基于交通微观仿真的城市平面信号交叉口优化方法及系统.pdf

一种交通管理领域的基于交通微观仿真的城市平面信号交叉口优化方法及系统，通过获取交叉口相关信息，从备选项数据库中筛选优化备选项；然后运用均匀设计安排实验，其中以交叉口控制延误为影响，备选项为因素；最后建立交叉口仿真模型，进行仿真试验，获得减少总控制延误最有效的优化方案。本发明借助均匀设计数学模型的系统性与仿真模拟的可控制性，弥补传统依靠经验的优化模式的不足，对优化备选项进行组合并比较组合效果，以获得系统科学地降低交叉口控制延误的综合优化方案。

权利要求书
1.  一种基于交通微观仿真的城市平面信号交叉口优化方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)获取交叉口相关信息，从备选项数据库中筛选优化备选项；
2)运用均匀设计安排实验，其中以交叉口控制延误为影响，备选项为因素；
3)建立交叉口仿真模型，进行仿真试验，获得减少总控制延误最有效的优化方案。

2.  根据权利要求1所述的基于交通微观仿真的城市平面信号交叉口优化方法，其特征是，所述的从备选项数据库中筛选优化备选项，通过以下步骤实现：
当备选项集合为{C|c∈C}，试验设计因素集合F，E(c)表示备选项c实施后交叉口延误与实施前的差值，对若E(c)<0，则c∈F。

3.  根据权利要求1所述的基于交通微观仿真的城市平面信号交叉口优化方法，其特征是，所述的运用均匀设计安排实验，通过以下步骤实现：
a、取集合F＝{F|f1,f2,…,fn}为因素集合，对任意因素fi(i＝1,2,…,n)，设有li个水平，为方便后期计算，一般l值取[1，10]；
b、根据n和确定均匀设计表Um(LN)：minmN&GreaterEqual;nL&GreaterEqual;maxi=1nliL modli=0,i=1,2,...,n,]]>
对水平数的因素fi，当由其各水平组成的数列为fi=α1α2...αli,]]>对αj(j＝1,2,…,li)变换为
c、由均匀设计表，确定试验集合T＝{T|t1,t2,…,tm}。

4.  根据权利要求1所述的基于交通微观仿真的城市平面信号交叉口优化方法，其特征是，所述的获得减少总控制延误最有效的优化方案，通过以下步骤实现：
a、当因素集合F中存在b个定性变量，则集合F可表示为定量因素集合F1与定性因素集合F2的交集：F2=fγ1fγ2...fγb;]]>
对任意定性因素fi(i＝γ1,γ2,…,γb)，其li个水平组成的数列fi=α1α2...αli,]]>将以伪变量法转换为将因素fi转换为(li-1)个变量：
得伪变量因素和伪变量集合
b、当因素fa与fb在m个试验中所取水平的对应序列分别为αk1αk2...αkm]]>与βk1βk2...βkm,]]>若ppc(fa,fb)>0.8pro.<0.05,]]>其中ppc为偏相关系数，pro.为偏相关概率，则构造交互变量q＝fab，其在第j(j＝1,2,…,m)个试验中的水平数为
当共构造h个交互变量，有交互因素集合Q；
c、当第j(j＝1,2,…,m)个试验中仿真所得交叉口总控制延误为Dj，以F1、和Q指代因素在m个中所取水平的数组，并以这些数组为自变量，D的数组为因变量，做逐步线性回归得回归方程：
d、取总控制延误极小值时各因素水平为最优方案。

5.  一种实现上述任一权利要求所述的基于交通微观仿真的城市平面信号交叉口优化方法的系统，其特征在于，包括：优化备选项模块、均匀设计模块和仿真试验模块，其中：优化备选项模块与均匀设计模块相连并传输试验因素与水平信息，均匀设计模块与仿真试验模块相连并传输仿真模型信息。

6.  根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述的优化备选项模块包括：数据库单元和决策单元，其中：数据库单元与决策单元相连并传输备选项信息。

7.  根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述的均匀设计模块包括：指标单元、因素单元、设计单元，其中：指标单元与设计单元相连并传输试验指标信息，因素单元与设计单元 相连并传输试验因素和因素水平信息。

8.  根据权利要求5所述的系统，其特征是，所述的仿真试验模块包括：建模单元、校准单元、仿真单元、数据处理单元，其中：建模单元与校准相连并传输基础模型信息，校准单元与仿真单元相连并传输符合试验场景的仿真模型信息，仿真单元与数据处理单元相连并传输预测交通延误信息。

说明书基于交通微观仿真的城市平面信号交叉口优化方法及系统
技术领域
本发明涉及的是一种交通管理领域的技术，具体是一种基于交通微观仿真的城市平面信号交叉口优化方法及系统。
背景技术
交叉口作为城市交通网络的关键节点，其交通管理水平对网络整体效率具有关键意义。目前对城市平面信号交叉口交通组织管理的优化，主要体现在通过改变交通信号控制方案与交叉口平面设计形式，最大限度地发挥原有路口的通行能力、减少交通延误。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN102915636A公开(公告)日2013.02.06，公开了一种交通信号机控制策略综合性能有效性测试系统及方法，涉及交通信号机的综合运行性能及控制策略的测试和评价，对信号机控制策略的有效性进行评估，该技术运用微观交通仿真软件VISSIM建立虚拟路口交通环境，与实际的交通信号机进行信息交互，实现信号机输出信号控制虚拟路口交通环境中的交通运行，同时，虚拟路口交通环境中返回交通车辆检测信息给交通信号机。通过交通信号机与虚拟路口交通环境的同步运行，基于微观交通仿真软件VISSIM的交通运行评价功能，实现对虚拟路口的交通运行情况的评价，其交通运行情况是交通信号机所控制的结果，即实现对交通信号机控制策略综合性能有效性的测试和评价。但该技术仅能够实现对交叉口交通信号控制策略的有效评价，无法实现对交叉口交通环境的综合评估，对交叉口多控制策略的综合优化缺乏考量。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种基于交通微观仿真的城市平面信号交叉口优化方法及系统，借助均匀设计数学模型的系统性与仿真模拟的可控制性，弥补传统依靠经验的优化模式的不足，对优化备选项进行组合并比较组合效果，以获得系统科学地降低交叉口控制延误的综合优化方案。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于交通微观仿真的城市平面信号交叉口优化方法，包括如下步骤：
1)获取交叉口相关信息，从备选项数据库中筛选优化备选项；
2)运用均匀设计安排实验，其中以交叉口控制延误为影响，备选项为因素；
3)建立交叉口仿真模型，进行仿真试验，获得减少总控制延误最有效的优化方案。
所述的从备选项数据库中筛选优化备选项，通过以下步骤实现：
当备选项集合为{C|c∈C}，试验设计因素集合F，E(c)表示备选项c实施后交叉口延误与实施前的差值，对若E(c)<0，则c∈F；
所述的运用均匀设计安排实验，通过以下步骤实现：
a、取集合F＝{F|f1,f2,…,fn}为因素集合，对任意因素fi(i＝1,2,…,n)，设有li个水平，为方便后期计算，一般l值取[1,10]；
b、根据n和确定均匀设计表minmUm(LN):N&GreaterEqual;nL&GreaterEqual;maxlii=1nLmodli=0,i=1,2,...,n,]]>
对水平数的因素fi，当由其各水平组成的数列为fi=α1α2...αli,]]>对αj(j＝1,2,…,li)变换为
c、由均匀设计表，确定试验集合T＝{Tt1,t2,…,tm}；
所述的获得减少总控制延误最有效的优化方案，通过以下步骤实现：
a、当因素集合F中存在b个定性变量，则集合F可表示为定量因素集合F1与定性因素集合F2的交集：F2=fγ1fγ2...fγb;]]>
对任意定性因素fi(i＝γ1,γ2,…,γb)，其li个水平组成的数列fi=α1α2...αli,]]>将以伪变量法转换为将因素fi转换为(li-1)个变量：
得伪变量因素和伪变量集合
b、当因素fa与fb在m个试验中所取水平的对应序列分别为αk1αk2...αkm]]>与βk1βk2...βkm,]]>若ppc(fa,fb).0.8pro.<0.05,]]>其中ppc为偏相关系数，pro.为偏相关概率，则构造交互变量q＝fab，其在第j(j＝1,2,…,m)个试验中的水平数为
当共构造h个交互变量，有交互因素集合Q；
c、当第j(j＝1,2,…,m)个试验中仿真所得交叉口总控制延误为Dj，以F1、和Q指代因素在m个中所取水平的数组，并以这些数组为自变量，D的数组为因变量，做逐步线性回归得回归方程：
d、取总控制延误极小值时各因素水平为最优方案。
本发明涉及实现上述方法的系统，包括：优化备选项模块、均匀设计模块和仿真试验模块，其中：优化备选项模块与均匀设计模块相连并传输试验因素与水平信息，均匀设计模块与仿真试验模块相连并传输仿真模型信息。
所述的优化备选项模块包括：数据库单元和决策单元，其中：数据库单元与决策单元相连并传输备选项信息。
所述的均匀设计模块包括：指标单元、因素单元、设计单元，其中：指标单元与设计单元相连并传输试验指标信息，因素单元与设计单元相连并传输试验因素和因素水平信息。
所述的仿真试验模块包括：建模单元、校准单元、仿真单元、数据处理单元，其中：建模单元与校准相连并传输基础模型信息，校准单元与仿真单元相连并传输符合试验场景的仿真模型信息，仿真单元与数据处理单元相连并传输预测交通延误信息。
所述的建模单元采用VISSIM仿真软件进行建模。
技术效果
与现有技术相比，本发明运用均匀设计，较传统方式而言，进一步考量了单一优化方式的组合使用，系统性强，效率较高。此外，本发明突破传统依靠经验进行判断的优化方式的局限，运用仿真软件预测优化成果，提高选择科学性。
附图说明
图1为本发明流程示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例具体包括以下步骤：
1)获取交叉口相关信息(如：交叉口周边土地利用，交叉口渠化设置，交叉口信号配时信息，交叉口通行能力与各进口道引道延误，交叉口各车流方向流量与重车比，交叉口交通管制信息)，从备选项数据库(主要包括交叉口渠化设计，如改变道路几何线形、车道拓宽、设置专用车道或优先车道、设置潮汐车道、设置交通岛、设置左转待行区等，信号配时优化，实行 或取消交通管制措施，如限速、右转限行、禁止调头等)中筛选优化备选项；
2)以优化备选项为试验因素，确定因素水平，并选择均匀设计表安排试验：
表1所示为实例所取试验设计因素与水平，有因素集合F＝{A,B,C,D}，各因素对应水平有lA＝10,lB＝5,lC＝lD＝2
表1试验设计因素及水平

均匀设计表Um(LN)应满足N&GreaterEqual;4L≤10L mod5=0L mod2=0]]>并取m最小值，取均匀设计表U10(108)并安排试验，表2所示为实例下的试验安排表；
表2均匀设计安排试验

3)建立交叉口仿真模型，进行仿真试验，获得减少总控制延误最有效的优化方案：
实例中，因素B、C、D为定性变量，伪变量变换得：
B=12345&RightArrow;1000010000100001C=12&RightArrow;01,D=12&RightArrow;01]]>
表3所示为实例中仿真实验结果，DN、DW、DS、DE、DT分别表示北、西、南、东四个进口道的控制延误和交叉口总控制延误。
表3仿真试验结果

偏相关分析显示，ppc(A,C)=0.896pro.=0.04,]]>即因素A与因素D存在明显相关关系，构造交互变量AD。
对试验结果进行逐步回归分析，其对应的回归方程如下，调整后的判定系数为0.745，
回归方程显著性检验的概率为0.03，小于显著性水平0.05，该模型有效：
DT＝53.729-1.425A-7.706C，其中：DT取极大值，有信号控制取优化组10，设置右转渠化车道。对该优化方案进行仿真，得到总控制延误为初始值的72.5％。