混合交通条件下区域信号控制优化研究
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混合交通条件下区域信号控制优化研究
摘 要
随着我国大中型城市机动车居民拥有量的急剧增加，以及绿色低碳倡导非机
动车方式的不断深入，我国混合交通出行所造成的交通拥堵和出行安全问题逐渐成
为大家关注的焦点。针对我国混合交通的特点，从整个系统角度出发，应用区域交
通控制方法，正确合理分配不同交通方式的通行权，减少机动车和非机动车的相互
干扰和冲突，对于缓解我国交通问题有关键性效用。
以传统区域交通信号控制为研究对象，本文针对区域内存在的机非混行现象
结合中国城市道路混合交通流的特点，研究了在交叉口和路段处，非机动车自由行
驶对机动车造成干扰的机理，并通过分析对混合交通条件下的区域信号控制优化进
行了相关研究。首先，结合我国城市道路交通机非混行特点，从路段和交叉口两个
层面对机非冲突进行了分析。其次，从交叉口通行能力和相位差角度，分析了非机
动车影响下的通行能力折减和优化，以区域路网机动车总延误为优化目标，建立了
非机动车影响条件下区域信号控制优化模型，优化了区域内周期时长、绿信比以及
相位差等参数；并利用遗传算法求解模型。最后，引用上海市杨浦区五角场区域的
交通信号控制优化证实本文结论。分析结果表明：现状信号控制方案下区域路网机
动车均延误为24.5~42.9s，平均为35.99s，路网总延误为256.39h。优化后交叉口的
车均延误为21.8~36.4s，平均为30.12s，路网总延误为214.57h，七个交叉口各自的
车均延误时间减少比例在10%~24%范围内，平均为16.31%。该模型能够有效提高
区域路网运行效率和通行水平。
关键词:交通工程 区域交通信号控制 混合交通 优化模型 车均延误 通
行能力
ABSTRACT
With the rapid increase of vehicles ownership in our urban city, the deepening of
n o n - p o w e r - d r i v e n v e h i c l e s t r a v e l a d v o c a t e b y g r e e n a n d l o w c a r b o n t r a f f i c , m i x e d
traffic is more and more complex, traffic congestion and safety issues become the topic
of our mutual interest.In view of the characteristics of mixed traffic and the perspective
of whole system, the key to ease traffic congestion is to reduce interferences between
different traffic modes with the application of regional traffic control method.
I n o r d e r t o s o l v e t r a d i t i o n a l i n t e r f e r e n c e p r o b l e m s b e t w e e n
different traffic modes, this paper carried on related research of regional traffic control
o p t i m i z a t i o n u n d e r m i x e d t r a f f i c c o n d i t i o n , w h i c h i s o n l y c o m p o s e d o f v e h i c l e s a n d
non-power-driven vehicles. First of all, the mixed characteristics in urban road traffic
w e r e c o m b i n e d , i n t e r f e r e n c es b e t w e e n v e h i c l e s a n d n o n - p o w e r - d r i v e n v e h i c l e s f r o m
two aspects of intersections and links were analyzed. Secondly, capacity reduction of
intersection and phase optimization on adjacent intersections by non-power-driven were
analyzed, and the total delay in regional road network was used as optimal index of the
model, the optimal model of regional traffic control influenced by non-power-driven
v e h i c l e s w a s b u i l t . G e n e t i c A l g o r i t h m w a s i n t r o d u c e d t o s o l v e t h e m o d e l .
I n t h e e n d , ta k e n S h a n g h a i W u j i a o c h a n g a s a n e x a m p l e t o a n a l y z e r e g i o n a l t r a f f i c
c o n t r o l , i t i s p o i n t e d t h a t f o r s i g n a l c o n t r o l s c h e m e b e f o r e o p t i m i z a t i o n , t h e a v e r a g e
delays of each motor vehicles are 24.5~42.9s at 7 intersections, the average value is
35.99s,and total vehicle delay is 256.39h in regional road network. For signal control
scheme after optimization, the values are 21.8-36.4s, 30.12s and 214.57h respectively.
T h e d e c r e m e n t r a t e o f a v e r a g e e a c h v e h i c l e d e l a y i s 1 0 % ~ 2 4 % a t 7 i n t e r s e c t i o n s , t h e
average value is 16.31%.So the optimal model can effectively reduce each vehicle delay
a n d t o t a l v e h i c l e d e l a y i n r e g i o n a l r o a d n e t w o r k , a n d t h e o p e r a t i o n a l e f f i c i e n c y
increases in the regional road network significantly.
Key Words: traffic engineering, regional traffic signal control, mixed
traffic, optimal model, each vehicle delay, capacity
目 录
中文
摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论..............................................................................................................1
1.1课题研究...........................................................................................................1
1.1.1 研究背景...................................................................................................1
1.1.2 研究目的及意义.......................................................................................2
1.2区域交通控制研究现状...................................................................................2
1.2.1 国外研究现状...........................................................................................2
1.2.2 国内研究现状...........................................................................................3
1.3 研究内容与技术路线......................................................................................3
1.3.1 研究内容...................................................................................................3
1.3.2 技术路线...................................................................................................5
第二章 区域交通控制优化理论基础.......................................................................6
2.1 交通信号控制理论..........................................................................................6
2.1.1 交通信号控制基本理论...........................................................................6
2.1.2 区域协调控制理论.................................................................................10
2.2 交通流理论....................................................................................................14
2.2.1 交通流参数.............................................................................................14
2.2.2 车流波动理论.........................................................................................16
2.3 混合交通流....................................................................................................18
2.3.1混合交通流概述......................................................................................18
2.3.2机非交通特性对比..................................................................................19
2.3.3机非混合交通特性..................................................................................21
第三章 混合交通条件下的区域信号控制优化模型.............................................23
3.1 混合交通区域信号控制优化概述................................................................23
3.1.1区域信号控制基本流程..........................................................................23
3.1.2区域路网的建立......................................................................................24
3.1.3混合交通区域信号控制条件..................................................................25
3.2 混合交通条件下区域信号控制影响分析....................................................25
3.2.1 混合交通信控特征参数.........................................................................25
3.2.2 混合交通交叉口延误分析.....................................................................26
3.2.3 混合交通路段延误分析.........................................................................29
3.3 混合交通区域信号控制优化模型的建立....................................................32
3.3.1周期和绿信比的优化..............................................................................32
3.3.2相位差的优化..........................................................................................33
第四章 基于遗传算法的模型求解算法.................................................................36
4.1 遗传算法概述................................................................................................36
4.1.1遗传算法概念..........................................................................................36
4.1.2 遗传算法基本特点.................................................................................36
4.1.3 遗传算子.................................................................................................37
4.2 遗传算法对模型的求解................................................................................38
第五章 案例分析与验证.........................................................................................41
5.1交通仿真软件VISSIM介绍...........................................................................41
5.2 仿真实例分析................................................................................................41
5.3 仿真结论........................................................................................................44
第六章 结论与展望.................................................................................................47
6.1 结论与创新....................................................................................................47
6.2 展望................................................................................................................47
参考文献..................................................................................................................49
第一章 绪论
第一章 绪 论
1.1 课题研究
1.1.1 研究背景
近年来我国区域经济全力发展，带动交通事业迅猛前进，各个城市机动车居民
拥有量骤然增加。据统计，截止2013年末，全国城市机动车总量超过2.5亿。针对
当下交通环境状况，机动车拥有量和交通拥堵程度有着较大的关联性。大中型城市
交通情况日趋复杂，普遍存在交通拥堵严重、交通安全水平下降以及交通环境恶化
等问题。以机动车污染为例，根据国家环保部颁布的相关年报获悉，2013年机动车
排放的颗粒物、氨氧化物占污染排放总量90%以上。交通拥堵严重程度已经演变成
我国城市向绿色、低碳、可持续方向发展的关键阻碍性因素。
严重的交通问题也正在考验现代科学管理水平。现代科学管理主要体现在两个
方面，一是正确的科学决策和有效控制，二是先进的科学技术。将两者整合在一起
组成了当代科学管理的整体。其中，在现代化的交通管理方面，强制性的“管”，
目的是创造一个有序的交通条件，包括监控、执法、宣传等等，而作为协调性的
“理”，目的是充分有效利用道路资源。适当进行需求控制，创造一个安全畅通的
出行条件，内容则包括交通规划、交通组织优化、交通控制、交通诱导等。因此，
现代交通组织正在从单行、禁左、渠化等方式向交通信号协调控制、信息诱导方向
快速扭转。
发达国家的交通构成主要以机动车为主体，交叉口冲突点少，信号协调控制容
易实现。而与发达国家相比，我国是以混合交通为主体的，与国外有很大的不同，
这种现象的存在使得交通流的行为更加复杂。近两年，交通产业开始注重绿色低碳
的发展方向，自行车交通方式具有碳零排放、低能耗的优点，成为了发展绿色交通
的重要方面。因此，从我国交通发展态势来看，混合交通是我国将长期保持的交通
特征。混合交通包括三个形式，行人与机非动车相互的混合交通；机非混合交通；
不同种类机动车相互的混合交通。其中，非机动车和行人速度不大于15km/h，统
一成慢行交通。在我国城市道路中，交叉口机非混行尤其严重，非机动车影响下的
混合交通甚至是混乱交通已成为中国城市道路运行的显著特征，也是导致交叉口通
行能力降低的主要原因之一。交叉口作为城市交通的“咽喉”，是承载城市道路安
全快速运行的重要组成部分，而路段是交叉口之间的“桥梁”，只有通过延伸的路
段才能形成一定的交通功能组织。因此缓解交叉口以及路段上混合交通之间的干扰
冲突，是城市交通稳定、安全、高效、低耗发展的当务之急。
信号控制可以从时间上实现机非分离，是缓解交通问题严峻性的重要方法之一
因此，采取有效的信号控制策略，有力地缓解不同交通方式之间的冲突，保证城市
道路网高效安全的运行便是衍生出来的一个重要课题。从整体角度出发，应用交通
区域控制理论和方法，研究区域内重要交叉口和路段，有效疏导路网上不同方式交
通流的运行，减少混合交通带来的不利影响，保证不同交通方式合理的通行权，是
实现我国城市路网安全、快速、平稳运行的重要之举。
1.1.2 研究目的及意义
近两年，国家正在大力倡导绿色低碳交通，提高慢行交通与机动车交通的协调
运行，改善道路交通管理水平，促进道路交通形态有序、顺畅运行，对降低能耗以
及推广绿色低碳理念具有重要的方向性推进和引领作用。
绿色交通的本质就是“高效、公平、安全、环保、低耗”交通。从交通对环境
1
上海理工大学硕士学位论文
影响程度来看，在可持续发展理念的大方向下，绿色低碳交通应得到广泛推广和宣
传。绿色交通的实施不仅要从宏观方面建立城市生态绿色发展方向，更要从中微观
方面考虑出行者需求和成本比重。自行车能够高效地体现交通方式在绿色低碳的应
用，因此在交通方式发展趋势中，以自行车为主导的绿色交通是发展重点。优化道
路网络结构，有效的信号控制和交通组织，对于解决机动车和非机动车既有和潜在
的干扰冲突具有重要意义。
本文将从交通区域控制角度出发，结合我国混合交通现状，根据交叉口以及路
段特征，对由机动车和非机动车组成的混合交通进行通行权的合理优化，提出区域
信号控制优化方案。对于解决我国混合交通拥堵情况，开展交通区域信号控制领域
的深入研究，以及指导未来交通信号控制理论具有重要的研究价值。
1.2 区域交通控制研究现状
1.2.1 国外研究现状
缓解城市交通压力，不仅需要从单个交叉口甚至是干线控制出发，还要对整个
城市路网进行统筹考虑，通过优化城市区域路网信号控制，合理疏导不同交通方式
的出行，从而提高区域交通的通行效率和安全可靠性。
国外学者较早开始着手研究区域交通信号控制领域。20世纪60年代第一套由数
字计算机实现的城市区域交通信号控制系统在加拿大建成，随后更多交通专家开始
致力于区域交通信号协调控制的研究。Robertson[1]提出了TRANSYT系统，它是一
种离线定周期的区域交通信号控制优化程序，具有可靠方便的优点，在很多城市得
到广泛应用，但是它不能完全适用于交通流的动态变化；Allsop[2]和Gartner[3]阐述
了区域交通控制的机理，以及交通信号控制对均衡交通流和车流行程时间有较大影
响。在TRANSYT系统理论上，Hunt[4]和Martin[5]研究得到SCOOT系统，澳大利亚新
南威尔士道路与交通局研究了SCATS系统[6]，以上两个系统通过路网的车辆检测器
实时采集交通量信息，有效的解决了TRANSYT控制方案不能适应动态交通流的问
题。在模型方面，Yang[7]等结合信号控制和交通分配理论，建立了交通状态饱和情
况下的一个双层规划模型，用来确定路网信号配时和交通分配之间的关系。但模型
是在周期以及相位差已知的情况下仅将绿信比作为优化参数；Sen[8]采用动态规划
的方法得到最优的动态配时方法，但是这种优化方法需要大量的计算。
通过对国外城市区域信号控制的研究分析可知，在区域交通控制理论、方法和
模型建立方面，国外的研究较为深入和广泛，通过智能交通的进一步发展，能够有
效改善交通运行环境，适应实时交通条件的变化。
1.2.2 国内研究现状
在交通信号协调控制方面，国内学者的研究比较滞后。在区域交通控制方法方
面，国内学者高海军、黄玲等[9~10]利用Agent技术，根据博弈论等相关理论和方法
提出了一个解决交通信号协调控制模型的算法；徐建闽[11]结合网络交通分配理论和
信号控制方法，提出了一个双层优化模型的分析思路；李水友[12]、梁超[13]、张辉
[14]和宋现敏[15]利用多智能和免疫遗传算法等智能优化算法对模型进行分析。在区域
交通控制模型方面，刘芹等[16]以区域交叉口总排队车数与区域总输出车辆数为性能
指标，构建了适合各种交通状态的控制模型。张良智[17]以用户均衡理论为基础，考
虑了交通状态划分对控制方案的影响，从而建立了区域交通信号控制模型。但是车
辆延误时间指标没有区分低饱和、过饱和状态；有关于非机动车影响下的区域交通
信号控制研究中，陈小红[18]通过分析短距离的慢行交通对区域信号参数值的影响，
对绿信比和周期时长进行共同优化，同时协调优化路段相位差值。但时，模型没有
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混合交通条件下区域信号控制优化研究摘要随着我国大中型城市机动车居民拥有量的急剧增加，以及绿色低碳倡导非机动车方式的不断深入，我国混合交通出行所造成的交通拥堵和出行安全问题逐渐成为大家关注的焦点。针对我国混合交通的特点，从整个系统角度出发，应用区域交通控制方法，正确合理分配不同交通方式的通行权，减少机动车和非机动车的相互干扰和冲突，对于缓解我国交通问题有关键性效用。以传统区域交通信号控制为研究对象，本文针对区域内存在的机非混行现象结合中国城市道路混合交通流的特点，研究了在交叉口和路段处，非机动车自由行驶对机动车造成干扰的机理，并通过分析对混合交通条件下的区域信号控制优化进行了相关研究。首先，结合...
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作者：侯斌
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时间：2024-11-19
