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基于强化学习的城市道路交叉口信号控制方法研究

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基于强化学习的城市道路交叉口信号控制方法研究

作者：王伟兰州理工大学

学位级别：硕士

道路交叉口是城市交通路网中的关键节点,车辆在交叉口区域频繁的启停以及加减速使得交叉口车辆通行效率降低,并导致该区域的尾气浓度明显高于其他区域。交通信号控制作为一种有效的车流管理手段,其在现代交通管理中扮演着不可替代的角色... 详细信息

道路交叉口是城市交通路网中的关键节点,车辆在交叉口区域频繁的启停以及加减速使得交叉口车辆通行效率降低,并导致该区域的尾气浓度明显高于其他区域。交通信号控制作为一种有效的车流管理手段,其在现代交通管理中扮演着不可替代的角色,科学合理的交通信号控制方法不仅能够提高道路的利用率,同时也可以间接地降低尾气排放。本文以城市道路交叉口为研究对象,以车辆在交叉口区域的等待时间、停车次数以及主要污染物排放量作为评价指标,充分借助强化学习在最优控制领域中的应用优势,提出了一种综合考虑道路通行效率和车辆尾气排放的智能信号控制方法,本文主要完成了以下工作:(1)针对传统DQN算法的经验回放机制采用随机抽样方式忽略了不同样本对模型训练贡献度的问题,对DQN算法的经验回放机制进行改进,以样本的重要程度为依据,提出了采用分类经验回放机制的CER-DQN(Classifled Experience Replay-DQN)算法,实验结果表明:与传统的DQN算法相比,改进的算法可有效加快模型训练的收敛速度、提高模型的鲁棒性。(2)针对孤立的单交叉口场景,建立了基于强化学习的信号控制模型。首先,通过将交叉口进口车道分割成连续的等距网格构建模型所需的状态空间;同时,根据交叉口的几何特征和相位设计定义动作空间,并结合等待时间和停车次数构造综合奖励函数;最后,分别采用定时控制、DQN算法和CER-DQN算法在不同的交通流场景和奖励函数下进行实验。结果显示:从模型性能角度分析,不论是在中度交通流场景还是重度交通流场景下,CER-DQN算法相比DQN算法具有更快的收敛速度;从控制效果角度分析,两种交通流场景下,改进后的算法各个指标均呈现出更好的表现;此外,在奖励函数中引入停车次数对于降低车辆的CO和NOx排放具有显著的效果。(3)针对相邻的多交叉口场景,在单交叉口模型的基础上建立信号控制模型。考虑到各交叉口之间处于相互竞争的状态,若对多个交叉口单独控制可能会导致整个路网的交通流分布不均甚至出现局部拥堵的现象。因此,在定义各交叉口控制模型时引入了相邻交叉口的排队和信号相位信息,从而实现各时空关联的交叉口之间的协作,仿真实验表明:相对独立控制,采用协作策略的多交叉口信号控制方式各交叉口之间的评价指标数值更加均衡,在一定程度上能够提升路网全局的通行效率。

关键词：交叉口信号控制强化学习等待时间停车次数分类经验回放

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基于公交优先的交叉口信号控制

基于公交优先的交叉口信号控制

作者：刘坤颖北京交通大学

学位级别：硕士

随着社会经济和城市经济的发展,城市交通问题日趋严重。发展公共交通是解决城市交通问题的有效途径。交叉口公共交通的优先通行能够减少公交车在交叉口的延误,从而有效地保证公交车的准时性,提高公交的服务水平,促进公共交通的发展,对... 详细信息

随着社会经济和城市经济的发展,城市交通问题日趋严重。发展公共交通是解决城市交通问题的有效途径。交叉口公共交通的优先通行能够减少公交车在交叉口的延误,从而有效地保证公交车的准时性,提高公交的服务水平,促进公共交通的发展,对缓解城市的交通压力和保证城市未来的可持续发展都具有重大意义。故本论文对基于公交优先的交叉口信号控制方法进行了研究。本文在研究城市公共交通优先通行系统及交叉口信号控制的理论基础上,探讨和研究基于公交优先的交叉口信号控制方法。首先,针对交叉口不同的车流情况,对基于公交优先的相位设计进行了讨论,并且用VISSIM建立了一个交叉口模型,演示了文中提出的基于公交优先通行的相位设计方法。然后,考虑到模糊控制是一种基于语言规则和模糊推理的控制方法,可以用其模拟警察指挥交通的思维对交叉口信号进行控制。目前,根据车辆排队长度进行模糊推理得到绿灯延长时间的交叉口一级模糊控制已经较为成熟,但是这种方法没有将公交优先的思想融合进去。故本文将公交优先思想与模糊控制结合,提出了基于公交优先的交叉口信号两级模糊控制。此方法试图在减少公交车辆在交叉口延误的同时,又不会对社会车辆的通行造成很大影响。最后,用Matlab的Simulink和Fuzzy工具箱建立了交叉口两级模糊控制的模型,通过与定时控制、一级模糊控制比较,验证了基于公交优先的两极模糊控制在车辆平均延误和人均延误方面的优越性。

关键词：公交优先交叉口信号控制相位设计模糊控制

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基于GA的城市交叉口信号控制模糊规则优化

系统工程学报 2004年第1期19卷 89-93页

作者：李艳樊晓平中南大学信息科学与工程学院湖南长沙410075

根据城市交通系统中单交叉口信号控制的具体情况,对遗传算法进行了改进,并利用改进的遗传算法对交叉口信号模糊控制器的模糊规则进行优化,建立新的优化算法.计算机仿真结果表明,采用改进的遗传算法方法优化模糊控制规则,可以减少因人的... 详细信息

根据城市交通系统中单交叉口信号控制的具体情况,对遗传算法进行了改进,并利用改进的遗传算法对交叉口信号模糊控制器的模糊规则进行优化,建立新的优化算法.计算机仿真结果表明,采用改进的遗传算法方法优化模糊控制规则,可以减少因人的经验的局限性而导致的模糊规则的不完备性,使得控制器实用性更强,控制效果更好.

关键词：城市交通系统交叉口信号控制模糊规则优化 GA 遗传算法计算机仿真城市交通控制

面向工程实践的北京市交叉口信号控制方法研究

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面向工程实践的北京市交叉口信号控制方法研究

作者：孙智源北京交通大学

学位级别：硕士

随着我国经济的高速发展,城市化进程加快,汽车保有量迅速增加,道路拥挤等交通问题日显突出。特别是以北京市为代表的特大城市,交通堵塞现象时常发生,不仅明显降低了人们日常的工作效率,并且严重影响了城市的正常运转,由此带来的损失不... 详细信息

随着我国经济的高速发展,城市化进程加快,汽车保有量迅速增加,道路拥挤等交通问题日显突出。特别是以北京市为代表的特大城市,交通堵塞现象时常发生,不仅明显降低了人们日常的工作效率,并且严重影响了城市的正常运转,由此带来的损失不可估计。寻找多种有效疏导城市车辆、减少交通堵塞的方法是一项具有巨大现实意义的工作。对于北京市而言,高峰时段快速路、主干路及部分次干路拥堵严重,城市道路的瓶颈在交叉口,交叉口的信号控制是影响城市道路交通运行效率的重要因素,信号控制的再设计是目前进行北京市交叉口优化设计,解决或缓解交通拥堵的重要手段之一。本文以北京市公安局公安交通管理局近期优化的110个交叉口为研究对象,针对110个交叉口信号控制设计过程中遇到的难点问题,研究面向工程实践的城市交叉口信号控制方法,涉及三个层次：定时控制、感应控制和自适应控制。在进行北京市交叉口信号控制现状与发展分析的基础上,首先从北京市普遍应用的定时控制入手,研究了基于Synchro的城市干线协调控制建模方法;然后,从北京市交叉口信号控制的长远出发,研究了基于VAP的感应控制建模方法;最后,针对感应控制的缺陷,引入智能算法实施自适应控制,研究了基于Matlab和VAP的模糊控制建模方法。具体内容如下：（1）研究了基于Synchro的城市干线协调控制建模方法,从车道利用修正、待驶区保护型左转修正、许可型左转修正、最短绿灯时间四个方面入手,结合实际的交通调查,提出了适用于北京市交叉口点控与线控的Synchro参数修正方法,并以北京市大兴区亦庄新区的荣华路为例,进行了实证研究。实证表明,优化方案效果明显,参数修正方法弥补了基于Synchro软件的缺陷。（2）研究了基于VAP的城市交叉口感应信号控制建模方法,解决了VAP基本参数设置和左转待驶区设计等基本建模问题,并以北京市南中轴BRT专线为例,从全感应控制、公交感应控制、半感应控制三个方面,进行了北京市交叉口公交信号优先设计与仿真的实证研究。实证表明,定时控制、全感应控制、公交感应控制、半感应控制均具有一定的优势和劣势,应结合相关的交通政策进行方案的确定。（3）研究了城市交叉口模糊控制设计与仿真建模方法,基于Matlab设计了四种城市交叉口模糊控制器,研究了基于神经网络的模糊控制方法,并试图将模糊控制引入VAP的建模中,提出了基于VAP的城市交叉口模糊控制设计与仿真建模方法,进行了实证研究。实证表明,控制效果与成本成反比,即神经网络模糊控制效果最优,两级模糊控制次之,感应控制效果稍差于两级模糊控制,定时控制最差。总的来说,本文从工程实践角度出发,旨在解决北京市110个交叉口信号控制优化过程中遇到的难点问题,研究了目前迫切需要实现的基于Synchro的定时控制方法,从交叉口信号控制的长远出发,探索性的研究了基于VAP的交叉口感应信号控制与模糊控制的建模方法,解决了交叉口模糊控制中VAP与Matlab的交互问题。

关键词：交叉口信号控制交通仿真 Synchro Vissim/VAP 模糊控制神经网络

基于排队均衡和延误最小的交叉口信号控制研究

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基于排队均衡和延误最小的交叉口信号控制研究

作者：陈佳华东交通大学

学位级别：硕士

随着社会经济的发展及小汽车保有量的快速增加,城市交通拥堵日益严重。交叉口作为城市交通网络的重要节点,交通拥堵等问题在交叉口处的表现更加突出,部分交叉口甚至出现排队溢出现象,严重影响了相邻交叉口的正常运行,导致交通拥堵问题... 详细信息

随着社会经济的发展及小汽车保有量的快速增加,城市交通拥堵日益严重。交叉口作为城市交通网络的重要节点,交通拥堵等问题在交叉口处的表现更加突出,部分交叉口甚至出现排队溢出现象,严重影响了相邻交叉口的正常运行,导致交通拥堵问题逐步扩大。目前对于此类交通问题的应对方式多为交警对交叉口进行交通指挥,所耗费的人力及财力较大。因此,针对城市信号交叉口的排队溢出问题等进行信号研究具有现实意义和价值。为充分利用信号交叉口的绿灯时间,避免交叉口排队溢出现象,并减小车辆平均延误,本文以排队均衡和延误最小为优化目标,对交叉口进行动态信号控制,具体如下:（1）基于单一交通数据估计交叉口运行状态,一般误差较大,因此从数据的采集技术及检测设备等方面对不同交通数据的特点进行总结,选取移动数据及固定点数据对交叉口进行状态估计。分析不同数据的处理方法,根据车辆的GPS数据,以队尾浮动车位置及剩余车辆排队长度之和估算交叉口每个周期的排队长度;由交通波原理,基于断面检测数据估计车辆排队长度;分析两类数据的估计结果,提出基于GPS与断面检测数据的排队长度估计方法。（2）为避免出现相位排队长度不均衡的情况,车辆不能尽快消散,甚至出现排队溢出的现象,对排队长度较长的相位分配更多的绿灯时间;为减小车辆平均延误,对三种不同状态的延误模型——稳态均衡、定数及过渡函数延误模型进行分析,提出基于排队均衡和延误最小的信号控制模型。利用模糊折中规划法,简化排队均衡和延误最小为单一优化目标;分析粒子群算法原理,基于此对信号控制模型进行求解。（3）对南昌市桃苑大街-桃花路交叉口进行仿真,获取GPS数据及断面检测数据,分别验证基于GPS、断面检测数据及两类数据的排队长度估计方法,得到各方法的平均绝对相对误差分别为11.27、14.71及10.40,由此可知基于两类数据的排队长度估计精度明显优于单类数据的估计结果;验证信号控制模型,对交叉口高峰期间进行动态信号控制,与现状相比,交叉口车辆平均延误降低了8.26s,平均排队长度减小了3.25m;以韦伯斯特配时法对交叉口进行配时优化作为对比,动态优化后的交叉口车辆平均延误降低了3.76s,平均排队长度减小了1.01m。由此可知,基于排队均衡和延误最小的信号控制模型能有效降低交叉口的排队长度和车均延误,并改善交叉口排队不均衡的现象。

关键词：排队均衡延误最小交叉口信号控制粒子群算法

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现代城市交叉口信号控制系统研究及工程应用

现代城市交叉口信号控制系统研究及工程应用

作者：杨斐东南大学

学位级别：硕士

开展现代城市交叉口信号控制系统的研究及工程应用,对缓解当前我国大中城市交叉口的交通拥挤,提高其交通安全水平,加强系统标准化建设和工程技术应用,具有重要的现实意义。论文主要研究了NEMA交通信号控制技术、NTCIP通信协议关键技术... 详细信息

开展现代城市交叉口信号控制系统的研究及工程应用,对缓解当前我国大中城市交叉口的交通拥挤,提高其交通安全水平,加强系统标准化建设和工程技术应用,具有重要的现实意义。论文主要研究了NEMA交通信号控制技术、NTCIP通信协议关键技术和现代交通信号机设计等三个方面,提炼出了若干个符合NEMA标准的交通信号控制的主要技术和实践路径,并将研究成果落实到交叉口的实际工程应用中,证明了NEMA标准在我国现代城市交叉口信号控制应用的可行性。基于现代交叉口信号控制系统的设计目标,阐述了现代交通信号控制机及交通检测器等核心关键设备,及其结构与功能设计方案,并凝练了该系统的基本特征。针对基于NEMA标准的城市交叉口信号控制关键技术,包括信号相位设计、单点信号控制、干线协调控制、信号优先控制及过饱和控制等标准化控制方式,探究了NEMA规范与我国现行规范的差异及应用可行性;基于NTCIP开放式的ITS通信协议,设计了交通信号机的OID对象和实现方案;基于NEMA标准和嵌入式软硬件开发技术,给出了现代交通信号机的设计和开发方法。依据江北新区团结路和华创路交叉口的交通信号控制系统建设的实际项目,通过相位及检测器、交通信号控制方案等设计优化,实施并验证了基于NEMA标准的现代城市交叉口信号控制系统的设计方法,并重点应用了感应式协调控制技术和抢先控制技术,对我国交叉口信号控制技术水平的提高和标准化发展具有较强的示范作用。

关键词：交叉口信号控制 NEMA标准 NTCIP协议交通信号机嵌入式开发

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现代有轨电车交叉口信号控制仿真研究

交通运输工程与信息学报 2017年第2期15卷 91-99页

作者：陈明亮寇玮华吕大鹏西南交通大学交通运输与物流学院成都610031

为了确保有轨电车在平面交叉安全稳定地运行,对通过交叉口有轨电车的信号控制研究显得十分的重要。本文基于VISSIM仿真系统的VAP感应模块,通过在交叉口不同位置设置车辆感应器,建立了三种不同方式的有轨电车相位模型。通过仿真计算出三... 详细信息

为了确保有轨电车在平面交叉安全稳定地运行,对通过交叉口有轨电车的信号控制研究显得十分的重要。本文基于VISSIM仿真系统的VAP感应模块,通过在交叉口不同位置设置车辆感应器,建立了三种不同方式的有轨电车相位模型。通过仿真计算出三种模型下交叉口社会车辆的延误时间和排队长度,并对比分析出三种模型下有轨电车的停车延误时间,评价了有轨电车对交叉口的影响。

关键词：有轨电车交叉口信号控制交通仿真停车延误

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左转展宽车道长度不足的交叉口信号控制研究

辽宁工业大学学报（自然科学版） 2017年第4期37卷 277-280页

作者：张驰陈昕辽宁工业大学汽车与交通工程学院辽宁锦州121001

针对左转展宽车道长度不足时,排队通过交叉口的车辆会溢出展宽段,车辆交织严重,通行效率低的问题,分析车流运行特性,依据车辆消散流率具有的"两阶段性",提出拆分相位的信号控制方法,并结合一主次干道相交的十字交叉口,具体给出了两种拆... 详细信息

针对左转展宽车道长度不足时,排队通过交叉口的车辆会溢出展宽段,车辆交织严重,通行效率低的问题,分析车流运行特性,依据车辆消散流率具有的"两阶段性",提出拆分相位的信号控制方法,并结合一主次干道相交的十字交叉口,具体给出了两种拆分相位的方式。通过VISSIM软件对这一十字交叉口进行仿真,采用一个信号控制周期内车流不间断放行的方法车辆延误急剧增加;采用拆分相位的控制方法使得交叉口车辆平均延误分别降低了41.5%、32%。结果表明,基于车辆消散流率"两阶段性"的拆分相位信号控制法能够降低延误,提高交叉口的通行效率,对左转展宽长度不足的信号控制方法具有借鉴意义。

关键词：交叉口信号控制左转展宽车道拆分相位 VISSIM仿真

基于移动控制代理技术的交叉口交通信号控制算法

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中国公路学报 2006年第5期19卷 93-97页

作者：宫晓燕李振龙中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学重点实验室北京100080 北京工业大学电子信息与控制工程学院北京100022

基于移动控制代理技术和“当地简单,远程复杂”的控制思想,提出了一种新型的交叉口交通信号控制算法。采用移动控制代理软件把多种交叉口信号控制算法“打包”成可在计算机网络上分发的移动控制代理(Mobile Control Agent,MCA);由位于... 详细信息

基于移动控制代理技术和“当地简单,远程复杂”的控制思想,提出了一种新型的交叉口交通信号控制算法。采用移动控制代理软件把多种交叉口信号控制算法“打包”成可在计算机网络上分发的移动控制代理(Mobile Control Agent,MCA);由位于远程监控层的网络调度器,根据交叉口实时交通流状况向交叉口信号控制器派遣或召回相应的MCA,从而实现“按需控制”。这种做法可降低交叉口信号控制器所需的内存等计算资源,实现低成本自适应智能交通信号网络化控制。

关键词：交通工程交叉口信号控制移动控制代理控制理论