本文關(guān)鍵詞：城市交通控制信號(hào)配時(shí)參數(shù)優(yōu)化方法研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第一章緒論；層控制，MultilevelControl）[1；2、國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r；我國(guó)在交通信號(hào)控制系統(tǒng)方面的工作起步較晚，解放前；直到20世紀(jì)70年代，有關(guān)單位又開(kāi)始這方面的研究；八十年代以來(lái)，城市道路交通問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重；TRANSYT-7F系統(tǒng)應(yīng)用于中心區(qū)53個(gè)路口（；近年來(lái)，為解決日益突出的城市交通問(wèn)題，出現(xiàn)了一批；3、交通控制系統(tǒng)發(fā)展方向；吉林大學(xué)博士

第一章 緒 論

層控制，Multilevel Control）[12-22]。這些系統(tǒng)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展完善，在今天仍然是主導(dǎo)控制系統(tǒng)。

2、國(guó)內(nèi)發(fā)展?fàn)顩r

我國(guó)在交通信號(hào)控制系統(tǒng)方面的工作起步較晚，解放前后很長(zhǎng)一段時(shí)間，只有少數(shù)幾座大城市有為數(shù)不多的單點(diǎn)定周期控制交叉口[8]。

直到20世紀(jì)70年代，有關(guān)單位又開(kāi)始這方面的研究，陸續(xù)試驗(yàn)了感應(yīng)式、定周期信號(hào)控制[10]。1979年北京前三門大街4個(gè)交叉口進(jìn)行交通干線計(jì)算機(jī)（DJS-130型計(jì)算機(jī)）協(xié)調(diào)控制試驗(yàn)成功。到1980年單點(diǎn)定周期信號(hào)機(jī)在全國(guó)大中城市得到了較廣泛的應(yīng)用，北京、天津、上海等城市初步開(kāi)始采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行干道協(xié)調(diào)控制和感應(yīng)控制。

八十年代以來(lái)，城市道路交通問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。國(guó)家一方面進(jìn)行以改善城市市中心交通為核心的交通控制系統(tǒng)研究，如：在國(guó)家計(jì)委、國(guó)家科委的支持下，交通部、公安部、南京市完成了“七五”攻關(guān)項(xiàng)目，建成了南京城市交通控制系統(tǒng)HT-UTCS（代號(hào)2443）；另一方面采取引進(jìn)與開(kāi)發(fā)相結(jié)合的方針，建立了一些城市道路交通控制系統(tǒng)，如：1984年北京引進(jìn)了南斯拉夫

TRANSYT-7F系統(tǒng)應(yīng)用于中心區(qū)53個(gè)路口（即二環(huán)路及其以內(nèi)）。1985年又引進(jìn)了 SCOOT系統(tǒng)，應(yīng)用于東區(qū)39個(gè)路口，于1987年8月建成投入使用，后來(lái)擴(kuò)展到北區(qū)和西區(qū)。另外，上海、廣州、沈陽(yáng)還引進(jìn)了SCAT系統(tǒng)，大連、成都、青島引入了SCOOT系統(tǒng)，長(zhǎng)春引進(jìn)了西班牙圣科（SAINCO TRAFICO）系統(tǒng)，深圳市引進(jìn)了日本的京三（KYOSAN）系統(tǒng)。這些交通信號(hào)控制系統(tǒng)在一定程度上起到了提高城市道路運(yùn)行效率，緩解交通擁擠的作用。但是由于我國(guó)開(kāi)發(fā)能力相對(duì)落后，機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車混行等因素，導(dǎo)致引進(jìn)的系統(tǒng)多數(shù)執(zhí)行的是單點(diǎn)多時(shí)段控制，少數(shù)具有簡(jiǎn)單的協(xié)調(diào)功能。而檢測(cè)設(shè)備的損壞和系統(tǒng)維護(hù)工作的滯后也在一定程度上影響了控制效果[23-26]。

近年來(lái)，為解決日益突出的城市交通問(wèn)題，出現(xiàn)了一批專業(yè)從事交通控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的公司，如：北京布魯盾公司、京安通訊交通設(shè)施有限公司、清華紫光智能交通事業(yè)部、北京市振隆重科技發(fā)展公司、青島海信網(wǎng)絡(luò)科技股份有限公司、上海寶康公司、上海交大高新技術(shù)公司、無(wú)錫錫山大為科技、南京28電子研究所等。他們通過(guò)自行研究，或與清華大學(xué)、吉林大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)等高等院校合作，相繼開(kāi)發(fā)了一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的城市交通控制系統(tǒng)，這些產(chǎn)品正逐步在各類城市得到使用。

3、交通控制系統(tǒng)發(fā)展方向

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吉 林 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文

伴隨著現(xiàn)代高新技術(shù)的廣泛推廣與應(yīng)用，城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出兩大發(fā)展趨勢(shì)[27-53]。

（1）控制理念的變化

控制側(cè)重點(diǎn)由微觀向宏觀轉(zhuǎn)變，人們開(kāi)始從全局和整體角度出發(fā)考察交通系統(tǒng)運(yùn)行、交通流組織、交通規(guī)劃、土地利用及其相關(guān)關(guān)系，從而把握城市交通系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，解決城市交通問(wèn)題，進(jìn)而保證城市大系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。

（2）人工智能技術(shù)的應(yīng)用

人工智能（Artificial Intelligence，AI）的研究始于20世紀(jì)50～60年代，計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用促成了人工智能的巨大發(fā)展，針對(duì)傳統(tǒng)交通控制系統(tǒng)技術(shù)的缺點(diǎn)，交通工程師把人工智能的專家系統(tǒng)（Expert System，ES）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificial Neural Network，ANN）、模糊控制（Fuzzy Control，F(xiàn)C）、遺傳算法（Genetic Algorithm，GA）等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用到交通工程領(lǐng)域，使得交通控制系統(tǒng)的智能化水平得到進(jìn)一步提高。隨著這些技術(shù)的逐步成熟和完善，實(shí)用化程度的提高，對(duì)硬件要求的降低，必將使城市交通信號(hào)控制系統(tǒng)呈現(xiàn)更廣闊的發(fā)展前景。

1.3 本論文的主要研究?jī)?nèi)容及意義

1.3.1 論文研究?jī)?nèi)容

先進(jìn)的交通信號(hào)控制系統(tǒng)是多種軟硬件技術(shù)的綜合體，它涉及交通信息采集與處理技術(shù)、交通流量預(yù)測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制與最優(yōu)化技術(shù)、通訊技術(shù)、仿真技術(shù)等多個(gè)組成部分，需要跨學(xué)科、多領(lǐng)域?qū)＜业墓餐献鳌Ｆ渲行盘?hào)配時(shí)參數(shù)優(yōu)化是其核心技術(shù)和最終解決目標(biāo)。信號(hào)交叉口的實(shí)際通行能力，車輛通過(guò)交叉口時(shí)受阻滯程度（延誤時(shí)間和停車次數(shù)），以及其它交通效益量度指標(biāo)都直接受配時(shí)方案影響。最優(yōu)控制，其實(shí)質(zhì)就是最優(yōu)配時(shí)。改善配時(shí)設(shè)計(jì)方法，設(shè)法尋求一個(gè)最佳配時(shí)方案，便成了提高城市交通運(yùn)行效率，最終取得良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益的關(guān)鍵。因此本論文選擇信號(hào)配時(shí)參數(shù)優(yōu)化作為主要內(nèi)容加以重點(diǎn)研究。

對(duì)于固定式（或自適應(yīng)）交通控制，主要優(yōu)化的配時(shí)參數(shù)有：周期時(shí)長(zhǎng)（Cycle Length）、綠信比（Split）和相位差（Offset），其中周期時(shí)長(zhǎng)、綠信比既用于單點(diǎn)孤立控制交叉口，也用于實(shí)行聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制的交叉口群。而相位差則是協(xié)

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第一章 緒 論

調(diào)控制時(shí)使用的一個(gè)重要參數(shù)。對(duì)于感應(yīng)式控制，主要優(yōu)化的配時(shí)參數(shù)有：最小綠燈時(shí)間（Minimum Green Time）、單位綠燈延長(zhǎng)時(shí)間（Unit Extension Time）和最大綠燈時(shí)間（Maximum Green Time）。信號(hào)配時(shí)參數(shù)的優(yōu)化就是對(duì)上述這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算或優(yōu)選。對(duì)于固定式（或自適應(yīng)）配時(shí)參數(shù)優(yōu)化，最理想的方法是在確定優(yōu)化目標(biāo)和配時(shí)參數(shù)關(guān)系的基礎(chǔ)上，同時(shí)優(yōu)化三個(gè)參數(shù)，從而尋求最佳信號(hào)配時(shí)方案。但是這就需要反復(fù)迭代和大量計(jì)算，對(duì)于實(shí)時(shí)控制來(lái)說(shuō)是不切實(shí)際的，尤其是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)所含交叉口數(shù)量較多時(shí)更是如此。為節(jié)省控制計(jì)算機(jī)的CPU時(shí)間以及對(duì)硬件設(shè)備的要求，更通用的研究思路是各參數(shù)分別優(yōu)化，即首先研究對(duì)交叉口交通控制起決定作用的周期時(shí)長(zhǎng)參數(shù)，然后將其按照控制原則分配到各信號(hào)相位，最后考慮各交叉口間的相互協(xié)調(diào)問(wèn)題。本文采用后者進(jìn)行研究。

論文突破以往按照點(diǎn)、線、面的傳統(tǒng)研究順序，以城市交通控制系統(tǒng)信號(hào)配時(shí)參數(shù)優(yōu)化為主線，在總結(jié)信號(hào)配時(shí)參數(shù)優(yōu)化技術(shù)已有成果的基礎(chǔ)上，利用優(yōu)化理論詳細(xì)研究了固定式（或自適應(yīng)）、感應(yīng)式控制配時(shí)參數(shù)優(yōu)化方法。本論文的研究?jī)?nèi)容由幾個(gè)相互聯(lián)系的部分組成，具體內(nèi)容如下：

（1）城市交通控制系統(tǒng)基本理論。該部分首先介紹了交通信號(hào)控制中信號(hào)相位、信號(hào)階段、周期時(shí)長(zhǎng)、綠信比、相位差等基本概念；接著討論了交叉口設(shè)立信號(hào)燈的利弊和依據(jù)；信號(hào)相位相序優(yōu)化設(shè)計(jì)原則和方法；最后探討了反映城市交通控制系統(tǒng)信號(hào)配時(shí)優(yōu)劣的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)和輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)，以及它們與信號(hào)配時(shí)參數(shù)的關(guān)系。這些內(nèi)容是全文的基礎(chǔ)，它為信號(hào)配時(shí)參數(shù)優(yōu)化的深入研究提供了基本理論依據(jù)。

（2）周期時(shí)長(zhǎng)優(yōu)化方法研究。周期時(shí)長(zhǎng)和交叉口通行能力、車輛平均延誤等直接相關(guān)，在固定式（或自適應(yīng)）信號(hào)配時(shí)中，它是決定交通信號(hào)控制效益的關(guān)鍵控制參數(shù)。本部分深入研究了各種常用周期時(shí)長(zhǎng)優(yōu)化方法，包括：TRRL法、ARRB法、HCM法、沖突點(diǎn)法，對(duì)比分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。然后利用交通流量、時(shí)間占有率兩個(gè)交通流參數(shù)，提出了反映交叉口交通負(fù)荷的交通強(qiáng)度模型，作為周期時(shí)長(zhǎng)的優(yōu)化依據(jù)。根據(jù)時(shí)間占有率計(jì)算公式，可將其轉(zhuǎn)換為速度的函數(shù)，利用交通流理論流量與速度關(guān)系的伊迪模型，研究了交通強(qiáng)度隨流量的變化規(guī)律。針對(duì)常見(jiàn)的2～5個(gè)關(guān)鍵相位交叉口，首次給出了基于交通強(qiáng)度的周期時(shí)長(zhǎng)優(yōu)化模型。該方法可以唯一地確定交通流的狀態(tài)，彌補(bǔ)了以前方法的缺陷。通過(guò)長(zhǎng)春市三個(gè)交叉口的攝像調(diào)查，對(duì)方法進(jìn)行驗(yàn)證，周期時(shí)長(zhǎng)計(jì)算值與實(shí)際交通狀況較吻合，低峰時(shí)段延誤較低，高峰時(shí)段通行能力較大，實(shí)現(xiàn)了

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吉 林 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文

優(yōu)化目標(biāo)，可用于周期時(shí)長(zhǎng)的優(yōu)化。論文還提供了一個(gè)四關(guān)鍵相位的交叉口配時(shí)實(shí)例。最后，論文研究了協(xié)調(diào)控制中周期時(shí)長(zhǎng)的優(yōu)化方法，包括周期時(shí)長(zhǎng)的確定和雙周期交叉口的判斷。

（3）綠信比優(yōu)化方法研究。綠信比反映交叉口各相位綠燈時(shí)長(zhǎng)的大小，綠信比優(yōu)化就是在各相位之間合理分配綠燈時(shí)間。本章首先回顧了韋伯斯特提出的“等飽和度”原則，以及阿克塞立科的“不等飽和度”修正方法，進(jìn)而研究了關(guān)鍵相位的判斷方法，并在此基礎(chǔ)上深入研究了有無(wú)搭接相位等情況下綠信比的優(yōu)化方法以及實(shí)際綠燈顯示時(shí)間的計(jì)算。

（4）相位差優(yōu)化方法研究。相位差是城市交通協(xié)調(diào)控制中的一個(gè)重要配時(shí)參數(shù)，它直接關(guān)系到協(xié)調(diào)效果的好壞。本部分對(duì)圖解法、數(shù)解法、結(jié)合法、爬山法進(jìn)行了研究，分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。并對(duì)實(shí)用相位差優(yōu)化方法——數(shù)解法進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的數(shù)解法可以實(shí)現(xiàn)流量不平衡下的雙向綠波計(jì)算，存在雙周期交叉口的協(xié)調(diào)子區(qū)綠波帶計(jì)算，影響綠波帶寬度交叉口的識(shí)別，綠波帶線性方程組的求解等功能。同時(shí)論文根據(jù)長(zhǎng)春市路段車流離散特性調(diào)查，以車輛延誤為優(yōu)化目標(biāo)，應(yīng)用結(jié)合法研究了區(qū)域控制下基于車輛到達(dá)與駛離圖式的相位差優(yōu)化方法。

（5）感應(yīng)控制配時(shí)參數(shù)優(yōu)化方法研究。感應(yīng)控制是一種非常靈活的交通控制方式，在一些特定條件下具有非常好的控制效果。本部分首先回顧了感應(yīng)控制的發(fā)展?fàn)顩r，以及感應(yīng)控制的分類和簡(jiǎn)易流程；接著詳細(xì)研究了感應(yīng)控制配時(shí)三參數(shù)優(yōu)化方法和理論。首次提出了可變單位綠燈延長(zhǎng)時(shí)間的優(yōu)化模型，并以長(zhǎng)春市明德路－百匯街交叉口為例進(jìn)行了研究。

1.3.2 論文研究意義

在我國(guó)，為了保證城市交通的可持續(xù)發(fā)展，各級(jí)政府部門對(duì)交通管理工作給予了高度重視，建立先進(jìn)的交通控制系統(tǒng)已成為城市交通管理部門的共識(shí)。根據(jù)公安部、建設(shè)部在2000年聯(lián)合推出的“暢通工程”的要求，地市級(jí)以上城市必須建設(shè)交通指揮中心，對(duì)城市交通進(jìn)行科學(xué)、有效管理。而我國(guó)265個(gè)地級(jí)市中（截止2001年底），已建成和將要建成交通信號(hào)控制與管理系統(tǒng)的只有30個(gè)左右，而且多數(shù)為國(guó)外引進(jìn)的系統(tǒng)。全國(guó)共有信號(hào)控制交叉口數(shù)量不到1萬(wàn)個(gè)（截止2001年底），遠(yuǎn)小于發(fā)達(dá)國(guó)家的數(shù)量（美國(guó)30萬(wàn)個(gè)，日本10萬(wàn)個(gè)）

[8，10，26]。由此可見(jiàn)我國(guó)城市對(duì)交通控制系統(tǒng)需求的緊迫性和深入研究控制原理的必要性。另外，自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用還可以帶動(dòng)與交通有關(guān)的設(shè)備及軟件開(kāi)發(fā)，從而替代國(guó)外同類產(chǎn)品。

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第一章 緒 論

論文的研究將為深入研究適合中國(guó)國(guó)情的城市交通控制系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)，其研究成果對(duì)于改善交叉口配時(shí)設(shè)計(jì)方法，降低交叉口平均延誤，提高道路網(wǎng)使用效率和交通安全性，緩解城市交通擁擠、空氣污染、車輛燃油消耗以及噪聲污染具有現(xiàn)實(shí)意義。文中配時(shí)參數(shù)優(yōu)化方法和理論模型已經(jīng)完成程序編制開(kāi)發(fā)，并集成于信號(hào)機(jī)中，正在進(jìn)行示范工程，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)城市交通控制系統(tǒng)現(xiàn)代化具有較高的理論指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

1.4 小 結(jié)

本章首先簡(jiǎn)要地介紹了課題來(lái)源，論文研究背景。接著剖析了先進(jìn)的城市交通控制系統(tǒng)在解決城市交通問(wèn)題中所起到的作用，并回顧了城市交通控制的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r。最后簡(jiǎn)單概括了本文的主要研究思路和結(jié)構(gòu)安排，闡述了研究配時(shí)參數(shù)優(yōu)化方法的意義。

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