遗传算法最终能收敛到全局最优。 以上三个定理表明：简单的遗传算法不能收敛到全局最优解，而实旌最优保 留策略的遗传算法能够收敛到全局最优解。 2 5 混沌理论 2 5 1 混沌的定义 混沌指在确定系统中出现的不规则性。混沌运动是确定性系统中局限于有限 相空间的轨道高度不稳定运动。由于这种不稳定性，系统的长时间行为会显示出 某种混乱性和随机特性。混沌学( s c i t i f i c a lc h o 船) 是研究确定性非线性动力学 系统所表现出来的具有无规则性复杂行为的非线性动力学，属于非线性科学的重 要组成部分。混沌学正在和许多学科领域相结合，产生了许多新的边缘学科，如 混沌控制、混沌预测、混沌图象处理等。 2 5 2 混沌模型 常用的混沌模型是一维l o g i s t i c 映射，其数学模型如下： 黾+ i = p 矗( 1 一) k = 1 ，2 ，3 ( 2 2 1 ) 式中为控制参数，值确定后，由任意初值可以迭代出一个确定的时间序列 而，而，鼍。随着值的不同，该系统的稳定解( 七一o o 时的) 呈现出不同的性 2 2 西北工业大学硕士学位论文第二章预备知识 质。当= 4 时，该系统没有稳定解，呈现出完全的混沌状态。 2 5 3 混沌的主要特性 ( 1 ) 对初始条件的敏感依赖性 ( 2 ) 长期不可预测 ( 4 ) 遍历性 ( 5 ) 随机性 2 5 4 混沌搜索 混沌搜索分为完全混沌搜索算法与混合混沌搜索算法。完全混沌搜索算法包 括大范围遍历搜索与局部遍历搜索对于大规模问题，完全混沌搜索算法难以在 有限的时闻内得到问题的最优解。这是单纯的混沌搜索难以用于大规模问题的一 个主要症结所在。针对这个不足。将混沌搜索与其它优化机制结合起来，以提高 算法的快速性与有效性，从而形成混合混沌搜索算法。在本文中我们将用混沌算 法与遗传算法结合的混合混沌算法 2 6 小结 本章分别介绍了交通流基本理论、城市交通信号控制基本概念以及遗传算法 的相关知识。在交通流基本理论中，介绍了与交通信号优化控制关系较为密切的 交通流的统计分布，它主要用于交通仿真中模拟车流的到达过程；在城市交通信 号控制概述中分别介绍了交通信号控制的相关概念、分类、评价指标等；介绍了 遗传算法以及混沌算法的相关知识为以后章节的讨论准备理论基础。 西北工业大学硕士学位论文第三章交叉路口优化控制模型 3 1 引言 第三章交叉路口优化控制模型 单交叉路口信号控制是最简单的一种交通信号控制方式，但同时又是进行 “线控”和“面控”的基础，只有切实做好交叉路口的“点控”才能实现更高一 级的交通信号控制，所以研究先进而有效的单交叉路口信号控制方法具有重要的 现实意义。 目前，单交叉路口的信号控制方式主要有两种：一是定时控制；二是车辆感 应控制。 定时控制是一种静态的交通信号控制方法，也是应用最早和我国目前城市交 通信号控制实践中使用最为广泛的一种信号控制方法。单交叉路口的信号定时控 制是根据以往的交通数据，由韦伯思特( w 曲s t e r ) 信号配时设计方法以离线的 方式预先确定信号周期和绿信比，然后将信号配时参数写入路口信号控制器在线 执行控制。这种预先设定的控制参数在任何时间任何交通状况下都不会改变，也 就是说，定时信号控制不会随着交通流的变化而变化，其控制性能仅能达到与设 计时采用的交通情况相符的效果。然而在交通实际中，这种条件并不是经常发生， 交通流经常是时变的，而且会出现紧急交通事件。这样就导致了信号控制不能适 应实际交通的需求，其结果是常常造成某些相位绿灯开启时，其对应的放行车道 无排队车辆或是排队车辆很少，而另一些相位红灯禁止通行时，却有大量的排队 车辆等候通行。 车辆感应控制是一种动态的交通信号控制方式，其控制原理如第二章2 3 2 节所述。相对于静态的定时控制方式，动态的车辆感应控制在适应交通流随机变 化