基于子区划分的区域交通控制优化方法研究

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3.0 刘畅 2024-11-07 4 4 2.21MB 57 页 15积分

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摘要

随着经济的飞速发展，我国城市机动车保有量也在迅猛的发展，交通拥堵问

题日益严重。在有限的土地资源中，如何有效的提高车辆的运行效率成为了研究

交通拥挤问题的重点。交叉口是交通问题出现的关键位置，因此，对于交通的优

化控制其关键在于对交叉口的控制。而要想使得整个路网的交通控制效果最佳，

则需要对路网进行区域控制，即“面控”。然而，路网中的交叉口数量较多，且具

有一定的复杂性，故需要对区域中的交叉口进行子区动态划分和信号协调优化控

制的研究有利于使路网发挥其最大的效用。本文主要针对区域交通协调控制以及

子区动态划分进行研究，研讨其中的方法与策略。

首先，本文介绍了子区动态划分的划分依据、划分原则以及划分的意义等，

并对子区划分方法做了一定的阐述。

其次，本文研究了交叉口之间的关联度，提出了交叉口之间的关联度对于子

区划分的必要性，并建立了关联度分析的计算模型。

再则，本文对各种协调控制方法做了一定的阐述，提出了相关的研究方法，

并对协调控制建立了相关的模型。并分析了区域协调控制的几种评价指标，其中

包括延误时间、停车次数、排队长度、通行能力等。

最后，本文利用五角场的例子来进行区域协调控制，在计算交叉口之间的关

联度之后对区域进行子区划分，并对区域做了协调控制方案。根据仿真结果可知，

对利用关联度对区域进行子区划分之后再对区域控制进行优化，使得交叉口之间

的控制能够更协调。

关键字：区域协调控制子区划分关联度

ABSTRACT

With the development of economy, the skyrocket retain quantity of automobiles

turns up in our country and has led to a difficulty in traffic. How to improve operating

efficiency effectively has been the priority in researching the problem of traffic

congestion with the limited land resources. Intersection is the key to traffic problem. So

intersection-controlling is the key to control optimization of traffic. Area-controlling of

the road network is in order to make the best effects of the whole network traffic control,

and it is called “area traffic control”. However, the large number of the intersections in

the network and its complexity is the reason to divide traffic control sub-area

dynamically and research the traffic signal coordinated optimization control, and it will

make network play out maximum utility. This paper discusses the methods and

strategies of the dynamically divide of traffic control sub-area and the traffic signal

coordinated optimization control principally.

Firstly, this paper introduces the basis, principle and significance of the

dynamically dividing of traffic control sub-area. It also introduces some methods of

dividing of traffic control sub-area.

Secondly, in this thesis the coordinatability factor between the intersections has

been studied. It puts forward necessity for coordinatability factor between intersections

to dividing of traffic control sub-area and builds the calculation model about the

coordinatability factor.

Thirdly, this paper introduces all kinds of methods about coordinated controlling.

This paper proposes the related research methods, and builds the related models based

on coordinated controlling. Some evaluation indexes of traffic signal coordinated

control which are delay time, the number of stops, queue length, traffic capacity are

analyzed.

Last, this paper makes the method of traffic signal coordinated area-control based

on the example of Wujiaochang. Divide of traffic control sub-area after calculating

coordinatability factor between intersections, and make the scenario of traffic signal

coordinated area-control. According to the results of simulation, it makes the control

between intersections more coordinating after dividing of traffic control sub-area after

calculating coordinatability factor between intersections and optimizing area-control.

Key Words: coordinated area-control, dividing of sub-area,

coordinatability factor

摘要

ABSTRACT

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

§1.1 研究背景 ........................................................................................................... 1

§1.2 研究意义 .......................................................................................................... 1

§1.3 国内外研究现状 .............................................................................................. 2

§1.3.1 交通子区划分的研究 ............................................................................ 2

§1.3.2 区域交通协调控制 ................................................................................ 3

§1.4 本论文的主要内容和结构安排 ...................................................................... 3

§1.4.1 主要内容 ................................................................................................ 3

§1.4.2 论文的结构安排 .................................................................................... 4

§1.5 本章小结 .......................................................................................................... 5

第二章交通控制子区动态划分 .................................................................................... 6

§2.1 概述 ................................................................................................................... 6

§2.1.1 交通控制子区划分 ................................................................................. 6

§2.1.2 交通控制子区划分的意义 .................................................................... 7

§2.2 交通控制子区划分依据 .................................................................................. 7

§2.3 交通控制子区划分的基本原则 ...................................................................... 7

§2.3.1 流量原则 ................................................................................................. 7

§2.3.2 距离原则 ................................................................................................. 8

§2.3.3 信号周期原则 ......................................................................................... 8

§2.4 交通控制子区划分方法 .................................................................................. 8

§2.4.1 聚类算法 ................................................................................................ 8

§2.4.2 遗传算法 ................................................................................................ 9

§2.5 本章小结 ........................................................................................................ 10

第三章关联度分析 ....................................................................................................... 11

§3.1 交叉口关联度的分析的研究现状 ................................................................. 11

§3.2 交叉口关联度分析 ......................................................................................... 11

§3.2.1 交叉口关联度分析 .............................................................................. 12

§3.2.2 交叉口关联度计算 .............................................................................. 14

§3.2.2.1 关联度计算模型 ................................................................................... 14

§3.2.2.2 案例 ....................................................................................................... 15

§3.3 本章小结 ........................................................................................................ 16

第四章交通协调控制优化方法 .................................................................................. 17

§4.1 信号控制策略介绍 ........................................................................................ 17

§4.1.1 单点信号控制 ...................................................................................... 17

§4.1.2 干线协调控制 ...................................................................................... 18

§4.1.3 区域协调控制 ...................................................................................... 18

§4.2 信号控制基本参数 ........................................................................................ 18

§4.2.1 周期 ...................................................................................................... 18

§4.2.2 绿信比 .................................................................................................. 18

§4.2.3 相位 ....................................................................................................... 19

§4.2.4 相位差 .................................................................................................. 19

§4.3 信号协调控制模型 ........................................................................................ 20

§4.3.1 干线信号协调控制方法研究 .............................................................. 20

§4.3.1.1 干线定时信号协调控制的基本设计方法 ........................................... 20

§4.3.1.2 基于 Webster 理论的干线定时协调控制方法 .................................... 23

§4.3.2 区域信号协调控制方法研究 .............................................................. 25

§4.3.2.1 结合法 ................................................................................................... 25

§4.3.2.2 TRANSYT 法 ..................................................................................... 26

§4.3.3 停车延误协调控制模型 ...................................................................... 28

§4.3.4 排队长度协调控制模型 ...................................................................... 29

§4.4 信号控制评价指标 ........................................................................................ 30

§4.5 本章小结 ........................................................................................................ 32

第五章区域交通协调控制案例分析 .......................................................................... 33

§5.1 协调控制对象的概况研究 ............................................................................ 33

§5.2 单个交叉口的信号配时方案 ........................................................................ 37

§5.3 协调控制配时方案 ........................................................................................ 39

§5.4 交通仿真分析 ................................................................................................ 43

§5.5 本章小结 ........................................................................................................ 48

第六章总结 .................................................................................................................. 49

§6.1 研究成果 ........................................................................................................ 49

§6.2 工作展望 ........................................................................................................ 49

参考文献 ........................................................................................................................ 51

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 54

第一章绪论

§1.1 研究背景

中国汽车行业自从 2002 年之后开始进入爆发式增长阶段，特别是随着经济的

高速发展和人们生活水平的提高，汽车已经称为人类不可或缺的交通工具，轿车

的需求量开始迅速上升，并且推动着中国汽车行业的发展。由于中国汽车行业的

快速发展，中国在全球汽车产业中的地位也快速上升[1]。在经济飞速发展与汽车行

业发展迅猛的当今社会，汽车的保有量也在不断的增加。因此，如何缓解严重的

道路交通拥挤问题成为了炙手可热的研究问题。

然而，交通拥挤的加剧不仅导致行驶速度降低、交通延误增长、尾气排放对环

境的污染，还对社会经济发展有着制约的作用。此外，交通拥堵容易导致交通事

故，从而对人的生命产生威胁，造成大量的财产损失，同时也导致了非常珍贵的

时间资源的浪费，降低了社会的生产力。此外，在道路拥挤的状况下，车辆的行

驶速度大大降低。然而，据调查研究表明，车辆在慢行的状态下尾气排放对环境

的污染远远大于其在正常速度下行驶时的污染程度。如果对交通拥挤问题不加以

处理，那么必将对我国的经济发展以及社会的和谐稳定带来严重的影响。

对于这样一个棘手的问题，大量的修建道路是最直接的解决道路拥挤的方法。

因为修建道路意味着车辆有更多的空间行驶，车辆的堵塞状况也自然会缓解。但

是，修建道路需要大量的人力、财力以及土地资源，对于像上海、北京这样寸土

如金的大城市，修建大量的道路来缓解交通拥挤问题并不是一个很好的解决方案。

更且，修建道路的速度远远赶不上汽车保有量的增速。所以，想要改善和解决交

通问题就必须从交通控制与管理入手，良好的交通控制与管理措施可以有效的改

善路网的运行状态，提高道路的利用率。

智能交通在解决当今复杂的交通问题中发挥着越来越重要的作用。智能交通系

统的建立满足了社会对交通运输体系的要求，综合考虑到了人、车、道路等各个

因素，实现了路网的优化，使得资源得到了最大化的利用。同时，有效地缓解交

通拥挤的问题，有效地提高行驶速度、减少交通延误、缓解尾气排放对环境的影

响，对社会经济发展起到了积极的作用。

§1.2 研究意义

在城市交通日益严峻的当今社会，我们迫切的需要通过有效的交通手段来改

善交通状况。交通控制的主要对象是机动车辆，因此交通控制的主要任务就是对

道路上的车流量进行合理、有效的引导与控制，从而缓解交通拥挤、改善道路运

基于子区划分的区域交通协调控制优化方法研究

行状况。交通控制是一种有效的控制手段，目前很多专家学者从交通控制方面来

研究和改善交通拥挤的状况，并且对改善城市的交通状况具有重要的意义。

1、减少交通事故，增加交通安全

通过有效的交通控制可以对冲突的交通流从时空上进行分离，使混合交通流在

时间和空间上形成从无序到有序的转变，减少干扰与阻滞，减少交通事故的发生。

2、缓解交通拥挤，提高交通效益

合理的交通控制可以对交通进行诱导，使每辆车都能够在“正确的”道路上行

驶。将拥挤的主干道上的交通流往交通流较少的次干道诱导，使每条道路都能发

挥其效用。

3、提高公交效率，提高能源及道路资源的利用效率

随着我国经济的飞速发展以及国民生活水平的提高，人们对车辆的需求也在不

断的增加，但是许多因汽车保有量增加而产生的问题随之而来。由于人们对车辆

的需求增加，我国也慢慢的称为了一个能源消耗大国，我国的石油资源并不能满

足我国汽车保有量增加所产生的对石油的需求，因此我国便成为了石油进口大国。

在这种状况下，我国必须采取一定的措施来减少能源的消耗率，否则中国这样一

个人口大国必定会产生能源危机。公共交通作为城市交通的重要组成部分，大力

发展公共交通，倡导公交优先对改善城市交通发挥着重要的作用。由于公交具有

运载量大、能源消耗较低、运输效率较高、运输成本较低等优点，大力提倡公共

交通可以提高能源以及道路资源的利用率。

4、降低污染，改善城市环境

我国各个城市的空气质量在不断的下降，尤其是大城市的环境有着不同程度的

污染，政府部门也在积极采取着各种改善城市空气质量的措施。机动车的尾气对

环境的污染是城市环境污染中最主要的污染源。车辆在慢速行驶的过程中对环境

的污染程度是最大的，因此，实施交通控制来减少车辆的停车次数，使车辆保持

最佳的行驶状态对降低尾气对空气的污染、改善城市环境有着重要的作用。

合理的交通控制对提高道路运行效率有着重要的意义。

§1.3 国内外研究现状

§1.3.1 交通子区划分的研究

美国的一位学者 Walinchus 于1971 年之时第一次提出了交通控制子区的概念。

之后，多位学者也对影响交通控制子区划分的因素（诸如路段的长度、路段的干

扰、交叉口的交通状况、车辆的到达规律、单向交通、双向交通等等）进行了分

析。

交通控制子区划分的方式分为静态和动态两种。静态交通子区划分是交通工

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摘要随着经济的飞速发展，我国城市机动车保有量也在迅猛的发展，交通拥堵问题日益严重。在有限的土地资源中，如何有效的提高车辆的运行效率成为了研究交通拥挤问题的重点。交叉口是交通问题出现的关键位置，因此，对于交通的优化控制其关键在于对交叉口的控制。而要想使得整个路网的交通控制效果最佳，则需要对路网进行区域控制，即“面控”。然而，路网中的交叉口数量较多，且具有一定的复杂性，故需要对区域中的交叉口进行子区动态划分和信号协调优化控制的研究有利于使路网发挥其最大的效用。本文主要针对区域交通协调控制以及子区动态划分进行研究，研讨其中的方法与策略。首先，本文介绍了子区动态划分的划分依据、划分原则以及划分的意义等...

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