基于智能計(jì)算的城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市人口數(shù)量以及機(jī)動(dòng)車保有量呈現(xiàn)逐年上升的趨勢。城市道路交通擁擠和交通阻塞已經(jīng)成為世界大中城市普遍存在的問題，并且由此帶來了一系列的社會(huì)問題，比如交通事故劇增、環(huán)境污染、能源緊缺等。大力發(fā)展城市交通智能控制系統(tǒng)是解決現(xiàn)代社會(huì)交通需求與供給矛盾的重要途徑之一。實(shí)現(xiàn)城市交通系統(tǒng)的智能控制不僅有利于提高交通運(yùn)輸效率，增加道路交通運(yùn)營安全，而且還關(guān)系到土地資源與能源的合理利用、城市環(huán)境的改善，乃至國民經(jīng)濟(jì)的

2、持續(xù)發(fā)展和社會(huì)效益的提高。
　　 基于智能計(jì)算方法的城市交通信號(hào)控制是城市交通智能控制的重要內(nèi)容之一，對(duì)提高城市道路網(wǎng)絡(luò)通行能力，減少車輛行車延誤具有重要意義。目前，我國大中城市的交叉口多為信號(hào)控制交叉口，并且大部分信號(hào)控制機(jī)采用定時(shí)信號(hào)控制策略，路網(wǎng)部分交叉口布設(shè)了視頻檢測器或者感應(yīng)線圈用以檢測交通流量。本論文立足我國城市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)實(shí)際，嘗試構(gòu)建一個(gè)基于交通模式識(shí)別的交通信號(hào)控制系統(tǒng)：如果控制區(qū)域內(nèi)所有交叉口均布設(shè)車流檢

3、測設(shè)備，則根據(jù)車流檢測設(shè)備實(shí)時(shí)采集的交通流信息，進(jìn)行交叉口交通模式識(shí)別，進(jìn)而調(diào)用與交通模式相適應(yīng)的信號(hào)控制方案；如果控制區(qū)域內(nèi)部分交叉口未布設(shè)車流檢測設(shè)備，則根據(jù)車流的時(shí)間分布規(guī)律對(duì)交叉口交通模式進(jìn)行識(shí)別，將控制時(shí)域劃分為若干時(shí)間段，針對(duì)不同的時(shí)間段調(diào)用相應(yīng)的信號(hào)控制方案。
　　 該交通信號(hào)控制系統(tǒng)的方案庫是預(yù)先給出的，信號(hào)配時(shí)優(yōu)化算法將干線協(xié)調(diào)控制與單點(diǎn)定時(shí)魯棒控制相結(jié)合，在保證信號(hào)控制系統(tǒng)效率的前提下，有效提高了信號(hào)控制方案

4、對(duì)于流量波動(dòng)的穩(wěn)定性。對(duì)于布設(shè)車流檢測設(shè)備的區(qū)域，該系統(tǒng)采用方案選擇式信號(hào)控制策略，能夠充分利用現(xiàn)有硬件設(shè)備，提高信號(hào)控制方案的效率以及穩(wěn)定性；對(duì)于未布設(shè)車流檢測設(shè)備的區(qū)域，該系統(tǒng)采用定時(shí)信號(hào)控制策略，對(duì)交通信號(hào)機(jī)的要求低，實(shí)施和維護(hù)費(fèi)用低，能夠以最少的經(jīng)濟(jì)投入，提高交叉口通行能力，最大限度地提高信號(hào)控制路網(wǎng)車輛運(yùn)行效率，減少車輛延誤及停車次數(shù)，進(jìn)而降低車輛燃油消耗以及尾氣排放。
　　 論文針對(duì)構(gòu)建該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)問題展開研究，

5、主要包括了以下六個(gè)方面：
　　 (1)在總結(jié)和評(píng)述國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于交通流模型研究成果的基礎(chǔ)上，基于元胞自動(dòng)機(jī)原理，提出了一個(gè)更具普適性的信號(hào)控制路網(wǎng)交通流模型。通過改進(jìn)開放性邊界條件，利用一維元胞自動(dòng)機(jī)模型模擬協(xié)調(diào)控制主干路交通流狀況。該模型采用差分方程的形式描述車輛動(dòng)態(tài)行為，解除了信號(hào)燈等間距布設(shè)的限制，每個(gè)交叉口的信號(hào)燈可以根據(jù)交通流變化自由選擇綠信比，相鄰交叉口采用綠波控制方式調(diào)整相位差。論文利用Matlab軟件對(duì)模型進(jìn)行仿

6、真，分析了駛?cè)胫鞲陕妨髁恳约案?、支路的轉(zhuǎn)彎流量對(duì)于主干路平均速度、平均密度和平均流量的影響。在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出了相應(yīng)的控制措施改善主干路交通狀況，為城市交通信號(hào)配時(shí)方案庫的建立提供了理論依據(jù)。
　　 (2)結(jié)合我國城市道路信號(hào)控制機(jī)以及車流檢測器的布設(shè)現(xiàn)狀，提出了一個(gè)基于交通模式識(shí)別的城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)框架，分析了該系統(tǒng)的工作原理以及功能模塊的構(gòu)成，并對(duì)構(gòu)建該系統(tǒng)所需的智能計(jì)算方法(粗糙集理論、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、元

7、胞傳輸理論)的概念、原理以及適用性進(jìn)行了闡述和分析。
　　 (3)基于粗糙集理論、模糊邏輯以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能計(jì)算方法，構(gòu)建了用于交叉口交通模式識(shí)別的粗模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。該模型由兩個(gè)階段構(gòu)成：第一階段，基于粗糙集理論的交通參數(shù)約簡，得到能夠表征交叉口交通特征的最小屬性集合；第二階段，利用第一階段得到的最小屬性集合，建立基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的交叉口交通模式識(shí)別模型。該模型為交通參數(shù)數(shù)據(jù)采集、分析以及處理提供了必要的理論依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)交

8、通模式識(shí)別提供了技術(shù)支持，是建立交通信號(hào)控制系統(tǒng)的前提與基礎(chǔ)。
　　 (4)針對(duì)單點(diǎn)交叉口定時(shí)信號(hào)控制無法適應(yīng)交通流變化的缺陷，提出了單點(diǎn)交叉口定時(shí)信號(hào)魯棒控制的思想。在信號(hào)控制方案效率優(yōu)化的基礎(chǔ)上，加入了改善控制方案魯棒性的子目標(biāo)。論文選擇車輛平均延誤標(biāo)準(zhǔn)差最小這一指標(biāo)衡量信號(hào)控制方案的穩(wěn)定性。并通過試算實(shí)驗(yàn)，得到了魯棒控制目標(biāo)與效率控制目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，建立了多目標(biāo)規(guī)劃模型，對(duì)交叉口的周期以及綠信比兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
　

9、　 (5)建立了基于元胞傳輸模型的干線協(xié)調(diào)控制模型，以優(yōu)化路網(wǎng)相鄰交叉口的相位差。該模型利用元胞傳輸理論模擬信號(hào)控制主干線交通流，并以此為平臺(tái)分析車輛延誤、停車次數(shù)、車輛通過量等評(píng)價(jià)指標(biāo)。以主干線車輛總延誤最小，停車總次數(shù)最少以及單位周期內(nèi)通過車輛數(shù)最多為目標(biāo)函數(shù)，以相位差約束為約束條件建立了協(xié)調(diào)控制優(yōu)化模型。并采用遺傳算法對(duì)模型進(jìn)行求解。求解結(jié)果表明，基于元胞傳輸模型的城市主干線協(xié)調(diào)控制優(yōu)化模型有效降低了車輛延誤，減少了車輛停車次數(shù)

10、，提高了主干線通行能力。
　　 (6)設(shè)計(jì)交通信號(hào)控制系統(tǒng)算法，構(gòu)建城市交通信號(hào)控制方案庫，建立基于交通模式識(shí)別的交通信號(hào)控制系統(tǒng)。將單點(diǎn)交通信號(hào)魯棒控制模型與干線協(xié)調(diào)控制模型有機(jī)結(jié)合為一個(gè)整體，用以優(yōu)化交叉口交通信號(hào)配時(shí)參數(shù)(周期、綠信比以及相位差)。該模型充分考慮了城市主干線的交通流特性、上游交叉口排隊(duì)長度對(duì)下游交叉口信號(hào)配時(shí)的影響以及信號(hào)控制對(duì)交通流的調(diào)節(jié)作用，為區(qū)域信號(hào)控制優(yōu)化提供了思路和借鑒。最后，將此模型推廣到區(qū)域范