了得網建築_城市路網過飽和交通狀態感知與優化控制

編輯推薦

城市交通網,交通規劃,研究

內容簡介

《城市路網過飽和交通狀態感知與優化控制》繫統總結作者及研究團隊在過飽和交通領域的研究成果。《城市路網過飽和交通狀態感知與優化控制》分4個部分共11章：**部分（第1、2章）介紹過飽和交通控制的背景、交通流參數概念和特性以及交通控制模型和方法；第二部分（第3、4章）介紹基於地感線圈的高精度信息采集繫統和基於低空無人機的信息采集繫統；第三部分（第5～10章）詳細論述交叉口、干線和路網的過飽和交通狀態的識別、量化、估算以及控制策略；第四部分（第11章）介紹交通信號優化和仿真軟件SYNCHRO、Q\\|PARAMICS和VISSIM的繫統結構及相應的操作案例。

目錄
序
前言
第1章緒論 1
1.1 交通擁堵現狀 1
1.2 交通信號控制發展 3
1.3 研究內容及意義 6
第2章交通流與交通信號控制基礎理論 9
2.1 交通流模型 9
2.1.1 交通流基本參數及其相互關繫 9
2.1.2 微觀交通流模型 16
2.1.3 宏觀交通流模型 19
2.1.4 車輛排隊模型 25
2.2 交通信號控制理論 28
2.2.1 單點信號控制 29
2.2.2 干線信號協調控制 30
2.2.3 區域信號協調控制 33
2.2.4 過飽和擁堵下的交通控制 34
2.3 本章小結 38
第3章基於地感線圈的信號交叉口高精度交通信息采集 40
3.1 高精度交通數據采集繫統 40
3.1.1 地感線圈檢測器數據收集原理 40
3.1.2 高精度交通數據采集繫統 42
3.2 交叉口基本交通狀態參數提取 48
3.2.1 原始數據采集 48
3.2.2 原始數據處理 50
3.2.3 交通基本狀態參數提取 50
3.3 本章小結 54
第4章基於低空無人機的多模式交通信息采集 56
4.1 概述 56
4.2 無人機數據采集繫統框架 57
4.2.1 六軸飛行器平臺 57
4.2.2 可見光與紅外熱感圖像采集設備 59
4.3 基於視頻數據的改進Viola-Jones車輛檢測方法 60
4.3.1 Viola-Jones方法 60
4.3.2 道路方向矯正方法 62
4.3.3 車輛檢測測試 66
4.4 基於多顏色直方圖的車輛跟蹤算法 68
4.4.1 車輛位置預測 68
4.4.2 基於顏色相似的目標匹配 70
4.5 行人及自行車檢測與跟蹤 71
4.5.1 基於梯度特征的精確ROI提取 72
4.5.2 紅外行人檢測 76
4.5.3 紅外行人檢測精度統計 82
4.5.4 基於KLT特征點跟蹤的紅外行人跟蹤方法 84
4.6 本章小結 86
第5章交叉口過飽和狀態量化評估 88
5.1 過飽和狀態定義概述 88
5.2 擁堵交叉口排隊長度及滯留排隊長度估算 90
5.2.1 信號交叉口LWR交通波動理論 90
5.2.2 轉折點識別 93
5.2.3 交叉口排隊長度估算 96
5.2.4 測試與結果 100
5.2.5 過飽和狀態下滯留排隊長度估算 102
5.3 擁堵交叉口溢流時間估算 103
5.4 過飽和狀態量化 106
5.4.1 T-OSI 106
5.4.2 S-OSI 106
5.4.3 測試與分析 106
5.5 本章小結 111
第6章城市干線過飽和交通狀態描述 112
6.1 干線交通運行狀態評價概述 112
6.2 過飽和干線車輛行程時間估算 112
6.2.1 問題闡述 113
6.2.2 基於虛擬浮動車行程時間預測的干線飽和交通狀態描述 113
6.2.3 模型驗證 119
6.3 基於交通擁堵圖譜的干線過飽和交通狀態描述 123
6.3.1 圖譜定義 123
6.3.2 圖譜表達 123
6.3.3 圖譜案例 125
6.4 干線基本圖 127
6.4.1 繪制干線基本圖 127
6.4.2 信號控制對干線基本圖的影響 130
6.4.3 QOD現像 131
6.4.4 穩定形式的干線基本圖 136
6.5 本章小結 138
第7章城市路網過飽和交通狀態評估 139
7.1 概述 139
7.2 基於MFD的過飽和路網狀態評估 141
7.2.1 MFD存在性 141
7.2.2 MFD仿真驗證 146
7.3 基於T-OSI/S-OSI的路網評估 148
7.3.1 基於T-OSI/S-OSI的路網評估 148
7.3.2 仿真示例 151
7.4 本章小結 155
第8章過飽和交叉口信號優化與控制 156
8.1 概述 156
8.2 自適應交叉口交通防鎖死控制策略 158
8.2.1 溢流交通流特性 158
8.2.2 基於溢流檢測器的過飽和交叉口信號控制 159
8.2.3 單個交叉口防鎖死控制策略仿真分析 164
8.3 城市過飽和瓶頸交叉口新型擴容渠化設計 169
8.3.1 CFI-Lite設計 170
8.3.2 通行能力分析 171
8.4 本章小結 174
第9章干線過飽和交通信號優化與控制 175
9.1 干線信號優化與控制概述 175
9.2 基於排隊數據的干線聯控 176
9.2.1 高精度交通信號數據 177
9.2.2 相位差優化數學模型 181
9.2.3 優化結果 186
9.3 基於**流方法的干線交通信號優化 188
9.3.1 單個交叉口的消散策略分析 188
9.3.2 數學模型 190
9.3.3 前向後向求解算法 194
9.3.4 仿真驗證 196
9.4 基於CFI-Lite新型交叉口設計的干線信號控制 199
9.4.1 基於CFI-Lite信號控制的帕累托改善問題 199
9.4.2 帕累托改善解存在的條件分析 202
9.4.3 求解方法 207
9.4.4 案例分析 208
9.5 本章小結 211
第10章城市路網過飽和交通控制 212
10.1 概述 212
10.2 基於MFD的路網子網劃分控制 214
10.2.1 非均勻路網劃分 214
10.2.2 基於MFD的路網控制策略 217
10.3 基於OSI的路網干線劃分控制 222
10.3.1 基於OSI的過飽和干線聯合控制回顧 222
10.3.2 過飽和干線路網 222
10.3.3 前向後向求解算法 224
10.4 基於排隊的路網交叉口劃分控制 225
10.4.1 問題描述 226
10.4.2 分布式準**控制策略QUEUE 227
10.4.3 仿真結果及分析 231
10.5 本章小結 236
第11章交通信號控制仿真 238
11.1 交通信號控制仿真軟件簡介 238
11.2 信號交叉口硬件在環仿真平臺 243
11.2.1 繫統組成 243
11.2.2 控制效果評價 244
11.2.3 搭建硬件在環繫統 245
11.3 交通仿真案例 245
11.3.1 瓶頸交叉口信號控制仿真及驗證 245
11.3.2 主干道信號控制仿真及驗證 249
11.3.3 路網信號控制仿真及驗證 250
11.4 本章小結 251
參考文獻 252

在線試讀

第1章緒論
1.1 交通擁堵現狀
交通是城市經濟活動的命脈，對提高城市經濟發展、人民生活水平起著十分重要的作用。隨著我國經濟的快速發展，人民生活水平不斷改善，出行需求量驟增，機動車保有量呈現迅猛增長的狀態。據國家統計局數字顯示，2015年年末全國民用汽車保有量達到17228萬輛（包括三輪汽車和低速貨車955萬輛），比2014年年末增長11.5%［1］。但是由於存在城市道路增長有限、道路設施建設滯後、交叉口渠化組織不科學、交通信號控制不協調等問題，我國大中城市普遍存在主干道交通擁塞現像，尤其在出行高峰期間，經常出現歷時長、範圍廣、影響大的過飽和交通狀態，如圖1.1所示。
圖1.1 北京晚高峰道路擁堵［2］
以北京為例，2015年北京市工作日平均每天擁堵時間約3h［2］。這不僅直接給居民的出行造成了巨大的時間損失和燃油耗費，更嚴重惡化了城市居住環境，給居民健康及國家經濟帶來了嚴重的負面影響。同時，交通擁堵無形中浪費的能源和資源加重了公眾出行的經濟成本，據《中國智能出行2015大數據報告》顯示，北京每年因交通擁堵造成的損失約為人均7［3］，其他各大城市的擁堵狀況同樣嚴峻（參見由高德地圖軟件公司發布的2015年第二季度的交通擁堵狀況表1.1［4］）。城市道路交通問題已經成為關繫到我國民生的重大問題，治理擁堵刻不容緩。
表1.1 我國主要擁堵城市排名及各項指標
注：高峰延時擁堵指數是指早晚交通高峰時花的時間與正常不堵車情況下的時間之比。指數越大，表示越擁堵。
交通擁堵並不是一個新的問題，在古羅馬、18世紀的倫敦和19世紀的紐約就已經出現了擁堵，時至今日，擁堵現像變得更加普遍和嚴峻［5］。長期以來，緩解交通擁堵主要依賴於提高交通供給，通過大規模的道路建設來滿足日益增長的交通需求。據交通運輸部統計顯示，截至2015年底，我國公路通車裡程數達到457.73萬公裡［6］，僅次於美國。然而，這種依靠大規模新建道路的方法仍然無法解決交通擁擠問題。當斯定理(Downs Law)［7］指出：新建的道路會誘發新的交通量，促進原先不必要的出行從而增加出行總量，且交通流量會從其他道路轉移到新建道路，誘發的交通量會快速占據新增的道路，*終又出現交通需求大於供給的現像。因此，解決交通擁堵更需要從交通繫統的科學控制管理出發，繫統綜合地考慮將人、車輛和道路基礎設施結合起來，並運用現代科學技術手段探索擁堵交通狀況，特別是過飽和狀態下的交通問題。
鋻於此，本書著重於對城市過飽和的交叉口、主干道和路網通行能力的深度挖掘和分析，對城市道路上高精度及其他交通數據采集技術進行總結和剖析，介紹交叉口、主干道和路網過飽和狀態的識別和估算的方法，*後針對過飽和狀態下的交叉口、主干道和路網提出相應的優化控制策略和方法。此外，本書還給出過飽和狀態下的單一交叉口、主干道和路網下的仿真案例和驗證分析，總結城市交通擁堵的規律，揭示潛在的擁堵機理，通過對整個過飽和道路通行能力的深度挖掘和優化控制來達到緩解城市交通擁堵的目的，其成果在理論和實踐中都有著重要意義。
1.2 交通信號控制發展
交通信號通常設置在道路交叉口上無法實現交通分離的地方，是一種用來在時間上給交通流分配通行權的交通指揮措施。交通信號燈通過輪流顯示不同的燈色來指揮交通的通行或停止，其主要目的是使各類、各向交通有秩序、高效率的通行［8］。
19世紀中期，隨著城市道路網絡的不斷擴大，交通安全以及交通擁堵問題逐漸引起了社會的關注。1858年，英國倫敦主要街頭安裝了紅、藍兩色的機械扳手式燃氣信號燈，用以指揮馬車通行，這是世界上*早的交通信號燈。1868年，在倫敦威斯敏斯特地區安裝了一種手動旋轉的紅綠兩色煤氣提燈（紅色表示“停止”，綠色表示“通行”），在這盞燈下需要站立一名手持長杆的警察，通過皮帶拉拽提燈進行顏色的轉換，其對緩解擁堵、減少馬車軋人事故的發生起到了很大的作用，雖然後期這種信號燈由於爆炸事故而停止了使用，但卻激起了人們研發信號燈的熱情。
19世紀末期，電燈的出現為電動化紅綠燈的發明提供了條件。1912年，美國鹽湖城一名叫做Lester Wire的警員發明了**盞電動交通信號燈，使用的依然是紅、綠兩種顏色。在此基礎上，美國交通信號燈公司於1914年對其進行了改進，在頂部安裝了一個蜂鳴器，在信號燈進行切換之前，蜂鳴器會先行報警，提醒人們信號燈顏色即將變化，並將這一裝置安裝在了美國克裡夫蘭街口。隨後，美國許多地區都開始在此基礎上對交通信號燈進行不同程度的升級，如1917年，鹽湖城街道上首次出現了相互關聯的交通信號繫統，即在6條街道的路口設立了電動交通信號燈，並將它們互相連接，由一個崗亭內的警員統一控制顏色的轉換。1920年，美國密歇根州底特律一位名叫William Potts的警官研制出了一種多功能交通信號燈，這種信號燈共分為四面，每面均豎立排列三盞燈，當時它的排列形式和功能與現在的信號燈大同小異，紅燈與綠燈表示“停止”與“通過”，黃燈則表示“謹慎”。1936年，在澳大利亞墨爾本的道路上出現了一種名為Marshalite的交通信號指示繫統，它由兩個互相呈90°豎立的圓盤組成，每個圓盤上均有紅、黃、綠三個顏色區域，其中紅、綠區域長度相近，黃色區域相對較短，圓盤中間固定著白色指針，以電力驅動指針進行旋轉，當指針旋轉至紅色區域時，表示停止前進，旋轉至綠色區域時，則表示允許通行，旋轉至黃色區域時，則提醒人們需要做好停車的準備。
但是由於技術方面的限制，此後幾十年內，交通信號燈的切換一直沿用人工控制的方式，直到1946年，**臺計算機的誕生為實現自動化信號燈的產生提供了基礎。1963年，多倫多市的街道上**次出現了由電腦芯片控制的交通信號繫統，這套繫統擺放在路口中間，並與其他幾個路口的信號燈相連，警察隻需在控制室觀察某個地區所有信號燈的工作狀況。隨著20世紀70年代微軟公司的成立，交通信號燈纔有了統一的處理繫統，此後的交通信號燈大都使用微軟公司提供的繫統進行紅、黃、綠之間的邏輯切換控制，徹底告別了人工控制的時代。90年代，美國部分地區開始引進帶有計時器的交通信號燈，這種信號燈不僅能夠指揮行人與車輛正常行駛，還能夠預先告知紅燈或綠燈所剩的時間，幫助人們判斷何時起步、何時停車。同時，世界各地出現了各式各樣的交通信號燈，它們根據地域及交通管理需求的不同有各自的含義，而所有這些信號燈都有一個共同的作用，那就是讓道路交通變得更順暢、更安全［9］。
與此同時，交通信號控制技術也取得了快速的發展。奠基於Webster和Miller的以車輛平均延誤*小為目標的信號配時模型及計算方法[10]，一繫列研究算法和信號控制繫統被開發並得到了實際應用。1966年，英國的交通與道路研究所設計了一種離線定周期的區域交通信號控制繫統優化程序(traffic network study tool，TRANSYT)，並在倫敦和格拉斯哥市設立了區域交通控制實驗繫統［11，12］。目前在全球範圍廣泛采用的交通信號控制繫統包括澳大利亞的SCATS（Sydney coordinated adaptive traffic system）和英國的SCOOT（split cycle offset optimizing technique）。SCATS屬於方案選擇式控制繫統，每個交叉口配時方案根據子繫統的整體需要進行選擇；SCOOT屬於方案生成式實時自適應控制繫統，采用小步長漸進尋優的方法，連續實時地調整綠信比、周期和時差3個參數。
此外，美國的OPAC（optimization policies for adaptive control）是一個分布式實時交通信號控制繫統，該方法適用於較擁擠的交通干線，曾在美國新澤西公路上進行測試；意大利的SPOT/UTOPIA（signal progression optimization technology/urban traffic optimization by integrated automation）繫統屬於分布式實時交通控制繫統，適合於公共交通比較發達的歐洲國家，目前在意大利、挪威、荷蘭、瑞典、芬蘭和丹麥等國有較多應用；法國的PRODYN（dynamic programming）是一種實時交通控制繫統，但實際應用的不多；美國的RHODES（real\\|time hierarchical optimized distributed effective system）是實時、遞階、**化的分布式繫統；西班牙的ITACA（internet traffic and control analyser）基於線圈實時收集數據，在計算機模型中仿真實時優化運行，並實時下達交通控制指令，該繫統在世界多個城市成功運行，在我國北京和武漢等城市也有小規模應用。常見的信號控制繫統對比情況如表1.2所示［13］。
表1.2 常見信號控制繫統對比
我國城市交通信號的研究工作起步較晚，直到20世紀70年代北京市纔開始采用DJS\\|130型計算機對干線協調控制進行研究。隨著我國城市道路交通問題越來越嚴重，政府一方面進行以改善城市中心交通為核心的UTSM（urban traffic simulation model）技術研究，另一方面采取引進與開發相結合的方針在部分城市建立了道路交通控制繫統。80年代末，我國自行研制開發了**個實時自適應城市交通信號控制繫統，即南京城市交通控制繫統（Nanjing urban traffic control system，NUTCS），該繫統結合了SCOOT與SCATS的優點，設置了實時自適應控制、固定配時和聯機線控三種模式，並配置了交通疏散廣播、可變情報分析，為車輛提供道路交通信息。整個繫統采用三級控制結構：中心控制級、區域控制級、路口控制級，構成三級分布式遞階控制結構，該繫統適合我國混合交通、路網密度低、路口間距大的城市道路條件。此外，國內還有很多研究所、大學及公司開發了微機化、模塊化的信號控制繫統。例如，2003年，海信公司自主研發的HiCon自適應交通信號控制繫統，其針對混合交通現狀建立了機動車與非機動車混合控制模型，采用多層次分布式控制結構，分為控制平臺層、控制中心層、通信層和路口層四層，具有完整的算法體繫，包括區域協調控制算法、感應式協調控制算法等，廣泛應用於北京、福州、廈門、煙臺等城市［14］。
隨著城市擁堵的進一步加劇，近年來的交通控制研究更加關注在過度擁擠（過飽和）狀態下的城市信號控制的優化。雖然早在20世紀60年代，Gazis［15］就已經開始了對過飽和的研究，但到現在為止，對過飽和城市交通的理解及控制仍然是一個亟待解決的問題，而這也是本書的主要研究目的。
同時，隨著信息技術的發展，城市交通控制也向信息化、智能化方向發展。現代城市交通控制繫統也已不單是對交叉口信號燈進行控制，而是集交叉口信號燈控制和現代城市高速公路交通控制於一體的混合型交通，實現區域信號控制和城市高速公路集成控制。控制思想上由被動控制向主動自適應控制發展；控制技術上借助於現代科學技術向智能化、集成化發展；控制模式上由靜態控制向動態誘導控制發展。概而言之，要充分利用繫統工程的思想和方法，加強對城市先進交通管理繫統的硬件技術和軟件技術研發［16］。因此，在技術上尋求大幅度提高信號機智能水平的理論和方法，提高交通路網的運行效率，將有利於局部擁堵交通流的快速疏導［17］。
1.3 研究內容及意義
本書以過飽和狀態下的城市道路交通為研究對像，分別從過飽和的交叉口、干線和路網三方面進行分析，旨在建立過飽和的交叉口、干線和路網的識別技術以及提出相應的優化控制方法。本書的主要研究內容安排如下。
1)交通流與信號控制基礎理論
簡要敘述基本交通流參數以及基本參數之間的相互關繫；介紹了跟馳胞自動傳播模型等微觀交通模型的運

商品搜索

商品分类

【醫學】

【各大出版社】