硕士论文-城市交通信号的智能控制算法研究.pdf

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1、分类号：T P l 87 9 2 5 7 6单位代码：1 0 0 0 5学号：$2 0 0 2 0 2 0 8 2密级：北京工业大学硕士学位论文题目城直变通信量的蟹能控剑篡这婴塞英文并列题目墅避R C HO FI N T E L L I G E N T 唧R O LA L G O R I T H MF O RU R B A NS I 四A L研究生姓名：垃宣垩专业：控剑堡迨皇撞剑王程研究方向：现监撞剑垄迨丛基廑旦导师姓名：匿圈盘职称：熬握谴主垒曼崾论文报肯提交日期!Q!笙!旦学位授予日期授予学位单位名称和地址j t 塞王些盔堂j I 复亘塑圈匡垩墨国!Q Q 量摘要随着智能交通系统的发展，城市

2、交通信号控制已成为最重要的研究方向之一。由于城市交通的复杂性，采用传统的控制方法己无法有效地解决交通信号控制问题，本文针对交通信号采用智能控制的方法，得出了一些结论：提出基于粒子群优化算法的单交叉口信号控制方法。在分析城市单交叉口模型的基础上，得出信号控制的目标函数，采用改进粒子群优化算法，对四相位交叉口进行优化配时。与传统的定时控制相比较，基于粒子群优化算法的单交叉口信号控制优于传统方法，同时也提出了一些存在的问题和值得深入研究的方向。采用模糊逻辑实现对城市交通干线信号的协调控制。通过对城市交通干线结构的分析，针对固定相序的四相位城市交通信号，建立了递阶模糊控制模型。该模型由两层控制器组成：

3、下层控制器和上层控制器。下层控制器由两个控制器组成：当前相位停止度控制器和下相位紧急度控制器，分别计算出当前绿灯相位的停止度和下相位的紧急度可能性，两控制器又因是否将两交叉口间的排队长度作为控制器的输入各分为两种。上层控制器则来决策是否将当前绿灯相位切换到下一个相位。本文进行了仿真，通过与传统的定时控制相比较，证明了算法的有效性。关键词粒子群优化；单交叉口：模糊逻辑；协调控制A b s t r a c tW i t ht h ed e v e l o p m e n to fI T S(I n t e l l i g e n tT r a n s p o r t a t i o nS y s

4、t e m s)，s i g n a lc o n t r o lh a sb e e ng r o w i n gi n t oo n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c ha s p e c t s A st h ec o m p l e x i t yo fu r b a nt r a n s p o r t a t i o n，t r a d i t i o n a lm e t h o d sC a l ln o te f f i c i e n t l ys e t t l et h ep r o b l e mo fs i

5、 g n a lc o n t r 0 1 T h i sp a p e rd e a l sw i t hu r b a ns i g n a lc o n t r o lb ym e a n so fi n t e l l i g e n tc o n t r o la l g o r i t h m S e v e r a lc o n c l u s i o n sa r eo b t a i n e d F i r s t l y,ak i n do fs i n g l ei n t e r s e c t i o nc o n t r o lm e t h o db a s e

6、d o nP a r t i c l eS w a r mO p t i m i z a t i o nO s o)i sb r o u g h tf o r w a r di nt h i sp a p e r O nt h eb a s i so fa n a l y z i n gu r b a ns i n g l ei n t e r s e c t i o nm o d u l e，t h ep a p e rl i s t st h eo b j e c t i v ef u n c t i o no fs i g n a lc o n t r o l；o p t i m i z

7、 e st h et i m i n g so ff o u r-p h a s e ds i n g l es i g n a lu s i n gP S O C o m p a r e dw i t hf i x e d t i m ec o n t r o lm e t h o d，t h em e t h o db a s e do nP S Op e r f o r m sb e t t e r I na d d i t i o n，af e wi s s u e st ob es e t t l e da n do r i e n t a t i o nw o r t hd e e

8、 p l yd i s c u s s e da r ei n t r o d u c e d S e c o n d l y,ak i n do fa r t e r i a ls i g n a lc o n t r o lm e t h o db a s e d O nf u z z yl o g i ci sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r O nt h eb a s i so fa n a l y z i n gr e a lp r o b l e mo fa r t e r i a ls i g n a lc o n t r o l，t h

9、 ep a p e rc a r r i e so u tf o u r p h a s e da r t e r i a ls i g n a lc o n t r o lm o d u l eu s i n gt w o s t a g ef u z z yc o n t r o l l e r T h el o w e rc o u r s eo ft h em o d u l ec o n s i s t so ft w oc o n t r o l l e r s：s t o pd e g r e ec o n t r o l l e ro fc u r r e n tg r e e

10、 na n du r g e n td e g r e ec o n t r o l l e ro fn e x tp h a s e T h et w oc o n t r o l l e r sc a l c u l a t et h es t o pd e g r e eo fc u r r e n tg r e e na n du r g e n td e g r e eo fn e x tp h a s er e s p e c t i v e l y T h et w oc o n t r o l l e r sC a nd i v i d ei n t ot w ok i n d

11、 sa c c o r d i n gw h e t h e rt a k i n gq u e u eb e t w e e nt w oi n t e r s e c t i o n so rn o t，T h eu p p e rc o u r s eo ft h em o d u l ed e c i d e sw h e t h e rt os w i t c hc u r r e n tg r e e nt on e x tp h a s e T h ep a p e rp e r f o r m ss i m u l a t i o n，T h er e s u l t sp r

12、 o v et h a tt h em o d u l eC a l lr e s u l ti nb e t t e re f f i c i e n c yc o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lf i x e d t i m ec O n t r O lK e yw o r dP a r t i c l eS w a r mO p t i m i z a t i o n，s i n g l ei n t e r s e c t i o n，f u z z yl o g i c，a r t e r i a lc o n t r o lI l独创

13、性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名目期：神j-雌关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即；学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：她翩签名：醢盈匪

14、日期：搜!：砑延讶衅第t 章绪论第1 章绪论1 1 城市交通信号控制的研究意义城市交通是城市经济的命脉，是衡量一个城市文明进步的标志，城市的发展与居民生活与城市交通休戚相关。自从汽车发明以来，汽车已经成为人们生活中必不可少的交通工具。在我国，随着经济的迅猛发展和城市化进程的加快，机动车保有量快速增加，使得汽车在给人们生活带来诸多便利的同时，也对道路交通产生了一系列的副作用。有关资料表明：1 9 7 8 年至1 9 9 5 年全国城市机动车的保有量的增长速度是道路增长速度的8 0 倍。从7 0 年代末起，我国城市汽车拥有量以每年平均1 2 一1 4 的速度增长。1 9 7 8 年，我国民用汽车总

15、量仅有1 3 5 8 4 万辆，到2 0 0 1 年超过1 8 4 5万辆，机动车总数达到6 8 5 2 万辆。其中，私人汽车由1 9 8 5 年的2 8 4 5 万辆增加到7 7 0 万辆，这些民用汽车特别是私人汽车，大多集中在我国的城市地区，而且增长趋势迅猛。城市道路交通的供需严重不平衡已经成为各大中城市所共同面对的严重问题，其中全国3 2 个百万人口以上的城市中，有2 7 个城市的人均道路面积低于全国平均水平。交通需求与道路设旋之间的尖锐矛盾所带来的交通堵塞、交通事故频繁发生、环境污染等一系列问题，严重影响着城市功能的正常发挥和城市的可持续发展。如果不及早采取综合措施加以治理，则城市交通

16、必将成为制约我国经济发展和城市功能正常发挥的瓶颈。2 0 0 1 年，全国共发生交通事故7 Q 多万起，1 0 万多人死亡，受伤人数5 0 万人，直接经济损失达3 0 亿元。近五年，全国道路交通事故起数上升了3 2 5，死亡人数上升了8 5，受伤人数上升了4 2。目前，机动车污染己经上升为我国城市大气和噪声的主要污染源。例如，北京市汽车排放的一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物已占总排放的4 0 一7 5。广州市与交通有关的排放占氧化碳总排放的8 7 和二氧化氮的6 7。据国际卫生组织1 9 9 8 年公布的调查报告，在全球空气污染最严重的1 0 个城市中，我国就占了7 个，包括太原、北京、乌鲁木齐

17、、兰州、重庆、济南、石家庄【1 1。为了解决上述问题，最直接和最有效的办法是修建更多的道路和限制机动车j E 京工业大学工学硕士毕业论文的数量。然而由于修建新路需要巨额资金，而限制机动车辆引发一系列的经济社会问题需要慎重实施，使得这些方法大打折扣。近年来，为西方国家所推崇的智能交通系统可以大幅度提高交通网络的运行效率，是解决交通拥挤问题的最经济最有效的办法。据统计，智能交通运输系统技术的应用可以减少1 0 的废气排量，2 0 的交通延时，3 0 的停车次数。美国L o sA n g d s 地区和T e x a s 州在智能交通系统(I n t e l l i g e m T r a n s

18、p o r t a t i o nS y s t e m s，简称I T S)t 2 方面投资的效益成本比率分别是16：1 和2 2：1，收益非常显著。而这一切，都是在基本上没有进行道路建设和引入新的高速车道的情况下取得的。这充分说明了为什么近年来发达国家竞相投资I T S 技术的研发和应用。I T S 是将先进的信息技术、通信技术、控制技术以及人工智能技术和运输组织等技术有效地综合运用于整个交通运输的组织管理和经营服务体系，在系统工程综合集成理论与方法运用中建立起来的一种实时、准确、高效、高技术的交通运输综合组织管理和运营服务系统。智能交通系统开发的领域主要包括：居民出行与货物运输需求智能诱

19、导系统、交通流优化与运输组织智能化方案生成系统、综合交通枢纽协调疏导信息系统、先进的交通管理系统、车辆运营智能调度管理系统、智能公共交通系统、智能大城市公共交通运输服务系统、货物运输智能型配载运输服务等【3 。1 2 城市交通信号控制的沿革和现状1 8 6 8 年英国在伦敦市首次使用了燃汽信号灯，用于管理城市交通，这种信号根据铁路信号显示方式由红灯与绿灯组成，这标志着城市交通信号使用的开始，但因易发生爆炸未能推广使用。这时交通警察大多使用手提式照明灯来指挥交通。1 9 1 4 年，美国在克利夫兰城安装使用了人工操作的电气照明信号灯，六年后被日本采用，十年后被英国采用，这种信号设置在交叉口中央的

20、信号塔上，四个方向均有直径为3 7 5 c m 的红、绿、黄三色的圆形投光器。许多国家采用后又逐渐给予了改进。1 9 2 6 年，世界上第一台自动控制街道交叉路口的交通信号机在英国研制成功并开始使用，它采用固定周期控制方式，随后又出现多时段固定周期控制方式。1 9 2 8 年，美国研制成功车辆感应式交通信号灯，使用橡皮管气压式检测器。几年后被英国、日本采用。在交通信号不断改进和发展的同时，用于多个路口协调统一控制的交通信号第1 章绪论控制方式也在不断进步。1 9 1 7 年，美国盐湖城安装使用了人工控制的干道信号协调系统。1 9 2 2 年，美国休斯敦市建立了一个采用电子计时器的干道信号协调系

21、统。1 9 2 8 年，美国研制成功一种灵活的步进式定周期干道信号定时系统，由于其技术简单，可靠性高，价格低廉，很快被英国、前联邦德国、日本等国广泛应用。随着交通信号感应控制技术和电子计算机技术的发展，1 9 5 2 年在美国丹佛城出现了采用模拟电子计算机的交通信号控制系统，该系统将单一交叉路口的交通感应控制概念应用于街道交通信号化网络，并用车辆检测器向控制中心输入交通流数据，用模拟电子计算机进行数据处理，然后再调整各交叉路口的交通信号程序。在随后的1 1 年间，美国建立了1 0 0 个这种信号控制系统。1 9 6 3 年加拿大多伦多市投入了一套使用的l B M 6 5 0 型计算机的集中协调

22、感应控制信号系统，这标志着城市道路交通控制系统进入了一个新的阶段。其后，美国、英国、前联邦德国、日本、澳大利亚等国家相继建成数字电子计算机区域交通控制系统，这种系统一般还配合交通监视系统组成交通管制中心。到八十年代初，全世界建有交通管制中心的城市有3 0 0 多个。交通信号机由手动到自动，交通信号由固定周期到可变周期，系统控制方式由点控到线控和面控，从无车辆检测器到有车辆检测器，交通信号控制经历了近百年发展历史。城市交通信号控制的分类多种多样。根据所采用控制装置的不同，交通信号控制一般有三种类型：(1)预定周期式信号控制这种信号的周期时长、相位、绿灯时间及转换间隔等都是事先确定的。信号周期时长

23、以不变的形式运行，每个周期的周期长和相位恒定不变。依靠所提供的设备，可用几种预定配时方案，每种都自动的在一天规定的时间内交替使用。(2)半感应式信号控制这种信号控制保证主干道总保持绿灯直至设在次干道上的检测器检测出有车辆到达。这时信号经过一个适当的转换间隔后，立刻为次干道显示绿灯，该绿灯时间将维持到次干道上车辆全部通过路口或持续到规定的最大绿灯时间为止。在绿波信号系统中，配给次干道的绿灯时间须限制在预定的时间内。该系统的周北京工业大学工学颈士毕业论文期时长和绿灯时间可根据需要随时进行调整。当次干道没有车辆时，主干道总保持绿灯，事实上，分配到次干道的绿灯时间可充分利用，所有“多余”的绿灯时间则分

24、配给主干道。(3)全感应式信号控制该信号的所有相位全由检测器来控制。一般每个相位都规定最小与最大绿灯时闯。这种控制形式的周期长度和绿灯时间可根据要求做很大的变动，周期中的某些相位是可以任意选择使用的，当检测器未测出交通量时，该时刻的相位可自动取消。根据控制范围分为点控、线控和面控。(1)点控点控是指道路交叉口信号灯互不相关各自独立运行的方式。点控适用于相邻路口间距离较远，线控无多大效果或者因各相位交通需求变动显著，其交叉口的周期长和绿信比的独立控制比线控更有效的情况。单个交叉口点控制是一种最基本的控制方式，因其设备简单、投资最省、维护方便，至今仍被广泛采用。在技术上，点控又分为离线点控制和在线

25、点控制。(2、线控线控又称干线协调控铡、绿波控制。在城市道路网中，如果交通干线上几个距离较近的交叉口的控制信号互不相关，当各交叉口分别设置单点信号控制时，从上游驶出的车辆很有可能在下游又遇红灯。这种交叉口之间各自为政的孤立控制方式难免造成行车不畅，污染严重。为此人们研究出一种基于绿波概念的干线相邻交叉口协调控制策略，即把这些交叉口的信号机在时间上联接起来协调控制，使得-歹J J 车队在具有多个交叉口的一条主干道行驶时，总是在绿灯开始时到达交叉口，因而无须停车的通过交叉口，这样确保道路畅通，从而减少干线上的停车次数和行车延误。线控的主要特点是对几个信号机设定共同的周期长和相对的相位差。线控适用于

26、交叉口间距较小，交通干线流量较大的情况，因为这时车流不会离散，控制效果好。干线交通信号控制可分为离线方式和在线方式。离线方式下，主干线上设定一台主信号机和多台从信号机，由主信号机向各个从信号枫发送同步信号，各个从信号机根据预先设定的相位差和绿信比分配红、绿灯起始时间和持续时间，从第1 章绪论而实现绿波控制。主干线交通信号在线控制方式是由城市中心计算机对主干线各个交叉口的交通信号机进行协调控制，各个交叉口的交通信号机将检测到的交叉口交通流信息发送给中，t l,计算机，中心计算机根据采集到的干线上的交通流数据进行优化处理，然后向各个交叉口的交通信号机发送红、绿灯起始信号实现绿波控制。在城市交通网络

27、中，绿波控制的观点早在2 0 世纪3 0 年代就己经为人所认识。然而，在复杂的城市网络中，通常不可能同时将所有道路设置成绿波。在交通密度较大的情形下，绿波会导致拥挤以及在交叉口的阻塞。当一列车队恰好在清车时间后到达交又口时，在此情形下，绿波控制导致了负面效果。因此，需要通过交通信号定时及采用一种处罚策略限制进入拥挤区域的车辆。这些事实也说明了交通网络控制的必要。一f 3 1 面控面控又称区域交通信号控制，系统的控制对象是城市或某个区域中所有交叉口的交通信号。随着计算机、计算方法、自动控制、车辆检测技术的发展，人们研究把一个城市区域内(或一个局部小区内)所有交叉口的交通信号联起来综合加以协调控制

28、，以使得区域内的各个车辆在通过某些交叉口时所产生的总损失最小。区域交通信号控制也有两种方式：离线优化方法和在线优化方法。目前，国外的典型城市交通控制系统有英国的T R A N S Y T 系统和S C O O T 系统、澳大利亚的S C A T 系统、日本K y o s a n 电器的交通控制系统、德国的S i e m e n s系统等。国内有深圳的S T C 交通控制系统、南京的交通控制系统以及天津的交通控制系统等。网络控制方式有方案选择式和方案生成式，与固定时间网络控制方式相比，交通响应网络控制系统通过按交通需求的变化分配绿灯时间的办法可阻获得更大的效益。最初出现的系统是基于方案选择式，针

29、对经常出现的情况(如早、晚高峰期交通流的变化)设计相应的交通信号控制方案。但实际中可能出现的情况太多，难以预先对每种情况设计出相应的信号控制方案。交通需求的变化以及交通网络的变化会使得已有的固定时间方案迅速失效。此外，在信号控制方案之间切换时、特别是在方案改变迅速时，也会产生损失。因此，目前研究的方向和热点大多已集中于在线优化方法吼北京工业大学工学硕士毕业论文1 3 城市交通信号灯控制的发展方向越来越多的资料显示表明，城市交通信号控制的研究主要体现在以下三个方面f 4 ：(1)人工智能(A I)在城市交通信号控制问题中的应用有利于提高当前交通信号控制系统的性能。最近，越来越多的人们开始把注意力

30、集中在人工智能技术应用于交通工程问题上。城市交通信号控制系统在操作方面分为三个重要阶段，即交通数据采集、数据分析与处理、判断与控制。从数据采集和处理，到确定最好的控制动作，以及到动作的实施，关键是全面提高信息决策过程的质量。这些都和相当多的专门知识有关，在很大程度上涉及相关的规章制度，并且受限于现实中的实际约束。归纳上述问题，用A I 途径来提高相应的基本职能是可能的。综合起来。难题集中于精确交通信号方案选择体系，交通信号方案选择体系在欧洲已经被广泛用于U T C S(U r b a nT r a f f i cC o n t r o lS y s t e m)q b。(2)用离散时间、滚动区

31、域法(r o l l i n gh o r i z o n)研究交通信号控制系统滚动区域法利用最近检测到的数据，对系统现行状态(主要是各个路口的现行排队长)进行估计，为滚动区域的持续时间内搜寻一种优化信号控制方案(决策)。滚动区域的时间必须足够长，时间分为两部分，前一段时间执行滚动区域法的优化方案。在滚动区域法的最后一段时问内，以终端代价函数的形式验证滚动区域法基础上优化的信号方案。若满足要求，则继续执行该方案，否则停止执行，重新优化信号方案。R o b e r t s o n 和B r e t h e r t o n 于1 9 7 4 年最初提出了离散时间滚动区域法，至今该领域的主要研究及发

32、展，大多在欧洲国家。用户网络的离散时间、滚动区域法信号控制系统有待于研究。(3)分散控制系统仍是未来的一个研究方向分散控制系统相对集中控制系统来说可以减少信道负载，减少网络控制中灾难性失败。因此，这种控制系统仍是未来研究和发展的一个重要方向。1 4 论文的主要工作本文针对单交叉口信号控制和干线交叉口协调控制进行了相关的研究，主要第1 章绪论工作包括：(1)针对城市四相位单交叉口交通信号，建立实时优化控制模型，提出基于粒子群优化的优化方法，进行计算机仿真试验研究，并同定时控制相比较。(2)针对城市交通干线交叉口信号控制模型，提出基于递阶模糊逻辑的优化控制模型。该模型包括两层结构：上层控制器和下层

33、控制器。下层控制器由两个模糊控制器组成：当前相位停止度模糊控制器和下相位紧急度模糊控制器。当前相位停止度模糊控制器根据当前绿灯相位的交通状况来测定停止当前绿灯相位的可能性大小，即停止度，而下相位紧急度模糊控制器根据下相位的交通情况来测定将绿灯相位切换到下相位的可能性大小，即紧急度，然后上层控制器根据当前绿灯相位的车辆停止度和下相位的紧急度来确定是否切换当前绿灯相位。而对于计算当前绿灯相位车辆停止度和下相位紧急度的模糊控制器，按照是否影响交叉口间的交通流而分为两类：干线方向直行和左转的排队影响交叉口问的交通流，将交叉口间的排队长度作为模糊控制器的一个输入；而非干线方向的直行和左转的排队不影响交叉

34、口间的交通流，无需将交叉口间的排队长度作为模糊控制器的输入。最后将该算法的结果同定时控制相比较。最后总结论文的研究内容，分析不足，同时指出论文需要的进一步工作。北京工业大学工学硕士毕业论文第2 章城市交通信号控制的基本理论在交通控制系统中，交通信号的控制对象是交通流，交通流是有一定规律的，要认识这秽规律，需要借助于数学工具，对交通流运行进行科学分析。一个简单交通控制系统的简化框图如图2 1 所示，主要包括以下5 个部分【5】：(1)交通流系统：主要指车辆、行人、道路和环境，可以看出交通控制研究对象是多个因素交织在一起构成的复杂系统。(2)交通检测设备：主要指为信号控制提供有关交通信息的设备，如

35、可检测车流量、车辆行驶速度等参数的车辆检测器，这些设备将交通信息反映为与之相关的电子信息量。(3)数据处理：该部分将交通检测设备传送过来阿交通信息按照一定规律进行处理，剔除诸如噪声等无用、无效信息，对有效信息进行数据处理和管理，提供尽可能详缅的交通流系统的状态信息。承担该部分工作的可以是硬件设备，也可以是支持其工作的软件系统(如相应的滤波算法等、。(4)控制器：根据数据处理后的交通信息，按照一定控制算法做出相应的控制决策，这种决策可以是信号灯的配时，也可以是某些交通信息的传递。控制器的核心通常是功能比较强大的微控制器，这类控制器具有很强的输入、输出、定时和通信功能。(5)控制设备：主要包括交通

36、信号等(高速公路入口处的控制信号灯及城市交叉口的红绿灯)和可变限速标志等，这些可以为车辆驾驶人员或行人提供交通控制信息，来达到对交通流进行引导和控制的目的。图2-I 交通控制系统的筒化框图F i g u r e2-ID i a g r a mo f t r a n s p o r t a t i o nc o n t r o ls y s t e m第2 章城市交通信号控制的基本理论交通信号是在空间上无法实现分离的地方，用于在时间上给交通流分配通行权的一种交通指挥措旌。由于城市街道平面交叉的特点，交通控制要台理解决交叉口各个方向的交通流(包括机动车流、自行车流以及行人)的优化控制。由于城市街道

37、网络交通的特点，使得解决这一问题具有较大的复杂性，同时具有十分显著的现实意义。2 1 信号灯的含义与信号配时2 1 1 信号灯的含义交通信号灯及其控制技术随着社会的发展而发展。早期的交通信号灯只有红、绿两种灯色，绿色表示允许通行，红色表示禁止。后来，车辆不断增多，驾驶员争道，则出现了红、黄、绿三灯色的交通信号控制。黄灯色对驾驶员争道起预警作用。随着交通事业的发展，在交叉路口，各个方向的车一车冲突、人一车冲突问题越来越突出，这要求对车流、人流在时间上进行更加严格的分离。为了适应这种发展的需要，信号配时技术的研究不断进步，相继出现了各种时间分离方法。同时，电子技术的发展，为设计适应需要的交通信号控

38、制机及车辆检测器提供了条件。先后出现了机械控制器、电机控制器、电子控制器，直至计算机控制系统。相应也就产生了符合多种时间分离方法的多样化的现代信号灯。除了红、黄、绿三色灯以外，还出现了指示方向的箭头灯、闪烁灯以及倒记时指示灯等。随着信号灯种类的发展，各国使用这些信号灯的方法差别也越来越大，赋予信号灯的含义也有一些差异。后来，经过各个国家协商，基本上认同了1 9 7 4 年的欧洲道路交通标志和信号协定，其信号灯含义简述如下：非闪灯绿灯：表示面对绿灯的车辆可通行。红灯：表示面对红灯的车辆禁止通行。黄灯：表示即将亮红灯，车辆需停止。闪烁灯红灯闪：表示警告车辆不许通行。黄灯闪：表示车辆可通行，但要特别

39、小心。北京工业大学工学硕士毕业论文箭头灯绿色箭头灯：表示车辆只允许沿箭头所指的方向通行。红色或黄色箭头灯：表示只对箭头所指方向起红灯或黄灯的作用。专用于自行车的信号灯应在信号灯的基础上加有自行车的图案。专用于行人的信号灯应在信号灯的基础上加有人的图案。我国对信号灯含义的规定基本上与国际规定一致。交通控制信号的主要目标是使各类、各向交通流有秩序、高效率地通行。一个交叉口若其车流量较小时，通过设置停车或让路标志就可解决交通分离的问题；一旦当交叉口的交通量接近其通行能力时，若不设置交通控制信号，车流就会不畅而大大增加了车辆的停车次数与延误时间。正确设计、合理设置和运行交通控制信号，不仅可以达到提高交

40、叉口的通行能力、疏散交通、保证交通畅通的目的，而且兼有改善交通安全的效果6 1。2 1 2 信号配时方案一个信号化的交叉口，其信号灯控制方案必须根据路口的交通状况制定。般由交通工程研究人员通过对交叉口各个方向交通量的大小以及在一天当中的分布情况的较长时间调查了解，确定该路口信号配时方案。由交通控制研究人员将所制定的方案转换为交通控制系统或交通信号控制机能够识别和实施的控制方案。一旦交叉口的交通流发生了大的变化，则相应的信号灯色及配时方案要进行相应的调整，以适应新的交通需求。信号配时方案包括两方面的内容：确定相位信号方案和信号控制基本参数。确定相位信号方案，是用交通信号轮流给某些方向的车流或行人

41、分配通行权顺序的确定。相位方案是在一个信号周期内，安排了若干种控制状态，每一种控制状态对应某些方向的车辆或行人配给通行权，并合理安排这些控制状态的显示次序以及显示时间。交通信号控制机按设定的相位方案，轮流开放不同的信号显示，轮流为各方向车辆和行人给予通行权。每一种控制状态，对应显示一组不同的灯色组合，称为一个相位。从一个相位变到另一个相位，需要经过过渡灯色，第2 章城市交通信号控制的基本理论如绿闪灯色、黄灯灯色等。因此，一个相位又可分为几个步伐，每一步伐对应一种灯色组合。信号控制基本参数包括保安时间、步伐监控号、可变步标志、步伐跟踪号等。保安时间是指每一步伐的持续时间。步伐监控号说明当前步伐是

42、长步、中步、还是短步，目的是监视当前步伐持续时间是否超时，确保交通信号控制机每一步运行准确、可靠。可变步标志说明当前步伐是可变步，还是非可变步。若是可变步，则在进行交通感应信号控制时允许修改该步伐的保安时间。对非可变步，则不允许修改。跟踪步伐号说明当前步伐是否是跟踪步，若是，是第几跟踪步。信号配时方案一般用信号配时图表示，图2-2 为四相位车流分布，每一相位的意义如下。一LLJ lL一1 rL彳厂+厂 1 厂 厂 厂 厂 1 厂 l 厂第一相位第二相位第三相位第四相在图2-2 四相位车流分布示意图F i g u r e2-2F o u r-p h a s e dv e h i c l ef l

43、 o w第一相位表示给予东西方向直行车辆以通行权，其它方向车辆禁止通行；第二相位表示给予东西方向左转车辆以通行权，其它方向车辆禁止通行；第三相位表示给予南北方向直行车辆以通行权，其它方向车辆禁止通行；第四相位表示给予南北方向左转车辆以通行权，其它方向车辆禁止通行。一般说来，对于单点定时信号控制，相位信号方案一经设定就不再变化，除非是交叉口交通流有了重大的变化。若采用计算机进行控制，则相位信号方案可能是不固定的。相位顺序可根据交通量的变化情况适当选择，并进行相应的相位控制或跳相控制。合理选用相位组合及控制顺序是决定交叉口定时控制交通效益的主要因素之一。2 2 交通信号控制的基本概念交通信号控制模

44、型是用数学函数表达式来描述交通性能指标(如延误、停车次数、通行能力等)随交通控制信号变量(如周期时长、绿信比、相位差等)变化的表示式。交通信号控制模型是交通工程学科最早研究的内容之一，也是交通工程学科赖以生存和发展的基础。交通信号控制理论的研究还刚刚起步，还未形成完整的体系，有许多理论在探讨各种交通现象。下面介绍涉及交通信号控制的一些概念。交通信号控制的基本参数包括周期、相位持续时间(或相位绿信比，或交通流绿信比)、相位差等网。(1)周期信号灯变化一个循环所用时间即为个信号周期，简称周期，单位为s。如图2-3 所示，t。表示次信号循环中红灯时间，r 表示一次循环中黄灯时间，“表示一次循环中绿灯

45、时间，r 表示信号周期，则有丁=，R+0+f 6(2 1)图2-3 信号周期概念示意图F i g u r e2-3D e f i n i t i o no f s i g n a lc y c l e(2)绿信比在信号控制中，有效绿灯时间是一个非常重要的概念。有效绿灯时间是指某信号的绿灯时间与黄灯时间之和减去损失时间，用公式表示为2G+l一屯(2-2)式中*一有效绿灯时间，s：。一该相位信号绿灯时间，s：r 一该相位黄灯时间，s：L 一该相位信号的损失时间，s。绿信比是指在个信号周期内有效绿灯时间分配给各个信号相位的情况，可第2 章城市交通信号控制的基本理论表示为五：t E Gr式中旯一该相位

46、信号绿信比；(2-3)7 T 一信号周期。对于两相位的信号而言，绿信比可以相同，也可以不相同。如果两个方向的车流量相差比较大(如干线和支线相交路口)，则为保证主干道车辆尽可能畅通，主干道的绿信比要比次干道绿信比要大。(3)相位差相位差是协调控制的信号配时中的重要概念。它分为相对相位差和绝对相位差，通常用或S 表示。相对相位差是指在各路口的信号周期均相同的联动信号控制系统中，相邻两个交叉口协调相位的绿灯起始时间差，用S 表示，这个相位差与周期之比叫做相对相位差之比。绝对相位差是指在联动信号控制系统中，选定某一交叉口信号为基准信号，其它各交叉口绿灯起始时间相对于基准信号交叉口绿灯时间的差。(4)损

47、失时问损失时间是指在周期时间内由于交通安全及车流运行特性等原因，在某段时间内没有交通流运行或者未被充分利用的时间。在实际情况中，要准确计算损失时间是十分困难的，因此，常常采用信号配时中的绿灯时间来近似代替有效绿灯时间。除了以上四个基本概念之外，在信号控制中，还涉及到“全红时间”这一概念。全红时间是指在信号切换时为保证车辆不发生冲撞，清除交叉口内的剩余车辆所用的时间。一般来讲，在某一方向的信号灯由绿灯转为黄灯后，在黄灯时间结束时，仍然会有个别车辆在交叉口上行驶。如果此时立即将另一相位转为绿灯信号，就有可能使两个方向的车流发生冲突。为解决这个问题，设立了全红时间，这一时间在3 5 s 内比较合适。

48、北京工业大学工学硕士毕业论文2,3 城市交通控制的性能评价对平面交叉口实行信号控制的基本目标是：用灯色信号合理分配入口车道通行权，便路口有良好的秩序，减少或完全消除可能弓 起交通事故的冲突点，并使得路口的运行指标最好。平面交叉口的控制问题可用数学语言描述如下：求取G，使得：厂(G)_ m i ns t g a，Q-4)c=Z g，+Y。6f 4j=t 一其中g、Y，分别表示第舛目位的绿灯时间和黄灯时间，小、分别为相位数和黄灯数，C 为信号周期，G 为绿灯时间向量，(G)为目标函数。对信号控制的效果有多个评价指标，分述如下。2 3 1 车辆延误延误时间是指车辆在交叉口入口引道处被阻碍下行走所需时

49、间和无阻碍行走所需时间之差。延误时间有平均延误和总延误两个评价尺度嘲。对一平面交叉口，假定其车辆到达服从均匀分布。如果我们着眼予一条停车线，在非饱和情况下交叉口的延误表达式为：肚鹅2 焉(2-s)每台驶入车辆的平均延误是：j=嚣=鑫=丽O _ g)zc(2 _ 6)拈而。弼。可刁Lu。0 式中：s 是饱和流量下的驶离率，e h s=g 是车辆平均到达率，V e h s；五是饱和度，2=q s；是是红灯时间(包括损失时间)，s；C 是周期长，s；g 是绿信比，g=G C=(c R)c。第2 章城市交通信号控翩的基本理论-_-_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

50、_ _ _ _-_ _ _ _ _ _ _ _-_-_ _ _ _ _ _ _-_-I _ _ _ _ _ _ _ _-_ _ _ _-_ _-_ _-一另外假若车辆到达率服从泊松分布，则每台驶入车辆的平均延误为：j=描c+鑫陋，其中：=q s g=丑g。2,3。2 平均排队长度平均排队长度是指在信号一个周期内各条车道排队的最长长度平均值。各条车道最长排队长度一般是指该车道的绿灯相位起始时的排队长度。7，均3 善告(2-8)其中：是车道数。平均排队长度以周期为单位计算。某个周期平均车辆排队长度与此周期平均车辆延误的指标基本是致的。2 3 3 平均起停次数平均起停次数是指车辆在交叉口区域由于交通