城市道路交通建模和控制技術研究(存儲版)

　　

【正文】 浙江大學博士后出站報告 切實際的過大的總旅行時間。 (Reactive)篡 i夠基于當前的檢測數據，不使用實時交通流模型或 其他預測工具；搦測 (Predictive)愛瑚盈過使用實時數學模型充分預 測某個未來時間內的交通狀態來提高建議的質量。 Messmer和 Papageiou提出了簡單的比例或比例積分反饋調節器。反應式策略 在建立基于當前交通測量數據的用戶優化上是非常有效的，這是由于當交通狀 態充分地變化這種路網下的反應式路徑誘導建議可以在下游分歧點修改。由于實時性的要求，因此計算時間是非常嚴格的。 快速公路即時旅行時間是在旅行過程中主要的交通狀況不變假設下虛擬的 Ⅳ 車輛旅行時間。顯然，這 些信息對于在路網中長途旅行的駕駛員來說是不充分的，他們可能因 為信息不全的決策而導致受阻于交通擁堵路段。 RGDIS分為 Pretrip和 Enroute兩種。盡管已經有人做了初步的工作， 但是控制集成問題還是十分困難，這是因為反映交通路網地理方位的維數太高。這種方 法已被集成快速公路控制工具包 AMOC采用，這里匝道控制和路徑誘導同時作 為控制輸入。 16)，而排隊長度‘的約束為‘ (≈ )≤‘．一。反饋匝 道控制在一定程度上有助于解決上述問題，但是首先必須確定合理的設定值， 其次它的控制作用范圍或多或少帶有局部性，因此需要一個上級協調層從戰略 角度實時計算優化的設定值。 奪在發生偶發性交通擁擠時， METALINE比ALINEA效果要好，這要歸 功于 METALINE擁有更詳細的檢測信息。匝道控制流量可由下式計算： r(t)=r(t— 1)一 KI【 o(☆ )一 o(女一 1)]+K2『 6一 o(t)1， tHl) 其中： r=k? or是 m個被控匝道的流量向量， o=(0l? oo]7為快速公路上” 個檢測到的占有率向量， o=【 0l? oA7是向量。 (七 )J， (120) 其中：砭 =磁o。 閉環匝道控制策略 (AL礬 EA)為： r(t)=， (女一 1)+％【 6一 o。為匝道下游的快速 公路容量，％匝道上游的快速公路流量， O。這些控制目標 可以被描述為一個線性規劃或二次規劃問題。為路段，的容量。據調查，目前大多數快速公路 或快速公路網絡由于缺乏有效的控制系統，它們固有的通行能力沒有被完全發 揮出來。 上述優化問題是一個二次規劃類型，為了實時應用，相應的算法被嵌入在 滾動優化過程中。 盡管有以上這些簡化后帶來的負面影響，但仿真研究已經證明利用這種存 儲和向前模型設計的大范圍路網協調控制策略是十分有效的。 這些控制策略面對的一個基本問題就是由于存在離散變量，實現全局最小 化優化算法存在指數級的復雜性。交通流量和占有率由安裝在路段上游的車輛檢測器提供，采用與 TRANSYT同樣的原理和計算機集中控制結構。由 于以下幾個原因導致控制效果欠佳： 奪交通需求不是固定的，在同一天中的不同時段是不同的。為了能實現整個路網的協 調，路網中各交叉口采用同一周期時間 c，某些交通需 求較小的交叉口可以采 用半周期時間。后來 Little對 MAXBAND進行了改進，綜合周 期時間約束后，改進后的 MAXBAND可應用于干線網絡。 Miller控制策略每隔 r秒 (如 7毫 2)提出如下問題：√室該老嬗療灰勿揆籌 F一 攜岔坯蓬縊绔矽當膨掀：疆療敖留長 r矽 7為了解決這個問題，控制策略計算 通行權被延長≈丁秒后各交通流性能的改進和損失情況。 2)感應控制策略 單交叉 I=1感應控制策略利用實時交通流信息，執行某種車輛感應控制邏輯， 交通流信息可由安裝在停止線后 40米左右的感應線圈檢測并由車輛檢測處理 器計算得到。顯然， SIGCAP適合用于交通需求較大的交叉口，從而阻止交通狀況向過 飽和發展；而 SIGSET適用于有足夠通行能力的交叉口，把式 (1． 9)交通需求該 為 p，假定存在冊 個階段，周期時間為 c，對應的綠信比為 4，滿足∑五 =1，其中矗 =L／ c， L a=0 為周期時間中綠燈損失時間之和。 ≧劈釤黟 m孤較長的周期時間能增加交叉口的通行能力，因為此時損失 時間相對較?。涣硪环矫妫瑢τ谇凤柡偷慕徊婵诙?，較長的周期時 間會增加車輛延誤時間，因為此時紅燈相位中的車輛需要相對更長的 等待時間。 第二節道路交通控制 2． 1基本概念 交叉口信號燈控制是城市道 路交通的主要控制模式。 (1— 7) ga于 Or)q。減小 浙江大學博士后出站報告 的旅行時間△ Z(百分比 )為： △ Z：』違 loo。為快速公路上游流量， d為入口匝道交通 需求， g。 (12) 把式 (12)代入式 (1— 1)得： T,=x o)+r壹 d(t)T∑‘。如果存在人工操作，那么系統中必須加入人工干預系統。以通信和計算機技術的高速發展為基礎，以先進的交通控制為手段，高效、 安全、污染少、并能優化利用道路通行能力的交通方式成為了首選。在當今城市道路交通自動控制、交通監測和交通數據采集系統中，應用最 廣的是環形線圈車輛檢測器。早在 1917年，美國鹽湖市就開始使用聯動式信號系統，即把六個交 叉路口作為一個系統，以人工方式加以集中控制。早期 的交通信號燈是“固定配時”方式實行自動控制的，這種方式對于早期交通流 量不大的情況曾起過一定的作用。最后概述了整個報告的立題依據、主要內容。在分析國內外成功經驗、背景、可行性的基礎 上，給出了杭州市實施 ERP的具體方案。目標是保持區域內各交叉 口前的交通暢通和車輛延誤最小。整個控制方案分為兩層， 協調層根據一段時間內交通流數據優化計算干線上的公共周期時間和上 下行相位差，控制層確定每個周期內各交叉口的綠信比。實際應用和仿真表明，這些算法 具有較強的魯棒性、自適應性和自學習性，比傳統的交通控制方法能更有效地 解決城市交通問題。詳細地討 論了信號燈設置、相位劃分、行人過街按鈕響應以及信號燈的“早斷” 和“遲起”。 4)建立了面向控制應用的路網宏觀動態模型。該控制器是一個 狀態和控制作用均可跟蹤的伺服系統。 關鍵詞：單交叉口；城市干線；城市區域，城市快速公路；模糊理論；人工神 經網絡；大系統理論；分散控制；遞階控制；最優控制；智能控制 ABSTRACT Control technique on urban road traffic is all important topic in control domain and traffic engineering domain． Witll the fast development of artificial intelligence(AI)。 1． 1道路交通控制技術起源和發展 城市道路交通自動控制技術的起源是交通自動信號燈的誕生，這可以追溯 到 19世紀末 20世紀初。這種控制器在 一天 時間里備有幾種不同的配時方案，它能按交通流的變化規律，不同的時間選用 不同的方案，比如早、晚高峰期間有各自的高峰方案，高峰以外的時間有平時 方案。這種系統以 后不斷改進、完善，成為當今的協調控制系統。出現交通擁堵 的原因之一就是有太多的車輛企圖使用容量有限的道路。 奪于芳盆它的值無法控制，但可被檢測 (如交通需求 )、被發現 (如交通 事件 )或在一定的未來時間內被預測。劾 (_j})(輛／公里 )：在 |j}r時刻某路段內的車輛數除以路段長度△；乎 均赫， (t)(公里／， J、時 )在女丁時刻某路段內所有車輛的平均行駛速度。 T：童圭 so)刁：∑ KIs=2∑∑ so)刁 2∑ 。眾 所周知， g。 另外，考慮如圖 14所示的同時包括入口匝道和出口匝道的兩種情況： (a) 不采 取入口匝道控制； (b)采取入口匝道控制。改善的旅行時間為： AT,=卯 00。由此可見，相對于單交叉口而 言，整個路網的實時優化控制問題的實現比較困難，因此目前很多研究人員提 出的控制策略都對優化問題提出了各種簡化或只解決一部分的優化問題。 華交叉口攔鋤壤夠應用于某個獨立的交叉口控制；而紡堀攔鋤壤磴考 察某個城市區域甚至整個城市路網。 SIGSET采用欠飽和交通狀況下的 Webster非線性總延誤時間函數作為優化 目標，因此 SIGSET通過解決一個具有線性約束的非線性規劃問題來最小化給 定交通需求的交叉口總延誤時間。它考慮相關交通流的相互關系，綜合 計算優化的相位劃分、綠信比、周期時間來實現最小化總延誤時問或最大化交 叉 口通行能力。否則，就產生一個臨界的時間間隔 (cI)，在這個 CI期問，任何被 檢測到的車輛都會導致綠燈時間的延長，從而使車輛通過交叉口。 1)MAXBAND MAxBAND的首先是由 Little提出的。靄‰ 駛入 圖 l— s．交通干線最大通過帶 MAxBAND已經在北美許多地方得到了實際應用?！?Platoon Dispersion39。 奪同交通需求一樣，各交叉口轉彎率也是時變的；另外，轉彎率也會隨 著優化方案的改變而變化，例如，當優化方案改變后，駕駛員可能會 改變行駛路線來最小化旅行時間。 2)基于模型的優化方法 最近，很多嚴格基于模型的感應協調控制策略被提了出來： OPAC， PRODYN， CRONOS， RHODES等。因此，有人提出了一種分散優化策略，它的控制 行為可通過上級控制層進行啟發式的協調。如果采樣時間 r等于周期時間 c， 則 M(t)等于整個周期時間內的平均交通流量，而實際交通流量在綠燈期間為 丑，在紅燈期間為零。 為了減小出現交通流過飽和現象和道路上車輛排隊溢出，必須盡量最小化 和平衡相關道路的占有率薯 ^．。這種多變量調節方法已被信號 控制策略 TUC所采用，實時計算路網的綠信比，而周期時間和相位差由其它類 似的算法計算。 奪鴛貓另蔗宣與靂導賽豸蠡包括路邊可變情報板、自動駕駛系統等。這種方法是由 Wattlewortb首先提出的。另外， 它可能因缺乏實時交通信息而導致主線交通流過大和不能充分利用快速公路容 量?？刂撇呗?(1— 17)根據最新的上游流量‰ (女一 1)，盡可 能地讓更多的匝道車輛 r(k)進入快速公路，使下游達到快速公路容量 g一．如 果因為某種原因導致下游占有率 Oout(t)達到臨界狀態，那么匝道流量 r(k)就減 小到最小流量，腳．來避免或緩解交通擁堵。 (k)=6。 所有的控制策略都要計算合適的匝道控制流量，在匝道控制的“交通信號 周期 (traffic． cycle)”實現方式中，通過下式轉化為相位的綠燈時間 船 g=(∥ k) 如果匝道上存在過多的車輛排隊，匝道前方的車輛檢測器就會檢測到這種 信息，調節器就會產生相應的控制作用，讓更多的車輛進入快速公路，減緩匝 道車輛排隊。一般來講，每個被控匝道下游的瓶頸處被選 擇作為矩陣 0的元素。如果有效 的控制策略被用于快速公路匝道控制，那么快速公路的通行能力一般會得到提 高。 這種復雜的動態優化問題可以用合適的數學算法以適度的計算代價實現。 雖然仿真研究證明這種先進的控制策略可以節約旅行時間增加通行能力， 但是到目前為止還沒有被實際應用證實。所以很多路段控制策略都具有啟發 性特征，更多的控制策略都基于尚未驗證的模型假設。安裝在路網分歧點的 固定指示牌顯示在沒 有發生交通擁堵情況下所需時間最少的方向。廣播和 VMS已經被廣泛采用了 25以上，使用數量在不斷增長，可 與控制中心進行雙向通信的車載設備是最近幾年剛剛出現的。 另一方面，路徑誘導系統禁止提供不利于駕駛 員順從的路徑信息，否則系 統的可信度會降低，最終對系統造成巨大危害。 M． Papageiou提出了改進的基于實時交通數據 的總旅行時間計算公式。 奪變互茍(Interactive)糜璐運行若干個實時 仿真模型，每一步都合理地 修改路徑誘導，確保盡可能準確地實現控制目標，這種控制策略采用 交通狀態預測：一所攔 (One． shot)嬲口通過實時數據進行簡單的計 算 (Reactive)，也進行交通狀態預測，一次性運行仿真模型來提高建 議的可信度。一種 比例調節器計算分流比見，的公式如下： 成 (_j})=彤一Ⅸ△％ (≈ )， (124) 其中：晟， (t)∈ [o， 11是在 k時刻到達分歧點 的交通流中通過路徑誘導的主流方 向達到分歧點 _，的流量比例，彤是不存在路徑誘導時的比例， Ko是調節參 數，△％ (t)是節點 和 _，間主流路徑和其他可選路徑間的即時旅行時間差。 1)一次性策略 大多數的一次性策略是一種反應式類型，尤其是在密集型路網中 (相對短 的路段、較多的分歧點，任意兩個節點間有較多數量的選擇路徑 )。根據實際檢測信息 以及監督人員的理解和推斷，決策系統向道路使用者提供路徑選擇建議或提供 相應信息，反過來影響對路網中的交通狀態，這種影響可以用某種性能指標表 現出來?？焖俟仿范伪环譃椤鳎L度的Ⅳ節，每一節內裝有一個車輛檢測器， 檢測器既可以直接提供