城市道路交通建模和控制技术研究

城市道路交通建模和控制技术研究内容摘要：

需求， g。 为出现拥堵时的快速公路主线输出流量， g。 快速公路通行能力。 众 所周知， g。 一般低于 gq59010％，同时 gm+dg，否则不会出现交通拥堵。 假定入口匝道控制使快速公路主线流量等于通行能力。 应用入口匝道控制会使 入口匝道处出现车辆排队，但是由于 g。 大于‰，最终使旅行时间减少。 减小 浙江大学博士后出站报告 的旅行时间△ Z(百分比 )为： △ Z：』违 loo。 (1S)‘ q。 +d— q。 另外，考虑如图 14所示的同时包括入口匝道和出口匝道的两种情况： (a) 不采 取入口匝道控制； (b)采取入口匝道控制。 为了与前述情况区别，假定即 使发生交通拥堵，输出流量也不减小，即 g。 =‰。 出口匝道流率为 y(0≤ r≤ 1)，不采取匝道控制的出口流量为： ^毛 (‰一 d)， ‘“’ 1 ， 而采取匝道控制的出口流量为： J。 =均。 (1— 7) ga于 Or)q。 +d譬。 ，也就是严 一，因此匝道控制增加了输出流量， 进而减小系统的旅行时间。 改善的旅行时间为： AT,=卯 00。 (1． 8) 城市道路交通路网也可以得到类似的结果。 若某条道路已经饱和，即使上 游交叉口该方向车流有通行权， 也会阻止上游交叉口的车辆进入，这样不但导 致绿灯时间的浪费，而且会形成交通拥堵并向上游传播，使上游交叉口和道路 产生拥堵。 如果不采取任何措施，最终可能导致整个路网交通拥堵。 以上现象说明现代城市快速公路和道路交通网络中交通拥堵的形成不仅仅 是由于交通需求超过了道路通行能力，事实上，交通需求只是暂时超过了某些 路段的通行能力，如果没有合适的交通控制策略来解决这些路段交通拥堵，那 么交通拥堵现象就会扩大，从而导致整个路网的通行能力下降。 第二节道路交通控制 2． 1基本概念 交叉口信号灯控制是城市道 路交通的主要控制模式。 信号灯控制最初是用 来保证交叉口前相互冲突的车流和行人的安全，随着交通需求的增加，人们很 第一章绪论 快发现，信号灯的存在或多或少地影响了交叉口的通行能力，因此必须采用一 种优化的控制策略来减小这种影响。 根据现有的自动控制技术，任何路网的优化控制问题在理论上是都可以实 现的，但是实时优化控制还是存在诸多的困难：①红绿灯切换是一个离散变量， 导致优化问题的复杂性；②整个路网优化问题的维数非常巨大；③很多不可预 测和不可测量的干扰 (如事件、违法停车、行人横穿马路、 车辆任意调头、交 叉口堵塞等 )严重影响车流通行；④大多数交通状况的测量值反映的是局部特 征，其精度很容易收到各种因素干扰；⑤具有很强的实时约束，譬如一般先进 控制系统都要求在 2秒中内进行一次优化决策。 由此可见，相对于单交叉口而 言，整个路网的实时优化控制问题的实现比较困难，因此目前很多研究人员提 出的控制策略都对优化问题提出了各种简化或只解决一部分的优化问题。 不幸 的是绝大多数简化后的优化控制策略都很难解决交通流饱和现象。 下面 4种参数可通过信号灯影响交通流状态： 衍岔 (耽舅 )：对于复杂的交叉口，存在着多 种流向的交通流，一致的 交通流可以放在同一相位中，冲突的交通流放在不同的相位中。 相位 划分和相序设置是非常关键的，对交叉口的通行能力有重要影响。 ≧务《争缘代表相位的绿灯持续时间，根据相关交通流的实际需求进行 计算。 ≧劈钐黟 m孤较长的周期时间能增加交叉口的通行能力，因为此时损失 时间相对较小；另一方面，对于欠饱和的交叉口而言，较长的周期时 间会增加车辆延误时间，因为此时红灯相位中的车辆需要相对更长的 等待时间。 ≧相岔荔代表相邻交叉口间某一特定相位开启时间差，可使干线上实 现“绿波带”；相位差的确定必须 详细地考虑可能存在的车辆排队。 道路交通控制策略可以根据以下特征进行分类： 定刀控制自专璐根据历史的交通信息，针对一天中不同的时段，采用离 线的优化方法设计控制方案；感应控制策略根据实时的交通信息在线 实时设置信号控制参数。 华交叉口拦锄壤够应用于某个独立的交叉口控制；而纺堀拦锄壤磴考 察某个城市区域甚至整个城市路网。 浙江大学博士后出站报告 ≧绝大多数控制策略只适用于欠绚和交通状况，这种情况下车辆排队只 在红灯期间形成并在绿灯期间全部清空；而某些控制策略可应用于暂 笤和交通状况 ，这种情况下生成的车辆排队可延伸到上游交叉口。 2． 2单交叉口控制 1)定时控制策略 单交叉口定时控制策略适用于欠饱和交通状况。 骞≠矛≧发的控钐蕺酾瑶过 优化周期时间和绿信比来最小化旅行时间或最大化交叉口通行能力；而基于艚 岔崩痊镝缳璐不仅优化周期时间和绿信比，对于某些复杂的交叉口也可以用来 优化相序。 比较著名的基于阶段单交叉口控制策略有 SIGSET和 slGCAP。 假定存在册 个阶段，周期时间为 c，对应的绿信比为 4，满足∑五 =1，其中矗 =L／ c， L a=0 为周期时间中绿灯损失时间之和。 为 了避免车辆排队的形成，对任意一个车流， 存在以下通行约束： ， 芝嘞矗≥嘭夥， 09) 其中， J，和 d，分别为某交通流，饱和流量和交通需求；如果交通流，在阶段 f 中有通行权，则％等于 1，否则为 0。 式 (1— 9)说明交通流 _，的交通需求不能高于 交通流，饱和流量。 SIGSET采用欠饱和交通状况下的 Webster非线性总延误时间函数作为优化 目标，因此 SIGSET通过解决一个具有线性约束的非线性规划问题来最小化给 定交通需求的交叉口总延误时间。 而 SIGCAP采用最大化交叉口通行能力为优 化目标。 假定式 (1— 9)实际交通需求为∥ d， (∥ 1)，在同样的约束条件下 SIGCAP通过线性规划来最大化／ 2。 通常，最大化通行能力可导致“大”周期时 间。 显然， SIGCAP适合用于交通需求较大的交叉口，从而阻止交通状况向过 饱和发展；而 SIGSET适用于有足够通行能力的交叉口，把式 (1． 9)交通需求该 为 p， d， (p，≤ 1)， pf为通行能力参数。 第一章绪论 9 基于相位控制策略解决类似的问题。 它考虑相关交通流的相互关系，综合 计算优化的相位划分、绿信比、周期时间来实现最小化总延误时问或最大化交 叉 口通行能力。 这个优化问题是“ binarymixed— integerlinearprogramming39。 ’类型， 可采用“ branchandbound39。 ’方法来锵决。 一般计算代价要大于基于阶段的策略。 2)感应控制策略 单交叉 I=1感应控制策略利用实时交通流信息，执行某种车辆感应控制逻辑， 交通流信息可由安装在停止线后 40米左右的感应线圈检测并由车辆检测处理 器计算得到。 最简单的感应控制是应用于两相位交叉口的“车辆间隔法”。 在这 个方法中，每个相位都预先设置最小绿灯时闻和最大绿灯时阃，如果在某相位 的最小绿灯时间内没有车辆通过相关的检测线圈，那么控制策略就把通行权交 给另一相位。 否则，就产生一个临界的时间间隔 (cI)，在这个 CI期问，任何被 检测到的车辆都会导致绿灯时间的延长，从而使车辆通过交叉口。 如果在 cI 期间没有车辆被检测到，则控制策略把通行权交给另一相位，否则产生新的 cI。 直到到达最大绿灯时间为止。 改进的“车辆间隔法”也可以综合考虑另一相位的 交通需求，来决定是否切换通行权。 Miller提出了改进的感应控制方法，该方法已包含在 MOVA控制工具包中。 Miller控制策略每隔 r秒 (如 7毫 2)提出如下问题：√室该老嬗疗灰勿揆筹 F一 携岔坯蓬缢绔矽当膨掀：疆疗敖留长 r矽 7为了解决这个问题，控制策略计算 通行权被延长≈丁秒后各交通流性能的改进和损失情况。 相应的性能改进为以， k=I⋯ 2．．，总的性能指标为 J=max{JI； k=1,2， ⋯ 1，如果 J0则通行权立即切 换给下一相位，否则通行权被延长，直到下一个计算间隔。 2． 3定时协调控制 一般来讲，定时策略仅适用于欠饱和交通状态。 1)MAXBAND MAxBAND的首先是由 Little提出的。 MAXBAND针对包括珂个交叉口 浙江大学博士后出站报告 S， ⋯ ，鼠的交通干线，给出一组优化的相位差，使尽可能多的车辆在设定的车 速范围内一次不停地通过交通干线，也就是通常所说的“绿波带” (如图 15)。 在 MAXBAND中，各交叉口的绿信比是根据支路的交通需求预先设定的，因 此，优化问题就是合理设置干线上已知的红灯持续时间 (如图 15中各交叉口 S 中的水平直线 )，使驶入向和驶出向都能获得最大的通过带 6和 b。 为了问题描 述的方便，通过引进一些二元变量把优化问题演变为一个‘ 39。 binary—mixed． integerlinearprogramming”问题，根据这种优化问题的某些特性，可以便“ branch． and． bound”方法减少计算代价。 后来 Little对 MAXBAND进行了改进，综合周 期时间约束后，改进后的 MAXBAND可应用于干线网络。 ＆ ‰ 共 髓 捌 amp。 一 S 了 s一。 霭‰ 驶入 图 l— s．交通干线最大通过带 MAxBAND已经在北美许多地方得到了实际应用。 并且针对不同地方的各 种因素，作了很多有益的改进，如：车辆排队清空时间、左转车辆的处理、干 线上不同路段不同通过带的实现 (MULTIBAND)。 2)TRANSYT TRANSYT首先由 Robertson提出，但不久就进行了改进和提高。 TRANSYT 是最著名且应用最广的信号控制策略之一，很多情况下都作为实时控制策略的 第一章绪论 对比方法。 图 1． 6． TRANSYT结构 图 1． 6示意了 TRANSYT的基本结构：初始的信号控制方案包括相位划分、 各相位最小绿灯时间、绿信比、相位差、周期时间。 为了能实现整个路网的协 调，路网中各交叉口采用同一周期时间 c，某些交通需 求较小的交叉口可以采 用半周期时间。 路网参数和流量数据包括路网几何特征、饱和流量、路段平均 旅行时间、每个路口的转弯系数、以及统计交通需求。 交通流模型包括节点 (交 叉口 )和路段 (交叉口间的道路 )。 “ Platoon Dispersion39。 ’ (动态一阶时滞系统 ) 被用来对道路交通流行进建模。 优化过程如下：对于给定的输入，动态路网模 型计算相应的性能指标，譬如路网中总的停车率，然后用一种启发式的爬山优 化算法对控制变量进行微调，然后再通过模型进行运算，如此循环，直到获得 最优参数。 TRANSYT不能用于过饱和交通 状况，虽然在这方面有了进一步的 改进，但改进的有效性有待进一步证明。 3)定时控制策略缺点 定时控制策略主要缺点是这种方案基于历史统计数据而不是实时数据。 由 于以下几个原因导致控制效果欠佳： 夺交通需求不是固定的，在同一天中的不同时段是不同的。 浙江大学博士后出站报告 夺交通需求在不同的日期中是不同的，例如特殊的事件。 夺由于交通需求不固定导致优化方案失效。 夺同交通需求一样，各交叉口转弯率也是时变的；另外，转弯率也会随 着优化方案的改变而变化，例如，当优化方案改变后，驾驶员可能会 改变行驶路线来最小化旅行时间。 夺不可预测的事件和干扰也会改变交通状况。 所以，设计合理的交通感应协调控制策略比定时控制更有效，但是所需的 代价也更大，它是一个实时控制系统，需要更多的设备，如检测器、通信网络、 控制中心，本地网络控制器。 2． 4感应协调控制 I)SCOOT SCOOT首先由以 Robertson为首的一些研究人员提出的，后来在某些方面 进行了改进和扩展。 它是 TRANSYT的感应版本，在全球各地 150多个城市中 得到应用。 交通流量和占有率由安装在路段上游的车辆检测器提供，采用与 TRANSYT同样的原理和计算机集中控制结构。 更具体地说， SCOOT有一个路 网型，根据实际的交通数据，实时循环计算，对各个交叉口的绿信比，周期时 间、相位差进行调整，如果参数调整被认为是有效的 (基于某种性能指标 )，那 么调整后的新参数就传给路口交通信号控制机，控制机随后就会按新的控制参 数运作。 SCOOT不适用于过饱和交通状况。 2)基于模型的优化方法 最近，很多严格基于模型的感应协调控制策略被提了出来： OPAC， PRODYN， CRO。