城市交通信号灯的仿真优化研究

论文摘要

随着经济的发展和城市化进程的推进,机动车辆的保有量急剧增加,城市交通供求关系不平衡的矛盾日益尖锐。人们在享受交通发达带来的便捷同时,饱受其诟病--交通拥挤、恶性交通事故剧增、拥挤交通所带来环境污染加剧,成为困扰各国民众的焦点和急待解决的问题。提高城市交通管理的水平和大力发展公共交通是解决城市交通拥堵的有效手段。城市平面交叉路口信号灯智能优化控制是提高交叉口通行效率最经济且有效的方法,也是现代城市交通管理的主要内容。信号灯配时的智能优化也能给公共交通更多的优先通行权,减少公共交通车辆在路口的延误时间,这对提高公共交通的服务水平是有益的。为了了解当前信号灯控制存在的问题,研究了国外先进的交通控制系统及控制方法；并以此为基础建立城市交通微观仿真优化系统。主要完成了以下的工作：（1）对商蕾博士所建立的微观交通仿真模型进行改进和完善,使仿真的结果更准确；并以武汉市武昌区和平大道的交通调查数据对所建立的微观交通仿真模型进行检验,以证实微观仿真模型的真实有效性；（2）研究了启发式的智能优化算法,通过对测试函数优化结果对比,比较了简单遗传优化算法,自适应遗传优化算法和混沌-遗传混合优化算法的寻优性能；测试的结果为混沌-遗传混合优化算法在收敛的速度和精度上都优于其它的两种智能优化算法；（3）将优化算法运用于交通信号的控制之中,建立了城市微观交通仿真优化系统,并由微观仿真程序仿真的结果作为评判不同信号配时方案优劣的依据；（4）建立了基于简单规则的主动式公交优先的仿真程序,可分别进行绿灯相位延长、提前开启绿灯相位和插入公交相位等三种公交优先的控制。根据公交车辆到达停车线的时间不同,采用不同的优先策略。通过该仿真系统可以评价主动式公交优先的效果及对其它非优先车辆的影响；（5）根据所建立的微观交通仿真优化系统,对路口的信号灯进行优化控制。提出公交优先评价的准则：即以人均延误时间最小来比较不同的公交车辆优先方法的合理性和效果。并在此基础上研究了在不同的交通状况和不同载客人数下公交车辆交通信号优先的控制效果；（6）对三个路口组成的干线路网交通系统进行交通信号控制参数的敏感性研究,证实了信号控制参数中信号周期、相位差、绿信比设置的优劣对路网内车辆的通行速度存在不同程度的影响；论证了干线或区域交通中信号灯控制周期相同是保证路网内交通稳定的前提和关键；提出了多路口多相位的信号灯仿真优化方法,并对该路网系统进行了以主干线上交通延误最小为优化目标的仿真优化研究；同时也对九个路口组成的区域交通系统进行了仿真优化研究,证实了该方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.1.1 城市交通的现状及对策
• 1.1.2 ITS研究的内容及国内外研究概况
• 1.1.3 研究的目的及意义
• 1.2 研究的目标和技术路线
• 1.3 论文各部分内容简介
• 第2章 国内外研究现状
• 2.1 交通仿真系统
• 2.1.1 交通仿真系统的分类
• 2.1.2 常用的仿真软件
• 2.2 城市交通信号控制技术
• 2.2.1 交通信号控制的范围及种类
• 2.2.2 常用的交通信号控制系统
• 2.3 用于交通信号控制的优化方法
• 2.3.1 优化目标及模型
• 2.3.2 交通信号控制中常用的优化方法
• 2.4 本章小结
• 第3章 城市微观交通仿真模型
• 3.1 城市微观仿真交通模型的组成及实现
• 3.1.1 车辆的产生模型
• 3.1.2 车辆的跟驰模型
• 3.1.3 车辆的换道模型
• 3.1.4 交叉口信号灯控制模型
• 3.1.5 统计模型
• 3.2 微观交通仿真模型的框架
• 3.2.1 主程序框图
• 3.2.2 子程序框图
• 3.3 微观交通仿真模型的验证
• 3.3.1 交通路网及车辆组成
• 3.3.2 交叉路口信号灯的信号配时方案
• 3.3.3 仿真结果分析及验证
• 3.4 本章小结
• 第4章 城市交通信号灯的优化控制模型
• 4.1 智能优化算法的理论基础
• 4.1.1 遗传算法
• 4.1.2 混沌优化算法简介
• 4.1.3 改进的混沌遗传混合算法
• 4.2 智能优化算法优化性能测试
• 4.2.1 测试函数一
• 4.2.2 测试函数二
• 4.3 混沌遗传混合算法在城市交通信号控制优化中的运用
• 4.3.1 引言
• 4.3.2 基于混沌遗传混合算法的优化参数的表示
• 4.3.3 适应度函数的选用
• 4.4 微观交通仿真优化系统的组成框架
• 4.4.1 微观交通仿真优化系统的组成框架
• 4.4.2 微观仿真优化系统的程序框图
• 4.5 本章小结
• 第5章 单个交叉路口的微观交通仿真优化
• 5.1 不同的信号控制参数优化研究
• 5.1.1 方案1:8个参数同步优化
• 5.1.2 方案2:周期固定不变情况下6个参数同步优化
• 5.1.3 方案3:相序不变情况下的6个参数同步优化
• 5.1.4 方案4:相位相序固定情况下4个参数同步优化
• 5.1.5 四种方案的比较
• 5.2 基于优化的公交优先的单路口仿真优化研究
• 5.2.1 不同的交通流量下以人均廷误最小为优化目标对公交车辆延误的影响
• 5.2.2 不同的公交权重系数对公交车辆延误的影响
• 5.3 基于简单规则的主动式公交优先的仿真研究
• 5.3.1 路网结构
• 5.3.2 主动公交优先的控制策略
• 5.3.3 主动公交优先的仿真程序流程及框图
• 5.3.4 基于简单规则的主动式公交优先仿真结果分析
• 5.3.5 基于优化的公交优先与基于简单规则的公交优先仿真结果的对比分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 多个交叉路口协调控制的微观交通仿真优化
• 6.1 干道信号协调控制的配时设计与相位差计算方法
• 6.2 交通信号控制参数对交通状况的影响研究
• 6.2.1 相位差的影响
• 6.2.2 各路口直行绿信比的影响
• 6.2.3 信号周期的影响
• 6.3 干线协调仿真优化
• 6.3.1 方案1:仅对其中一个路口进行单点优化
• 6.3.2 方案2:分别对三个路口信号灯配时方案进行优化
• 6.3.3 方案3:对三个路口信号灯配时方案同步优化
• 6.3.4 三种方案的对比
• 6.4 小型区域内信号灯配时方案的仿真优化
• 6.5 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 已完成的工作
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研项目