城市交叉口群交通动态协调控制方法的研究成果

(1)信号控制交叉口群交通流特性分析基础

①交叉口群交通信息分析与预测

基于实测数据分析交叉口群交通流量信息在空间维度与时间维度上的相似性及非精确匹配性，将流量信息视为多组时间序列，采用动态时间弯曲距离(DTW)度量流量信息在路径上传播过程中的传递特征与衰减特征。对车辆途经多个信号控制交叉口行程时间的理论构成进行剖析，通过不同车辆经过同一路径行程时间差异性的对比分析，说明路段的几何设计、车辆到达规律、车速、信号控制手段等共同对车辆行程时间产生影响。应用基于状态空间神经网络和扩展卡尔曼滤波的组合预测模型，通过利用当前时段和历史时段的交叉口群交通信息，对下一时段的交叉口群交通信息进行预测。

②交叉口群路径交通关联特征

总结既有的相邻交叉口关联度计算模型，分析相邻交叉口关联度的影响因素。分别从交叉口群的网络拓扑结构、路段空间特征、交通信号控制、车流运行特征等方面介绍关联交叉口群的交通特性。以路径关联度作为交叉口群交通主路径的判别指标:基于对交叉口排队溢流、滞留排队、阻挡溢流、绿灯空放等交通负面效应的成因分析，确定路径关联度的影响因素;建立离散性关联指标和阻滞性关联指标衡量路径的关联度，并对指标进行敏感性分析;搜索交叉口群中所有逻辑连通路径并计算路径关联度值，选择关联度值最高者作为交叉口群内的交通主路径。

③基于元胞传输模型的交叉口群交通流建模

对信号控制交叉口交通流建模问题进行研究，介绍元胞传输模型(CTM)基本形式，分析其优点及局限性。提出适应交叉口群交通特征的交通流模型，引入元胞交通流密度和元胞长度两个参数，对CTM模型加以改进，建立单路段、汇聚、分流等不同形式的表达式，解决CTM模型要求建立相同长度元胞的缺点。通过Vissim仿真软件，将改进的CTM模型应用于符合交叉口群道路结构特点的模拟路段，对改进的CTM模型模拟、预测结果进行评价。

(2)交叉口群交通动态协调控制关键技术

①交叉口群交通动态协调控制系统结构设计

为实现交叉口群交通控制时间与空间、静态与动态、整体与局部的相互协调，建立由控制范围动态识别、时空资源同步优化、主路径车流通行优先、数据实时处理四部分共同组成的策略集合，并对该动态协调控制系统的适用环境进行研究。围绕策略的具体实施，构建基于Multi-Agent技术的递阶集散协同实施模式，通过六大关键模块，即数据处理模块、范围界定模块、路径识别模块、基准设计方案生成模块、绿信比优化模块以及相位差优化模块，共同执行和整合不同策略的组成部分。

②交叉口群信号协调控制范围动态界定(www.xing528.com)

依据交通流的实时变化，以交叉口群范围内的交叉口关联性相对较强，而交叉口群边界的交叉口与群外相邻的交叉口关联性相对较弱为控制范围边界界定原则，将待分析的道路网络中交通负荷最高的目标交叉口定为基点，对外寻找其影响范围。选取判断交叉口路段关联性的度量指标以及确定关联指标“强”与“弱”的临界值是需要重点解决的两个问题。以协调系数(CF)与不均衡系数(IB)共同作为相邻交叉口路段关联度度量的指标值;采用自组织映射神经网络(SOM)作为路段关联度强弱划分工具，使用二分法逐步缩小其搜索范围，断开关联度较弱的路段连接，在余下的连通网络中继续分类，直到目标交叉口所在的交叉口群满足分析范围的大小为止。

③交叉口群网络防阻塞运行控制

协调交叉口群内部各交叉口与路段的容量匹配关系是实现系统整体性的必要条件。以交通网络均衡理论与阻塞流理论为基础，采用计算机仿真实验模拟不同路径选择条件下车辆在网络中的随机流动现象，通过流通性能指标对网络的饱和状态进行评估，以说明当网络未达到最大饱和流时阻塞流的形成原因。为尽可能防止交叉口群阻塞流的产生，从交通网络结构设计层面提出最小流控制和最大流控制策略，并辅以计算示例予以说明。

④面向主路径协调控制的交叉口群时空资源综合优化

对基于车道的单点交叉口信号配时优化模型进行改进，新增公用周期与相位差约束，从车道功能、流量分布、配时参数、饱和度约束四个方面建立约束条件集合，将车道功能与信号配时同步设计(AFSST)问题转化为二进制混合整数线性规划模型求解，考虑有空间资源约束与无空间资源约束两种情况，采用分支界定法完成对各项参数的寻优。对于交叉口群主路径方向的各交叉口，首先以各交叉口通行需求均得到满足为前置条件，对周期求解并寻找其中最大周期时长作为公用周期;其次以主路径途经的交叉口进口道各车道通行能力得到优先满足为前提，将优化目标设置为使非主路径方向进口车道通行能力最大，从而得到主路径方向各交叉口车道功能与信号配时同步设计方案。

⑤交叉口群信号协调控制配时参数在线调整

由于车道功能与信号配时同步设计的方法使得部分非主路径方向的交叉口进口道的通行能力出现富余，在明确多相位交叉口控制时间段、关键相位与非关键相位、感应相位与非感应相位、相位切换方式之后，设计两级模糊协调控制器:第一级模糊控制器采用观测数据估计非关键感应相位不同绿灯延长时段内通行相位方向的车辆到达强度，第二级模糊控制器依据通行方向的车辆到达强度与红灯方向关键相位的累积排队强度，确定进行感应控制的非关键相位的绿灯延长时间。以绿信比的调整为基础对相位差进行优化，将相邻交叉口关键相位绿灯提前启亮时间视为随机变量，确定绿灯提前启亮时间与相位差之间的数值关系，依据随机变量的统计分布采用随机仿真优化方法确定相位差的最优取值。

(3)交叉口群交通动态协调控制软件开发

采用面向对象的软件开发方法开发交叉口群交通动态协调控制软件:设置友好的用户界面，向用户开放若干参数以供修改，通过动画技术显示交叉口群的交通运行状态;采用实时运行模式，即根据控制区域实时交通参数的变化，优化、调整信号配时参数，以协调控制各个信号交叉口的有效运行，使交通流处于最佳的运行状态。软件可以集成在整个城市交通控制系统结构中作为一个子系统，利用现有城市交通控制系统的硬件设备和软件平台运行，也可作为一个独立的系统，通过内外场硬件设备提供控制决策方案，在方案层面与现有的城市交通控制系统进行集成。