【博士】城市道路交叉口群交通控制模型算法及其實(shí)現(xiàn)【2008】

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　　學(xué)科專業(yè)：交通信息工程及控制　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院　　學(xué)位年度： 2008年　　緩解城市交通擁堵的問(wèn)題涉及城市政策法規(guī)、城市規(guī)劃建設(shè)、城市交通管理等多個(gè)層次多個(gè)方面的問(wèn)題。而城市道路的信號(hào)控制技術(shù)，作為交通管理的主要手段，其智能化和現(xiàn)代化水平充分體現(xiàn)了交通管理的社會(huì)生產(chǎn)成本，而在此背后，強(qiáng)大的理論和技術(shù)支持才是其核心競(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)。城市道路交叉口群是城市交通問(wèn)題的微觀體現(xiàn)，因此在追求城市交通可持續(xù)發(fā)展的大背景下，跨學(xué)科綜合交義相關(guān)領(lǐng)域的科研成果和技術(shù)，分析和描述城市交叉口群交通流運(yùn)行的特征，為其設(shè)計(jì)適用的交通控制算法并應(yīng)用先進(jìn)的軟件技術(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)對(duì)解決城市交通問(wèn)題具有一定的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。　　本文首先對(duì)從國(guó)內(nèi)外在城市交通控制相關(guān)研究的成果進(jìn)行了總結(jié)和綜述。從單點(diǎn)控制到協(xié)調(diào)控制，從定時(shí)控制到動(dòng)態(tài)控制多個(gè)角度對(duì)城市交通控制模型、算法以及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的研究成果進(jìn)行了總結(jié)和分析，提出了交通控制的研究應(yīng)不局限于針對(duì)局部問(wèn)題進(jìn)行孤立建模分析的研究思路，必須全面考慮城市道路交叉口群交通流在控制條件下的表現(xiàn)特征，從而引出了本文研究的主要切入點(diǎn)，即控制條件下的城市道路交叉口群的建模問(wèn)題研究?！　≡诘谌轮?，本文對(duì)控制條件下的交叉口延誤模型、交叉口群交通流特征以及交叉口群控制系統(tǒng)的檢測(cè)器布設(shè)方案進(jìn)行了總結(jié)和定性化的分析，為后文的研究提供了依據(jù)和支撐?！　≡诘谒恼轮?，本文對(duì)城市道路交叉口群的建模問(wèn)題進(jìn)行了研究，首先對(duì)信號(hào)控制條件下的城市道路交叉口群的組成要素進(jìn)行了分析和歸納，將交叉口群分為道路路段、道路交義口以及信號(hào)控制三個(gè)組成要素。并對(duì)現(xiàn)有的城市道路交通流模型進(jìn)行了細(xì)致的分析和總結(jié)。提出了應(yīng)用細(xì)胞傳輸模型(CellTransmission Model)作為城市道路交叉口建模研究的基礎(chǔ)，并對(duì)細(xì)胞傳輸模型對(duì)于描述城市道路網(wǎng)絡(luò)間斷交通流的適用性進(jìn)行了分析。針對(duì)細(xì)胞傳輸模型無(wú)法描述城市道路間斷交通流在交叉口內(nèi)部受到信號(hào)控制影響而存在的通行能力變化和車流在道路路段上的離散現(xiàn)象，應(yīng)用了時(shí)序Petri網(wǎng)模型(Timed Petri Net)以及對(duì)CTM模型中原有的流量傳播模型進(jìn)行了改進(jìn)，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)例驗(yàn)證?！　≡诘谖逭轮校疚幕谇笆鼋徊婵谌旱慕Ｑ芯拷Y(jié)果，在分析了交義口群控制模型的一般化描述的基礎(chǔ)上，提出了基于交叉口群仿真模型的多目標(biāo)優(yōu)化控制算法。算法將交叉口群仿真模型嵌入到多目標(biāo)優(yōu)化控制算法中，替代目標(biāo)函數(shù)計(jì)算方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并采用多目標(biāo)遺傳算法中的非支配排序算法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解。為了對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證，本文設(shè)計(jì)了多種實(shí)驗(yàn)案例對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析并證明了算法的有效性和適用性?！　≡诘诹轮?，本文首先對(duì)動(dòng)態(tài)交通控制的原則、目標(biāo)、時(shí)效性、適應(yīng)規(guī)模以及控制結(jié)構(gòu)分類等方面進(jìn)行了概述，并引出本文動(dòng)態(tài)控制算法的概念：雙層控制結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)控制策略。將控制策略分為兩層：路網(wǎng)優(yōu)化層與單點(diǎn)優(yōu)化層。　　在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化層中完成較長(zhǎng)時(shí)段的優(yōu)化參數(shù)的計(jì)算，并根據(jù)時(shí)段內(nèi)交叉口群內(nèi)交通流運(yùn)行指標(biāo)來(lái)確定各單點(diǎn)優(yōu)化層的優(yōu)化目標(biāo)及約束條件等。單點(diǎn)優(yōu)化層則關(guān)注于單個(gè)路口在短期內(nèi)的控制方案計(jì)算，單點(diǎn)優(yōu)化層包含多個(gè)單點(diǎn)控制單元，每個(gè)單點(diǎn)控制單元能相互交換信息，進(jìn)行短時(shí)交通流預(yù)測(cè)，并完成控制方案的滾動(dòng)優(yōu)化。在確定了控制結(jié)構(gòu)以后，本文建立了動(dòng)態(tài)控制策略的模型體系，在單點(diǎn)優(yōu)化層包括：交叉口交通流短時(shí)預(yù)測(cè)模型、交叉口信號(hào)配時(shí)優(yōu)化模型、交叉口交通轉(zhuǎn)向估計(jì)模型，在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化層模型包括：參考周期的計(jì)算模型、交叉口相位差的優(yōu)化模型以及車流指標(biāo)影響系數(shù)模型。本文在分析了動(dòng)態(tài)控制策略在時(shí)效性和方案覆蓋度的特性，詳細(xì)設(shè)計(jì)了模型體系中優(yōu)化模型的求解算法?！　榱蓑?yàn)證算法的有效性，本文在第四章交叉口群仿真建模研究的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了多種仿真應(yīng)用場(chǎng)景，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析?！　〉谄哒轮?，本文在交叉口群控制系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)的層面對(duì)本文所述控制策略在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)層次進(jìn)行了闡述。首先在系統(tǒng)概念、實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)功能分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)軟件組成等方面對(duì)控制系統(tǒng)原型的框架進(jìn)行了設(shè)計(jì)，然后對(duì)控制系統(tǒng)的核心控制軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)進(jìn)行了論述。最后，對(duì)面向交通控制的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行了初步的設(shè)想和分析?！　?

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