考虑信号控制的路网交通流建模

论文摘要

交通控制是重要的城市路网交通调控手段之一,具有直面交通流的特点。近年来,随着交通形势的普遍恶化,交通控制系统的控制效益被越来越严重的交通供需失衡所抵消。交通控制的控制效果依赖于交通控制理论,而含有信号控制参数的交通流模型是交通控制理论的核心。本文针对信号控制路网,研究路网交通流动态描述模型,并据此实现对路网交通流的有效控制。路网交通流的运行特征是由路网基本单元的交通运行叠加形成,论文从路网交通的组成单元,即基本路段以及信号交叉口入手。针对基本路段,考虑到高峰时期路段内部交通流之间相互作用增强的现实情况,首先建立基本路段的非对称换道模型,该模型利用少量参数就可以对城市道路中的换道行为进行建模,在此基础上,结合LWR连续流理论,建立了基本路段的交通流模型,该模型可以模拟信号控制路段的渠划区排队上溯现象,利用基本路段的交通流模型,估计了由于渠划区排队上溯而造成的通行效率损失,并基于不同的场景对基本路段做了简化,降低了路网交通流建模的难度。对于信号控制交叉口,利用图论的方法将可行相位提取问题转换为车流冲突图的强不可连通子图求解问题,此外,该方法还可以考虑多种形式的交叉口进口道渠划和交通管理措施,例如禁止左转、左弯待转区等。这两个路网交通流单元模型为路网交通流描述模型奠定了基础,与现有的模型相比,具有一定的灵活性,能够适应多种情况。信号控制对交通流的影响直观上体现为排队的形成、传播和消散,并在运行过程中呈现复杂的态势。论文首先利用交通波推导了二次排队形成的临界条件,该临界条件与利用供需平衡推导出的临界条件具有一致性。随后,遵循从简单到复杂的思路,首先建立了单车道排队传播规律描述模型,该模型利用“虚拟信号参数概念”,对周期间的排队变化情况进行动态描述,排队传播规律只取决于两个参量：到达流量以及绿信比。在此基础上,考虑了复杂的情况,包括存在路段内部出入口、含有渠划区的路段排队传播等,通过模型的描述可以看出,本方法不仅可以追踪路网排队变化情况,还可以定量的描述排队上溯现象(如渠划区排队上溯、路段排队上溯等)。基于路段排队传播规律描述模型,论文建立了路网交通流加载模型。首先从路段描述开始,将其抽象为输入——输出系统,建立了路段输入—输出描述模型,之后将到达的路段流量看作一系列均匀到达的路径流量的加和,建立了路径—路段—路径的交通流描述模型,该模型利用两个特征车辆、三个特征点以及四个特征时刻把握路段任意周期的流入、流出以及排队变化情况。基于上述路段、路径描述模型,建立了路网加载模型,与以往路网交通流加载模型相比,本文提出的加载模型能够适应不同的交叉口渠划,并且显式的考虑了信号参数,因此,可以直接应用到信号控制参数的优化当中。此外,由于车辆行进轨迹具有一定的规律性,因此,提出的加载模型保留了追踪微观单车的能力,进而具备对诱导措施建模的能力。基于前述的交通流描述模型,论文首先推导了常见的三个交通运行指标的表达式：控制延误、完全停车次数以及排队长度,然后从单点和网络两个层面对信号控制参数优化进行了研究。单点方面,建立了考虑渠划区排队上溯的延误最小控制方法,该方法利用第二章的可行相位集,可以最大幅度挖掘信号控制方法的潜力,此外,将渠划区排队上溯问题转换为渠划区入口的虚拟红灯时长问题,简化了建模复杂度。数值模拟结果显示,与现有方法相比,本文提出的单点控制方法在高峰时期能大幅降低控制延误。网络层面,基于路网加载模型建立了两个路网信号控制参数优化模型：一是以延误最小为目标,二是以PI值最小为目标,结果显示,最小性能指标控制方法与最小延误控制相比,能将最大排队降低20%以上,原因在于性能指标中的完全停车次数项和排队长度成正比,因此,最小性能指标控制可以一定程度上降低路网的最大排队长度。综上所述,本文以信号控制路网交通流为研究对象,以路网交通流建模及控制为研究目标,一方面深化了对过饱和交通流特征的理解,另一方面,提出了相应的交通流控制模型,论文中大量的模拟结果以及数值实验说明了提出的方法的有效性。本文对过饱和交通控制算法的设计以及实现具有一定的指导意义,并具有重要的实用价值。

论文目录

• 前言
• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 研究背景意义
• 1.2.1 研究背景
• 1.2.2 研究意义
• 1.3 问题提出
• 1.3.1 现状综述
• 1.3.2 现状总结
• 1.3.3 研究目标
• 1.4 研究思路
• 1.4.1 基本假设
• 1.4.2 论文的基本思路及研究内容
• 1.5 论文框架结构安排
• 第2章 路网基本单元交通流模型
• 2.1 路网拓扑结构表达及交通参数符号
• 2.1.1 拓扑结构符号
• 2.1.2 交通参数符号
• 2.1.3 信号控制参数符号
• 2.2 基本路段交通流动力学模型研究
• 2.2.1 基本路段换道模型
• 2.2.2 基本路段交通流动力学模型的离散型式
• 2.3 基本路段交通流模型的应用1—通行效率损失的估计
• 2.3.1 损失指标建立及估计方法
• 2.3.2 估计结果
• 2.4 基本路段交通流模型的应用2—路段模型的简化
• 2.4.1 渠划区排队尚未上溯情况
• 2.4.2 渠划区排队上溯情况
• 2.5 信号交叉口信号参数约束
• 2.5.1 无共用车道情况
• 2.5.2 交叉口组织方式的影响
• 2.5.3 交叉口渠划的影响
• 2.6 小结
• 第3章 信号控制路网交通流描述模型
• 3.1 二次排队形成临界条件确定
• 3.2 单车道路段排队传播模型
• 3.2.1 无路段内部交通流产生情况
• 3.2.2 考虑路段内部交通流的影响
• 3.2.3 路段排队上溯的描述
• 3.3 基本路段排队形成的临界条件及传播模型
• 3.3.1 路段分解方法
• 3.3.2 一个方向排队上溯
• 3.3.3 两个方向排队上溯
• 3.4 虚拟信号参数法的应用—路网排队的跟踪
• 3.5 路网交通流动态描述模型
• 3.5.1 路段输入输出描述模型
• 3.5.2 路径输入输出描述模型
• 3.5.3 路网交通流描述——基于周期流量的路网加载模型
• 3.5.4 路径流量的均匀性讨论
• 3.5.5 微观车辆的跟踪方法
• 3.6 小结
• 第4章 路网交通流状态评价与控制模型
• 4.1 交通状态指标的表达
• 4.1.1 控制延误
• 4.1.2 完全停车次数
• 4.1.3 排队长度
• 4.2 考虑渠划区排队上溯的单点控制模型
• 4.2.1 交叉口交通流描述模型
• 4.2.2 信号控制参数表达
• 4.2.3 优化模型及求解方法
• 4.2.4 数值算例
• 4.3 单点交通流动态控制模型
• 4.4 路网交通流动态控制模型
• 4.5 小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.1.1 工作总结
• 5.1.2 创新点
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及取得的科研成果
• 1. 发表论文情况
• 2. 获奖情况
• 3. 科研情况
• 致谢