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中山大学硕士论文摘要 交通感应信号控制配时参数优化方法研究 专业：交通信息工程及控制 硕士生：郭文强 指导教师：余志教授何兆成讲师 摘要 交通感应信号控制是城市交通控制的主要手段之一，其通过对道路上交通流 进行合理的引导及控制，可以有效提高城市交通运行效率，缓和交通拥挤，减少 交通事故和降低交通污染程度。本文选择感应信号控制中的核心问题信号配 时参数的优化作为研究内容，着重研究不同交通状况下的信号配时优化目标、模 型及方法，分别对感应控制中的周期时间、相位最大绿灯时间和单位绿灯时间的 延长标准进行了优化。 论文首先分析了感应控制中采用固定的相位最大绿灯时间的不足，提出应该 根据实时交通需求的变化来系统地动态调整最大绿灯时间。基于研究的需要，论 文根据相位饱和度的概念将交叉口的交通状态划分为四种：畅通、轻度拥挤、拥 挤和严重拥挤。根据交叉口处于的不同交通状态，选取不同的控制策略分别建立 了畅通、轻度拥挤和拥挤状态下的信号配时优化模型，对周期时间、相位最大绿 灯时间进行了优化。其中，在畅通交通状态下，文中采用交叉口车辆平均延误最 小为控制目标；在轻度拥挤状态下，除以交叉口车辆平均延误最小为控制目标外， 还兼顾让拥挤方向的车流优先通行；在拥挤状态下，则以交叉口通行能力最大为 控制目标。其次，论文分析了现有感应控制中绿灯时间延长标准的不足，提出了 一种基于来车检测和相位绿灯时间有效利用率的单位绿灯时间延长标准。接着， 基于上述的研究工作，论文总结了一套感应信号控制配时参数的优化方法，给出 了相应的优化控制算法流程。最后，本文利用微观交通仿真软件p 蹦吼i c s 所建 立的实验平台，对所提出的信号配时参数优化方法进行了验证。实验结果表明本 文提出的优化方法能根据交通需求的变化实时优化配时参数，在不同的交通流量 中山大学硕士论文摘要 下都能取得较好的控制效果，具有良好的稳定性、实用性。 关键词：感应信号控制，最大绿灯时间，单位绿灯时间延长标准，p a r 锄i c s 仿真 i i 中山大学硕士论文摘要 r e s e a r c ho no p t i m 娩a t i o nm e t h o d so fs i g n a lt i m i n g p a r a m e t e r sf o rt r a m c a c t u a t e dc 0 n t r o l m 面o r ：1 h 伍ci r 响咖a t i o ne n g i n e e m ga i l dc o n 仃d l n 锄e ：g u 0w e n q i a l l g s u p e n ，i s o r ：p r o 佗s s o ry uz l l i ， l e c t u r e rh ez h a o c h e n g n a 伍c a c t i 均t e ds i 印a lt i i n i n g 锄a l y s i sa n do p t i m i z a t i o nl 粥b e e nf o u l l dt 0b ea c o s t e 丘e c t i v e s t 陷t e g y t 0r e d u c e c o n g e s t i o n ， c i d e n t ， p o l l u t i o n 龇1 di i n p r o v e 0 p e m | 血ge 伍c i e n c ya ts i g i l a l i z e di n t e r s e c t i o 硒ni so o fn l ee s s e m i a l 印p r o a c h c st 0 b a n 仃a 伍cm a n a g e n l e n t 缸l dc o n t r o l ，b ya l l o c a t i n gr i g h t o f 二w a yt 0 仃a 行i cn o wa t s i g r 试i z e di n t e r s e c t i o n sr e 嬲o i l a _ b l y t l l i sd i s s e n a t i o nc h o o s e ss i g i l a l 僦n gp 舢e t e r s o p t 蛔i z a t i o n 雒i t sr e s e a r c ht a l g 鸭w m c hi s 血ek e yp r o b l e mo f b 觚仃a m cs i 印a 1 c o n t r 0 1 t h er e s e a r c hp u t se i n p h 船i so nt l l es i g n 2 l lt i i m n go q e c t i v em o 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s e df o r 丘- e e ，s l i g h t c o n g e s t i o na n dc o n g e s t i o ns t a t e ss 印觚如l y ，o p t i 觚殖培c y c l el e n g t l la n dp h a s e m 出i m mg r e e nt i m e u r l d e rf - r e es t a t e ，m i i l i m i z i i l gi i l _ t c r s e c t i o nv e l l i c l ea v e r a g ed e l a y i sc h o s e n ；u n d e rs l i g h tc o n g e s t i o ns t a t e ，b e s i d e sm i i l i m i z i i l gi i l t e r s e c t i o nv e l l i c l e m 中山大学硕士论文 摘要 a v e r a g ed e l a y ，t t l ec o n g e s t e dt r a m cf l o wa l s oh a st h ep r i o r i t ) ，o fw a y l e a v e ；m l d e r s e v e r ec o n g e s t i o ns t a t e ，r e d u c i n gc o n g e s t i o na n dm a ) 【i i i l i z i i l gi n t e r s e c t i o nc 印a c 时i s a p p l i e d t h e n ，an e wm e t l l o db 嬲e do nv e l l i c l ea r r i v a la 芏1 de 航c t i v ep h a u s eg r e e nr a t i o i sp r e s e n t c dt 0i i n p r o v eo p e r a l 妇ge 伍c i e n c yo fp h a s eg r e e nt i m e b a s e do nt l l ea b o v e w o r k ，as e r i e so fo p t i m i 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m e ，u r l i tg r e e n e x t e n s i o ns 仃a t e g y ，p a r 删c ss i m u l a t i o n 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在 导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对 本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名尚安；五 日期：尉年多月午日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构 送交论文的电子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目 的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以 采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名离交双导师签名： 日期：砒年舌月争日 日期：劢占年6 月8 日 中山大学硕士论文第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 城市交通是城市社会经济活动的命脉，是衡量一个城市文明进步的标志，对 城市经济发展和人民活水平的提高起着极其重要的作用【1 1 。随着我国经济的快速 发展、城市化水平的不断提高，城市人口、汽车保有量、交通流量持续大幅度增 加，导致了交通需求与道路设施之间的尖锐矛盾。尤其是在我国大中城市，轨道 交通还未形成规模、私家车和出租车迅猛发展、交通管理水平低下，这些因素都 使得城市交通拥挤现象日益严重，交通事故发生频繁，环境污染进一步恶化。交 通问题已经成为我国严重的“城市病”之一，如果不及早采取综合措施加以治理， 则城市交通必将成为制约我国经济发展的瓶颈，影响城市功能的正常发挥和可持 续发展。 解决城市交通问题的主要途径有两个方面：一是加强交通基础设施的建设， 最大限度的提高现有路网的利用率；另一方面是加强对城市道路网的智能管理与 优化控制。世界银行对发展中国家城市交通问题的调查研究表明：发展中国家城 市机动车数量远少于发达国家，但交通拥挤现象却要严重得多，原因就在于发展 中国家对道路疏于管理，使其通行能力降低，道路的使用效率没有得到充分发挥。 曼谷、新加坡等许多城市多年来解决交通问题的实践证明：利用加强交通管理与 控制的方法解决交通问题是当前公认的效益显著、投资最省的方法【2 】。 作为城市交通网的重要组成部分，交叉口是城市交通的主要病发地带。交叉 口信号控制是城市交通管理中的一项重要措施，它可以通过分配车辆在时间、空 间上的通行权力来减小城市道路网络上的车辆延误、有效利用道路设施、降低交 通事故、减小环境污染和燃油消耗等。在英国、美国等发达国家，利用信号控制 管理城市交通已有近一个世纪，而我国使用交通信号的历史也有几十年。实际使 用经验表明，交叉口必要的、合理的信号控制对于提高交叉口通行能力、保障交 通安全具有重要意义。 目前，根据信号控制范围的大小，可将现在城市中的信号控制分为三种形式， 即单个交叉口交通信号控制( 也称“点控”) 、干道交叉口信号协调控制( 也称“线 中山大学硕士论文第l 章绪论 控”) 、区域交通信号协调控制( 也称“面控”) 。单个交叉口交通信号控制是一种 基本的控制方式，在现代城市交通管理中仍得到广泛的应用，是城市交通中不可 缺少的一种管理方式。在使用上，由于它设备简单、投资最省、维护方便，仍是 被广泛采用的一种控制方式；在技术上，它的基本原理还是其他控制方式配时的 基础，其他控制方式都是在其基础上逐步发展起来的。在我国城市还不能普遍实 现干道交叉口信号协调控制、区域交通信号协调控制的情况下，单个交叉口的优 化配时已经成为解决城市交通问题的最优方法【3 4 】。解决城市交通问题的关键在 于如何合理、有效地组织好单点交叉口的交通。 单个交叉口交通信号控制主要包括定时控制和感应控制。根据对国内外实际 交通信号控制应用的考察，平面交叉口独立信号控制主要采用定周期、多时段定 周期、感应控制等几种方式。前二种控制方式的依据完全是基于对平面交叉口既 往交通流数据的统计调查，由于交通存在的变化性和随机性，这两种方式都具有 通行效率低、方案易老化的缺陷，而感应控制是在前两种方式的基础上增加了车 辆检测器并根据其提供的信息来调整周期和绿信比。如果检测器位置和类型选择 得当，控制器中交通控制参数设定合理，当交又口交通流量小于其通行能力时， 交通流能连续运行，能大大减少车辆的延误，并增加安全性；通过连续地更新各 相位的绿信比，对交通量变化较大且不规则和短期交通发生波动具有较好的适应 性，进而提高某一时段( 一天或一周) 交叉口及路段的总体通行能力。因此，单 个交叉口的感应控制对车辆随机到达的适应性较大，可使车辆在停车线前尽可能 少停车，达到交通通畅的效果。对单个交叉口的感应信号控制配时参数的优化设 计进行深入研究具有重要意义。 1 2 城市交通信号控制的发展现状 1 2 1 信号控制系统的发展现状 1 2 1 1国外发展现状 信号控制系统是城市交通管理最直接、最有效的手段，也是最早采用计算机 控制的实用化i t s 子系统。自7 0 年代以来，英国，法国，美国等西方发达国家 就积极开发各种城市交通信号控制系统，比较成功的有英国的s c o o t 系统，澳 2 中山大学硕士论文第1 章绪论 大利亚的s c a t 系统，美国的o p a c 系统，q u i 心t e t 4 系统，r h o d e 系统，意 大利的s p o t u t o p i a 系统，法国的p r o d y n 系统，以及西班牙的i t a c a 系统 等。国外交通控制系统的发展过程可用表1 1 【5 1 表示。 表1 1 交通信号控制发展图 1 2 1 2 国内发展现状 我国在城市交通控制系统方面的工作起步较晚，在七十年代后期北京市开始 采用d j s 1 3 0 型计算机进行了干道协调控制的研究。八十年代以来，城市道路 交通问题越来越严重。国家一方面进行以改善城市市中心交通为核心的u t s m 技术研究；另一方面采取引进与开发相结合的方针，建立了一些城市道路交通控 制系统。如：北京引进了s c o o t 系统，上海引进了s c a t 系统，深圳市引进了 日本的控制系统等，但控制效果均不太理想。 中山大学硕士论文 第l 章绪论 1 2 2 信号控制方法的发展现状 自1 9 6 8 年英国伦敦燃气信号灯起，在百余年的发展中，交通信号控制系统 经历了从手动控制到自动控制、无感应控制到有感应控制、单点控制到干线控制 再到区域控制的过程。在单个交叉口信号控制方面，按控制原理不同可分为定时 控制、感应控制和自适应控制三种形式。 1 2 2 1 定时控制 定时控制是指交叉口信号控制机均按事先设定的配时方案运行，也称定周期 控制。一天只用一个配时方案的称为固定式定时控制；一天按不同时段的交通量 采用几个配时方案的称为多时段式定时控制。 早期的交通信号控制器是按照固定不变的信号周期和红绿灯的时间比例来 控制信号灯的变化的。研究定时控制，就是研究如何根据交叉口的道路条件及交 叉口各进口道到达交通的流向和流量来确定定时信号控制的配时方案。该方案包 括确定交叉口的相位顺序和数量以及相位周期和绿信比等参数。 定时信号的配时方法还在不断地研究、改进之中，普遍采用的是w | e b s t e r 方 法【6 7 】，该方法以车辆延误作为交通效益指标，以车辆延误最小求解最佳周期时 长，各相位绿信比由各相位的最大流量比按比例分配。此外，还有澳大利亚的 籼方法以及美国的h c m 法等。 定时控制适合于交叉口的交通流量变化比较有规律的交通情况，对于一天内 的交通量的不同变化情况，采用多时段定时控制可以适应交通流量的变化规律， 仍是一种常用的信号配时方案。 1 2 2 2 感应控制 感应控制是通过车辆检测器测定到达进口道的交通需求，使信号显示时间适 应测得的交通需求的一种控制方式，适用于流量变化较大或变化不规则的交叉 口。按检测器设置方式的不同，感应控制可分为全感应控制和半感应控制两类。 ( 1 ) 半感应控制 半感应控制是只在部分进口道上设置检测器的感应控制，适用于主次道路相 4 中山大学硕士论文 第l 章绪论 交且只在次路车流优化或主路车流优先的交叉口上。按检测器设置位置不同可分 为两类：一是检测器设在次要道路上；二是检测器设在主要道路上。 ( 2 ) 全感应控制 全感应控制是所有进口道上都设置了检测器的感应控制，适用于相交道路等 级相当、交通量相仿且变化较大的交叉口上。 目前，国内外对感应控制配时参数的研究比较少，常用的最大绿灯时间计算 方法和单位绿灯时间的延长标准在不同交通流状况下的适用性也不太理想，影响 感应控制的实际使用效果。关于感应控制配时参数的具体计算方法，请参阅论文 的2 3 节，在此不再详述。 1 2 2 3自适应控制 自适应控制系统主要分为两类，即配时参数实时选择系统和实时交通状况模 拟系统。 配时参数选择系统是在系统投入运行之前，拟定一套配时参数与交通量等级 的对照关系，即针对不同等级的交通量，选择相应最佳的配时参数组合。将这套 事先拟定的配时参数与交通量对应组合关系贮存于中央控制计算机中，中央控制 计算机则通过设在各个交叉口的车辆检测器反馈的车流通过量数据，自动选择合 适的配时参数，并根据所选定的配时参数组合实行对路网交通信号的实时控制。 实时交通状况模拟系统不需要事先贮存任何既定的配时方案，也不需要事先 确定一套配时参数与交通量的对应选择关系。它是依靠贮存于中央计算机的某种 交通数学模型，对反馈回来的实时交通数据进行分析，并对配时参数作优化调整。 配时参数的优化是以综合目标函数( 延误时间，停车次数，拥挤程度及油耗等) 的 预测值为依据的。因此，它可以保证整个路网在任何时段都在最佳配时方案控制 下运行【8 ，9 1 。 国内外对于自适应控制的研究比较多，大多数研究者都是选取延误最小、停 车次数最少、通行能力最大、油耗最少等为优化指标，使用各种方法建立模拟各 交叉口交通流状况的数学模型，以解决信号配时的优化问题【1 0 】- 【1 7 1 。 中山大学硕士论文 第1 章绪论 1 3 论文的研究内容与目标 先进的交通信号控制系统是多种软硬件技术的综合体，需要跨学科、多领域 专家的共同合作【1 8 】。其中信号配时参数优化是其核心技术和最终解决目标。交 叉口的最优控制，其实质就是寻求交叉口的最优信号配时。改善配时设计方法， 设法寻求一个最佳配时方案，便成了提高城市交通运行效率，取得良好经济效益、 社会效益和环境效益的关键。因此，本文选择信号配时参数的优化作为重点研究 内容。 感应信号控制作为单个交叉口极其重要的一种控制方式，其主要的配时参数 有：最小绿灯时间、单位绿灯延长时间、最大绿灯时间和单位绿灯时间延长标准。 论文的主要工作是对上述这些控制参数进行优化计算或优选。具体来说，就是要 通过研究城市交通系统的特点，划分交叉口的交通状态，分析和建立不同交通状 态下的信号控制目标函数和配时优化模型，优化周期时间、相位最大绿灯时间和 单位绿灯时间的延长标准，建立起一套适用于城市单个交叉口的感应信号控制的 配时参数实时计算的优化方法，并通过应用微观交通仿真系统p a r a m i c s 进行的 实例计算与分析，对所提出的配时优化模型及信号控制算法进行验证与评价。 1 4 论文的结构大纲 论文共分为七章，具体的内容大纲安排组织如下： 第一章，绪论，即本章。介绍信号控制系统的作用及研究现状，指出建立面 向城市单个交叉口的信号控制系统的重要性，并介绍了文章的研究目标和内容。 第二章介绍了城市交通信号控制的基本理论，着重回顾、分析了感应控制中 四个配时参数的优化方法和理论。 第三章是本论文对相位最大绿灯时间的优化部分，详细分析了交叉口交通状 态的划分标准，不同交通状态下信号控制目标和控制策略的选取、配时优化模型 的建立和求解。 第四章是本论文对单位绿灯时间延长标准的优化部分，详细分析了目前常用 绿灯时间延长标准的优缺点，并在此基础上提出了一种基于来车检测和绿灯时间 有效利用率的单位绿灯时间延长标准。 6 中山大学硕士论文第1 章绪论 第五章是本论文对感应控制的整体优化部分。根据前面两章的讨论，本章总 结了一套感应信号控制配时参数的总体优化设计方法，并对新控制算法的控制流 程和操作步骤进行了阐述。 第六章是本论文算法的应用及验证部分。利用微观交通仿真软件p 嬲l n l i c s 建 立的仿真实验平台，通过对广州市江南大道一昌岗东路的交叉口的信号配时方案 进行仿真实验，分析讨论各种信号控制算法的可行性和适用性。 第七章是本文的终篇，归纳了论文的主要研究工作，并对信号控制的下一步 研究工作及扩展研究方向进行了展望。 7 中山大学硕士论文第2 章感应信号控制理论及研究回顾 第2 章感应信号控制理论及研究回顾 本论文的讨论是围绕着感应信号控制配时参数的优化设计展开的，有必要先 解释清楚什么是感应信号控制，什么是配时参数。本章作为论文的理论基础，将 首先介绍城市交通控制系统的一些基本概念，接着介绍感应控制的工作原理，最 后对感应控制配时参数设计的研究现状进行回顾和总结。 2 1 信号控制的基本参数与评价指标 信号控制系统的目标就是要最佳地确定道路各交叉路口在车流方向上的控 制参数，并付诸实施。交叉口信号配时参数优化，首先必须准确把握和理解交通 控制中的一些基本概念。下面介绍信号配时设计中的主要参数和评价指标1 9 。2 3 】。 2 1 1 信号控制的基本参数 单个交叉口交通信号控制包括周期时长和绿信比两个基本参数。 ( 1 ) 周期长度 周期长度是信号灯各种灯色轮流显示一周所需的时间，即各种灯色显示时间 之和，或是从某相位的绿灯启亮开始到下次该绿灯再次启亮之间的一段时间。常 用c 表示，单位为秒。 ( 2 ) 绿信比 绿信比是指在一个周期内某一相位有效绿灯时间与信号周期长度之比，一般 用五表示。 名= c ( 2 - 1 ) 丸2g e | 乙 u 。1 ) 式中，旯为绿信比，c 为周期长度( 秒) ，为有效绿灯时间( 秒) 。 绿信比的大小对于疏散交通流和减少交叉路口等待时间有着举足轻重的作 用。通过合理地分配各车流方向的绿灯时间( 绿信比) ，可使各方向停车次数、 延误时间减至最小。 除了上述2 个基本控制参数外，还有如下一些与交通信号控制有关的概念： 9 中山大学硕士论文 第2 章感应信号控制理论及研究回顾 ( 3 ) 相位 在交通控制中，为了避免平面交叉口上各个方向交通流之间的冲突，通常采 用分时通行的方法，即在一个周期的某一个时间段，交叉口上某一支或几支交通 流具有通行权，而与之冲突的其它交通流不能通行。在一个周期内，平面交叉口 上某一支或几支交通流所获得的通行权称为信号相位，简称相位。一个周期内有 几个信号，则称该信号系统为几相位系统。相位时间包括绿灯时间与黄灯时间。 ( 4 ) 损失时间和有效绿灯时间 损失时间是指在一次信号周期内，任何方向车辆都不能通行的时间，包括绿 灯间隔时间和起动损失时间。绿灯间隔时间是指上一相位绿灯结束到下一相位绿 灯启亮之间的那段时间，也叫交叉口清车时间。起动损失时间是指不能用于通车 的绿灯启亮初期和黄灯后期的这两段时间之和。实际绿灯时间、黄灯时间中，除 掉损失时间后，实际上用于通车的时间即为有效绿灯时间。 部分参数之间的关系如图2 1 所示。 损失时间 损失时间 一 ，r、 饱和流量 驶 、 红夕绿 黄 f 红 实际绿灯时间 黄灯时间 图2 1部分控制参数间关系图 ( 5 ) 交通流量 交通流量是单位时间内通过某一截面的车辆数，单位为辆小时。 ( 6 ) 饱和流量 进口道饱和流量是指在一次连续的绿灯时间内，交叉口进口道上连续车队能 够通过停车线的最大流量，单位是辆小时。 1 0 中山大学硕士论文第2 章感应信号控制理论及研究回顾 ( 7 ) 关键车道 交叉口有多个进口道，每个进口道又有着一条或多条车道，对于交叉口信号 配时的确定而言，不是所有的进口道都起着决定性作用，而是只有部分进口道( 及 其交通需求) 起着决定性作用，因此把这部分进口道称作关键车道，把它作为确 定信号配时的依据。当在一个相位中具有多个车流同时运行时，通常取各个车流 中最大的车流所对应的车道作为关键车道。 ( 8 ) 流量比 流量比是进口道实际到达车流量与饱和流量的比值。当在一个相位中具有多 个车流同时运行时，应取各个车流中最大的车流量与饱和流量的比值作为该相位 的流量比。流量比不但是计算信号配时所使用的最重要参数之一，同时也是一个 衡量交叉口阻塞程度的尺度。 ( 9 ) 通行能力 通行能力是指单位时间内连续通过车辆的能力。一条进口车道的通行能力是 该车道饱和流量及其所属信号相位绿信比的乘积。 ( 1 0 ) 饱和度 在交通信号控制中，饱和度是指交通量与通行能力之比。它用来描述交叉口 交通需求与供给之间平衡的程度。供给表示可提供的通行能力，需求表示实际的 交通需求一交通量。饱和度也是反映交叉口交通运行状况的一个定量化参数，饱 和度数值越大说明交叉口的饱和程度也越高。 根据交叉口的实际情况，饱和度一般分为相位饱和度和交叉口饱和度。相位 饱和度是指相位关键进口道到达交通量与通行能力之比。交叉口饱和度是指相位 饱和度中的最大值。相位饱和度只反映一个具体相位的交通运行情况，交叉口饱 和度反映了各个相位总体的运行情况，即交叉口的运行情况。 2 1 2 信号控制的评价指标及服务水平 2 1 2 1 信号控制的评价指标 评价指标也称效益指标，是衡量信号配时优劣的标准。交通信号控制的评价 指标可以由设计者根据需要进行选择。目前，交通控制效益的评价指标有很多 例，如通行能力、饱和度、排队长度、延误、停车次数、停车率、油耗、行程 l l 中山大学硕士论文 第2 章感应信号控制理论及研究回顾 时间等。其中，常用的交通效益评价指标主要有延误、停车次数、排队长度、通 行能力等。 2 1 - 2 2 信号交叉口服务水平 信号控制交叉口的服务水平反映了交叉口所提供的道路、交通及信号条件满 足驾驶者便捷性、安全性、舒适性等需要的程度。用于评价信号交叉口运行效率 和服务水平的重要度量指标是车辆在交叉口的延误，因为它不仅反映了驾驶员不 舒适性、受阻、油耗和行驶时间损失，还反映了信号控制规划、设计的合理性。 目前，国际上一般以交叉口控制延误作为主要指标评价其服务水平，在最新 版的美国通行能力手册h c m 2 0 0 0 提出的信号交叉口服务水平分为a f 等六级， 如表2 1 所示。 表2 1 信号交叉口服务水平的判断标准 2 2 感应信号控制的工作原理 感应控制是通过在信号交叉口或路段行人过街处安装检测装置，信号机根据 检测到的当前交通需求，利用感应控制算法，推导出当前信号控制所应采用的控 制策略，然后去控制信号灯色的变化，使信号显示时间适应所测交通需求的一种 控制方式【1 9 。2 5 1 。它是一个典型的反馈控制过程。 感应信号控制的基本工作原理如图2 2 所示：感应信号机内预设有一个最小 绿灯时间，一旦某一相位获得通行权，信号机将首先给该相位所需的这个最小绿 灯时间，同时信号机会不断接受和处理由检测器测到的车辆到达信息。如果在最 小绿灯时间即将结束之前一段时间不再有车辆通过检测器，则变换信号相位；如 果仍然有后续车辆通过检测器，则每测得一辆车，延长一个单位绿灯延长时间。 如果在延长时间内再有车辆通过检测器，则继续延长一个单位绿灯延长时间。直 到在某一延长时间内无车辆到达，或者即使检测到后面仍有车，但绿灯时间若再 延长就超过了设定的最大绿灯时间，此时将中断这个相位的通车权。感应信号控 1 2 中山大学硕士论文 第2 章感应信号控制理论及研究回顾 制每一相位的通行权时间，即实际绿灯时间在最小绿灯时间和最大绿灯时间之 间，与实际需求相对应。 图2 - 2 感应信号控制工作原理示意图 由上述感应控制的工作原理可以知道，最大绿灯时间和单位绿灯时间的延长 标准这两个参数直接关系到相位实际绿灯时间的长短，是感应信号控制效果优劣 的决定因素。 2 3 感应信号控制的配时参数设计 感应信号控制的四个基本参数分别为：最小绿灯时间、单位绿灯延长时间、 最大绿灯时间和单位绿灯时间的延长标准。这四个参数在信号控制的不同阶段起 着不同的作用，是进行感应控制的关键因素。下面分别介绍它们的确定方法【2 6 弓2 】。 2 3 1 最小绿灯时间 给每个相位初期预先设置一段最小绿灯时间，不管本相位或其它相位是否有 车，对本相位必须保证放完这段绿灯时间。因大部分检测器都属“点式 检测器 ( 2 m 方形线圈检测器实际上也是“点式”检测器) ，所以这段时间的长短，决定 于检测器的位置，以及检测器到停车线之间可停放的车辆数。设置最小绿灯时间 时应考虑以下几个因素： ( 1 ) 保证在检测器和停车线之间的车辆，全部驶出停车线所需的最短时间。 ( 2 ) 保证行人安全过街所需的时间。 中山大学硕士论文第2 章感应信号控制理论及研究回顾 停止车辆间的平均车头距离为6 m 时，美国推荐的随检测器位置而定的最小 绿灯时间列于表2 2 中【3 3 刁5 1 。 表2 2 检测器的位置与最小绿灯时间的对应表 检测器与停车线间距( m )初期绿灯时间( s ) 0 1 2 1 3 1 8 1 9 2 4 2 5 3 0 3 1 3 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 需要注意的是，上表中的时间适用于“点式”检测器。如果使用长环形线圈 检测器或一串小环形检测器时，所需的最小绿灯时间有所不同。如检测器终端就 在停车线上，最小绿灯时间可尽量接近于零。有些控制机可把这个时间设置为零， 而有些控制机必须预置一段最短时间，如果检测器终端在停车线之前，则按这段 提前的距离用上述“点式 检测器一样的方法确定最小绿灯时间。 2 3 2 单位绿灯延长时间 单位绿灯延长时间是最小绿灯时间结束后，在一定时间间隔内，测得有后续 车辆到达时所延长的绿灯时间，如果在这段时间内，没有测得来车，则判为交通 中断而结束当前相位绿灯。可见，单位绿灯延长时间也是判断车流是否中断的一 个参数。确定单位绿灯延长时间时，应考虑以下几个因素： ( 1 ) 单位绿灯延长时间的长短必须能使车辆从检测器处驶离停车线，当使 用“点式 检测器及其位置离停车线较远时，这点特别重要。 ( 2 ) 单位绿灯延长时间的恰当长度，应尽可能不产生绿灯时间损失。由于 只要检测到的车辆间隔短于这个绿灯延长时间，绿灯总保留在这个相位上，为了 提高通车效益，这段时间应按实际需要定得尽可能的短，应使单位绿灯延长时间 尽可能只满足实际交通所需的长度，而不应等待不紧跟的车辆通过绿灯。合理的 单位绿灯延长时间可以消除为等待少数车辆而浪费的绿灯时间，使绿灯延长时间 高效运行，从而可提高通行能力，降低延误。 单位绿灯延长时间可根据交通调查进行统计分析来确定，通常不应小于3 秒， 一般取3 5 秒。具体可参考下式( 2 2 ) 【2 9 】计算： 1 4 中山大学硕士论文第2 章感应信号控制理论及研究回顾 g f ：导 ( 2 2 ) ，i 式中，为各相位的单位绿灯延长时间：q 为f 相位关键进口道上检测器 与停车线之间的距离，单位为m ；形为f 相位关键进口道上车流的正常行驶速度， 单位为毗。 2 3 3 最大绿灯时间 最大绿灯时间是为了保持最佳绿信比而对各相位规定的绿灯时间的延长限 度。信号到达最大绿灯时间时，强制绿灯结束并改换相位。值得注意的是，由于 车辆到达检测器的时间是随机的，所以最大绿灯时间与最后一个单位绿灯延长时 间一般不可能同时结束。为此，可以提前中止绿灯信号，即最大绿灯时间的终点 是浮动的，它以最后一个单位绿灯延长时间的终点为终点。 感应控制通常采用固定的最大绿灯时间，其值通常依据历史流量数据预先确 定。最大绿灯时间实际上就是按定时控制时的最佳周期时长及绿信比分配到各个 相位的绿灯时间，现在通常是由交通工程师根据实际交通流量情况采用经验值 3 0 6 0 秒。 部分学者通过对交叉口车辆延误、排队长度与最大绿灯时间的关系研究，提 出了固定的最大绿灯时间的另一些设置方法，主要研究者有l “3 6 1 、c o u r a g e 【3 7 1 、 k b l l 【3 8 】和o r c 吡【3 9 l 等。l i n 通过对平均车辆延误时间和最大绿灯时间关系的研究， 建议基于高峰小时系数p h f 来设计最大绿灯时间；c o u r a g e 通过对s o a p 和 n e t s i m 两个仿真软件的多次实验，建议最大绿灯时间应比l i i l 方法所确定的值 稍小；k e u 和f u l l e r t o n 通过对最大绿灯时间和固定配时最佳绿灯时间关系的研 究，建议取固定配时最佳绿灯时间的1 2 1 5 倍；o r c u n 建议最大绿灯时间应能 满足排放1 3 倍的平均排队长度的需要。 另有小部分的研究是针对动态最大绿灯时间进行的，即根据实时的交通流量 数据，动态调整最大绿灯时间。t a a l e f 删和飚m f 4 1 】的研究均以使交叉口车辆延误 最小为目标确定最大绿灯时间，但其所采用的固定配时方法和延误公式在高饱和 度时的适用性并不太理想。在现有信号控制系统里，应用最成功、最具代表性的 是英国t r r i 研究所开发的m o v a 系统【4 2 】，它根据实时交通流状态，建立相应 中山大学硕士论文 第2 章感应信号控制理论及研究回顾 的优化模型求解最佳绿灯时间，但因其为商业软件，技术细节保密。 2 3 4 单位绿灯时间延长标准 单位绿灯时间延长标准是最小绿灯时间结束后，判断是否继续延长单位绿灯 时间的标准。 在常规的感应信号控制中，采用来车即延时策略，即在满足最小绿灯时间、 最大绿灯时间约束下，若有车到达则延长一个单位绿灯延长时间，否则结束本相 位。虽然这种控制能够根据车辆的到达情况实时的调整绿灯时间，但是其控制策 略只是检测是否有车辆到达而不关心有多少车辆到达。因此它无法做到真正响应 各相位的交通需求【4 3 1 。 针对来车即延时策略的不足，出现了一些新的控制思路和方法，主要有以下 几种： ( 1 ) 基于车头时距的延长标准【川6 1 这种方法是通过交叉口进口道停车线前的感应线圈检测相邻通过车辆的时 间间距，根据此时间间距与某个预先设定的车头时距阈值大小进行比较，若车头 时距不大于给定的阙值，且绿灯时间未达到最大绿灯时间，则可以继续延长绿灯 时间。用于截断绿灯时间的阈值可取2 秒到5 秒，对于流量值很大的交叉口，这 个值可以取2 秒到3 秒。 在这种控制方式中，交叉口每条车道都需设置独立的检测器来检测车头时 距，每个检测器所检测的车头时距都须各自进行评估，增加了系统应用时的不稳 定性。此外，由于不同车辆尺寸大小不一，对于混合交通流情况下的阈值难于有 效确定。 ( 2 ) 基于模糊控制和排队长度的延长标型3 4 1 这种方法通过引入模糊控制技术，根据交通警察的经验知识建立一种新的模 糊控制器，其输入为当前通行车道上的车队长度及与下一相位车道上车队长度的 差，输出为当前通行相位的绿灯延长时间。在不同的交通流状况下，排队长度并 不易实际检测，若要准确地检测排队长度，需要连续铺设较多的检测器，应用成 本较高。此外，在模糊控制规则的建立过程中的主观因素较多，模糊控制在信号 控制中的实用性也有待更多的实际检验。 1 6 中山大学硕士论文 第2 章感应信号控制理论及研究回顾 ( 3 ) 基于占有率检测的延长标准嗍 这种方法通过判断检测线圈的车辆占有率，同时考虑车流的流量、车速和车 辆长度来估计交通流状况。采用这种控制手段的控制响应比基于车头时距的控制 响应要稍迟钝些。特别是，由重型车辆形成的较大的绿灯时间空档将会导致过早 地截断绿灯。 ( 4 ) 基于系统效益最优的延长标准【4 7 】 这种方法通过分别计算单位绿灯时间在延长单位绿灯时间和不延长的情况 下，交叉口系统控制效益的优劣变化情况，来决定是否继续延长绿灯时间。此方 法由于从系统整体效益最优出发，可以有效地提高绿灯利用率，但在多相位情况 下，绿灯时间延长前后的系统效益却变得难于有效计算。 ( 5 ) 基于绿灯时间有效利用率的延长标准【2 6 ，4 8 】 绿灯时间有效利用率是指在某一给定的绿灯时间内，车辆实际利用的绿灯时 间与相位绿灯时间的比值。这一概念及其定义是由澳夫利亚的学者提出并在 s c a t 系统中进行了应用，其原名为类饱和度。车辆实际利用的绿灯时间是车辆 通过停车线时实际占用停车线的时间之和与车辆通过停车线时所保持的正常空 档时间之和。根据上述定义，绿灯时间有效利用率尺g 可表示为： rg=g。g(2-3) g 。= g 一( 丁一f 办) 办= 刀一1 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 式中，g 为被车辆实际利用的绿灯时间，g 为可供车辆通行的全部绿灯时间 总和，丁为绿灯期间，停车线上无车通过( 即出现空档) 的时间，r 为车流正常 驶过停车线断面时，前后两辆车之间不可少的一个空档时间，办为必不可少的空 档个数，刀为绿灯期间通过的车辆数。 其基本工作原理是：一旦某一相位获得通行权，信号机将不断接收和处理由 停车线处检测器的车辆实际利用了的绿灯时间，与当前时刻的实际绿灯时间相比 即得到绿灯时间有效利用率，用这一比值与预先设定的绿灯时间有效利用率的延 长标准值比较，如果大于延长标准值，则继续延长一个单位绿灯时间，否则交换 通行权。其中，绿灯时间有效利用率的延长标准值通常根据经验预先设定。 1 7 中山大学硕士论文第2 章感应信号控制理论及研究回顾 此方法采用式( 2 3 ) 定义绿灯时间有效利用率，而不采用过去的通过计算车 辆检测器被车辆占据的时间和全部绿灯时间的比例作为绿灯时间有效利用率的 方法，可以可靠地反映绿灯时间的有效利用率，以此作为根据确定的绿灯时间延 长标准也是令人满意的。因为在过去的方法中，通过停车线断面的车辆尺寸的随 机变化性很强，而式( 2 3 ) 中将“空档 作为计算绿灯时间有效利用率的基本 参数，可以使得绿灯时间有效利用率的计算在一定程度上摆脱了车辆尺寸的影 响，无需像固定配时系统那样按一定的折算系数将混合车流折算为标准的小客车 流，避开了车头时距、占有率等延长标准所具有的“车辆尺寸大小不一”的难题， 可以直接用来反映实时的交通负荷情况。 2 4 本章小结 本章首先简要介绍了交通信号控制的一些基本概念，包括：周期时长、绿信 比、信号相位、绿灯时间、有效绿灯时间、饱和度等，对交叉口常用的性能指标 和服务水平，包括延误、停车次数、通行能力、