城市路网交叉口信号配时的研究与应用
基于上述原因，本课题对城市道路信号交叉口的配时方法进行了研究，对交叉口信号控制的三个主要目标：延误、停车次数、通行能力进行分析，然后根据合理信号配时确定车道功能，或提出改造渠化方案。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
国外学者对城市道路信号控制及配时方法研究起步较早，早在19世纪，英国就出现了交通信号灯，人们开始使用信号灯指挥交叉口车辆有序运行。1926年，英国人在wolverhampton设置了第一座自动交通信号灯。从上世纪50年代开始，随着通信技术和计算机技术的迅速发展，美国开始将计算机控制技术应用在交叉口信号控制上，从1952年到1961年短短十年间，美国建立了100多个使用计算机控制的交通信号系统。进入60年代，世界各国开始研究区域范围内的信号控制系统，各种信号控制系统层出不穷。近年来，交通领域的学者在城市交通管理控制方面进行了大量的研究工作，主要表现为以下几个方面：
(l)交通流理论方面
初期，研究人员主要借助数学中的概率论与数理统计方法描述交通流参数之间的关系，Kinzer首次提出将概率中的泊松分布应用于交通流领域的可能性，随后，Greenshields等人提出了线性速度—密度关系，并将泊松分布理论应用于实际的交叉口分析中。后来，人们将力学中的流体力学模型应用在交通流中，Lighthin和Witham提出了连续模型，并引入了流体力学中的连续方程，之后，Pipes等人提出了车辆跟驰理论。近年来，随着计算机技术在交通领域中的广泛应用，人们开始将计算机仿真技术和人工智能技术应用在交通流理论中，出现了元胞自动机模型和广义的气体动理论模型等。
(2)交叉口信号控制评价方面
信号交叉口的通行能力，延误，停车次数是评价交叉口信号控制的重要指标。国外对通行能力和延误的研究起步较早，并且做了大量的研究工作，韦伯斯特方法在计算通行能力和延误方面具有里程碑意义。在此基础上，澳大利亚学者引入了停车补偿系数，将车辆延误和停车次数结合在一起，用综合评价指标来评价信号控制效果，其是对韦伯斯特模型一次成功的修正，该思想也被后来的学者广泛
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采用。此外，美国道路通行能力手册中的关于延误和通行能力的方法也有重要意义，其仍是在韦伯斯特模型的基础上进行相应的改进的。
(3)交叉口信号控制系统与控制理论方面
交通控制系统由最初的定时式脱机控制系统(例如TRANSYT)，到后来的混合式控制系统(例如SCATS、SCOOT)，发展到如今的完全在线控制系统，其根据实时的交通状态，在线调整更新配时方案。目前，随着计算机技术和通信技术在交通领域中的广泛应用，信号控制系统也得到了长足的发展。
在控制理论方面，Pappis最早在交通控制领域引入模糊逻辑理论，其设计出模糊逻辑控制器并应用于交叉口控制，Nataksuji等将神经网络应用于交通控制中，通过优化绿信比和相位差达到最优控制效果，Park等通过使用遗传算法进行信号优化调整，得到最优的信号配时方案，Abdulhai，Wiering等使用再励学习的思想来设计交通信号控制系统，它可以准确的，实时的进行信号配时优化。
(4)仿真技术开发应用方面
计算机仿真技术在交通领域有着广泛的应用，早在上世纪50年代，国外己经开始了计算机仿真技术的研究，70年代，由美国研发的TRAF一NETSIM模型，可以模拟单个车辆的运动，属于微观仿真模型，该模型经过多次升级，功能日渐完善，在交通管理控制领域有着广泛的应用。80年代以来，各种交通仿真软件大量涌现，常见的有西班牙开发的AIMSUN，通过两种不同的仿真方式，模拟不同的交通控制交叉口，可以提供详细的数据输出；德国PTV公司开发的VISSIM，核心模型是心理一生理跟车模型；美国联邦公路署开发的CORSIM，可以用于城市道路和高速公路的仿真；英国研发的PARAMICS，其可以为出行信息提供预测，并模拟驾驶员对路径费用认知的变化。这些仿真软件在全球范围内获得了广泛的应用。近年来，随着相关学科理论的不断发展，交通仿真软件功能不断完善，仿真效果也越来越好，例如模糊理论的发展为研究交通行为中的不确定行为提供了理论基础。
1.2.2 国内研究现状
我国在交叉口信号控制方面的研究起步较晚，随着国民经济的快速发展，机动车保有量快速增长，交通问题日益严重，交通领域的研究人员进行了大量的研
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究，主要有：
徐冬玲等鉴于交叉口系统难以用精确的数学模型来描述，将模糊控制器应用于单个路口信号灯控制，并采用神经网络进行实现，所提出的方法是实时单点控制的方法，应用于实际交叉口控制中，取得了较好效果。
杨晓光等结合我国城市交通的特点，分析了交叉口车辆实际运行状态，在韦伯斯特延误算法的基础上，提出了不同车道功能组合、不同车种构成、不同排队顺序等条件下的欠饱和状态车辆延误摸拟算法。
顾怀中等对交叉口的延误、停车次数、通行能力等目标采用动态目标函数同时进行优化，并采用模拟退火优化方法进行模型的求解，与韦伯斯特方法进行对比，部分指标在优化后要好于传统的方法。
尹宏宾等针对交通流的不确定性和随机性，把专家系统和信号配时理论结合起来，提出了一种基于知识的信号配时方法，并通过相关软件进行实现，然后对交叉口配时进行优化。
杨煌普等着眼于信号控制的实时性和区域性，提出了将再励学习与遗传算法相结合的遗传再励学习方法，寻找合适的绿信比和周期，为交通信号控制提供了一种新的思路。
袁以武等提出了交叉口设置有左转专用信号灯的情况下的车辆延误计算方法，分析了车辆从排队处到达停车线以及驶过停车线的整个过程，得到与之相对应的车头时距分布函数。结果表明，在欠饱和状态下，左转车比例较高时，采用文章提出的计算方法得到的延误值更接近实际情况。
马万经等指出了HCM2000中的延误计算模型由于假设条件导致其在计算实时动态延误方面的不准确性，然后根据延误产生的机理，借助检测器建立了实时动态车辆延误计算模型，并对模型进行处理，通过使用VISSIM仿真，所得延误结果更能够反映真实的延误，随后分析了模型的适用条件。
葛亮研究了混合交通条件下的车辆延误的整个过程以及相位相序设计方案，采用层次分析法和矩阵迭代法构建信号交叉口交通评价体系，然后，采用数学方法并结合信号配时理论设计了信号配时的交通质量评价软件，并通过实际数据进行验证。
黄一峰以关联交叉口群为研究对象，以停车延误为优化目标，建立了交叉口
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信号协调控制模型体系；以车流的离散特性为出发点，在DI Robertson车流离散模型的基础上，以线控系统停车延误最小为目标，建立了城市干道线控协调控制模型；在交通流力学特性、时空延续性的基础上，得出了动态关联交叉口群的概念以及量化的条件。
减利林将混沌理论应用在短时交通流预测中，为交叉口信号控制提供准确的交通流信息；在考虑了行人和非机动车的基础上，通过优化绿信比和相位，提出了单交叉口信号模糊控制算法，增加了有效绿灯时间，降低了延误；然后将HCMZ000延误模型和Robertson车队离散模型相结合，以平均延误为优化目标，提出了交通子区域划分的信号优化配时模型。
李武胜等通过使用Petri网系统将信号交叉口的车辆运行系统和信号控制系统结合起来，然后对各交叉口车流运行控制系统使用交叉口车流的公共状态进行组合，得到区域车流运行控制系统，最后利用Petri网系统对建立的控制系统进行评价，并在评价指标的基础上得到区域交通优化方法。
从国内外研究成果看，目前对于城市道路信号交叉口的配时方法的研究较多从延误、停车次数、通行能力分别进行分析，较少有同时考虑上述三个目标的研究工作。部分虽有考虑多个目标的优化方法，但是对于各目标权重的取值，具有较大的主观性，使其适用性受到限制。
本课题将同时选择交叉口总延误、总停车次数、总通行能力作为衡量配时方案的指标并通过合理信号配时确定路口渠化方案及改造的必要性。
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第二章 交叉口信号控制基本概念及典型控
制系统
早在19世纪，英国伦敦首次使用交通信号灯，指挥车辆有序进出交叉口，其有红绿两种颜色，只有在夜间点燃为行人和车辆照明并安全通过路口。到1917年，美国出现了手动操纵的三色信号灯，随后，英国人研制出自动控制信号机，在美国和欧洲的大城市的交叉口获得了广泛的应用。
早期的交通信号灯对于交叉口车辆安全有序的运行起到了很好的作用，但是随着城市交通的发展，由于原始的信号灯只有一种固定的配时方案，无法适应交叉口不同时段交通量起伏变化的情况，造成车辆的延误增加和油耗的浪费。
后来，人们研制出一种新型信号机，其可以贮存不同的信号配时方案，这样可以适应一天中不同时段交通量起伏变化的特点，这种信号机是按照事先存储的时间表，在不同时段轮换执行不同的配时方案。显然，这种多段配时信号机比先前的单一配时信号机有了很大的进步，提升了交叉口的通行效率，即使在今天，这种类型的信号机也有着广泛的应用，然而这种固定方案的信号机也存在缺陷，即不能根据交叉口的实时交通量动态的进行信号灯配时方案的调整。
20世纪30年代，美国率先研制并使用了感应式信号机，其最大的优点是可以根据交叉口车辆的到达情况进行动态的信号灯配时方案的调整，但是，感应式信号灯也存在弊端，即当车辆到达量超过交叉口的通过能力时，感应控制方式失去灵活性。
自20世纪60年代以来，计算机技术和通信技术的发展，为交通信号控制的发展奠定了坚实的基础，各国相继开始研究可以进行大范围使用的信号联动协调控制系统，并在实际中取得了很好的效果。英国学者开发的TRANSYT作为第一代区域控制系统，因其高效的控制效果，获得了广泛的推广，并被各国采用，然而，第一代区域控制系统是经过计算机程序脱机运算得到固定配时方案，不能依据道路实际情况进行实时配时调整。
20世纪70年代，英国率先开展第二代区域控制系统的研究，并成功研制出SCOOT系统。随后，澳大利亚也推出了SCATS系统，新系统克服了原系统不能动态生成配时方案的缺点，通过数据反馈自控系统，根据路网实际交通情况，使
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