交通拥堵、交通环境污染和交通事故并称三大“城市病”,交通拥堵已经成为困扰城市发展的重要因素。从根本上讲,交通需求、交通供给、交通参与者特征和交通管理水平是城市交通问题的四个核心要素,也是产生交通拥堵的基本要素。目前,国内大多数城市试图依靠大规模新建道路来解决交通拥挤问题,经验表明这并不可行。解决城市交通拥堵,特别是过饱和交通,是一个综合的系统工程,应从交通系统的科学控制管理出发,系统综合地考虑将人、车、路结合起来,并运用现代科学技术手段来探索解决交通拥堵的行之有效的方法。本书针对过饱和交通问题,系统的探讨了涵盖交叉口、干线和路网三个不同层面的交通拥堵形成机理以及控制理论。
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随着我国社会经济的快速发展和城市化步伐的加快,城市人口以及机动车保有量急剧增加,城市特别是大城市面临的交通拥堵问题日益严峻。单纯地依靠增加道路供给已经不能满足日益增长的交通需求,人、车、路的矛盾日益激化。截至2015年年底,全国民用汽车保有量达到17228万辆(包括三轮汽车和低速货车955万辆),全国有35个城市的汽车数量超过100万辆,北京、成都、深圳、天津、上海、苏州、重庆、广州、杭州、郑州10个城市超过200万辆。近5年来,汽车占机动车的比例迅速提高,从47.06%提高到61.82%,居民机动化出行方式经历了由摩托车到汽车的转变,交通出行结构发生了根本性变化。但是与国外相比,虽然我国的城市化率、家庭汽车普及率并不高,但城市交通拥堵问题却十分严重,究其根源是我国城市人口密度过高造成的空间结构分布不合理。
交通拥堵致使延误增大,行车速度降低造成时间损失和燃料费用的增加。此外,车辆行驶缓慢增加了废气排放量,污染环境。交通拥堵、交通环境污染和交通事故并称为三大“城市病”,交通拥堵已经成为困扰城市发展的重要因素。为了不影响我国社会经济建设发展,必须找到行之有效的应对之道。
从根本上讲,交通需求、交通供给、交通参与者特征和交通管理水平是城市交通问题的四个核心要素,也是产生交通拥堵的基本要素。目前,国内大多数城市试图依靠大规模新建道路来解决交通拥挤问题,经验表明这并不可行。解决城市交通拥堵,特别是过饱和交通,是一个综合的系统工程,应从交通系统的科学控制管理出发,系统综合地考虑将人、车、路结合起来,并运用现代科学技术手段来探索解决交通拥堵的有效方法。
本书针对过饱和交通问题,系统探讨涵盖交叉口、干线和路网三个不同层面的交通拥堵形成机理以及控制理论。书中大部分章节来源于著者所在团队的研究成果。全书主要分为4个部分:第一部分包括第1、2章,主要介绍过饱和交通控制的背景、交通流参数概念和特性以及交通控制模型和方法;第二部分包括第3、4章,主要介绍基于地感线圈的高精度信息采集系统和基于低空无人机的信息采集系统;第三部分包括第5~10章,主要介绍交叉口、干线和路网的过饱和交通状态的识别、量化、估算以及控制策略;第四部分为第11章,主要介绍交通信号优化和仿真软件SYNCHRO、Q-PARAMICS和VISSIM的系统结构及相应的操作案例。
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目录
序
前言
第1章绪论1
1.1交通拥堵现状1
1.2交通信号控制发展3
1.3研究内容及意义6
第2章交通流与交通信号控制基础理论9
2.1交通流模型9
2.1.1交通流基本参数及其相互关系9
2.1.2微观交通流模型16
2.1.3宏观交通流模型19
2.1.4车辆排队模型25
2.2交通信号控制理论28
2.2.1单点信号控制29
2.2.2干线信号协调控制30
2.2.3区域信号协调控制33
2.2.4过饱和拥堵下的交通控制34
2.3本章小结38
第3章基于地感线圈的信号交叉口高精度交通信息采集40
3.1高精度交通数据采集系统40
3.1.1地感线圈检测器数据收集原理40
3.1.2高精度交通数据采集系统42
3.2交叉口基本交通状态参数提取48
3.2.1原始数据采集48
3.2.2原始数据处理50
3.2.3交通基本状态参数提取50
3.3本章小结54
第4章基于低空无人机的多模式交通信息采集56
4.1概述56
4.2无人机数据采集系统框架57
4.2.1六轴飞行器平台57
4.2.2可见光与红外热感图像采集设备59
4.3基于视频数据的改进Viola\|Jones车辆检测方法60
4.3.1Viola\|Jones方法60
4.3.2道路方向矫正方法62
4.3.3车辆检测测试66
4.4基于多颜色直方图的车辆跟踪算法68
4.4.1车辆位置预测68
4.4.2基于颜色相似的目标匹配70
4.5行人及自行车检测与跟踪71
4.5.1基于梯度特征的精确ROI提取72
4.5.2红外行人检测76
4.5.3红外行人检测精度统计82
4.5.4基于KLT特征点跟踪的红外行人跟踪方法84
4.6本章小结86
第5章交叉口过饱和状态量化评估88
5.1过饱和状态定义概述88
5.2拥堵交叉口排队长度及滞留排队长度估算90
5.2.1信号交叉口LWR交通波动理论90
5.2.2转折点识别93
5.2.3交叉口排队长度估算96
5.2.4测试与结果100
5.2.5过饱和状态下滞留排队长度估算102
5.3拥堵交叉口溢流时间估算103
5.4过饱和状态量化106
5.4.1T\|OSI106
5.4.2S\|OSI106
5.4.3测试与分析106
5.5本章小结111
第6章城市干线过饱和交通状态描述112
6.1干线交通运行状态评价概述112
6.2过饱和干线车辆行程时间估算112
6.2.1问题阐述113
6.2.2基于虚拟浮动车行程时间预测的干线饱和交通状态描述113
6.2.3模型验证119
6.3基于交通拥堵图谱的干线过饱和交通状态描述123
6.3.1图谱定义123
6.3.2图谱表达123
6.3.3图谱案例125
6.4干线基本图127
6.4.1绘制干线基本图127
6.4.2信号控制对干线基本图的影响130
6.4.3QOD现象131
6.4.4稳定形式的干线基本图136
6.5本章小结138
第7章城市路网过饱和交通状态评估139
7.1概述139
7.2基于MFD的过饱和路网状态评估141
7.2.1MFD存在性141
7.2.2MFD仿真验证146
7.3基于T\|OSI/S\|OSI的路网评估148
7.3.1基于T\|OSI/S\|OSI的路网评估148
7.3.2仿真示例151
7.4本章小结155
第8章过饱和交叉口信号优化与控制156
8.1概述156
8.2自适应交叉口交通防锁死控制策略158
8.2.1溢流交通流特性158
8.2.2基于溢流检测器的过饱和交叉口信号控制159
8.2.3单个交叉口防锁死控制策略仿真分析164
8.3城市过饱和瓶颈交叉口新型扩容渠化设计169
8.3.1CFI\|Lite设计170
8.3.2通行能力分析171
8.4本章小结174
第9章干线过饱和交通信号优化与控制175
9.1干线信号优化与控制概述175
9.2基于排队数据的干线联控176
9.2.1高精度交通信号数据177
9.2.2相位差优化数学模型181
9.2.3优化结果186
9.3基于最大流方法的干线交通信号优化188
9.3.1单个交叉口的消散策略分析188
9.3.2数学模型190
9.3.3前向后向求解算法194
9.3.4仿真验证196
9.4基于CFI\|Lite新型交叉口设计的干线信号控制199
9.4.1基于CFI\|Lite信号控制的帕累托改善问题199
9.4.2帕累托改善解存在的条件分析202
9.4.3求解方法207
9.4.4案例分析208
9.5本章小结211
第10章城市路网过饱和交通控制212
10.1概述212
10.2基于MFD的路网子网划分控制214
10.2.1非均匀路网划分214
10.2.2基于MFD的路网控制策略217
10.3基于OSI的路网干线划分控制222
10.3.1基于OSI的过饱和干线联合控制回顾222
10.3.2过饱和干线路网222
10.3.3前向后向求解算法224
10.4基于排队的路网交叉口划分控制225
10.4.1问题描述226
10.4.2分布式准最优控制策略QUEUE227
10.4.3仿真结果及分析231
10.5本章小结236
第11章交通信号控制仿真238
11.1交通信号控制仿真软件简介238
11.2信号交叉口硬件在环仿真平台243
11.2.1系统组成243
11.2.2控制效果评价244
11.2.3搭建硬件在环系统245
11.3交通仿真案例245
11.3.1瓶颈交叉口信号控制仿真及验证245
11.3.2主干道信号控制仿真及验证249
11.3.3路网信号控制仿真及验证250
11.4本章小结251
参考文献252