随机环境下城市交通信号控制理论与方法研究

摘要

随着城市经济社会的快速发展,交通需求增长而导致的严重交通拥挤问题已经成为制约城市进一步发展的重要因素。在这种情况下,单纯依靠拓宽、新建道路已经无法完全解决问题,还应通过建立和完善城市交通控制系统以提高现有道路的通行能力。随着城市交通问题的凸显和智能交通系统的迅速发展,交通信号控制作为管理城市交通网络的基本手段,依然是最重要的研究问题之一。
　　 由于交通流的时变性、随机性等特点,尤其是我国城市的混合交通流特征,行人密度高以及交通安全意识淡薄等因素,而且现有的交通控制策略和模型均假设交通需求为确定值,存在一定局限性,应用效果与期望目标尚有一定距离。为此,本文针对交通需求的随机特性,研究了随机条件下的单点和干线协调控制系统信号配时参数优化问题,具体内容包括:
　　 (1)系统分析和总结了国内外相关问题的研究现状,对单点和干线协调控制系统信号配时优化问题的研究成果给出了文献综述,指出了已有研究成果存在的问题和不足,确定了本文研究的方向和内容。
　　 (2)根据信号控制交叉口到达交通流的随机特点,引入相位清空可靠度的概念。基于概率方法,研究了相位清空可靠度与周期时长、相位绿灯时间的定量关系,利用Gauss消元法推导得到了交通流分别服从正态分布和负指数分布时的相位清空可靠度计算公式。
　　 (3)根据相位机动车排队长正、负偏差和通行能力指标,考虑不同相位的权重因素,分别建立了交叉口信号配时优化模型。研究了相位清空可靠度与周期时长、相位绿灯时间的定量关系,对模型进行了确定性转化。建立了以期望排队长为目标函数的绿灯时间优化模型,利用Lagrange法给出了求解随机期望值模型的解析算法,通过随机仿真得到了交叉口各相位绿灯时间的最优值。
　　 (4)根据路段行程车速的随机分布特征,以行程时间、车辆延误和排队长度为优化目标,利用信息熵理论和多属性综合决策方法设计了线控系统相位差优化算法。在线控系统相位差方案运行指标已知的条件下,根据主观偏好的不同,从相位差方案和运行指标两个层面分别建立了相位差优选模型,基于方案的偏好值用互反判断矩阵给出,基于运行指标的偏好值由管理者给出。为了减小相位差优化过程中主观偏好与客观信息的偏差,采用解析的方法对建立的单目标优化模型进行了求解,设计了求解算法,并将算法应用于线控系统相位差的优化,利用Simio进行了仿真与结果分析。
　　 (5)考虑交通流的随机特征、不同交通需求与信号配时参数,将车均延误、人均延误和车辆排队长作为信号交叉口运行评价指标,以三相位十字信号交叉口为例,利用Simio软件分析了公交专用进口道设置前后上述评价指标的变化规律。以人均延误最小为优化目标,建立了公交优先条件下单点信号配时优化模型。以路段行程时间、人均延误、社会车辆延误、公交车均延误、社会车排队长度和公交车排队长度为优化目标,利用信息熵理论和多属性综合决策方法,分别考虑运行指标无偏好、有偏好和对方案有偏好的情况,建立了线控系统相位差优化模型和求解。利用sirnj0进行了仿真分析,验证了模型和算法的有效性。