《城市主干道交通信号群系统控制的参数优化设计模式及其.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《城市主干道交通信号群系统控制的参数优化设计模式及其.pdf（5页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、第!卷第!期#!年$月交 通 运 输 工 程 学 报%&()*+&,-(*,./*)0-(*)1 2&(3*3.&)4)5.)6 6(.)57&+8!9&8!:*(;#!收稿日期作者简介魏朗?!A B=C D男D四川阆中人D长安大学教授D博士D从事道路交通安全研究;城市主干道交通信号群系统控制的参数优化设计模式及其模拟系统开发魏朗!D陈荫三!D饭田 恭敬?!8长安大学 汽车学院D陕西 西安B!#E F G 8日本京都大学C摘要在引入交叉口信号状态位差概念基础上D提出交通信号系统控制的比例信号相位差设计方案D并在HI:信号延迟计算式的基础上整理出规范化的信号周期及有效绿信号比优化设计模型D从而构
2、成一套完整的城市主干道交通信号群系统控制参数优化设计模式J采用7IKK程序设计语言编制了具有较好可视性的模拟系统软件D并用此系统软件进行了模拟实验D验证了控制参数优化设计模式的正确性J关键词交通信号系统控制G信号状态位差G参数优化中图分类号 LF !8 A!文献标识码 MN O PQ R S T UV W Q X X Y P S Y Z V S S P V P _ P W R UP S X a T Ub W V S T T a T c V W Y d S W a e Y S P U f g V hV T i V jk lm n o p!Dq rk s t u o=v n o!Dm l wxt
3、n v y o z u?!8 I&+6 5 6&,M 3&|&.+6 DI *)5!*)L).6(1.3#D$.!*)B!#E F DI .)*G 8%#&3&L).6(1.3#D%*2*)C&g Y S V S(*1 6 0&)3 6/&)/6 2 3&,3 61 3*3 62&1.3.&)0.,6(6)/6 1&,3(*,./1.5)*+1*3 3 6.)3 6(1 6/=3.&)1 D3 60 6 1.5).)52+*)*)0|&0 6+.)1.5)*+1/&)3(&+1#1 3 6|*(62(6 1 6)3 6 0;M/&|2(6 6)1.62*3 3 6().)3 63(*,./1.
4、5)*+1/&)3(&+1#1 3 6|&)3 6(*)|*.)(&*0.1 0 6 6+&2 6 0;-67IKK2(&=5(*|.)5+*)5 *5 6.1 3.+.)6 03&0 6 6+&2.1 *+1.|+*3.&)1&,3*(6;-61.|+*3.&)6+2 6(.|6)3 1*(6/*(.6 0&3 3&*+.0*3 63 6/&(6/3&,3 6/&)3(&+2*(*|6 3 6(1;,P e-Y 3(*,./1.5)*+1/&)3(&+1#1 3 6|G1 3*3 62&1.3.&)0.,6(6)/6 1 G&2 3.|*+&,1 6 3 12*3 3 6()城市道路交通网中
5、的主干道是保证城市社会经济活动正常运转的主动脉D一条主干道甚至于一段主干道的交通运行情势如何D将直接影响到其所涉及的周边大片区域的道路交通状态J在对城市主干道沿线的平面交叉口进行信号控制时D为了尽可能地保持主干道上车流的连续性D应根据道路及环境条件对主干道路沿线的交叉口进行分组统一管理D即对城市主干道的区段交通信号群实施以联动形式为特征的系统控制J实际中的城市主干道的交通状态是经常变化的D因此D经济发达国家的城市主干道交通信号控制系统中大都设有车辆感知器D每A|.)整理一次交通状态的观察统计数据并通过指挥中心的参数设计模式计算调整控制系统的控制参数D期望达到适时最佳控制的效果J而对于已具备信息
6、反馈端的闭环交通控制系统来说D其控制效果的时效性及准确性在很大程度上依赖于控制参数设计计算模型的适应性和精确度J对由一组数个交叉口组成的主干道区段交通信号群进行系统控制时比起只对单个交叉口进行地点控制而言D除了需要确定信号周期和有效绿信号比以外D更为重要的是还必须按顺序确定沿线各个交叉口主干道线入口的绿信号开始时刻J只有在所确定的系统信号相位差相对于同时期该主干道上的交通状态而言是.合适/的取值时D才能使通过该区段万方数据主干道的交通流最大限度的顺畅!系统控制的控制效率达到最高讫今为止!按所采用评价指标的不同而提出了两大类系统信号相位差的设计方案#$%&以车辆通过控制区段时的总延迟时间作为交通
7、信号群系统控制的控制效果评价指标!以追求平均延迟时间最小为设计目标的系统信号相位差设计方案该方案从理论上讲应是最为合理的设计方案之一!但由于影响车辆通过控制区段时的总延迟时间的因素太多!要建立一个有较高精度且具适时性的延迟时间目标函数决非易事!因此此方法还很少在实际信号控制系统中得到采用$&以车辆通过控制区段各个交叉口时(刚好)连续遇到绿信号而形成的车流共同通行带宽作为交通信号群系统控制的控制效果评价指标!以追求最大上行及下行共同通行带宽为目标的系统信号相位差设计方案该方案设计效果直观而计算形式简洁!适用于实际交通信号控制系统在以车流共同通行带宽作为评价指标的系统信号相位差设计方案中!至今共有
8、所谓优先信号相位差法*平均信号相位差法*同步信号相位差法及交替信号相位差法等+种具体计算方法,%!-.!每种方法都是以各自有所要求的特定交通状态为适用前提它们都缺乏对于控制区段主干道实际交通状态连续变化时的适应性即使是在一个交通信号群系统控制参数设计模式中上述+种信号相位差计算方法一起被采用!也只能实现对复杂交通状态中的+种情况的最适控制!而对其它状态则只能是近似控制针对上述情况!本研究在引入区段交通信号群交叉口信号状态位差概念的基础上!提出可称之为比例信号相位差法的同样以追求最大共同通行带宽为目标的系统最适信号相位差设计方案此方案的基本计算模型中不仅包括了上述+种特定计算方法!而且由于此方案
9、确定系统信号相位差的计算模型是对应于各种交通状态的连续函数!因而更有助于实现对交通状态复杂变化的城市主干道进行真正意义上的适时系统控制本研究首先在/0 1 2 34 56 4 7 4 8 0 9 5:4;.$以后简称为/6:延迟计算式&的基础上!加入与道路实际交通状态相适应的各种制约条件!整理提出规范形式的主干道区段交通信号群系统控制信号周期及有效绿信号比的优化设计模型然后建立区段交通信号群交叉口信号状态位差计算模型!进而分别提出在既定车流速度条件下的系统最适信号相位差计算方法和以车流速度为辅助设计参数的系统最适信号相位差优化设计模型最后!利用?6程序设计语言编制成直接在A0;B C 3D操作
10、平台上运行的*具有较好可视性的城市主干道区段交通信号群系统控制参数优化设计模拟系统软件!并用此系统软件对本文提出的各优化模型$计算方法&进行模拟实验!验证了其正确性和用于实际交通信号群系统控制时的可行性E系统控制信号周期及绿信号比优化设计模型在确定道路平面交叉口信号控制参数中的信号周期及有效绿信号比时通常都是以车辆通过交叉口的延迟时间作为控制效果的评价指标!以追求最小车辆平均延迟时间的形式来求取最适信号周期和有效绿信号比平均延迟时间计算方案,%!F-.很多!本文采用能有效处理从非饱和状态到临界饱和状态时交叉口入口交通量的/6:延迟计算式!加入各交叉口信号周期极限条件*入口交通量饱和制约条件及信
11、号时间损失制约条件等!整理得出如下式所示的规范化主干道区段信号群系统控制信号周期及有效绿信号比优化设计模型G0;HIHJHKLKI JMKI JHIHJHKMKI J$I N%!O J N%!O K N%!P!Q&D R 9 R S TU%THIG4 V WMKI JXKI JO J N%!YZ$K N%!P!Q&K%TG4 V WMK%JXK%JOJ N%!Y Z$K N%!P!Q&%TUKSTK%T G4 VMK JXK JWYOJ N%!Z$K N%!P!Q&KT%TUKSTK%N$K N%!P!Q&式中#S为信号周期$D&O KI为交叉口K*信号显示I时的有效绿信号比$_&O UK为交
12、叉口K的%个信号周期内的信号损失时间$D&O MKI J为交叉口K*信号显示I时!入口J的实际流入交通量$a 2 b cG0;&O XKI J为交叉口K*信号显示I时!入口J的饱和交通流率$a 2 b cG0;&O LKI J为交叉口K*信号显示I时!通过交叉口第J个入口的平均每辆车的延迟时间$D b a 2&!可由如下所示的/6:延迟计算式定量描述LKI JN d e S$%TKI&%TMKI JXKI J%f MKI JKIXKIJ,MKI JKIXKI JT%f第%期魏朗!等#城市主干道交通信号群系统控制的参数优化设计模式及其模拟系统开发万方数据!#$%#&#$()*+,*-!#$.%#
13、&#$/01+图*为一例用以此优化设计模型编制的系统软件进行计算机模拟实验时的画面输出2此例模拟实验的研究对象为一个由*个重要交叉口.记号为3/和-个一般交叉口.记号为*4-/组成的城市主干道区段交通信号群2如图*所示5本模拟系统表现出较好的可视性5在一个程序输出画面上包括了控制对象结构6计算条件6优化结果以及能使车辆延迟时间的状态变化一目了然的三维透视图形2图*系统控制信号周期及有效绿信号比的优化设计模拟实验输出画面示例7系统控制比例信号相位差设计方案本研究把从基准交叉口出发且以一定速度行驶的车辆在不考虑交通信号制约的情况下连续行驶到达控制区内某交叉口入口处时该交叉口主干道入口的信号状态相对
14、于其绿信号开始时刻的时间差定义为区段交通信号群交叉口信号状态位差.以后简称为信号状态位差/2基于信号状态位差的概念5本文提出了比例信号相位差法这一适应性较高的系统最适信号相位差设计方案27 8 9交叉口信号状态位差计算模型设:主干道交通信号群系统控制区段由*4;个平面交叉口组成5以最下行车流端的交叉口为系统信号相位差的基准交叉口且编号为*5从交叉口*按顺序到交叉口;的车流为上行车流5各交叉口绿信号开始时刻相对于基准交叉口绿信号开始时刻的绝对信号相位差分别为=.5;/且=*3 2以交叉口*的绿信号开始时刻为时间轴原点5上行车群从交叉口*出发后以一定速度不停止地行驶?时间到达第个交叉口上行入口的瞬
15、间5其交叉口信号状态位差A可由下式定量描述2AA 3A 3B CA 3)D A 3EFGH C.5;/.*/且A 3.?/JK L.D/)=3 B=BD.5;/式中:C为有效绿信号时间.M/N计算符号JK L的意义为取A被D整除后的余数2如果AO3 5则表明车群到达第个交叉口上行入口处的瞬间该交叉口主干道的信号状态为红信号5此时A的绝对值表示从此时刻信号状态到绿信号开始瞬间的时间差2且设定:A PA2如果AH3 5则表明车群到达第个交叉口上行入口处的瞬间该交叉口主干道的信号状态为绿信号5此时A的值表示从绿信号开始瞬间到此时刻信号状态的时间差2且设定A&A2在相同系统信号相位差条件下5以交叉口;
16、的绿信号开始时刻为时间轴原点5下行车群从交叉口;出发后以一定速度不停止地行驶?Q时间到达第个交叉口下行入口的瞬间5其交叉口信号状态位差AQ可由下式描述2AQAQ 3AQ 3B CAQ 3)D AQ 3EFGH C.5;/.+/且AQ 3.?Q/JK L.D/,.=;)=/3 B=BD.5;/如果AQO3 5则表明车群到达第个交叉口下行入口处的瞬间该交叉口主干道的信号状态为红信号5此时AQ的绝对值表示从此时刻信号状态到绿信号开始瞬间的时间差2且设定:AQ PAQ2如果AQH3 5则表明车群到达第个交叉口下行入口处的瞬间该交叉口主干道的信号状态为绿信号5此时AQ的值表示从绿信号开始瞬间到此时刻信号
17、状态的时间差2且设定AQ&AQ27 8 7车流速度既定时最适信号相位差计算方法车流通过信号控制路段时的共同通行带宽值越大表示其系统控制的控制效率越高5但是对于实际交通信号群控制系统来说5追求最大上行共同通行带宽和追求最大下行共同通行带宽往往是有矛盾的5解决的办法是根据该路段的上6下行交通流状态来进行协调2即5车群从基准交叉口出发5以既定速度通过由;个平面交叉口组成的长度一定的交通信号群控制区段时5能够得到的协调一致的最大上6下行共同通行带宽及其最适信号相位差主要取决于该信号控制路段的上6下行交通流状态2本研究以可由RS交通运输工程学报+3 3*年万方数据下式计算而得的上行交通流比率!作为信号控
18、制路段的上下行交通流状态的定量描述指标#!$%&()%&()*%)(&+,-式中.%&为控制路段主干道上行方向的实际交通量+/0 1 2 345 6-7%)为控制路段主干道下行方向的实际交通量+/0 1 2 345 6-7(&为控制路段主干道上行方向的饱和交通流率+/0 1 2 345 6-7()为控制路段主干道下行方向的饱和交通流率+/0 1 2 345 6-#基于8 9 节所示的交叉口信号状态位差计算模型:本文提出由控制路段的上下行交通流状态作为调整依据的最适系统信号相位差计算方案#其具体步骤如下.+-由下式求取相当于上行交通流比率!$时的上行优先信号相位差;&#;&$+;&=-4?+A-
19、+$8:B:C-DEFG+=为车群以既定速度从第+=-交叉口行驶到第交叉口入口处所需用的时间+I-#+8-根据下式对由式+H-求出的上行优先信号相位差进行调整:求取在既定车流速度下与控制路段上下行交通流状态相适应的系统最适信号相位差;#;$;&C=J)G+=!-+$C-;&*J)G+=!-+$8:B:C=-DEFG+$-+3-式中.J)G+$:8:B:C-为对应于由式+H-求出的上行优先信号相位差;&:由式+8-求得的下行车群在第交叉口下行入口时的信号状态位差+I-#+,-根据由式+3-求得的最适信号相位差:由式+-和式+8-分别求取上行车群在各交叉口的信号状态位差K J&L:J&(M及下行车
20、群在各交叉口的信号状态位差K J)L:J)(M#在完成上述步骤:求得最优信号相位差及各交叉口的信号状态位差后:上下行车流通过该控制区段交通信号群时各自所形成的最大共同通行带宽N&N)分别可由下列计算式求得#N&$O=P 4Q R K J&(7$:8:BM=45 6 K J&L7$:8:BM S+T-N)$O=P 4Q R K J)(7$:8:BM=45 6 K J)L7$:8:BM S+U-从上述计算过程可知:本方法在调整计算最适信号相位差时使之与相应交叉口的信号状态位差成比例:而比例系数就是描述控制区段上下行交通流状态的上行交通流比率!:因此称之为比例信号相位差法#图8为用根据上述交叉口信号
21、状态位差计算模型及比例信号相位差计算方法编制的系统软件进行计算机模拟实验的画面输出示例#此例模拟实验的研究对象及交通条件与图所示的模拟实验相同:且需在系统信号周期及有效绿信号比优化计算之后进行#如图8所示:本模拟系统较为直观地表现了各交叉口的信号相位差以及能够形成的最大上下行共同通行带宽:同样具有较好的可视性#图8车流速度既定时最适信号相位差及其共同通行带宽的模拟实验输出画面示例V 9 W车流速度作为辅助设计参数时最适信号相位差优化设计模型对应于某一上下行交通流状态:车群通过长度一定的信号控制区段时的最大共同通行带宽以及相应的最适信号相位差主要取决于上下行车流速度#本文在8 9 节及8 9 8
22、节所述计算模型和计算方法的基础上:提出如下所示的以车流速度为设计变量:追求最大综合共同通行带宽的最适信号相位差优化设计模型#45 6=P 8 O=+4Q R K J&(7$:8:BM*4Q R K J)(7$:8:BM-*+45 6 K J&L7$:8:BM*45 6 K J)L7$:8:BM-SI X Y X Z=Z45 6G+$&:)-Z4Q R=ZG+$&:)-式中.Z为通过控制路段的主干道上下行车流平均速度+42 1-7 Z4Q R Z45 6分别为控制路段车流速度的上限值和下限值+42 1-#对应于作为设计变量的车流速度的每一组取值:可由8 9 节的计算模型及8 9 8节的计算方法算
23、出目标函数中的各信号状态位差值:进而优化求得上下行最大共同通行带宽及其相应的最适信号相位差#用由此优化设计模型编制的系统软件进行计算机模拟实验的画面输出示例如图,所示:其研究对3U第期魏朗:等.城市主干道交通信号群系统控制的参数优化设计模式及其模拟系统开发万方数据象及交通条件与图!所示的模拟实验相同且同样需在系统信号周期及有效绿信号比优化计算之后进行#优化计算结果的三维图示表明以上$下行车流速度作为设计变量时的共同通行带宽最大化问题是一个多峰最优化问题本文按上行车流的速度段列举出%个典型峰值它们分别代表了在给定交通状态下在其速度段内调整各交叉口主干道信号相位差到最佳时对主干道区段交通信号群实施
24、系统控制所能达到的最佳控制效果#图%车流速度作为辅助设计参数时最适信号相位差优化设计模拟实验结果示例本节最优化问题的实用意义在于由此优化设计模型求出的最大上$下行共同通行带宽界定了在既定控制区段及其上$下行交通状态的情况下实施交通信号群系统控制时的控制效率上限因而可以作为评价实际信号控制系统控制效率的一项指标#另一方面对应于最大上$下行共同通行带宽的最佳速度也可以作为该路段在相应交通状态时的推荐车速使用#&结语本文主要对由系列平面交叉口组成的城市主干道区段交通信号群系统控制的控制参数优化设计模式及其模拟系统进行了专题研究得到如下结果(!)整理出以*+,延迟计算式为核心的信号周期及有效绿信号比的
25、规范型优化设计模型在引入交叉口信号状态位差概念并建立其计算模型的基础上提出比例信号相位差设计方案根据控制模式的计算目的不同而分别给出了既定车流速度时的最适系统信号相位差设计方案根据控制模式的计算目的不同而分别给出了既定车流速度时的最适系统信号相位差计算方法以及车流速度为辅助设计参数时的最适系统信号相位差优化设计模型从而构成一套完整的城市主干道区段交通信号群系统控制的控制参数优化设计模式#(-)采用.+/程序设计语言对上述计算方法或计算模型完成程序实现编制了具有较好可视性的城市主干道区段交通信号群系统控制参数优化设计模拟系统软件用此系统软件进行模拟实验示例证明了本文的计算方法或计算模型的正确性及
26、其实用于实际交通信号系统控制时的可行性#参考文献0!1 0日本1饭田恭敬2交通工学0,1 2国民科学社!3 3-2-4 5 6-5-20-1,78 9:;?=A+2 B C D E F G H D I J I D KL G M N N I EO I K D M P ON H GQM R I QM P S M D T UI T L F 0 0 8 1 2B V W E I M P 8 W V H G L-Z 3!3 Y 5 2-!6-a 20 4 1 B=8 b.2=G M N N I EO I K D M PO W L L I D K O0 8 1 28 H M T8 W O 2=W E F 2 M V W G;H%3 8 H M T8 W O W M G E F M S H G M L H G C H D T H D !3 5 Y 2 5 a 6X Z 20 5 1織田等2信号制御cde一f最適化g門关hi考察0:1 2第!%回交通工学研究发表会论文集0+1 2!3 3%!2!%6!X 20 X 1織田等2都市街路網gjki系統交通信号制御最適化g門关hi硏究0 1 2 lmno制御情报学会论文言志2!3 3 Y !(a)Y 6!a 2Xa交通运输工程学报-Z Z!年万方数据