A题城市相邻两交叉口信号配时优化zonghr.docx

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1、A题城市相邻两交叉口信号配时优化摘要随着我国城市化速度的加快以及城市规模的不断扩大，交通供需矛盾日益突出，在城市交通网络中产生的交通拥堵现象日趋严重，严重影响了社会经济的发展和人民生活水平的提高。对现有交通进行有效的管理和控制已成为我国交通运输中迫切需要解决的问题。针对单点定时交通信号灯控制造成的绿时浪费、通行延误等问题，我们首先通过改进webster模型建立了相邻交叉口信号灯协调控制模型（见公式（13）对交通信号进行配时优化，然后建立以最小平均延误时间为目标函数，以相位时间、相位差（利用数解法建立函数求得）、周期时长为决策变量的非线性规划模型（见公式（14）,设计MAT1AB和1INGO程序

2、求解出改善后的交通信号配时方案，最后建立仿真检验模型对协调控制模型进行仿真检验，经验证，该模型具有很强的可行性。该模型采用1INGO自带的最短时间求解程序确定最优配时方案，大大降低了整个求解过程的时间复杂度，将1INGO算法植入整个协调控制体系，可大幅度降低空间复杂度。在模型的改进中，将采集的实时路况交通流量，输入到神经网络模型中，预测未来几个信号周期的交通流量，将预测交通流量输入到协调控制模型得到优化的相位时间等控制量，将控制量输入实际路况，再采集信息，循环，达到动态协调控制的目的。在动态协调控制中，交通流量预测模块、相位时间优化模块的webster第三部分系数将逐渐适应实际路况的，整个协调

3、控制体系得到收敛的效果。针对本题给出的武汉市A、B两交叉口的交通流量数据，利用所建的通用协调控制模型对信号灯控制系统进行优化和仿真检验，得出最优配时方案，具体结果见表20关键词：MAT1AB程序；11NGo程序；协调控制；WebSter模型；数解法；神经网络算法；相位时间；相位差；平均延误时间;仿真模型；仿真检验。目录摘要11 .问题重述32 .模型假设33 .通用符号说明44 .模型的建立与求解44.1 问题分析44.2 模型准备5421确定A、B两交叉口的相邻方式54.2.2交通信号灯各相位图示5423A、B交叉口处车辆行驶方向编号64.3 相邻交叉口信号灯协调控制模型的建立与求解61.1

4、 .1模型的建立61.2 改善后交通信号配时方案的求解114.4 交叉口信号灯协调控制模型的仿真检验114.4.1 仿真模型建立124.4.2 仿真检验165 .模型的评价与改进185.1 模型的评价185.1.1 模型的时间复杂度与空间复杂度185.1.2 模型的收敛性185.2 模型的改进18参考文献191 .问题重述随着我国城市化速度的加快以及城市规模的不断扩大，交通供需矛盾日益突出，在城市交通网络中产生的交通拥堵现象日趋严重，严重影响了社会经济的发展和人民生活水平的提高。目前在我国的大、中型城市交通管理中，普遍采用的是单点定时交通信号灯控制。定时控制这种传统信号灯控制方法会造成某些方向

5、绿时浪费，而在有些方向上车辆通行又延误严重。因此，优化交叉口信号配时是提高交叉口运行效率最有效的方法之一。设计通用模型与算法(从时间复杂度、空间复杂度、收敛性进行对比分析),解决以下问题：对交通信号进行配时优化研究，求解出改善后的交通信号配时方案并进行仿真检验，以期有效指导提高实际平面交叉口的通行能力和服务水平，减少城市交通网的交通延误，改善城市交通现状。2 .模型假设(1)假设所有汽车启动并加速的反应时间均相等，且均为2s；(2)假设饱和流量已知各方向车流量的最大值，单位为PCU/h；(3)假设1小时内的车流量没有较大波动；(4)基于相邻两交叉口之间的距离低于800m时，协调控制系统才会明显

6、减少绿时浪费、减缓通行延误，所以假设交叉口A、B之间的距离为670m。3 .通用符号说明序号符号符号说明1D每周期的总延误时间2W平均延误时间3k模拟系数4R红灯时间5C信号周期长6绿信比7X饱和度8q车流量9S饱和流量4 .模型的建立与求解4.1 问题分析对于两个距离很近的相邻交叉路口，单点定时交通信号灯控制会造成两路口连线方向的绿时浪费。协调两路口间的相位时间的关系，能使一部分车辆在一个交叉路口驶出后经过另一交叉路口时总是绿灯放行，相对于单点定时交通控制而言，这一部分车辆的车均延误时间得到有效减少。要保证一个交叉路口驶出后的车辆，经过另一交叉路口时总是绿灯放行，需要两交叉路口的信号周期相等

7、。计算两路口间的车均延误有两种方式。第一种输入交通规则与交通流量数据进行微观上的仿真计算；第二种是用改进的webster模型进行宏观上的延误计算。仿真具有高准确性，但是算法很复杂，需要耗费更多的时间，一组实验就要循环上万次，并且其准确性取决于参数的设定。通过宏观上的改进的WebSter模型,输入交通规则数据就可通过一个循环得出延误时间，但是精确度没有仿真高,取决于改进的webster第三项的参数。考虑到本次研究方向是设计一个交通信号灯协调控制系统，需要准确、快速的确定最佳相位时间。拟采用改进的WebSter模型构建出交通数据、相位时间、信号周期、相位差与车均延误时间的函数关系，利用1INGO非

8、线性规划算法的高效准确性,在限定相位时间、信号周期的情况下快速计算出最佳相位时间、信号周期。比之仿真计算的方式，具有高度可行性。得出根据交通流量计算最佳相位时间、相位差的模块之后，拟采用神经网络模型预测未来几周期的交通数据，再通过第一个模块计算出最佳相位时间、相位差，输入到实际信号灯控制模块，采集实际路况信息，更新数据库，并矫正WebSter模型的第三项系数，可以解决宏观计算不精确的问题，得到一个比较合理的解决方案。4.2 模型准备4.2.1确定A、B两交叉口的相邻方式在相邻方向上，交叉口A出口流量应与交叉口B进口流量相近。根据交叉口A、B东西南北各方向的交通流量，计算A交叉口各方向出口交通流

9、量及B交叉口各方向进口交通流量，见表1。表1A交叉口各出口及B交叉口各进口交通流量表交通数据交通流量（PCUh）车均延误时间（S）左转直行右转左转直行右转出口流量武汉TtjA交叉口东进3661394987.556.725.8东出口566西进口29516672西出口2495南进口5254083008.164.895.63南出口832北进口IOO394576进口流量北出口801武汉市B交叉口东进口80211545765.2611.334.962532西进口4503043291083南进169420845.0313.615.34673北进口13253590757由表1数据分析得，交叉口B在交叉口A的

10、西方向。4.2.2交通信号灯各相位图示为更直观的表示交通信号灯的各相位，以图表形式表示，见图1。第一相位第二相位图1交通信号灯各相位表示图由图1可得，第一、三相位均表示车辆直行，第二、四相位表示车辆左转。4.2.3A、B交叉口处车辆行驶方向编号为方便问题分析，对各交叉口车辆的行驶方向进行编号，见图2。交通数据交通流量（PCUh）左转直行右转武汉市A交叉口东进口A1A2A3西进口A4A5A6南进口A7A8A9北进口A1OA11A12武汉市B交叉口东进口B1B2B3西进口B4B5B6南进口B7B8B9北进口B1OB11B12图2车辆行驶方向编号图由图2可直接得出车辆行驶方向的编号。4.3相邻交叉口

11、信号灯协调控制模型的建立与求解4.3.1模型的建立为确定最优交通信号配时方案，首先通过建立单交叉口延误时间计算模型、相邻交叉口延误时间计算模型确定延误时间与相位时间、周期、相位差之间的关系；继而给定控制变量相位时间、周期、相位差的变化区间，确定延误时间的最小值为目标函数，进行1INGO非线性规划，得出最优配时方案；最后建立仿真检验模型对该配时方案进行仿真检验，分析该通用模型与算法的收敛性与可行性。一、单交叉口延误时间计算模型的建立由于道路与环境条件、交通干扰以及交通管理与控制设施等驾驶员无法控制的因素所引起的行程时间损失。延误时间是指车辆在交叉口入口引道处被阻碍下行走所需时间和无阻碍行走所需时

12、间之差，有平均延误和总延误两个评价尺度。延误的产生主要有以下几种情况：（1）固定延误：由交通控制装置引起的延误，与交通量大小及交通干扰无关,主要发生在交叉口处。由交通信号、停车标志、让路标志等因素引起。（2）运行延误：由各种交通组成部分之间相互干扰而起的延误，分为两种。一种是由侧向干扰而起的延误，另一种是由交通流之间（包括交通拥挤、汇流、会车与交织运行）而引起的延误。（3）行程时间延误：实际行驶的总行程时间与完全排除干扰后以平均速度通过调查路段的自由行驶时间之差。包括停车延误、因加减速而产生的加、减速延误（4）排队延误：车辆排队时间与自由行驶时间（车辆按自由行驶过排队路段的时间）之差。排队时间

13、是指车辆从第一次停车到越过停车线所用的时间。排队是指车辆第一次停车断面与停车线之间的道路。当车辆行驶过程中，经历N次停车时：排队时间二支第i次停车延误+第i次减速延误+第i次加速延误Z=I1=1!综合以上延误产生的各方面因素，建立以下延误时间计算模型。对一交叉口，假定其车辆到达服从均匀分布。如果我们着眼于一条停车线,在非饱和情况下，交叉口一个周期的总延误D的表达式为：(1)d-qR?2(1-r)每辆驶入车辆的平均延误是：(2),DR2c(1-2)2d=-q12c(1-x)2(1-x)(3)另外假若车辆到达服从泊松分布，则每台驶入车辆的平均延误为：C(I-)2X2d=-12(1-x)2q(1-x

14、)webster延误时间计算模型：(4)c(1-)2_M(2+5)2(1-x)2(1-x)cf_二、相邻交叉口信号灯协调控制延误时间的计算模型单点定时交通信号灯控制方法会造成某些方向绿时浪费，而在有些方向上车辆通行又延误严重。当两相邻交叉路口之间的距离超过80Om时，协调控制不如各自单独控制，但当距离低于80Om时，协调控制会明显减少绿时浪费、减缓通行延误。在此我们假设A、B两交叉口的距离低于800m,对于该东西主干线上的两相邻交叉口的单点定时交通信号灯进行优化，采取协调控制的方法。相邻交叉路口协调控制的策略是：各交叉路口具有相同的信号周期，绿信号开启时间相继错过，从而使干线上行驶的车辆尽可能少遇或不遇红灯以减少延误；对确定的周期，每一交叉口的绿信比可互相独立地实时调整以适时调整以适应交通流的瞬时变化口。则该协调控制的控制因素为：周期、相位时间、相位差。对于模型一单交叉口延误时间计算模型进行修正，得到相邻交叉口协调控制延误时间计算模型。.通过A、B两交叉口的车流量中，免红灯车流量所占比例的计算：2=8(5)(6)3(5)+8(9)+仇IO)J=XWSJ+DTj2-1TyXWSJ.J