城市过饱和路网中的信号灯动态实时反馈控制

摘要

随着机动车保有量的增加，城市交通拥堵现象日益严重，尤其早晚高峰期经常呈现过饱和状态。目前，大部分交通信号控制系统是针对非饱和交叉口进行设计，当交叉口处于过饱和状态时，系统控制性能大幅下降，因此过饱和交通信号控制仍是交通控制领域中的难题。在此背景下，本文主要研究了智能交通系统中过饱和状态下交通信号灯控制问题。
　　首先，针对单交叉路口的交通信号进行研究，考虑四相位路口的相位切换问题，通过引入正定切换理论，提出了过饱和条件下的交叉路口排队车辆离散切换模型。基于能量理论，将交叉路口看作能量存储系统，分别把车辆的流入和流出视作能量的存储和耗散。根据能量耗散思想，设计了以有效绿灯时间为控制变量的状态反馈控制器，实现了交叉路口存储和耗散均衡，即排队长度最小的控制目标。为了验证本文所提单交叉路口信号控制算法的有效性，给出了所提出的算法与现有文献中过饱和信号控制算法的对比仿真。实验结果表明，应用本文所提出的算法，排队车辆消散所需周期数较少。
　　然后，针对区域交通信号进行研究，考虑智能交通系统中交通流的动态特性，提出了区域交通系统改进的存储-转发模型。考虑大型区域的复杂性和协调性，将区域交通划分成N个子区域，分别建立了对应的子区域模型。针对子区域模型，提出了基于分层模型预测控制的过饱和区域交通信号控制优化目标。通过引入拉格朗日对偶原理解决约束条件问题的方法，对子区域的车辆排队数量进行了预测，并对有效绿灯时间进行优化控制。为了验证所提区域交通控制算法的有效性，给出了本文改进的模型与存储-转发模型的对比仿真。实验结果表明，在达到相同的控制效果时，本文改进模型的控制算法所需的计算时间较短，计算成本较低。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 智能交通系统概述

1．2．2 单交叉路口信号控制研究现状

1．2．3 区域交叉路口信号控制研究现状

1．3 现有研究存在的问题

1．4 研究内容

1．5 论文结构

第2章 交通信号控制相关知识

2．1 交叉口交通状态

2．2 交通信号控制参数及评价指标

2．2．1 交通信号控制结构参数

2．2．2 交通信号控制时间参数

2．2．3 交叉路口常用性能指标

2．3 交通信息采集

2．4 交通信号控制方式

2．4．1 按控制区域划分

2．4．2 按控制方法划分

2．5 本章小结

第3章 单交叉路口信号控制研究

3．1 单交叉路口排队长度建模

3．1．1 系统描述

3．1．2 排队长度建模

3．2 控制目标

3．3 基于耗散性的控制器设计及稳定分析

3．3．1 控制器设计

3．3．2 稳定性分析

3．3．3 参数求解

3．3．4 单交叉路口信号控制算法

3．4 仿真结果及分析

3．5 本章小结

第4章 区域交通信号控制研究

4．1 系统描述

4．2 区域交通建模

4．3 区域交通分解和优化目标

4．3．1 动态子区域的划分

4．3．2 优化目标

4．4 分层MPC控制系统设计

4．4．1 基于MPC优化目标分析

4．4．2 分层MPC控制器设计

4．4．3 区域交通信号控制算法

4．5 仿真结果及分析

4．6 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介