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原文传递基于智能计算的城市交通信号控制系统研究

论文题名：	基于智能计算的城市交通信号控制系统研究
关键词：	城市路网;信号控制系统;交通模式识别;交通流特性;智能计算
摘要：	随着社会经济的发展和城市化进程的加快，城市人口数量以及机动车保有量呈现逐年上升的趋势。城市道路交通拥挤和交通阻塞已经成为世界大中城市普遍存在的问题，并且由此带来了一系列的社会问题，比如交通事故剧增、环境污染、能源紧缺等。大力发展城市交通智能控制系统是解决现代社会交通需求与供给矛盾的重要途径之一。实现城市交通系统的智能控制不仅有利于提高交通运输效率，增加道路交通运营安全，而且还关系到土地资源与能源的合理利用、城市环境的改善，乃至国民经济的持续发展和社会效益的提高。　　基于智能计算方法的城市交通信号控制是城市交通智能控制的重要内容之一，对提高城市道路网络通行能力，减少车辆行车延误具有重要意义。目前，我国大中城市的交叉口多为信号控制交叉口，并且大部分信号控制机采用定时信号控制策略，路网部分交叉口布设了视频检测器或者感应线圈用以检测交通流量。本论文立足我国城市交通基础设施建设实际，尝试构建一个基于交通模式识别的交通信号控制系统：如果控制区域内所有交叉口均布设车流检测设备，则根据车流检测设备实时采集的交通流信息，进行交叉口交通模式识别，进而调用与交通模式相适应的信号控制方案；如果控制区域内部分交叉口未布设车流检测设备，则根据车流的时间分布规律对交叉口交通模式进行识别，将控制时域划分为若干时间段，针对不同的时间段调用相应的信号控制方案。　　该交通信号控制系统的方案库是预先给出的，信号配时优化算法将干线协调控制与单点定时鲁棒控制相结合，在保证信号控制系统效率的前提下，有效提高了信号控制方案对于流量波动的稳定性。对于布设车流检测设备的区域，该系统采用方案选择式信号控制策略，能够充分利用现有硬件设备，提高信号控制方案的效率以及稳定性；对于未布设车流检测设备的区域，该系统采用定时信号控制策略，对交通信号机的要求低，实施和维护费用低，能够以最少的经济投入，提高交叉口通行能力，最大限度地提高信号控制路网车辆运行效率，减少车辆延误及停车次数，进而降低车辆燃油消耗以及尾气排放。　　论文针对构建该系统的关键技术问题展开研究，主要包括了以下六个方面：　　 (1)在总结和评述国内外学者对于交通流模型研究成果的基础上，基于元胞自动机原理，提出了一个更具普适性的信号控制路网交通流模型。通过改进开放性边界条件，利用一维元胞自动机模型模拟协调控制主干路交通流状况。该模型采用差分方程的形式描述车辆动态行为，解除了信号灯等间距布设的限制，每个交叉口的信号灯可以根据交通流变化自由选择绿信比，相邻交叉口采用绿波控制方式调整相位差。论文利用Matlab软件对模型进行仿真，分析了驶入主干路流量以及干、支路的转弯流量对于主干路平均速度、平均密度和平均流量的影响。在仿真结果的基础上，提出了相应的控制措施改善主干路交通状况，为城市交通信号配时方案库的建立提供了理论依据。　　 (2)结合我国城市道路信号控制机以及车流检测器的布设现状，提出了一个基于交通模式识别的城市交通信号控制系统框架，分析了该系统的工作原理以及功能模块的构成，并对构建该系统所需的智能计算方法(粗糙集理论、模糊神经网络、遗传算法、元胞传输理论)的概念、原理以及适用性进行了阐述和分析。　　 (3)基于粗糙集理论、模糊逻辑以及人工神经网络等智能计算方法，构建了用于交叉口交通模式识别的粗模糊神经网络模型。该模型由两个阶段构成：第一阶段，基于粗糙集理论的交通参数约简，得到能够表征交叉口交通特征的最小属性集合；第二阶段，利用第一阶段得到的最小属性集合，建立基于模糊神经网络的交叉口交通模式识别模型。该模型为交通参数数据采集、分析以及处理提供了必要的理论依据，为实现交通模式识别提供了技术支持，是建立交通信号控制系统的前提与基础。　　 (4)针对单点交叉口定时信号控制无法适应交通流变化的缺陷，提出了单点交叉口定时信号鲁棒控制的思想。在信号控制方案效率优化的基础上，加入了改善控制方案鲁棒性的子目标。论文选择车辆平均延误标准差最小这一指标衡量信号控制方案的稳定性。并通过试算实验，得到了鲁棒控制目标与效率控制目标的权重系数，建立了多目标规划模型，对交叉口的周期以及绿信比两个参数进行优化。　　 (5)建立了基于元胞传输模型的干线协调控制模型，以优化路网相邻交叉口的相位差。该模型利用元胞传输理论模拟信号控制主干线交通流，并以此为平台分析车辆延误、停车次数、车辆通过量等评价指标。以主干线车辆总延误最小，停车总次数最少以及单位周期内通过车辆数最多为目标函数，以相位差约束为约束条件建立了协调控制优化模型。并采用遗传算法对模型进行求解。求解结果表明，基于元胞传输模型的城市主干线协调控制优化模型有效降低了车辆延误，减少了车辆停车次数，提高了主干线通行能力。　　 (6)设计交通信号控制系统算法，构建城市交通信号控制方案库，建立基于交通模式识别的交通信号控制系统。将单点交通信号鲁棒控制模型与干线协调控制模型有机结合为一个整体，用以优化交叉口交通信号配时参数(周期、绿信比以及相位差)。该模型充分考虑了城市主干线的交通流特性、上游交叉口排队长度对下游交叉口信号配时的影响以及信号控制对交通流的调节作用，为区域信号控制优化提供了思路和借鉴。最后，将此模型推广到区域范畴，并结合道路网络实际，进行了计算机仿真分析。仿真结果表明，该控制系统在不同流量状态下均能够有效地控制车辆延误、减少车辆的停车次数以及提高车辆通过量，控制方案的稳定性较好。　　最后，对论文的创新点以及不足进行了总结分析，提出了未来的研究重点和方向。
作者：	张萌萌
专业：	检测技术与自动化装置
导师：	贾磊
授予学位：	博士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文