基于MATLAB的城市交通信号模糊控制方法研究(2)

学位论文 第一章 绪论

第一章 绪 论

随着社会政治、经济、文化的高速发展，城市交通在社会发展中占据着越来越重的地位，城市发展的各个方面都在不同程度上依赖着城市交通的发展。然而近些年来，城市交通的发展远远不能满足城市发展的需要，日益严重的城市交通问题一直困扰着许多城市，阻碍着城市化和城市自动化进程的推进。城市交通问题不仅造成了很大的经济损失，也导致了交通事故的增加、加剧了城市环境污染。无论是发展中国家还是发达国家都毫无例外的承受着不断恶化的城市交通困扰。

如何改善、发展城市交通已成为人们关注的焦点。近几年各个国家在处理城市交通问题的思路上有了很大的改变，由一开始的单纯扩大城市交通设施规模来满足人们日益增长的出行需要转化为现在通过加大城市交通的管理和改善交通控制系统的方法来解决交通问题。合理科学的管理控制方法已成为缓解交通压力、解决日益严重的城市交通问题的重要手段。为了更好地提高城市交叉路口的通行能力，解决拥挤和延误等交通问题，近年来国内外很多专家学者都致力于研发新的城市交通信号的控制方法，模糊控制是一个全新的研究方向。

1.1 论文选题背景及意义

交通是国民经济的基础产业，是城市经济活动的命脉，是社会发展和提高人民生活水平的基本条件，是人们衣食住行的主要组成部分。另外城市交通的发展程度也是衡量一个国家现代化程度的一个标准。然而，如今迅速推进的城市化以及城市人口的不断膨胀，机动车辆的数量迅速增加，城市道路的通行能力和使用者日益增长的城市交通需求之间的矛盾越来越突出。

城市交通问题是城市发展乃至经济、社会、环境协调发展中的战略问题，当前我国大多数城市面临的城市交通问题主要体现在以下这几个方面：

车辆的增长速度远高于城市交通基础设施建设的速度。一方面近年来我国经济快速发展，城市机动车数量的增长日趋加剧，另一方面我国交通设施的建设相对落后，道路基础设施的建设已不能很好地缓解城市交通问题。

城市道路交通压力相对较大。我国城市道路容量不足，交通供求之间的矛盾日益严峻，交通拥挤严重，导致城市交通运行效率低。

私人交通发展迅速。我国对城市摩托车、自行车的管理不到位，造成城市交通方式结构不合理，导致极其严重的城市混合交通问题。

出租车的发展不平衡。我国出租车的拥有水平及发展规模已经超过了发达国家的同类城市，出租车过高的出行率和空驶率占用了绝大部分的有限道路空间，成为城市交通断面的主要交通流组成部分。

城市交通道路安全问题严重。目前我国交通事故死亡人数为世界之首。平均一万辆机

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动车发生交通事故死亡的人数、世界平均有6.7~6.9人，我国竟有22~26人左右。

由此可见，人们迫切需要有效科学的管理手段来治理越来越严重的城市交通问题。目前大多数城市交通系统都使用的是计算机协调控制，其中绝大部分都不能实现最优控制，而只是在固定配时的前提下联机控制，这种交通信号控制方式缺乏一种真正的交通信号控制策略，所以城市交通控制需要以一种全新的控制方式，以实现高效、及时、简便的控制。

这篇论文选取这个课题就在于对现阶段城市交通控制中存在的一些问题进行改善，深入研究城市交通信号智能化控制。鉴于城市交通拥堵一般都是由交通信号控制的缺陷造成的，本文主要介绍一种基于模糊控制的方法实现对城市交通信号的控制。这种模糊控制系统能依据实时车辆排队情况对智能控制信号灯亮起的时间进行调整，通过检测通行相位的排队车辆的数量和对应的下一相位车辆的排队数量作为输入信息，得到通行相位和对应下一个相位相同时间内的车流通行密度，通过计算比较来确定是否进行变相调节。计算每个周期内交通路口的平均延误时间作为控制的标准，平均延误时间的长短是控制器性能优越与否的主要依据。设计使用一个两级模糊控制器以优化对城市交通信号的控制，并分析不同情况下的控制结果，以最大程度地优化城市交通信号控制系统。这个研究对节约人们的出行时间，提高城市交通道路的通行能力，缓解城市交通压力有深远的意义。

1.2 研究现状及发展趋势

我国早期关于城市交通信号控制的技术主要是引进和学习国外的技术，这方面的研究起步相对较晚，国内城市交通控制具有代表性的有北京市的TRANSYT、SCOOT控制系统以及上海、天津、宁波等城市引进的SCATS控制系统。

有关城市交通控制方法的理论是在自动控制理论技术的基础上发展而来的，自动控制理论技术在城市交通控制中的广泛应用，对我国城市交通控制的发展起到了非常重要的作用。近几年，交通工作者以及专家学者对城市交通控制进行了深入的探索，徐冬玲提出的基于感应控制的交叉路口的模糊控制方法最具有代表性;顾怀中、王祎等提出的城市交通信号调时的退火全局优化算法；陈森发提出的关键和非关键车流概念；刘志勇、朱劲等提出的多相位模糊控制感应器等。这些探索研究提高了我国自主研发城市交通控制的能力。

近几年在国家的大力支持下，南京市建成了南京城市交通控制系统，这个项目的目的是研究和建立和我国国情相适应的机动车和非机动车混合的城市交通控制系统。它采用分布式递阶控制结构，分为区域控制级和路口控制级，如图1-1所示。系统使用PASCAL高级语言在MVAX/VMS操作系统上开发系统优化软件、系统控制软件。这个系统设有固定配时、实时自适应控制和无电缆联动控制三种控制方式。

系统主要技术特征如下：

（1）控制模式：固定配时、脱机、联机实时控制3种； （2）系统目标：使延误时间和停车次数最小化； （3）参数特征：绿信比、相位差、周期；

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（4）检测器位置：路口入口处。

这个系统结合了SCOOT和SCATS系统的优点，是我国完全国产化自行设计的城市交通控制系统，在实际运行中还存在一些问题，需要我们进一步研究优化。

彩 色图 像 显示器区域控制中心信号控制器动态地图板室外可变情报板室内交通信息板 自行车检测器机动车检测器信号灯图1-1 南京城市交通控制系统结构图

相比之下，国外对城市交通控制研究的时间比较长，起步早经验也相对丰富，但是由于交通方式的不断更新，对多样化的交通控制仍需进行新的研究。

20世纪70年代，各国专家学者就开展了对城市交通信号控制的研究，这经历了漫长的阶段，从一开始的固定控制到可变控制、从点控到面控这些都是这一时期最主要的研究对象。英国在1996年研发了TRANSYT系统，它是世界上最早的也是当时最为先进的城市交通控制系统，它具有非常好的完整性，我国现在都还沿用这套系统的影子；之后，澳大利亚开发了SCATS系统。后来英国在TRANST的基础上进行优化，研发出了自适应系统SCOOT。除此以外，Pappis提出的城市交通交叉路口的模糊控制方法，第一次把模糊数学应用在城市交通信号控制中去，可以这样说，这种模糊控制系统的提出翻开了城市交通控制全新的篇章。利用模糊控制的方法对城市交通信号的控制相比较定时控制和感应控制具有更好的控制效果，是今后交通信号控制的主要研究方向。

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学位论文 第二章 城市交通信号控制概论

第二章 城市交通信号控制概论

2.1 城市交通信号控制的基本概念

城市交通信号控制就是指利用交通信号对车辆行人进行指挥和疏通，交通信号控制的基本参数有周期长度、相位差及绿信比。对于城市单交叉路口信号控制只有周期长度和绿信比两个参数。交通控制系统的目标就是确定各交叉路口的车流方向上的最佳控制参数，优化城市交通控制。

2.1.1周期长度

周期长度是指信号灯轮流显示一次需要的时间，即各种灯色的信号灯显示时间的总和。一般信号灯的最短周期不少于36秒，最长不超过120秒。适当的周期长度对交通流的疏散以及减少车辆等待时间有很重要的意义。

正确的周期长度应该能够使每一个相位的绿灯时间刚好能使对应各入口处等待的车队放行结束。如一个东西向和南北向的两相位交通流的交叉路口，设两个相位的交通到达率分别为d1、d2，对应的相位通行能力分别是s、s，周期为C,绿灯亮的时间分别为g1、

g2，其中损失的时间（损失时间是指交通灯灯色切换时的损失时间和不被充分利用的绿灯时间）分别是L1、L2则：

Cd1??g1?L1?s1

Cd2??g2?L2?s2

将上面两个公式相加，并将g1?g2?C代入得到

L1?L2 C??d1d2?1???s?s??2??1若s1?s2?s，则有

（2-1） （2-2）

12 （2-3）

（）（） L 1?L2C??d?d2? （2-4） 1??1??s?

由上式可计算得到保证交叉路口不堵塞的最小的周期值。但是如果交通流的需求较高，堵塞现象将是不可避免的，信号周期的选取就应该根据某个优化性能指标进行选择。

2.1.2 绿信比

相位绿信比是指一个相位信号有效绿灯长度与周期之比。一般用?表示。??gC，其中?为相位绿信比，g为相位有效绿灯时间，C为周期长度。交通流的绿信比是指一个 交通流在一个周期内所获得的有效绿灯长度和周期长度的比，一般用?表示。绿信比对于 交通流的疏散和减少总等待时间有着很重要的作用。

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学位论文 第二章 城市交通信号控制概论

以两相位交叉路口为例，设某一个相位上通行能力为s1，损失时间为L1，交通需求为

d1，则交叉路口不会发生拥堵的条件是:

dL

?1?1?1s1C

即 ??1C?L1?s1?Cd1 （2-5） 另一个相位的交通信号的绿信比是

?2?1??1 （2-6）

2.1.3 相位差

相位是对于一个交叉路口上的多个方向交通流而言的，互不冲突的一组交通流就可以构成一个相位，或者相位信号是指一个周期内的信号控制状态，它表示在交通路口给予某个方向的车辆以通行权的时序。如图可以把一个交叉路口的交通流分为四个相位，一个周期内有几个信号相位，我们就称这个系统是几相位交通信号系统。对于车辆而言相位越多就越安全，但随着相位的增多周期就越长，延迟时间也变长，效率就越低。

周期

第一相位 第二相位 第三相位 第四相位

图2-1 交通信号控制的四个相位

相位差是指相邻路口同一相位绿灯或红灯起始时间的差。当对一条干线上的交通流进行控制时，相位差是一个非常重要的参数。调整各路口间的相位差，可以实现主干线上一连串的信号灯形成一个绿波带，使车辆通行时畅通无阻。

相位差又有以下几种基本方式： （1）优先相位差方式

各方向的交通流量差别大，或者单向行驶、人为想要优先通过时采用的方式。它的目的是让一个方向交通流畅。这个方式一般用于道路的高峰时段（如早晚高峰期）。 （2）平等相位差方式

对于各个方向上的交通都平等的进行处理，使其都具有相同的通行权。这个方式 适用于交通流量变化不大的情况。

2.2 城市交通信号控制的评价指标

对城市交通信号控制的基本目标是：用灯色信号对入口车道通行权进行合理分配，指挥交通流的通行和停止，维持城市交叉路口的良好秩序。目前常用的交通信号控制的评价

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