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交叉口信号控制自组织方法与系统应用研究

蒋贤才  
【摘要】: 单点交叉口信号控制经历了由定时控制、感应控制到自适应控制等三种信号控制方式的发展历程,适应了交通信号控制由被动控制向主动控制发展方向的转变,提高了信号交叉口控制的有效性。尽管自适应信号控制总体上优于感应信号控制和定时信号控制,但自适应信号控制并不是解决所有信号控制的万能钥匙。无论是哪种控制方式都有其特定的适用条件和情况,自适应信号控制也一样,也存在许多不适合用自适应信号控制来解决的交叉口信号控制问题。国外对三种信号控制方式控制效益的对比研究表明,它们各有其相应的适用范围。本课题依托国家“十五”科技攻关课题“哈尔滨市智能交通系统应用示范工程”(2005BA414B18),从信号交叉口车流运行特征入手,就不同交通状态下的合理信号控制方式问题进行研究,旨在通过采用自组织信号控制方法来实现减少车辆在交叉口的行车延误和停车次数,实现节约能耗、降低环境污染等目的。研究成果对于优化信号交叉口的时空资源具有重要意义。 课题研究以交通调查、理论建模、软件开发与系统应用相结合,从占有的大量交叉口调查数据中筛选特征数据,围绕交通状态特征建立交叉口信号控制自组织理论与方法;借助软件开发与系统集成等方式,将理论模型与方法应用到实际路口的信号控制中,检验理论与实践的统一性。 总结了车辆在信号交叉口的运行特性和到达交叉口的统计特性,借助波动系数理论,分析了信号交叉口交通流波动的一致性与差异性,揭示了交叉口V /C与交通流波动系数之间的规律;借助MATLAB等分析工具处理交通调查数据,取得了我国寒冷地区信号交叉口车流在不同路面环境下的运行特性及其对比指标体系。 定义了信号交叉口交通状态特征的基本概念,分析确定了交通流运行状态表征的原则、合理时间长度和方法;利用交通状态特征对预测的相位关键车道组流量进行了修正,并依此对信号控制中各相位的合理绿灯时间范围进行了界定,改进了交叉口全感应信号控制参数优化算法。结合哈尔滨市智能交通系统应用示范工程,在学府路交通信号控制系统中进行了应用研究,验证了本文提出的感应信号控制参数优化算法的实用性。 通过筛选和分析交叉口信号控制效益评价指标,确立了以延误为评价指标的单点交叉口信号控制方式效益评估准则。总结了单点交叉口定时信号控制Webster延误计算模型和HCM延误计算模型的计算方法及适用范围;结合历史交通量采集数据与交通状态特征,在美国学者Dunne研究的基础上,对单点交叉口感应信号控制延误计算模型中的D( r),E(r)进行了解析;基于定数理论和交通状态特征,通过简化车辆到达过程建立了指定交通状态特征下的单点交叉口自适应信号控制车辆平均延误计算模型。 运用模式识别基本理论,对交叉口交通流运行状态的基本特征进行了提取,构建了信号控制模式类与模式空间,依据定时控制、感应控制和自适应控制延误模型,运用统计模式识别方法建立了交叉口信号控制的模式分类方法。应用自组织相关理论,建立了信号控制方式之间的转换算法(自组织算法)与协商机制。结合哈尔滨市智能交通系统应用示范工程调查数据,仿真研究表明,应用交叉口信号控制自组织算法较采用单一信号控制方式在信号控制效益方面具有明显的优势。 从软件开发角度,对信号控制系统软件执行流程进行了设计,并对软件运行过程中的一些关键环节进行了分析。以软件工程学为指导,结合经典信号控制理论与本课题研究成果,开发了单点交叉口信号优化控制软件系统(SIOS),并在黑龙江省部分城市的道路交通管理(体系)规划中得到了应用,应用效果表明,该软件能对信号交叉口的时空资源进行有效配置。 从系统集成角度,对单点信号控制系统的软硬件组成、系统功能、特点和技术参数等基本要素进行了分析,通过实际应用验证了本课题开发的信号控制系统的有效性。


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