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基于Paramics的路网绿波带协调控制分析.pdf

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中文摘要摘要随着社会生活的快速发展,城市道路交通是否平稳顺畅成为各界密切关注的热点问题。路网协调控制可以有效提高城市道路交通系统的运行效率。干线绿波带最大化是路网协调控制中最常用的一类方法,它通过使组成路网的干线的绿波带宽最大化,保证路网内的车辆能够连续的通过干线交叉口,减少行驶延误。路网绿波带宽最大化的设计首先要依据历史统计数据得到每个交叉口各个相位流率比和饱和流率,设计每个交叉口的定时控制配时方案,然后依据第一步得到的结果,求解使各个干线绿波带宽最大化的相位差,实现协调控制。可以看出,单交叉口定时控制配时方案的合理与否,直接影响整个路网的协调控制效果。在定时控制中,饱和流率是制定信号配时方案的关键性参数,该参数的合理与否直接影响设计得到的周期长度的合理性。然而传统获得饱和流率的方法,由于行人、车辆及交通拥堵等方面的原因,并不能准确地测量交叉口的饱和流率。本文提出一种新型的通过Paramics仿真平台测量饱和流率的方法。仿真结果表明,使用该方法获得的饱和流率设计的定时控制方案优于使用传统方法获得的饱和流率设计的定时控制方案。得到路网中每个交叉口的定时配时方案后,接下来需要选择各个交叉口的相位差,使得路网中各个干线的绿波带最大。路网绿波带的优化问题可以建模成一个混合整数线性规划问题。然而,已有的研究,在建立该混合整数线性规划模型时,没有考虑周期损失时间的影响。本文改进了已有的混合整数线性规划模型,考虑周期损失时间的影响,使得优化得到的相位差更加合理。仿真结果验证了新优化模型的有效性。关键词单交叉口;定时控制;城市路网;路网协调控制;Paramics仿真平台分类号U419.123AB STRACTABSTRACTThe urban traffic problem has become a hot topic with thedevelopment of social life.Green wave control in urban traffic networks can improvethe running efficiency of traffic system.The most commonly used in greenwave control is maximizing the green wave bandwidth of arterial streets.Bymaximizing the green wave bandwidth,it Can ensure the vehicles in network travelsmoothly and reduce the average travel delays.In order to maximize the green wavebandwidth,the first step is to calculate phase flow rate and saturation flow rate based onhistorical statistics and design phase plan for each intersection,then calculate phaseoffset to complete the green wave contr01.As Can be seen,the fixed time control in signal intersection is the basis of greenwave contr01.Saturation traffic flow rate is the key parameter to ulate the signaltiming plan in fixed time contr01.However,traditional cannot measure itaccurately.In this paper,we present a new for measuring saturation traffic flowrate by Paramics plat,the result of simulation showed that the new is beRerthan traditional one.After ulating the signal timing plan in fixed time control,the next step is tochoose the best phase offset of each signal intersection.This optimization problem Canbe modeled as a mixed-integer linear programming.HoweveL existing studies did notconsider the impact of cycle lost time in building the mixedinteger linear programmingmodel.In this paper,we consider it and improve the existing model,SO that theoptimized phase offset is more reasonable.The result of simulation showed theeffectiveness ofthe new optimization model.KEYWORDSSingle intersection;Fixed time control;Urban networks;Coordinatecontrol;Paramics platCLASSN0I 7419.】23lV彳目录中文摘要。iiiABSTRACT..........................................iv1引言.11.1交通控制研究背景及意义..11.2交通控制发展及国内外研究现状..11.3论文主要内容一22交通信号控制及Paramics仿真平台.42.1交通信号控制一42.1.1单交叉口控制42.1.2路网协调控制52.2 Paramics仿真平台62.2.1 Modeller工具72.2.2 Programmer工具..92.2.3 Analyser工具..102.3本章小结1 13单交叉口控制及仿真123.1信号交叉口交通流特性123.2交叉口信号控制...143.2.1信号灯控制方法.143.2.2相位序列.143.2.3相位绿信比.163.3 Paramics平台测量饱和流率.183.4实例分析213.4.1交叉口建模.213.4.2参数设置.223.4.3仿真结果及分析.254路网协调控制及仿真284.1路网协调控制方法284.2具有周期损失时间的绿波带优化模型304.2.1相同带宽绿波带最大化。304.2.2不同带宽干线绿波带最大化问题.324.2.3路网绿波带最大化问题.344.3实例分析404.3.1参数设置.414.3.2仿真结果及分析.505结论与展望53参考文献54作者简历56独创性声明57学位论文数据集58Vl1 引言1.1 交通控制研究背景及意义随着社会生活和城市化进程的迅猛发展,我国城市道路的机动车数量迅速增加,在方便人们出行,给人们日常生活带来方便的同时,也突出了很多问题,这体现在很多方面,包括l、交通阻塞,导致出行时间增加,出行体验降低。据统计数据表明,英国一个大概具有100个交叉口的城市,每年因行驶延误造成的损失接近400万英镑;巴黎每天由于交通阻塞引起的延误时间相当于10万工人的日工作时问。2、环境污染,能源消耗。机动车辆的增多使空气污染和噪声污染程度闩益加重,调查表明,汽车排出的包括尾气在内的污染物占大气污染物总量的60%,实验表明,汽车在起动和制动时排出的尾气量及产生的噪声是匀速行驶时的7倍以上。汽车在起动和制动时能源的浪费也同样严重,若小型汽车在7km/h至88 kxn/h的速度区间做1000次加减速,会比同样情况下的匀速行驶额外耗油60L。3、土地利用率过低。不恰当的交通控制会使道路得不到充分利用,若通过拓宽道路保证城市交通,无疑是一种浪费【l】。针对上述问题,为提高城市交通系统服务水平,减少环境污染和能源浪费,在合理的利用道路已有设施基础上使其发挥最大通行潜力,如何建立一套合理有效的城市路网控制系统[2]已成为研究的热点问题。1.2 交通控制发展及国内外研究现状使用信号灯进行交通控制的思想最早产牛于19ltL/-.纪[31。1868年,在伦敦威斯敏特街交叉口,英国工程师纳伊特安装了第一个仅有红灯和绿灯的信号灯,这是交通信号灯丌始使用的标志【4】;1918年,纽约开始使用手动的红黄绿三色信号灯;1926年,第一部白动控制的交通信号灯出现在英国伍尔弗汉普顿街头【5J。上个世纪60年代,研究重点转向较大范围的信号灯联动协调控制,这也是路网协调控制的雏形[6】。通过建立各交叉口交通通行状况的数学模型,系统化的对一系列交叉口进行协调控制,以优化区域内各交叉口的通行状况。1963年,由IB650型计算机控制的交通控制系统在加拿大多伦多市建立,这是第一次把计算机引入交通控制领域,大大提高了控制的效率和性能。此后,为解决闩趋严峻的城市交通问题,各国学者广泛的尝试将计算机技术应用到交通控制系统中【7J。20世纪80年代初,越来越多的交通控制系统被研发出来并投入使用,比较著名的有TRANSYTTraffic Network Study T001[副、SCOOT[圳、SCATS[1uJ、OPACOptimizationPolicies for Adaptive Contr01[、RHDES[121和PRODYN[1 31。当代,交通控制技术也随着现代科学技术的发展得到进一步拓展,特别是人工智能技术引入,模糊控制、遗传算法、神经网络与交通控制技术相结合,取得了各种各样的成果。1977年,Pappis提出将模糊控制用在城市单向单路口的方法,这是第一次把模糊数学引入交叉口控制中【14】;1986年,Anthony等人提出在信号控制之前需将交叉口的交通通行状况分成饱和状态/不饱和状态及不平稳状态/平稳状态[1 5】;1992年,Foy等提出GA算法在双相位系统中的应用【16】2001年,Park等提出一种定时控制信号配时优化方法,该方法将仿真模型与GA接口结合,可以同时对周期长度、相位绿信比及相位差进行优化[17];2007年,Ghassan Abulebdeh等提出在交通拥堵状态下的交通信号控制方法[1 81。1.3 论文主要内容与已有研究相比,本文工作的创新点主要集中在1.在定时控制中,饱和流率是制定信号配时方案的关键性参数【l 91,该参数的合理与否直接影响设计得到的周期长度的合理性。然而传统获得饱和流率的方法,由于行人、车辆及交通拥堵等方面的原因,并不能准确地测量交叉口的饱和流率。本文提出一种新型的通过Paramics仿真平台测量饱和流率的方法,并通过仿真验证新方法的有效性。2.路网绿波带的优化问题可以建模成一个混合整数线性规划问题‘201。然而,已有的研究,在建立该混合整数线性规划模型时,没有考虑周期损失时问的影响。本文改进了已有的混合整数线性规划模型,考虑周期损失时间的影响,使得优化得到的相位差更加合理,最后通过仿真验证新模型的有效性。本文结构如下第一章引言介绍交通控制的研究背景、发展历程及国内外研究现状,提出本文的研究内容和意义;第二章交通信号控制及Paramics仿真平台本章首先介绍单交叉口控制和路网协调控制常见的控制方法;然后介绍Paramics仿真平台的特点和功能,并简要介绍论文研究需要的Modeller、Analyser、Programmer工具;第三章单交叉口控制及仿真首先介绍信号交叉口交通流特性,其次介绍单交叉口定时控制信号配时方案2和Paramics平台测量饱和流率的方法,最后通过Paramics仿真,比较两种测量饱和流率方法所制定的信号配时方案在不同的交通流率下的控制效果;第四章路网协调控制及仿真首先介绍已有的路网绿波带优化模型;然后介绍增加周期损失时间后的干线及路网绿波带优化模型;最后通过深圳市路网的实例说明路网协调控制的具体计算方法第五章结论与展望总结已做的工作内容,并对未来的研究方向进行展望。2 交通信号控制及Paramics仿真平台本章首先介绍单交叉口控制和路网协调控制常见的控制方法;然后介绍Paramics仿真平台的特点和功能,并简要介绍论文研究需要的Modeller、Analyser、Programmer工具。2.1 交通信号控制合理的交通信号控制方法可以使交通流更加平稳和顺畅,在减少环境污染及能源浪费的同时,能有效的增加道路通行能力并减小行驶延误,提升城市道路的服务水平。按控制区域范围划分,交通信号控制可以分为单交叉口控制及路网协调控制。2.1.1 单交叉口控制交叉口是组成城市路网的“细胞”,其控制方法主要有两种定时控制和感应控制。国内外有关交叉口定时控制的研究主要集中在相位的排序、信号配时的优化、交通效益的评价等方面,形成了一系列的控制方法。国外控制方法有英国的F.WebsterB.Cobb理沦和澳大利亚的ARRB方法等。F.WebsterB.Cobb理论是由F.Webster基于Webster稳,态平衡理论提出的,该方法以“交叉口的平均行驶延误最小”为控制目标,认为车辆通过停车线Stop line即通过交叉口[21]。ARRB法由Akcelik在Webster理论的基础上加以改进提出,控制目标为多指标如平均行驶延误、通行能力,可以按照期望的控制目标进行信号控制,为实现交叉口不同控制效果提供不同配时方法,把“相位法”拓展成“行驶法”,用“行驶损失时间”替换“相位损失时间”,把交叉口损失时间重新定义为交通流的行驶损失时间之和,替换了原有的相位损失时问之和【221。国内研究的交叉口定时控制方法主要有冲突点法㈤和停车线法【241。冲突点法以交通流的实时通行状态为依据,根据左转车流与对向直行车流存在冲突这一现象,认为交通流通过交叉口的标志是通过冲突点,需要通过冲突点的左转交通流与对向直行交通流决定该相位的绿灯时间长度,并将交叉口通行能力定义为左转交通流与对向直行交通流通过冲突点的通行能力和右转交通流通行能力之和,并以此进行信号配时。这种方法以冲突点为研究对象来讨论信号配时,还原了交叉口的实际交通通行情况,缺点在于没有考虑左转车4流的行驶引起对向直行车流的延误。停车线法认为所有左转、直行、右转的交通流,通过停车线即视为通过交叉口,由此测算该交叉口交通流的参数,并依此进行信号配时,缺点在于通过停车线的交通流短时间内仍处在交叉口中,没有完全消散,这会对冲突相位的交通流产生不利的影响,而停车线法的计算原理决定了该影响很难被减小或消除。交叉口定时控制优点在于其道路设施价格低廉,且安装、维护方便,适用于交通流率较大、交通流率变化较小的交叉口,同时,因其具有固定的周期时间和相位绿信比,可以方便的与邻近交叉口信号灯联动,形成路网协调控制。定时控制的缺点是灵活性很小,在交通流率变化较大的交叉口不能起到很好的控制效果。交叉口感应控制是在交叉口上游进口道设置检测器,检测交通流进入进口道的交通需求,使对应相位的绿灯时间做出相应改变的控制方式。交叉口感应控制适用于交通流率较小,交通流率变化较大的交叉口。然而,交叉口感应控制因其没有固定的周期时间和相位绿信比,无法与邻近交叉口信号灯联动,不能形成城市道路的路网协调控制。2.1.2路网协调控制当干线上的交叉口相距较近时,通过干线协调控制可以大大减少行驶延误。干线协调控制是指当进入干线的车队按某一速度行驶时,能不遇或少遇红灯,一路绿灯地通过交通干线。从被控路网各交叉口的信号灯色来看,绿灯像波浪一样向前推进,这种现象被形象化的称为干线绿波带。图2.1绿波带3D时间.空间图Figure 2.1 three-dimensional timespace diagram of green wave图2.1形象的描述了干线协调控制的运行原理车队在到达下一个交叉口时还没有完全消散,通过交叉口问的协调控制,让车队在下游交叉口处也正好遇到绿灯,从而有效减少延误。由图2.1还可以看出,当多条干线相交时,会形成城市道路路网。如果路网中的多条相交的干线都需要协调控制,此时的协调控制称为路网协调控制。路网协调控制可以使组成路网的每条干线都产生绿波带,并通过最优化计算使每条干线上的绿波带宽都达到最大值。对路网进行协调控制具有重要的意义Ⅲ1.提高交通流速度并减少停车次数,产生较高的交叉口服务水平;2.车辆行驶速度统一,增加交叉口车流容量并减少车头时距;3.减少交通事故发生率;MAXBAND[25】是对路网进行协调控制最基本的方法,它通过一系列的优化算法使组成路网的干线的绿波带宽最大化,从而降低平均行驶延误。MULTIBAND但6J是对MAXBAND方法的一种扩展,与MAXBAND对干线整体进行绿波带最大化计算相比,MULTIBAND分别对干线中以交叉口为分割点的每一段道路进行独立的绿波带最大化计算。PASSERProgression Analysis and Signal System uation Routine是德克萨斯州交通运输研究所研究的一系列使绿波带最大化的方法的统称。最初的PASSER是一种实时的、在线的绿波带宽最大化算法,PASSER II[”]改进成一种离线的优化算法,目前发布的版本为PASSER IV。2002年,N.H.Gartner和C.Stamatiadis提出较为完善的路网协调控制方法,建立了一个使路网绿波带宽最大化的混合整数线性规划问题模型【201。该模型通过优化路网中交叉口的相位差,解决相同带宽、不同带宽情况下干线协调控制的绿波带最大化问题,并以此为基础解决路网绿波带的最大化问题。2.2 Paramics仿真平台Pararnics平台是由英国Quadstone公司【28】丌发的微观交通仿真系统,目前在国内外交通仿真领域有着广泛的应用,在交通事件模拟、交通流预测、出行信息诱导及交通控制等方面优势明显。Paramics平台可以精确的建立路网模型并提供四大类约700个基于c的API函数接口,使用户可以根据需要制定算法和控制策略,同时该软件还提供三维动画及相关统计数据输出,方便用户直观的观察控制效果。Paramics平台包括Modeller建模工具、Processor批处理工具、Analyser分析工具、Programmer编程工具、Monitor监视工具、EstimatorOD反估工具及其他辅助工具,下面主要介绍本文使用的几个工具的功能和使用方法。
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