单交叉口的多相位模糊控制策略及仿真研究

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3.0 侯斌 2024-11-19 4 4 1.36MB 52 页 15积分

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摘要

近几年，随着我国国民经济的飞跃发展和人民的生活水平不断地提高，机动

车保有量呈快速增长趋势，伴随而来的是城市道路的极度拥挤，人们出行的不便。

特别是作为城市道路枢纽的交叉口，其通畅与否很大程度关系到整个道路网的运

用效果，因此如何充分利用现有的道路资源，通过合理的交通控制手段，提高交

叉口的通行能力、降低交叉口延误一直是交通控制领域研究的课题。随着智能控

制技术的发展，特别是模糊控制理论在控制技术上的成功运用，将其运用到交叉

口信号控制方面，体现出独有的控制特色和良好的的运用效果。

本文首先介绍了交叉口信号控制系统的研究背景及意义，总结了目前国内外

的研究现状，并着重对各种信号控制方式进行了详细的介绍；然后，阐述了交叉

口信号控制的基本概念、控制参数以及交通效益控制指标，在此理论基础上，详

细分别介绍了单交叉口信号定时控制和感应控制的基本理论，并且发现和总结了

传统交叉口的信号控制的优点和缺陷。针对这些缺陷，本文提出了一种基于车辆

排队长度的单点信号模糊控制算法，这也是本文的重点。在该部分，分别介绍了

模糊控制理论基础、模糊控制器的控制原理以及结合Matlab设计构造了单交叉口

模糊控制器。

最后，通过AIMSUN仿真软件，将交叉口信号模糊控制方式与传统定时控制方

式相比较，验证了其控制方法的先进性和有效性。仿真结果证实模糊控制方法能

有效降低交叉口车辆平均等待时间，明显优于传统控制方法。

关键词：单交叉口信号控制模糊控制 AIMSUN

ABSTRACT

In recent years, with the rapid development of China's national economy and

people's living standards improve, the vehicle population was a rapid growth trend,

accompanied by the extremely crowded urban roads, people travel for the

inconvenience. Especially as the intersection of urban road hub, and its smooth or not

very much related to the use of the entire road network effects, how to make full use

of existing road resources, through reasonable means of traffic control to improve the

intersection capacity, reduce intersection delay has been the subject of research in the

field of traffic control. With intelligent control technology, fuzzy control theory in

particular, the successful application of control technology, its application to the

intersection signal control, reflecting the unique characteristics and good control of

the use of results.

This paper introduces the intersection signal control system of the background

and significance, summarizes the current research status at home and abroad, and

focus on a variety of signal control methods were described in detail; then describes

the basic concepts of intersection signal control, effectiveness of the control

parameters and traffic control indicators, based on this theory in detail introduced the

single-intersection signal timing control and sensor control of the basic theory, and

found and summarized the traditional advantages of the intersection signal control,

and defects. In response to these limitations, this paper presents a vehicle queue

length based on a single point of signal fuzzy control algorithm, which is the focus of

this article. In this section, introduced the fuzzy control theory, control theory and

fuzzy controller design with Matlab fuzzy controller constructed of a single

intersection.

Finally, Aimsun simulation software, the fuzzy control intersection signal timing

control with the traditional way of comparison, to verify its nature and effectiveness

of control methods. Simulation results show the fuzzy control method can effectively

reduce the average waiting time of vehicles crossing, much better than traditional

control methods.

KeyWords：single intersection, signal control, fuzzy control, AIMSUN

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................ 1

§1.1 课题研究背景及意义 ........................................ 1

§1.1.1 研究背景 .............................................1

§1.1.2 研究意义 .............................................2

§1.2 国内外研究现状及发展趋势 .................................. 3

§1.2.1 国内外研究现状 ...................................... 3

§1.2.2 发展趋势 .............................................4

§1.3 主要研究内容 .............................................. 4

第二章单交叉口信号控制理论 ........................................ 6

§2.1 单交叉口信号控制方法概述 .................................. 6

§2.1.1 单交叉口定时信号控制 ................................ 6

§2.1.2 单交叉口感应信号控制 ............................... 12

§2.2 传统信号控制方法的优势和不足之处 ......................... 16

§2.2.1 传统信号控制方法的优势 ..............................16

§2.2.2 传统信号控制方法的不足之处 ..........................17

§2.3 本章小结 .................................................17

第三章单交叉口多相位模糊控制器的设计 ............................. 19

§3.1 模糊控制理论概述 ......................................... 19

§3.1.1 模糊控制的概念 ......................................19

§3.1.2 模糊数学基础 ........................................20

§3.2 模糊控制器的基本原理 ..................................... 22

§3.3 模糊控制器的基本结构 ..................................... 23

§3.4 单交叉口模糊控制器设计 ................................... 27

§3.4.1 单交叉口交通渠化 ....................................27

§3.4.2 单交叉口模糊控制器的设计原理 ........................29

§3.4.3 变量的模糊语言描述 ..................................30

§3.4.4 模糊控制规则 ........................................31

§3.4.5 模糊推理及反模糊化 ..................................32

§3.4.6 模糊控制算法 ........................................35

§3.5 本章小结 ................................................. 37

第四章单交叉口控制策略的仿真 ..................................... 38

§4.1 AIMSUN 及其控制策略的实现 ................................ 38

§4.1.1 AIMSUN 简介 .........................................38

§4.1.2 AIMSUN 的功能结构 ...................................39

§4.1.3 实现模糊控制策略的研究思路 ..........................40

§4.2 交叉口信号控制策略的仿真 ................................. 41

§4.2.1 仿真步骤 ............................................41

§4.2.2 仿真结果 ............................................43

第五章结论与展望 ................................................. 45

§5.1 论文的主要研究成果 .......................................45

§5.2 论文创新点 ...............................................45

§5.3 存在不足与展望 ...........................................46

参考文献 .......................................................... 47

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................... 49

致谢 ........................................................... 50

第一章绪论

§1.1 课题研究背景及意义

§1.1.1 研究背景

近年来，许多大城市不同程度地受到交通拥挤的困扰，解决“出行难，乘车

难”问题普遍成为城市政府头疼的问题。以北京市为例，高峰小时交通流量超过

10000辆的交叉口数从1994年的29个增加到1999年的52个，高峰小时交通量超过

4000辆的交叉口数已达到98个，作为交通干道的二、三环路高峰小时流量为

12000～14000辆/小时，主要干道的负荷度在90%左右。不但是北京、上海和广州

这些特大城市，就连一些建市不久的地区级或县级市的市民也对拥挤不堪和秩序

混乱的城市交通怨声载道，关于我国城市交通堵塞问题已成为人们的热门话题和

研究的热点问题。交通拥挤使交通延误增大，行车速度降低，带来了时间的损失

和燃料费用的增加；低速度行驶增加了排污量，导致环境恶化；另外，交通拥挤

使交通事故增加，阻塞使人烦躁和不安，不但容易导致交通事故增多，而且影响

工作效率和人的健康。总之，拥挤不但造成了巨额的经济损失，而且也制约着社

会经济的进一步发展。交通拥挤已经成为制约城市经济发展的瓶颈问题，因此，

缓解城市交通拥挤、改善交通环境已刻不容缓[1]。

传统上，解决交通问题最直接和最有效的方法是修建更多的道路和桥梁以提

高路网的通行能力。然而，修建道路和桥梁不仅需要巨额资金，而且受到城市空

间的限制，因此，在现有道路条件下，如何提高交通控制和管理水平，合理使用

现有道路资源，充分发挥其能力，成为交通控制的重要问题[2]。

交通控制是运用现代化的信号装置设备、遥控、通信设施、遥测电脑设备及

各种软件对车辆实施准确地调度，以使其通畅安全地运行。交通控制的目的在于

认识并遵循道路交通网固有的客观规律，不断提高管理的效益，争取最少的延误、

最短的运行时间、最大的通行能力和最低的运营费用，从而取得良好的经济效益、

社会效益和环境效益。

当前，交通控制正向智能化方向发展，智能交通系统(Intelligent Transportation

Systems，简称ITS)，是一个跨学科、信息化、系统化的综合研究体系，其主要

研究内容是：将先进的人工智能技术、自动控制技术、计算机技术、信息与通信

技术及电子传感器技术等有效地集成，并应用于整个地面交通管理系统而建立的

一种综合交通运输系统，它是运用高科技手段解决当今交通运输问题的新技术，

是人工智能技术在交通运输系统的运用[3]。智能交通控制系统包含的内容很多，

单交叉口的多相位模糊控制策略及仿真研究

如交通诱导系统、交叉口交通信号控制、机动车综合控制、公路自动化等，本文

主要研究道路交叉口的交通信号灯智能控制。

本文研究主要为传统交叉口信号控制基础理论，模糊控制策略在交叉口信号

控制中的应用，并结合matlab模糊控制工具箱实现模糊控制器的设计，最后，结

合常州交警支队的交通信号优化项目，进行模糊控制算法在交叉口信号控制策略

方面的研究，并结合Aimsun进行仿真实验，以期得到很好的应用效果。

§1.1.2 研究意义

由交通拥挤导致的出行时间损失、交通事故、能源消耗和环境问题所造成的

严重损失已成为世界各国所面临必须解决的问题。近年来，随着信息技术、通信

技术和控制技术等高等技术的日益完善，智能交通系统得到前所未有的发展，并

且得到广泛的应用，理论和实践证明智能交通系统可以大幅度提高交通网络的通

行效率，是解决交通拥挤问题的最有效最经济的办法。据统计，ITS 技术的应用

可以减少 15％的废气排量，20％的交通延误，30％的停车次数。美国 Los Angeles

地区和 Texas 州在 ITS 技术方面投资的效益成本比率分别是 16:1 和 22:1，收益

非常显著。而这一切，都是在基本上没有进行道路重复建设情况下取得的[4]。这

充分说明了国外发达国家竞相投资智能交通系统的研究和应用的原因。

目前，国内已有的一些自主开发的城市交通控制系统，但在性能上，比国外

同类系统仍有较大差距，。国内城市尤其是大城市引进的交通控制系统大部分为

英国的 SCOOT 和澳大利亚的 SCATS 系统。由于我国交通流是混合交通流，和国外

的交通流状况大不相同，国外的交通控制系统使用效果并不明显[5]。所以，必须

采用先进的智能控制理论来解决交通控制问题。对于研究交叉口交通信号灯智能

控制具有如意义：

（1）从交叉口本身的重要性来讲。交叉口是道路网的瓶颈，60%的交通事故

发生在交叉口及其附近，多数交通阻塞现象也发生在交叉口附近[6]。所以，交叉

口必要的、合理的信号控制对于提高路口通行能力、保障交通安全具有重要意义。

（2）从智能交通收益来讲。目前国外智能交通发展快速，而且取得了很好

的收效。

（3）从国内来讲。开发符合我国国情、自主知识产权、符合我国交通流特

征的智能交通控制系统，对于打破国外该地位垄断，势在必行。

（4）从交叉口控制系统特征来讲。交叉口控制系统是非线性、随机性很强

的复杂系统，将人工智能运用到交叉口能够很好的符合实际。

由此，研究模糊控制在交叉口信号控制策略中的应用，具有很重要的意义。

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摘要：

摘要近几年，随着我国国民经济的飞跃发展和人民的生活水平不断地提高，机动车保有量呈快速增长趋势，伴随而来的是城市道路的极度拥挤，人们出行的不便。特别是作为城市道路枢纽的交叉口，其通畅与否很大程度关系到整个道路网的运用效果，因此如何充分利用现有的道路资源，通过合理的交通控制手段，提高交叉口的通行能力、降低交叉口延误一直是交通控制领域研究的课题。随着智能控制技术的发展，特别是模糊控制理论在控制技术上的成功运用，将其运用到交叉口信号控制方面，体现出独有的控制特色和良好的的运用效果。本文首先介绍了交叉口信号控制系统的研究背景及意义，总结了目前国内外的研究现状，并着重对各种信号控制方式进行了详细的介绍；然...

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