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原文传递城市路网过饱和交通信号控制策略研究

论文题名：	城市路网过饱和交通信号控制策略研究
关键词：	城市;路网交通;交通信号控制;过饱和状态;控制策略;设计模式;状态空间;控制状态;控制问题;控制算法;饱和控制;路段;特性分析;状态特征;状态控制;系统建模;算法设计;数据分析;传输模型;控制目标
摘要：	交通信号控制是调节路网交通需求，改善路网服务水平的重要手段，尤其在路网发生严重拥堵的出行高峰期更是如此。从理论研究的角度来看，信号控制策略体现了设计者的控制思想，是复杂系统建模过程中的必须环节，也是交通阻塞机理解析中的重要影响因素。纵观对过饱和状态控制问题的研究，虽然起步较早，但限于人们对控制对象认识的水平，使得研究过程中采用的交通流模型、控制方法和控制问题描述等重要的环节有所局限。随着实际控制平台上拥挤状态控制研究的积累、元胞传输模型在城市路网交通控制问题中的突破性应用和路网可靠性问题研究的深入，使得对过饱和控制问题的认识程度逐步加深。从控制策略的发展历程上来看，交通控制与控制理论的结合也越来越紧密，从开环控制到闭环控制再到智能控制，一方面是道路用户对交通控制提出了更多更广的需求所致，另一方面是伴随着智能交通系统的深入研究和推广，通讯、数据采集和计算技术等基础技术的进步，使得研究人员的视野也更加宽广。本文在这一大的研究背景下，遵从系统建模→算法设计→结论推导的研究思路，采用仿真建模与控制建模一体化的方法，依托于详实的数据分析，对路网过饱和状态的信号控制策略进行了深入研究。本文首先对以往涉及到的过饱和控制问题进行了详细的总结，归纳出过饱和状态控制中六个基础问题，即控制小区的划分问题、控制目标的类型问题、控制方法问题、优化计算方法问题、交通流模型问题和控制策略问题。控制策略的研究与其它五个部分相互贯穿和渗透，在总结分析的基础上从道路断面、路段排队空间和路网拥挤分布等几个分析层面提取了描述过饱和状态特征的饱和度与路段密度两个指标。并进一步针对路段和交叉口设计中的正常渠化设计模式、短连线设计模式和连续车道设计模式这三种交通设计模式，以这两个指标对路段控制状态空间进行分析，得出路段过饱和控制状态特征和状态演变特征。在过饱和交通特性分析的最后部分详细阐述了协调层控制中的控制参数与控制结构的关系，以此为基点，揭示了过饱和状态下控制小区的划分本质是寻找路网中与过饱和路段相关的信号灯组的关系问题，并对过饱和控制问题进行了完整的描述。在系统建模分析的基础上，把控制算法与元胞传输模型仿真通过数据库的交互联系在一起，实现了策略开发与测试的单机仿真实验平台。在控制算法设计与实现的过程中结合了控制理论中的反馈控制和分层递阶控制思想，围绕本文提出的概率性控制目标，构造了自上而下的三层结构控制算法，并通过了仿真平台的测试。进一步通过大量的仿真数据分析得出本文研究的主要结论如下： (1)通过建立元胞传输模型与信号控制一体化的仿真测试平台，获取了动态信号配时研究过程中的基础数据支撑，为复杂控制状态条件下控制策略的开发提供了方法支持。 (2)针对过饱和状态空间，通过状态频率特性分析和状态转移频率特性分析，揭示了过饱和状态空间特性，建立了概率性的控制目标函数。这一通过对控制状态空间特性分析，并进一步寻找结合工程背景的启发式优化方法的思路也可以应用在过饱和状态以外的路网交通信号控制中。 (3)控制系统软件数据结构设计中，应结合信号阶段和信号灯组的双重表达来设计，以支持同一信号阶段内或跨信号阶段信号灯组解除绿灯相同时长约束的算法要求，进而使动态控制算法具有良好的稳定性和灵活性。 (4)对路段控制状态特征进行大量的数据分析得出，在短连线交通设计模式中，过饱和状态特征呈现两种极端的情形。一种是呈现高密度高饱和度的严重阻塞状态，在整个状态空间中难以发生状态的转移；另一种是在除了低密度高饱和度状态之外的整个状态空间中发生不稳定的跳变。对于处理这种小范围区域排队空间严重受限路段的控制问题合理的控制策略或方法应是尽可能的设计稳定通行的绿波，使得短连线路段运行在低饱和度高密度的控制状态。 (5)从动态配时的角度来考虑过饱和状态时静态配时方案计算的问题，只要动态配时方案达到调整的极限稳定状态即可以用来作为多时段选择的备选方案，建立了过饱和条件下动态配时与静态配时之间的联系。 (6)上游截流的控制策略，对于线性路网，截流范围越大缓解阻塞的控制效果越明显；对于复合路径路网，截流范围的扩大并没有带来控制效果的直接改善，但交叉口不同饱和程度、不同流向车流间拥挤发生转移，在一定的程度上体现了截流控制的效果。关键词：控制状态分析，过饱和控制策略，元胞传输模型，反馈控制，分层递阶控制，控制算法设计
作者：	袁长亮
专业：	交通信息工程及控制
导师：	杨晓光
授予学位：	博士
授予学位单位：	同济大学交通运输工程学院
学位年度：	2007
正文语种：	中文