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原文传递城市交通信号灯管理控制系统研究

论文题名：	城市交通信号灯管理控制系统研究
关键词：	城市交通;交通信号灯控制;模糊控制;人工神经网络;智能控制;公交优先;极大权重独立集
摘要：	交通大系统是社会经济的“血液循环系统”，是制约经济发展的瓶颈。研究交通问题具有重大的理论和现实意义，为此交通问题吸引了众多学者的注意。交通问题也是运筹学中研究的重要问题之一，它越来越受到运筹学家的重视，尤其是近年来人们发现物流是另外一条节约成本的重要途径，是“第三利润源泉”之后更是如此。在交通方式中有一个重要的方面，那就是城市内部的交通问题。随着社会生产力的不断发展和人类社会的不断进步，各国特别是像我国这样的发展中国家城市化水平会越来越高，城市交通问题会越来越严重，严重的堵车现象是每个人有目共睹和亲身体验的。究其原因，主要有：或是现行路网的通行能力不够，或是现行路网的道路定向不合理，或是由于对交通流的管理控制不力。解决城市交通问题的根本途径有两条：一是加快交通设施建设；二是加强交通管理。然而在城市内修建或扩建已有道路的可能性越来越小，因而加强对现有道路的合理利用以及对交通信号灯的有效控制和管理成为改善交通状况的重要途径。 2001年刘家壮教授提出分三个层面解决城市内部的交通问题，即从城市路网的优化改造、城市道路的合理定向和城市交通信号灯智能控制三个层面系统探讨解决城市交通问题。 2002年刘京礼[5]、2003年王新红[6]、2004[7，10]年韩强的论文分别主要对第一、第二层面进行比较详细的探讨和研究，当城市交通路网经过优化改造和合理定向以后，如何指挥控制交通流有序快速的运行，即如何利用交通信号灯控制交通流将成为城市交通管理的核心问题。本文将继续城市交通问题的研究，开始讨论第三个层面的问题，即系统地对城市交通信号灯的智能控制与管理进行讨论和研究，对整个信号灯控制系统进行较为详细的刻画。利用红绿灯来控制和管理交通的方式已有百余年的历史。交通信号诞生于1868年，最早采用燃气燃烧发光，随着科技的进步和交通的发展，信号机不断的获得改进，今天已达到了完全自动化的水平。交通信号灯的作用主要是从时间上将相互冲突的交通流分离，使其在不同的时间通过，以保证行车安全；同时交通信号对于组织、指挥和控制交通流的流向、流量以及维护交通秩序等均有重要的作用。而城市交通系统是一个不确定影响因素众多的复杂系统，用以往精确建模的方法或人为预定多套方案的方法，难以达到令人满意的控制效果，为此本文试图采用近年来研究开发的模糊控制技术与传统城市交通控制系统相结合的方式，对城市交通系统进行智能控制。其主要思路是当交通流量较小(如夜间)或很大(如高峰)的情况下实行各路口信号的定时控制，当交通流量较大的情况下实行各路口信号的模糊控制，即实现系统的分级模糊控制。采用分级控制时，可将整个城市交通路网看作一大系统，干线为子系统，而干线上的各交叉路口又是子系统的组成部分，这样可以构成递阶结构。为此，本文首先考虑单交叉路口交通信号灯的模糊控制，然后考虑整条干线上交通信号灯的模糊控制，最后综合考虑整个面上的模糊控制，这样形成一种由“点”到“线”，再到“面”的系统控制模式，从而达到对整个城市交通系统有条不紊的控制。另外，根据现阶段我国城市交通的实际情况，利用图论中的染色理论探讨一条解决交通问题的有效途径，即优先发展城市公共交通系统。全文共分为五章：第一章绪论。首先介绍了本文的选题背景和动机；为了叙述的完整性，介绍了文中采用的一些术语和符号的意义，包括本文需要的图论、模糊集理论、人工神经网络的一些基本术语与符号、基本概念；文章中采用的模糊控制的基本步骤和原理；叙述了人工神经网络算法的基本过程及信号灯控制的基本概念；最后给出了本文的整体内容框架。第二章考虑单交叉路口交通信号灯的模糊控制。在采用模糊控制方法的同时，本文兼顾固定配时方案在特殊情况下的重要作用，讨论了两种系统的有机结合；并且充分考虑了行人和非机动车辆的放行。在实现模糊控制的过程中，模糊控制器的设计利用了人工神经网络技术，根据检测和记录的路口车流通行数据，自适应的调整模糊控制器的各变量参数以及模糊控制规则，使得模糊控制器本身具有自学习、自提高和自适应的能力，提高了控制器的智能性。并对上述两个过程进行了仿真研究，结果令人满意，证明这样的方法是有效的。第三章考虑城市交通信号灯的联控系统的设计和实现，对线控和面控系统进行了较为详细的讨论。首先介绍了线控和面控系统的复杂性及现状；接着分别讨论了本文设计的模糊线控系统控制器、协调器以及模糊面控系统控制器、协调器；针对面控系统更大的复杂性，文章主要对两种特殊的区域内交叉路口的联合协调控制进行了讨论，作为从线控向大范围面控的一种过渡；文中仍然主要利用绿灯延时策略，采用模糊智能的方法来实现对交通信号灯控制器的设计。第四章讨论了一条解决现阶段我国城市交通问题的有效途径，即优先发展城市公共交通系统。首先文章讨论了优先发展城市公交系统对解决我国城市交通问题的重要性，分析了如轻轨、地铁、公共汽车等公交方式的快捷和便利，但从成本角度，轻轨地铁造价很高，因此文中主要讨论公共汽车的优先权问题，文章主要采用优化设计交通信号灯通行相位的方法来达到优先放行公共汽车的目的。讨论了图论中的极大独立集问题和极大权重独立集问题，给出了求解给定顶点极大独立集和极大权重独立集较通用的算法，并利用给出的算法设计了一种考虑公共汽车优先放行的相位优化有效的实现方案，即实时组合车流构成相位加以放行。第五章结束语和展望，讨论了交通信号灯控制与管理问题的前景以及控制系统发展的未来。文章首先分析了本文研制的单交叉路口模糊控制系统的一些需要改进的地方，讨论了文中采用方法的不足之处以及改善的方法；提出了联控系统中一个新问题，特别在面控系统的具体实现过程中如何划分控制区域，分析了这个问题的难度，探讨了解决问题的方法；最后指出智能交通信号灯控制系统在理论和实践中都具有重要意义。本文的创新点：文章主要内容第二、三章主要从点、线、面系统的角度讨论了城市交通信号灯的模糊智能控制问题；第四章利用图的染色理论给出了通过优化相位的方法来优先放行公交车的极大独立集以及极大权重独立集的方法。归纳起来创新处主要有以下几点： 1.单交叉路口信号灯的控制问题。给出了单交叉口信号灯的控制算法，把常用的定时控制技术和模糊控制技术有机结合起来；在具体的实现过程中充分考虑到了行人和非机动车辆的放行，根据交叉路口的车流情况进行实时控制，使得更接近实际情况；采用了模糊控制技术和人工神经网络相结合的方法，不仅利用了模糊控制的优点，而且通过人工神经网络优化模糊控制规则和控制参数，使信号灯模糊控制器具有了自学习、自调整、自适应的智能性，达到对控制器优化的目的；并对控制的过程进行了仿真研究，结果令人满意。 2.交通干线上和区域内的信号灯协调控制问题。采用模糊控制技术设计了线控和面控系统控制器，给出了线控和面控的控制算法；较合理选择了具体的控制参数和协调参数；对线控和面控系统的车流状况进行了较为详细的分析和讨论。 3.优先发展城市公共交通问题。利用图的极大独立集和极大权重独立集合理的实时划分交通信号灯相位，给出了求极大独立集与极大权重独立集较通用的算法，并利用它们给出了实时组合车流构成相位加以放行的算法，从而实现优先放行公共汽车的目的，达到对交通信号灯的有效管理；考虑了联控系统区域划分问题，考虑了这个新问题，并给出了基于图收缩运算的划分算法。
作者：	刘治平
专业：	运筹学与控制论
导师：	刘家壮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文