基于加权复杂网络的区域综合交通信号控制方法与系统研究

Regional Traffic Signal Control (RTSC) Systems have become important methods and components of urban transportation management, and attracted many researchers’ attentions. Many research findings have been achieved, such as foreign TRANSYT, SCOOT, SCATS. In comparison, the research in China started late, and there are still no acknowledged systems, and the role of RTSC on easing traffic congestion must be improved urgently. Therefore, the project studies a kind of comprehensive RTSC system. Firstly, weighted complex networks methods are applied to integrally model the road traffic conditions with controllable traffic signals (besides light signals in intersections, ramp lights, reversible-lanes and variable-lanes are also included) and evaluate their supply-demand matching. Then, based on the idea of traffic load balance, we propose a new method to optimize regional traffic signal arrangement. Finally, the comprehensive RTSC system is implemented with stream computing, and a normalized general test method and handbook based on microscopic transportation simulation is developed. The work proposes a new way for RTSC research form the perspective of complex networks, and the availability of engineering and its difficulty are kept in mind to make the work with important practice values as well as theory values.

区域交通信号控制系统是城市交通管理的重要手段与组成，吸引了众多学者的注意并取得了不少研究成果，如国外的TRANSYT、SCOOT、SCATS。相比而言，国内的研究起步较晚，市场上尚未出现广泛认可的系统，区域交通信号控制在缓解城市交通拥堵中所起的作用亟待提升。为此，本项目提出研究一种新型、综合的区域交通信号控制方法与系统：首先利用加权复杂网络对道路交通状态和可控交通信号（除交叉口的信号灯，还包括快速路匝道灯、可变潮汐车道、可变转向车道等）进行一体化建模与供求匹配评估；然后基于流量负载均衡思想对区域可控交通信号进行综合优化控制；最后采用流计算技术搭建区域综合交通信号控制系统，并建立一套规范化具有普遍性的基于微观交通仿真的测试方法与指南。该研究不仅从复杂网络的角度为区域交通信号控制研究提供一种新的思路与方法，而且在研究过程中充分考虑了工程实现的可行性与难易程度，具有重要的理论价值和应用价值。

城市交通系统是一个天然的复杂开放巨系统，涌现出的交通流具有不确定性、时变性、迟滞性等诸多复杂特性，给交通信号控制研究带来巨大的挑战，尤其是区域交通信号协调控制。而且，区域交通信号控制非常依赖交通控制环境，涉及广域的通讯网络、大量的交通检测器、交通信号控制器及其连接的交通信号灯和倒计时显示设备（除部署在交叉口外，还可能部署在快速路匝道、可变潮汐车道、可变转向车道等）。长期以来，国内外区域交通信号控制的研究往往只关注控制算法本身而忽略了实际交通控制环境的复杂性，以致成果适应性不高，这也是国外的TRANSYT、SCOOT、SCATS等区域交通信号控制系统难以应用到国内的原因。相比而言，国内的研究起步较晚，市场上尚未出现广泛认可的区域交通信号控制系统，区域交通信号控制在缓解城市交通拥堵中所起的作用亟待提升。为此，面向实际区域交通信号控制，项目首先研究了“交通流-信号”供求匹配的动态评估方法，采用加权复杂网络方法实现对区域交通信号控制效果的量化评估，为区域交通信号控制提供反馈信息。然后，为了研究兼顾有效性和适应性的区域交通信号协调控制方法，项目创新性地提出了相位协调网络的概念，基于网络结构的灵活性和负载均衡思想实现了一种具有充分弹性、松耦合的区域交通信号协调控制方法。最后，鉴于在实际应用中区域交通信号控制系统的易扩展性和维护性也非常重要，项目引入与所提区域交通信号协调控制方法非常契合的流计算技术搭建区域交通信号控制原型系统，并通过重构已有的微观交通计算实验平台模拟实际复杂的交通控制环境对所提方法进行了系统性的测试，测试结果验证了系统的有效性和较强的适应性。综上所述，该研究不仅从复杂网络的角度为区域交通信号控制研究提供一种新的思路与方法，而且在研究过程中充分考虑了工程实施的可行性以及可持续性，具有重要的理论价值和应用价值。