基于多目标规划的城市道路交叉口信号配时研究

基于多目标规划的城市道路交叉口信号配时研究

姓名：刘金明申请学位级别：硕士专业：环境工程指导教师：石定寰；毛保华

201106

北京交通大学硕士学位论文中文摘要中文摘要随着城市地区私人小汽车保有量的迅速增加，道路交通拥堵日益严重，并受到广泛关注。作为城市道路的重要组成部分，交叉口通常也是整个城市道路交通系统的瓶颈点。提高交叉口运行效率的方法很多，其中，改善交叉口信号配时是最直接有效的方法之一。因此，研究城市道路交叉口信号配时方法具有重要的理论价值和实际意义ｉ本文以城市道路交叉口信号配时为研究对象，选择延误、停车次数、通行能力作为衡量配时方案的指标。建立了多目标信号配时模型，采用模糊折中思想将其转化为单目标函数，用动态加速常数协同惯性权重粒子群优化算法唧ＣＰＳ０）进行求解，进而得到改善后的配时方案。在既有研究成果基础上，论文主要进行了如下工作：１．回顾了城市道路交叉口信号发展历史，介绍了信号控制的基本概念，对易引起混淆的信号相位和信号阶段这两个概念通过示例中的信号配时图进行说明。２．选择延误、停车次数、通行能力作为交叉口信号控制的优化目标，对比分析了过渡函数理论和ＨｃＭ２０００中采用的两种延误计算方法：前者以相位的延误作为总延误的基本组成部分，而后者采用的是车道组的延误；同时，二者对正常延误和随机延误的计算方法也不相同。本文还对比分析了韦伯斯特理论、ＨｃＭ２０００、《城市道路设计规范》方法、停车线法、冲突点法等计算通行能力的方法：其中韦伯斯特理论以相位的通行能力作为总通行能力的基本组成部分；ＨＣＭ２０００则采用的是车道组的通行能力；《城市道路设计规范》方法、停车线法、冲突点法都是以车道的通行能力作为总通行能力的基本组成部分。但是这些计算通行能力的方法的核心思想均是饱和流量与绿信比的乘积。３．分析了国内外两种典型的既有多目标规划信号配时模型方法的不足之处，鉴于模糊折中规划的多目标规划方法的优点，提出了基于模糊折中规划的多目标规划信号配时模型。采用模糊折中规划的多目标规划方法将交叉口的总延误、总停车次数、总通行能力这三个目标函数转化为一个单目标函数，其可使三者无量纲化，取值均在（０，１）之间。同时使用模糊偏好方法，以定量计算为主，定性分析为辅，确定了三者的隶属度函数在单目标函数中的权重，其在一定程度上避免了主观因素的影响。将改进的粒子群算法和信号配时模型相结合，设计了求解步骤，并采用动态加速常数协同惯性权重粒子群优化算法（ＷＣＰＳＯ）（最大迭代次数、粒子数目分别取５００、２０）对单目标函数进行求解。北京交通大学硕士学位论文中文摘要４．通过调研获得了交叉口的基础数据并分析其存在的问题，将模型应用于交叉口的信号配时中．采用ＷＣＰＳｏ（最大迭代次数、粒子数目分别取５００、２０）对单目标函数进行求解，分别得到了单目标函数在旷１、同、矿斗∞时三种情况下的各相位的有效绿灯时间，进而得到交叉口总相位及分相位的延误、停车次数、通行能力。经过分析比较，选择芦∞时的方案作为改善后的方案，改善前后周期分别为１８９ｓ和１５０ｓ，有效绿灯时间分别为１７３ｓ和１３４ｓ。并与之前配时方案进行对比：交叉口总延误、总停车次数、总通行能力，分别降低了３５．８％、１９．４％、２．４％，相位的平均车辆延误时间分别降低了２０．０％、１５．３％、１８．６％、２４．１％，而停车次数和通行能力依相位不同亦有不同程度的改善。５．研究了交叉口信号配时方案对燃油消耗以及尾气排放的影响。采用Ｓｙｎｃｈ∞０６．Ｏ软件对交叉口改善前后的情况进行仿真计算，选取四个相位的燃油消耗量、ＣＯ排放量、Ｎｏｘ排放量、ＶＯＣ排放量进行对比分析：燃油消耗分别降低了１０．１１％，３．９２％，２．１５％，１６．９５％；ＣＯ排放量分别降低了１０．８５％，２．３５％，３．０１％，１６．９３％；Ｎｏｘ排放量分别降低了１０．９０％、２．２０％、２．９８％、１６．９８％；ＶＯＣ排放量分别降低了１０．９７％、２．３０％、２．９９％、１７．０６％。关键词：信号交叉口；多目标规划；延误；停车次数；通行能力；中图分类号：Ｕ４９１北京交通大学硕士学位论文ＡＢＳＴＲＡＣＴｉ玳触ｇｌｙ洲ｅｄ觚ｄ缸伍ｃＷｉｍｔＩ璩ｒａｐｉｄｉｎｃｒｃａ∞ｏｆｐ６ｖａ惦ｃ缸ｐｏｓ删。轧ｌＩｒｂａｎ姗ｃｂ∞ｏｍ鹤ｐｒｏ．ｂｌｅ麟ｂｅｃＩＤｍｅｓ耐邮．触ｍｅｉｌｌｔ粥∞ｔｉｏｎｉｓ龀ｋｃ），ｐｏｉｎｔｏｆｕｒｂａｎｒｏａ砖ｉｔｉｓｍｅｍａｉｌＩｃａｕ∞ｏｆｍｅｒｏａｄｃ０啦弦难ｏｎ锄ｄｔｈｅｂｏｍ朋魔ｋｏｆ珈ｂ锄ｍａｄ舰伍ｃｓｙｓｔ鼬．Ｔｈｃ∞ａ坞ｓｏＩ舶ｎｙｗａｙｓｔ０ｉ玎１ｐ∞鹏ｔ１１ｅｏｐ啪血ｇｅ伍ｃｉ∞ｃ弘ｉｎ砌ｃｈｓｉ割融ｔｉＩｎｉｌｌｇｉｓｏ鹏ｏｆｍｅｍｏｓｔｄｉｒｅｃｔ孤ｄｉＩＩｌｐｏ北ｍｔｍ∞ｒｅｔｉｃＶａｌｕｅ锄ｄ删ｃａｌｅ脓ｄｖｃｗａｙＴｈｅｒｅｆｏｒｃ＇ｍｅ他ｉｓｍｅａｌｌｉｎｇｔＱ蛐ｕｌｂ觚ｒｏａｄｓｉ印ａｌｔｉｍｉＩ培．ＩｌｌｔＩｌｉｓｄｉｓ∞ｒｔ撕ｏＩｌ＇ｉｔｔａｌ【璐ｕｒｂ缸ｒｏａｄｉＩｌｔｅ稻硎ｏｎｓｉ驴ａｌｔｉ】：Ｉｌｉｎｇ勰ｔｌｌｅｒ懿嘲施ｈ６ｂｊｅｃｔ，柚ｄｓｄｃｃｔｓ也ｅｄｅｌａＭｍｍｉｂｅｒ０ｆ娜，觚ｄｃａｐ砌勰ｔｌｌｅ矾ｅｘ豁ｏｆｍ鞠飘１ｒｊ崦痂ｎｉｌ玛ｓｃ：ｈｅｍｅ．ｎｅＳｔａｂｌｉｓｈ髂ａｎｍｌｔｉ州ｅｃ：ｔｉＶｅｓｉ乎ｌａｌ缸ｉｌｌｇｍｏｄｅｌ，瑚燃如２ｚｙｃｏｍｐｒｏ】血ｓｃｄｉｄｅ０１０百ｃａｌｔ０们ｎｓｆ．０咖ｅｉｔｉＩｌｔＯａＳｉＩｌ酉ｅ０ｂｊｅｃｔｉｖｅ胁娟ｏＩｌ’、）ｌ，：Ｉｌｉｃｈｉｓ∞ＶｌｏｄｂｙｌｌｓｉＩｌｇ也ｅｄＦ删ｃａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｃ０碰．协ｎｔｃｏｏｒｄｉＩｌａ虹ｏｎｗｉｍ廿ｌｅｉＩｌｅｎｉａｗｅｉｇｈｔｐ枷ｄｅｓ、）Ｉｒ锄０ｐｔｉｎｌｉｚａｔｉｏｎ州ＣＰＳｏ），锄ｄ廿ｌ饥ｇｅｔｓｉｎｌｐｆ０Ｖｅｄｓｄｂ锄ｅ．Ｂ弱ｏｄｏｎｔｈｅｅ嫡ｓｔｅｄｒ豁钧肌Ｉｈ阳ｓｕｌｔＳ，ｔ１１ｉｓｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｍａｉｌｌｌｙｔａｋ锚ｎｌｅｆｏｌｌｏ、７ｌ，ｉｎｇｒｅｓｅａｒｌＣｈｗｏ出：１．ｎ佗、，ｉｅ、硼Ⅱｌｅｄ规，ｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｕｒｂａｎｒｏａｄ抽ｔｅ硌ｅｃｔｉｏｎｓｉ朗ａｌｌｌｉｓｔｏｒｙ，距ｄ硫ｒｏｄｕｃ舔ｍｅｂａｓｉｃｃｏｎｃｅｐｔＳ“ｓｉｇ腻鼬ｌ，ｓｉ龋ａｌｐｈａ∞锄ｄｓｉ萨ａｌｓｔａｇｅｗｈｉｃｈａ∞ｄｉｓ缸嘶ｓｈｅｄｂｙｄｉａ舯ｍｏｆ砬懿ｏｃｔｉｏｎｓｉ印ａｌｔｉＩｎｉＩｌｇ．ｎ乙蝌ＳＹＴ，ＳＣＡＴＳ，ＳＣｏＯＴｗｈｉｃｈａ∞ｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄａｒｃｈａｄａ嘶ｅｆｉｎｌｒｏｄｕ以０ｎ．２．Ｔｈｅｔａ玛舛ｏｆｄｅｌａＸｍｍｌｂ盱ｏｆｓｔｏｐｓ，ｃａｐａｃｉｔｙｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄ幻ｍｅａ娜ｒｅｔｌｌｅｏｐ锄山ｇｅ伍ｃｉ锄ｃｙｏｆｓｉ弘ａｌｉｚｅｄ缸铘ｅ嘶。璐．亿哪ｉｔｉ∞ｆＩｌｌｌｃｔｉｏｎｍｅｏ巧ａｎｄＨＣＭ２０００ｍｅｌｈｏｄｏｆｃａｌｃＩ】【１ａ：ｔｉＩｌｇｔｌｌｅｄｅｌａｙａｒｅｃｏｎ缸懿ｔｅｄａｎｄ锄ｍ）『ｚｃｄ：ｂｏｔｈｍｅｐｈ嬲ｅｄｅｌａｙ，豫’ｐｅｃｔｉｖｅｌｙ，ｌａｎｃｇｒ０１ｌｐｄｅｌａｙ嬲姐鹤ｓ锄ｔｉａｌＣＯＩｎｐｏｎｅｎｔｏｆｔｌｌｅｔｏｔａｌｄｅｌａｙ＇ｂｏｍｎｏ彻ａｌｄｅｌａ）停趾ｄｒ批ｍｄｄａｙｓｉｎｔｈｅｃａｌｃｌｌｌａｔｉｏｎｍｅｔｌｌｏｄｉｓＷ曲ｓｔｅｒｔ１１ｅ０ⅨＨＣＭ２０００，ａｎｄｍｅｄｏｍｅｓｔｉｃ聊ａｃｈ镐（Ｉｌｌｅｎ优ｎ他ｓ锄ｅ．ｍ甜１０ｄｏｆｕ而龇ｒｏａｄｄ懿ｉｇｎ删ｆｉｃａｔｉｏｎ，ｓｔｏｐｌｉＩ圮ｍｅｍｏｄ，ｍｅｃｏｎｎｉｃｔｐｏｉｎｔｍ“ｈｏｄ）ｆｏｒｃｏｍｐｕｔｉｌｌｇｃａｐａｃｉｔ），ａｒｅｃｏｎ仃嬲ｔｃｄ雒ｄ雠ａｌｙｚｅｄ：ｐｈａＳｅｃ印ａｄ坝赖；ｐｅ以ｖｃｌｙ，ｌ觚ｅｇｒｏｕｐｓ仃ａ伍ｃｃａｐａｃｉ坝ｌ锄ｅ们伍ｃｃａｐａｃｉｔ）ｒ嬲觚器ｓｅｎｔｉａｌＣ０ｍｐｏｎｅｎｔｏｆｍｅｔｏｔａｌｏｆｃａｐａｄ劬ｎｌｅｃｏｒｅｉｄ铋ｏｆｍｅⅡｌｒ∞ｃａｌｃｕｌａｔｉｏ璐ａｒｅⅡｌｅｐｒｏｄｕｃｔｏｆｓａ仙ｒａｔｅｄｆｌｏｗ觚ｄｓｐｌｉｔｒａｔｉｏ．３．Ｂｙ觚ａ１），ｚｉｎｇｔｈｅｅｘｉｓｔｅｄｍｕｌｔｉ．Ｉ埘ｅｃｔｉｖｅｐｒｏ黟黜血ｇｍｅｎ斌ｏｆｓｉ印ａｌｔ衄ｌｉＩｌｇｎ１０ｄｃｌ，ｉｔ鲫）ｐｏｓ懿ａ锄ｌｌｔｉ州硎ｖｅｐｒｏｇｒａｆｎｍｉｎｇｍｏｄｅｌｆｏｒｓｉ弘ａｌｔｉｍｉｎｇｂ弱ｅｄｏｎａｆ．ｕｚｚｙＣ０ｍ珥砌ｓｅｐｒｏ孕ｍｎｍｉＩｌｇ．ＵｓｉＩ唱如ｚｚｙｃｏｍｐｒｏ觚ｓｅｐｒｏ黟ａｍｍｉｎｇａｐｌｐｒｏａｃｈｔ０Ｖ７北京交通大学硕士学位论文觚ｆ．０衄ｔｈｅｄｅｌａｘｍｍＩｂ贸ｏｆｓｔｏｐｓ，ｃａｐａｃｉｔ）ｒｉｎｔＤａｎｓｉｌｌｇｌｅ０ｂｊ蒯Ｖｅ劬ｃｔｉｏｌｌ，ｉｔｍａ：ｋｅｓｍｅｔ１１Ｉ－∞ｄｉｍ哪ｉｏｎｌｅｓｓ觚ｄｖａｌｕｅｓｂｄ【Ⅵ他Ｈｅｎｚｅｆｏａｎｄｏｎｃ．Ｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂａｓｃｄｑｌ瑚ｔｉｔａ矗ｖｅａｎｄｑｕａｌｉｔ撕Ｖｅ锄ａｌｙｓｉｓｓｕｐｐｌｅｍ饥ｔｅｄ，ｉｔｕｓ伪ｆ．ｕｚｚｙｐｒｅｆ确ｌＣｅｍｅｔｈｏｄｔ０出瞅殂ｎｉｎｅｍｅｍａ【Ｉｂｅ璐ｈｉｐｆＩｌｎｃｔｉｏｎｗｅｉｇｂｔＳｉｎａｓｉＩｌｇｌｅｏｂｊｅｃｔｉＶｅ劬ｃｔｉｏｎ越ｌｄｍｅｄｙＩ娜ｍｃ撇ｅｌ训ｏｎｃ０瑚瞳ａｎｔｃｏｏｒｄｉＩｌａｔｉｏｎｗｉｔｌｌｍｅｉＩｌ硎ａｗｅｉｇｈｔｐ蜀嘣ｃｌｅｓｗ锄ｏｐｔｉＩＩｌｉｚ撕∞州ＣＰＳｏ）恤娜ｄｍｔ珊棚ｍｌｂ钉ｏｆ“贫ａｔｉｏ地，ｎ地硼ｍｂ钉ｏｆｐ枷ｄ骼ｗｅ舱ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ５００，２０）锄ｄｔｏ∞ｌｖｃｍｅ血百ｅ０ｂｊｅｃｔｉｖｅ缸疵ｏｎ．４．ＢｙｒｅＳｅａｒｃｈｍｃｂａＳｉｃｄａｔａｉｓ０ｂｔａｉｎｅｄ缸ｄｐｒｏｂｌ锄ｓ躺缸ａｌｉｓｅｄ．Ｂｙｃａｌ砌疵ｌｇｅ丘酏：ｔｉＶｅｇｒｅ既ｔｉｍｅｏｆｐｌ埝∞ｉｓ０ｂｔａｉｌｌｅｄｒｅｓｐｃｃ虹Ｖｄｙｐ＝ｌ，ｐ吃，ｐ斗∞ａｎｄｄｅｌａｙｓ，ｍｍＩｂ叮ｏｆＳｔｏｐｓ，ｃａｐａｃｉｔ），ｏｆｎｌｅｉＩｌｔｅ塔硎ｏｎｔｏｔａｌ觚ｄｓｕｂ－ｐｈ鹤ｅａｒｅｃａｌｃＩｌｌａｔｅｄ．１ｆ１１ｒｏｕｇｈ００忸ｐａ蒯Ｖｅ锄ｍｙｓｉｓ，ｉｔｃ：ｈ００ｓ髓ｔｌｌｅｐｒｏ孕ａｍｍｅ（ｐ＝＋∞）弱ｎｌｅｉｌｌ呻ｖＩｅｄｐｒ０黟ａｍｍｅ：ｃｙｃｌｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆ嘧ｉＩｎｐｒｏｖｅｍｅｎｔａｒｅ：ｌ８９ｓ，ｌ５０ｓ，ｅ侬炳ｖｅｇｒ。融ｔｉＩ鹏ａｒｅ：１７３ｓ，ｌ３４ｓ，Ｗｌｌｉ６ｈｉｓｃｏｍｐａｒｅｄ、Ⅳｉｍｔｌｌｅｐｒｅ、，ｉｏｕｓｐｒｏｇ乒砌ｓｉｇｎａｌｓ：ｔ１１ｅｉｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎｔｏｔａｌｄｅｌａｙｓ，ｍｅｔｏｔａｌ棚ｎｌｂ盯ｏｆ咖ｐｓ，ｔｏｔａｌｃａｐ撕劬ｄｅ咪嬲ｅｄｂｙ３５．８％，１９．４％２．４％，ｔｌｌｅｐｈ嬲ｅａｖｅｍｇｅＶｅｈｉＣｌｅｄｅｌａｙｔｉｍｅｄ∞ｒｅ嬲ｅｄｂｙ２０．Ｏ％，ｌ５．３％，ｌ８．６％，２４．１％，ｎｌ饥们ｈｃｍｌｍｂ盯ｏｆｓｔｏｐｓａｎｄｔｌｌｅ的伍ｃｃａｐ撕ｔｙｐａｎｌｙｉＩｎｐｒ０ＶｅｄａｃｃｏｒｄｉＩｌｇｔ０ｎｌｅｐｈ鹤ｅ．５．Ｔｏｓｔｕｄｙｍｅｉｍｐａｃｔｏｆｍｅｓｉｇｒ试ｔｉｍｉＩｌｇｔ０ｆ１１ｄｃ０娥ｍｍｐｔｉｏｎ锄ｄ∞【ｌｌａｕｓｔｅ虹ｌｉｓｓｉｏ璐，ｉｔｕｓ鼯Ｓｙｎｃ＿ｈｒ０６．０ｔ０ｓｉｍｕｌａｔｅｍｅｓｉｔＩｌａｔｉｏｎｏｆｉｎｔｅｒＳｅｃｔｉｏｎｂｅｆｏｒｅａＩｌｄａＲ盯ｔ１１ｅ缅叩ｒｏＶｅｍ饥ｔｓ．ｎｓｅｌｅｃｔＳｎｌｅ如ｅｌＣｃＩｎ踟ｍｐｔｉｏ玛ＯＯ锄ｉｓＳｉｏｎＳ，Ｎｏｘ锄ｉｓｓｉｏ璐ａｎｄＶＯＣ锄ｉｓｓｉｏ衄ｏｆｍｅｆｏｌｌｒｐｈ嬲髓ｔ０趾ａｌｙ：ｍｅ舭ｌｃｏｎＳｕｍ面ｏｎｄｅｃｒｅ弱ｃｄｂｙｌＯ．１１％，３．９２％，２．１５％，１６．９５％；ＣＯｅｌｎｉｓｓｉｏ璐ｄｅ咪幽ｏｄｂｙ１０．８５％，２．３５％，３．０１％，１６．９３％；ＮＯｘｅＩＩｌｉｓｓｉｏ璐ｄｅ∞淞ｅｄｂｙｌＯ．９０％，２．２０％，２．９８％，ｌ６．９８％；ＶＯＣｅＩＩｌｉｓｓｉｏ粥ｄｅｃｒｅ嬲ｅｄｂｙ１０．９７％，２．３０％，２．９９％，１７．０６％．１皿ＹＷｏＩｍＳ：Ｓｉ弘ａｌｉｚｅｄ硫ｅｒＳｅｃｔｉｏｎ；Ｍｕｌｔｉ州ｅｃｔｉＶｅｐｒｏｇｒａｍｍｊｎｇ；Ｄｅｌａｙ；》№瞪ｌｂｅｒｏｆｓｔｏｐｓ；Ｃａｐａｄ职ＣＩ。ＡＳＳＮｏ：Ｕ４９１致谢值此本论文完成之际，我首先发自内心的感谢我的导师石定寰教授和毛保华教授。二位导师为我指明了正确的研究方向，提供了正确的研究方法．他们严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。研究生期间，与师门兄弟姐妹们在一起参加科研项目的日子令我难忘。感谢博士生梁肖和冯旭杰对我论文思路的指导。同时还要感谢高利平师兄、杨远舟师兄、钱垄师姐在平常的学习活动中曾经给予过我的帮助。感谢我的同级的兄弟姐妹们：陈涛、郭彦东、秦瑶靖、许奇、蒋文、冯佳、李妙君、廖唱、郭彦云、吴燕伶、杨亦慧。正是他们的陪伴，使我的研究生生活丰富多彩，也感谢陆宽同学、蒋洋同学在论文写作过程中给予的帮助。在写作过程中得到了北京交通大学城市轨道交通系所有老师和同学的指导和帮助，在此表示衷心的感谢！本文的研究是在“城市交通复杂系统理论与技术一教育部重点实验室完成的，研究工作得到了国家基础研究计划项目“典型大城市交通疏堵问题的综合实证研究（２００６ＣＢ７０５５００）＂及国家自然科学基金重点项目“城市交通网络优化与管理的若干基础问题研究＂（７０６３ｌ００１）的资助。此外，本文的如期完成离不开学校、家人的支持，在此一并表示深深的感谢！最后感谢忙中抽空审阅本文的所有老师！北京交通大学硕士学位论文绪论ｌ绪论１．１研究背景及意义随着我国经济的快速发展和城市化进程的持续推进，城市道路基础设施得到不断的完善，各种城市交通管理理论与方法不断涌现。但是，由于城市交通工具尤其是私人小汽车保有量增长率远远高于新建道路的里程增长率，致使城市交通需求量与供给量严重不匹配。高峰时段，城市主要道路绝大部分都在高负荷运行，道路拥挤不堪，车辆行驶缓慢。据调查，北京市区部分主要干道高峰期间平均车速仅为１２ｂ［１／ｈ左右，有些道路甚至低于７ｋｍ／Ｉｌ【ｌ】，导致居民出行时间成本大幅上升，出行舒适度随之下降，车辆燃油消耗和尾气排放成倍增加，环境污染加剧，有数据表明：我国机动车尾气对氮氧化物、一氧化碳、碳氢化合物的贡献率分别为６４％、９２％、５ｌ％【２１。如何有效解决城市交通的拥堵和环境污染等问题，成为摆在城市交通管理者和交通研究人员面前的重要课题。当人们发现只靠新建城市交通基础设施，提高既有道路等级等方法仍不能解决城市交通问题时，转而开始借助城市交通管理和控制的手段来解决交通问题。信号交叉口是城市道路交通的关键点，也是交通管理和控制的重点点段，据统计，美国几乎有一半以上的城市交通事故发生在交叉口１３１，日本大城市中机动车在市中心有ｌ／３的旅行时间被消耗在交叉口。可见，交叉口的通行效率已经严重制约了整个城市交通的运行效率，提高交叉口的通行效率在一定程度上是解决城市交通问题的关键所在。在道路条件一定的情况下，交叉口信号配时方案直接影响着整个交叉口的通行效率。一般来讲，提高交叉口的通行效率措施之一是优化交叉口运行的相关指标，包括：通行能力，饱和度，延误，停车次数，停车率，燃油消耗，尾气排放，噪声等，而这些指标都会受到信号配时的影响，各个指标值之间甚至还会存在相互矛盾的现象。例如：随着周期时间的延长，通行能力增大，但是车辆的平均延误、停车次数、燃油消耗也在增加。通常情况下，要根据交叉口的实际状况和设计者的偏好，给予某些指标较大的权重，另一些指标较小的权重，设计出合理的配时方案，达到综合效益的最优。基于上述原因，本文对城市道路信号交叉口的配时方法进行了研究，对交叉口信号控制的三个主要目标：延误，停车次数，通行能力进行分析，然后建立了基于模糊折中思想的多目标规划的信号配时模型，运用模糊偏好方法确定各个指ｌｌ北京交通大学硕士学位论文绪论标的权重值，并采用动态加速常数协同惯性权重粒子群优化算法进行求解。结果表明，采用改善后的配时方案，交叉口主要指标值较原配时方案有所改善。１．２国内外研究现状１．２．１国外研究现状国外学者对城市道路信号控制及配时方法研究起步较早，早在１９世纪，英国就出现了交通信号灯，人们开始使用信号灯指挥交叉口车辆有序运行。１９２６年，英国人在Ｗ．０ｌｖｅｒｈａｍｐｔｏｎ设置了第一座自动交通信号灯【４】。从上世纪５０年代开始，随着通信技术和计算机技术的迅速发展，美国开始将计算机控制技术应用在交叉口信号控制上，从１９５２年到１９６１年短短十年间，美国建立了１００多个使用计算机控制的交通信号系统【５】。进入６０年代，世界各国开始研究区域范围内的信号控制系统，各种信号控制系统层出不穷。近年来，交通领域的学者在城市交通管理控制方面进行了大量的研究工作，主要表现为以下几个方面：（１）交通流理论方面初期，研究人员主要借助数学中的概率论与数理统计方法描述交通流参数之间的关系，ｌ洫１ｚｅ—Ｊ首次提出将概率中的泊松分布应用于交通流领域的可能性，随后，Ｇｌ优ｎｓｈｉｅｌ甜７】【８】等人提出了线性速度一密度关系，并将泊松分布理论应用于实际的交叉口分析中。后来，人们将力学中的流体力学模型应用在交通流中，Ｌｉ蛐和ＷｈｉⅡｌ锄ｆ９】提出了连续模型，并引入了流体力学中的连续方程，之后，Ｐｉｐｅｓ【１０】【１１】等人提出了车辆跟驰理论。近年来，随着计算机技术在交通领域中的广泛应用，人们开始将计算机仿真技术和人工智能技术应用在交通流理论中，出现了元胞自动机模型【１２】和广义的气体动理论模型【１３】等。（２）交叉口信号控制评价方面信号交叉口的通行能力，延误，停车次数是评价交叉口信号控制的重要指标。国外对通行能力和延误的研究起步较早，并且做了大量的研究工作，韦伯斯特方法【１４】【１５】在计算通行能力和延误方面具有里程碑意义。在此基础上，澳大利亚学者引入了停车补偿系数，将车辆延误和停车次数结合在一起，用综合评价指标来评价信号控制效果，其是对韦伯斯特模型一次成功的修正，该思想也被后来的学者广泛采用。此外，美国道路通行能力手册【４３】中的关于延误和通行能力的方法也有重要意义，其仍是在韦伯斯特模型的基础上进行相应的改进的。（３）交叉口信号控制系统与控制理论方面交通控制系统由最初的定时式脱机控制系统（例如ＴＲＡＮＳＹＴ【１６１），到后来的混２北京交通大学硕士学位论文绪论合式控制系统（例如ｓｃＡ＝ｒｓ【１７】【１舳、ｓｃｏｏＴ【１码，发展到如今的完全在线控制系统，其根据实时的交通状态，在线调整更新配时方案。目前，随着计算机技术和通信技术在交通领域中的广泛应用，信号控制系统也得到了长足的发展。模糊逻辑控制器并应用于交叉口控制，Ｎ删ｉ【２ｌ】等将神经网络应用于交通控制中，通过优化绿信比和相位差达到最优控制效果，Ｐａｒｋ瞄ｌ等通过使用遗传算法进在控制理论方面，ＰａｐｐｉＳ【２０】最早在交通控制领域引入模糊逻辑理论，其设计出行信号优化调整，得到最优的信号配时方案，Ａｂｄｕｎｌａｉ，ｗｉｅ咖ｄ２３Ⅱ２４】等使用再励学习的思想来设计交通信号控制系统，它可以准确的，实时的进行信号配时优化。（４）仿真技术开发应用方面计算机仿真技术在交通领域有着广泛的应用，早在上世纪５０年代，国外已经开始了计算机仿真技术的研究，７０年代，由美国研发的ＴＲＡＦ－ＮＥＴＳＩＭ模型，可以模拟单个车辆的运动，属于微观仿真模型，该模型经过多次升级，功能日渐完善，在交通管理控制领域有着广泛的应用。８０年代以来，各种交通仿真软件大量涌现，常见的有西班牙开发的ＡＭＳＵＮ，通过两种不同的仿真方式，模拟不同的交通控制交叉口，可以提供详细的数据输出网；德国ＰＴＶ公司开发的ⅥＳＳＩＭ，核心模型是心理．生理跟车模型【２６】；美国联邦公路署开发的ＣＯＲＳＩＭ，可以用于城市道路和高速公路的仿真【２７１；英国研发的ＰＡＲＡＭＩＣＳ，其可以为出行信息提供预测，并模拟驾驶员对路径费用认知的变化【２８】。这些仿真软件在全球范围内获得了广泛的应用。近年来，随着相关学科理论的不断发展，交通仿真软件功能不断完善，仿真效果也越来越好，例如模糊理论【２９】的发展为研究交通行为中的不确定行为提供了理论基础。１．２．２国内研究现状我国在交叉口信号控制方面的研究起步较晚，随着国民经济的快速发展，机动车保有量快速增长，交通问题日益严重，交通领域的研究人员进行了大量的研究，主要有：徐冬玲等【３０】鉴于交叉口系统难以用精确的数学模型来描述，将模糊控制器应用于单个路口信号灯控制，并采用神经网络进行实现，所提出的方法是实时单点控制的方法，应用于实际交叉口控制中，取得了较好效果。杨晓光【３ｌ】等结合我国城市交通的特点，分析了交叉口车辆实际运行状态，在韦伯斯特延误算法的基础上，提出了不同车道功能组合、不同车种构成、不同排队顺序等条件下的欠饱和状态车辆延误摸拟算法。顾怀中【３２】等对交叉口的延误、停车次数、通行能力等目标采用动态目标函数３北京交通大学硕士学位论文绪论同时进行优化，并采用模拟退火优化方法进行模型的求解，与韦伯斯特方法进行对比，部分指标在优化后要好于传统的方法。尹宏宾【３３】等针对交通流的不确定性和随机性，把专家系统和信号配时理论结合起来，提出了一种基于知识的信号配时方法，并通过相关软件进行实现，然后对交叉口配时进行优化。杨煜普Ⅲ】等着眼于信号控制的实时性和区域性，提出了将再励学习与遗传算法相结合的遗传再励学习方法，寻找合适的绿信比和周期，为交通信号控制提供了一种新的思路。袁以武【３５Ｊ等提出了交叉口设置有左转专用信号灯的情况下的车辆延误计算方法，分析了车辆从排队处到达停车线以及驶过停车线的整个过程，得到与之相对应的车头时距分布函数。结果表明，在欠饱和状态下，左转车比例较高时，采用文章提出的计算方法得到的延误值更接近实际情况。马万经【３６】等指出了ＨＣＭ２０００中的延误计算模型由于假设条件导致其在计算实时动态延误方面的不准确性，然后根据延误产生的机理，借助检测器建立了实时动态车辆延误计算模型，并对模型进行处理，通过使用ＶＩＳＳＩＭ仿真，所得延误结果更能够反映真实的延误，随后分析了模型的适用条件。葛亮【３７】研究了混合交通条件下的车辆延误的整个过程以及相位相序设计方案，采用层次分析法和矩阵迭代法构建信号交叉口交通评价体系，然后，采用数学方法并结合信号配时理论设计了信号配时的交通质量评价软件，并通过实际数据进行验证。黄一峰【３８】以关联交叉口群为研究对象，以停车延误为优化目标，建立了交叉口信号协调控制模型体系；以车流的离散特性为出发点，在ＤＩＩ渤ｅｒｔｓｏｎ车流离散模型的基础上，以线控系统停车延误最小为目标，建立了城市于道线控协调控制模型；在交通流力学特性、时空延续性的基础上，得出了动态关联交叉口群的概念以及量化的条件。臧利林【３９】将混沌理论应用在短时交通流预测中，为交叉口信号控制提供准确的交通流信息；在考虑了行人和非机动车的基础上，通过优化绿信比和相位，提出了单交叉口信号模糊控制算法，增加了有效绿灯时间，降低了延误；然后将ＨＣＭ２０００延误模型和ｌ己０ｂ瞰ｓｏｎ车队离散模型相结合，以平均延误为优化目标，提出了交通子区域划分的信号优化配时模型。李武胜【加】等通过使用Ｐｅｔｒｉ网系统将信号交叉口的车辆运行系统和信号控制系统结合起来，然后对各交叉口车流运行控制系统使用交叉口车流的公共状态进行组合，得到区域车流运行控制系统，最后利用Ｐｅｔｒｉ网系统对建立的控制系统进行评价，并在评价指标的基础上得到区域交通优化方法。４北京交通大学硕士学位论文绪论从国内外研究成果看，目前对于城市道路信号交叉口的配时方法的研究较多从延误，停车次数，通行能力分别进行分析，较少有同时考虑上述三个目标的研究工作。部分虽有考虑多个目标的优化方法，但是对于各目标权重的取值，具有较大的主观性，使其适用性受到限制。本文将同时选择交叉口总延误、总停车次数、总通行能力作为衡量配时方案的指标并通过建立多目标信号配时模型对城市道路交叉口信号配时进行研究，通过使用模糊偏好方法，以定量计算为主，定性分析为辅，确定各隶属度函数在单目标函数中的权重，在一定程度上避免了主观因素的影响。同时研究信号配时对交叉口燃油消耗以及尾气排放的影响。１．３研究内容与论文结构１．３．１研究内容本文主要研究城市道路交叉口信号配时方法，以延误、停车次数、通行能力作为衡量交叉口运行效率的指标，并采用基于模糊折中规划的多目标规划信号配时方法，得到合理的配时方案。主要内容概括如下：（１）论述了选题的研究背景和意义，对国内外研究现状进行回顾，介绍论文的研究内容及结构。（２）回顾了交叉口信号控制发展史。介绍了信号控制的基本概念，并通过一个例子对相关概念进行了具体的说明。介绍了三种典型的信号控制系统的工作原理。（３）分析了交叉口信号控制的三个目标（延误、停车次数、通行能力）及相关计算方法。对比了韦伯斯特延误模型和ＨＣＭ２０００延误模型中延误计算方法的异同，以及韦伯斯特通行能力模型、ＨＣＭ２０００通行能力模型和国内三种通行能力模型在计算通行能力方面的异同。（４）回顾了既有多目标规划信号配时模型，并指出了其不足之处。提出了基于模糊折中规划的多目标规划信号配时方法，并采用模糊偏好方法来计算延误，停车次数，通行能力在目标函数中的权重，最后在ＭＡ＝Ｉ’ＬＡＢ环境中采用动态加速常数协同惯性权重粒子群优化算法州ＣＰＳＯ）对目标函数进行求解，得到相应相位的有效绿灯时间。（５）将第４章提出的配时方法应用于交叉口中，并将计算的配时方案与原有配时方案进行对比，延误，停车次数，通行能力，尾气排放，燃油消耗有一定程度的改善。（６）总结论文的研究成果，并提出下一步研究的方向和内容。５北京交通大学硕士学位论文绪论１．３．２论文结构本文的重点是提出了基于模糊折中规划的多目标规划信号配时方法，并采用模糊偏好方法进行权重的确定，用粒子群算法求解，并通过实例验证，所得配时方案较之前有所改进。全文各章节具体结构关系如图１．１：图１．１论文结构图ＦｉｇＩｌｒｅｌ·ｌＳｈｌｌｃｔｕ糟ｏｆｎ圮ｄｉｓｓ嘲ｔｉ∞６北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制基本概念及典型控制系统２交叉口信号控制基本概念及典型控制系统早在１９世纪，英国伦敦首次使用交通信号灯，指挥车辆有序进出交叉口，其有红绿两种颜色，只有在夜间点燃为行人和车辆照明并安全通过路口。到１９１７年，美国出现了手动操纵的三色信号灯，随后，英国人研制出自动控制信号机，在美国和欧洲的大城市的交叉口获得了广泛的应用。早期的交通信号灯对于交叉口车辆安全有序的运行起到了很好的作用，但是随着城市交通的发展，由于原始的信号灯只有一种固定的配时方案，无法适应交叉口不同时段交通量起伏变化的情况，造成车辆的延误增加和油耗的浪费。后来，人们研制出一种新型信号机，其可以贮存不同的信号配时方案，这样可以适应一天中不同时段交通量起伏变化的特点，这种信号机是按照事先存储的时间表，在不同时段轮换执行不同的配时方案。显然，这种多段配时信号机比先前的单一配时信号机有了很大的进步，提升了交叉口的通行效率，即使在今天，这种类型的信号机也有着广泛的应用，然而这种固定方案的信号机也存在缺陷，即不能根据交叉口的实时交通量动态的进行信号灯配时方案的调整【４】。２０世纪３０年代，美国率先研制并使用了感应式信号机，其最大的优点是可以根据交叉口车辆的到达情况进行动态的信号灯配时方案的调整，但是，感应式信号灯也存在弊端，即当车辆到达量超过交叉口的通过能力时，感应控制方式失去灵活性。自２０世纪６０年代以来，计算机技术和通信技术的发展，为交通信号控制的发展奠定了坚实的基础，各国相继开始研究可以进行大范围使用的信号联动协调控制系统，并在实际中取得了很好的效果。英国学者开发的Ｔ黜蝌ＳＹＴ作为第一代区域控制系统，因其高效的控制效果，获得了广泛的推广，并被各国采用，然而，第一代区域控制系统是经过计算机程序脱机运算得到固定配时方案，不能依据道路实际情况进行实时配时调整。２０世纪７０年代，英国率先开展第二代区域控制系统的研究，并成功研制出ＳＣＯｏＴ系统。随后，澳大利亚也推出了ＳＣＡＴＳ系统，新系统克服了原系统不能动态生成配时方案的缺点，通过数据反馈自控系统，根据路网实际交通情况，使用在线计算机程序调整配时参数，得到最佳控制方案。我国各大城市也几乎都建立了区域交通控制系统。随着计算机信息技术的迅速发展，信号控制技术已经朝着智能化，信息化方向发展，形成了智能交通控制系统。７北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制基本概念及典型控制系统２．１信号控制基本概念２．１．１信号灯色（１）信号绿灯信号绿灯表示允许车辆、行人通行，车辆和行人获得通行权，常用符号Ｇ（ｓ）表示。（２）信号红灯信号红灯表示禁止车辆、行人通行，车辆和行人失去通行权，红灯启亮时，车辆禁止越过停车线，常用符号Ｒ（ｓ）表示。（３）信号黄灯信号黄灯表示提醒驾驶员，信号灯色即将变更为红灯，已越过停车线的车辆可以继续行驶，其余车辆应该在停车线后依次排队等候，常用符号彳（ｓ）表示。黄灯的设置是考虑了交叉口交通安全的要求，一般黄灯时长为３．５ｓ。（４）全红全红是指交叉口所有信号灯色均为红灯，它是黄灯时间的延续，目的是使滞留在交叉口内部的车辆安全地驶离交叉口，常用符号玎ｓ）表示。全红时间的取值与交叉口的几何条件和交通条件有关，可依据实际情况进行适当的调整。２．１．２信号相位、信号阶段这里对信号相位和信号阶段的定义以参考文献【４】作为依据。（１）信号相位信号相位是指一股或者几股车流，在一个信号周期内，任何时刻都能获得相同的信号灯色，把获得的灯色的连续组合定义为信号相位。（２）信号阶段车流通行权的每一次转换就称为一个信号阶段。信号相位是根据车流获得的信号显示时序划分的，信号阶段是根据车流获得的通行权在一个周期内的轮换次数来划分的。２．１．３信号控制基本参数（１）信号周期信号灯色交替循环显示一个回合的时间，称为一个信号周期，常用符号ａｓ）北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制基本概念及典型控制系统表示。（２）绿灯间隔时间相邻两个相位的绿灯终止时刻和起始时刻的时间差，一般包括黄灯时间和全红时间，常用符号足ｓ）表示。（３）有效绿灯时间能够被有效利用的绿灯时间，等于绿灯时间减去损失时间。（４）损失时间由于车辆启动和停车需要相应的加速和减速时间，这些不能够被利用的时间称为损失时间。（５）绿信比有效绿灯时间与周期的比值称为绿信比。２．１．４示例下面以一交叉口为例，如图２．１，对上述概念进行具体说明。（１）信号条件：该交叉口信号灯控制分为五个信号阶段，如图２．２，信号阶段ｆ的起始点和终止点分别用只和厅＋，（ｆ－１，２，３，４），信号阶段５的终止点即日。交叉口信号有六个信号相位，包括两个搭接相位，如图２．３。信号阶段与信号相位的关系：信号相位ｌ属于信号阶段ｌ、信号相位２搭接于信号阶段ｌ和２、信号相位３搭接于信号阶段２和３、信号相位４属于信号阶段３、信号相位５属于信号阶段４、信号相位６属于信号阶段５。（２）各参数的计算方法：以相位ｆ为例：失；绿信比嘶够。对于周期而言，各参数计算方法如下：有效绿灯时间为ｇｉ；损失时间为徊ｌ＋６ｆ，其中口ｊ表示启动损失，籼表示清尾损有效绿灯时间：ｇ＝∑＆（２－１）ｆ＝ｌ损失时间：￡：ｙ￡（２－２）ｆ＝ｌ９北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制基本概念及典型控制系统绿信比：ｕ＝喜吩＝喜号＝吾（２—３）图２．１交叉口示意图．．Ｉ＿———一ｙ—一一—————◆—————◆一上ＴＬ］信号阶段１信号阶段２信号阶段３信号阶段４信号阶段５图２．２交叉口信号阶段Ｆｉｇｕ∞２＿２Ｓｉｇ彻ｌｓｔａｇ骼ｏｆｉｎ觚ｅｃｔｉ∞ｌＯ北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制基本概念及典型控制系统町忤一］广什６，西真·相位２－＿＿＿ｌＩｌｌＩｌ＿＿ＩｌＩＩ—Ｉ——＿Ｉ【】＿ｌｌ＿＿ｌ＿Ｉ＿＿＿＿ｌｌＩｌｌ＿＿＿ｌｌ＿＿ｌ＿ｌ＿＿＿＿＿ｌ东直·相位ｌ－—－Ｉｌｌｌ—Ｉｌ重童Ｉｌ＿＿＿＿ｌ＿＿■■＿＿＿＿Ｉ＿＿＿＿ＩｌｌｌｌＩ＿＿＿＿＿＿■ｌ＿ｌ＿＿＿＿Ｉ丙左，相位３＿＿＿＿Ｉｌ＿ｌ＿＿ｌｌＩ＿－＿＿ｌ—Ｉ＿—ｌ＿＿＿＿—＿＿＿［ＩｌＩＩＩ＿ｌｌ＿＿＿＿＿＿ｌ＿＿ｌｌ＿■■●东左，相位４南北直，相位５Ｉｌｌ＿＿＿＿＿＿＿Ｉｌ＿ＩＩｌ＿＿ｌＩ＿＿＿＿ｌ—＿ｌｌ＿ｌ＿［—＿ｌ＿＿ｌＩ＿ｌｌ＿ｌＩ＿＿＿＿＿＿＿ｌ南北左ｔ相位６［－Ｉ＿ｌ－＿ｌｌ＿＿＿＿＿＿ｌ＿＿ｌ＿ｌ＿＿＿ｌ＿＿ｌ＿ｌ＿＿＿＿＿ｌ＿ｌ＿＿ｌ＿ｌｌ＿ｌｌ圈＿ｌｌ——＿＿图２．３交叉口信号配时图Ｆｉｇｕ∞２·３ｌ＿ｌｌｌＩ＿—ｌｌ＿＿＿＿＿Ｉｌｌ＿＿ｌｌ＿＿＿ｌ＿ＩｌｌＩＩｌｌＩｌ＿ｌｌＩ＿Ｉ＿＿【】ｌｌ＿＿＿＿ｌｌｌＤｉａ黟衄ｏｆｉｎｔＩ懿ｅｃｔｉ蛐ｓｉｇｍｌｉｉｌｎｉｎｇ２．２典型信号控制系统２．２．１ＴＲＡＮＳⅥ．系统１１ＲＡＮＳＹＴ是用于路网信号协调配时设计的一种方法，最初由英国道路运输研究所提出，经过多年的改进，在世界范围内获得了广泛的应用，目前最新版本是ｌｌ版。１１ＲＡＮＳＹＴ属于脱机操作的固定配时系统，主要由优选方法和交通模型组成如图２＿４，对已知交通状况的交叉口，给出合适的配时方案。１ｒＩ乙蝌ＳＹＴ把包含多个参数的运行指标（油耗、延误、停车次数等）作为优化目标函数，其可靠程度和预测准确度自然要高于仅以延误时间作为唯一目标函数的传统方法。ＴＲＡＮＳＹＴ的交通模型在确定最优配时方案时，选择“爬山法”作为计算方法，充分反映了车流的运动特点和相互之间的影响。ＴＲＡＮＳＹＴ方法中有如下几条基本假设【５２】：（１）在路网上，所有交叉口均由信号灯控制（或由优先通行权控制）。（２）在仿真的路网范围内，所有信号灯交叉口，均使用一个相同的信号周期长度；或者，某些交叉口采用相同周期长度的二分之一作为它的信号周期。每个交叉口信号阶段划分情况以及各信号阶段的最短时间是相同的。北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制基本概念及典型控制系统图２—４ＴＲＡＮＳⅥ．工作原理图ＦｉｇＩｌ∞２－４Ｄｉａｇ舳ｏｆＴＲＡＮＳＹＴｗｏｒｋｉｎｇ研ｎｃｉｐｌｅ２．２．２ＳＣＡＴＳ系统ＳＣＡＴＳ【５３】控制系统是一种实时自适应控制系统。该系统是自７０年代开始研究，并于８０年代初投入使用。最初应用于澳大利亚悉尼市，故而得此名。目前，我国的上海等城市采用了ＳＣＡＴＳ系统。这一系统是由澳大利亚新南威尔士干线道路局的西姆斯（Ａ．ＧｓｉＩＩｌｓ）等人开发的，实际上也是一种实时配时方案选择系统。诬姆斯等人为ＳＣＡＴＳ系统寻求一种能最大限度地减少路网上车辆的延误时间和停车次数的配时参数优化“算法’’，用以对三项基本参数—信号周期、绿信比及相位差进行优选。诚然，在目前的ＳＣＡＴＳ系统中，并没有使用模拟实时交通的数学模型，但它却也有一套以实时交通数据为基础的“算法＂，用于实时方案选择。按不太严格的归类方法，这种系统也可算作一种实时反馈控制系统。ＳＣＡＴｓ为分层式三级控制结构，包括：中央监控中心，区域控制中心，信号控制器，如图２．５。中央监控中心既需要集中监视整个系统的运行状况以及工作状态，又需要动态存储区域控制中心的数据和信号控制器的运行参数。区域控制中心对信号控制器进行实时控制，把１．１０个信号控制器作为子系统，依据实际交通情况，子系统既可以合并又可以分开，非常灵活。１２北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制基本概念及典型控制系统中央监控中心卜－＿１交通管理数据剧区域控制中心＼＼区域控制中心区域控制中心／子控制区．子控制区一＼子控制区／Ｉ子控制区＼子控制区ｌ子控制区ｌ／占』］八卜ｌＯ个信号控制器图２．５Ｓａ虹Ｓ控制系统结构Ｆｉ目ｌ∞２－５ＳＣＡｒＳｃ∞臼的ｌｓｙｓｔｅｍｓ佃ｌ曲ｌ∞仙扑Ｉ卜ｌＯ个信号控制器２．２．３ＳＣＯＯＴ系统ＳＣｏｏＴ控制系统也是一种实时自适应控制系统，由英国ＴＲＲＩ．开发：该系统将车辆检测器安装在交叉口各进口道的最上游，将采集到的车辆到达信息，进行联机处理，形成控制方案，在线实时地调整信号参数（相位差、周期、绿信比），得到最佳的配时方案，使之匹配于实际道路的交通状况，如图２．６。此外，ＳＣｏＯＴ还有专门的监测系统，既可以检测出故障，又可以将交叉口的实时的信号配时方案和车辆运行状态输出在终端设备上，提供给操作人员。ｌ蹯塑士买时趸理婆塾．广—一对蹯网执行弪铡二三矗；、毫磊一一］一一一ｌ一一１磊面Ｉ车流检测及数据处理－Ｉ交通模型Ｈ配时参数优选匿通鑫面面事匝盎司土雪西。ｌ堕匦Ｉ婴雪煎Ｉ叠壅系统监测图２＿６ＳＣＯｏＴ控制系统结构Ｆｉｇｕｒｅ２－６ＳＣｏｏＴｃ蚀缸．ｏｌ１３ｓ），ｓｔＩ锄ｓ仇】蛐山屯北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制基本概念及典型控制系统２．３本章小结本章首先回顾了信号控制的发展历程，由单点控制发展到区域联动控制，由固定配时控制发展到实时动态信号控制，取得了长足的进步．介绍了信号控制的基本概念：信号灯色、信号相位和信号阶段、信号控制的基本参数。并通过示例对其进行说明，尤其对信号相位和信号阶段这两个较易混淆的概念进行区别。分析比较了三种典型的信号控制系统ＴＲＡＮＳＹＴ、ＳＣＡ＝Ｉ’Ｓ、ＳＣｏＯＴ的基本原理，ＴＲＡＮＳＹＴ是一种脱机的控制系统，不能够实时的根据交通状况进行信号配时的调整，而ＳＣＡＴＳ、ＳＣｏｏＴ弥补了这一不足，二者属于实时自适应系统，可以根据实际交通状态，通过内置的交通模型和优化算法，实时地生成最佳信号配时方案。１４北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制目标分析３交叉口信号控制目标分析交叉口信号控制目标包括延误，停车次数，通行能力，饱和度，油耗，尾气排放，噪音，运营成本等。这些目标中的基本量仅包括延误，停车次数，通行能力，饱和度。其他的量均可以由这四个基本量导出。因此本章重点介绍延误，停车次数，通行能力的推导过程及计算方法，并比较不同计算方法之间的异同。３．１延误分析延误是指由于道路与环境条件、交通干扰以及交通管理和控制设施等驾驶员无法控制的因素而引起的行程时间损失。延误一般分为路段延误和交叉口延误。而交叉口延误又分为引道延误和交叉口内部冲突延误。相对于无信号交叉口，信号控制交叉口由于信号灯的周期性变化导致不同方向的车辆周期性的停驶，造成延误。通过国内外学者的大量研究，得出的延误计算公式表明，信号配时是影响交叉口车辆延误的主要因素。美国道路通行能力手册以平均车辆延误作为交叉口服务水平评价的唯一指标，而国内尚没有自己的交叉口服务水平划分标准。因此，深入的研究信号控制交叉口的车辆延误特点，可以为我国制定科学有效的城市交通管理方案提供良好的理论基础。３．１．１车辆在交叉口的受阻过程分析（１）受阻过程描述车辆到达交叉口的时间间隔和到达停车线的车辆数是不确定的，随机变化的。在各信号周期内，红灯期间到达的车辆，自然需要停车排队等候，而绿灯期间到达的车辆，可能由于上个周期内红灯期间车辆没有全部驶离停车线，也会减速排队等候。图３．１描述了车辆受信号灯控制在停车线前后的行驶轨迹【４２１。车辆由于受到红灯影响，在到达停车线前一段距离就开始减速，车速由正常行驶速度降为零，一段时间后，车辆重新启动，通过加速，车速恢复到正常速度。北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制目标分析图３．１受阻车辆行驶时间．距离示意图Ｆｉｇ嗽３－ｌ各符号意义如下：Ｄｉａｇｒａｍｏｆｂｌｏｃｋｅｄｖ出ｃ妇６ｍｅ碰蛐ｃｅ乞？正常行驶时间，即不受信号控制时的行驶时间：西车辆总延误时间；ｃ车辆行驶总时间。ｔ＝ｔｃ＋ｄ（３－１）乇，如？分别为车辆在减速阶段和加速阶段花费时间；厶、如？分别为车辆在减速阶段和加速阶段行驶距离；４７车辆完全停车时间；磊，西？分别为车辆在减速阶段和加速阶段产生的延误；么：车辆在减速和加速阶段产生的总延误。ｄｋ＝ｄ４＋ｄｂ（３－２）（２）完全停车与不完全停车车辆在交叉口处的行驶状况有以下三种【４】：第一种：车速从正常行驶速度％降为零（加速度为口，），然后立即加速（即没有怠速阶段，加速度为口２），直至恢复至正常速度，延误计算公式为：ｄ＝吒＋ｔ＝西＋ｏ＝％／２（１／口。＋矿吃）１６（３．３）北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制目标分析第二种：车速从正常行驶速度降为零，然后有一定的怠速时间４，再恢复至正常速度，延误计算公式为：ｄ＝反＋吃＝喀＋唾＝圪／２（ｙｑ＋驴吃）＋４（３ｑ第三种：车速从正常行驶速度％降为某一个非零值％，，然后加速，直至恢复至正常速度，延误计算公式为：．ｄ＝（％一％．）／２（１／ｑ＋ｌ／口２）前两种情况称为一次完全停车，第三种情况称为不完全停车。（３．５）３．１．２既有延误计算理论交叉口常用的延误计算方法主要有：稳态理论，定数理论，过渡函数理论，ＨＣＭ理论。（１）稳态理论稳态理论也称为欠饱和理论，其前提是交叉口的饱和度要足够低，即车辆到达率远小于通行能力。稳态理论是基于以下假设的【４】：①车辆到达率在一定时间段内维持稳定②交叉口进口断面的通行能力为常数③车辆因信号阻滞产生的行车延误和到达率具有相关关系，此关系在研究时间段内不发生变化④整个研究时间段内，车辆的到达和离去是平衡的，但不排除个别周期出现过饱和现象。基于上述假设，韦伯斯特给出了欠饱和状态下延误计算公式：扛筹＋去＿ｏ．６５（耖严２（１一少）２９（１一曲（３－６）、９２西相位的平均车辆延误；ｅ周期；“玮ｊ位绿信比；ｙ？相位流量比；１７北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制目标分析ｒ相位饱和度；ｇ？相位车流到达率；公式的第一项是正常相位延误，后两项是考虑了车流在个别周期内可能出现过饱和现象时产生的随机延误。（２）定数理论定数理论也称为过饱和理论，其适用于过饱和的交叉口，即车辆到达率大于通过能力，而产生排队现象【４１。定数理论是基于以下假设的：①车辆到达率在＿定时间段内维持稳定②在研究时间段的初期，不存在车辆排队现象③信号配时为固定配时，在研究时间段内车辆通过能力为常数④排队长度随时间增加而线性增加，直到研究时间段的末期，处于欠饱和状态，经过一段时间后，排队现象消失。过饱和状态下的计算公式为ｄ：垦＋丝２ｇ（３—７）其中：Ⅳ：垒二１２丝２（３—８）Ｒ？红灯时间；Ｍ平均过饱和滞留车辆数；９通行能力；乃过饱和持续时间；（３）过渡函数理论稳态理论适用于饱和度较低的情况，而定数理论适用于饱和度大于１的情况，因此，研究人员试图寻求一种把这两种情况结合在一起的计算方法，形成了过渡函数理论，计算公式如下：ｄ＝ｄ。＋ｄｏ（３－９）北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制目标分析ｄ—Ｊ掰∥－扣偿＝’【ｉＪ”（３一１０）（３一１１）誓＝戡＋‘一＋器］＿Ｉ声强（３－１２）（３－１３）肚长谚车辆总延误：吮？正常相位延误；而？随机与过饱和延误；＆饱和流率；Ｇ？有效绿灯时间；厶“一‘∑托（３－１４）Ｄ？交叉口每辆车的平均延误；（４）ＨＣＭ理论ＨＣＭ２００∥３１在计算延误之前，先进行车道组的划分，接着对所有的车道组进行平均车辆延误计算，进而计算交叉口的各进口道以及交叉口的延误，具体计算公式如下：４＝ｄｌ＋ｄ２（３－１５）码２可葫Ｊ—Ｏ．５Ｃ（１一”）２（３－１６）以＝９。。丁［ｃｘ一－，＋√云磅］１９ｃ３．·７，北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制目标分析以２军喀衫军ｇ，Ｄ＝∑丸乳／∑吼』，Ｊ．（３－１８）（３－１９）西？车道组ｆ的每辆车平均停车延误；西？均匀延误；西？增量延误；Ｄ周期；甜？车道组的绿信比；苁车道组的饱和度；乃分析期时间；勋控制设置系数；厶上游过滤／计量修正系数；９车道组的通行能力；也？引道彳的延误；缈？车道组ｆ的校正流量；Ｄ？交叉口每辆车的平均延误；劬？引道彳的校正流量；上述是假定车辆为随机到达的情况下的车均延误，其中西是假定车辆为均匀到达所产生的延误，西是超过均匀到达的基础上，车辆产生的增量延误以及附加延误。然而，多数情况下，受到信号联动和其他因素的影响，车辆并不是随机到达的，此时，还要在上述计算公式中乘以一个修正系数，即相位联动校正系数ＰＦ，ＨＣＭ给出了在不同饱和度下、不同到达类型时的ＰＦ值。经研究，当工小于ｌ时，上述公式可以得到合适的结果，当ｘ大于ｌ时，结果偏差较大，应该寻找其他方法。计算引道延误时，是对各个车道组根据校正流量进行加权平均的，计算交叉口延误时，是对各引道延误依据校正流量进行加权平均的。３．１．３不同延误计算理论的比较分析过渡函数理论与ＨＣＭ理论的比较（１）平均延误包含的延误项过渡函数理论计算公式包括了正常延误，随机延误和过饱和延误。ＨＣＭ理论计算公式包括了正常延误，增量延误（即随机延误），没有给出过饱北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制目标分析和延误的计算公式（２）正常延误计算方法过渡函数理论在正常延误计算中以分段函数的形式给出了饱和度小于ｌ和饱和度大于ｌ两种情况下的延误。ＨｃＭ理论正常延误计算公式与过渡函数理论计算公式基本相同，只是其规定饱和度最大值为１，当超过ｌ时，饱和度仍取ｌ。（３）随机延误计算方法过渡函数理论认为，群％时，随机延误和过饱和延误均为零；而铘ｌ时，开始出现随机延误，过饱和延误仍为零；当驴ｌ时，既有随机延误又有过饱和延误。ＨＣＭ理论中的增量延误即随机延误，其计算公式中考虑了信号控制器的影响因素和上游信号联动导致车辆到达的增量延误。（４）交叉口延误基本组成部分过渡函数理论是以相位的延误为基本组成部分，然后对相位延误按照流量进行加权平均，得到交叉口的平均延误。ＨＣＭ理论是以车道组的延误为基本组成部分，由车道组的延误相加得到各进口的延误，进而再得到交叉口的平均延误。从实用角度考虑，ＨＣＭ的计算方法相对简单并且容易理解。（５）适用范围过渡函数理论综合了欠饱和和过饱和两种状态下的延误，将其用一个统一的公式计算。ＨＣＭ理论仅给出了饱和度小于１情况下的计算方法，对于过饱和现象，其没有给出具体的计算方法，不过，其考虑了信号联动对车辆到达的影响，并给出了在不同饱和度下、不同到达类型时的相位联动校正系数。将对比结果整理为表格３．１：表３．１不同延误计算方法比较１’ａｂｌｅ３－ｌＣＯＩｎｐ撕ｓ∞ｏｆｄｉ彘嗽ｌｔｃａｌｃＩｌｌａ６伽ｍ劬ｏｄＳ过渡函数理论ｄｅｌａｙＨＣＭ理论正常延误，增量延误（即随机延误）饱和度大于１时，仍取ｌ平均延误包含项正常延误计算方法正常延误，随机延误，过饱和延误同时考虑了饱和度大于ｌ、小于ｌ两种情况工瓴时，随机延误计算方法延误基本组成部分适用范围只有正常延误：ｘ再“ｌ时，开始出现随机延误；考虑了信号信号联动的影响车道组延误主要适用于欠饱和状态ｐｌ时，开始出现过饱和延误。相位延误综合欠饱和、过饱和两种状态下的延误２ｌ北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制目标分析３．２停车次数分析３．２．１停车率概念在信号控制交叉口，停车次数也是衡量交叉口运行的一项重要指标，在信号配时合理的交叉口，车辆在经过交叉口的时候，停车次数也较少，而在一个信号配时不合理的交叉口，车辆时走时停，停车次数大幅增加，车辆延误也迅速增加。停车次数即一个信号周期内完全停车的次数，一些学者建议将不完全停车次数折算为一定量的完全停车次数。停车率即每辆车的平均停车次数，可以用下式表示：ｈ＝ｄｆｄｈ（３－２０）ＪＩｌ？停车率；西车辆总延误；磊？车辆减速．加速延误（即不完全停车延误）；上式表明任何一次停车（包括完全停车和不完全停车）都会包含有减速加速的过程，也都会有磊的存在。３．２．２停车率计算与延误计算的理论类似，停车率计算理论也可以分为稳态理论，定数理论，过渡函数理论，下面分别介绍三种理论的计算公式‘４】【４２１。（１）稳态理论停车率计算方法㈣．吼号＋嘉，（３－２１）Ⅳ：—Ｌ２（１一曲（３－２２）七：二！：型二兰２垣（３－２３）＾？某相位停车率；“？某相位绿信比；北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制目标分析ｙ？某相位流量比；Ｍ在不饱和交叉口，某相位的平均滞留车辆数；ｇ？某相位到达率；Ｄ周期；ｒ饱和度：＆某相位饱和流率；（２）定数理论停车率计算方法ＪＩＩ：ｌ＋旦册其中：Ⅳ：垡二！迪２Ｊ｜Ｉ？某相位停车率；地某相位平均过饱和滞留车辆数：＆某相位饱和流率；Ｇ？某相位有效绿灯时间：工？某相位饱和度；９通行能力；ｏ研究时间段；（３）过渡函数理论停车率计算方法：Ｊ｜Ｉ＝厂（吃＋吃）其中：氏＝謦１吃：泐川，＋一卜【ｏ，石＜而（３—２４）（３－２５）（３—２６）（３－２７）ｐ２８，北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制目标分析卢考虑完全停车而设置的系数；ＪＩＩⅣ？正常阻滞时的停车率；ＩｊＩｏ？随机与过饱和时的停车率；３．３通行能力分析信号交叉口的通行能力是指在一定的道路条件和交通管制条件下，某一入口车道单位时间内所能通过的最大交通量，以车道为基本单位。在计算通行能力时，饱和流量是一个最关键的参数，因此，在计算通行能力前，先对饱和流量的概念进行简单说明。ＨＣＭ２０００对饱和流量的定义为：假设整个小时都是有效绿灯信号，并且车流在不间断的条件下，每小时每条车道通过交叉口的车辆数，定义式为：Ｓ＝３６００／五（３·２９）。受饱和流量（辆／绿灯小时／车道）；ＩｊＩ？饱和车头时距（ｓ）；３．３．１既有通行能力计算理论国内外学者对交叉口通行能力已经做了广泛的研究，取得了大量的成果。下面介绍几种被广泛应用的方法。（１）国外通行能力计算方法①ＨｃＭ方法ＨｃＭ在对通行能力进行计算前，先将交叉口各进口道划分为若干车道组。然后计算各车道组的通行能力。公式如下１４３１：Ｑ＝Ｓ·甜（３－３０）其中：ｕ＝ｇ｜Ｃ（３—３１）ｓ＝ｓ娜。ｌ吖ｌｇｆＰｌ嘶ｌＪ盯｛惯（３－３２）其中：北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制目标分析Ｑ？车道组的通行能力；＆车道组的饱和流量；“？车道组所属相位的绿信比；ｇ：车道组所属相位的有效绿灯时间；Ｄ信号周期；＆嘻：道组理想条件下的饱和流量，一般取１８００辆／绿灯小时／车道；肛车道组包含的车道数；．届？车道宽度的校正系数；向？重型车的校正系数；詹进口道的引道坡度校正系数；．肛邻近车道组停车状况以及车道停车次数的校正系数；‰？公共汽车在交叉口范围内对车流阻塞影响的校正系数；．后？地区类型校正系数；五Ｆ车道组中包含的右转车辆的校正系数；五Ｆ车道组中包含的左转车辆的校正系数；ＨＣＭ认为整个交叉口的通行能力的概念并不重要，因为交叉口很少发生所有流向在同一时刻达到饱和的情况，故没有直接给出专门的计算方法，而是使用交叉口的饱和度来表征整个交叉口的通行能力，计算公式如下：石２军玉２军妻２军南２驯跏矗屉交叉口的饱和度。麓？车道组ｆ的饱和度５ｇｆ？车道组ｉ的到达率；９７车道组ｆ的通行能力。Ｓ？车道组ｆ的饱和流率。盛？车道组ｆ所属相位的有效绿灯时间；Ｄ周期；口３３，￡？周期总损失时间；②韦伯斯特方法韦伯斯特方法先计算相位通行能力，然后再对整个交叉口的通行能力进行计算。相位通行能力计算公式如下：北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制目标分析Ｑ＝ｓ·（ｇ／ｃ）Ｑ埔ｊ位的通行能力；＆相位的饱和流率；ｇ？相位的有效绿灯时间；Ｄ周期；（３—３４）此方法给出了交叉口具有足够的通行能力所具备的前提条件：∑只＜∑咋ｊｆ（３－３５）上式等价于Ｘ＜１（３·３６）卵哺ｊ位的流量比；蜥？相位的绿信比：足交叉口的饱和度；（２）国内通行能力计算方法国内的计算方法的核心仍是Ｑ＝Ｓ·“＝Ｓ·（ｇ／Ｃ）（３·３７）然后结合国内实际情况，对上述公式进行修正。目前应用较广泛的有三种【删：①《城市道路设计规范》推荐的方法其规定：十字交叉口的设计通行能力等于各进口道设计通行能力之和。将车道划分为七种类型，即直行、专左、专右、左右转合用、直左、直右、直左右。然后给出各种类型车道通行能力的计算公式。下面仅说明直行车道的通行能力，其他类型车道的通行能力基本是在直行车道的基础上进行修正。一条直行车道的设计通行能力计算公式：Ｑ＝等（孚＋·卜Ｑ：直行车道的设计通行能力：Ｄ周期；（３－３８）北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制目标分析。绿灯时间；如？绿灯亮后，头车驶过停车线的时间；☆：直行或右行车辆驶过停车线的平均时间；矽：折减系数，取Ｏ．９；②停车线法停车线法规定：以进口道处车道停车线为判断标准，当车辆通过停车线就认为是通过交叉口。计算公式如下：一条直行车道的通行能力为：Ｑ＝等×孚Ｑ？车道通行能力；Ｄ周期：鬈绿灯时间；（３—３９）耻绿灯损失时间；白？平均车头时距；其他车道的通行能力计算基本思路与直行车道类似，此处不再给出。③冲突点法根据对信号交叉口的实际观察可知，对交叉口通行能力起关键作用的是交叉口内部的冲突点，尤其是在两相位的交叉口，冲突点成为制约交叉口通行能力的主要因素。我国学者根据实际情况，提出了计算车辆通过冲突点的通行能力的方法即冲突点法。整个交叉口的通行能力为：Ｑ＝等×∑（竿＋ｍ）９交叉口通行能力。Ｄ周期；Ｇ．．绿灯时间；ｃ３删口。？车辆穿越空档导致的损失时间；∥：有、无专用左转车道时的得、失时间；ｋ：车辆通过冲突点的安全车头时距；朋？进口道直行车道条数；北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制目标分析３．３．２不同通行能力计算理论的比较分析（１）各种通行能力计算方法的基本思想相同上面介绍的国内外的各种计算方法，其基本思想都是：通行能力等于饱和流量与绿信比的乘积。在此基础上根据实际情况进行相应修正和变形。（２）ＨＣＭ理论与韦伯斯特理论的计算方法的比较二者计算通行能力的基本对象不相同：ＨＣＭ理论在计算通行能力之前，先对各进口道进行车道组的划分，然后计算各个车道组的通行能力；韦伯斯特理论则是把相位通行能力作为计算交叉口通行能力的基本单位，而相位通行能力即关键车道的通行能力。在计算交叉口通行能力时，ＨＣＭ理论认为整个交叉口的通行能力的概念并不重要，因为交叉口很少发生所有流向在同一时刻达到饱和的情况，因此不对交叉口的通行能力进行计算，而是使用交叉口的饱和度来表征整个交叉口的通行能力；韦伯斯特理论认为交叉口的通行能力是各关键相位通行能力之和，同时也认为交叉口的饱和度小于１时，交叉口才具有足够的通行能力，这与ＨｃＭ理论是一致的。（３）ＨＣＭ理论与国内理论计算方法的比较二者计算通行能力的基本对象是不相同的：ＨＣＭ理论是计算车道组的通行能力；而国内的方法是计算单一车道的通行能力。二者的计算公式是不相同的：ＨＣＭ理论中车道组的通行能力即实际饱和流量与绿信比的乘积，并且实际饱和流量是对理想饱和流量折减得到的；而国内理论计算单一车道的通行能力时，是分车道类型在直行车道通行能力的基础上进行折减计算的，也即二者的折减对象是不相同的。ＨＣＭ理论的计算公式形式统一简洁，国内理论的计算公式因车道类型不同而不同，较繁琐。有鉴于此，本文在后续计算通行能力时，采用了ＨＣＭ理论的方法。（４）国内理论计算方法的比较国内计算通行能力的方法主要有：《城市道路设计规范》的方法（以下简称规范法），停车线法，冲突点法。三者的计算方法均是根据国内的实际情况，对基本公式进行相应的变形，得到各自的计算公式。规范法和停车线法的计算公式较为接近，分别讨论了在许可和保护相位下的直行车道，转弯车道和合用车道的通行能力的计算方法。停车线法和冲突点法的最大的区别是计算的出发点不同，前者认为车辆驶过停车线，可算作进入交叉口，便可以不受阻滞的通过；后者认为车辆进入交叉口后，可能会和其他方向的车流发生冲突（主要是直行车和左转车），导致通行能力受北京交通大学硕士学位论文交叉口信号控制目标分析到影响。停车线法没有考虑车辆通过停车线进入交叉口以后再次受阻滞的情况，在左转车和对向直行车共用一个相位的情况下，按照停车线法计算的结果显然不符合实际情况。而冲突点则考虑了左转车和对向直行车在同一个相位时的冲突情况，并给出了具体的通行能力计算公式，不过，对于因直行车与直行车之间，直行车与右转车之间冲突对通行能力的影响，并没有给出具体的计算公式。３．４本章小结本章介绍了交叉口控制目标的基本量：车辆延误，停车次数，通行能力的概念以及计算方法，并对比了不同计算方法之间的异同。首先，介绍了延误的定义：延误分为路段延误和交叉口延误，交叉口延误又分为引道延误和交叉口内部冲突延误。分析了车辆在交叉口的受阻过程，结合受阻过程，区别了加减速延误和停车延误，完全停车和不完全停车的概念。介绍了稳态理论，定数理论，过渡函数理论，ＨＣＭ理论中延误的计算方法，分析了过渡函数理论和ＨＣＭ理论关于延误计算的异同：过渡函数理论计算公式包括了正常延误，随机延误和过饱和延误，ＨＣＭ理论计算公式包括了正常延误，增量延误（即随机延误），没有给出过饱和延误的计算公式；过渡函数理论是以相位的延误为基本组成部分，然后对相位延误按照流量进行加权平均，得到交叉口的平均延误，ＨＣＭ理论是以车道组的延误为基本组成部分，由车道组的延误相加得到各进口的延误，进而再得到交叉口的平均延误。其次，对停车次数进行分析，介绍了停车次数和停车率的概念，以及稳态理论，定数理论，过渡函数理论中关于停车率的计算方法。最后，介绍了通行能力的定义。分析了既有通行能力计算理论：国外的ＨＣＭ方法、韦伯斯特方法，国内的《城市道路设计规范》的方法（以下简称规范法），停车线法，冲突点法。对比了这些方法之间的异同：通行能力计算方法的基本思想相同：通行能力等于饱和流量与绿信比的乘积；通行能力的基本计算对象不相同：ＨＣＭ方法以车道组的通行能力作为基本计算对象，而韦伯斯特理论则是相位通行能力、国内的方法是以车道的通行能力作为基本计算对象。北京交通大学硕士学位论文多目标规划配时模型及求解方法４多目标规划信号配时模型及求解方法韦伯斯特理论将延误时间作为信号配时唯一的优化目标，并没有考虑其他目标，诸如停车次数、通行能力、燃油消耗、尾气排放等，这可能导致延误最优时，其他目标并非最优。因此在信号配时中，有必要将多个目标同时进行优化，选择一个较为折中的方案，使得各个目标取值都在合理范围之内。４．１既有多目标规划信号配时模型方法４．１．１既有多目标信号配时模型方法概述国内外学者对信号配时多目标优化做了大量研究，取得了较多的成果，基本思想大多是将要优化的多个目标函数通过相应的数学变形合在一起，化为单目标函数进行求解，较为典型的方法有：（１）澳大利亚学者阿克塞立【４】同时对停车次数和延误这两个目标进行优化，然后合在一起，化为单目标函数，作为评定信号配时的综合指标，即“运行指标＂。其可认为是早期对韦伯斯特方法的一次成功的修正，运行指标可以用下式表示：ＰＩ＝Ｄ＋Ｋ．Ｈ（禾１）Ｄ？车辆总延误时间；胁车辆总停车次数；艮停车补偿系数；随着足值的增加，延误时间增加，而停车次数减少，反之亦然，一般当尽－２０时，可以使得丹值最小。在实际应用中，需根据实际情况，确定Ｋ值，得到合适的延误值和停车次数。由此可见，设计者可以根据自己对延误时间和停车次数的关心程度，灵活地调节停车补偿系数Ｋ，得到不同的配时方案。（２）国内学者顾怀中【３２１、颜艳霞【４５】将相位平均延误，相位平均停车次数，相位通行能力三个指标化为一个单目标函数同时进行优化，基本模型为：ｍｉｎ／（ｇｆ）＝∑｛啦ＪＤ：｝＋屈Ｅ一乃Ｑ｝ｊ＝ｌ降２）北京交通大学硕士学位论文多目标规划配时模型及求解方法ｇｊ：相位ｉ的有效绿灯时间；觑：相位ｆ的平均延误；昂：相位ｆ的平均停车次数；９：相位ｆ的通行能力；％：相位ｆ的平均延误的权重值；厦：相位ｆ的平均停车次数的权重值；九：相位ｆ的通行能力的权重值；依据交叉口高峰和平峰期间对上述三个指标的不同关心程度，可取不同的权重值，然后分别采用模拟退火算法和蚂蚁算法求解，得到结果与韦伯斯特方法进行比较，部分值有所优化。４．１．２既有方法不足分析上述方法较韦伯斯特方法有所改进，但也存在不足之处：①阿克塞立方法考虑因素较少，没有考虑通行能力，油耗，尾气排放等因素，而且没有给出Ｋ值的具体计算公式，只进行了定性的说明。②顾怀中、颜艳霞的方法对于权重的取值，具有一定的主观性而且计算较为复杂，文章并没有给出具体的权重推导过程，只是定性的说明了影响权重的因素，其适用性受到限制；此外，式子件２）各项的绝对值大小相差较大，导致各个指标对单目标函数的影响有所不同，灵敏度不同。③上述方法中各指标的量纲不同，并且没有化为相同的量纲，合在一个函数中进行优化，不够合理。４．２基于模糊折中规划的多目标规划信号配时模型４．２．１信号配时模型构建本文把交叉口的总延误，总停车次数，总通行能力三个目标作为优化对象，采用模糊折中规划方法对三个目标进行无量纲处理，使其值均在（Ｏ，１）之间，然后合为一个单目标函数，并采用粒子群算法进行求解。下面是信号配时中需要优化的各个目标函数的表达式（以各相位的有效绿灯时问作为自变量）：３ｌ！匕京交通大学硕士学位论文多目标规划配时模型及求解方法假设交叉口信号有刀个相位，则一个周期内交叉口的总延误的最小值（用彳表示）可以表示为（４＿３）：ｎｌｉｎ彳＝∑吼叫ｌ－ｌ＝吼二一＝吼壬：竺２盟“垫狮虹∽随ｈ吒一。∥一蚶玎一０２善耕一÷∥（，一鲁）２＝∑ｊ＝Ｉ２（卜只）＝∑ｆ雩ｌ２（１一乃）一个周期内交叉口的总停车次数的最小值（用曰表示）可以表示为（４ｑ：ｍｉｎ曰＝∑囊吼ｃ＝扣隅≯ｃ＝ｙｏ．９Ｊ－１．，’ｆｌｌ斟ｃＣ１一只广毒．一荨ｒ主（＆＋ｌ：ｆ）１＼ｆ＝ｌ／３２（４＿３）（４４）北京交通大学硕士学位论文多目标规划配时模型及求解方法一个周期内交叉口的总通行能力的相反数最小值（用Ｃ表示）可以表示为（４＿５）：ｎｌｉｎｃ＝∑（电）ｆ＝Ｉ＝∑（一墨咋）＝喜（吲刳＝∑ｌ－ｓ（鲁）Ｉ（４－５）ｆ＝Ｉ＼ｏ／一七：弋广一ｓｉｇｉ二！￡墨一扭１［∑（蜀＋‘）】上述三个目标函数的约束条件均为：＆≥ｇ，曲，ｌ≤ｆ≤万豇｛窆（岛＋‘）≤ｃｒ雌（禾６）邪翥≤吃ｇｔｆ乙最后将各个目标函数化为一个形如式子（４．７）的单目标函数进行求解厂＝／（彳，曰，ｃ）（４．７）４．２．２模糊折中规划的多目标规划方法基本思想模糊折中规划方法可以有效的解决多目标规划优化问题，其首先计算可行解与理想解之间的距离，然后将可行解中与理想解距离最近的解作为最优解，进而达到整体最优。这种方法的优点在于经过变形可以将不同量纲的函数化为无量纲函数，并且经过相应的变换，将多个目标函数的取值限定在Ｏ到ｌ之间，使得各个函数对单目标函数的影响由权重系数决定【蛔１４７】【４８】。４．２．３模糊折中规划的多目标规划在信号配时中的应用本节结合信号配时阐述模糊折中规划的多目标规划的具体步骤：３３北京交通大学硕士学位论文多目标规划配时模型及求解方法（１）将各目标函数转换成标准形式：前面已经将各目标函数转化为最小值的标准形式，见式（４－３）（４－４），（．４．５）（２）求出各目标函数单独在约束条件下由最小值组成的理想值向量‰：ｋ＝（而，屯，毛）５‰，‰，Ｃ二）件８）求出各个单目标函数单独在约束条件下由最大值组成的反理想值向量蜀蛾：工二＝（五，恐，屯）＝Ｉｒ４嗽，‰，Ｃ。）（３）按照下式定义各单目标函数的隶属度函数：（４＿９）沁陲誊则函数么的隶属度函数为：（禾１０）（４—１１）ｆｌ彳≤缸铲｛老壬厶“＜ｋ【ｏ缸≤彳函数曰的隶属度函数为：㈣，吃：｛筹‰＜曰＜钆ｆ１‘ｌ‰一ｋＩｏ函数Ｃ的隶属度函数为：哪口≤‰一（４－１３）ｒ～７‰≤曰鸭－｛器气“＜‰ｌｏｃ眦≤ｃｆｌｃ≤％…，北京交通大学硕士学位论文多目标规划配时模型及求解方法（４）将多目标函数转化为单目标函数：３三三＝ｍａｘ【∑（４吩），】，ｆ＝ｌ（４．１５）（５）采用模糊偏好方法计算权重丑：对于多目标函数优化问题，有时难以判断各目标函数之间的重要关系，为此常需要定义一组关系来确定各目标函数的权重，这组关系称为偏好关系【４９ｌ，下面结合本文信号配时中各优化目标函数来介绍权重的计算过程：①函数分组将各目标函数按照重要和不重要分为两组，对于不重要的一组，令其权重为零，重要的一组用函数，表示：，＝｛石｝，ｆ＝１，２，３……（４－１６）三个目标函数（延误，停车次数，通行能力）都是重要的，因此，将其相应的隶属度函数作为一组。则有：Ｆ＝｛魄，吻，蚝｝②构造等价类用关系≈构造等价类，从每一个等价类中选择一个元素构成集合ｒ（４＿１７）ｒ＝｛‘｝，ｆ＝１，２，３…”件１８）三个目标函数（延误，停车次数，通行能力）均为等价的，它们的隶属度函数也是等价的，因此可以构造三个等价类，从每个等价类中选择一个元素构成集合死ｒ＝｛ｆＩ，ｆ２，毛）③使用评价函数ｙ给出关系的值ｙ（‘）＝口，ｌ，（０）＝卢（‘＜０）ｙ（‘）＝ｙ（Ｉ）＝厂（‘≈０）ｙ（‘）＝万，ｙ（０）＝Ｆ（‘＜＜Ｉ）３５（４—１９）（４－２０）北京交通大学硕士学位论文多目标规划配时模型及求解方法口，夕，，，万，譬为（ｏ，１）之间的实数，且口＋∥＝万＋譬＝ｌ，一般取万＜口＜厂＜占＜∥根据不同情况下，对三个目标函数（延误，停车次数，通行能力）的偏好关心程度，确定不同的关系值。④构造矩阵凡根据（３）给出的关系值，结合式子（４＿２０）构造一个ｆ阶的方阵心Ｒ（ｆ，ｊ『）＝０，Ｒ（ｊ『，ｆ）＝２辑“０）Ｒ“／）＝ｏ’足（＿，，ｆ）＝ｌ辑＜０）（牛２１）Ｒ以力＝ｌ，Ｒ（ｊ『，Ｄ＝１⑤构造偏好关系矩阵Ｒ（‘≈０）依据（４），结合式子件２１）构造一个ｆ阶的方阵Ｒ尺（ｆ，／）＝厂，尺（／，ｆ）＝７尺（ｆ，／）＝口，Ｒ（歹，Ｄ＝∥Ｒ（ｆ，歹）＝∥，Ｒ（＿，，ｆ）＝口尺（ｆ，ｊ『）＝艿，尺（，，ｆ）＝占Ｒ（ｆ，＿，）＝占，Ｒ（／，ｆ）＝万（足（ｆ，ｊ『）＝ｏ皿（歹，ｆ）＝１）（Ｒ（ｆ，ｊｆ）＝ｌ职（＿，，ｆ）＝０）（Ｒ（ｆ，力＝０且ＲＵ，ｆ）＝２）（足（ｆ，力＝２且Ｒ（ｊ『，ｆ）＝Ｏ）（ＲＯ，＿，）＝１且足Ｕ，ｆ）＝１）降２２）⑥计算权重首先由矩阵Ｒ定义一个有向，带权重的图Ｇ似，Ｒ），此图的出边值为：＆（口，Ｒ）＝∑洲∥（口，ｃ）然后对于所有的白∈Ｚ，可得到相应的权重系数：件２３）讹）＝毫‰厶￡∈ｒｕ￡ｕ’ｎ，通行能力）的隶属度函数的权重值通过上述方法即可求得。（６）确定ｐ值为Ｍａｎｈａｔｔａｎ距离，即：３（牝４）然后对目标函数的权重进行规范化。这样，各目标函数（延误，停车次数，①当ｐ＝１时，目标函数表示三个单一目标函数的距离之和，将此目标函数称￡＝ｍａＸ［∑（乃％）】（４．２５）北京交通大学硕士学位论文多目标规划配时模型及求解方法②当ｌ”∞时，目标函数表示三个单一目标函数的加权距离之和，特别地，当ｐ＝２时，目标函数表示Ｅｌｌｃｌｉｄ锄距离，即Ｊ３厶一√善＠订（４－２６）③当矿斗∞时，目标函数表示三个单一目标函数的最大加权距离，将此目标函数称为Ｃｈｅｂｙ出ｅｖ距离，即：３￡＝ｎｌａｘ【ｎｌｉｎ∑（饥）】（４－２７）ｆ暑ｌ为了得到合适的信号配时参数，需要分别对ｐ取上述值进行求解，然后对比所得结果，选择合适的信号配时参数。４．３基于改进的粒子群算法的信号配时目标函数求解４．３．１粒子群算法原理（１）粒子群算法的基本思想粒子作为搜索空间中所求优化问题的潜在解，每个粒子有一个受优化函数决定的适应值，粒子跟随当前最优粒子在空间中进行搜索，寻找最优解。该算法首先为粒子进行随机赋值，通过迭代更新寻求最优解。在每一次的迭代中，粒子通过自身当前时刻最优解和群体当前时刻最优解来更新自己。最终，所有粒子作为一个群体都向最优点靠近刚。（２）粒子群算法的数学描述假设一个由朋个粒子组成的群体在Ｄ维空间中进行搜索，其中第ｆ个粒子的位置表示为向量胃＝∞厶．玩…，蹦，卢ｌ，２…，朋，第ｆ个粒子的速度表示为向量竹＝ｍ厶１，蜴…，ｖ曲。第ｆ个粒子历史最优位置为Ａ＝仞ｆＪ舶…属曲，群体历史最优位置为砒Ｊ彩…黝），粒子更新迭代公式如下【如】：％Ｏ＋１）＝％（ｆ）＋ｃｌ，ｉ（鳓一勃（ｆ））＋ｃ２匕（％一嘞（ｆ））（４＿２８）勃Ｏ＋１）＝劫（ｆ）＋％Ｏ＋１）（４－２９）当％＞‰时，取％＝‰当％＜一‰时，取％＝一‰３７北京交通大学硕士学位论文多目标规划配时模型及求解方法式中，ｆ＝ｌ，２…刀，扣１，２…ｐ，ｃ，、Ｑ：加速常数（学习因子），为非负常数；ｒ，、ｒ２：服从【０，ｌ】上的均匀分布随机数：砌彬：第ｉ个粒子当前最优位置；阳：第ｆ个粒子历史最优位置；黝：群体最优位置；吻彬：第ｆ个粒子当前速度；圪煅：最大速度，为非负数。（３）动态加速常数协同惯性权重粒子群优化算法（ＷＣＰＳＯ）．数学表达式如下【删：％（ｆ＋１）＝％Ｏ）＋ｃｌ，ｉ（砌一％Ｏ））＋ｃ２％（Ｐ一一％Ｏ））（４．３０）ｍ：打，一‰二坠，国２‰一Ｊ％—里ｆ（４·３１）－“ｍｑ却芒（４．３２）乞母芒（４－３３）ＷＣＰＳＯ是在基本粒子群算法的基础上综合考虑了惯性权重和加速常数随迭代次数的变化而变化得到的，具有更高的全局搜索效率。４．３．２求解信号配时目标函数步骤设计本文需要计算函数彳、丑、Ｃ的最值，以及尸ｌ、矿２、矿斗∞时的函数￡的最值对应的最优解（有效绿灯时间）。下面以计算尸１时函数三的最值为例进行说明。（１）设置ＷＣＰＳＯ的相关参数，本文对最大速度，最大迭代次数，粒子数目，最大权重，最小权重进行初始化的结果如表４．１表４－ｌ参数初始化ｍｌｂｌｅ４．１Ｐ缸缸∞ｔｅ璐ｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎｌ最大速度‰最大迭代次数‰粒子数目ｍ最大权重ｑ眦最小权重ｑⅡｉｎｌ２５００２０１．４Ｏ．３５北京交通大学硕士学位论文多目标规划配时模型及求解方法（２）初始化粒子的位置和速度。对于有以个信号相位的交叉口，则粒子的搜索空间为刀＋ｌ维，每个粒子包含有刀个变量（变量即各相位有效绿灯时间）．（３）根据ｐ＝ｌ时函数￡的表达式计算各粒子在约束条件下的适应度值即函数值。（４）对各个粒子的当前最优值和历史最优值，当前最优值和群体最优值进行比较。依据相关条件判断是否需要更新粒子的位置和速度。（５）本文以达到最大迭代次数（５００）为终止条件，结果输出￡的最值和各变量的值（即各相位有效绿灯时间）。４．４本章小结本章主要提出了信号配时中需要优化的三个目标值：总延误，总停车次数，总通行能力，然后采用模糊折中的思想将三者转化为单目标函数，并用改进的粒子群算法进行求解。首先，对国内外典型的信号配时多目标规划模型进行了回顾，指出其存在的不足：阿克塞立方法考虑因素较少，没有考虑通行能力，油耗，尾气排放等因素，而且没有给出Ｋ值的具体计算公式，只进行了定性的说明。顾怀中、颜艳霞的方法对于权重的取值，具有一定的主观性而且计算较为复杂，且没有给出具体的权重推导过程，只是定性的说明了影响权重的因素，其适用性受到限制。而且各个函数值的绝对值大小也是不相同的，导致对单目标函数的影响有所不同。此外，两种方法中各函数的量纲不同，没有化为相同的量纲，合在一个函数中进行优化，不够合理。其次，提出了信号配时中需要优化的三个目标：交叉口总延误，总停车次数，总通行能力。采用模糊折中的思想将它们转化为无量纲的隶属度函数，同时使得三者的值均在（Ｏ，１）之间，然后化为单目标函数。在确定各目标函数对应的隶属度函数的权重时，采用了模糊偏好的方法进行定量计算，在一定程度上避免了主观因素的影响。最后，鉴于粒子群算法的优点：有记忆性，原理简单，参数较少，实现容易。结合信号配时模型设计了算法步骤。在ＭＡＴＵ旧环境中编写程序，选取采用动态加速常数协同惯性权重粒子群优化算法（ｗＣＰＳｏ）求解目标函数的最优解。３９北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析５典型信号交叉口配时算例分析５．１交叉口概况及存在问题５．１．１几何条件该十字交叉口由东西向和南北向的两条城市主干道相交而成。交叉口各进口道横断面形式均为“三块板一结构，机动车道与非机动车道之间均采用绿化带进行隔离。东进口为２条直行车道，２条左转车道及２个左转待行区，ｌ条右转车道，２条非机动车道；南进口为３条直行车道，ｌ条左转车道及１个左转待行区，ｌ条右转车道，２条非机动车道：西进口为２条直行车道，２条左转车道及２个左转待行区，ｌ条直行右转合用车道，２条非机动车道；北进口为ｌ条直行车道，ｌ条直行右转合用车道，２条左转车道及２个左转待行区，ｌ条右转车道，２条非机动车道；如图５．１所示。图５．Ｉ交叉口示意图ＦｉｇＩｌ∞５－ｌＤｉａｇｒａｍｏｆｎ捡ｉｎｔ啪∞ｔｉ∞北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析５．１．２交通条件交叉口各进口各向交通量如表５．１，其中机动车交通量已经换算为高峰小时内４倍高峰１５曲标准小汽车交通量。表５．１交叉口折合交通量１［．ａｂｌｅ５．１ＩＩｌｔｅ聘ｅｃｔｉ∞缸ａ伍ｃ右转１４０２８０３５２ｖ‘＇１１脚非机动车（辆／ｈ）２１０４０５２２０２３６进口东进口西进口南进口北进口机动车Ｑｃｌｌ∞左转４６０３６０行人（人／ｈ）１８５２７７直行６６８６１６９２４２“４８０２７０４１２９３６１２０５．１．３信号条件交叉口信号设置为４个相位，周期１８９ｓ，右转车流不受信号灯控制，非机动车和行人信号灯变化与直行机动车信号灯变化一致。现有相位和配时方案如图５．２（其中各相位黄灯时间、全红时间分别为３ｓ、２ｓ）：＋一一；＝±——————◆一ｙ—一相位２十ｌ十＋一一一一◆土上Ｔ三相位３Ｌ］相位４相位ｌ（ａ）交叉口相位行转行～一～一概一一一转（ｂ）交义口配时图５．２交叉口相位图和配时图Ｆｉｇｕ∞５．２Ｄ啦洳ｍｏｆｉｎｔｅ娼ｅｃｔｉ∞ｐｈａ∞ａｎｄｓｉ弘ａｌｔｉｎｌｉｎｇ５．１．４存在问题该交叉口主要存在以下三个方面的问题：４ｌ北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析（１）相位３时间较长，导致北进口左转车辆排队等待时间较长。（２）信号周期长达１８９ｓ，车辆平均延误较大．（３）行人过街随直行机动车信号相位，未能充分利用左转机动车相位进行二次过街，个别行人在行人信号红灯期间违章过街。５．２基于模糊折中规划的多目标规划信号配时模型的应用鉴于上述交叉口存在的问题，需进行信号重新配时，以改善延误、停车率、通行能力，并修建行人过街安全岛，组织行人进行二次过街。５．２．１基本参数计算（１）饱和流量（回采用ＨＣＭ２０００推荐的方法，首先对各进口车道进行车道组的划分，后续的所有分析均以车道组为基本单位进行。本文取直行车道，左转车道，右转车道的基本饱和流量分别为１８０蝴，１８００ｐｃｌｌ／ｌｌ，１５５蛳。实际饱和流量的计算公式为：ｓ＝疋氓靠‘无ｒ厶ｒ各车道组实际饱和流量计算结果见表５．２：表５．２车道组实际饱和流量Ｔａｂｌｅ５．２Ｔｈｅ（５－１）ａｃｔ∞ｌ删∞ｆ１０ｗｏｆｌ蛐ｅ岬车道宽度校正系数＾ｌ基本进口车道组车流（舢）＆１８００饱和流量包含车道数重型车校正系数ｆＨｙ０．９７校正坡度校正系数左转校正系数右转校正系数后的饱和㈣）Ｓ流量Ｎ五ｌ五ｒ０．９２五ｒｙ—一东进口★ｙ—一．．Ｉ＿—一．．卜—一２３２１３１８００２ｌＯ．９４ｌ３３８４１５５０ｌｌ０．９７ｌ０．６４９６２４２北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析西一一１８∞１８∞２ｌｌｌＯ．９２３３１２进口——矿———◆———斗３ｌ０．９５ｌ０．８８４５１４南进口１丁竹『ｒＬＬ１８００ｌｌ０．９８１０．９５１６７６１８００３ｌＯ．９７ｌ５２３８１５５０ｌ１．Ｏ．８９ｌ０．７３１００７１８００２ｌ０．９０ｌ０．９２２９８ｌ北进口０土１８００２ｌＯ．９５ｌ０．９８３３５２ｊ（２）流量比◇）１５５０ｌｌ０．９３ｌＯ．７０１００９车道组流量比计算公式为：ｙ＝；车道组流量比计算结果见表５．３表５－３车道组流量比（５—２）Ｔａｂｌｅ５·３１１ｈｅｎｏｗ谢ｏｏｆｌａｎｅ铲ｏｕｐｓ车道组车流高峰小时内４倍高峰进口１５ｍｉｎ交通量（ｐｃｕ／ｈ）校正饱和流量◇砒）Ｓ３２１３流量比ｇ），ｙ—一ｙ—一东进口★４６００．１４３２．．卜—一．．Ｉ＿—一６６８３３８４０．１９７４１４０９６２Ｏ．１４５５４３北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析西进口一爿３６０３３１２０．１０８７－———＿｜卜—————◆—寸８９６４５１４Ｏ．１９８５南进口１ｆｆｆｒｒＬＬ２６４１６７６０．１５７５９２４５２３８Ｏ．１７６４３５２１００７０．３４９６４８０２９８ｌＯ．１６１０北进口４土ｊ９４８３３５２０．２８２８１０８ｌ００９Ｏ．１０７０从表５．３可以得出：各相位的流量比依次为：相位ｌ（东西直行）的流量比：少尸ｍ烈（０．１９７４，Ｏ．１９８５产Ｏ．１９８５；相位２（东西左转）的流量比：肋＝删碳０．１４３２，Ｏ．１０８７）＿ｏ．１４３２；相位３（南北直行）的流量比：＂＝删砜Ｏ．１７６４，０．２８２８）＝０．２８２８；相位４（南北左转）的流量比：弦＝批似０．１５７５，Ｏ．１６ｌＯ）＝０．１６１０；周期流量比：●】，＝∑只＝ｏ．７８５５＜ｏ．９ｊ罩·ｌ（５—３）因此，各相位的关键车道组如表５＿４所示：表５＿４关键车道组Ｔａｂｌｅ５＿４ｎｅｋｅｙｌ撇ｇｒｏｕｐｓ相位各向进口关键车道组流向相位ｌ西进口相位２东进口相位３北进口相位４北进口———◆———◆—弋◆ｙ—一ｙ—一４、ＬＬＬ北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析各相位的饱和流量即相应相位关键车道组的饱和流量：相位ｌ的饱和流量：墨＝４５ｌ舭ｐｃｌＩ／ｈ）相位２的饱和流量：墨＝３２１３＠ｃ峋相位３的饱和流量：墨＝３３５２Ｑｃｕ嘞相位４的饱和流量：墨＝２９８１Ｑ哪∞（３）时间参数为方便后续计算，将相应时间参数（黄灯时间、全红时间、绿灯间隔、绿前和绿后损失、损失时间）进行如下规定，如表５．５表５．５时间参数Ｔａｂｌｅ５－５ｍｔｉｌｎｅｐａ珊ｍ酏啪绿灯间隔ＩｔＳ）＝Ａ＋ｒ５黄灯时间赳Ｓ）３全红时间ｒ（ｓ）２绿前，绿后损失ｏ＋ｂｔｓ）２损失时间＝全红＋绿前，绿后损失ｌｔｓ）＝ｒ＋口＋ｂ４（４）最小绿灯时间在进行信号配时的时候，必须保证每个方向的行人都能够安全过街。即每个相位的行人安全过街时间的总和应不小于最短周期时长。对于交叉口有行人及非机动车过街的信号相位，其绿灯时长应该大于最小绿灯时间。根据文献［５１】，考虑行人过街所需的最小绿灯时间，可按照下面公式计算：ｇ。血＝７＋多一Ｊ三：人行横道长度（ｍ）；ｎ行人步行速度（ｎ以），取１．２ｍ／ｓ；＾绿灯间隔时间（ｓ）。因此，东西向、南北向行人过街所需最小绿灯时间分别为：３２ｓ，２９．５ｓ。（５ｑ在主次干道相交的交叉口上，当主干道很宽，步行过街所需的最短绿灯时间超过次干道车辆通过交叉口所需的绿灯时间时，以致次干道车辆绿灯时间不满足应用时，可考虑在主干道中央设置安全区，让行人分两段过街，以缩短最短绿灯时间。（５）周期、饱和度的最值在模型约束条件中，最大周期取１８０ｓ；饱和度的取值区间为（０７，０．９）。原因为：当交叉口饱和度过小时（＜Ｏ．７），通行能４５北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析力远大于交通需求，交叉口的交通组织比较容易，对交叉口的信号配时采取多目标规划的方法意义不大，而且复杂的模型容易无谓增加车辆延误和停车次数，造成资源的浪费；当交叉口饱和度过大时（＞０．９），交叉口的机动车运行状态容易受到随机因素的干扰，其状态不稳定，容易向过饱和状态转化，采取此种基于多目标规划的信号配时方法往往得不到理想结果。５．２．２模型应用（１）各个单目标函数（交叉口总延误、总停车次数、总通行能力的相反数）的计算式及约束条件：将相关数据代入表达式，可得：①总延误最小值的计算式为：ｍｉｎ彳＝∑‰ｃ＝喜掰卯：喜ｇ，嗡剿２＋２（１一咒）２（１一款）（５－５）＋＋２（卜乃）２（１一儿）＝Ｏ．２２２５【兰（蜀＋４）】【卜下Ｌ】【善值“）】【１一赤１ｌ＝ｌ＋Ｏ．１３２９＼’，．－＾、【童（蜀＋４）】【卜ＴＬ】扭１∑（＆＋４）＋０．３６０２喜＂删旷方卜ｍ２【主（ｇ，＋４）】【１一下ｑ蚓∑（＆＋４），皇ｔ②总停车次数最小值的计算为：●ｎｌｉＩｌ曰＝∑囊吼ｃｆ叠ｌ∑１一％ｆ宣ｌｌ一咒●∑埘１一（鲁）ｌ—只４厂·１∑（＆＋‘）∑ｏ．％Ｉ∑（＆＋‘）Ｉｊｌｌｆ＃ＩＬｆ＝ＩＪｌ一咒Ｏ．４００５［１一了Ｌ】∑（＆＋４）＋Ｏ．２３９３【１一了卫】＝盼＋４）］∑（岛＋４）＝ｆ∑（＆＋４）ＩＬｆ置ｌＪ＋ｏ．６４８饥１●】＋Ｏ．２２１７【ｌ一４∑（＆＋４）∑（＆＋４）ｊＩｔ③总通行能力最大值的计算表达式为：４ｍｉｎｃ＝一∑Ｑ磐朗３一５一ｔｌ一二。∑州堡慵豇ｒ寸、一Ⅵ二。∑阔堡皤ｇ盈一２。∑纠型慨址邶４７（５－６）（５－７）④约束条件上述目标函数的约束条件均为：北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析ｇＩ≥３２；岛≥２９．５ｌ●珐｛∑（＆＋４）≤１８０（５·８）。．７≤詈［喜ｃｇ，＋呦］≤。．９（２）采用粒子群算法（最大迭代次数、粒子数目分别为５００、２０）计算目标函数Ａ（交叉口总延误）、Ｂ（交叉口总停车次数）、Ｃ（交叉口总通行能力的相反数）在约束条件下的最值，结果见表５－６：表５－６各目标函数最值１’ａｂｌｅ５－６１ｋ弧缸蜘∽ｖａｌｕｅｓｏｆｌｈｅ０：ｂｊｅｃｔｉｖｅｆＩｌｎｃｔｉ咄Ｃ０ｃｕ几）．３２０４．３１０８单目标幽数最小值（ｍｉｎ）最大值（ｍ觚）Ａ（ｓ）８０４６１１９４ｌＢ（次）１４９１８０（３）采用模糊折中方法将上述多目标函数转化为单目标函数求解①各目标函数在约束条件下由最小值组成的理想值向量ｍＩｌｉｎ为：ｋ２Ｈ血，月ｌ血，％）＝（８０４６，１４９，一３２０４）由最大值组成的反理想值向量‰戤为：（５－９）ｋ虬，‰，Ｃ蛳户（１②各目标函数的隶属度函数分别为：ｌ２“Ｉ１９４１，１８０，－３１０８）（５·１０）彳≤８０４６８０４６＜彳＜１１９４１彳≥１１９４１１一，Ｉ－一９—３４—８ｌ一９一一５Ｏ彳一（５·１１）ｌ１—０—３一一１０曰一Ｂ≤１４９１４９＜Ｂ＜１８０口≥１８０％２（５·１２）北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析ＣＳ一３２０４坞。●ｏ一０川一９８一幅Ｃ≥．３１０８Ｃ一—３２０４＜Ｃ＜－３１０８（５一１３）③采用模糊偏好法确定各目标函数的权重交叉口在平峰时段侧重改善延误和停车次数，高峰时段侧重提高通行能力，因此在计算各目标函数权重时，应该分平峰时段和高峰时段进行，由于文章仅对高峰时段进行信号配时，因此仅确定高峰时段的各目标函数的权重，平峰时段权重的确定方法类似。确定权重方法如下：１）三个单目标函数的隶属度函数分别为“Ｊ，蚴，幻，可记为：，＝似。，％，鸭）（５·１４）２）构造等价类：五＝“），互＝奴），互＝如，）此处有三个等价类，故有：（５－１５）丁＝｛‘｝，ｆ＝１，２，３３）使用评价函数ｙ定义关系的值ｙ（‘）＝口，ｙ（‘）＝∥（‘＜０）ｙ（ｆｆ）＝ｙ（０）＝，此处取口＝ｏ．２５，∥＝ｏ．７５，厂＝０．５０４）构造矩阵尼（‘≈０）（５·１６）（５－１７）假定高峰时段，通行能力较延误重要，延误较停车次数重要，因此可以将偏好关系表示为：毛＞－ｆｌ，‘卜乞（５·１８）根据上述偏好关系，可以确定矩阵心北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析兄＝Ｉｒｌｌｏ、ｌｏｌｏＬ１ｌｌＪｌ（５－１９）５）偏好关系矩阵尺口０５０＝０７５０５００７５０２５Ｏ２５０５ＯＲ＝口０２５０７５（５—２０）厂口∥房，疗厂６）根据式子（４－２３）和（４．２４）计算权重２（＾）２赫２石ｊ亏ｊ丽ｉ囊ｉ＿吕主；｛号差薹ｊ而２三Ｏ．２５＋０．２５ｌ（５．２。）讹，２彭％Ａ（毛）＝）０．７５＋Ｏ．２５＋Ｏ．２５＋Ｏ．２５＋Ｏ．７５＋０．５０２否ｌ（５－２２）咒（毛，Ｒ）Ｏ．７５＋Ｏ．７５Ｏ．７５＋Ｏ．２５＋Ｏ．２５＋Ｏ．２５＋Ｏ．７５＋Ｏ．５０∑懈最（ｆｆ，尺）２ｉ（５－２３）因此，根据式子（４—２３）和（４．２４）各目标函数彳，曰，Ｃ的隶属度函数ⅣＪ，蚴，蚴的权重分别为：：！允：＾＝——————ｏ——一＝一五（‘）＋五（ｆ２）＋名（乞）３垄！刍！（５—２４）见：丝！五（＾）＋兄（乞）＋旯（乞）：三６（５·２５）：三允：厶＝————————＿＝—————一＝一五（‘）＋Ａ（ｆ２）＋五（乞）２④转化为单目标函数：墨熊（５－２６）北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析￡＝麟【∑（五％），】，＝ｍ觚［（Ａ“１），＋（五“２）ｐ＋（五坞），】，＝一陆等），＋（丢×等心×警）ｐ）ｉ＠。２７’＝ｍＸ｜Ｉ一×一Ｉ＋ｌ一×一ｌ＋Ｉ一×——ＩＩ【Ｌ３３８９５／Ｌ６３ｌ／Ｌ２９６／Ｊ＝一（（等）ｐ＋（等），＋（警），］－该目标函数的约束条件为：ｇＩ≥３２；岛≥２９．５●ｓ１．∑（岛＋４）≤１８０扣ｌ们≤如ｃ州，卜５ｌ（５—２８）——————————————。——————————————————————————————————————————一－！！室奎望奎堂堡主堂位论文典型信号交叉口配时算例分析：：．＝：：：：：：：：：⑤对ｐ取不同的值进行求解：１）当ｐ＝ｌ时三＝ｍａＸ【∑（他）】＝ｍ觚【＾蚝＋五％＋五％】＝一Ｋ可万八ｉ八ｉｊｊ＝一［（等）＋（警）＋（警）］（５．２９）采用粒子群优化算法（最大迭代次数、粒子数目分别为５００、２０），计算结果如表５·７，如图５－３（因在算法程序中将￡化作标准形，故求出的是最小值，取其相反数即为最大值）：表５－７有效绿灯时间ｐ＝１）０５０ｊ００ｊ５０２０Ｇ：５０３００３５０４００４Ｅ０５００Ｆｉ妒５—３ｍｂｅｓｔⅧ№ａ脑５００ｉｔｅ枷。鹏胪１）图５—３旷ｌ时，迭代５００次后的最佳值５２北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析２）当ｐ＝２时三＝懈［∑（五咋）２】－扣＝Ｉｌ３Ｉ＝ｍａｘ【（Ａ％）２＋（五“２）２＋（五坞）２】－（５－３０）一［（等）２＋（等）２＋（警）２ｒ采用粒子群优化算法（最大迭代次数、粒子数目分别为５００、２０），计算结果如表５－８，如图５叫因在算法程序中将三化作标准形，故求出的是最小值，取其相反数即为最大值）：表５－８有效绿灯时间ｐ＝２）Ｔａｂｌｅ５－８ｒ’。。’。——’’’’’———’’—’—’———‘。１‘—－·－－－———－————————————————ｒ———————————————．——————————————＿——————————————————一．ｎｅｅ娲商ｖｅ孵ｎｔｉｎｌｅ舻２）１Ｑ：塑ｌ丝Ｉ兰Ｚ［二ｊ［二］——毫■—］堕塑：譬蒸塑继豳豳邈豳缫邈鋈鍪鋈燮麴夔塑鬯鬯垂Ｉ璧萤羹豳堑鳓戮重臻蓉售—嘲套◇碜盈够Ｉｃｔａｐ恐硒ｎｄｏ谬世费咿镌蓦ｍｊ嬲ｉ：习翌国黼渣ｌ晗｛魄≮Ｑ固键彳·ｉ恳｝曩目ｉ霉圜ｌ暇囊５重ｊ＿１００ｉ■５０２∞２５０ｊ３∞瑚｜ｌ∞４５０５００Ｆｉｇ嗽５．４ｍｂｅｓｔ词∞ａ脑５００ｉｔｅ枷０ｎｓ胪２）５３图５＿４尸２时，迭代５００次后的最佳值北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析３）当ｐ＝＋∞时￡＝一阵（棚］＝ｎ瞰【ｍ似饥），ｍ咄五吃），ｍ试＾“３）】（５．３１）１９２＝一［曲（等等），曲（等），幽（号笋）］＝ｎ擒区ｌｍｍＩ——Ｉ。ｍｍＩ——ｌ，舢ｌ——ｌＩｋｌＬ１１６８５夕７Ｌ１８６／’／Ｊ采用粒子群优化算法（最大迭代次数、粒子数目分别为５００、２０），计算结果如表５．９，如图５．５（因在算法程序中将￡化作标准形，故求出的是最小值，取其相反数即为最大值）：表５－９有效绿灯时间ｐ－＋∞）Ｔａｂｌｅ５－９ｎｅ删ｖｅ伊ｅ∞血ｌｅＱ－＋∞）ＦｉＩｅＥ丑ｉｔｉＶｉ攀ｗ一：ｌｎｓｅｒｔ、下ｏｏＩｓＤｅｓｌｃｔｏｐＷｉｎｄｏ、｜Ｉ铲Ｈｅｆｐ叠懑鞠涵ｌ瞻ｌ≮≮Ｑ固避彳·｛恳ｌ蜀目｛该露图５—５矿＋一时，迭代５００次后的最佳值ＦｉｇＩ】鹏５—５Ｔｈｅｂｅｓｔ诋ａＲ盯５００ｉｔｅ蒯ｏ∞（一∞）北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析５．３交叉口改善前后效果分析５．３．１效果分析将上节中计算的有效绿灯时间＠ｌ，髓９３，毋）代入相关公式，可得周期总延误、总停车次数、总通行能力，如表５．１０；各相位平均延误、各相位平均停车次数、各相位通行能力，如表５．１ｌ：表５．１０改善前后有效绿灯时间、延误、停车次数、通行能力Ｔａｂｌｅ５－ｌＯＥ脓虹ｖｅ聊ｔｉＩ北，ｄｅｌａ弘如ｍｂｅｆｏｆｓｔ叩ｓ，∞ｐａｃｉ哆ｂｃｆｏ他锄ｄａ腑ｔｌｌｅｉｎＩｐｒｏｖ啪∞ｔｐ值有效绿灯时间（ｓ）总延误总停车次数（ｇｌ，踟９３，９４）（４３，３６，６３，３１）（３５，２５，４８，２７）（３４，２７，４９，２８）（３４，２５’４８，２７）踯）总通行能力Ｑ（ｐｃ“伪）３２４５３１７７３１６８顾绚２ｌｌ１７ｌ１７４１７０改善前ｐ＝ｌ１６６４８１０８２０１１２７５改善后ｐ＝２ｐ２＋∞１０６８３３１６８由表５．１０可知，改善前周期有效绿灯时间为１７３ｓ，改善后周期有效绿灯时间为１３５ｓ（『１），１３９ｓ（１产２），１３４ｓ（ｐ置＋一），改善前周期为１８９ｓ，改善后周期为１５ｌｓＱ声１），ｌ５５ｓ仁２），ｌ５０ｓ（ｐ。＋∞）·改善前总延误为１６６４８ｓ，改善后最小延误为１０６８３ｓ，较之前降低了３５．８％，改善前总停车次数为２ｌｌ，改善后最小停车次数为１７０，较之前降低了１９．４％，改善前总通行能力为３２４５＠础ｑ，改善后最大通行能力为３１７７（ｐｃｕ／１１），较之前降低了２．１％。可见，总延误和总停车次数均有一定程度的下降，由于周期的减小，总通行能力略有下降。撇５·ｌｌＥ敝慨聊缸ｅ，ｄｅｌ嘞咖船ｏｆｓ呻，啪ｏｆｐｈ辩碱啪ａｎｄａ胁龇ｉｍｐｒ０Ｖｅｍｅｎｔ表５．１ｌ改善前后有效绿灯时间、各相位延误、停车次数、通行能力ｐ值改善前ｐ＝ｌ有效绿灯时间（ｓ）吨ｈ９２．９３．ｇａ（４３，３６，６３，３１）（３５，２５’４８，２７）（３４，２７＇４９，２８）（３４，２５，４８，２７）平均延误（ｓ）艟１．ｄ２．ｄ３．ｄａ（７０，７２，５９，７９）（５６，６ｌ／移，６１）（５８，６１，５０，６１）（５６，６１，４８，６０）平均停车次数辑１．ｈ２．ｈ３．ｈａ（Ｏ．８７，Ｏ．８５，０．８４，Ｏ．９０）通行能力＠ｃｕ伽地１．Ｑ２．Ｑ３．ＱＯ（１０２７，６１２，ｌｌ１７，４８９）（ｏ．８６，０．８８，０．８６，０．８８）（１０４６，５３２，１０６６，５３３）（０．８８，０．８７，Ｏ．８６，０．８８）（０．８７，０．８８，０．８５，Ｏ．８８）（９９７，５６３，１０６７，５４２）（１０２３，５３６，ｌ０７３，５３７）改善后尸２ｐ＝畸∞由表５．１ｌ可知，改善后，各相位平均延误较改善前均有明显降低，而各相位平均停车次数依相位不同而有所增加和减少，各相位通行能力也是如此。５５北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析综上分析，取矿斗∞的方案作为改善后的方案。改善前与改善后的交叉口总的和各相位的延误、停车次数、通行能力对比见图５．６。●ＯＯＪＯ乏Ｏ。Ｏ咣慨毗毗咪———————————————｛———————————————｝————一—＿——————Ｌ—————————一．３５．８３％－２０．ｏｏ％．１５．２８％＿延误．１８．６４％一停车次数】＿通行能力Ｉ一１９．４３％一２．３７％ｏ．００％一ｏ．３９％３．５３％一１２．４２％１．１９％一３．９４％．４０．００％卜———＿—————］一——厂——一交叉口相位ｌ相位２相位３篆署图５．６改善前后各指标对比图ＦｉｇＩｌ∞５－６Ｃ伽啦撕ｓ∞ｃｈａｒｔｏｆ∞ｃｈｉｎｄ鼹ｂｅｆ０坨锄ｄａ脑蛳Ｖｅｍｅｎｔ由图５．６可知：交叉口总延误、停车次数、通行能力分别降低了３５．８％，１９．４％，２．３７％。总延误和总停车次数的降低效果较为明显，总通行能力有略微下降。原因解释如下：根据周期绿信比和信号周期的关系式泸（ＣＺ归，可得交叉口通行能力和信号周期的关系式（５－３２）：唧ｕ＝学叫１一争其中：Ｑ：交叉口总通行能力。＆交叉口饱和流量；驴交叉口绿信比；三：交叉口总损失时间ｏｃ．交叉口的周期（５．３２）上式表明，周期损失时间三一定时，周期减少，会使得通行能力也降低。案例中，周期由改善前的１８９ｓ降低为改善后的１５０ｓ，由于周期的减少，交叉口的总通行能力也有所下降。北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析５．３．２改善后配时方案改善后的信号配时方案如图５．７所示：为增加行人过街时间，可以考虑在机动车左转相位时，组织行人二次过街，需要缩减车道宽度，在中央分隔处修建安全岛，减少行人违章过街现象。改善后相位３绿灯时间有所减少，可以减少北进口左转车的等待时间。枣一◆＋十＋一一；＝±ｌ——————◆＋一一一一◆相位１一●一—，一土厂了◆彳相位２土土Ｔ土相位３心ｊ‘一◆ｌ相位４淼■■【堑】—■蛋■■■■■■—■■■———■■■■■●圈■＿煞■■■■—■■■■■墅蛋■豳■■■■●—■■■■■■■■■＿煞■■■■■■■■■■■■■■■—■曩■匝ｊ■圈豳匿■—■■一煞■■■■■■■■■■■■■■■■■■■—■■■■—■豳匪国勘（ｂ）交叉口配时图５－７改善后交叉口相位和配时Ｆｉ２：ｌ舶他５－７Ｅ＇ｉａ掣锄ｍｏｆｉｎｔｅ鸺ａ晚ｉｏｎｐｈａｓｅ趾ｄｓｉｌ皿ａｌ缸ｉｎｇ加ｉ妇叩暇＇ｖｅｍ咖５．４信号配时对燃油消耗和尾气排放的影响分析交叉口信号配时对车辆延误、车辆停车次数、燃油消耗，尾气排放均有较大影响。郭栋【列等人对长春市的信号交叉口进行配时优化，结果表明：ＣＯ、ＨＣ、Ｎｏｘ的排放量均有所降低，三者排放总量降低了７．９３％，延误降低了２５％，运行速度提高了１４％。信号配时优化既改善了交叉口机动车运行状况又有效的降低了机动车的排放总量，其是一种简便快捷的改善环境的手段。车辆在交叉口因信号灯色的变化而时走时停，合理的信号配时方案会使得在绿灯期间到达的车辆以合适的速度，较少的延误，较少的停车次数通过交叉口。故合适的行驶速度对燃油消耗和尾气排放均有较大的影响。（１）行驶速度对燃油消耗的影响行驶速度与燃油消耗存在一定的关系，燃油消耗最低时的速度为经济车速。车辆保持按经济车速行驶对降低燃油消耗是很有利的。在该经济车速下运行汽车的燃油经济性最佳，即每运行１００虹所消耗的燃油量最小，低于或高于经济车速，５７北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析燃油消耗率均有增加的趋势。（２）行驶速度对尾气排放的影响ＮＯｘ排放率在低速情况下较小，并随着车速的提高而变大，其主要原因是随着速度的提高，发动机燃烧温度也升高，这有利于ＮＯｘ的生成。据统计，ＨＣ和ＣＯ排放率在＂５ｈ恤区间内随着车速的增加保持较大幅度的减小，速度超过３５ｈｌ／ｌｌ后，排放率有小幅度的增加。ＨＣ和ＣＯ的排放率在低速情况下较大，这是由于在低速时燃料燃烧不充分造成的。随着速度的升高，在５￣３５ｈＩｌ／ｌｌ速度区间内，由于速度比较稳定，排放率一直降低；随着速度的升高，加减速情况增多，排放率又开始增高。本文为研究交叉口改善前后燃油消耗以及尾气排放量的变化情况，选择四个相位的燃油消耗量、ＣＯ排放量、Ｎｏｘ排放量、ＶＯＣ排放量四个指标，采用Ｓｙｎｃｈ∞６．０软件对交叉口改善前后的情况进行仿真计算。四个指标的结果如表５．１２、５．１３。表５．１２改善前燃油消耗、尾气排放量Ｔａｂｌｅ５－ｌ３Ｆｕｅｌ舢砸ｏｎ，ｅ】【ｈ孤玛ｔ锄ｉｓｓｉｏｎｓｂｅ蠡玳ｔｈｅｉｌｎ胛）ｖ锄饥ｔ相位ｌ相位２相位３相位４燃油消耗（Ｌ）８９５ｌ９３５９Ｃｏ排放量（ｇｍ）１６５０９３６１７２８１０８７ＮＯ。排放量（ｇ／ｌＩ）３２ｌ１８２３３６２１２ＶｏＣ排放量（ｇｍ）３８３２１７４０ｌ２５２表５．１３改善后燃油消耗、尾气排放量１＇ａｂｌｅ５一１３Ｆｌｌｅｌｃ０粥ｕｍｐｔｉｏｎ’懿ｈａｕｓｔ锄ｉｓｓｉｏｎｓａｆｂｅｒｔｈｅｉｍｐｒｏｖ锄饥ｔ相位ｌ相位２相位３相位４燃油消耗（Ｌ）８０４９９ｌ４９ＣＯ排放量（ｇ／ｌＩ）１４７１９１４１６７６９０３ＮＯ。排放量（ｇ／１１）２８６１７８３２６１７６ＶＩＯＣ排放量（ｇｍ）３４ｌ２１２３８９２０９结合机动车燃油消耗以及尾气生成机理，对表５．１２、５．１３中的数据进行分析，可得：（１）燃油消耗分析：交叉口改善前后，四个相位燃油消耗分别降低了ｌＯ．１１％，３．９２％，２．１５％，１６．９５％。降幅最小的是相位２，降幅最大的是相位４。因为相位４的车均延误在四个相位中降幅最大，达２４．０５％，停车次数也降低了２．２２％。随着延误和停车次数的减少，车辆的启停频率降低，怠速时间也相应的减少，车辆的燃油消耗也随之下降。（２）ＣＯ排放量分析：北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析四个相位的ｃｏ排放量分别降低了１０．８５％，２．３５％，３．０ｌ％，１６．９３％。其中，相位ｌ和相位４的ＣＯ排放量降幅较大，在ｌＯ％以上。ＣＯ是内燃机中可燃气体不完全燃烧产生的，在常速工况下，可燃气体与空气混合较充分，而怠速阶段下，可燃气体与空气混合不够充分，会导致ＣＯ排放大幅上升。而相位ｌ和４的延误在改善后均有明显的下降，车辆处于怠速阶段的时间明显减少，处于正常工况下的时间增加，可燃气体与空气有较多的时间充分接触燃烧，故ＣＯ的排放量也随之下降。（３）Ｎ０ｘ排放量分析：四个相位ＮＯｘ排放量分别降低了ｌＯ．９０％、２．２０％、２．９８％、１６．９８％。其中，相位ｌ和相位４的ＮＯｘ排放量降幅较大，在ｌＯ％以上．加速状态下Ｎ０ｘ排放量要明显高于其他工况，相位４的停车次数在改善后降幅明显，故停车次数的下降导致加速频率的减少，ＮＯｘ排放量也相应的下降。（４）ＶＯＣ排放量分析：ＶＯＣ即挥发性有机化合物，是指参加大气光化学反应的碳化合物。四个相位ＶＯＣ排放量分别降低了１０．９７％、２．３０％、２．９９％、１７．０６％。其中，相位４的ｖＯＣ排放量降幅最大，因为相位４的停车次数降低了２．２２％，随着停车次数的减少，车辆制动，启动的次数也随着降低，而ＶＯＣ的排放量与车辆启动和制动的次数密切相关。因此，改善后的ＶＯＣ排放量均有较为明显的降低。一燃油消耗０．００％＿Ｃ０捧放量●ＮｏＸ排放量■ＶｏＣ捧放量．５．００％●Ｐ·拥位１州ｊ了２，３９２％一２３５‘％一２．！Ｏ％一１删”３．２１５０。一３（Ｊ１％．２９８％．２９９％棚化４．１６９ｊ％．１６９３％，一１６９８¨乇．ｊ７ｒｊｆ）％，一燃油消耗●Ｃ０亨｛｝放量：■ＮＯＸ扫｝二放量一ＶＯＣ排放基一１（Ｊ１１％一１０．８５％一１（｝．９０％一１ｒ）９７％３孵ｉ图５．８改善前后燃油消耗、尾气排放量对比图Ｆｉｇｕ地５—８Ｃｈａｒｔｏｆ如ｄｃｏ璐州∞，ｅ】【ｈａ懈ｔ锄ｉ豁ｉ册ｓ‰ａｎｄａ牖ｉｍ班㈣ｅｎｔ图５．８给出了改善前后燃油消耗、ＣＯ排放量、ＮＯｘ排放量、ＶＯＣ排放量的对５９北京交通大学硕士学位论文典型信号交叉口配时算例分析比情况，可见相位ｌ和相位４的上述四个量降幅较为明显。这与这两个相位的停车次数和延误在改善后有明显下降有一定关系。５．５本章小结本章分析了交叉口的几何条件、交通条件、信号条件，指出其中存在的问题。然后采用第四章提出的模型，计算得到改善后的配时方案，并对改善前后燃油消耗和尾气排放进行了对比分析。首先，调研了交叉口的几何条件，交通条件，信号条件。交叉口为标准的十字形交叉口，各进口均设置有专左车道，机非车道之间为绿化带隔离。交叉口有４个信号相位，周期为１８９ｓ。左转信号为保护相位，右转车流不受信号灯控制，行人信号灯与机动车直行信号灯保持一致。其存在的主要问题为：相位３绿灯时间较长，导致北进口左转车的排队等待时间较长；信号周期较长，引起车辆延误和停车次数的增加；过街行人未能充分利用左转相位进行二次过街。其次，采用ＨＣＭ２０００中的方法，对各个进口道进行车道组的划分，然后通过对基本饱和流量依据实际情况进行折合，得到实际饱和流量。计算各个车道组的流量比，各相位的流量比，并对周期流量比进行检验，符合要求。然后依据流量比确定各相位的关键车道组，规定相应的时间参数。确定最小绿灯时间，周期以及饱和度的最值，以作为目标函数的约束条件。然后，将基础数据代入第四章的模型中，得到矿１，严２，一∞时的交叉口总延误，总停车次数，总通行能力，各相位的延误，停车次数，通行能力，并与改善前的相关指标进行对比。经过对比，确定采用芦∞的信号配时方案，总延误，总停车次数较改善前分别降低了３５．８％、１９．４％。由于改善后周期减少，总通行能力有略微下降，降低了２．４％。四个相位的车均延误分别降低了２０．Ｏ％，１５．２８％，１８．６４％，２４．０５％。最后，对比分析了交叉口改善前后信号配时对燃油消耗和尾气排放的影响。选择四个相位的燃油消耗量、ＣＯ排放量、Ｎｏｘ排放量、ＶｏＣ排放量四个指标，采用Ｓｙｎｃｈｒ０６．Ｏ软件对交叉口改善前后的情况进行仿真计算。结果为：燃油消耗分别降低了ｌＯ．１１％，３．９２％，２．１５％，１６．９５％；ＣＯ排放量分别降低了１０．８５％，２．３５％，３．０１％，１６．９３％；Ｎｏｘ排放量分别降低了ｌＯ．９０％、２．２０％、２．９８％、１６．９８％；ＶＯＣ排放量分别降低了ｌＯ．９７％、２．３０％、２．９９％、１７．０６％。其中，相位ｌ和相位４的四个量降幅较为明显，与这两个相位的停车次数和延误在改善后有明显下降有一定关系。北京交通大学硕士学位论文结论与展望６结论与展望６．１主要工作总结本文以城市道路交叉口信号配时为研究对象，以信号交叉口的延误、停车次数、通行能力为分析目标，对比了国内外关于延误、通行能力计算方法的异同．将模糊折中规划的多目标规划理论应用于信号配时中，把延误，停车次数、通行能力三个目标函数转化为单目标函数，采用模糊偏好的方法确定三者权重，用动态加速常数协同惯性权重粒子群优化算法（ｗＣＰＳＯ）求解单目标函数，得到改善后的配时方案，较改善前方案，延误、停车次数、通行能力有不同程度的降低，燃油消耗和尾气排放量也有所降低。本文的主要工作总结如下：１．分析了国内外关于城市交通及交叉口信号控制的相关理论，考虑到交叉口是城市道路的关键点，衡量其运行效率的指标颇多，本文提出选取其中最基本的三个量即车辆延误，停车次数、通行能力作为综合评价交叉口运行行为的基础。２．本文分析了信号控制的基本概念和基本参数，并通过示例对其进行说明，比较了信号相位和信号阶段两个概念的差异。３．对比了过渡函数理论和ＨＣＭ理论计算方法的不同：①过渡函数理论计算公式包括了正常延误、随机延误和过饱和延误，而ＨＣＭ理论并没有给出过饱和状态下的延误计算方法。②过渡函数理论认为，心。时，随机延误和过饱和延误均为零；郴ｌ时，开始出现随机延误，过饱和延误仍为零；当驴１时，既有随机延误又有过饱和延误。ＨＣＭ理论中的增量延误即随机延误，其计算公式中考虑了信号控制器的影响因素和上游信号联动导致车辆到达的增量延误。③过渡函数理论是以相位的延误为基本组成部分，然后对相位延误按照流量进行加权平均，得到交叉口的平均延误。ＨＣＭ理论是以车道组的延误为基本组成部分，由车道组的延误相加得到各进口的延误，进而再得到交叉口的平均延误。分析了既有通行能力计算理论：国外的ＨＣＭ方法、韦伯斯特方法，国内的《城市道路设计规范》的方法（以下简称规范法），停车线法，冲突点法。对比了这些方法之间的异同：①通行能力计算方法基本思想相同：通行能力为饱和流量与绿信比的乘积。②通行能力的基本计算对象不相同：ＨＣＭ方法以车道组的通行能力作为基本计算对象，而韦伯斯特理论则是相位通行能力、国内的方法是以车道的通行能６ｌ北京交通大学硕士学位论文结论与展望力作为基本计算对象。③国内计算通行能力的方法均是根据国内的实际情况，对基本公式进行相应的变形，得到各自的计算公式。规范法和停车线法的计算公式较为接近，分别讨论了在许可和保护相位下的直行车道，转弯车道和合用车道的通行能力的计算方法。停车线法和冲突点法的最大的区别是计算的出发点不同。４．分析了既有多目标信号配时模型的不足：对于各目标函数权重的取值，具有一定的主观性并且计算较为复杂，各目标函数的的量纲不同，并且没有化为相同的量纲，合在一个函数中进行优化，不够合理。鉴于模糊折中规划的多目标规划理论在解决多目标规划方面的优点，将其引入信号配时中，提出了基于模糊折中规划的多目标规划信号配时模型：选取交叉口总延误、总停车次数、总通行能力三个目标函数，使用模糊折中思想将他们转化为无量纲的，且取值均在（Ｏ，１）之间的单目标函数。在计算三者隶属度函数的权重时，为了避免主观因素影响，以定量计算为主，使用模糊偏好法，通过构造模糊偏好矩阵，计算权重。鉴于动态加速常数协同惯性权重粒子群优化算法（ＷＣＰＳｏ）的优点：有记忆性，原理简单，参数较少，实现容易，较之基本的粒子群算法，该算法更容易在全局范围内进行搜索，并且收敛速度也较快。结合信号配时模型设计了算法步骤，并对模型进行求解。５．通过对交叉口的调研，获取其几何条件，交通条件，信号条件等基础数据，并指出其信号配时方面存在的不足之处。采用ＨＣＭ２０００中的方法，先对各进口道划分车道组，然后对基本饱和流量进行折减，计算各车道组的实际饱和流量。计算各车道组的流量比，然后得到关键车道组。规定了各相位的黄灯时间、全红时间、绿灯间隔、损失时间，根据相关文献，计算了最小绿灯时间，以及周期的最大值，饱和度得最值，以作为目标函数的约束条件。将模型应用于实际算例中，采用模糊折中规划的多目标规划模型，将交叉口总延误、总停车次数、总通行能力三个目标函数化为单目标函数，并使用模糊偏好法确定其权重。在单目标函数中，分别使用ＷＣＰＳＯ方法（最大迭代次数为５００、粒子数目为２０）计算了严ｌ、砰、矿斗∞时三种情况下的最优有效绿灯时间，经过对比分析，选择了矿斗∞时的配时方案。并与改善前的信号配时方案进行对比，总延误，总停车次数，总通行能力分别降低了３５．８％、１９．４％、２．４％。各个相位的延误时间分别降低了２０．０％、１５．３％、１８．６％、２４．１％，各相位的停车率和通行能力依相位不同而部分有所改善。为了得到改善前后信号配时对燃油消耗和尾气排放的影响。选取四个相位的北京交通大学硕士学位论文结论与展望燃油消耗量、ＣＯ排放量、ＮｏＩ排放量、ＶＯＣ排放量四个指标，采用Ｓｙｎｃｈｍ６．Ｏ软件对交叉口改善前后的情况进行仿真计算。得出：燃油消耗分别降低了１０．１１％，３．９２％，２．１５％，１６．９５％；ＣＯ排放量分别降低了ｌＯ．８５％，２．３５％，３．０１％，１６．９３％；ＮＯｘ排放量分别降低了１０．９０％、２．２０％、２．９８％、１６．９８％；ＶｏＣ排放量分别降低了１０．９７％、２．３０％、２．９９％、１７．０６％。可见，采用改善后的信号配时方案，燃油消耗和尾气排放都有较为明显的改善。６．２展望城市道路交通系统是一个复杂的系统，信号交叉口只是其中的一个子系统，本文只是对其进行了一些初步的探索，还有很多地方有待进一步研究：１．关于延误、停车次数、通行能力权重的确定方法，本文采取定性和定量相结合的方法，而且得到的权重是定值，没有随着交通流量的变化而变化。２．文章只选取了延误、停车次数、通行能力三个衡量交叉口运行的基本量，没有考虑诸如油耗、尾气排放等对信号配时的影响，因此，后续研究可以把这些因素考虑在内。３．文章采用的动态加速常数协同惯性权重粒子群优化算法（ＷＣＰＳＯ），没有考虑其参数取值对最优解的影响，也没有进行灵敏度分析，关于这一点，有待于对该算法的进一步研究。北京交通大学硕士学位论文参考文献参考文献【ｌ】ｈｔｔｐ：／ｍｃｗｓ．ｓｉ越．∞ｍ．伽比／２００７＿ｏｌ－１５／０１３０１２０３５２６８．ｓｈ衄１．【２】ｈｔＩｐ：价哪ｗ：ｕｐｌａ．∞／ｈ删ｓ／∞舳ｔ∞耐２００吲１２，７５－１０３５３．ｓ抽ｍ１．【３】刘志伟．城市道路信号交叉口配时优化、仿真与评价技术ｐ】．东南大学２００９：１．【４】全永桑．城市交通控制【Ｍ】．北京：人民交通出版社，１９８９．【５】栗红强．城市交通控制信号配时参数优化方法研究【Ｄ】．吉林大学博士学位论文，２００４．【６】Ｊ．Ｐ：硒衄既Ａ卵ｄｉｅａｔｉ∞ｏｆｎ地ｎｌ∞巧ｏｆ芦ｏｂａｂｉｌ酊ｔｏ邮ｂｌｅｍｏｆｈｉｇｈｗ曩ｙ蛔妇沁．Ｐｈ．Ｄ．ｎｌ岱ｉ８，Ｐｏｌｉｔ∞ｈ．ｈｌｓｔ．Ｂｒｏ砌ｙｎ，１９３３．【８】Ｂ．Ｄ．Ｇｌ砌ｉｅｌｄｓ’Ｄ．Ｓｈａｐｉｒ０＇Ｅ．Ｌ．Ｅｒｉｃｋｓ％．１ｂ伍ｃｐｅｒ细ｍ柚∞砒ｕｒｂ姐ｓ噼ｔ锄饼∞确。越．Ｂｅ他叭ｏｆＨｉｇｈｗａｙ妇ｍｃ，№ｗ【９】Ｍ．Ｊ．Ｌｉｇｌｌ“ｌｌ，ＧＢ．Ｗｈｉ恤吼．Ｏｎｌｄｎｅｍａｔｉｃ嗍：ＩＩ．ａｔｌ瑚哆ｏｆ们伍ｃ￡ｏｗ∞ｌ伽ｇ∞哪ｄｅｄ’ｒｅｃｈ．Ｒｅｐ．Ｎｏ．１ｊＹ．ａｌｅＨａｖ饥，Ｃｏｍ，１９４７．ｒｏａｄｓ．Ｐ∞ｃ∞ｄｉｎｇｓｏｆｔｌｌｅＲｏｙａｌＳ０ｃｉｅ哆Ｓ盯Ａ．１９５５，２２９：３１７－３４５．【１０】Ｌ．Ａ．Ｐｉｐ嚣．Ａｎｏｌ燃撕ｏｎａｌ１９５３，２４（３）：２７４－２８１．【７】Ｂ．Ｄ．Ｑ嘲枷ｃｌｄｓ．Ａ咖ｄｙｏｆ缸伍ｃ∞ｐａｃｉ劬Ｐ眦ＨｉｇｈｒａｙＲ髂Ｂｏａｒｄ．１９３４，１４：４４８－４７７．Ａｍｌ徊ｓｏｆＴｍ伍ｃＤ）『ｎ锄ｉ铝．Ｊｏ明豫ｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ．【１ｌ】Ａ．Ｒ觑麟ｃｈｅｌ．、，ｅｈｉｃｌｅ４：１９３．２１５．ＭｏＶ锄即晦ｉｎａｐｌ砷００ｎ．Ｏ岱ｔｅＩＴｅｉ曲Ｉｉｓｃｈ销崦ｅｎｉａｌｒ－ＡｆｃｈｉＬ１９５０，ｏｆＢ００ｌｅ趾【１２】Ｍ．Ｃｌ蜘舱吖．Ｌｕｄ诵ｇ．Ａ矗域ｓｉ姗ｌ撕∞ｍｏｄｅｌｆ．ｏｒ觚妇丘ｃｎｏｗ蚀ｄ璩ｂ舔ｉｓｏｐｅ删Ｉｉｏ珊．Ｍａｍ锄撕∞ａｎｄｃｏｍｌｍｌ翻晤ｉｎｓｉｍｌｌｌ撕∞．１９８６，２８：２９７—３０３．【１３】Ｓ．ＥＨ００９ｅｎｄ００ｍ卫Ｈ．ＬＢｏ哆Ｇ∞商ｃｇ弱妇舐ｃ妇伍ｃｓｙｓｔ黜ｍＤｄｅｌｉｎｇｔｏｖｅｍ∞ｋ劬伍ｃｎｏｗ．１＇船ｎｓ叫ａｔｉ∞Ｒｅｓ铭ｒｄｈＰａｒｔＢ．２００ｌ，３５（４）：３１７．３３６．【１４】ＥＶ：Ｗ．ｃｂｓｔＩ％Ｔｍ伍ｃＳｃｉ∞ｔｉｌＩｃ柚ｄ１；ｌｒｉｍａｐｐｌｉｃａｔｉｏ璐Ｓｉ弘ａｌ洲ｎｇｓ［Ｒ】．Ｒｏａｄ黜ｓ铡油枷ｃａｌＲｏａｄ凡黜ａ砒Ｉ础饼ａｔｏ】嘎Ｓｉ弘ａｌｓ限】．Ｒ０ａｄＰａｐ盯Ｎｏ．３９，Ｄｅｐａｍ懒１ｔＭ勾岱哆’ｓｏｆ１１１ｄ吣ｔｒｉａｌＨ苜Ｓｔａｔｉ∞钉ｙＯ伍∞，Ｌ０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作者：

学位授予单位：

刘金明

北京交通大学

本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1961731.aspx