干道过饱和交叉口群的实时交通控制策略研究

论文摘要

为缓解、破解过饱和交叉口(群)的交通供需矛盾,基于城市道路的间断交通流特性,本文针对供需矛盾的焦点——交叉口连线路段的过饱和车队,阐释、分析其“回溢”所导致的交叉口(群)通行能力的损失机理,总结上述的通行能力损失所导致的交叉口(群)行程延误的增涨规律。此基础上,应用系统学的“现实系统—数学模型”方法,构建干道过饱和交叉口群系统优化控制(非线性规划条件极值)数学模型。该数学模型以“行程延误最小化”为目标函数,以“通行能力零损失(防止过饱和车队超范围回溢)”为约束条件。在干道过剩交通总量(即全局负载)一定的前提下:各独立交叉口间,既存在以“单交叉口负载/延误最小化”为局部目标的竞争,同时亦必需以“交叉口群负载/延误最小化”为全局目标而协同。鉴于各独立交叉口之间同等的功能权重,因此,均衡饱和度(即竞争与协同的对立统一)是可行、且唯一可行的全局最优解。必需注意——关键变量交叉口饱和度、过饱和车队的长度及其时变率之间并不存在“一对一”的直接映射关联,因此,上述约束条件所限定的可行域内可能无解,对此,对于均衡饱和度的控制,必需视具体情况,强制个别的交叉口饱和度低于1.00,缩减过饱和车队的长度以符合上述的约束条件。与过饱和交叉口群(理论研究范畴的)数学模型的最优解相对应,(工程技术、应用实务范畴的)现实系统的最优化策略,即是以“扩增单/多交叉口的通行能力”为核心的饱和度的“协同均衡化”:◆策略应用前期,各交叉口饱和度>1.00条件下,均衡饱和度向最低者趋近,实现过剩交通的交通强度(具体体现为:过饱和车队长度的时变率)的“均衡”,其目的意义侧重:对过饱和车队,一则控制其“小范围存在”、二则抑制其“大范围延伸”,降低干道全局的“均衡延误”与“随机延误”;◆策略应用后期,各交叉口饱和度<1.00条件下,均衡饱和度向平均值趋近,实现过剩交通的交通密度(具体体现为:过饱和车队长度)的“疏解”,其目的意义侧重:降低干道全局的“过饱和延误”,而更重要的是,防止过饱和车队“超范围回溢”,保障交叉口通行能力的零损失。此外,为防止过饱和的转移或扩张,在策略应用后期,必需适度扩增系统外围欠饱和交叉口的通行能力——其一为过剩交通的交通强度的均衡提供可能的饱和度弹性余地,其二为过剩交通的交通密度的疏解创造必需的交通量容纳空间。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 研究背景（问题的提出）
• 1.1.2 研究对象（问题的诊断）
• 1.2 研究意义
• 1.3 相关研究及其应用综述
• 1.3.1 国外研究及其应用
• 1.3.1.1 单交叉口信号控制（点控）
• 1.3.1.2 干道交叉口信号协调控制（线控）
• 1.3.1.3 过饱和车队集散机理
• 1.3.1.4 交叉口延误分析方法
• 1.3.2 国内研究及其应用
• 1.4 研究目标、内容及方法、路线
• 1.4.1 研究目标、内容
• 1.4.2 研究方法、路线
• 第2章 过饱和交叉口群的通行能力损失机理与行程延误增涨规律
• 2.1 过饱和车队的回溢
• 2.1.1 过饱和车队的A类（Type-A）回溢
• 2.1.2 过饱和车队的B类（Type-B）回溢
• 2.1.3 过饱和车队的C类（Type-C）回溢
• 2.1.3.1 第一类（Type-C-Ⅰ）通行能力损失
• 2.1.3.2 第二类（Type-C-Ⅱ）通行能力损失
• 2.2 通行能力损失与行程延误增涨
• 2.2.1 通行能力损失
• 2.2.2 行程延误增涨
• 2.2.2.1 欠饱和交叉口的行程延误（稳态延误）增张
• 2.2.2.2 过饱和交叉口的行程延误（定数延误）增张
• 第3章 过饱和交叉口群系统建模及其优化模型
• 3.1 过饱和交叉口群系统建模
• 3.1.1 系统结构设计
• 3.1.2 系统功能分析
• 3.1.2.1 系统功能描述
• 3.1.2.2 系统特性分析
• 3.2 过饱和交叉口群系统优化模型
• 3.2.1 最优化目标函数
• 3.2.2 最优化约束条件
• 第4章 过饱和交叉口群实时交通控制策略
• 4.1 模型协同均衡化方案
• 4.1.1 延误分散化原则
• 4.1.1.1 延误凹函数特性
• 4.1.1.2 延误分散化意义
• 4.1.2 协同均衡化原则
• 4.1.2.1 系统模型的条件极值数学特性
• 4.1.2.2 系统模型的协同均衡优化原则
• 4.2 系统协同均衡化策略
• 4.2.1 通行能力零损失
• 4.2.2 行程延误最小化
• 4.2.2.1 均衡饱和度的实质涵义
• 4.2.2.2 均衡饱和度的控制要领
• 第5章 策略应用仿真示例
• 5.1 策略应用的成本效益协同优化
• 5.1.1 空间成本与延误效益
• 5.1.2 空间成本与延误效益的协同优化
• 5.2 仿真示例
• 5.2.1 仿真设计
• 5.2.2 示例分析
• 5.2.2.1 示例分析——死锁现象
• 5.2.2.2 示例分析——策略应用
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文