高密度路网地区的交通信号控制技术研究

摘要

在新城市主义运动的倡导下，高密度路网建设已经成为现阶段城市路网的发展趋势之一。但是目前，与其相适应的交通信号控制技术尚不完善，无法充分发挥高密度路网连接性好和选择性多的优点。为此，本文借鉴国内外交通信号控制系统的理论研究和实践应用成果，结合高密度路网地区的路网结构和交通流特点，深入研究了满足高密度路网地区交通需求的交通信号控制系统的关键技术，为高密度路网地区区域交通信号控制系统的建设提供理论指导。
　　 本文研究了高密度路网结构特点，分析了不同类型的城市交通信号控制系统应用效果，明确了主要研究内容：高密度路网交通信号控制系统、高密度路网交通流模型研究、非饱和状态高密度路网区域信号控制方法、交通饱和状态高密度路网区域交通信号控制方法。
　　 对于高密度路网交通信号控制系统，首先，分析了高密度路网地区的路网结构特点；其次，对南京鼓楼地区的交通流状况开展调查，分析了高密度路网地区的交通流特性和现行交叉口信号控制方案的控制效果；第三，分别研究了常用的城市区域交通信号控制系统体系的基本原理；最后，总结了城市区域交通信号控制系统在高密度路网中应用的不足，并提出了适用于高密度路网的交通信号控制系统的基本要求。
　　 对于高密度路网交通流模型，提出了可变元胞传输模型(Variable Cell TransmissionModel)，用于高密度路网地区的交通流预测与模拟。VCTM模型遵从流量守恒定律，通过引入元胞交通流密度和元胞长度两个参数，建立了单路段、汇聚、分流等不同形式下的VCTM模型表达式。VCTM模型克服了元胞传输模型(Cell Transmission Model)应用于高密度路网地区的局限性。仿真结果表明VCTM模型能够满足高密度路网的交通流预测、模拟要求。
　　 对于非饱和状态高密度路网区域信号控制方法，首先提出了高密度路网的分布式交通信号控制模型。该模型采用多目标优化函数，兼顾行程时间延误最小和平均排队占比最小等两个优化目标；该模型的约束条件主要涵盖了信号控制参数约束、交叉口车队流量消散约束、排队回流约束等三方面。其次，根据高密度路网的分布式交通信号控制模型非线性、多目标的特点，提出了基于理想点的自适应离散粒子群优化算法。该算法通过理想点将模型的多目标函数转换为该算法的适应度函数，在该算法迭代寻优的同时，不断修正适应度函数。同时该算法还将离散粒子群优化算法和Metropolis接受准则相结合，提高算法的寻优能力，确保获得模型的有效解。仿真结果表明，当高密度路网的交通需求处于非饱和状态时，分布式交叉口信号控制模型及其算法能够从高密度路网全局考虑，合理利用高密度路网的时空资源，提高高密度路网的整体通行能力。但当高密度路网处于饱和状态时，该模型及其算法并不能体现其控制的优越性。
　　 对于饱和状态高密度路网区域信号控制方法，首先，提出了适用于饱和状态高密度路网的“长红长绿”信号控制策略。其次，分析了“长红长绿”信号控制策略的基本原理，研究了“长红长绿”信号控制策略在高密度路网中应用的可行性。第三，建立了以交叉口平均停车次数最少和平均延误时间最短作为优化目标的四相位“长红长绿”信号控制参数优化模型。仿真结果表明，四相位“长红长绿”信号控制参数优化模型更适用于饱和状态的高密度路网，该模型通过控制高密度路网内的交通流总量、均匀分布交通流量，减少了交叉口排队长度和停车次数，提高了高密度路网的整体通行能力。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章 绪论

1.1 立题的背景及意义

1.2 国内外研究和应用概况

1.2.1 城市交通信号控制系统发展概况

1.2.2 城市交通信号控制方式研究概况

1.2.3 城市交通信号控制系统在高密度路网应用不足

1.3 研究目的和主要内容

1.3.1 研究目的

1.3.2 主要研究内容

1.3.3 论文章节安排

1.4 本章小结

第二章 高密度路网交通信号控制系统

2.1 高密度路网地区的路网结构特点

2.2 现有高密度路网地区交通状态分析

2.3 城市区域交通信号控制系统分析

2.3.1 区域交通信号控制系统的概述

2.3.2 区域交通信号控制系统的分类

2.3.3 典型区域交通信号控制系统的分析

2.4 高密度路网对区域交通信号控制系统性能需求分析

2.5 本章小结

第三章 高密度路网交通流模型

3.1 交通流模型

3.1.1 交通波动理论

3.1.2 车辆跟驰理论

3.1.3 元胞自动机理论

3.1.4 高密度路网地区交通流模型选取标准

3.2.1 CTM模型基本原理

3.2.2 CTM模型在高密度路网地区的适用性

3.3 VCTM模型

3.3.1 VCTM模型基本公式推导

3.3.2 VCTM模型的单路段、汇聚、分流公式

3.4示例仿真

3.5 本章小结

第四章 非饱和状态高密度路网区域信号控制方法

4.1 高密度路网地区交通信号控制体系

4.1.1 高密度路网区域交通信号控制系统的控制结构

4.1.2 高密度路网区域交通信号控制系统的控制策略

4.1.3 高密度路网区域交通信号控制系统的控制目标

4.2 高密度路网分布式交叉口信号控制模型

4.2.1 模型优化目标研究

4.2.2 模型约束条件

4.2.3 高密度路网地区分布式交通信号控制模型

4.3 基于理想点的目标函数研究

4.3.1 多目标函数的寻优算法

4.3.2 基于理想点的目标函数

4.4 自适应离散粒子群优化算法

4.4.1 离散粒子群优化算法

4.4.3 自适应离散粒子群优化算法结构

4.5 高密度路网分布式交叉口信号参数优化流程

4.6 示例仿真

4.7 本章小结

第五章 饱和状态高密度路网区域信号控制方法

5.1 高密度路网混合式交通信号控制结构

5.2 “长红长绿”信号控制策略

5.2.1 “长红长绿”信号控制策略的提出

5.2.2 连续交通流特性分析

5.2.3 “长红长绿”信号控制策略分析

5.2.4 “长红长绿”信号控制策略在高密度路网应用的可行性

5.3 两相位“长红长绿”信号控制参数优化模型

5.3.1 模型目标函数

5.3.2 模型约束条件

5.4 四相位“长红长绿”信号控制参数优化模型

5.4.1 模型目标函数

5.4.2 模型约束条件

5.5 示例仿真

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要研究成果与结论

6.2 主要创新点

6.3 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间论文与科研情况