城市交通控制信号配时参数优化方法研究

吉林大学博士学位论文

第一章绪论

本章首先介绍了论文的课题来源，接着讨论了城市交通在城市发展中所起的作用及带来的问题，并由此探讨了城市交通问题的解决办法，以及城市交通信号控制系统在城市交通问题解决中所起的作用。在总结国内外城市交通控制发展状况的基础上，提出了研究城市交通控制信号配时参数优化技术的必要性，最后概括了论文的主要研究内容及其意义。

1.1 课题来源

本学位论文的完成主要基于下列科研项目：

（1）青岛海信网络科技股份有限公司项目《混合交通自适应控制系统理论、算法与模拟技术研究》

（2）国家自然科学基金重点项目《城市路网动态交通管理与控制关键理论及其模拟技术研究》

（3）吉林省杰出青年基金项目《宏观交通流理论研究》

1.2 研究背景

1.2.1 城市交通问题

交通是由人们的社会生产活动和生活活动而产生的，人类社会的行为与交通息息相关。汽车的出现和汽车工业的发展，使整个交通运输格局发生了巨大变化，极大地推动了人类社会的进程。

城市交通系统作为城市社会、经济和物质结构的基本组成部分，在组织生产、安排生活、提高城市客货流的有效运转及促进城市经济发展方面起到了十分重要的作用[1]。

然而，事情总是一分为二的。现代交通工具也是一把“双刃剑”，它在提高人们生活水平的同时，也带来了各种各样的城市交通问题。随着经济的发展，汽车保有量的急剧增加，如何降低交通的负面效应已成为全球面临的共同问题。

在国外，特别是西方国家，由于经济发展起步较早，20世纪60年代时交通问题就已经非常突出，纽约、巴黎、伦敦等城市的中心街道上，平均车速每小时只有十多公里。美国德州运输研究所对美国39个主要城市的研究，估计美国每年因交通阻塞造成的经济损失约为410亿美元，12个最大城市每年的损失

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均超过10亿美元；日本东京每年因交通拥挤造成交通参与者时间损失的价值相当于123 000亿日元；而欧洲每年因交通事故、交通拥挤和环境污染造成的经济损失分别达到500亿欧元、5 000亿欧元和50～500亿欧元[2-4]。

在我国，由于经济发展相对落后，汽车拥有量相对较小，在改革开放前及初期，交通问题并不严重。从80年代中期开始，随着我国国民经济的持续高速发展、城市化进程的加快以及机动化水平的提高，导致交通供需矛盾日益尖锐，城市交通状况日渐恶化，出行难已成为困扰人们生活的首要问题。最近几年来，轿车开始进入家庭，交通供需更加不平衡，交通拥挤更加严重，尤其是在一些大中城市，交通拥挤以及由此形成的社会公害，已成为我国城市面临的极其严重的“城市病”之一，严重时甚至导致城市整体或局部功能的瘫痪。城市交通问题在一定程度上已成为制约城市经济、社会可持续发展的瓶颈。

交通拥挤不仅带来了交通系统的服务水平下降，交通延误增加，行车速度降低，出行时间大幅度增加等直接危害，还导致了交通事故频繁，能源浪费严重，汽车尾气排放量增大，环境恶化等诸多问题。而交通事故的发生往往又使交通阻塞加剧，形成恶性循环。因此，交通问题已成为备受关注的社会问题。

以北京市为例，1996年，全市共发生交通堵塞16 798起，市区严重堵塞的路口、路段从1994年的36处猛增至99处，由此造成市区11条主要干道的车速降至12h km /，个别路段时速仅有7～8h km /。公共汽车平均运营速度由“五五”期间19h km /下降到“八五”期间的13h km /。低速行驶带来了环境的恶化，据统计：北京市来自汽车排放尾气中的一氧化碳（CO ）、碳氢化合物（HC ）、氮氧化合物（X NO ）分别占北京大气污染物的63％、73％和50％，是北京大

气中的主要污染源。90年代，北京市303条主要监测路段的交通噪声平均值一直处于72dB 左右，高于国家标准[5-7]。

1.2.2 城市交通问题的解决对策

城市交通是一个复杂的、受制变量众多的庞大系统。同样，城市交通问题也是一个复杂问题，由诸多因素决定。几十年来，尽管世界各国采取了各种各样的对策，但城市交通问题一直没有得到很好的解决。

城市交通问题的关键是交通拥挤问题。在我国，出现道路全面紧张的主要原因有两个方面：

（1）道路交通基础设施落后，路网结构不合理，交通需求的年增长速度是道路建设速度的10多倍，使得道路交通设施运输能力不能满足需求；

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（2）道路交通管理设施落后，交通流组织和管控水平不高，措施不完善，我国特有的行人、非机动车和机动车三元混合交通流结构，又使得现有道路交通设施的运输能力得不到充分利用而加重了交通拥堵。

在国内外长期的实践中，人们逐渐认识到任何单一层次、几种方法的简单集成都难以解决交通不畅这一“顽症”，必须采用系统工程的思想和方法，通过科学、系统的综合治理来加以解决。目前，解决城市交通拥挤问题必须从供和求两方面同时入手，其根本途径有两条：一是在“硬件”方面，加快交通基础设施建设，通过新建道路、立交或对现有的道路网络进行改造以提高整个路网的交通容量。二是在“软件”方面，加强交通管理，通过对交通流进行科学合理的组织与管控，充分发挥包括道路在内的现有交通设施的潜力，最大程度上使交通流做到安全、迅速、流畅、有序流动[8]。

交通设施的建设是发展城市交通，满足各种交通需求的物质基础。但是这种选择是有限的，首先这需要大量的资金投入，回报周期长，部分地区或城市难以承受。其次，仅仅依靠单纯的修建道路，不仅无法满足日益增长的交通需求，反而会刺激、诱增交通流，从而很快堵塞新建道路。而且在交通问题严重的市区，由于建筑格局已比较固定，土地开发强度已经相当高，通过大规模的道路建设提高交通用地比例往往是不可能的。在这种情况下，加强城市交通管理便成为解决交通问题的一条有效途径。

城市交通管理是按照既定的交通法规的规定和要求，运用各种手段、方法和工具，合理地限制和科学地组织、指挥交通。交通管理的范围广、内容多，主要包括：技术管理、行政管理、法规管理、交通安全教育与培训考核、交通控制等。其中，交通控制的目的是应用交通信号给不同流向的各类交通流分配通行权，从而实现时间上的分离。几十年来，城市交通控制系统在世界上备受瞩目且得到迅速发展，研究开发了一系列先进的城市交通信号控制系统（Advanced Urban Traffic Control System，AUTCS），在世界各国得到了广泛应用，并起到了较好的效果。例如：使用TRANSYT系统后，较单点固定配时一般可提高路网通行能力5～15％，行车速度提高20％～25％，减少车辆平均延误15％～40％，减少交通事故0%～15％，减少废气污染5％～15％，节省能耗5％～20％。同时还能大大减少交通警察和工程技术人员的工作量，降低其劳动强度，改善城市生态环境[9-11]。

下面简要介绍一下城市交通控制系统国内外的发展状况，进而确定本论文的研究内容。

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