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城市交通信号动态优化控制技术研究

作　者: 陈小锋
导　师: 史忠科
学　校: 西北工业大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 城市交通信号控制周期绿信比相位差排队长度通行能力遗传算法混合优化
分类号: TP29
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
下　载: 954次
引　用: 16次
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内容摘要

城市交通拥挤是当今世界普遍关注的问题，它所带来的严重危害日益影响到人们的日常生活和社会经济的发展。交叉路口作为城市交通的主要集散点，是产生交通拥挤的主要环节，对其交通流进行合理分析和控制，是缓解交通拥挤的重要手段和途径，也是研究城市交通问题的一个关键切入点。本文针对目前城市交通问题的现状，在设计和研制一种智能交通信号控制系统的基础上，重点研究了城市交通信号的动态优化控制技术，并对其在实际交通控制中的实现问题进行了探讨。论文的主要工作如下： 1．针对城市交通信号优化问题，提出了一种改进的混合优化算法。该算法首先采用实值编码遗传算法对优化问题进行全局最优搜索若干步，在此基础上，采用一种专门设计的变搜索空间随机搜索局部优化算法加强对重点区域的搜索，以提高搜索效率和改善解的质量。此外，为了提高遗传算法的搜索效率，改进了一种自适应交叉概率和变异概率的计算方法。仿真研究表明所提混合优化算法及自适应交叉概率和变异概率的计算方法在求解本文交通信号动态优化控制问题中的有效性。 2．为了便于应用混合优化算法对约束优化问题进行求解，设计了一种处理约束条件的自适应惩罚策略，用于将具有不等式约束和等式约束的优化问题转变为仅包含决策变量上、下限约束的优化问题。该策略通过引入约束可行测度、可行度等概念来描述决策变量服从于不等式约束和等式约束的程度，并以此构造处理约束条件的自适应惩罚函数，惩罚值随着约束可行度的变化而动态自适应地改变。在不同优化算法中的应用研究表明该策略能够有效处理优约束化问题中的约束条件。 3．针对单交叉路口的信号控制问题，提出了以控制周期内路口总延误排队车辆数最小为目标的交通信号动态优化控制方法。针对典型的交叉路口交通流分布，以信号周期时长和绿信比为优化控制变量，建立了相应的交通流动态优化控制模型。并分别针对常见的两相位控制和四相位控制方式，在轻度、中度和重度三种交通需求模式下进行了仿真研究，结果表明所提方法的有效性。 4．在单交叉路口信号动态优化控制研究的基础上，针对饱和交通干线的信号控制问题，提出了以控制周期内饱和交通干线系统的车辆通行量最大为目标的交通信号动态优化控制方法。针对一种双向交通的饱和交通干线系统，建立了以信号周期、绿信比和相位差为优化控制变量的交通流动态优化控制模型。并在一种动态的交通需求模式下进行了仿真研究，结果表明所提方法的有效性。 5．为了满足实际交通信号控制和对相关理论方法进行验证提供平台支持的需要，参与设计和研制了一种智能交通信号控制系统。采用 Visual Bas让 6．0可视化程序设计语言设计了基于上位机的信号机集成监控软件和基于PSTN网络的通信程序；设计了信号机的人机接口软件程序和硬件电路；此外，还对信号机的功率驱动和信号检测部分进行了设计；最后，对本文的优化控制方法在此信号控制系统中的实现进行了探讨。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-12
第一章绪论  12-24
  1.1 选题的背景及意义  12-13
  1.2 智能交通系统(ITS)发展概况  13-16
  1.3 交通信号控制技术研究概况  16-21
    1.3.1 交通信号控制发展简史  16-17
    1.3.2 典型的交通信号控制系统分析  17-19
    1.3.3 交通信号优化控制技术研究概况  19-21
  1.4 论文主要工作及章节安排  21-24
    1.4.1 主要工作  21-22
    1.4.2 章节安排  22-24
第二章预备知识  24-43
  2.1 引言  24
  2.2 交通流基本理论  24-28
    2.2.1 交通流的统计分布  24-27
    2.2.2 车流波动理论  27-28
  2.3 城市交通信号控制概述  28-35
    2.3.1 基本概念及控制参数  28-30
    2.3.2 信号控制类型  30-33
    2.3.3 信号控制常用性能指标  33-35
  2.4 遗传算法  35-42
    2.4.1 遗传算法简介  35-36
    2.4.2 遗传算法基本原理  36-41
    2.4.3 遗传算法收敛性  41-42
  2.5 本章小结  42-43
第三章交通信号混合优化方法  43-55
  3.1 引言  43-44
  3.2 约束优化问题描述  44
  3.3 自适应惩罚策略  44-48
  3.4 自适应交叉概率及变异概率  48-50
  3.5 混合优化算法结构及描述  50-54
    3.5.1 基本思想  50
    3.5.2 自适应实数编码遗传算法  50-52
    3.5.3 变搜索空间随机搜索法  52-54
  3.6 本章小结  54-55
第四章单交叉路口信号动态优化控制  55-74
  4.1 引言  55-56
  4.2 交叉路口基本描述  56-57
  4.3 单交叉路口信号动态优化模型  57-62
    4.3.1 路口的延误排队车辆描述  57-60
    4.3.2 变量约束关系描述  60
    4.3.3 优化控制目标及描述  60-62
  4.4 混合优化方法实现  62-63
  4.5 仿真研究及结论  63-73
    4.5.1 仿真条件  63-66
    4.5.2 二相位控制仿真结果及分析  66-70
    4.5.3 四相位控制仿真结果及分析  70-71
    4.5.4 结论  71-73
  4.6 本章小结  73-74
第五章交通干线信号动态优化控制  74-99
  5.1 引言  74-75
  5.2 交通干线系统基本描述  75-76
  5.3 干线系统饱和流的特性及控制策略  76-77
    5.3.1 饱和交通流的特点  76-77
    5.3.2 系统控制策略  77
  5.4 系统优化控制模型  77-88
    5.4.1 车流宏观运动动态描述  77-81
    5.4.2 干线协调相位差动态描述  81-86
    5.4.3 变量约束描述  86-87
    5.4.4 优化性能指标及问题描述  87-88
  5.5 混合优化方法实现  88-91
    5.5.1 自适应罚函数的确定  89
    5.5.2 算法实现  89-91
  5.6 仿真研究及结论  91-98
    5.6.1 仿真条件  91-92
    5.6.2 仿真结果及分析  92-97
    5.6.3 结论  97-98
  5.7 本章小结  98-99
第六章智能交通信号控制系统设计  99-114
  6.1 引言  99
  6.2 总体设计思路  99-100
  6.3 系统结构及功能  100-107
    6.3.1 系统结构  100-105
    6.3.2 系统实现功能  105-107
  6.4 系统软件设计  107-108
  6.5 上位机集成监控软件设计  108-112
  6.6 动态优化控制方法实现方案  112-113
  6.7 系统应用效果  113
  6.8 本章小结  113-114
第七章回顾与展望  114-116
  7.1 论文工作回顾  114-115
  7.2 进一步工作展望  115-116
致谢  116-117
参考文献  117-125
攻读博士学位期间的论文、科研工作及获奖情况  125-127

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