一种交通路口信号控制算法研究

2022-09-11

随着城市化速度加快, 机动车日益普及, 人们在享受机动车所带来的巨大便利同时, 也面临着交通拥挤的困惑。解决交通拥挤的直接办法就是修建更多的路桥以提高城市路网通行能力。然而, 修建路桥的巨额资金和城市空间的严格限制, 使这一方法的有效性大打折扣。因此, 在现有道路基础上, 提高交通控制和管理的水平, 合理使用现有交通设施, 充分发挥其能力, 是解决交通问题的有效办法之一。

1 交通路口信号控制的自适应方式

自适应控制控制系统根据检测器送来的信息, 实时产生性能最佳的绿灯配时方案, 并付诸实施, 使一段时间内车辆放行最大, 或者使车辆延误时间和停车次数最小。这种控制方式各参数随着变化的交通量自动调节, 它是由于计算机技术和通信技术发展到一定水平而产生的控制方式, 进行这种控制方式的交通信号机将检测到的交通数据实时地通过通信网传至上位机, 上位机根据路网上交通量的变化情况, 不断调整配时方案。通过这种控制方式, 容易实现交叉路网的统一调度和管理, 上位机同时控制一个城市区域的数个或数十个路口的信号机, 实现区域中交叉路口之间的统一协调管理, 提高路网的运行效率。

2 单个路口的数学模型和时间分配

以j路口为例 (实际网络模型的路口坐标应为2维, 为减少下标这里采用简写) , 共有4个方向 (分别用e, s, w, n表示) 、12车道 (分别为四个方向的左行、直行和右行车道) , 对其它路口有同样的关系。设第i个周期时间为T, 第i个周期分为四个相位, 并设四个相位依次为南北直行, 南北左转, 东西直行, 东西左转, 其中右行相位不控制, 各相位的时间依次记为t1i, t2i, t3i, t4i;设j路口1 2个车道在第i个周期的到达率分别为:……j路口各车道在第i周期各相位的放行车辆数分别为……各车道在第i周期各相位结束时的等待放行车辆数分别为:……。在以上记号中, 第一个下标表示方向, 第二个下标表示车道, 第三个下标表示相位;设单位时间t1ij, t 2ij, t 3ij, t4ij内路口可放行车辆数为p。

交通网络控制根据网络各路口过去实际车辆到达情况, 预测未来车辆到达情况, 并根据在一个固定周期的时间内, 使各个交叉路口各车道在绿灯结束时的等待放行车辆总和最小, 且使各个交通路口在一个周期结束时的等待放行车辆总和尽可能小的原则, 采用时间分配算法来确定各路口的各相位时间从而使整个网络运行车辆的延误最小。

3 仿真计算

由于交通系统是一个复杂的大系统, 交通网络信号控制的优化可以针对三类控制参数进行优化:绿信比优化、相位差优化、周期优化。不同的优化方法各有优缺点, 三者之间是一种互相制约互相影响的关系。为了简化仿真模型, 本文提出了一种交通网络各交叉路口周期时间参数固定, 进行绿信比优化的方法。根据以上建立的单个路口的数学模型关系式, 本文建立了一个五路口小型区域交通网络模型, 并根据本文提出的信号控制优化方法, 在MATLAB环境中利用时间分配算法对网络中各交叉路口四个相位时间进行多目标优化, 以实现该网络各路口在一个周期时间段内, 绿灯结束时的等待放行车辆数总和 (总延迟fl最小) , 且在一个周期结束时等待放行车辆数总和 (总延迟数f2最小) 的性能指标。从而实现该时间段内, 整个小型区域网络五个路口的等待车辆数总和最小。根据该模型, 可以把交通网络抽象成一个交叉路口, 剩下的四个路口即为该交叉路口的四个输入, 它们的流入车流都是随机的, 则该五路口小型交通网络的目标函数的求取等同于一个交叉路口的目标函数的求取, 该交通网络的目标函数为五个路口目标函数的代数和。因此, 把网络中各路口的相互影响用预测车辆到达率来反映, 这将使路口从网络中分离, 并可分别根据各自的到达率来优化四个相位的时间, 从而使控制算法简化。本文的城市网络交通路口信号控制的时间分配算法, 对各路口绿灯信号相位时间分配随相邻路口交通流的波动而自动调整, 并且可获得符合该交通流状况的最佳目标值。当网络中交通流持续增加时, 采用时间分配算法多目标优化控制能及时调整各相位的绿灯时间以及疏散交通流;采用定周期控制方式时, 其等待放行车辆数也持续增加, 完全不能适应交通流的实际情况。当网络中交通流增加到饱和状态时, 通过时间分配算法多目标优化后, 网络中j路口延迟数f1虽然不为零, j路口将出现绿灯饱和, 但与采用定周期控制方式相比, 时间分配算法多目标优化控制效果尤其明显。

4结语

本文的时间分配算法结果表明, 采用区域交通网络信号优化控制能够极大地提高该网络的通行能力, 使网络的通行能力达到最佳状态。网络内部通行能力的提高是通过合理调整各个路口各相位的绿灯时间实现的, 从而达到系统自动适应网络交通流变化的目的。此外, 本文所进行的理论研究是在一定的假设条件下进行的, 当应用到实际系统时, 还要根据网络具体的实际情况, 进行相应的调整。

摘要：通过固定交通路口各交叉路口周期参数, 并预测各自下一周期的车流量, 来实时分配最佳相位时间。实验表明在网络交通流完全相同的情况下, 时间分配算法与定周期控制相比, 明显减少了一个周期内在绿灯结束时的总延迟辆数, 特别是当交通流较大时, 效果尤其明显。

关键词：城市交通流,交通控制系统,智能交通信号机