论文总字数：26836字

摘 要

在我国城市化水平不断提高的今天，拥挤与堵塞等城市交通问题变得越来越不容忽视。交通需求和交通供给不平衡，道路使用效率无法充分发挥的情况比比皆是。而这其中，交叉口作为车辆汇集和转向所在地，时常成为交通运行过程中的瓶颈，因而解决交叉口的问题对城市交通意义重大。

对交通的控制与管理作为一种相比于新建道路节约成本且高效的方式，一直是人们努力的一个方向。然而信号交叉口信号控制环节在实际操作中，始终存在着变化多端的交通运行状况与广泛使用的定时式信号控制之间的矛盾。于是，动态信号控制的概念应运而生，其重要性也变得不言而喻。

在动态信号控制这一方面，前人已经做了相当多的研究，因此本文综合分析了他们的研究成果，探寻它们之间的共同特性，并在此基础上，以适用性为首要目标，总结一个实际可行、便于操作的实施方案。针对其中核心的配时算法部分，选择了李明利等人提出的随到达率变化的简便信号配时算法，并稍加改进，使其能够运用到大于两相位的信号控制交叉口中。最终，综合考虑多方面因素，筛选出江苏省如皋市益寿路与中山路交叉口进行了实例分析。结果表明，该进后的配时方案明显降低了平均每车信控延误，且饱和度越低的时间段降幅越为明显，在研究时间段最大降幅达到了40%左右。并且该方案在交叉口几何条件和交通流组成等因素稳定且已知的情况下只需要考虑车辆到达率这一因素，结构简单，易于实现，在硬件水平较为一般的情况下，可以考虑采用这种方案。

关键词：城市交叉口；动态信号配时；配时算法；适用性

Abstract

The level of urbanization in our country continues to improve today, and so the problem of urban traffic congestion and blockage can not be ignored. The situation that transport demand and traffic supply is unbalanced, and that the road can not be full efficiently used can be seen everywhere. And that, the intersection as the seat of vehicle collecting and steering, often become a bottleneck in the process of traffic operations, thus solving the problems of the intersections is significant to urban traffic.

Traffic control and management, as a cost-saving and efficient solution to the problems of the intersections compared to constructing new roads, is always the direction of people who pay attention on these problems. However in practice of the signalized intersections’ signal control link , there are always some contradictions between a great variety of traffic conditions and timing signal control which is widely used . Thus, the concept of dynamic signal control came into being, and its importance has become self-evident.

In the aspect of dynamic signal control , a considerable amount of research have been done by the predecessors, so this paper comprehensively analyze the results of their research to explore the common features among them, and on this basis, thinking the applicability as the primary objective, summarizes a practical and easy to implement Implementation plan. For the timing algorithm which is the central part , this paper selected the simple timing algorithm changed by the arrival rate, which is proposed by Liming Li. And this paper gave it a little improvement, so that it can apply to the intersections with more than two phases of signalized. Ultimately, considering various factors, we choose the intersection of Yishou Road and Zhongshan Road in Rugao , Jiangsu Province as an illustrative example. The results showed that the timing of the intake after the program significantly reduced the average control channel delay per vehicle, and the decline is more obvious in the lower saturation period. The biggest drop in the study period reached about 40%. And this algorithm only considers the case of vehicle arrival rate when other factors like the geometrical situation of the intersection is steady and known. So the structure is simple, and it is easy to implement. In the case of that the hardware level is quiet general, this could be considered.

Key word：Urban intersections; Dynamic signal timing; Algorithm of signal timing; Applicability

目录

摘 要 1

Abstract 2

目录 3

第一章 绪 论 4

1.1研究背景 4

1.2配时方案研究现状 5

1.2.1国外研究成果 5

1.2.2 国内研究成果 7

1.3研究内容 8

1.4技术路线与研究流程 9

第二章 交叉口信号控制概述 10

2.1 交叉口信号控制的意义 10

2.2 交叉口信号控制的类别 10

2.3 交叉口信号控制的基本参数 11

2.4 交叉口信号控制评价的基本指标 13

第三章 动态信号配时适用性分析 16

3.1 控制方式 16

3.2 实时的交通流数据 16

3.2.1 交通流数据的获取 16

3.2.2 交通流数据的处理 17

3.2.3 小结 18

第四章 实例分析 19

4.1调查地点及时间 19

4.2数据汇总 20

4.3数据处理方案 21

4.4数据处理结果 23

4.5对此次实例的评价 24

4.5.1方案的优势 24

4.5.2方案的不足 24

4.5.3方案的改进方向 25

第五章 结论与展望 26

致 谢 27

参考文献 28

第一章 绪 论

1.1研究背景

在我国城市化水平不断提高的今天，虽然能够感受到生活水平的不断提高，但随之产生的拥挤与堵塞等城市交通问题也变得越来越不容忽视，这在世界范围内都是一个严重的问题。世界银行对发展中国家城市交通问题的调查研究表明：发展中国家城市机动车数量远少于发达国家，并且近几年道路路网增长迅速，但交通拥挤现象较之发达国家却依然要严重得多^[1]。城市交通问题产生的根本原因在于发展中国家对道路管理不够重视，没有注意平衡交通需求和交通供给，这必然导致道路通行能力降低，使用效率无法充分发挥。也就是说，解决城市交通问题的根本途径涉及到两个方面：一是提高交通供给能力，就是说要加强交通基础设施的建设，加强对城市路网的智能管理与信号优化控制，最大限度的提高路网的容量；二是交通需求管理。曼谷、新加坡等许多城市多年来解决交通问题的实践证明：用加强交通管理与控制的方法解决交通问题是当前公认的效益显著、投资最省的方法^[2]。

而城市道路交叉口作为城市交通系统网络的重要组成部分，常常是道路通行能力的瓶颈所在，也是交通事故的多发地。有统计表明，在日本大城市的市中心中，机动车要在平面交叉口花费的时间约占总行车时间的三分之一；而美国交通事故约有一半以上发生在交叉口^[1]。也就是说，城市的交通拥堵，大部分是由于交叉口延误过高甚至车流中断造成的，归根结底还是交叉口的通行能力不足，没有充分利用造成的。因此，科学地管理与控制交叉口是当今一个重要的任务。而这其中交通信号控制，旨在不新建道路的前提下最大化提高现行交通系统的效率，确保交通流运行的安全性，最小化交通总延误和平均车辆延误，降低汽车尾气和噪声污染^[3]。因此它也能作为交通控制与管理的有效方法之一，在提高交叉口的通行效率和保障交叉口的交通安全方面都发挥重要作用。

然而，实际的交通行为当中，闯红灯这种事是时常发生的。不从加以指责的角度来说，本来，信号灯的存在就是为了降低整个交通系统的延误，而这个系统又是由各个个体组成。所以说，如果只是降低了某个个体的延误必然也降低了整个系统的延误。遵守规则的合理性就在于，一般的路口，交通参与者众多，所以某个个体如果只考虑降低自己的延误，就可能会增大其他个体的延误，最终使整个系统的延误增加，定一个的规则能很好地缓解这一点。然而实际情况是，人们会时不时地觉得自己没有受过规则的恩惠，反而被其束缚住了，这样违背规则的背德感也会渐渐淡去。我的意思并不是说赞同这种违背规则的行为，只是从违背规则者的位置思考了一下，很自然的就会想，这个规则果然不应该是一成不变的东西，它需要更加灵活。而以此为目标，正是这个课题的意义所在。

1.2配时方案研究现状

1.2.1国外研究成果

Abu-Lebdeh^[21]构建了一个简单的道路网络。借此，他对处于交通拥堵问题下的信号控制优化方案进行简要分析，并建立相关模型和相应的算法，继而分析算法的性能问题，证实了其在双向道路控制，交通拥堵对和不同控制方案等情况下的可行性。除此之外，他还研究了通常非饱和状态的区域中的交叉口，借此给出了关键子区域的概念。他把这个概念用于比较不同拥堵状态下的控制策略，分析了相位差对通行能力损失的影响。

Dan Pescaru， Daniel-Ioan Curiac^[22]认为计算机、传感以及通信技术的飞速进步为人工智能概念提供了前所未有的机会来扩大它们在交通控制与管理方面的应用。他们围绕ensemble-based systems进行了一系列研究。这种技术是用来准确分类近期的交通条件，并为适应城市范围内交通信号序列以优化交通流进行有效的决策。该方法只需要分布于进入城区的主要道路上的传感器提供的测量数据。这个简化的传感器的数量是足够分类分类近期的交通状态，而且，他们的测量可以通过分析/硬件冗余验证。我们的方法是在一个无线传感器和执行器网络的框架中实施，通过对蒂米什瓦拉罗马尼亚中心城区的一部分分别在正常或异常的交通条件下进行计算机仿真验证。

Gazis^[23]分析了在过去发生拥堵的信号控制交叉口。他运用到了控制理论中的最大值原理，试图解决两相位单点控制信号交叉口控制的最优方式的相关问题。在基本模型建立的基础上，Gazis运用数学变分的方法分析了的两个单点控制信号交叉口单向协调的控制问题，试图寻找到延误最小的控制方式。但这种模型还不够成熟，很多条件都是通过假设确定的，且其无法避免在面对多交叉口和多相位控制时模型变量数增加的问题，此时的模型将变得不再简便。

JINIL Chang^[24]等介绍了了交通拥堵状态与服务水平F (LOS-F)的概念。这些概念描述了交通拥堵状况的主要特点，包括司机反应变慢，排队长度不稳定，并时常伴随排队溢出现象，通行能力损失等。他以道路队列状态作为状态变量，建立了计算干道相位差的MILP优化模型和以路段排队稳定为目标的绿信比NLP优化计算模型。模型建立了七个交叉口组成的干道路网，并釆用基于逻辑调整的控制方式和WATSim仿真软件组合使用进行了测试。虽然控制效果有了明显的改善，但在一个更复杂的网络环境中，算法有待继续改进和测试。

Longley^[25]总结了两类交通拥挤。第一类拥挤为信号交叉口排队车辆的不断积累造成的拥挤，第二类拥挤为受其它交叉口排队车辆影响而产生的拥挤。Longley认为在不能避免第一类拥挤的情况下，应当以减缓甚至避免第二类拥挤作为交通控制与管理的目标，因此他提议按照进口道的排队强度来进行绿信比的优化。而Gordon^[26]提出应当以缩短各个相位的排队长度来作为交叉口信号控制的目标，Inosi等^[27]认为饱和状况下信号配时的目标应当是实现交叉口通行能力的最大。

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