（光学工程专业论文）基于车辆延误理论的多态交通流信号控制研究.pdf

摘要 信号交叉口交通流受驾驶技术、交通组成、信号控制、交通管理、交通环境等诸多因素 影响，导致交通流在时间和空间内通常具有多态特征。现有的信号控制方法因未能充分考虑 交叉口交通流分布特征，造成交叉口成为道路网络交通延误增长的主要区域，影响整个路网 的运营效益。为了解决现有的控制方法不能适应多态交通条件下交叉口信号控制问题，本文 依托国家自然科学基金项目混合交通环境下行驶工况的仿真及控制策略研究 ( n o 7 0 7 7 1 0 3 6 ) 和平面交叉口交通流片段仿真及管理措施实证研究( n o 7 1 0 7 1 0 4 4 ) 课题， 通过分析多态交通流特性，研究交叉口通行能力模型及交通流预测方法，进一步提出多态交 通条件下交叉口信号控制方法及延误分析理论。本文研究工作主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 通过分析多态交通流时间和空间分布多态特性，从人、车、路三个方面分析影响交 通流多态特性影响因素；提出了多态交通流与相对稳态交通流的界定方法，标定了车头时距、 交通流量两项统计指标的界限值。 ( 2 ) 结合稠密特性函数可以任意精度逼近任何分布特征数据的特点，引入稠密性无限混 合g a m m a 分布函数，提出了基于极大似然算法的交通流车头时距拟合方法，并通过实际调查 数据证明了拟合方法的精确性 ( 3 ) 基于可穿越间隙理论，采用无限混合e r l a n g 稠密性分布函数，分析了次要道路交 通流可穿越主路交通流车头空隙的概率，建立了无信号交叉口通行能力模型。 ( 4 ) 基于小波分析理论，采用r b f 神经网络和m a r k o v 链预测方法，建立了短时多态交 通流组合预测模型。 ( 5 ) 根据多态交通流在日交通流量统计序列的变化特性，通过小波分析对日交通流量序 列信号进行降噪处理，结合f w e b s t e r - b c o b b e r 信号配时理论提出了多态交通特性信号交叉口 控制时段划分方法。 ( 6 ) 根据交叉口多态交通流分布特征和时空资源条件，分定时控制、感应控制和预测控 制三种类型提出了信号控制方法： 针对非对称多态交通流交叉口，根据交通流量通过调整交叉口空间资源，利用相位优 化技术提出了交叉口信号伴随相位定时控制方法。 针对交通流量多变、进口车道较少的小型交叉口，基于交叉口车辆排队理论建立了交 叉口每相位主流向通行综合效益p i 函数，依据交叉口流向冲突关系，提出了相位自组织优化 的交叉口感应信号控制方法。 针对进口车道较多的多态交通交叉口，通过在交叉e l 进口设置多功能进口车道，依据 排队理论和多态交通流预测结果，建立以交叉口总运行延误最小为优化目标的多功能车道流 向选取模型。在相位有效绿灯时间满足最大排队长度通行条件下，滚动优化每相位并逐步实 施，提出了设置多功能车道的交叉口时空资源动态优化的预测控制方法。 ( 7 ) 基于随机过程理论，提出了多态交通流量稠密特性函数概率统计方法；结合定时控 制、感应控制与预测控制不同策略下信号相位变化状态，建立了多态交通流信号控制延误模 型。 ( 8 ) 使用v i s s i m 及相关软件对多态交通流信号控制方法和延误分析理论进行仿真，证明 了控制方法的有效性和延误分析理论的精确性。 关键词。多态交通流；信号控制；车辆延误；通行能力：交通预测 a bs t r a c t t h et r a f f i cf l o wi ns i g n a l i z e di n t e r s e c t i o na l w a y se m b o d i e sm u l t i - s t a t ec h a r a c t e r i s t i ci nt e r m so f t i m ea n ds p a c e ，i n f l u e n c e db yav a r i e t yo ff a c t o r s ，s u c h 硒d r i v i n gs k i l l 。t r a f f i cc o m p o s i t i o n ，s i g n a l c o n t r o l ，t r a f f i cm a n a g e m e n t , t r a f f i ce n v i r o n m e n t ，e t c t h ee x i s t i n gs i g n a lc o n t r o lm e t h o d s ，w h i c h h a v e n tf u l l yt a k e nt h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft r a f f i cf l o wi ni n t e r s e c t i o ni n t oa c c o u n t ，c a u s e i n t e r s e c t i o n sb e c o m i n gt h em a i na r e a so fd e l a yi n c r e a s i n gi nt h er o a dn e t w o r k ：a n da f f e c tt h e o p e r a t i o nb e n e f i to fe n t i r en e t w o r k i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ee x i s t i n gc o n t r o lm e t h o d c o u l dn o ta d a p tt ot h ei n t e r s e c t i o ns i g n a lc o n t r o li nm u l t i s t a t et r a f f i cc o n d i t i o n s ，t h ec h a r a c t e r i s t i co f m u l t i - s t a t et r a f f i cf l o wh a sb e e na n a l y z e d ，t r a f f i cf l o wp r e d i c t i o nm e t h o da n dc a p a c i t ym o d e lo f i n t e r s e c t i o nh a v eb e e ne s t a b l i s h e d ，s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c t s “s t u d yo ns i m u l a t i o na n dc o n t r o ls t r a t e g yo fd r i v i n gc y c l ei nm i x e dt r a f f i ce n v i r o n m e n t ( n o 7 0 7 710 3 6 ) a n d “t h es i m u l a t i o no ft r a 俩cf l o ws e g m e n ta n dm a n a g e m e n tl n e a s u r e se m p i r i c a l r e s e a r c hi np l a n ei n t e r s e c t i o n 州o 7 1 0 7 1 0 4 4 ) ，f u r t h e r m o r e ，s i g n a lc o n t r o lm e t h o d sa n dd e l a y a n a l y s i st h e o r yh a v eb e e np r o p o s e d t h er e s e a r c hh a sb e e nb a s i c a l l yr e f l e c t e di nt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： ( 1 ) b ya n a l y z i n gt h em u l t i - s t a t ec h a r a c t e r i s t i co ft r a f e cf l o wi nt e r m so ft i m ea n ds p a c e ，t h e i n f l u e n c e sh a v eb e e na n a l y z e df r o mt h r e ea s p e c t s ：d r i v e r , v e h i c l ea n dh i g h w a y d e c i s i o nm e t h o d so f m u l t i s t a t et r a f f i cf l o wa n dr e l a t i v e l ys t e a d y - s t a t eo n eh a v eb e e np u tf o r w a r d ，a n dt h et h r e s h o l d v a l u e so fh e a d w a ya n dt r a f f i cf l o wh a v eb e e nc a l i b r a t e d ( 2 ) c o m b i n e dw i t ht h ef e a t u r et h a td e n s e n e s sf u n c t i o nc o u l da p p r o x i m a t ea n yd i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i cd a t aw i t ha r b i t r a r yd e g r e eo fa c c u r a c y , d e n s ei n f i n i t em i x t u r eg a m m ad i s t r i b u t i o n f u n c t i o nh a sb e e ni n t r o d u c e dt oe s t a b l i s ht h eh e a d w a yf i r i n gm e t h o db a s e do nt h em a x i m u m l i k e l i h o o da l g o r i t h m ，a n dt h e nt h ea c c u r a c yh a sb e e nv e r i f i e db yt h ei n v e s t i g a t i o nr e s u l t s ( 3 ) b a s e do ng a pa c c e p t a n c et h e o r y , t h ec a p a c i t ym o d e lo fu n s i g n a l i z e di n t e r s e c t i o nh a sb e e n e s t a b l i s h e d ，f r o ma n a l y z i n gt h ep r o b a b i l i t yt h a tm i n o rr o a dt r a f f i cf l o wp a s s e st h r o u g ht h eh e a d s p a c e so f m a j o r r o a do n e ，b yt h ei n f i n i t em i x t u r ee r l a n gd e n s e n e s sd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ( 4 ) b a s e do nw a v e l e ta n a l y s i st h e o r y , t h ec o m b i n a t i o nf o r e c a s t i n gm o d e lo fs h o r t - t i m e m u l t i s t a t et r a f f i cf l o wh a sb e e ne s t a b l i s h e dw i t hr b fn e u r a ln e t w o r ka n dm a r k o vc h a i n sp r e d i c t i o n m e t h o d s ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h ev a r i a t i o nf e a t u r eo fm u l t i s t a t et r a f f i cf l o wi nt h ed a i l yt r a f f i cs t a t i s t i c a l s e r i e s ，d e n o i s ep r o c e s so fd a i l yt r a f f i cs e r i e ss i g n a lh a sb e e ni m p l e m e n t e dv i aw a v e l e ta n a l y z i n g c o m b i n e dw i t ht h es i g n a lt i m i n gt h e o r yb ye w e b s t e r - b c o b b e r , t h ec o n t r o lt i m ed i v i s i o nm e t h o do f m u l t i s t a t es i g n a l i z e di n t e r s e c t i o nh a sb e e np r o p o s e d ( 6 ) a c c o r d i n gt o t h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co fm u l t i - s t a t et r a f f i cf l o wa n dt i m e s p a c e r e s o u r c e si ni n t e r s e c t i o n s ，c o n t r o lm e t h o d sh a v eb e e ne s t a b l i s h e di nt h r e et y p e s t i m i n gc o n t r o l ， i n d u c t i v ec o n t r o la n dp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 o f o ru n p a r a l l e lm u l t i - s t a t et r a f f i cf l o wi n t e r s e c t i o n s ，t h ea d j o i n tp h a s et i m i n gc o n t r o lm e t h o d h a sb e e ns e tu pa f t e ra d j u s t i n gt h es p a c er e s o u r c e sa n du s i n gp h a s eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e o i la c c o u n to fs m a l li n t e r s e c t i o n s 州t l lf e w e re n t r a l l c el a n e sa n dc h a n g e a b l et r a 伍cf l o w , t h e s y n t h e s i sb e n e f i tp if u n c t i o nw i t hm a i nt r a 伍cp e r m i t t i n gi ne a c hp h a s eh a sb e e ne s t a b l i s h e db a s e d o nt h eq u e u i n gt h e o r y a c c o r d i n gt ot h ec o n f l i c tr e l a t i o n s h i po fe a c hd i r e c t i o ni ni n t e r s e c t i o n ， i n d u c t i v es i g n a lc o n t r o lm e t h o dw i t hp h a s es e l f - o r g a n i z a t i o no p t i m i z i n gh a sb e e np r o p o s e d w mr e g a r dt om u l t i s t a t et r a f f i ci n t e r s e c t i o nw h e r et h e r ea r em a n ye n t r a n c 圮l a n e s ， m u l t i f u n c t i o n a ll a n e ss h o u l db ei n s t a l l e d a c c o r d i n gt ot h eq u e u i n gt h e o r ya n dp r e d i c t i n go u t c o m eo f m u l t i s t a t et r a f f i cf l o w , t h es e l e c t i n gm o d e lo fm u l t i f u n c t i o n a ll a n e sd i r e c t i o nh a sb e e np r e s e n t e d , w h i c ht a k e st h em i n i m u mt o t a lo p e r a t i o n a ld e l a ya so p t i m i z a t i o no b j e c t i v e u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a t e f f e c t i v eg r e e nt i m ec o u l ds a t i s f ym a x i m u mq u e u el e n g t hp a s s i n gt h r o u g h , e v e r yp h a s eh a sb e e n r o l l i n go p t i m i z e d a n di nt h i sc a s e ，t h ep r e d i c t i v ec o n t r o lm e t h o do ns p a c er e s o g r c e sd y n a m i c o p t i m i z a t i o ni ni n t e r s e c t i o ni n s t a l l i n gm u l t i f u n c t i o n a ll a n e sh a sb e e np r o p o s e d ( 7 ) t h ed e n s e n e s sf u n c t i o np r o b a b i l i s t i cs t a t i s t i c s o fm u l t i - s t a t et r a f f i cf l o wh a sb e e n e s t a b l i s h e do nt h ef o u n d a t i o no fr a n d o mp r o c e s st h e o r y c o m b i n e dw i t ht h ep h a s ec h a n g e so f d i f f e r e n ts t r a t e g i e s ，s u c ha st i m i n gc o n t r o l , i n d u c t i v ec o n t r o la n dp r e d i c t i v ec o n t r o l ，t h es i g n a l c o n t r o ld e l a ym o d e lo fm u l t i s t a t et r a 伍cf l o wh a sb e e np r o p o s e d ( 8 ) t h ee f f e c t i v e n e s so fc o n t r o ls t r a t e g yo fm u l t i - s t a t et r a 币cf l o wa n dt h ea c c u r a c yo fd e l a y a n a l y s i st h e o r yh a v eb e e nc o n f i r m e db y t h es i m u l a t i o nu s i n gv i s s i ma n dr e l a t e ds o f t w a r e k e y w o r d s ：m u l t i - s t a t et r a f 五cf l o w ；s i g n a lc o n t r o l ；v e h i c l ed e l a y ；c a p a c i t y ；t r a 伍cp r e d i c t i o n 致谢 在论文完成之际，首先要感谢我尊敬的导师陈无畏教授。学位论文是在陈老师的亲切关 怀和悉心指导下完成的。导师严谨求实的科学态度，精益求精的工作作风，深深地感染和激 励着我。从课题的选择到论文的最终完成，陈老师都始终给予悉心的指导和不懈的支持。三 年来，陈老师不仅在学业上给予我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关 怀，在此谨向陈老师致以诚挚的感谢和崇高的敬意。 感谢副导师石琴教授。论文依托石老师的国家自然科学基金开展工作的，石老师对科技 论文写作方法给予积极的鼓励和良好的建议，在论文研究过程中给予了全面指导，特别对论 文实验环节给予了大力支持和帮助。 感谢张卫华教授、张代胜教授，不仅在工作、生活中两位教授给提供了无私的帮助，在 论文研究过程中就题目、章节结构以及相关问题研究思路和解决方案，也提供了大量的宝贵 意见。 感谢交通工程实验室的温千虹副教授、杨伟华副教授在实验及仿真测试过程中的大力协 助。感谢姜康副教授、姜平副教授、黄文娟老师、黄志鹏老师、董瑞娟老师、柏海舰老师在 我论文工作过程中提供的宝贵意见，感谢交通运输工程学院新进的年轻老师和博士，在与他 们的讨论和交流过程中得到了很大的进步和提高 感谢博士研究生同学杨柳青、汪洪波、郝芳芳、阮学云、何平等，在他们的陪伴和帮助 下完成了课题研究。感谢硕士研究生马晓、刘燕在多态交通流控制方法研究及交通预测研究 中给予的帮助，感谢硕士研究生陈俊杰在英文翻译中的帮助，感谢硕士研究生缪子英、袁春 岭、张胜凯、杨璐璐、钱军等在数据处理与分析中的无私帮助。 在我成长和求学的道路上，母亲、去世不久的父亲、哥哥和姐姐给予我很多无私的关爱， 他们为我的付出难以言表。几十年来，作为普通农民的父母从不顾自己的辛劳与病痛，在已 逾花甲之年仍然一如既往地冒着高温酷暑耕种在田问地头，坚决支持我完成学业，从来没有 要求过我回报。在这里，我要向含辛茹苦的母亲、已故的父亲和一直默默支持我的哥哥姐姐 表示由衷的感谢和最崇高的敬意! 感谢与我相濡以沫的爱人郑小燕，不仅在生活上给了我无微不至的关爱，精神上也给了 我极大的支持，在论文工作过程中经常与我讨论、交流，提供了大量的修改意见。几年来我 一直都在忙，不管工作日还是周末，都没有时间陪你，而你却从不计较个人得失，用青春和 奉献支持我度过人生中最艰苦的岁月。这些年让你受了很大的委屈，以后将会加倍补偿l 最后感谢曾经关心过我帮助过我的所有老师、亲人和朋友祝他们一生平安，永远幸福 快乐l 作者：丁恒 2 0 1 1 年9 月1 6 日 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 - 6 图2 7 图2 8 图2 - 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图2 1 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 _ 4 图3 5 图3 6 图3 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 _ 4 图4 - 5 图4 - 6 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 插图清单 技术路线1 4 年交通量统计分布图1 6 日交通量统计分布图l6 小时交通量统计分布图1 7 某市o d 大区交通出行分布图1 7 区域交通路网速度分布图1 8 非对称交通流量交叉口19 道路路段潮汐交通现象1 9 道路路段离散交通流1 9 混合交通现象2 0 常用道路断面形式2 2 单位出入口2 3 非对称交通流2 4 车头时距拟合2 8 全无控制交叉口3 0 环形交叉口3l 让行管理交叉口3l 信号控制交叉口3 2 t 为定值时e r l a n g 分布随参数变化图3 3 无信号交叉口冲突点图3 5 主路车头时距拟合3 7 随机交通r b f 神经网络与m a r k o v 链组合模型4 5 r b f 神经网络模型结构4 8 基于小波的交通随机序列分解。：5 0 随机序列状态预测5l 稳态序列r b f 预测5l 多种方法预测结果与实际数据对比图5 2 多态交通流信号控制总体流程5 4 交叉口交通流量采集检测器设置5 5 交叉口临界车道流量比日交化曲线5 5 交叉口日流量比变化趋势图5 6 小波分解时段划分与人工时段划分结果比较5 7 图5 缶 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图5 1 8 图5 1 9 图5 2 0 图6 1 图6 2 图6 - 3 图6 - 4 图每5 图7 1 图7 2 图7 3 图7 - 4 图7 5 图7 石 图7 - 7 图7 - 8 图7 - 9 图7 1 0 图7 1 1 图7 1 2 图7 1 3 图7 - 1 4 非对称多态交叉口信号控制流程5 9 常规三相位方案。6 0 相位改善方案一6 0 相位改善方案二6 l 相位改善方案三6 1 行人过街信号设置6 3 感应控制流程图_ 。6 4 主流向排队6 5 主流向通行其余车道排队6 6 与主流向通行不冲突辅助流向排队6 7 多态交叉口信号预测控制流程图7 0 多功能进口车道及相关设施布设图7 l 预测控制交叉口参数分布图7 2 多功能进口车道前后周期行车方向不变条件下交叉口排队分布7 3 多功能进口车道行车方向改变条件下交叉口排队分布。7 5 欠饱和车流到达交叉口排队长度8 0 右转机动车让行行人8 2 右转机动车排队分布8 2 过饱和车流到达交叉口排队长度8 3 交叉口排队长度分布。8 5 仿真流程8 9 m c 方法模拟交通流流程。9 l 断面来车数仿真与调查值比较9 2 交叉口现状渠化图9 2 交叉口改造方案9 2 路口机动高峰小时流量流向图9 3 改善前后交叉口平均延误比较9 4 改善前后交叉口平均捧队长度比较9 4 模型计算与调查延误分布9 6 定时控制仿真延误9 7 相位自寻优感应控制延误9 7 模型计算与调查延误分布9 9 行人非机动车干扰与模型误差延误分布9 9 交叉口交通流量及不同控制方式仿真延误1 0 0 表格清单 表2 - 1调查车头时距及拟合分析2 8 表3 1各种分布车头时距拟合精度3 8 表3 2各类进口车道基本饱和流量。4 l 表4 1各种预测误差指标5 1 表5 1不同时段划分延误分布比较表5 8 表5 2交叉口通行方向冲突表6 7 表7 1交叉口信号配时现状9 3 表7 2交叉口改善后配时9 3 表7 3混合g a m m a 分布拟合参数。9 5 表7 4交叉口交通量及混合g a m m a 分布拟合参数。9 8 表7 5交叉口交通量及相关参数。1 0 0 表7 - 6屯溪路与马鞍山路交叉口进口车道划分。1 0 0 表7 7交叉口机动车延误与服务水平关系1 0 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 改革开放以来，我国国民经济持续快速发展，居民收入水平迅速增长，城市化进程快速 推进。据有关资料统计，1 9 7 8 年我国城市化率仅1 9 4 ，至u 2 0 0 9 年底已经达到4 6 4 i 。为满足 城市人口的快速增长所带来的相关需求，诸多城市在总体规划中增加了土地投入，规划新区 规模比城市现有建成区规模均大幅度提高，甚至是建成区规模的很多倍，比如合肥市的滨湖 新区规划面积1 9 0 平方公里1 2 】、郑州市的郑东新区规划面积1 5 0 平方公里【3 j 、天津市滨海新区规 划用地3 5 0 3 6 平方公里【4 1 等，而这些城市建成区规模也仅有2 0 0 平方公里左右。 与此同时，我国机动化水平也在不断加快。根据公安部交管局发布的按上牌数统计的数 据显示，2 0 1 0 年末我国机动车保有量已达1 9 9 亿辆。其中汽车保有量8 5 0 0 多万辆口l ，超过7 5 0 0 万辆左右的日本，成为仅次于美国的全球汽车保有量第二大国。根据汽车销售统计数据，全 国汽车销售量从2 0 0 5 年的5 4 0 万辆增长至u 2 0 1 0 的1 8 0 6 万辆。在城市汽车保有量方面，首都北京 市2 0 1 0 年底汽车保有量达n 4 8 0 万辆，比2 0 0 9 年增长将近9 0 万辆，而且仍然以日均5 0 0 0 辆急速 增长；沿海新兴城市深彭q 2 0 l o 年1 2 月8 日的统计数据显示，全市机动车总量突破1 7 0 万辆，接 近城市可容纳的汽车保有量极限值2 1 0 万辆，汽车密度跃居全国第一；中部省会城市合肥，截 止2 0 1 0 年1 2 月初，机动车保有量也突破5 5 万辆，并仍然以每天3 0 0 辆速度增长。 经济快速发展、高速机动化、城市人口不断扩张以及大规模的城市建设对交通产生重大 影响，城市交通燃油消耗和居民出行时间都出现不同程度的增加。据有关资料统计，2 0 1 0 年 我国机动车的燃油需求达到l - 3 8 亿吨，占到全国石油总需求的4 3 【6 】，严重影响国家能源安全 和我国社会、经济的可持续发展在出行时间延误方面，据中国科学院可持续发展战略研究 组组长牛文元先生发表的最新研究成果，中国1 5 座1 0 0 万以上大城市因交通拥堵每天出行时间 延误折合成经济损失近1 0 亿元人民币【7 l 。 导致机动车燃油消耗和居民人均出行时间增长主要有三个原因：首先是用地性质改变导 致城市建成区规模的不断扩大，居民出行距离急剧增长：其次是不断增长的交通压力，导致 道路路段及交叉口饱和度上升，通行效率下降；第三个方面是交通路网上的机动车辆、行人、 非机动车等组成的交通流在城市道路网络时空分布的非稳态特性，影响当前普遍采用的定时 控制与管理手段的效果为降低交通延误，从实施交通工程措施角度来看应尽量减少因交通 流非稳态特性造成的不利影响。交通流的非稳态特性从微观角度来看，常常表现为空间( 路 网的各个路段) 与时间( 早、晚高峰) 的不均匀分布以及车种类型变化，在时空分布上往往 不能够用拥挤、稀疏等简单的状态描述。而是表现出一定的多态性。因此受驾驶员驾驶技术、 合肥工业大学博士学位论文 交通组成、信号控制、交通管理、交通环境等因素影响，导致在时空上产生非均衡性统计分 布的交通流，称之为多态特征交通流，简称多态交通流。 交通流多态特性影响因素较多，如土地利用性质的改变、大型集会、交通事故等，从交 通需求预测的角度看，主要表现在以下四个方面： ( 1 ) 出行产生阶段。居民收入的提升、信息技术的进步、物流运输体系的发展、交通系 统运营状态、气候状况等因素都对居民出行率产生重大影响，导致一个城市居民单位时间内 平均出行次数也时刻在发生变化，从而影响道路交通流分布的稳态特性，造成交通流时空分 布的多态特点。 ( 2 ) 出行分布阶段。居民探亲、访友、参加一些集体活动等均具有较高的随机性；此外 由于我国国内城市化进程的加快，土地供给量特别是近年来房地产开发的迅速上升，各城市 城区土地利用性质几乎可用日新月异来形容。随土地开发强度及性质的不断变化，各交通小 区的发生和吸引也随之改变，导致衔接交通小区间道路交通网络交通流也发生变化。 ( 3 ) 出行方式选择阶段。由于居民收入水平、工作性质、生活习惯的差异，在选择出行 方式时也存在较大差异。特别是近年来诸多城市大力推行公交系统对出行方式产生较大影响， 当然动态调整的燃油价格也应是考虑的因素之一。 ( 4 ) 出行分配阶段。在交通系统动态运行中，居民出行受混合交通、单位出入口交通、 相对车速、道路状况、天气状况等诸多随机因素的影响，导致道路交通系统本质上是一个随 机系统。此外，伴随信息化技术发展的交通系统动态诱导技术、突发交通事件等均会对居民 出行路径选择产生影响。 受多种因素干扰，当城市交通出行容量分配到整个路网后，道路交通系统形成为由“人 一车一路一环境”组成的一个复杂大系统。其复杂性主要表现在结构复杂性和演变复杂性两 个方面。在结构方面，道路交通系统具有多层次结构，包括众多子系统，如路网、交通管理、 交通控制、车辆、行人等，这些子系统之间具有明显差异，存在复杂的非线性互相作用。从 演化方面，交通系统的动态行为复杂多变，随机性强，预测困难。从微观角度来看，作为交 通路网运行的瓶颈部分，交叉口由多个道路路段连接而成，汇集了不同方向的交通流，各种 车流和人流在此交织运行、变换方向、互相干扰。多态的交通需求使交叉口的通行能力远远 低于路段，成为道路网络交通拥堵和延误增长的主要区域，造成局部交通疏散效率下降，影 响整个路网的运营效益 从宏观角度，由于交通系统有人作为个体的参与，多态性交通流模型更能接近实际交通 特性从微观角度，与一条道路或交叉路口相连的道路往往有多条，从而造成道路交叉口所 承载的交通流具有多重特性，基于多态交通流的研究与实际交通流特性也更加吻合。为减少 交通流的多态特性对交叉口运营效率的影响，针对单个信号交叉口常规手段是渠化交叉口空 间资源，然后采用信号管理与控制手段改善交叉口信号配时时间然而目前我国绝大多数信 号交又口仍然采用定时信号控制，在交叉口信号控制研究方面仅以某一时段交通量作为参考 2 第一苹绪论 对象选择控制方案，未能充分考虑交通流多态特性对信号控制的影响，提出的信号控制方法 尚不能充分优化多态交通条件下的交叉口时空资源，已有的静态交通组织方法和定时控制方 法已经表现出了一定的欠缺。目前急需结合既有信号控制交叉口，研究交通流多态分布特性， 并在此基础上，提出具有针对性的信号控制方法。 交通系统瞬息万变，尤其是我国国内混合交通、局部性交通管理等多因素的影响下，存 在不同特性交通流同时运行的状况，多态特征十分明显。实际观测结果表明，短时间内统计 的绝大多数交通流均属于多态特征交通流，因此研究交通流的多态性，对科学管理交通、提 高路网运行效率、降低信号控制延误问题意义非常，十分必要。为了解决多态交通条件下单 个交叉口信号控制问题，必须针对多态交通流仿真、交通流量预测、信号控制及延误分析等 一系列问题展开研究。 依托国家自然科学基金项目 混合交通环境下行驶工况的仿真及控制策略研究 ( n o 7 0 7 7 1 0 3 6 ) 和 平面交叉口交通流片段仿真及管理措施实证研究( n o 7 1 0 7 1 0 4 4 ) 课题 内容来开展研究，以期研究成果能更好解决多态交通条件下实际道路交叉口信号控制、延误 分析、交通预测等问题。 1 2 国内外研究现状 交通流理论、交通预测、信号控制优化以及延误分析均为研究交通信号控制特别是动态 优化控制问题涉及的重要内容。交通流理论是研究信号控制优化的理论基础，交通预测是实 现交通动态控制及参数辨识的前提，控制策略研究是关键环节，而延误分析是评价控制效果 优劣的核心内容。下面分别对交通流相关理论、交通预测和信号控制优化与延误分析等方面 的国内外研究现状进行分析。 1 2 1 国外研究概况 ( 1 ) 交通流相关理论 交通流理论的研究特别是交通流特性研究是交通规划和交通控制的理论基础，是实现交 通系统动态分析的先决条件，是实施工程技术的前提和理论支撑。自2 0 世纪3 0 年代以来，汽 车工业和道路建设不断发展，城市道路里程和交通量的迅速增长直接导致城市交通拥堵和环 境污染，为进行科学的交通规划、管理和控制，必须探索交通的基本规律，由此交通流基本 理论研究成为国内外专家和学者的研究热点从交通流理论的研究历程看，可分为创始、快 速发展和稳步发展三个阶段；根据研究手段又可分为传统的交通流理论和现代交通流理论两 种类型 交通流的研究起始于上个世纪3 0 年代，1 9 3 3 年在第1 3 届世界公路研究报告年会上 g r c e n s h i e l d s 通过摄影方式分析交通量与速度关系模型【8 l 的报告开创了交通流理论研究的先 河，随后g r e e n s h i e l d s 等还针对公路及交叉口的通行能力和交通流现象也进行了相关研究【9 ，1 0 】。 3 合肥工业大学博士学位论文 在此期间，1 9 3 3 年k i n z e rj p 首次应用泊松分布用来描述交通涮l ，在此基础上a d a m sw f 等给出了泊松分布理论的数值解法1 1 2 l ，建立的模拟方法可以较好的描述道路交通正常条件下 符合负指数分布规律的交通流序列。g r e e n s h i e l d s 等人创始性的研究工作促进了交通流理论的 发展，对随后的欧洲以及日本在交通流领域的研究产生了较大影响。 2 0 世纪4 0 年代中期以后，随着第二次世界大战结束，交通流理论也进入快速发展阶段， 诸多有关交通流理论代表性的成果不断涌现。r e u s c h e l 和p i p e s 提出了描述前后车辆跟驰行驶现 象的微观交通模型l 体1 5 】，通过模型可以较好分析跟驰车辆的速度和加速度。r o b e r th e r m a n 等 通过分析跟车行驶的稳定性1 1 6 1 ，建立了跟驰理论来描述车队跟驰行