（交通信息工程及控制专业论文）集中协调式信号机方案配置方法研究.pdf

摘要 随着经济的发展和机动车保有量的迅速增加，大多数城市因交叉口调控能力弱而引 起的交通阻塞现象越来越严重。以区域控制见长的集中协调式信号机的应用能有效地提 高交叉口通行能力，缓解交通拥堵。为了克服目前大多数城市仍以多时段定时式信号机 为主流，功能单一，不能实现区域联网控制的缺点，根据我国城市交通以混合交通为主 的特点，设计研发了一套集中协调式信号机方案配置系统，可适用于各种类型的交叉路 口交通信号单点及区域联网控制。 首先，介绍了信号机控制技术的发展现状及其相关知识。着重给出了集中协调式信 号机的基本结构、基本功能和控制功能要求。 其次，针对我国混合交通现状，并结合集中协调式信号机的特点，设计了一套信号 机运行控制方案库，包括无电缆协调控制、多时段定时控制以及单点自适应等多种控制 方式方案：可根据不同路口构造设置不同的端子映射方案；最多达6 4 个相位的相位方案； 可无限扩充的配时方案；具有保护冲突和可自由设置的绿冲突方案；具有机动车绿闪、 机动车黄灯、机动车红灯、行人绿闪的绿间隔方案；根据不同路口需要设置不限量的时 段方案以及可灵活设置的周和节假日工作方案等。使得信号机的控制方式、两相位和多 相位的控制、单时段和多时段、区域联网控制更加简洁、灵活和智能化，提高了信号机 运行和通信的稳定性和可靠性。同时，无需修改程序和信号机本身的固件，无需人工移 动数据就可以添加和改变控制方案，使得各种方案的设定和修改更加便捷。 最后，详细论述了集中协调式信号机配置方案系统的设计和实现，包括系统总体设 计、信号机运行方案库、校时及通信模块等。 所研发的信号机配置方案系统已经用于实际工程中，结果表明，系统功能完善、操 作简便，运行稳定，对城市交通信号控制系统的研发与建设具有较高的参考和实用价值。 关键词：道路交通信号控制机，集中协调式信号机，信号机运行控制方案库，方案 配置 a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n di n c r e c e m e n to ft h em o t o rv e h i c l e ，i tb e c o m e s m o r ea n dm o r es e r i o u so ft h et r a f f i cj a mc a u s e db yw e e kd i s p a t ha n dc o n t r o lo ft h e i n t e r s e c t i o n si nm o s tc i t i e s t h ea p p l i c a t i o no fc e n t r a lc o o r d i n a t ec o n t r o l l e rw h oh a st h e c h a r a c t e r i s t i co fa r e ac o n t r o lc o u l di m p r o v et h et r a f f i cc a p a c i t ya n dr e l i e v et h es t a t u so ft r a f f i c j a mo ft h ei n t e r s e c t i o n s w i t ht h ep u r p o s eo fo v e r c o m i n gt h es h o r t c o m i n g so fm u l t i - i n t e r v a l p r e t i m e dc o n t r o l l e rw h op l a y sal e a d i n gr o l ei nm o s tc i t i e s ，r u n sw i t hm o n o t o n o u sf u n c t i o n a n dc o u l dn o tr e a l i z ea r e an e t w o r k i n gc o n t r o l ，ac e n t r a lc o o r d i n a t ec o n t r o l l e r ss c h e m e d i s p o s i t i o ns y s t e mw a sd e s i g n e da c c o r d i n gt om i x e dt r a f f i cs t a t u si nc h i n a , i tc o u l db eu s e di n i s o l a t e dc o n t r o la n da r e ac o n t r o la ti n t e r s e c t i o nw i t hd i f f e r e n t t y p e s f i r s t ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dc o r r e s p o n d i n gk n o w l e d g eo ft h e t r a f f i c s i g n a lc o n t r o l l e rw a si n t r o d u c e d ，w i t h a l le m p h a s i so nb a s i cc o n s t r u c t i o n ，b a s i c f u n c t i o na n dc o n t r o lf u n c t i o nr e q u i r e m e n to ft h ec e n t r a lc o o r d i n a t ec o n t r o l l e r s e c o n d l y , ar u n n i n ga n dc o n t r o l l i n gs c h e m el i b r a r y , w h i c hi sb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c o fm i x e dt r a f f i cs t a t u si nc h i n aa n dc e n t r a lc o o r d i n a t ec o n t r o l l e r , w a sp r o p o s e dt or e g u l a t ea n d c o n t r o lt h et r a f f i cs i g n a l i tc o n s i s t e do fc o n t r o ls c h e m e si n c l u d i n gc a b l e l e s sl i n k i n gc o n t r o l ， m u l t i p l es c h e d u l ef i x e d - t i m ec o n t r o l ，i s o l a t e dc o n t r o l ，e t c ，t e r m i n a l sm a p p i n gs c h e m e sb a s e d o nc o n f i g u r a t i o no fd i f f e r e n ti n t e r s e c t i o n s ，p h a s es c h e m e sw h i c hc a nb ea sm a n ya s6 4 ，s i g n a l t i m i n gs c h e m e sw i t hi n d e f i n i t en u m b e r ，g r e e nc o n f l i c ts c h e m e sp r o v i d e dw i t hp r o t e c t i n g c o n f l i c ta n df r e ec o n f i g u r a t i o n , g r e e ni n t e r v a ls c h e m e sc o n t a i n i n gm o t o rv e h i c l eg r e e nf l a s h , m o t o rv e h i c l ey e l l o wf l a s ha n dp e d e s t r i a ng r e e nf l a s h , t i m es t a g es c h e m e s 、 ，i t hu n l i m i t e d n u m b e r , w e e ka n dh o l i d a yw o r k i n gs c h e m e s 谢t i lf l e x i b i l i t y , e t c w i t l lt h es c h e m e sl i b r a r y , t h e c o n t r o lm o d e ，t w os t a g ea n dm u l t i p l e s t a g ec o n t r o l ，f i x e d t i m ea n dm u l t i p l e s c h e d u l e f i x e d - t i m ec o n t r o l ，a r e an e t w o r k i n gc o n t r o lo ft h er o a dt r a f f i cc o n t r o l l e r , b e c a m em u c h c o n v e n i e n c e ，f l e x i b l ea n di n t e l l i g e n c e ，w h i c he n h a n c e dt h er u n n i n ga n dc o m m u n i c a t i n g s t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ec o n t r o l l e r i na d d i t i o n ，t h ec o n t r o ls c h e m e sc o u l db ea d d e da n d m o d i f i e db r i e f l ya n de x p e d i e n t l yw i t h o u tc h a n g i n gt h ep r o g r a ma n dh a r d w a r eo ft h e c o n t r o l l e ra n dm o v i n gt h ed a t am a n u a l l y f i n a l l y ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o fc e n t r a l c o o r d i n a t ec o n t r o l l e r ss c h e m e d i s p o s i t i o ns y s t e mi se l a b o r a t e d ，w h i c hi n c l u d e dt h eo v e r a l ld e s i g n , t h en m n i n gs c h e m e s l i b r a r y , t i m i n ga n dc o m m u n i c a t i n gm o d u l e so ft h ec o n t r o l l e r t h ec o n t r o l l e r ss c h e m ed i s p o s i t i o ns y s t e mh a sh a dap r a c t i c a la p p l i c a t i o ni ns o m e w h e r e ， t h er e s u l t si n d i c a t et h a ti to p e r a t e ss m o o t h l y , p e r f o r m sp e r f e c t l yi nf u n c t i o na n dr u n ss t e a d i l y , a n di th a sh i g hr e f e r e n c ea n dp r a c t i c a lv a l u ei nt h er e s e a r c ha n dc o n s t r u c t i o no ft h eu r b a n t r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：r o a dt r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e r , c e n t r a lc o o r d i n a t ec o n t r o l l e r , r u n n i n ga n d c o n t r o l l i n gs c h e m el i b r a r y , s c h e m ed i s p o s i t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任 何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：主1 3 亚珲 砷产月妒 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：主i 哂 导师签名：多庐锄习 徊细 月 月 ，卜_ 嘛冬 呱a 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 交通信号控制机简称信号机，是指能够改变道路交通信号灯顺序、调节配时并能控 制道路交通信号灯运行的装置，其对减轻交警工作强度和维护交通的安全、畅通起着举 足轻重的作用。 1 1 选题的背景及意义 交通系统是推动社会经济发展的“主动脉 ，对城市经济发展、人民生活水平提高 起着十分重要的作用。近二十年来，随着世界经济的迅速发展，城市交通系统也得到了 相应的改善，无论是交通工具，还是交通系统经营管理体制，都发生了巨大的变革。但 是，随着城市人口的不断增长和汽车工业的迅速发展，人们在享受机动车所带来巨大便 利的同时，却越来越来受到交通阻塞、道路拥挤以及因此而引起的车速降低、交通事故 频发、环境污染加剧和燃油损耗上升所带来的困扰。有资料表明【l l ，在日本的东京市内， 早晚高峰时车速仅为9 公里每小时，最低时只有4 公里每小时，出现了乘车比步行还难 的情况，日本全国每年由于交通拥挤所造成的经济损失高达1 2 兆, 3 千亿日元( 合人民币 9 0 0 0 多亿元) 。作为经济和科技都很发达的美国，每年由于交通问题导致的经济损失也 高达2 3 7 0 亿美元。因此，如何改善道路行车秩序、缓解交通拥挤的状况、提高路网通行 能力是国内外共同关注的问题。 显然，解决交通拥挤的直接的办法就是修建更多的路桥以提高路网的通行能力。然 而，修建路桥的巨额资金和城市空间的严格限制，使这一方法的有效性大打折扣。因此， 在现有道路条件下，为了提高控制和管理水平、合理使用现有交通设施、充分发挥其能 力，同时也为了保护环境，对信号机实施合理的控制是解决交通拥堵问题的有效方法之 一。通过对信号机控制，就能够改变道路交通信号顺序、调节配时并能控制道路交通信 号灯运行方式。但是从我国目前交通状况来看，中小型路口占大多数，它们大都处于简 单的信号机控制，以固定的相位和配时为主，运行方式比较单一，不能有效地利用路口 资源。另外，不易实现联网控制，不能监控，可维护性差。因此有必要对现有的单一控 制的信号机进行改造，使信号机要有更强的适应性和灵活性，能提供更多、更复杂的控 制方案，以适应各种复杂的路口，以适应现代化交通迅速发展的要求。这样，如何使原 有信号机从简单的单一路口扩展到各种复杂路口，如何使信号机设置更加灵活方便、如 何使信号机管理更加方便有效、运行更加可靠稳定等，是本论文研究的重点。 第一章绪论 1 2 信号机控制技术的发展和现状 利用信号机来控制和管理交通的方式已有百余年的历史1 2 。最早控制交通的设备是 1 8 6 8 年在英国伦敦安装的色灯信号机。它是用煤气灯照亮，后因煤气爆炸而毁坏。1 9 1 4 年在美国克利夫兰开始使用电光源定时信号机。1 9 1 8 年在纽约开始使用手动红、黄、绿 三色信号机。用信号机控制单个交叉口的交通信号称为点控制。随着交通量的增加，逐 渐地从对单个交叉口交通信号的控制发展到对同一条道路若干个相邻交叉口交通信号 的控制，即线控制。世界上第一个实现交通线控制的系统于1 9 1 7 年出现在美国盐湖城。 这是一种内联式线控制系统，它把一条道路上6 个连续的交叉口的信号灯用电缆联接， 使用手动开关。此后十年间，先后又试验成功了同时式、交变式、推进式线控制系统， 它们都是机械联动。n 5 0 年代，一些国家的汽车保有量进一步增加，线控制系统已不能 满足城市道路交通的需要。1 9 5 2 年美国在丹佛市试验用电子计算机对道路网各交叉口的 交通信号进行控制，这就是面控制。与此同时，在高速公路上也安装了交通控制系统。 1 9 5 9 年加拿大多伦多市进行实验并于1 9 6 3 年正式安装了世界上第一个实现面控的面控 制系统。此后，许多国家也都采用新型电子计算机，使一个区域内的信号灯协调运转。 中国于1 9 3 2 年在广州开始采用手动信号灯，1 9 7 6 年在北京安装了第一台单点感应式信号 机，1 9 7 8 年在北京试用线控制系统，此后随着科学和计算机工业的发展，交通信号控制 系统也发生了巨大的变化。 目前，交通信号机的种类较多，从基本功能可分为四类：行人过街触发式信号机、 多时段定时式信号机、感应式信号机、集中协调式信号机。但是，就目前国内信号机使 用情况而言，以多时段定时式信号机为主流，能开发生产系统协调式信号机的企业还不 是很多。另外还有不少城市使用的信号机是由当地交通管理部门自行研制的，结构简单、 功能单一，集成度不高，技术落后，故障较多，维护量大。相对而言，国外交通信号机 虽然不适合我国以混合交通为主的状况，但却技术先进、功能较为完善、性能可靠稳定、 使用方便。2 0 0 3 年第3 季度，公安部交通安全产品质量监督检测中心对国内企业生产的 信号机进行了国家质量监督抽查，产品抽样合格率仅为3 6 4 f 9 1 ，基本上反映了国内信号 机质量水平。同时也让我们清醒地看到，我国信号机总体水平与国外还有一定差距。 由长安大学公路计算机技术研究所研制与开发的集中协调式信号机方案配置系统， 针对我国城市混合交通的特点，采用了多相位、多时段控制方式，克服了早期信号机简 单的两相位、单时段控制所带来的不灵活，不方便等缺点，实现了多控制方式、两相位 2 长安大学硕士学位论文 和多相位的控制、单时段和多时段、区域联网控制。目前，该信号机方案配置系统在郑 州市区一些关键路口已投入使用，且控制效果十分理想。多时段多方案定时控制在长期 的使用过程中不断地改迸提高，但是由于交通流具有连续运动的特点，当一个交叉路口 的各个方向交通流的随机变化很大的时候，特别是现代城市中突发事件比较多，无法预 计交通流的变化规律时，不可避免地出现控制效率低下的结果，所以在使用中也有其不 足或不尽人意之处。要解决这个问题，必须准确检测出交叉路口各个方向的交通流情况， 对信号灯进行实时自适应感应控制。 1 3 本文研究的内容 所研发的集中协调式信号机具有国标要求( g a 4 7 2 0 0 2 ) 的所有功能，在硬件结构上 主要包括：c p u 板、电源板、灯驱板和检测板。其中灯驱板有6 块，每块板有4 组灯， 也就是1 2 路信号输出通道；检测板有2 块，每块检测板提供1 6 通道环行线圈检测器输 入，允许直接连接环形线圈。 由于信号机在硬件设计上采用p c i 0 4 总线结构和c p l d 器件，所以，和目前市场上 流行的信号机相比，具有结构更加科学合理，功能更加完善，工作稳定性更高的特点。 但是，一台硬件先进的信号机如果没有合理的配置方案，也就是“芸芸众生 中的一员， 其功能就无法得到有效的发挥，或者功能基本上实现了，但却存在可靠性差、使用复杂、 故障率高的缺点。因此，信号机必须要有正确、合理、简单的信号机配置方案，才能和 先进的硬件一起保证设备可靠稳定地运行，并最大限度地发挥其功能。 本文重点研究信号机方案配置系统的设计和实现，主要内容包括： 1 ) 交通信号机的历史和现状以及道路交通信号控制的方法和原理。 2 ) 集中协调式信号机的构成、发展应用及设计要求。 3 ) 集中协调式信号机方案库的设计与实现，主要包括： 端子映射方案； 控制方案； 绿冲突方案； 配时方案； 绿间隔方案； 周工作方案； 节假日工作方案； 第一章绪论 g p s 校时、网络校时、配时方案仿真等； 系统可以导入地图，以便实现不同区域的交通信号机控制； 参照地图上的信息，通过地图实现路口管理及路口信息的录入和独立存储， 方便交通工程师操作及观察； 构建信号机运行控制方案库。给出各方案之间逻辑约束关系，保证方案之间 通信正确无误； 具有绿冲突保护功能，可以设置无电缆协调控制、自适应控制、多时段定时 控制、黄灯控制、关灯控制等控制方式； 行人过街触发模式的各项参数，如响应时间、放行时间可设定； 可以设定自适应控制方式的各项参数； 上位机通过以太网与信号机进行通信。信号机上传信息包括：信号机的i d ， 信号机时间信息，信号机当前的方案数据等；上位机下传信息包括：信号机 的重启信息，配置方案数据信息，运行新方案信息，时间信息等。 小结 本章首先叙述了城市交通信号控制的研究意义；其次，介绍了城市交通信号控制机 的发展概况和现状，对交通信号控制机技术的研究和应用情况进行了分析讨论；最后提 出了本文所研究的主要内容。 4 长安大学硕士学位论文 第二章道路交通信号控制的基本理论和方法 经过近百年的发展，交通控制已经形成了一套较为成熟的概念和方法。迄今为止， 一些传统的方法仍在继续发挥作用，本章主要介绍交通控制的基本概念、交通信号控制 参数、交通控制的类型等内容。 2 1 交通控制概述 2 1 1 交通信号灯 交通灯给出的信号为红，黄，绿3 色。在多相位信号控制中灯光信号还包含左转， 直行及右转的绿色和红色箭头灯。世界各国对交通信号等各种灯色的含义都有明确规 定，其规则基本相同。我国1 9 8 8 年3 月颁布的中华人民共和国道路交通管理条例 中有如下规定： 1 ) 绿灯亮时，准许车辆，行人通行，但转弯的车辆不准妨碍直行车的车辆和被放 行的行人通行； 2 ) 黄灯亮时，不准车辆，行人通行，但已越过停车线的车辆和进入人行道的行人， 可以继续通行： 3 ) 红灯亮时，不准车辆，行人通行； 4 ) 绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所指的方向通行； 5 ) 黄灯闪烁时，车辆，行人须在确保安全的原则下通行。 对人行横道等信号有如下规定： 1 ) 绿灯亮时，准许行人通过人行横道； 2 ) 绿灯闪烁时，不准行人进入人行横道，但已经进入人行横道的，可继续通行； 3 ) 红灯灯亮时，不准行人进入人行横道。 2 1 2 交通控制系统术语 道路交通信号控制机r o a dt r a f f i cs i g n a lc o n t r o l l e r 简称为信号机或者交通信号机，是能够改变道路交通信号顺序、调节配时并能控制 道路交通信号灯运行的装置。 相位绿灯时间s t a g eg r e e nt i m e 一个相位所获得的绿灯显示时间。 绿灯间隔时间i n t e r - g r e e nt i m e 5 第二章道路交通信号控制基本理论和方法 一个相位绿灯时间结束至下一个相位绿灯时间开始之间的时间。 损失时间l o s tt i m e 周期中不允许车辆通行或者被浪费的时间。 控制方案c o n t r o lp l a n 相位设置、相序设置、信号配时的有序集合。 日时间表t i m e o f - d a ys c h e d u l e 为了适应一天中不同交通需求而设置的信号控制时间段，不同时间段设置不同的控 制方式及配时方案。 周日日时时间表d a y o f - w e e kt i m e o f - d a ys c h e d u l e 针对一周内某天( 如星期一、星期六等) 所设置的日时间表。 特殊日时间表s p e c i a ld a ys c h e d u l e 针对一年内某天( 如1 月1 日、法定节假日等) 所设置的日时间表。 特别路线方案v i pp l a n 为特种车辆或车队优先通过某路线而设置的控制方案。 最小绿灯时间m i n i m u mg r e e nt i m e 绿灯信号允许开启的最短时间。 最大绿灯时间m a x i m u mg r e e nt i m e 绿灯信号允许开启的最长时间。 绿冲突g r e e nc o n f l i c t 规定不允许同时放行的信号组的绿色信号灯同时点亮称为绿冲突。 全红状态r e d a l l 所有信号相位灯色均显示为红色的信号状态。 冲突点c o n f l i c tp o i n t 在交叉路口内两股不同方向的交通流其行驶轨迹的相交点。 手动控制m a n u a lc o n t r o l 采用手动方式控制信号运行的控制方式。 黄闪控制f l a s h i n gy e l l o wc o n t r o l 黄灯信号以固定频率闪烁的控制方式。 多时段定时控制m u l t i p l es c h e d u l ef i x e d t i m ec o n t r o l 根据交通流量变化情况，把一天的时间分成若干个控制时段，随时间的推移，按预 6 长安大学硕士学位论文 置的方案自动运行。 无电缆协调控制c a b l e l e s sl i n k i n gc o n t r o l 线协调控制的一种，信号机之间没有通信链路，根据时钟同步，通过设定相位差来 实现交叉路口交通信号协调的控制方式。 感应控制v e h i c l ea c t u a t e dc o n t r o l 交叉路口信号机根据检测器测得的交通流数据来改变信号显示时间。 自适应控制a d a p t i v ec o n t r o l 根据交通流的状况，在线实时地自动调整信号控制参数以适应交通流变化的控制方 式。 全感应控制f u l l a c t u a t e dc o n t r o l 交叉口所有相位均有感应请求的感应控制方式。 半感应控制s e m i a c t u a t e dc o n t r o l 交叉口仅有部分相位有感应请求的感应控制方式。 行人过街触发式信号机p e d e s t r i a na c t u a t e dc o n t r o l l e r 具有响应行人过街请求及基本信号控制功能的信号机。 多时段定时式信号机m u l t i i n t e r v a lp r e t i m e dc o n t r o l l e r 具有行人过街触发式信号机所有功能并能根据预设的多个时段进行信号控制的信 号机。 感应式信号机v e h i c l ea c t u a t e dc o n t r o l l e r 具有多时段定时式信号机所有功能并具有车辆检测器接口并可进行车辆感应控制 信号机。 集中协调式信号机c e n t r a lc o o r d i n a t ec o n t r o l l e r 具有感应式信号机所有功能并有通信接口可与上位控制机或其它信号机联接构成 线协调控制系统或区域协调控制系统的信号机。 车辆检测单元v e h i c l ed e t e c t e du n i t 信号机中接收检测器原始数据对其进行处理并把处理后信息发送至控制单元的硬 件模块。 手持终端p o r t a b l et e r m i n a l 与信号机通讯口相连的可显示信号机工作状态及设置信号机运行参数的便携式设 备。 7 第二章道路交通信号控制基本理论和方法 行人按钮p e d e s t r i a np u s h - b u t t o n 在交叉路口或路段上与信号机相连的用于获取行人过街请求的按钮装置。 上载u p l o a d 路口信号机把特定信息按约定的格式发送给上级控制机。 下载d o w n l o a d 上级控制机把特定信息按约定格式发送给路口信号机。 其它相关术语的定义见附录1 。 2 1 3 交通信号的设置条件 设置交通信号的主要目的是解决平面十字口的交通冲突问题，然而，并不是所有的 平面十字口都需要安装信号灯。在交通量较小的路口，实施交通信号控制反而会造成车 辆和行人的延误。我国目前尚未制定交通信号灯设置规范，下面介绍美国的标准以供参 考【鄹。 1 ) 较小交通流量依据 如表2 1 所示，当一天中任意8 h 平均交通量达到表中的数据时，则应该安装交通 信号灯。其中，p c u ( p a s s e n g e rc a ru n i t ) 称为标准小客车当量。 表2 1 最小车流量( p c u h ) 依据 主道( 双向流入量)支道( 单向最人流入量) 区域 单进口车道数交通流量单进口车道数交通流量 15 0 0l1 5 0 市区 姜2 6 0 0 耋22 0 0 l3 5 0l1 0 5 郊区 耋2 4 2 0至21 4 0 2 ) 连续交通中断依据 当交叉口主、次干道的交通量比较大时，次干道上车流穿越或左转进入主干道将非 常困难，为此，需要设置信号灯，其流量要求见表2 2 。 表2 2 连续交通中断的交通流量( p c u h ) 依据 主道( 双向流入量)支道( 单向最大流入量) 区域 单进口车道数 交通流量单进口车道数 交通流量 l7 5 0l7 5 市区 主29 0 0妻21 0 0 l 5 2 5l5 3 郊区 耋26 3 0量27 0 在十字口处，除了考虑机动车通行以外，还得考虑穿越十字口的行人。该依据将行 人交通量和车流量综合考虑，如果两项指标同时达到则需要安装信号灯，其流量要求见 8 长安大学硕士学位论文 表2 3 。 表2 3 行人交通流量依据 主干道( 双向流入量)主干道上最繁忙的人行横道 区域 中央隔离带( 至1 2 m )交通流量( p c u h ) 行人交通量( 人次1 1 ) 无 6 0 01 5 0 市区 有 1 0 0 01 5 0 无4 2 01 0 5 郊区 有 7 0 01 0 5 2 2 交通信号机控制参数 一般来说，在交通控制中至少有3 个基本参数是可以由信号机直接控制的，这就是 周期c ，绿信比入和相位差t o s 。除此之外，某些信号机还能对相位数进行控制，如从2 相位变成4 相位或相反等。 2 2 1 周期 用于指挥交通信号总是一步一步循环变化的，一个循环由有限个步构成。一个循环 内各步长之和称为信号周期，简称周期，用c 表示。若一个循环有1 1 个步，各步步长 分别为f i ，f 2 ，f 3 ，则 c = ，l + 乞+ 岛+ + f 。 ( 2 1 ) 一般信号灯的最短周期长度不少于3 0 秒，否则就不能保证几个方向的车辆顺利通 过十字口。最长周期长度一般不超过1 2 0 秒，否则，可能引起司机的烦躁或误以为信号 灯已经失灵。适当的周期长度对交叉路口交通流的疏散和减少车辆的等待时间具有重要 意义。从疏散交通的角度讲，显然当交通需求量越大时，周期应该越长，否则一个周期 内到达的车辆不能在该周期的绿灯时间内通过交叉口，这时会发生阻塞现象。从减少车 辆等待时间的角度上讲，太长或太短的周期都是不利的。若周期太短，则会发生阻车现 象。若周期太长，则某一方向的绿灯时间可能大于实际长度，而其他方向的红灯时间不 合理延长将必然导致该方向的车流等待时间的延长。 2 2 2 绿信比 在一个信号周期中，各相位的有效绿灯时间与周期长度的比称为绿信比。若设f 伊为 第i 相位的有效绿灯时间，c 为周期长度，则该信号的绿信比九为 = 名c ( 2 2 ) 9 第二章道路交通信号控制基本理论和方法 显然，0 黄闪信号结束后各信号相位应进入全红信号，持续时间至少5 s ； 1 8 长安大学硕士学位论文 启动时序结束后，信号机按预设置的方式运行。 2 ) 信号转换基本转换序列如下： 机动车信号：红一绿一黄一红； 非机动车信号：红一绿一黄一红； 行人过街信号：红一绿一绿闪一红。 3 ) 信号持续时间 绿信号、红信号、行人绿闪信号的持续时间应根据路口实际情况设置； 黄信号持续时间可调，至少持续3 s 。 4 ) 控制方式转换 信号机从自动控制方式转入手动控制方式时，手动开关作用以后，应保持原相 位的最小安全时间，最小安全时间根据路口实际情况设定； 从手动控制方式转入自动控制方式时，信号状态不能突变，各相位信号应保持 转换时刻的状态，并从当前信号状态开始以自动控制方式开始运行。 5 ) 设置功能 信号机应能通过操作面板或手持终端进行控制方式的设置和信号参数的调整，并按 设置的控制方案正常运行。在进行集中协调控制时，信号机可以通过通信接口接受并执 行上级控制机的各项控制指令。 6 ) 故障监控功能要求 信号机应具备完备的故障监测和自诊断功能，发现故障后应发出故障警示信号，并 采取适当措施以确保交通信号的安全，具体如下： 严重故障 发生以下严重故障，信号机应立即进入黄闪或关灯状态： 绿冲突故障； 某信号组所有红灯均熄灭； 影响道路交通安全的其它严重故障。 一般故障 信号机应对通信、检测器、灯具等外部设备的工作状况进行监控和记录，如 果发生故障，在能够功能降级的情况下应继续正常工作； 信号机应对供电电源进行监控，如果电压超出正常使用范围应有自保护措 施。 1 9 第三章集中协调式信号机 7 ) 故障信息存储 集中协调式信号机应能对所有在运行期间采集的故障信息进行存储记录。在发现故 障时，应能上传故障信息。所存储的信息应能在信号机或与信号机相连的外部设备( 该 设备可检索并显示储存信息) 上显示、查阅。信号机中后续的故障记录不能覆盖先前已 有的记录，直到故障记录经人工清除。 8 ) 故障信息内容 故障信息内容应包括： 以代码或文本形式记录下来的故障类型与细节； 故障发生的时间与日期； 故障清除的时间与日期。 3 2 4 集中协调式信号机控制功能要求 1 ) 行人过街触发式信号机 具备黄闪( 机动车信号) 、多时段定时、行人请求三种工作方式； 行人过街请求方式、响应时间、放行时间可设定； 能提供至少2 个独立的信号组输出； 信号机出现故障应能顺序降级为：行人请求一多时段定时控制一黄闪( 机动车 信号) 一关灯； 在协调控制中的行人过街触发式信号机应有协调控制功能。 2 ) 多时段定时式信号机 多时段定时式信号机应具备行人过街信号机的所有功能； 能设置至少l o 个时段，1 0 种以上的控制方案； 能实现至少4 个相位控制； 能提供至少4 个独立的信号组输出； 能根据不同周日类型对方案进行调整，机内应存有日历； 能够调节设置相位差参数，具备无电缆协调控制功能； 能够提供至少2 个行人按钮检测器接口： 信号机出现故障应能顺序降级为：无电缆联动控制一多时段定时控制一黄闪一 关灯。 3 ) 感应式信号机 长安大学硕士学位论文 应具备多时段定时式信号机的全部功能； 具备车辆感应功能，能提供至少8 个车辆检测器接口； 最大绿灯时间和最小绿灯时间应可根据交叉路口的实际情况进行设置； 当信号机出现故障应能顺序降级为：感应控制一多时段定时控制一黄闪一关 灯。 4 ) 集中协调式信号机 基本要求 具备感应式信号机的全部功能； 带有通信接口，可与上级控制机或其它信号机联接构成线协调或区域协调控 制系统； 能实现至少8 个相位控制； 能提供至少8 个独立信号组输出； 集中协调式信号机的故障降级顺序可由上级控制机设定。 通信接口 通信接口电路应采用通用的标准接口，机柜中应留有通讯控制设备的安装空间，路 口信号机与上级控制机之间的通信分为上传和下载，通信内容基本上可以有： ( a ) 路口机上传信息 检测器信息：至少应包含车辆检测器检测到的机动车辆检测信息； 路口信号机故障信息：包括信号机的工作状态、车辆检测器的状态、信号灯 的状态，如有故障发生，应实时向上位控制机发送故障信息及故障发； 变化后的信息，记录的故障信息内容应符合故障信息存储的要求； 信号灯灯色信息：包括当前路口信号灯灯色状态及每一次的灯色变化信息； 路口信号机特征参数：包括信号配时方案等主要参数； 时间信息：应包括路口信号机当前的实时时间信息。 ( b ) 上级控制机下传信息 时间信息：用于校准路口信号机时间，应包括“年、月、日、时、分、秒 ： 状态查询信息：用于查询路口信号机的当前工作状态及故障情况； 路口信号机配时方案信息：用于更新路口信号机的配时方案等主要工作参 数； 工作方式：用于设定、改变路口信号机的工作方式，如感应、定时、黄闪等； 2 1 第三章集中协调式信号机 灯色信息：用于调节设定信号灯的开启、转换及持续时间； 其它人工指定命令。 小结 信号机是城市交通控制系统的关键设备，本章主要对集中协调式信号机的结构和功 能作了简单的论述，这些都是建立信号机控制技术的前提和基础，同时也提出了合理设 置配置方案的重要性，下一章将对配置方案作详细介绍。 长安大学硕士学位论文 第四章集中协调式信号机配置方案设计 信号机方案设计对保证路口信号机的稳定、可靠、正确运行以及其功能的有效发挥 起着至关重要的作用，本章重点讨论集中协调式信号机运行方案的设置。 4 1 控制方式 集中协调式信号机主要的控制方式包括下面几种： 无电缆协调控制是固定式线协调控制的一种，信号机之间没有通信链路，根据时 钟同步，通过设定相位差来实现各交叉口交通信号协调的控制方式。它与有电缆协调控 制的区别在于：它不是通过信号机之间的通信链路来发同步脉冲信号，而是通过时钟同 步，实现各交叉口之间交通信号的协调控制。 单点自适应控制主要用于各进道口设有检测器的情况，其主要特点为确定各相位 绿灯周期的最短和最长绿灯时间限制，其具体的绿灯长度则是根据车流量大小确定，主 要的控制目的是尽可能的在一个绿灯周期让相应方向的车辆通过停车线，最大限度的减 少两次或更多次停车或意外刹车。针对某一个相位而言，先定义最小绿灯时间t 1 和最 大绿灯时间t 2 。路口信号机依靠安装在停车线前( 一般3 0 5 0 米) 的车辆检测线器统计通 过各进道口的车辆。该相位绿灯信号启动后，在最小绿灯时间结束前，如果检测器没有 检测到一定数目车辆的到来，则自动切换到下一个相位；如果t 1 结束前的某个时刻t 1 ， 检测器检测到继续有车辆到来，并且有一定数目，则该放行相位在t 1 结束后，继续再 放行a t l 时间；如果在a t l 结束前的某个时间短t 2 检测器检测到继续有车辆到来，并 且有一定数目，则该放行相位在a t l 结束后，继续再放行t 2 时间，否则自动切换到下 一个相位；以此方法一直进行下去，如果该放行相位不间断放行时间超过了最大绿时 t 2 ，则强制切换到下一个相位，以免其它放行路口的司机等不及，闯红灯而发生交通事 故。 多时段定时控制是根据预先设定好的时段表和相位、配时方案，按照时间的推移， 自动执行不同的控制，在某一时段，每个运行周期内，相位数目、配时、控制方式等都 是相同的，且相邻两个时段至少有一个方案是不同的。 黄闪控制是黄灯信号以固定频率闪烁的控制方式，主要用于应急警告或者夜间车 流量比较少时，以此来减少交通事故或减少停车次数，有效利用道路资源。 第四章集中协调式信号机配置方案设计 关灯控制在夜间至次日清晨因车流量极小，可关闭信号灯，以节省电力、延长信 号灯使用寿命。 交通信号控制方式可根据交通流量、时间以及一些特殊情况而定，可参考附录二的 城市道路交通信号控制方式适用规范。 4 2 配置方案的设定 集中协调式信号机的设置方案包括端子映射方案、控制方案、绿冲突方案、配时 方案、绿间隔方案、时段方案、工作日方案、周末方案、节假日工作方案，同时也包 括g p s 校时、网络校时、配时方案仿真等方案。 4 2 1 端子映射方案 端子映射是指信号机每个灯组信号输出端接入到路1 3 的哪个方向。端子映射方案的 设计必须充分考虑当前交叉1 3 的构造：各进1 3 道及出1 3 道的宽度、车道数、交叉角等； 交通状况：交通量、左右比例、车型比例、过街行人数量等；以及交叉v i 的布局：附近 与交通相关的设施、视觉的良好与否等，只有根据路1 3 具体情况才可以确定当前交叉1 3 哪些道1 3 需要信号灯控制，哪些道口不需要信号灯控制，如交叉1 3 交通信号灯设置合理， 就可以有效地避免资源浪费、减少车辆行人延误、减少环境污染、充分利用路口资源等 的目的，反之则不然。信号机有6 块灯驱板，每块灯驱板上有4 组灯，总共2 4 组灯。 每组灯分红、黄、绿3 路，因此一块灯驱板上就有1 2 路信号输出，且不同的组灯接在 路1 3 的不同方向上，也即一块灯驱板可以接入4 个不同的方向。因此端子映射就是决定 这2 4 组灯分别接到路1 3 的哪一个方向上，使用的时候可以根据路1 3 需要决定是否要将 这2 4 组灯全部接入或只接入一部分灯组。表4 1 就是端子映射表的一个实例。 表4 1 端子映射表 方向灯组方向 灯组 东直 0 1 灯组南直0 5 灯组 东左0 2 灯组南左0 7 灯组 东右0 3 灯组南右0 6 灯组 东人0 4 灯组南人 0 8 灯组 西直1 8 ：t l 组北直 1 3 灯组 西左1 0 戈, i 组