城市干线道路信号协调优化控制分析

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1、一氧化碳(CO)分别占北京大气污染物的73％、50％和63％，是北京大气中的主要污染源[4-6J。近几十年来，尽管世界各国采取了各种各样的对策，但城市交通问题一直没有很好地解决。在长期的实践中，人们逐渐认识到，仅仅依靠单纯地修建、扩建道路，无法满足日益增长的交通压力。特别是在城市发展到一定程度，不可能进行大的道路扩容建设，在这种情况下，一方面，从宏观上，通过交通需求管理，合理控制机动车的使用量，使得道路上保持合理的密度，如实行单双号通行，大力发展公共交通等，调节道路上的机动车的数量；另一方面，通过现在通信技术、计算机技术、电子技术

2、为核心的智能交通系统，通过一定技术手段，从微观上合理控制，．提高道路的通行能力，保障交叉口交通安全，减少延误。本文研究的干道协调控制目的也是基于此，从微观上着手，提高干道效率，确保城市动脉畅通，为解决实际的城市干道交通问题提供有益的方法和途径。1．2交通干道协调控制国内外研究现状1．2．1国外研究现状一八六八年，在伦敦的威斯明斯特(Westminster)街口，英国发明家奈特(J．P．Knight)设置了世界上最早的交通信号灯。在夜间使用，由红绿两种颜色组成的臂板式煤气信号灯，用来控制交叉路口马车通行，它是仿效铁路信号。后来，由于

3、煤气信号灯的不安全性，在一次意外爆炸中结束了它的历史使命。一九一八年，美国纽约街头上，出现了电气照明的三色信号灯，但是它必须需要人工手动操纵。一九二六年，英国人伍尔弗汉普顿(Wolverhampton)在前人研究的基础上，安设了第一座自动交通信号灯，摆脱了人工操纵的繁琐，但是这是一种定时周期的交通控制方式，在交通量变化比较大的地方不是很实用，同时要针对不同的时段的交通量设置不同的控制策略。一九二八年，美国巴尔的摩(Baltimore)试制成功了世界上第一台感应式信号机，这种感应式信号机所使用了由交通工程师阿德勒(Adler)发明的

4、橡皮管作传感器。从此，人们开始以系统的观点，解决交叉路口“各自为政”孤立控制与交通流时空连续性之间的矛盾，把相邻的几个交叉口作为一个整体来考虑，对几个交叉口进行协调控制。从此，人们开始对干道控制开始研究，并取得了一系列的成果。(1)在理论研究方面一般从基于绿波带宽度最大和基于延误最小两方面进行干道协调控制优化研究。早期，学者们通过理论分析，对定时式线控制系统采用时间一一距离图进行交通信号协调控制的研究，通过采用较为直观的图解法和数解法确定线控制的重要参数一一绿时差。这种人工作图或计算方法不仅十分繁杂，难免发生人为错误，而且协调效果

5、不一定是最好的，更无法处理多相位等复杂配时方案的多个交叉口2之间的协调。目前主要集中在大系统递阶控制以及模糊控制等方法上。20世纪70年代，M·G·辛格等应用递阶大系统控制理论成功地在伦敦通向白金汉宫的一条由3个交叉口组成的干道上实现了递阶最优控制，开创了应用大系统理论解决城市主干道交通控制问题的先例【71。一九八四年，日本学者M．Nakatsuyama等【81将Pappis法p】加以推广，提出两个理想交叉口的信号灯模糊干道控制方法，但他和实际应用有较大差距。南韩学者Jee。HyongLee等【lol于一九九五年出分散控制方法，对

6、交叉口群进行模糊控制，有较好的应用前景。(2)在实际应用中一九一七年，世界上第一个线控系统出现在美国的盐湖城，它是一种可同时控制6个交叉口的手动控制系统。一九二二年德克萨斯州休斯顿市发展了可控制12个交叉口的瞬时交通信号系统，控制特点是采用电子自动计时器对各个交叉13的交通信号进行协调控制。一九六七年Purdy生成了一种简易的、适用于新建交叉口群的干道相位差计算方法，其只需输入各个交叉口的间距、绿信比、公用周期时长和车辆的平均行驶时间【ll】，由该方法得到各个交叉口绿灯时间的中点时刻相差半个周期时长，即各个交叉口的中点时刻符合交互

7、式协调控制。一九八一年美国的J．D．C．Litter和W．D．Brooks等人利用最大绿波带相位差优化方法开发的MAXBAND(MaximalBandwidthTra伍cSignalSettingOptimizationProgram)最大绿波带交通信号设计优化程序【12】。MAXBAND针对给定周期时长、绿信比、信号间距和连续通行车速的线控系统，对其信号时差进行优化，以获得系统的最宽通过带，J．D．C．Litter所建立的混合整数规划模型被MAXBAND选为用作优化算法；把J．D．C．Litter的“不等宽优化模型”和W．D．B

8、rooks的“互相影响法"结合起来，作为PASSERII线控系统协调软件的优化算法，它可以处理多相位配时。后面人们发现，当道路交通量非常大的时候，交通量接近饱和或者过饱和的时候，这些以非拥堵情况下建立的这些模型而开发的干道协调控制软件在的道路交通拥