基于多目标优化相邻两交叉口信号配时研究

1评委一评分，签名及备注队号：1492评委三评分，签名及备注评委二评分，签名及备注选题：A评委四评分，签名及备注题目：基于多目标优化相邻两交叉口信号配时研究摘要现代社会，随着交通拥堵现象的日益严重，交叉口信号配时的优化对减小道路交通压力有着十分重要的意义。针对相邻两交叉口信号配时优化问题，本文从等待时间和等待车辆数两个角度分别建立优化模型，对该问题进行了研究。在模型一中，将相邻两交叉口作为一个系统，建立了以系统中车辆总等待时间最小为目标函数，以各相位有效绿灯时间、信号周期时长为约束条件的优化函数模型。运用遗传算法（GA）和模拟退火精英协同算法（SACEA）两种方法，利用MATLAB编程，分别对模型进行了求解，得到了两种优化配时方案。在模型二中，将两交叉路口作为一个系统，对系统的车辆等待数进行分析。将一个系统周期结束时该系统的车辆等待数总和作为主优化函数，将各交叉路口各自一个周期结束时的等待放行车辆数总和作为次优化函数，将各相位时间作为约束条件建立多目标优化模型。同样运用GA算法和SACEA两种方法对模型进行求解，得到了两种优化配时方案。每个模型得到的最优配时方案与现行配时方案对比如下：交叉口相位差(s)相位1绿灯时间(s)相位2绿灯时间(s)相位3绿灯时间(s)相位4绿灯时间(s)周期(s)交叉口等待时间(s)A现行852193122140158.1模型一1230.8617.2515.2320.1499.5096.9模型二1326.8621.1215.1522.24101.3990.5B现行843173518129275.4模型一1232.516.2315.4318.1298.35100.6模型二1331.1221.3516.7515.11100.3485.6在模型检验部分，采用Synchro软件对优化配时方案和现行配时方案分别进行仿真，以交叉口的等待时间作为衡量标准，得到了两种模型的配时结果都优于原有的方案，验证了模型的有效性，并且SACEA算法的优化效果明显优于GA算法。在收敛性、时间复杂度、空间复杂度方面，SACEA算法的收敛速度及复杂度均高于遗传算法。最后，本文以模型二为基础进行了推广，将两交叉口四相位优化配时推广到了多交叉口多相位的网状系统，使模型更具有通用性。关键词：多目标优化；遗传算法；模拟退火精英协同算法；MATLAB；Synchro2目录一、问题重述........................................................................................................3二、问题分析........................................................................................................3三、模型假设........................................................................................................4四、符号说明........................................................................................................4五、模型的建立与求解........................................................................................55.1模型一—基于车辆总延误时间最小的多交叉口优化配时模型.........55.1.1思路分析.......................................................................................55.1.2模型建立.......................................................................................85.1.3模型求解.....................................................................................135.1.4结果分析.....................................................................................165.2模型二—基于等待车辆数最小的多目标优化配时模型...................205.2.1思路分析....................................................................................205.2.2模型建立.....................................................................................205.2.3模型求解....................................................................................245.2.4结果分析....................................................................................295.2.5模型扩展.....................................................................................335.3与现有配时方案对比分析...................................................................355.3.1现有配时方案仿真及模拟........................................................355.3.2现有配时方案与优化后配时方案对比....................................38六、模型评价......................................................................................................396.1模型优点................................................................................................396.2模型缺点................................................................................................396.3模型改进................................................................................................40七、参考文献......................................................................................................41八、附录.............................................................................................................413一、问题重述随着城市化水平的提高，机动车数量急剧增加，城市交通拥堵问题日益严重。平面交叉口是道路交通的主要冲突点，不仅机动车数量多，而且行人和非机动车也在同一平面通过。定时控制这种传统信号灯控制方法会造成某些方向绿时浪费，而在有些方向上车辆通行又延误严重。因此，智能交通信号控制成为了主要控制手段，优化交叉口信号配时是提高交叉口运行效率最有效的方法之一。现有武汉市某相邻两交叉口A、B交通数据如表1所示，交叉口A的第一、二、三、四相位时间分别为56s、23s、35s、26s。测得两个交叉口的相位差为8s，交叉口B的第一、二、三、四相位时间分别为47s、21s、39s、22s。每个相位时间都包括3s黄灯时间、1s红灯时间。表1交通数据交通数据交通流量/(PCU·h-1)车均延误时间/s左转直行右转左转直行右转武汉市A交叉口东进口3661394987.556.725.80西进口29516672南进口5254083008.164.895.63北进口100394576武汉市B交叉口东进口80211545765.2611.334.96西进口450304329南进口169420845.0313.615.43北进口13253590为有效指导提高实际平面交叉口的通行能力和服务水平，减少城市交通网的交通延误，改善城市交通现状，要解决的问题有：设计通用模型与算法，对交通信号进行配时优化研究；求解出改善后的交通信号配时方案并进行仿真检验；从时间复杂度、空间复杂度、收敛性进行对比分析，对模型进行进一步优化。二、问题分析这是一个配时优化问题，根据武汉市两相邻平面交叉路口A、B的交通数据对交通信号配时方案进行优化，以提高实际平面交叉口的通行能力和服务水平，4减少城市交通网的交通延误，改善城市交通现状。问题的特点在于A、B为两个相邻的交叉路口，且交通信号为四种相位。问题的难点在于所建立的模型在充分考虑单交叉口各进口处车辆流向和流量的基础上需要将A、B连接起来加以协调控制，构成干线交叉口交通信号的协调控制系统，以减少相交道路车流对干线车流的干扰。在保证相交道路车流行车需求的同时，使干线车流获得最大的通行权。三、模型假设（1）排队车辆平均分配到该行驶方向的车道上；（2）为保证绿信比，各相位的绿灯时长不低于10s；（3）黄灯时车辆不允许通过；（4）只考虑机动车相位，不考虑行人相位；（5）两相邻交叉口信号周期时长不等，信号配时方案不同。四、符号说明符号定义符号定义绿信比odt车辆通过系统的平均行程时间j方向序号di为东西方向的总车均等待时间k车道序号t12表示交叉路口1与交叉路口2的相位差i相位序号sl第l个系统周期，整个系统的车辆等待数t绿灯时间odV车辆在A、B两交叉口之间行驶的平均车速C周期时长wnm第m个路口周期，第n个路口的车辆等待数n交叉口序号dki第k个交叉口第i相位的车辆平均等待时间x交叉口饱和度tmni第n个路口，第m个周期的各相位的绿灯时间Cn第n个路口的周期d'ki第k个交叉口第i相位的车辆实际平均等待时间q进道口的实际车流量pnkl第l个网络周期，第n个路口各车道的车辆通行率qs为进道口的饱和流量vin,n+1由路口n到路口n+1方向、第m个周期的车流速度β各方向各车道的分流比ankl第l个网络周期第n个路口第k条车道的车辆到达率Ln,n+1相邻交叉口n，n+1的距离ρin，n+1由路口n到路口n+1方向、第m个周期的平均车流分布密度5五、模型的建立与求解5.1模型一—基于车辆总延误时间最小的多交叉口优化配时模型5.1.1思路分析多交叉口的优化实质是利用算法对各个交叉口的配时进行协调控制，使车辆能够以最快的速度通过多个交叉口[1]。因为城市道路主干道是城市交通的命脉，主干道的通畅与否直接影响相邻区域甚至整个区域的交通情况，因此减少干线车辆的总延误，使得车辆能够以最短的时间通过干线各个交叉口是最终目标。由题目中表1所给出的数据可以看出A、B两交