城市主干道交通流的分形理论与系统模拟

摘要

随着我国人民生活水平的不断提高，城市交通阻塞现象日趋严重。基于现有交通控制理论建立的各种先进的城市交通控制系统，无法完全适应我国目前的混合交通现状。分形理论是解决非线性、复杂问题的有效工具之一，用分形理论解决复杂的交通流问题将会为新型交通控制系统的开发提供新的思路。 本文介绍了国内外交通控制理论的发展以及各种控制理论的优点和缺点，阐述了传统交通流识别在识别方法上存在的一些问题。在对交通流流体力学理论和跟驰理论进行分析的基础上，论述了城市信号控制交叉路口交通流的分形分类原则和形成依据，证明了主干道上的主交通流具有自相似性和标度不变性，主交通流组成的主车流图形属于分形，并提出交通流视频识别是提高交通流控制质量的现代化手段和实现交通流分形几何控制的最佳途径，指出交通流几何识别方法具有独特的优越性，尤其适合我国的交通实际。同时，用数学方法描述了交叉路口分形交通流的数学关系，建立了相应的数学模型，并通过哈尔滨市某信号控制交叉口的实测数据验证了该模型的正确性。在介绍分形维数理论的基础上，结合实际情况，给出了主车流维数的计算方法，并得到实际主车流图形的维数为1.749，进一步证明主车流图形具有分形特性。此外，对交叉路口交通流视频动态模拟软件的五大模块进行了论述，给出了交通流分形几何视频识别参数的标定原则以及交通流计算机模拟的具体方法。通过分析现有交通控制系统中硬件技术存在的问题，阐述了交叉路口交通流分形几何控制系统相关硬件系统的结构、设计原则、选取及布置方法。最后，本论文得出的结论是，应用分形理论的城市交通控制系统是符合我国国情的新型控制系统，它将大幅度提高我国城市主干道上的主车流流速，减少排放污染，改善人民的生活环境。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1国内外交通控制信号的发展概况

1.2国内外交通控制理论的发展概况

1.2.1经典控制理论

1.2.2现代控制理论

1.2.3大系统理论

1.2.4人工智能控制理论

1.3交通控制系统采样方法研究

1.3.1传感器采样

1.3.2人为视频监控采样

1.3.3人为监控的智能模糊控制采样

1.4传统交通流识别方法存在的问题

1.5交叉路口交通流控制系统硬件技术综述

1.5.1交通流控制系统硬件技术的发展

1.5.2传统交通流检测设备存在的问题

1.6论文的主要研究内容

2交叉路口交通流数学模型建立理论研究

2.1交通流理论

2.1.1交通流描述的数学抽象

2.1.2十字路口交通流的数学描述方程

2.1.3城市主干道中交通流描述的数学基础

2.1.4交通流描述视频检测的基本原理

2.2交叉路口交通流几何控制方法的理论基础

2.2.1交叉路口交通流的分形形成依据

2.2.2交叉路口交通流的分形理论研究

2.2.3提高交通流控制质量的现代化手段

2.3交叉路口主车流几何识别方法的精度

2.3.1识别误差的种类

2.3.2误差限的估计

2.4交叉路口交通流数学模型的建立

2.4.1模型建立

2.4.2实例分析

2.5交叉路口交通流分形研究的关键问题

2.5.1交叉路口交通流的分形变量选择

2.5.2交叉路口交通流的分形维数问题

2.5.3单位时间剩余交通量的合理分配

2.6本章小结

3交叉路口交通流识别维数的分析理论研究

3.1交通流维数的理论基础

3.1.1 Hausdroff测度和维数

3.1.2盒维数

3.2交叉路口主车流维数的计算公式推导

3.3交叉路口主车流维数的应用示例分析

3.4交叉路口主车流维数的结论

3.5本章小结

4交叉路口交通流图像的动态模拟及分形几何识别理论研究

4.1矢量法及其在交通流控制中的作用

4.2交通流分形几何视频识别方法研究

4.2.1交通流视频识别方法的理论基础

4.2.2交通流视频识别参数的标定原则

4.3交叉路口交通流视频模拟再现软件及说明

4.3.1摄像机初始化模块

4.3.2交叉路口交通流视频采集模块

4.3.3交叉路口交通流图像处理模块

4.3.4交通流视频显示模块

4.3.5汽车参数管理模块

4.4交叉路口交通流的计算机仿真

4.5交通流计算机模拟再现方法的研究

4.5.1交通流计算机模拟模块说明

4.5.2坐标变换与摄像机定标

4.6主干道主车流动态控制的分形描述

4.6.1动态交通流分形描述形状的基本假设及描述原则

4.6.2主车流动态控制过程的描述

4.7本章小结

5交叉路口交通流识别相关硬件系统的研究

5.1交叉路口交通流识别硬件系统的设计

5.1.1交叉路口交通流识别硬件系统的构成

5.1.2交叉路口交通流识别硬件系统结构

5.1.3交叉路口交通流识别主要硬件的设计

5.2交叉路口交通流识别分形参数及硬件布置研究

5.2.1交叉路口交通流识别取景范围的确定

5.2.2交叉路口交通流识别描述位置及取景方向的确定

5.3本章小结

图

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢