【博士】城市道路交叉口群交通控制模型算法及其實現(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層次多個方面的問題。而城市道路的信號控制技術(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)支持才是其核心競爭力的體現(xiàn)。城市道路交叉口群是城市交通問題的微觀體現(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)行實現(xiàn)對解決城市交通問題具有一定的理論價值和現(xiàn)實意義?！　”疚氖紫葘膰鴥?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，從定時控制到動態(tài)控制多個角度對城市交通控制模型、算法以及系統(tǒng)實現(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)不局限于針對局部問題進(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題研究?！　≡诘谌轮校疚膶刂茥l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?，本文對城市道路交叉口群的建模問題進(jìn)行了研究，首先對信號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控制三個組成要素。并對現(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)，并對細(xì)胞傳輸模型對于描述城市道路網(wǎng)絡(luò)間斷交通流的適用性進(jìn)行了分析。針對細(xì)胞傳輸模型無法描述城市道路間斷交通流在交叉口內(nèi)部受到信號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)用了時序Petri網(wǎng)模型(Timed Petri Net)以及對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)的實例驗證?！　≡诘谖逭轮?，本文基于前述交叉口群的建模研究結(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)計算方案的評價指標(biāo)，并采用多目標(biāo)遺傳算法中的非支配排序算法對問題進(jìn)行求解。為了對算法進(jìn)行驗證，本文設(shè)計了多種實驗案例對算法進(jìn)行了驗證，對結(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?，本文首先對動態(tài)交通控制的原則、目標(biāo)、時效性、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，并引出本文動態(tài)控制算法的概念：雙層控制結(jié)構(gòu)的動態(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?！　≡诰W(wǎng)絡(luò)優(yōu)化層中完成較長時段的優(yōu)化參數(shù)的計算，并根據(jù)時段內(nèi)交叉口群內(nèi)交通流運(yùn)行指標(biāo)來確定各單點(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)注于單個路口在短期內(nèi)的控制方案計算，單點(diǎn)優(yōu)化層包含多個單點(diǎn)控制單元，每個單點(diǎn)控制單元能相互交換信息，進(jìn)行短時交通流預(yù)測，并完成控制方案的滾動優(yōu)化。在確定了控制結(jié)構(gòu)以后，本文建立了動態(tài)控制策略的模型體系，在單點(diǎn)優(yōu)化層包括：交叉口交通流短時預(yù)測模型、交叉口信號配時優(yōu)化模型、交叉口交通轉(zhuǎn)向估計模型，在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化層模型包括：參考周期的計算模型、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。本文在分析了動態(tài)控制策略在時效性和方案覆蓋度的特性，詳細(xì)設(shè)計了模型體系中優(yōu)化模型的求解算法?！　榱蓑炞C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)計了多種仿真應(yīng)用場景，并對仿真結(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)計的層面對本文所述控制策略在系統(tǒng)實現(xiàn)層次進(jìn)行了闡述。首先在系統(tǒng)概念、實時系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)功能分析、系統(tǒng)設(shè)計原則、系統(tǒng)總體設(shè)計以及系統(tǒng)軟件組成等方面對控制系統(tǒng)原型的框架進(jìn)行了設(shè)計，然后對控制系統(tǒng)的核心控制軟件的設(shè)計與開發(fā)進(jìn)行了論述。最后，對面向交通控制的數(shù)據(jù)倉庫進(jìn)行了初步的設(shè)想和分析。　　

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