城市路网交通信号的区域协调优化与控制理论研究

摘要

目前，解决城市交通拥堵问题的可行方法主要有：城市道路规划与扩建、城市交通信号控制与城市智能交通诱导。根据我国各大城市的发展现状，可以清晰地认识到，单纯地通过城市道路的扩建来缓解城市交通拥堵问题是不合理的，工程造价过高，也不利于有效地利用严重紧缺的城市土地资源。许多文献中提到，城市交通信号控制和智能交通诱导，两者相辅相成，能够使现有交通道路设施的利用率最大化，显著提高车辆的出行效率，同时交通信号控制能够显著地减少交通事故的发生。归根结底，城市交通问题是现有交通路网和交通管控技术不能满足日益增长的交通需求的矛盾，需要从交通网络的本身出发，进行有预见性地、智能地交通诱导和动态地信号协调控制。城市交通信号控制经历了由单交叉路口控制到干线协调控制，再到区域协调控制的发展过程，目前城市区域协调控制已经成为城市交通信号控制的研究热点，但该研究领域仍存在诸多急需解决的问题。 城市区域交通协调控制不同于交叉路口控制和干线协调控制，其核心在于实现区域内每个交叉路口的协调，达到区域整体的最优运行。本文将从城市交通信号控制的发展历程开始回顾，对交叉路口的交通流时空变化特性进行建模分析，采用先进的模型预测控制技术、分布式协调控制技术和控制分区思想，实现干线、区域交叉口整体的特定性能指标的动态最优，即车辆排队长度最小。论文的主要研究工作主要包括如下几个方面： 首先，绪论部分综述了城市交通控制的发展现状和前景，并重点论述区域交通协调信号控制的意义，并给出了国内外城市区域交通协调控制的研究现状。综合以上实际情况，可以明确地了解到研究城市区域交通协调控制理论是十分必要的。 其次，第二章系统性地分析了一些交通信号控制的基础理论和概念，为后续的城市区域协调控制理论的研究提供了坚实的理论支撑。该章节重点介绍了城市交叉路口信号配时的基本参数及其设计方法和理论，并详细地分析了与信号控制相关的各种评价指标及其对信号配时设计方案的影响，如路网交叉口车辆的平均延误时间、平均行程距离、平均停车次数和单位时间通行车辆数等评价指标。为了很好地解决大规模城市区域路网的信号控制和优化问题，本章还重点介绍了多种交通流的建模理论和方法，并分析比较了这些理论和方法的优缺点，最终本文采用了性能较优的SFM交通流模型进行城市路网的建模分析。在此基础上，还综合比较了几种基于SFM交通流模型的信号控制方法，如基于SFM的二次型控制和非线性控制，并相应地分析了各种控制方法的优缺点。最后，还分别介绍了单交叉路口信号协调控制、干线交叉路口协调控制和区域交叉路口协调控制的相关设计方法，并着重分析了三者在信号设计上的关联和信号参数设计上的不同。 然后，在前面两章背景和基础理论分析的基础上，提出了将先进的MPC控制算法应用于交通信号协调控制。本章节首先简单地回顾和分析了MPC控制的发展历程和基本控制思想，并利用SFM交通流模型，对实际的单交叉路口控制问题和区域路网交通信号控制问题进行相应的MPC控制问题的建模分析，最后结合具体的仿真结果分析MPC控制的实际的效果。 最后，提出了将分布式优化的求解思想应用于区域交通信号协调控制的求解，能够有效地解决具有大规模交叉路口的区域路网的信号优化问题，显著降低系统在线计算的复杂性，提高系统的灵活性和鲁棒性。首先简单地介绍了分布式优化与控制的理论发展过程，并详细地介绍了分布式优化与控制的基本思想。此外，还详细地介绍了常用的分布式优化问题的求解算法，通过对比分析，最终采用比较高效的ADAL算法来求解城市区域的交通信号协调优化问题。论文最终给出了相应的分布式MPC城市区域路网信号协调优化模型和详细的ADAL算法求解过程，并针对一个简化的区域交叉口路网进行的实际的仿真分析，仿真结果很好地证明了本文所采用的分布式MPC算法具有较好的性能。

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