基于MATLAB的城市交通信号模糊控制方法研究(3)

学位论文 第二章 城市交通信号控制概论

指标有：延误时间、平均起停次数、平均排队长、通行能力等。

2.2.1 延误时间

延误时间是指车辆在城市交叉路口入口引道处被阻碍所需要的时间和无阻碍行走所需时间的差。延误时间分平均延误和总延误两种。

对于一个交叉路口，假设车辆到达遵循均匀分布，如果在非饱和情况下，我们着眼于一条停车线，交叉路口一个周期的总延误D可以表示为：

sqR2qR2? D? （2-7）

2?s?q?2?1???每辆车辆的平均延误可以表示为：

?1?g?C （2-8） DR2 d???qC2C?1???2?1???2其中s--饱和流量下的驶离率，Veh/s； q--车辆平均到达率，Veh/s； ?--饱和度，??qs；

R--红灯时间（包括损失时间）； C--周期长；

g--绿信比，g?GC??C?R?C。

2.2.2 平均起停次数

平均起停次数指车辆在交叉路口区域内由于信号的约束而停车、再起动的次数。起停次数与控制参数密切有关，它也是衡量饱和度的指标之一。

2.2.3 平均排队长度

平均排队长度指在一个周期内各个车道排队的最长长度平均值。各个车道的最长排队长度是指该车道的绿灯相位开始时的长度l。

l ??lnn （2-9）

n其中 n--车道数

平均排队长度以周期为单位进行计算，某个周期内的平均排队长度与此周期内车辆平均延误的指标是一样的。

i?12.2.4 通行能力

通行能力指在一定的时间内通过某个交叉路口的所有进口道停车线车辆数之和。通行能力不仅与控制策略有关系，还与实际的道路条件（包括引道宽度、转弯半径、车道数、转弯长度、引道坡度）以及交通条件密切相关。通行能力是交叉路口饱和程度的评价指标之一。

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2.2.5 处理量

处理量是指实际情况下，在一定的条件的基础上，一定时间内通过进口道的最大车辆数。只要作为饱和交叉口的评价参数。

除了上面几个评价指标外，还有旅行时间、耗油量、拥挤时间、废气排放等其他几个重要指标。值得注意的是，再一个控制系统中不能同时使这些指标达到最好，所以我们就需要根据实际的需求来调整这些指标参数。

2.3 城市交通信号控制系统的分类

交通信号控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统两种。开环控制系统一般采用定时控制的方法，假定交通流在各个时间段都是固定的，根据各个时间段的历史数据进行分析然后作一配时，系统就按照这个配时进行循环运行控制。这种控制方式适用于交通流饱和程度较高，并且交通流在各个时段变化不大的情况下。这样的开环系统的缺点是不能很好的适应交通流没有规则的变化，这样就很容易导致绿灯时间浪费。

闭环控制系统也就是各种感应式控制的方式。这种控制方式通过检测器把不断变化的交通流数据引入到控制系统中，使系统能依据实时的交通状态反馈作出相应的调节。这种控制方式适用饱和程度不高或者各方向交通流没有明显变化规律的交叉路口。当各个方向的交通流达到允许的通行能力时，绿灯时间在经过控制系统的调节后就会接近最大绿灯时间，此时闭环控制就和开环控制没有多大区别了。

2.3.1 定时控制

点控定时信号一种很基本的控制方式。由于它设备简单，投资小，维护方便，现如今仍是最广泛使用的控制方式。定时信号配时的基本原理是其他控制方式配时的基础。

定时控制将一天分为好几个时间段，不同的时间段设置不同的绿信比、周期等控制参数，由时钟控制参数的转换。一般设定低峰时间、通常时间、高峰时间等多个时间段。这种方式采用内装日历的多段程序方式，即使平常和周末的交通量实际变动模式有差别时也能够处理。

2.3.2 感应式控制

感应式控制方式是依据交通状况的变化进行实时有效的控制方式。这种方式是根据车辆检测器检测得到的较短时间段内交通需求的变动，从而对绿灯时间和周期长进行调整。

感应信号的基本工作原理如图2-2：

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图2-2 感应信号的基本工作原理

图中Go是指单位绿灯延长时间，Gmin指初始时绿灯时间，Gmax表示最大绿灯时间，G是实际绿灯时间，其中实际绿灯时间大于初始绿灯时间，但小于最大绿灯时间。

一相位起始绿灯，感应信号控制器预设一个“初期绿灯时间”，初期绿灯时间结束时，此时若在一个预设的时间间隔内，没有后续车辆到达，就可以更换相位；但如果有后续车辆来到，则每检测到一辆车，绿灯就延长一个预设的“单位绿灯延长时间”；此时，只要还在预设的时间间隔内，车辆中断，就更换相位；连续有车，则绿灯继续延长，一直延长到预设的最大绿灯时间，当达到最大绿灯时间时，即使后面仍有车辆，也中断这个相位并进行换相操作。

感应式控制的具体流程如图：

车辆检测数据处理控制方法交通流信号灯指示变化图2-3 感应式控制的具体流程

控制系统 2.4 定时控制与感应式控制的比较

这几种交通信号的控制方式都有广泛的应用，它们都具有其优越性和局限性。一般根据交通控制的具体需求，对照各种方式的优越性，选定合适的控制方式。

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2.4.1 定时控制的优越性及局限性

1）定时控制的使用范围及其优越性

（1）定时控制启动时间可以取得一致，这就有利于相邻交通信号的协调控制，尤其是要 联结几个相邻的交通信号或者是一个信号网络系统；

（2）定时控制适合于交通流量变动模式基本不变，并且可预测变动的情况； （3）定时控制方案便于执行，对硬件要求不高，设备投资和运营费用也比较便宜。 2）定时控制的局限性

正因为配时方案是预先设定的，所以系统就不能根据实际的交通状况实时的进行调整，这就使得系统存在明显的弊端。

（1）配时方案老化； （2）控制决策不够灵活； （3）不能实现实时交通信息反馈。

2.4.2 感应式控制的优越性和局限性

1）感应式控制的适用范围及优越性

（1）当交通流量变化幅度大且不规则，难以使用定时控制方式进行控制时，此时使用感应式控制控制效果更好。

（2）这种控制方式特别适用于交通只在一天的某个时间段需要信号控制的地方。 （3）感应式控制在交通强度较小的地方使用，不会产生不必要的延误。

（4）感应式控制在交通流量变化较大且无明显规律的路口上，可以得到最大的收益。 2）感应式控制的局限性

感应式控制只适用于交通流量未达到饱和的交叉路口，如果交叉路口的交通流已达到饱和，这时感应式控制就失去控制意义了。

感应式控制系统需要在各进口道安装检测器，设备投资较大，过去的感应式控制多用于单个交叉路口独立控制，不能保证车辆全程行驶的连续性。

2.5 现有城市交通控制存在的问题

随着自动控制技术的快速发展，交通运输组织以及优化理论得到不断地提高，控制方法越来越有效科学，形成了很多高水准实效的城市交通信号控制系统。目前世界上广泛使用且具有代表性的控制系统有：TRANSYT系统、CSATS系统和SCOOT系统。这几个典型的交通信号控制系统推动了城市经济效益和社会效益的发展，但应用我国仍存在一些问题：

（1）与我国国情不符合

国外的城市交通与我国的相比，无论是设施条件、车辆条件以及社会人文方面都有很大的差异，这就需要我们开发一种适合我们自己的系统。

（2）配时方法有一定的局限

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TRANSYT是一种离线优化的系统，SCOOT和SCATS系统是实时优化系统。它们都是以数学模型为基础，算法精度较差。

（3）信号配时的局限性

如今，我国交通运输迅速发展，这就要求信号控制系统需要经常更新才能满足控制要求。但是目前的一些城市交通信号控制系统都没有这样的条件。

2.6 城市交通信号控制研究的新思路

经过分析研究上面这些典型的交通控制系统，我们会发现在交通控制过程中，当交通流不大且变化较小时定时控制简单有效，交通流量较大时，我们就需要使用动态反馈控制系统而且这种控制方式。交通流的非线性以及随机性给建模带来了困难，因此动态反馈控制所追求的最优化就很难实现了。正因为如此，人们一直在研究开发一种智能控制方法，模糊逻辑就是一种比较成熟的交通信号控制方式，它已经成功的应用在理论研究和实际设计中。模糊控制的优越性在于无需获得模型中的复杂关系，无需建立数学模型，这种方式特别适用于那些具有很大随机性的城市交通控制系统中，所以本文主要研究的就是使用模糊控制方式实现交通系统的控制。

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