【正文】 交通區(qū)域協(xié)調(diào)控制中的相位差優(yōu)化方法的研究畢業(yè)論文 目錄1 概述 1 課題背景及意義 1 研究現(xiàn)狀 3 本論文的主要工作內(nèi)容 62 交通信號控制及相位差參數(shù)介紹 7 交通協(xié)調(diào)控制中的基本概念 7 相位差與各參數(shù)關(guān)系 8 相位差的基本概念 8 交叉口間車輛運(yùn)行速度與間距 9 區(qū)域交通流量 11 車輛排隊(duì) 12 相位差設(shè)計方法 12 確定相位差優(yōu)化路口 12 確定公共信號周期 14 圖解法確定相位差 14 修正相位差 153 城后街區(qū)域相位差優(yōu)化實(shí)例 17 調(diào)查地點(diǎn)及時間的選取 17 城后街區(qū)域交通數(shù)據(jù)調(diào)查采集 17 城后街區(qū)域相位差優(yōu)化 27 本章小結(jié) 294 相位差優(yōu)化方法模擬評價 30 VISSIM模擬軟件的介紹 30 仿真過程 31 仿真結(jié)果及分析 335 結(jié)論 356 致謝 367 參考文獻(xiàn) 3731 概述 課題背景及意義人們生活離不開衣、食、住、行，行就是在人們的生活活動和社會生產(chǎn)活動中產(chǎn)生的，顯然人類社會和交通密不可分。科技的迅猛發(fā)展，汽車的發(fā)明與汽車工業(yè)的崛起，讓交通運(yùn)輸?shù)母窬职l(fā)生了巨大轉(zhuǎn)變，機(jī)車帶給了人們極大的便利，節(jié)約了大量時間成本，推進(jìn)著人類文明的進(jìn)程。隨著城市化進(jìn)程的加快，社會人口和機(jī)動車保有量直線上升，城市道路負(fù)擔(dān)日益加重，交通問題愈發(fā)凸現(xiàn)，道路的擁擠、堵塞帶來了各種問題：交通事故的上升、各種資源的浪費(fèi)以及對環(huán)境的污染等等。在我國，交通的高速發(fā)展出現(xiàn)在80年代中期以后，改革開放以來，經(jīng)濟(jì)飛速成長，人們的生活水平大幅度提升。北京就是個典型的例子，北京市2015年2月發(fā)布的數(shù)據(jù)（如圖11），比十年前增加了近300萬輛，不可避免的帶來了交通擁堵。1993年，北京嚴(yán)重?fù)矶侣范螢?7處，現(xiàn)今北京高峰期常規(guī)擁堵點(diǎn)有 56 個，節(jié)假日等流量較大時擁堵點(diǎn)可達(dá) 143 個，早晚高峰時，汽車輛每小時的流量數(shù)超過1 萬輛的交叉口達(dá)到了 31個，以至有些車輛行駛速度低至每小時7 公里，這種低速行駛不但耽誤人們的出行時間，消耗資源，也嚴(yán)重污染著我們的生活環(huán)境：，霧霾問題引起人們的極大關(guān)注。交通噪聲污染也給公路兩側(cè)的市民帶來困擾。交通控制是治理交通問題，改善交通現(xiàn)狀的有效手段之一。它通過對機(jī)動車和駕駛員的引導(dǎo)，將道路上的交通流進(jìn)行合理的疏導(dǎo)，能有效緩解和防止交通擁堵，從而改善交通擁擠帶來的不良影響。但交通控制需要進(jìn)行合理的優(yōu)化，否則也容易引發(fā)擁堵。因?yàn)槿绻粚σ粋€單個交叉口進(jìn)行優(yōu)化配時，可能效果很好，但由于相鄰的交叉口是互相關(guān)聯(lián)的，當(dāng)一個交叉口的配時出現(xiàn)變化，交通流的改變就會影響其相鄰的若干個交叉口，同樣相鄰交叉口配時的調(diào)整，也會反過來作用于當(dāng)前的交叉口。因此，只有從區(qū)域的戰(zhàn)略目標(biāo)出發(fā)，協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)各交叉口的配時，才能使得整體的效果達(dá)到最好，這就是區(qū)域協(xié)調(diào)控制。所以區(qū)域協(xié)調(diào)控制是交通控制發(fā)展的必然趨勢。相較于點(diǎn)控,區(qū)域交通控制不僅需要確定路口的周期和綠信比,還要確定相鄰路口之間的相位差。本文以優(yōu)化相位差為手段，旨在優(yōu)化區(qū)域交通狀況。圖11 汽車保有量柱狀圖 研究現(xiàn)狀 目前國外的區(qū)域協(xié)調(diào)控制相對中國要更成熟一些，主要體現(xiàn)在一些比較成熟的信號控制系統(tǒng)上，如TRANSYT、SCOOT、SCATS、RHODES等。它們的特點(diǎn)是：TRANSYT系統(tǒng)是英國交通與道路研究所提出的一種離線優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)信號配時的程序，是當(dāng)今世界上最著名的信號配時優(yōu)化設(shè)計程序之一。該系統(tǒng)中區(qū)域協(xié)調(diào)控制的實(shí)現(xiàn)主要包括建立區(qū)域協(xié)調(diào)道路交通模型和對該模型優(yōu)化兩個部分組成。其中，建立區(qū)域協(xié)調(diào)道路交通模型由計算路網(wǎng)中車輛的延遲時間和停車次數(shù)來完成的；對該模型優(yōu)化是通過計算在給定的一組符合最小綠燈約束的配時信號的控制下，路網(wǎng)的性能指標(biāo)PI最小。PI由路網(wǎng)中所有的道路連線的延誤時間和停車次數(shù)的加權(quán)和確定。SCOOT系統(tǒng)也是由英國交通與道路研究所在TRANSYT的基礎(chǔ)上采用自適應(yīng)控制方式，經(jīng)過研究提出的動態(tài)交通控制系統(tǒng)。SCOOT仍采用了TRANSYT的交通模型，吸收了TRANSYT各方面的有點(diǎn)，并因SCOOT的實(shí)時控制，獲得了明顯優(yōu)于靜態(tài)系統(tǒng)的效果，被很多國家采用。SCOOT的主要技術(shù)特征有：控制模式為聯(lián)機(jī)(OnLine)實(shí)時控制，即動態(tài)模式；以PI最小為系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)；參數(shù)S、O、C均通過建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型計算；采用小步長漸近尋優(yōu)法；檢測器位于上游交叉口進(jìn)口處。SCOOT系統(tǒng)是在TRANSYT的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其模型既優(yōu)化原理均于TRANSYT相仿。他們的不同之處在于：TRANSYT是離線的而SCOOT是在線的，SCOOT是以實(shí)時測量的交通量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，用交通模型進(jìn)配時優(yōu)化。SCATS系統(tǒng)是由澳大利亞新南威爾士道路和交通局(RTA)于20世紀(jì)70年代末研制成功的，從1980年起陸續(xù)在悉尼等城市安裝使用。目前，世界上大約有50個城市正在使用SCATS系統(tǒng)。其主要技術(shù)特征有：采用地區(qū)級為聯(lián)機(jī)，中央級為聯(lián)機(jī)與脫機(jī)同時進(jìn)行的控制模式；以飽和度作為系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)；調(diào)整S、O、C時在預(yù)先確定的方案中選擇；尋優(yōu)方法為比較選擇法，無實(shí)時交通模型等。它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)易于改變，控制方案較為容易變換。但是SCATS系統(tǒng)也有幾個明顯不足：未使用交通模型，本質(zhì)上是一種方案選擇系統(tǒng)，因而限制了配時參數(shù)的優(yōu)化程度；系統(tǒng)過分依賴于計算機(jī)硬件，除了PDPII系列數(shù)字計算機(jī)外，無法在其它計算機(jī)系統(tǒng)上方便實(shí)施；選擇相位差方案時，無車流實(shí)時信息、反饋，可靠性低。RHODES系統(tǒng)是由美國亞利桑那州立大學(xué)的EMirchandani等人開發(fā)成功并陸續(xù)在美國亞利桑那州進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)試，結(jié)果表明該系統(tǒng)對半擁擠的交通網(wǎng)絡(luò)比較有效。RHODES采用一種3層的遞階結(jié)構(gòu)，優(yōu)化目標(biāo)為最小化平均車輛延誤、最小化交叉口平均排隊(duì)長度或最小化停車次數(shù)。而國內(nèi)的研究主要以理論研究為主，目前還沒有已經(jīng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)控制的成熟完整的信號控制系統(tǒng)。國內(nèi)區(qū)域協(xié)調(diào)控制具有代表性的研究工作包括：五邑大學(xué)董友球利用Q．Learning算法優(yōu)化目標(biāo)區(qū)域內(nèi)各交叉1：3的信號周期，把優(yōu)化的目標(biāo)區(qū)域按重要程度劃分為若干干線并編排順序，按順序?qū)Ω鞲删€相鄰兩交叉口協(xié)調(diào)相位間的相對相位差用Q．Learning算法進(jìn)行優(yōu)化，按同樣順序依次確定各交叉口的綠信比，并結(jié)合優(yōu)化得到的相對相位差確定絕對相位差。對于多個交叉口的區(qū)域，隨著交叉口數(shù)量的增多Q學(xué)習(xí)中用來存儲狀態(tài)動作對的Q．Table的空間成指數(shù)級增長，導(dǎo)致存儲空間以及計算復(fù)雜度巨大從而無法完成Q—Table的迭代計算。蘭州交通大學(xué)王春雷等人針對基本PSO算法的缺點(diǎn)，如易陷入局部極值點(diǎn)、搜索精度低等，引入了災(zāi)變模型，并采用雙向并行策略，提出一種改進(jìn)的PSO算法—．雙向并行災(zāi)變粒子群優(yōu)化算法(BPC．PSO)并將其應(yīng)用于城市區(qū)域交通信號控制中用來優(yōu)化交叉口的信號周期，這篇文章的缺陷在于沒有給出明確的優(yōu)化目標(biāo)。蘭州交通大學(xué)錢勇生根據(jù)我國城市交通的特點(diǎn)，提出一種基于三群協(xié)同粒子群優(yōu)化算法的城市區(qū)域交通自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法。他通過分階段優(yōu)化控制交通參數(shù)(周期、相位差和綠信比)，每個階段長10．30分鐘，周期、相位差由區(qū)域控制級每階段優(yōu)化一次，綠信比由交叉口控制級每周期優(yōu)化一次。采用車輛延誤為性能指標(biāo)，周期、相位差和綠信比均采用三群協(xié)同粒子群算法進(jìn)行優(yōu)化但是該方法沒有給出具體的算法過程。五邑大學(xué)劉志勇提出一種基于改進(jìn)免疫遺傳算法的城市區(qū)域交通自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法。他采用兩層的遞階分布式結(jié)構(gòu)～分階段和分級優(yōu)化控制參數(shù)(周期、相位差和綠信比)，每個階段長5～30分鐘，周期、相位差由區(qū)域控制級每個階段優(yōu)化一次，綠信比由交叉口控制級每個周期優(yōu)化一次，采用最小化平均延誤時間或平均停車次數(shù)等為性能指標(biāo)。周期、相位差和綠信比均采用改進(jìn)免疫遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。但是該方法并沒給出如何協(xié)調(diào)交叉口級和區(qū)域級直接的協(xié)調(diào)方法，從而很難達(dá)到區(qū)域內(nèi)整體最有的效果。中國科學(xué)院自動化研究所智能控制與系統(tǒng)工程中心劉小明在Agent技術(shù)的基礎(chǔ)之上，對交通區(qū)域協(xié)調(diào)控制進(jìn)行了初步研究。他通過對交通區(qū)域的交叉口的結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行分析，然后將其抽象成對應(yīng)的Agent，通過多Agent之間的協(xié)商策略達(dá)到各個Agent之間相互協(xié)調(diào)的目的，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)控制。該文章從理論上一定程度的說明了實(shí)現(xiàn)區(qū)域協(xié)調(diào)控制的方向，但是沒有給出具體的協(xié)調(diào)算法和過程。東北師范大學(xué)于晨牧采用人工智能中的重要分支之一：智能規(guī)劃技術(shù)，由于交通區(qū)域協(xié)調(diào)控制是一個時間約束和資源約束相結(jié)的問題，因此采用智能規(guī)劃技術(shù)可以較好的協(xié)調(diào)這類多因素約束的問題。文章結(jié)合區(qū)域協(xié)調(diào)的問題提出了基于時序規(guī)劃的區(qū)域協(xié)調(diào)控制算法模型，該模型可以處理帶有時間和資源約束的交通信號控制問題，最后對該模型求解從而得到區(qū)域協(xié)調(diào)控制策略。 本論文的主要工作內(nèi)容本文是對區(qū)域協(xié)調(diào)控制中，相位差的設(shè)計方法進(jìn)行研究，主要介紹了相位差與路口間距、車速、交通流量、排隊(duì)等參數(shù)的關(guān)系，并選取城后街區(qū)域作為實(shí)例，以最小延誤為目標(biāo)，利用結(jié)合法的設(shè)計了相位差，最后使用vissim仿真進(jìn)行了模擬評價。 總結(jié)起來，包括以下主要內(nèi)容：第一章 緒論。主要介紹交通信號協(xié)調(diào)控制的發(fā)展?fàn)顩r及發(fā)展方向，以及本論文的主要工作內(nèi)容。第二章 交通信號協(xié)調(diào)控制中的基本概念，并結(jié)合相位差與路口間距、車速、交通流量、排隊(duì)等參數(shù)的關(guān)系，對相位差設(shè)計方法進(jìn)行的研究。第三章 選取了實(shí)際道路進(jìn)行了交通數(shù)據(jù)的調(diào)查采集，分別平峰期及高峰期路網(wǎng)的相位差進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計第四章 介紹了仿真軟件VISSM并用應(yīng)用VISSIM對優(yōu)化進(jìn)行了模擬評價。第五章 結(jié)論。2 交通信號控制及相位差參數(shù)介紹 交通協(xié)調(diào)控制中的基本概念信號相位：交通信號燈燈色的周期行變化，控制著各個不同方向的車流行止。在交叉口可以觀察到，對于不同方向的車流，在某一瞬間所獲得的燈色顯示是不同的。一股或幾股車流，它們在一個信號周期內(nèi)，不管任何瞬間獲得完全相同的燈色顯示，那么就把它們獲得不同燈色的連續(xù)時序稱作一個信號相位。信號階段：相位階段是指階段是在信號周期的某一時間段內(nèi)，為一個或多個交通流同時給出通行權(quán)的信號顯示狀態(tài)。一個階段可以包括一個或多個信號相位，這些信號相位不相互沖突。周期：是指信號燈色發(fā)生變化，顯示一個循環(huán)所需的時間，也稱周期長，即紅、黃、綠燈時間之和。用C表示，單位為s。綠信比：是指在周期長內(nèi)的各相位綠燈時間與周期長之，用λ表示。飽和流量：是衡量路口交通流施放能力的重要參數(shù)，通常是指一個綠燈時間內(nèi)的連續(xù)通過路口的最大車流量。流量系數(shù)：是實(shí)際流量與飽和流量的比值。既是計算信號配時的重要參數(shù)，又是衡量路口阻塞程度的一個尺度。綠燈間隔時間：是指從失去通行權(quán)的相位的綠燈結(jié)束，到下一個得到通行權(quán)的相位綠燈開始所用的時間。有效綠燈時間：是指被有效利用的實(shí)際車輛通行時間。它等于綠燈時間與黃燈時間之和減去頭車啟動的損失時間。延誤：是指交通沖突或信號控制設(shè)施的限制給車輛帶來的時間損失。它是計算信號配時和衡量路口通行效果的一個重要參數(shù)，也常作為確定信號控制系統(tǒng)性能的重要參量。車隊(duì)離散：在城市路網(wǎng)中,車輛在上游交叉口停車線處以車隊(duì)形式出發(fā)，在到達(dá)下游交叉口停車線之前，由于每輛車的行駛速度存在差異,造成車隊(duì)的頭部和尾部之間的距離逐漸增大,從停車線駛離的聚集車輛逐漸分散,這種車流變化的特點(diǎn)稱之為車隊(duì)離散。 相位差與各參數(shù)關(guān)系 相位差的基本概念相位差，有絕度時差和相對時差之分。絕對時差是指各個信號的綠燈或紅燈的起點(diǎn)或終點(diǎn)相對于某一個標(biāo)準(zhǔn)信號綠燈或紅燈的起點(diǎn)或終點(diǎn)的時間之差。如圖 21 中的 Oc （C 交叉口相對于 A 交叉口而言，A 為基準(zhǔn)交叉口）。 圖21 相位差示意圖相對時差是指相鄰兩信號綠燈或紅燈的起點(diǎn)或終點(diǎn)之間的時間之差。相對時差等于兩個信號絕對時差之差。如圖 21 中的OCB（C交叉口相對于B交叉口）。 交叉口間車輛運(yùn)行速度與間距由雙向綠波的基本要求可知，如果個A、B 2個路口要實(shí)現(xiàn)完全雙向綠波，需滿足A，B間的距離是理想距離SAB=KVC/2（K∈N），其中： SAB——A、B路交叉口停車線間的距離（m ）；； C——周期時長（s）； V——車輛可連續(xù)通行的車速（ m / s）； VC/2——理想間距SL。如果為K奇數(shù)，異步協(xié)調(diào)。 如果K為偶數(shù)，同步協(xié)調(diào)；如果SAB=SL可實(shí)現(xiàn)A、B間的雙向綠波。事實(shí)上A、B之間的實(shí)際距離不可能正好是理想距離VC/2的整數(shù)倍，所以必須對B路口的相位差做一定的調(diào)整，以達(dá)到較好的相位差協(xié)調(diào)效果，路口和關(guān)鍵路口的相位差關(guān)系如圖22所示：圖22各路口和關(guān)鍵路口的相位差關(guān)系對相位差影響最大的因素是相鄰交叉口間的車流行駛速度。車流行駛速度對相位差的影響在于，車流行駛速度越小，說明交叉口間車流受到的阻礙越大，車流行駛離散程度越低，相位差的變化對干道雙向綠波寬度的影響越大，反之，車流運(yùn)行速度越大，說明交叉口間車流運(yùn)行越通暢，車流行駛離散程度越高，相位差的變化對干道雙向綠波寬度的影響越小。相鄰交叉口間距對相位差的影響在于，當(dāng)車流行駛速度一定的情況下，相鄰交叉口間距越大，車流通過這段路段的時間就會越長，即說明相鄰交叉口間的相位差就越大，綠波協(xié)調(diào)控制的效果就會越差。不難看出，相鄰交叉口間車輛行駛速度，路口間距以及相位差三者之間滿足一定的關(guān)系，一方面，在車輛行駛速度不變的前提下，路口間距越大，交叉口間綠波協(xié)調(diào)控制的可控性越弱，相位差的實(shí)際數(shù)值應(yīng)大于計算值，使在同一個綠燈時間長度內(nèi)能有盡可能多的車輛通過交叉口；另一方面，在路口間距不變的前提下，車輛行駛速度小，說明交叉口間車流受到的阻礙越大，綠波協(xié)調(diào)控制的可控性越弱，相位差的實(shí)際數(shù)值也應(yīng)大于計算值，使因排隊(duì)而延誤的車輛能盡可能快地通過交叉口。 區(qū)域交通流量根據(jù)韋伯方程可知，在信號配時時，常用的周期計算公式為 ()式中，C——信號周期時長，s； L——信號總損失時間，s。 Y——組成周期全部相位各個相位最大流量比之和相位差與周期沒有直接關(guān)系，不會因周期時長的改變而改變，而從公式中可知，信號周期的變化是會隨著道交通流特性而變化的，最直觀的是