智能交通系統(tǒng)概論 課件 第9、10章 城市交通子區(qū)控制系統(tǒng)、城市交通子區(qū)控制系統(tǒng)

智能交通系統(tǒng)概論第9章

無人駕駛車輛跟馳控制系統(tǒng)1.引言2.國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀3.跟馳控制系統(tǒng)建模4.速度反饋控制策略5.比例微分控制策略6.混合補償控制策略7.串聯(lián)補償控制策略8.挑戰(zhàn)與展望第1節(jié)

引言

單個車輛在交通系統(tǒng)中不是孤立的，它在運行期間必然與其周圍事物，比如其它車輛、道路、信號燈、交通設(shè)施等發(fā)生交互作用，這種交互產(chǎn)生的作用力有規(guī)律地施加于運動車輛，就是一種控制作用。在同一條車道上運行的車輛之間產(chǎn)生交互作用，就會形成跟馳控制系統(tǒng)，它是由至少兩輛車組成的微觀交通流運行系統(tǒng)，跟隨車與前導車之間的車頭距是關(guān)鍵的控制參數(shù)，系統(tǒng)通過反饋控制作用使車頭距保持在安全距離上，從而確保交通流安全高效運行。第2節(jié)

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

車輛跟馳理論最初是由Pipes提出來的，他用一個加速度方程來描述道路上一輛車跟隨另一輛車的運動行為，只包含一個微分方程，從力學觀點講，它是一個質(zhì)點系動力學系統(tǒng)。它假設(shè)車隊中的每輛車須與前車保持一定的距離以免碰撞，后車加速和減速都取決于前車，建立前車與后車的相互關(guān)系，這樣，每輛車的運動通過一個微分方程來描述，通過求解方程可以確定車流的演化過程。車輛跟馳模型的快速發(fā)展開始于1995年Bando教授提出的最優(yōu)速度模型，該模型避免了經(jīng)典模型中加速度是由前后兩車的速度差確定帶來的問題，提出車輛跟隨過程中的加速度是由最優(yōu)速度和當前車的速度差來確定，且最優(yōu)速度是兩車之間車頭距的函數(shù)。第2節(jié)

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

在最優(yōu)速度模型模型之后，模型不斷改進，先后提出廣義力模型，全速度差模型，廣義最優(yōu)速度模型，全廣義最優(yōu)速度模型，混合最優(yōu)速度模型等。跟馳系統(tǒng)控制理論是由山東大學朱文興教授團隊率先提出，他將經(jīng)典控制理論方法、現(xiàn)代控制理論方法以及離散控制理論方法先后應(yīng)用到交通流建模與穩(wěn)定性分析中，發(fā)表了一系列的科研論文，最終形成了一套交通流跟馳控制理論體系。第3節(jié)

跟馳控制系統(tǒng)建模

1.控制模型第3節(jié)

跟馳控制系統(tǒng)建模

忽略泰勒展開式中二階及二階以上的項，可以得到

將上式帶入最優(yōu)速度模型中，可以得到

第3節(jié)

跟馳控制系統(tǒng)建模

將上式進行拉普拉斯變換，可以得到

第3節(jié)

跟馳控制系統(tǒng)建模

根據(jù)單位反饋控制系統(tǒng)的原理，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下，

第3節(jié)

跟馳控制系統(tǒng)建模2.穩(wěn)定性分析

第3節(jié)

跟馳控制系統(tǒng)建模

從上式可以得到，

綜上所述，得到交通流系統(tǒng)的穩(wěn)定性條件，

第3節(jié)

跟馳控制系統(tǒng)建模3.時域和頻域分析

第4節(jié)

速度反饋控制策略

1.速度反饋模型

第4節(jié)

速度反饋控制策略

2.穩(wěn)定性分析

第4節(jié)

速度反饋控制策略

從上式可以得到，

綜上所述，得到系統(tǒng)穩(wěn)定性條件，

第4節(jié)

速度反饋控制策略

3.時域和頻域分析

第4節(jié)

速度反饋控制策略

第4節(jié)

速度反饋控制策略

4.仿真分析

第4節(jié)

速度反饋控制策略

仿真結(jié)果上圖所示，其中左圖表示在19000秒時車頭時距密度波的時空變換情況，右圖表示在19000秒時速度密度波的時空變換情況。從圖中可以看出，隨著反饋系數(shù)的不斷增大，密度波的振幅不斷減小，說明交通流越穩(wěn)定。仿真結(jié)果與穩(wěn)定性分析結(jié)果一致。第5節(jié)

比例微分控制策略1.比例微分模型

第5節(jié)

比例微分控制策略2.穩(wěn)定性分析

第5節(jié)

比例微分控制策略

從上式可以得到，

綜上所述，得到系統(tǒng)穩(wěn)定性條件，

第5節(jié)

比例微分控制策略3.時域和頻域分析

第5節(jié)

比例微分控制策略

第5節(jié)

比例微分控制策略4.仿真分析

第5節(jié)

比例微分控制策略

仿真結(jié)果上圖所示，左圖表示在19000秒時車頭時距密度波的時空變換情況，右圖表示在19000秒時速度密度波的時空變換情況，從圖中可以看出，隨著比例微分系數(shù)的不斷增大，密度波的振幅不斷減小，說明交通流越穩(wěn)定，仿真結(jié)果與穩(wěn)定性分析結(jié)果一致。第6節(jié)

混合補償控制策略1.混合補償模型

第6節(jié)

混合補償控制策略2.穩(wěn)定性分析

第6節(jié)

混合補償控制策略

從上式可以得到，

綜上所述，得到系統(tǒng)穩(wěn)定性條件，

第6節(jié)

混合補償控制策略

3.時域和頻域分析

第6節(jié)

混合補償控制策略

第6節(jié)

混合補償控制策略4.仿真分析

第6節(jié)

混合補償控制策略仿真一

第6節(jié)

混合補償控制策略仿真1.1

第6節(jié)

混合補償控制策略

第6節(jié)

混合補償控制策略仿真1.2

第6節(jié)

混合補償控制策略仿真1.3

第6節(jié)

混合補償控制策略仿真二

第6節(jié)

混合補償控制策略仿真2.1

第6節(jié)

混合補償控制策略仿真2.2

第6節(jié)

混合補償控制策略仿真2.3

第7節(jié)

串聯(lián)補償控制策略1.串聯(lián)校正設(shè)計

第7節(jié)

串聯(lián)補償控制策略2.時域和頻域分析頻域分析

第7節(jié)

串聯(lián)補償控制策略

第7節(jié)

串聯(lián)補償控制策略時域分析

第7節(jié)

串聯(lián)補償控制策略

第7節(jié)

串聯(lián)補償控制策略

第7節(jié)

串聯(lián)補償控制策略3.周期邊界條件仿真分析

第7節(jié)

串聯(lián)補償控制策略

第7節(jié)

串聯(lián)補償控制策略

第7節(jié)

串聯(lián)補償控制策略

第7節(jié)

串聯(lián)補償控制策略4.開放邊界條件仿真分析

第7節(jié)

串聯(lián)補償控制策略

第8節(jié)

挑戰(zhàn)與展望

現(xiàn)今，汽車保有量日益增長導致城市不堪重負，交通擁堵頻發(fā)，人們出行效率明顯降低，車輛能源燃料消耗及尾氣排放量明顯增加，不僅影響了居民的生活質(zhì)量，而且對環(huán)境造成了巨大的污染和破壞。近年來，自動駕駛技術(shù)逐漸成熟，眾所周知，自動駕駛汽車能夠自動感知周圍環(huán)境，無需人工干預或只需要部分干預實現(xiàn)自主駕駛。研究表明，如果在先進自動駕駛技術(shù)支撐下，車輛以相同的速度和預先設(shè)定好的車輛安全間距自主行成隊列行駛，能夠顯著提升交通安全和運行效率，緩解交通擁堵，減少能源消耗和尾氣排放等，進而大大提升交通安全和出行效率，改善生活環(huán)境。因此，在實際的交通系統(tǒng)中，自動駕駛汽車的跟馳控制系統(tǒng)將成為智能交通系統(tǒng)的熱點之一。第8節(jié)

挑戰(zhàn)與展望

然而，自動駕駛汽車跟馳控制系統(tǒng)的發(fā)展也有許多挑戰(zhàn)，例如領(lǐng)頭車運動狀態(tài)對系統(tǒng)運行的影響，隊列系統(tǒng)在外部和內(nèi)部干擾影響下的運行問題，車載通信的延遲和丟包問題等，這需要科研人員和工程師開發(fā)更加先進的控制器和執(zhí)行器等，提升系統(tǒng)運行的魯棒性，使跟馳控制系統(tǒng)能早日大規(guī)模落地，真正為提升人們生活質(zhì)量發(fā)揮作用。本章總結(jié)1.對跟馳控制模型進行了全面的數(shù)學分析，運用泰勒方程對其進行處理，將跟馳模型改寫成標準二階微分方程的形式，進一步運用拉普拉斯變換的方式，得到了跟馳系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并得到其基本的結(jié)構(gòu)框圖。2.在此跟馳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖的基礎(chǔ)上，相繼引入了速度反饋、比例微分和串聯(lián)補償?shù)冉?jīng)典控制器，通過時域和頻域分析，引入并驗證控制器對交通流系統(tǒng)的影響，運用各種判定方法推導系統(tǒng)改進前后的穩(wěn)定性條件。3.通過數(shù)值仿真實驗驗證控制器的引入對交通流穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，引入經(jīng)典補償器對交通流穩(wěn)定性有明顯的改善作用，理論與仿真結(jié)果高度一致。智能交通系統(tǒng)概論第10章

城市交通子區(qū)控制系統(tǒng)1.引言2.國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀3.城市路網(wǎng)子區(qū)劃分4.城市路網(wǎng)宏觀基本圖擬合分析5.非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略6.考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略7.挑戰(zhàn)與展望第1節(jié)

引言

大多數(shù)城市采用各種先進的交通控制策略，有效改善了城市交叉口、主干線和區(qū)域的交通狀況，提升了城市交通的流動性。從技術(shù)角度來講，單點交叉口和主干線的交通信號控制策略相對比較成熟，因此，本章重點介紹面向大范圍交通子區(qū)的邊界反饋控制策略，該策略通過對邊界交叉口進出車輛數(shù)量進行優(yōu)化控制，使交通子區(qū)域內(nèi)的交通流量保持在平衡點，從宏觀層面確保交通區(qū)域內(nèi)交通流運行處于最佳狀態(tài)，避免發(fā)生交通擁堵，減少道路交通延誤。邊界控制策略是一種先進的交通控制策略，能夠提升城市交通管理水平，改善人們?nèi)粘３鲂畜w驗，提高出行效率。第2節(jié)

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀從上個世紀六十年代始，國外的學者就展開了對城市路網(wǎng)特性的相關(guān)研究。Godfrey于1969年首次提出了宏觀基本圖（macroscopicfundamentaldiagram,MFD）的物理模型，證明了MFD三個參數(shù)之間的關(guān)系。2008年，Geroliminis等人通過分析日本橫濱的路網(wǎng)數(shù)據(jù)提供了MFD存在性的理論證明，為子區(qū)宏觀路網(wǎng)調(diào)控提供了理論依據(jù)。針對MFD的影響因素，國內(nèi)外專家學者主要從道路狀況、管控措施、交通狀況和選擇行為四個方面進行研究。Buisson等人通過不同路網(wǎng)區(qū)域的交通數(shù)據(jù)對比，證明了交通路網(wǎng)的形態(tài)會影響路網(wǎng)MFD。Geroliminis等人提出路徑選擇行為會影響車流分布，從而改變MFD的形狀，一定程度影響了路網(wǎng)效率。Alonso等人通過采集西班牙桑坦德中心區(qū)域路網(wǎng)的交通數(shù)據(jù)，研究了交叉口信號控制對MFD的影響第2節(jié)

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀Walinchus于1971年首次提出了交通控制子區(qū)的概念，并在劃分城市交通路網(wǎng)時提出了靜態(tài)劃分和動態(tài)劃分兩種方式。TRANSYT和SCOOT是采用靜態(tài)劃分子區(qū)的經(jīng)典控制系統(tǒng)，TRANSYT系統(tǒng)基于路網(wǎng)內(nèi)信號燈的周期時長進行劃分，SCOOT則是控制前預先設(shè)定好控制子區(qū)。Merchant等人通過研究表明當兩相鄰交叉口路段上的交通流量與道路長度的比值大于0.5時，兩交叉口處于同一個控制子區(qū)。Ji等人利用路網(wǎng)內(nèi)某個特定時間段的擁堵特征來劃分城市路網(wǎng)，并將計算機技術(shù)與交通知識相結(jié)合，采用圖像分割技術(shù)進行子區(qū)劃分。Xia等人在廣泛采用的Hadoop分布式計算機平臺上，提出了一種并行的三相K-Means算法來解決路網(wǎng)子區(qū)劃分問題，在算法中修改了K-Means算法中的距離度量和初始化策略。Shen等人[129]提出了一種基于層次結(jié)構(gòu)的模糊計算方法來估計路網(wǎng)內(nèi)交叉口間關(guān)聯(lián)度，并提出了一種基于關(guān)聯(lián)度的城市主干道控制區(qū)域劃分方法。第2節(jié)

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀傳統(tǒng)的單點交叉口和主干線道路的協(xié)調(diào)控制，難以在過飽和場景時解決區(qū)域性擁堵問題。子區(qū)邊界控制是解決區(qū)域性擁堵問題最為有效的方法之一，其主要的控制思想是通過調(diào)控子區(qū)邊界交叉口處的車輛進出比例，從而提升路網(wǎng)的運行效率。目前，國內(nèi)外學者針對子區(qū)邊界控制展開了大量研究。Geroliminis等人采用預測模型實現(xiàn)交通子區(qū)邊界控制，但是在實際運用中受預測模型精確度干擾，控制策略的效果受到一定影響。Haddad等人基于MFD理論，設(shè)計了一種R-PI控制器用于單子區(qū)的邊界控制，提升了路網(wǎng)的運行效益。Ramezani等人提出了一種針對單子區(qū)的分級控制思想來提高路網(wǎng)的性能。Aalipour等人提出了基于MFD的最優(yōu)邊界控制器，并在證明最優(yōu)控制器存在性的同時，提供了求解最優(yōu)控制策略的數(shù)值方法。Elouni等人將分散式的交通控制器與最先進的自適應(yīng)交通信號控制器進行了比較，結(jié)果表明，分散式交通信號控制器不是為了解決邊界控制問題而設(shè)計的，但它能成功防止受控路網(wǎng)內(nèi)部的擁塞。第2節(jié)

國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀我國在交通子區(qū)邊界控制策略的研究始于上個世紀末，取得了較為豐碩的研究成果。丁恒等人考慮了擁堵子區(qū)邊界車輛受阻的情況，構(gòu)建了快速降低擁堵區(qū)域飽和度的最優(yōu)化模型。趙靖等人以相鄰交通子區(qū)的整體運行效益作為控制目標，基于MFD理論提出了一種交通子區(qū)博弈控制手段，通過仿真驗證了策略的有效性。朱良元等人在MFD理論的基礎(chǔ)上，建立了交通子區(qū)內(nèi)行程時間最短和行程完成量最大的目標決策，有效緩解擁堵風險。Zhu等人設(shè)計了一種離散的邊界反饋控制器，基于控制器優(yōu)化邊界交叉口車輛進出子區(qū)的比例，改善了子區(qū)內(nèi)交通運行狀況。Guo提出一種基于MFD模型和邊界條件的城市擁堵子區(qū)的邊界控制方法，根據(jù)邊界路段的存儲空間動態(tài)地調(diào)整子區(qū)邊界。第3節(jié)

城市路網(wǎng)子區(qū)劃分1.交通控制子區(qū)概述交通控制子區(qū)的基本概念

交通控制子區(qū)的定義：為了提高城市道路的利用效率及降低城市交通管理的復雜性，將城市路網(wǎng)按照路網(wǎng)之間的交通相似度進行劃分，劃分為若干相鄰路段或交叉口的集合，這些集合并不是一成不變的，它會隨著路網(wǎng)交通流量、交通管制等的變化而發(fā)生大小或者數(shù)量上的變化，這些集合就稱之為交通子區(qū)。

交通控制子區(qū)具有同質(zhì)性、關(guān)聯(lián)性、可變性和穩(wěn)定性幾種性質(zhì)。第3節(jié)

城市路網(wǎng)子區(qū)劃分

交通控制子區(qū)的劃分受到道路等級、城市功能區(qū)域和路網(wǎng)拓撲圖特性等靜態(tài)因素的影響，同時受到關(guān)鍵路徑、網(wǎng)絡(luò)飽和度以及交通信息等動態(tài)因素的影響。交通控制子區(qū)的劃分是靜態(tài)因素和動態(tài)因素共同影響的結(jié)果。下圖直觀表現(xiàn)了交通控制子區(qū)劃分的影響因素，交通控制子區(qū)劃分的影響因素第3節(jié)

城市路網(wǎng)子區(qū)劃分2.交通控制子區(qū)劃分方法交叉口關(guān)聯(lián)度模型

目前，常用的計算交叉口關(guān)聯(lián)度的模型是Whitson模型。Whitson將兩交叉口之間路段的行程時間、上游交叉口的出口流量和下游交叉口入口處的交通流量作為獨立變量，來計算交叉口之間的關(guān)聯(lián)性。此模型后來被《交通控制系統(tǒng)手冊》采納。計算公式如下：

第3節(jié)

城市路網(wǎng)子區(qū)劃分

第3節(jié)

城市路網(wǎng)子區(qū)劃分

下圖表示兩個相鄰交叉口之間的雙向路段。對于兩個相鄰交叉口之間的雙向道路，如果其中一個方向需要進行協(xié)調(diào)控制，則另一個方向也需要進行協(xié)調(diào)控制。也就是說，在雙向路段中，如果相鄰交叉口的關(guān)聯(lián)度在任何方向上超過閾值，則意味著兩個相鄰交叉口相關(guān)聯(lián)并且可以劃分為相同的控制子區(qū)。交叉口M到交叉口N的關(guān)聯(lián)度為，交叉口N到交叉口M的關(guān)聯(lián)度為，則交叉口M與N的路段關(guān)聯(lián)度或為：

第3節(jié)

城市路網(wǎng)子區(qū)劃分關(guān)聯(lián)度閾值分析

通過測量濟南部分路段實際長度后發(fā)現(xiàn)，路段長度范圍大致為500m到800m，滿足《統(tǒng)一交通控制設(shè)施手冊》提到的關(guān)于路段長度的限制條件。對交叉口關(guān)聯(lián)度與最大車流量分支占比和交叉口間道路行駛時間的分布情況進行分析，并對多種情況進行了試驗，試驗數(shù)據(jù)如左表所示。

關(guān)聯(lián)度閾值并非固定值，與交通路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、控制區(qū)域面積等因素有關(guān)。關(guān)聯(lián)度閾值設(shè)定過大，會導致無法形成完整的交通控制子區(qū)；關(guān)聯(lián)度閾值設(shè)定過小，會導致交通控制子區(qū)面積過大，無法體現(xiàn)邊界控制策略的控制效果。通過多次試驗數(shù)據(jù)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當關(guān)聯(lián)度閾值設(shè)定為0.25時更加適合本次實驗路網(wǎng)。第3節(jié)

城市路網(wǎng)子區(qū)劃分3.交通控制子區(qū)劃分案例分析

對劃分交通控制子區(qū)時閾值為0.4、0.3和0.25三種情況下的劃分結(jié)果進行了比對，劃分結(jié)果如左圖所示。從圖中可以看出，當劃分子區(qū)閾值為0.4時，只有少數(shù)交叉口關(guān)聯(lián)度滿足條件，劃分為相同的控制子區(qū)，但由于控制子區(qū)規(guī)模太小，邊界控制策略的運行效果無法反映；當劃分子區(qū)閾值為0.3時，仍然無法得到一個比較合適的控制子區(qū)。當劃分子區(qū)閾值為0.25時，可以形成合適的交通控制子區(qū)。

第4節(jié)

城市路網(wǎng)宏觀基本圖擬合分析

1.宏觀基本圖的基本特征

第4節(jié)

城市路網(wǎng)宏觀基本圖擬合分析

2.宏觀基本圖的數(shù)學模型

通過整理MFD理論的研究成果，仿真數(shù)據(jù)擬合模型更能全面直觀地描述路網(wǎng)內(nèi)交通運行狀況，該方法是通過間接實測或者仿真數(shù)據(jù)進行函數(shù)擬合。Geroliminis等人研究發(fā)現(xiàn)MFD可用單峰的三次拋物線近似。本文中的路網(wǎng)MFD，即區(qū)域內(nèi)累計車輛數(shù)與行程完成車輛數(shù)之間的關(guān)系用三次函數(shù)表示，其具體的數(shù)學表達式如下式，

第4節(jié)

城市路網(wǎng)宏觀基本圖擬合分析

3.宏觀基本圖擬合案例分析仿真參數(shù)設(shè)置

本節(jié)利用仿真數(shù)據(jù)來獲取交通控制子區(qū)宏觀基本圖，仿真數(shù)據(jù)通過VISSIM交通仿真軟件獲取，仿真路段按照山東省濟南市部分地圖同比例設(shè)置，如左圖所示。

路網(wǎng)范圍東西方向：經(jīng)十路——文化東路——和平路——解放路——山大南路；南北方向：歷山路——山師東路——山大路——燕子山路。道路網(wǎng)絡(luò)中共有32條路段，21個交叉口，包括12個邊界交叉口，路段總長度約22km。每條進入控制子區(qū)的路段上都設(shè)有檢測器，共17個（如圖中的紅色標記處），用于統(tǒng)計進出控制子區(qū)的車輛數(shù)。為了避免檢測器的位置對統(tǒng)計數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，這里將檢測器放置在了交叉口進口道的停車線處，從而減少測量誤差。第4節(jié)

城市路網(wǎng)宏觀基本圖擬合分析

宏觀基本圖的模型標定

仿真時長共計4小時，邊界處交叉口的進口道的交通需求量每隔半小時變化一次，逐次增加，用來模擬高峰期時車輛的變化狀態(tài)，檢測器每隔120s統(tǒng)計一次數(shù)據(jù)，包括進入子區(qū)車輛數(shù)和離開子區(qū)車輛數(shù)，然后，通過疊加得到此時控制子區(qū)中的累計車輛數(shù)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)如右表所示。

第4節(jié)

城市路網(wǎng)宏觀基本圖擬合分析

用MATLAB繪制累計車輛數(shù)與行程完成車輛數(shù)之間的關(guān)系曲線，擬合模型由前面介紹的宏觀基本圖的三次函數(shù)擬合，便可以得到該子區(qū)的宏觀基本圖，如下圖所示，其中橫坐標表示道路網(wǎng)絡(luò)中的累計車輛數(shù)，縱坐標表示行程完成車輛數(shù)。曲線擬合結(jié)果為：

第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略1.控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程及離散化控制系統(tǒng)的狀態(tài)方程

第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略

第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略

或

第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略離散化處理方法

或

第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略

第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略2.邊界反饋控制系統(tǒng)設(shè)計

第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略3.非對稱交通信號控制非對稱交通信號

非對稱式信號控制，主要是指行駛方向相反的交通信號控制燈的交通配時為非對稱的。在日常生活中，經(jīng)常見到的交叉口信號燈多為對稱設(shè)計，但是由于城市中的交通流存在時間和空間分布的不均衡性，所以很多時候，在某一個方向上的交通流并不能完全有效的利用該相位的全部綠燈時間，這就造成了綠燈時間的浪費，此時采用非對稱式交通信號控制，可以有效的提高綠燈時間的使用效率，提高交叉口的服務(wù)水平。本研究采用非對稱式交通信號控制來調(diào)整控制子區(qū)邊界處車輛進出的比例，將子區(qū)內(nèi)的車輛數(shù)保持在最佳臨界值附近，從而維持子區(qū)內(nèi)穩(wěn)定的交通狀態(tài)。第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略非對稱信號相位調(diào)整方法

第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略

在本方案中，將提前關(guān)閉從西向東方向的綠燈，將原來的兩相位變成三相位，如上左圖所示。新增加的相位作為過渡相位，只允許子區(qū)內(nèi)的車輛離開子區(qū)，禁止子區(qū)外的車輛進入。如果原來的交叉口為四相位，則將四相位更改為六相位，如上右圖所示。在直行和左轉(zhuǎn)兩相位之間增加一個過渡相位，提前將進入子區(qū)方向的綠燈切換為紅燈，將離開子區(qū)的紅燈切換為綠燈。同理，位于子區(qū)邊界處的其他交叉口信號相位也做相應(yīng)的修改，增加過渡相位。第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略非對稱信號配時方案

在相位修改方案中提到提前將進入子區(qū)的綠燈切換為紅燈，從而禁止部分車輛通過邊界進入子區(qū)。除此之外，還需要考慮相位切換需要提前多長時間。下面對其中的相位配時進行討論。

已知路網(wǎng)中車輛數(shù)與最佳累計車輛數(shù)的差值：

第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略

第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略4.限制條件

最小綠燈時間限制主要是為了保障行人能夠在最小綠燈時間內(nèi)通過路口，同時為司機提供一定的反應(yīng)時間。采用《交通工程總論》中的行人過街時間作為最小綠燈時間，行人過街的時間按如下公式計算：

最小綠燈時間限制

第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略最大綠燈時間限制

由于交叉口信號燈的周期有一定的時長限制，同時為了避免交叉方向的行人或車輛等待時間過長，需要設(shè)置最大綠燈時間限制綠燈時間無限加長。本文中的最大綠燈時間是根據(jù)信號周期減去對向交通信號的最小綠燈時間來計算的。第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略邊界排隊長度限制

邊界外排隊長度的計算模型采用基于交通波理論推導出來的線性預測模型，如下：

第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略5.仿真分析仿真環(huán)境

本文采用MicrosoftVisualStudio對VISSIM交通仿真軟件的二次開發(fā)進行仿真實驗。利用VISSIM繪制路網(wǎng)，路網(wǎng)范圍與第四節(jié)相同，如左圖所示，其中紅點表示邊界檢測器的放置位置，共17個，用于檢測邊界處交叉口處的交通數(shù)據(jù)，包括進入子區(qū)的車輛數(shù)、離開車輛數(shù)、排隊長度等；藍點表示子區(qū)內(nèi)部檢測器的放置位置，共30個，用來檢測子區(qū)內(nèi)部的交通運行數(shù)據(jù)，包括平均車速、平均延誤等。

仿真實驗時長設(shè)定為14400秒，即4個小時，模擬路網(wǎng)從平峰期到高峰期的過程。子區(qū)邊界各進口處的車流量設(shè)置與第四節(jié)相同。路網(wǎng)中檢測器的數(shù)據(jù)采集周期為120s，與路網(wǎng)中交叉口信號燈的信號周期相同。車輛期望速度設(shè)定為50km/h。第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略實驗結(jié)果及分析

該系統(tǒng)的控制目標是將路網(wǎng)中的累計車輛數(shù)保持在最佳臨界值附近。為了驗證離散邊界反饋控制策略的可行性和有效性，本文將離散邊界反饋控制策略（DBFC）的運行效果與非邊界控制策略（NBC）和Bang-Bang控制策略（BangBang）的運行效果進行了對比。對比指標包括：進入子區(qū)的車輛數(shù)、離開子區(qū)的車輛數(shù)、子區(qū)中的車輛平均速度、車輛平均延誤、累計車輛數(shù)。當仿真實驗進行到8040s時，交通子區(qū)中的車輛數(shù)超過最佳臨界值，采用離散邊界反饋控制策略，子區(qū)邊界處信號燈的配時按照非對稱配時方案進行調(diào)整。第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略

實驗結(jié)果如下圖和表所示：第5節(jié)

非對稱交通信號燈離散邊界反饋控制策略通過實驗對比發(fā)現(xiàn)：

1）當路網(wǎng)中的車輛數(shù)剛好超過最佳臨界車輛數(shù)時，邊界反饋控制策略和Bang-Bang控制策略的進入車輛數(shù)發(fā)生驟降，隨著仿真的進行，沒有邊界控制策略下的交通路網(wǎng)發(fā)生了嚴重堵塞，導致交通徹底癱瘓，車輛無法進出，而邊界反饋控制策略下的交通仍能正常運行。2）采取邊界控制策略之后，行程完成車輛數(shù)仍能保持較高的水平上下浮動。3）采取邊界控制策略之后，優(yōu)化了交通子區(qū)內(nèi)車輛的平均延誤和平均速度。4）采取邊界控制策略之后，交通子區(qū)內(nèi)的車輛數(shù)穩(wěn)定的維持在設(shè)定的最佳累計車輛數(shù)2100輛左右，避免了子區(qū)內(nèi)發(fā)生擁堵。第6節(jié)

考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略1.控制策略

第6節(jié)

考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略2.交通控制子區(qū)交通流模型

第6節(jié)

考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略

第6節(jié)

考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略

第6節(jié)

考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略3.子區(qū)邊界信號燈配時優(yōu)化

邊界反饋控制器的設(shè)計第6節(jié)

考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略

第6節(jié)

考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略基于車輛排隊長度的邊界信號燈二次配時優(yōu)化

當交通控制子區(qū)內(nèi)的累計車輛數(shù)超過時，啟動子區(qū)邊界控制策略，根據(jù)上面的公式調(diào)整邊界交叉口進入交通控制子區(qū)內(nèi)的信號燈綠燈時長，同時，根據(jù)本節(jié)第二部分中描述的單點交叉口排隊模型計算第周期邊界交叉口處的車輛排隊長度，并根據(jù)各交叉口的實際運行情況對邊界交叉口的信號燈配時進行二次優(yōu)化。第6節(jié)

考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略

單位綠燈時長的設(shè)置應(yīng)該滿足車輛從檢測器的位置安全駛過停車線的位置所需要的時間，確保最后一輛通過檢測器的車輛安全行駛過停車線，如下圖所示。圖中檢測器與停車線之間的距離，本文根據(jù)《美國道路通行能力手冊》推薦，設(shè)置為36。單位綠燈時間的計算公式如下：

第6節(jié)

考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略

第6節(jié)

考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略

第6節(jié)

考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略

第6節(jié)

考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略

第6節(jié)

考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略（1）最短綠燈時長

第6節(jié)

考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略（1）最大綠燈時長

如果綠燈時間設(shè)置太長不僅會讓其他相位的車輛等待時間過長，而且該相位如果沒有車輛等待仍是綠燈會造成道路資源浪費，信號燈配時不合理。本文中交叉口的最大綠燈時長：

第6節(jié)

考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略交通控制子區(qū)邊界交叉口的信號配時的整體流程如下圖所示：第6節(jié)

考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略

兩相位邊界交叉口四相位邊界交叉口第6節(jié)

考慮車輛排隊長度的子區(qū)邊界控制策略4.仿真分析

通過將考慮車輛排隊長度的離散邊界反饋控制策略與其他控制方案進行對比，驗證不同控制策略的效果。第一種為受控子區(qū)采用一種良好的固定信號燈配時方案，且受控子區(qū)邊界交叉口不采取控制策略，記為無邊界