动态交通条件下交通诱导与信号控制协同研究

摘要

随着我国城市规模不断扩大、人口快速增长、小汽车保有量急剧上升，城市交通系统供需矛盾日益突出。不断增加的交通需求与频繁发生的各类突发事件，相互刺激、不断恶化。充分利用现有道路交通资源，提高交通系统运行效率，有效应对频繁发生的各种突发交通事件，已成为当前我国城市交通亟待解决的关键问题。
　　论文在对交通诱导系统与交通信号控制系统的研究历程及发展现状进行阐述的基础上，利用微观仿真软件PARAMICS建立了典型交通诱导与信号控制协同策略仿真模型。考虑信号控制方式的不同类型，研究分别选择固定式信号控制、感应式信号控制以及区域协同联动控制作为典型代表;同时根据交通诱导系统对道路网络以及用户影响方式及影响程度的差异，论文将各类交通诱导系统抽象为具有不同信息发布频次以及不同用户遵从度的理想诱导信息发布途径。基于Sioux Falls路网，对这一系列的交通诱导与信号控制协同模型进行了大量的仿真测试，得到了不同交通运行状态下的协同优化策略，可移植性测试结果显示该策略具有较好的可移植性。
　　在常规交通状态下交通诱导与信号控制协同策略研究的基础上，论文对突发交通事件条件下的协同策略的运行效果进行分析。从实际观测得到的突发交通事件的时空特性出发，研究对交通事件与交通诱导、交通事件与交通信号控制的交互关系进行了解析分析。同时论文设计了四种不同类型突发交通事件情境，包括汽车抛锚、交通事故、火灾警报以及突降暴雨，研究利用PARAMICS仿真软件对各情境下交通诱导与信号控制协同策略进行仿真，并对协同策略的优化效果进行分析。结果显示突发交通事件的影响范围、影响时长与交通诱导或信号控制策略的运行效果影响紧密;同时单点感应式信号控制在低交通流条件下具有最佳的适应性，且用户遵从度的提高对路网运行效率有一定提升作用，但是当遵从度超过75％后，遵从度的提高对运行效率有抑制作用。
　　考虑现有微观仿真软件在进行解析分析时受到软件功能制约，论文在双排队动态交通流传输模型的基础上，考虑城市信号控制条件，将其节点模型改进为信号控制下的节点模型，并对改进后模型的理论特性进行证明，此外研究通过数值算例对该模型进行应用。结果表明，信号控制条件下的双排队模型能够正确描述信号控制条件下的交通流动态特性。进一步的，研究建立了动态交通分配与信号控制优化连续模型，深入分析交通诱导与信号控制动态协同过程，并利用非线性优化软件GAMS/NLPEC对离散化后的模型进行求解，数值算例表明该模型在正确描述交通流动态特性的基础上还能描述动态条件下的用户近似均衡条件。
　　为改善仿真中发现的现有交通诱导与信号控制策略在协同中存在问题，论文设计分布式信号控制策略Double Pressure信号控制。该策略考虑下游路段承载能力，分析交叉口不同流向通行能力需求与供给间的相互关系，有效缩短交叉口排队时间，并能够自适应的在不同交通运行状态下与诱导策略进行协同。在对控制流程离散化之后，论文从理论层面对该控制策略的特性进行论证及阐述。同时数值测试，验证了Double Pressure信号控制策略的有效性，尤其是在有突发交通事件或是流量较高的情况下，优势较为显著。此外，研究还对动态用户路径选择行为对信号控制策略运行效果的影响进行了数值分析。
　　为了表征不同交通运行状态下路网的综合运行效果，同时为了评价协同策略在不同交通运行状态下的综合表现，论文基于宏观基本图理论提出了一种新型的路网运行效果综合评价指标。以交通诱导与信号控制协同策略下的实验路网为例，对Double Pressure信号控制与典型交通诱导策略的协同效果进行分析评价，同时还进一步考虑的多类型交通事件发生后路网性能被削弱情况下，对应的宏观基本特性。进一步验证了，Double Pressure信号控制，不论是与何种频次的诱导发布策略进行协同，其协同后的Sioux Falls路网运行效率在各种常规、非常规突发交通事件条件下，均优于固定式信号控制策略。

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摘要

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第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究目标及内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 拟解决的关键问题

1．3．3 研究内容

1．3．4 章节安排

第二章 交通诱导与信号控制协同仿真分析

2．1 城市交通诱导系统

2．1．1 交通需求模型

2．1．2 交通供给模型

2．1．3 需求-供给交互模型

2．2 城市信号控制系统

2．2．1 交通信号控制策略

2．2．2 交通信号控制技术发展历程

2．3 基于仿真的交通诱导与信号控制的协同分析

2．3．1 仿真实验设计

2．3．2 基于PARAMICS的仿真平台搭建

2．3．3 数值实验

2．4 本章小结

第三章 突发交通事件下交通诱导与信号控制协同效果仿真分析

3．1 交通事件概述

3．1．1 交通事件持续时间研究

3．1．2 交通事件对道路网络的影响

3．1．3 交通事件对交通流运行的影响

3．2 突发交通事件影响分析

3．2．1 突发交通事件案例分析

3．2．2 交通事件与交通诱导的交互分析

3．2．3 交通事件与信号控制的交互分析

3．3 交通事件下交通诱导与信号控制协调的仿真研究

3．3．1 协同方案及实验设计

3．3．2 实验路网

3．3．3 协同策略实现

3．3．4 实验结果分析

3．4 本章小结

第四章 考虑信号控制的动态网络交通流传输模型

4．1 双排队模型及其改进

4．1．1 双排队模型

4．1．2 考虑信号控制的双排队模型

4．1．3 数值仿真分析

4．2 动态交通分配与信号控制优化模型设计

4．2．1 问题设置

4．2．2 优化目标及约束条件

4．2．3 模型求解

4．2．4 数值实验

4．3 本章小结

第五章 分布式信号控制策略：Double Pressure信号控制

5．1 分布式信号控制

5．2 Double Pressure信号控制策略

5．2．1 内源压力与外源压力

5．2．2 Double Pressure信号控制决策流程

5．2．3 Double Pressure信号控制策略的特性分析

5．2．4 数值实验

5．3 动态用户选择对信号控制策略运行效果的影响

5．3．1 Double Pressure信号控制策略下动态用户选择分析

5．3．2 动态用户路径选择对Double Pressure信号控制策略的影响分析

5．4 本章小结

第六章 基于MFD的分布式信号控制与交通诱导协同策略评价

6．1 宏观基本图理论概述

6．1．1 宏观基本图概念的提出

6．1．2 宏观基本图理论的存在性和适用性

6．2 协同策略的宏观特性分析

6．2．1 协同方案及实验设计

6．2．2 实验结果分析

6．2．3 结果分析小结

6．3 交通事件下协同策略的宏观特性分析

6．3．2 受交通事件影响的宏观基本特征分析

6．3．3 结果分析小结

6．4 本章小结

第七章 研究结论与展望

7．1 主要研究成果与结论

7．2 主要创新点

7．3 研究展望

致谢

参考文献

附录

作者简介(包括论文和成果清单)