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城市道路智能交通信号控制系统 摘要 城市智能交通信号控制系统用于城市道路交通控制与管理，实现交通 信号的智能控制，对城市道路网的交通流畅通发挥着重要的作用。本文所 提出的城市道路智能交通信号控制系统除了能有效实现其他城市交通信 号控制系统的基本功能外，还结合了f 韦伯斯特一b 柯布理论、模糊控 制理论以及双向联动控制理论，拓展了优化配时设计、模糊控制以及双向 绿波带控制新功能，并进行了模糊控制以及双向绿波带控制的计算机交通 仿真，仿真结果表明，系统能有效实现交通信号的模糊控制以及双向绿波 带控制，提高了车辆通过路口的效率。论文着重论述了交通信号优化配时、 模糊控制以及双向绿波带控制的设计理论、分析方法和软件实现方法，为 交通信号控制的更进一步研究提供了一个良好的平台。 关键词：信号控制优化配时模糊控制双向绿波带控制交通仿真 i n t e l l i g e n tt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mo fc i t yr o a d s a bs t r a c t t h ei n t e l l i g e n tc i t yt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mi su s e df o rc i t yr o a d s t r a f f i cc o n t r o la n dm a n a g e m e n t ，r e a l i z i n gt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o lo ft r a f f i c s i g n a l ，a n di so fg r e a tu s ef o re x p e d i t et r a f f i co ft h ec i t yr o a d s e x p e c tf o r r e a l i z i n gt h eb a s i cf u n c t i o n so fo t h e rc i t yt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e m s ，w i t h t h ef v w e b s t e ra n db m c o b b e t h e o r y ，f u z z yc o n t r o lt h e o r ya n dt w o w a y c o n t r o lt h e o r y , t h i si n t e l l i g e n tt r a f f i cs i g n a lc o n t r o ls y s t e mo fc i t yr o a d s d e v e l o p st h en e wf u n c t i o n ss u c h a so p t i m i z a t i o nd e s i g no ft i m i n g ，f u z z y c o n t r o la n dt w o - w a yg r e e nw a v ec o n t r o l ，a n dp e r f o r m st h et r a f f i cs i m u l a t i o n o ft h ef u z z yc o n t r o la n dt w o - w a yg r e e nw a v ec o n t r 0 1 t h er e s u l ts h o w st h a t ， t h es y s t e mc a nr e a l i z et h ef u z z yc o n t r o la n dt w o w a yg r e e nw a v ec o n t r o lo f t r a f f i c s i g n a le f f e c t i v e l y , e n h a n c et h ee f f i c i e n c y o f v e h i c l e sp a s s i n gt h e i n t e r s e c t i o n t h ed e s i g nt h e o r y , a n a l y s i sm e t h o da n ds o f t w a r er e a l i z em e t h o d o fo p t i m i z a t i o nd e s i g no ft i m i n g ，f u z z yc o n t r o la n dt w o w a yg r e e nw a v e c o n t r o lo ft r a f f i cs i g n a la r ee x p o u n d e db yt h i sp a p e r ，w h i c ho f f e r sag o o d p l a t f o r mf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho ft r a f n cs i g n a lc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：s i g n a lc o n t r o lo p t i m i z a t i o nt i m i n g f u z z yc o n t r o l t w o 。w a y g r e e nw a v ec o n t r o l t r a f f i cs i m u l a t i o n 插图清单 图2 1 感应控制工作原理图9 图3 1 网络结构图一1 3 图3 2 组成框架图15 图3 3c p u 板图15 图3 4t c 9 s 1 通讯板图1 6 图3 5 键盘图1 6 图3 - 6t c 6 s 板图17 图3 7 信号机灯组接线图1 7 图3 8 软件系统结构图1 8 图3 - 9 通信设置界面图1 9 图3 1 0 路口编辑界面图一2 1 图3 11 基本设置界面图2 2 图3 1 2 方案设置界面图2 4 图3 1 3 交通管制设置界面图2 6 图3 1 4 单路口演示界面图2 7 图3 1 5 多路口演示界面图2 8 图4 1 信号损失时间示意图一3 1 图4 2 确定相位界面图3 2 图4 3 配时设计界面图3 3 图4 4 信号配时图3 3 图4 5 信号配时设计流程图3 4 图4 6 交叉口交通示意图3 5 图4 7 四相位示意图一3 5 图4 8 模糊控制器的结构图3 6 图4 9 车辆排队长度的隶属度函数3 6 图4 1 0 绿灯延长时间的隶属度函数3 6 图4 。l1 模糊控制界面图4 0 图5 1 单向绿波带控制界面图4 3 图5 2 时间一距离坐标图4 5 图5 3 绿波带设置界面图5 0 图5 4 信号机设置界面图5 1 图5 5 仿真模型图5 1 表格清单 表2 1 交叉口设置信号灯的交通流量标准l l 表3 1 数据传输格式1 9 表3 2 第一类监测命令对应的“命令帧”格式( 以# 8 0 h 命令为例) 2 0 表3 3 第一类监测命令对应的“应答帧”格式2 0 表3 4 第二类设置命令对应的“命令帧”格式( 以# 0 1 h 命令为例) 2 0 表3 5 第二类设置命令对应的“应答帧”格式2 1 表3 - 6 时间设置命令2 2 表3 7 黄闪设置命令2 3 表3 8 夜晚两相位设置命令2 3 表3 - 9 控制模式设置命令2 3 表3 1 0 时段方案设置命令2 3 表3 1 1 相位方案设置命令2 5 表3 1 2 配时方案设置命令2 5 表3 1 3 时段方案设置命令2 5 表3 1 4 交通管制设置命令2 7 表4 1 车道宽度和饱和流量对应关系( 建议值) 3 2 表4 2 模糊控制规则表3 7 表4 3 模糊输出绿灯延时查询表3 8 表4 4 模糊控制仿真结果( 单位：秒) 4 0 表4 5 模糊控制方法和定时控制方法仿真比较( 单位：秒) 4 0 表5 1 各路口的相对相位差4 8 表5 2 时间设置命令4 8 表5 3 控制模式设置命令4 8 表5 4 相位差设置命令4 8 表5 5 主干道方向相位的相对相位差以及绿相时间4 9 表5 - 6 各个路口的主干道方向绿相的开始时间5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金壁王些太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：嗜才蟊签字日期：叩年明7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金目巴王些太堂 有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权金壁王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：踢2 艰 签字日期：1 年f 咱1 f t 学位论文作者毕业后去向： 2 1 2 作单位： 通讯地址： 翩躲鼢他 签字醐叩年沙歹日 致谢 当我论文完成之际，我首先要感谢的是我的导师张代胜教授，两年多 的硕士研究生学习，是张代胜老师一直在鼓励和鞭策我前行。张代胜老师 渊博深厚的专业知识，求实严谨的治学态度以及和蔼诚恳的待人作风都深 深地影响着我今后的人生观和价值观，使我终身受益。 同时我要感谢张卫华副教授，在研究生学习阶段，他对我的学习、工 作和生活给予了无私的关怀、帮助与指导。张卫华老师渊博深厚的专业知 识、严谨的学术态度以及乐于助人的高尚品格是我学习的榜样。感谢丁恒 老师一直以来孜孜不倦地对我的研究课题进行悉心指导，丁恒老师深厚的 专业理论知识和独到的见解让我受益匪浅。感谢温千虹老师在学习上与工 作上给予我大力支持和指导，温老师严谨的工作作风是很值得我学习的。 我还要感谢杨伟华老师、黄文娟老师、黄志鹏老师等给予我多方面的关怀 与帮助。 感谢仇彬、张林涛、辛春亮、江迎春、段伟、田旭旺、阎耀双、关长 明、陈玉杰、夏国林、汪成明、胡军义、陈彦夫、左正、董婉丽、彭敏等 同学对我在学习和生活上的帮助。 感谢我的家人和朋友，他们以浓浓的亲情关怀我、理解我、支持我， 使我在人生道路上不断前进。 向所有关心爱护我的人表示衷心的谢意! 作者：梁子君 2 0 0 7 年12 月 第一章绪论 随着我国社会、经济的高速发展和城市化、自动化进程的加快，我国机动 车辆拥有量及道路交通量急剧增加。交通拥挤的加剧不仅造成巨额的经济损失， 而且将会导致交通事故的增加和环境污染的加剧。交通拥挤是目前世界各国城 市发展共同面临的主要“城市病 之一，无论是发达国家还是发展中国家，都 毫无例外地承受着不断恶化的交通的困扰。城市交叉口是城市道路网的咽喉要 道，其通行能力制约着城市道路的畅通与否。提高交叉口的通行能力，不但能 提高车辆通过交叉口的速度，减少延误并节约人们的出行时间，同时能避免该 交叉口发生堵塞而影响交叉口临近路段及更远路段的顺利通行，减轻汽车尾气 污染。城市交通信号灯采用红、黄、绿三种颜色，对到达交叉口的交通流实 施控制，由于到达交叉路口的交通流受到许多因素的影响，而且随机性大，因 而，通过建立精确的数学模型或预先人为的设定多套方案，控制效果都难以尽 如人意。因此，为了更好的提高平面交叉口的通行能力，解决交通拥挤和交通 延误问题，对现有交通进行有效的管理和控制己成为我国交通运输中迫切需要 解决的问题。 1 1 城市交通现状及有效的解决措施 交通是城市经济活动的命脉，对城市经济发展、人民生活水平的提高起着 十分重要的作用。2 0 世纪以来，随着汽车工业的迅速发展，汽车已经成为人们 日常生活中必不可少的交通工具。汽车工业在给人们带来各种便利的同时，也 带来了一系列的问题，如环境污染、交通拥挤、交通事故频繁发生，给人们的 生命和财产带来了很大的损失。城市交通问题是困扰城市发展、制约城市经济 建设的重要因素。 为适应交通量猛增的趋势，缓解道路交通拥挤状况，国内外许多城市投入 了大量人力物力对道路交通运输系统的管理与控制技术进行开发，采取延长道 路、加宽路面、建高架路等措施，收效虽明显但十分有限。 因此解决城市交 通问题，不仅要进_ 步加强交通基础设施的建设，更重要的是提高现有路网的 利用效率，加强对城市道路网的智能管理与优化控制。 城市交通信号控制系统是通过对交通流的调节、警告和诱导以达到改善人 和货物的安全运输，提高运营效率。其目标在于改善交通流的质量，更好地利 用现有运输能力，提高交通流的安全性、快速性和舒适性。其主要作用在于通 过有规律的控制和运用交通信号使车辆有秩序地驶离冲突区域，是解决交通拥 挤的一种强制性手段。城市交通信号控制系统用于城市道路交通控制与管理， 实现交通信号的智能控制，对城市道路网的交通流畅通发挥着重要的作用旧1 。 1 2 国内外城市交通信号控制系统的现状 1 2 1 国外城市交通信号控制系统的现状们哺刚h 胡1 英国、澳大利亚、美国、法国、意大利和加拿大等西方发达国家对交通控 制系统的研究投入大量的人力、物力，取得了一系列成果。比较成功的有英国 的t r a n s y t 系统、s c o o t 系统和澳大利亚的s c a t s 系统。 ( 1 ) t r a n s y t 系统 t r a n s y t 系统是由英国道路研究所研制而成的。自从1 9 6 8 年第一版问世以 来，经历不断改进，己经发展到先进的t r a n s y t - 8 。t r a n s y t 系统采用脱机预测 确定控制参数，再上机控制，即“静态模式 。它以平均延误时间、停车次数、 排队长度最小为系统控制目标。但是t r a n s y t 系统的存在一个最大的不足：周期 长度不进行优化，事实上很难获得整体最优的配时方案。 ( 2 ) s c o o t 系统 s c o o t 系统是由英国道路研究所在t r a n s y t 系统的基础上采用自适应控制 方式，经过八年的研究于1 9 7 5 年提出的动态交通信号控制系统。s c o o t 仍采用了 t r a n s y t 的交通模型，吸收了t r a n s y t 各方面的优点，并因s c o o t 的实时控制，获 得了明显优于静态系统的效果，被很多国家采用。其不足是：交通模型的建立需 要大量的路网几何尺寸和交通流数据，因而费时费力；绿信比的优化依赖于对 饱和度的估算，并且以小步长变化对其进行调整，因此有可能不足以及时响应 每个周期的交通需求。 ( 3 ) s c a t s 系统 s c a t s 系统是澳大利亚于7 0 年代末开发的。s c a t s 系统呈分层递阶形式，充 分体现了计算机网络技术的突出优点，结构易于更改，控制方案容易变换。不 足是：该系统未使用交通模型，本质上是一种实时方案选择系统，因而限制了配 时参数的优化程度；因检测器安装在停车线处，难以检测车队的行进，故相位 差的优选可靠性较差；过分依赖计算机硬件，移植能力较差。 1 2 2 国内城市交通信号控制系统的现状n 们n n 幻 我国城市交通信号控制系统方面的工作起步较晚，在2 0 世纪7 0 年代后期北 京开始采用d j s - 13 0 型计算机对干道协调控制问题进行了研究。8 0 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 ( u r b a nt r a f f i cs y s t e mm a n a g e ) 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信号控制系统。如北京引进了s c o o t 系统， 上海引进了s c a t 系统，深圳引进了日本的控制系统。我国近几年经过深入研究 国外的交通信号控制系统，也开发出一些适用的交通信号控制系统，主要有上 海交通大学的s u a t a 系统和南京、深圳等地研制的系统。而如合肥、湘潭、岳阳 等国内中小城市，交通控制系统主要还是使用国产的简易单点信号机和集中协 2 调式信号机的控制系统。 这些交通信号控制系统虽然取得了满意的效果，但是中国的国情决定了需 要对这些系统进行改进，主要体现在： ( 1 ) 需要合理解决混合交通流问题 中国城市交通主要由各种机动车、非机动车和行人构成，形成特殊的三元 混合交通结构，容易造成交通流的冲突。因此，需要设计一种信号系统能对各 个相位单独进行控制。 ( 2 ) 国产化率低 目前先进的交通信号控制系统的国产化率比较低，进口费用昂贵。 ( 3 ) 稳定性和可靠性 目前我国生产的一些智能交通信号机功能少、集成度低，而且故障频繁。 ( 4 ) 没有统一标准的通讯协议 各信号机生产厂家的产品功能和配置各有不同，数据通讯格式自成体系， 没有统一标准的通讯协议。导致各交通信号控制系统并不兼容，维护升级费用 庞大。 1 3 论文研究背景、意义及主要内容 1 3 1 研究背景 城市交通信号控制系统作用在于通过有规律的控制和运用交通信号，对城 市道路进行交通控制与管理，实现交通信号的智能控制，使车辆有秩序地驶离 冲突区域，对城市道路的交通流畅通发挥重要的作用。 对于交通工程专业尤其是交通信号控制专业的学生，熟悉和掌握交通信号 机的功能，实现对信号机的有效控制是非常必要的。要对信号机进行控制，就 须有一个相应的交通信号控制系统，出于教学目的，本系统是为了方便学生控 制我院交通工程实验室的上海东川u t c 3 0 0 0 集中协调式交通信号机而开发的。 1 3 2 研究意义 由于仅为实现控制交通信号机的功能而开发交通信号控制系统对学生的教 学意义并不大，因此出于教学用途的考虑，系统除了能有效实现其他城市交通 信号控制系统的基本功能外，还将学生在课堂上所学的交通工程理论知识以及 分析方法融入到系统模块中，拓展了新的有助于教学的功能：优化配时设计、 模糊控制和双向绿波带控制。 学生在上机操作时，一方面能深刻了解信号机的功能，另一方面加深了对 所学知识的运用和理解。通过理论和实践相结合，本系统能激发学生的学习兴 趣，从而达到提高课堂教学质量和促进教学的目的。 论文所提出的城市交通信号控制系统能有效地对实验室的交通信号机进行 控制，以方便学生上机学习和使用为原则，本系统操作简单快捷，经过多次完 善与修改，系统目前已基本成熟，并已投入使用。为更有利于促进教学，本系 统以后还将不断完善与优化。 1 3 3 主要内容 城市交通信号控制系统是智能交通系统的重要组成部分。先进的城市交通 信号控制系统对改善交通状况，提高现有路口的通行效率起着重要作用。论文 着重论述了交通信号优化配时、模糊控制以及双向绿波带控制的设计理论、分 析方法和软件实现方法，为交通信号控制的点控和线控的实践提供了一定的理 论依据。 本文主要内容： ( 1 ) 概述了中国城市道路交通现状与解决途径以及国内外城市道路交通 信号控制系统的发展现状。 ( 2 ) 概述了交通信号控制的基本概念、基本方式、设立依据以及系统结构。 ( 3 ) 建立了城市道路智能交通信号控制系统。 ( 4 ) 结合软件系统的优化配时模块以及模糊控制模块论述了单路口控制 研究，分别阐述了交通信号优化配时原理和模糊控制原理。 ( 5 ) 结合软件系统的双向绿波带控制模块论述了实现双向绿波带控制的 软件设计原理，说明软件系统实现多个路口双向绿波带控制的有效性。 1 4 本章小结 本章介绍了我国城市道路交通现状与解决途径以及国内外城市道路交通 信号控制系统的发展现状，提出了论文研究背景、意义及主要内容。 4 第二章城市交通信号控制基本理论 与高速公路交通控制相比，城市道路交通控制研究和应用的历史要更长一 些，目前应用更普遍一些。解决交叉路口的交通流冲突可以从两个方面进行考 虑，一是从空间上将相互冲突的车流分开，这就需要修建立交桥、专用车道、 行人过街天桥等；二是从时间上将相互冲突的车流分开，就是要设置交通信号 灯及控制机，通过对信号灯的配时与配色给不同时刻、不同交通需求给予不同 的通行权，将相互冲突的车流分离开。交通信号控制的主要目标就是使各类、 各向交通有秩序、高效率地通行n 引。 2 1 交通信号控制的基本概念 2 1 1 交通信号控制的基本术语n 4 1 5 1 6 3 ( 1 ) 周期时长 周期时长即交通信号灯各种灯色轮流显示一次所需的时间，等于绿灯、黄 灯和红灯时间之和。一般信号灯最短周期不能少于3 6 s ，否则不能保证几个方向 的车辆顺利通过交叉路口。最长周期不超过1 2 0 s ，否则引起等待司机的抱怨。 适当的周期时长选择对疏散路口的交通流、减少车辆等待时间有重要意义。 从疏散的角度来讲，当交通需求越大时，周期应越长，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路口，就会发生堵塞现象。从减 少车辆等待时间的角度来计划，太长或太短的周期都是不利的。若周期太短， 则发生上述堵车现象。若周期太长，则某一方向的绿灯时间可能大于实际需要 长度，而另外方向的红灯时间不合理的延长，必然导致该方向车流等待时间的 延长。因此对单个交叉口而言，确定一个最佳的信号周期是非常必要的。 ( 2 ) 绿信比 一个周期中，有效绿灯时间与周期时长之比称为绿信比。设有效绿灯时间 为g ，周期长度为c ，则绿信比g 为： g=石g(2-1) 绿信比的大小对于疏散交通流和减少路口总等待时间有着举足轻重的作 用。通过合理分配各车流方向的绿灯时间( 绿信比) ，可使各方向上阻塞车次数、 等待时间减至最少。 ( 3 ) 相位 一股或几股车流，它们在一个信号周期内，不管任何瞬间都获得完全相同 的信号灯色显示，那么就把他们获得相同灯色的连续时序称作为一个信号相位。 信号的相位种类很多，在交通信号控制中，最少的是两相位控制，多于两个相 位的叫多相位控制，如三相位、四相位控制。一般来讲，采用的相位越多，车 辆在路口上的交叉越少，但是信号周期相应要增长，具体路口信号采用几个相 位控制，要视路口的交通量及路面条件而定。 ( 4 ) 相位差 相位差有绝对相位差和相对相位差之分。 绝对相位差：是指各个信号的绿灯或红灯的起点或终点相对于某一个标准 信号绿灯或红灯的起点或终点的时间之差。 相对相位差：是指相邻两信号的绿灯或红灯的起点或终点之间的时间之差。 相对相位差等于两个信号绝对相位差之差。 为使车辆通过协调信号控制系统时，能连续通过尽可能多的绿灯，必须使 相邻信号间的相位差同车辆在其间的行程时间相适应，所以相位差是交通信号 控制系统实现协调控制的关键参数。 ( 5 ) 饱和流量 是衡量路口交通流施放能力的重要参数，通常是指一个绿灯时间内的连续 通过路口的最大车流量。 ( 6 ) 流量系数 是实际流量与饱和流量的比值。既是计算信号配时的重要参数，又是衡量 路口阻塞程度的一个尺度。设某车道的饱和流量为s ，实际流量为q ，则流量系 数y 为： 、 1 ，：旦 ( 2 2 ) s ( 7 ) 绿灯时间间隔 是指从失去通行权的相位的绿灯结束，到下一个得到通行权的相位绿灯开 始所用的时间。它等于黄灯时间加全红时间之和。设某交叉口的黄灯时间为y ， 全红时间为r ，则绿灯时间间隔t 。为： t l = y + r ( 2 - 3 ) ( 8 ) 有效绿灯时间 是指被有效利用的实际车辆通行时间。它等于绿灯时间与黄灯时间之和减 去头车启动的损失时间。设某交叉口的绿灯时间为g ，黄红时间为y ，启动损失 时间为t 损，则有效绿灯时间g 。为： g 。= g + y 一 ( 2 4 ) 6 ( 9 ) 延误 是指交通冲突或信号控制设施的限制给车辆带来的时间损失。它是计算信 号配时和衡量路口通行效果的一个重要参数，也常作为确定信号控制系统性能 的重要参数。 ( 1 0 ) 灯组 指路口交通信号控制机的输出灯色组。对于机动车信号来说，一个方向的 红、黄、绿三色灯为一个灯组；对于行人信号来说，一个方向的红、绿两色灯 为一个灯组。 ( 1 1 ) 工作日类型 每一个工作日类型对应一套控制方案，于是只要设定了某天的工作日类型 就可以相应的获得一套控制方案。一般情况下，某天的工作日类型即是该天是 星期几。因为节假日的交通流比较特殊，所以可以将节假日设置为特殊日类型。 ( 1 2 ) 时段 按照交通流特性把一天分为若干时段，一个时段的交通流特性尽量相似， 每个时段对应一个控制方案。 ( 13 ) 计划 也就是控制方案，每个控制方案确定了信号机运行的必须的控制参数，包 括相位差、过渡时间、相位时间。 ( 1 4 ) 过渡方案 过渡方案就是一个相位绿灯向红灯转换时的时间序列，机动车和非机动车 绿灯向红灯转换的过渡时间包括绿闪、黄灯、全红，一般绿闪3 秒、黄灯3 秒、 全红1 秒，行人灯绿灯向红灯转换的过渡时间包括绿闪和全红，一般绿闪5 秒、 全红3 秒。 ( 1 5 ) 灯组方案 机动车和非机动车灯使用红黄绿三色灯控制，行人灯使用红绿两色灯控制， 对不同种类交通流的控制应该选择相应不同的灯组方案，即控制每个相位选择 灯组显示。 7 2 。1 2 交通信号控制的基本方式n 刀 ( 1 ) 按控制范围分类 单个交叉口的交通控制 每个交叉口的交通控制信号只按照该交叉口的交通情况独立运行，不与其 邻近交叉口的控制信号有任何联系的，称为单个交叉口交通控制，也称单点信 号控制，俗称“点控制 。这是交叉口交通信号控制的最基本形式，它只要在每 个需要的交叉口设置一台信号机就可以了，因而其设备简单、投资少。 干道交叉口的信号协调控制 把干道上若干连续交叉口的交通信号通过一定的方式联结起来，同时对各 交叉口设计一种相互协调的配时方案，各交叉口的信号灯按此协调方案联合运 行，使车辆通过这些交叉口时，不致经常遇上红灯，称为干道信号协调控制， 也叫“绿波”信号控制，俗称“线控制”。 这种控制的原始思路是：希望使车辆通过第一个交叉口后，按一定的车速 行驶，到达以后各交叉口时就不再遇上红灯。但实际上，由于各车在路上行驶 时车速不一，且随时有变化，交叉口又有左、右转弯车辆进出等因素的干扰， 所以很难碰到一路都是绿灯的巧遇，但使沿路车辆少遇几次红灯，减少大量车 辆的停车次数与延误是能够保证做到的。 根据相邻交叉口间信号灯联结方法的不同，线控制可分为： 有电缆线控：有助控制机或计算机通过传输线路操纵各信号灯间的协调运 行。 无电缆线控：通过电源频率及控制机内的计时装置来操纵各信号灯按时协 调运行。 区域交通信号控制系统 以某个区域中所有信号控制交叉口作为协调控制对象，称为区域交通信号 控制系统，俗称“面控制”。控制区内各受控交通信号都受交通控制中心的集中 控制。对范围较小的区域，可以整区集中控制；范围较大的区域，可以分区分 级控制。目前只有澳大利亚的s c a t s 系统、英国的t r a n s y t 系统以及s c o o t 系统在 面控制实践中取得了较好的应用效果，并在世界上很多城市得到广泛应用。 ( 2 ) 按控制方法分类 交通信号控制按控制方法分可分为三种：定时控制、车辆感应式控制、自适 应控制。 定时控制 根据交叉路口一定时间的交通流量预先确定所有的控制参数，即周期、相 位、绿信比，人为设置方案( 配时参数) 。在定时控制中，又可分为定周期控制 与变周期控制。在定周期控制中，信号控制系统只能执行一种配时方案，信号 灯一天2 4 小时按照相同的周期执行同一方案。在变周期控制中，2 4 小时分成多 个时间段，每一个时间段内执行不同的方案。由交通警察根据当时交通实况编 制方案表的切换时间，或每天由时钟自动选择、切换。这种控制方式的优点在 于实时性好，但方案的好坏取决于系统管理者事先的判断能力。 车辆感应式控制 根据交通路口的交通流量需求变换信号灯色，没有固定的周期和绿信比。 车辆感应式控制使用感应式信号控制机，通过埋设或悬挂在交叉路口的车辆检 测器获得车辆信息。这种控制方式可以延长特定相位的绿灯间隔时间长度，车 辆驱动某一可延长绿时相位的绿灯间隔时间( 如图2 - 1 所示) ，它包含三个参数： 最小绿灯时间、单位延长绿灯时间和最大绿灯时间；也可以跳过没有交通需求 的相位，即实现跳相位控制。在车辆感应式控制中，又可分为半感应控制和全 感应控制。 图2 - 1 感应控制工作原理图 半感应控制方式主干道一直开绿灯，次干道一直开红灯。次干道有车辆 要通过时，车辆检测器发出信息，次干道的红灯变为绿灯，主干道相应变为红 灯，次干道车辆通过后，红灯恢复原状态。这种控制方式的缺点在于次干道有 连续车辆通过时，容易造成主干道车辆阻塞。 9 全感应控制方式四个方向上都设置车辆检测器，一般主干道经常绿灯， 次干道经常红灯，当次干道有车而主干道无车时，次干道才变为绿灯，主干道 变为红灯。次干道车辆通过交叉路口后，次干道恢复红灯，主干道恢复绿灯。 这种控制方式的缺点是当主干道连续有车时，容易造成次干道车辆阻塞。 自适应控制 像车辆感应式控制一样，控制系统根据检测器送来的信息，实时产生性能 最佳的绿灯配时方案，并付诸实施，使一段时间内车辆放行最大，或者使车辆 延误时间和停车次数最小。这种控制方式各参数随着变化的交通量自动调节， 它是由于计算机技术和通信技术发展到一定水平而产生的控制方式，进行这种 控制方式的交通信号机将检测到的交通数据实时地通过通信网传至上位机，上 位机根据路网上交通量的变化情况，不断调整配时方案。通过这种控制方式， 容易实现交叉路网的统一调度和管理，上位机同时控制一个城市区域的数个或 数十个路口的信号机，实现区域中交叉路口之间的统一协调管理，提高路网的 运行效率。 在自适应交通信号控制中，比较常用的方法有专家系统、神经网络、遗传 算法、分层递阶、智能体技术等。 2 2 选择信号控制的依据 一般，当交通量发展到接近停车或让路标志交叉口所能处理的能力时，才 在这种交叉口上加设交通信号控制。 由于设有停车或让路标志的交叉口和采用信号控制的交叉口各有利弊，各 有其适用的条件。所以，信号灯设得合理、正确，就能够发挥信号灯的交通效 益；设置不当时，不但浪费了设备及安装费用，且对交通还会造成不良的后果。 研究制订合理设置交通信号灯的依据是十分重要的。在技术上，使设置信 号灯有据可依，避免乱设信号灯现象；在经济上，可避免无谓的投资浪费；在 交通上，可避免不必要的损失和交通事故。 我国于1 9 9 4 年颁布实施的国家标准道路交通信号灯安装规范( g b1 4 8 6 9 4 ) 。该规范对我国各道路交叉口和路段上交通信号灯的安装依据、安装方式 和安装要求做出了规定。其中，对于信号灯的安装规定了如下依据引： ( 1 ) 当进入同一交叉口高峰小时及1 2 h 交通流量超过表2 1 所列数值及有 特别要求的交叉口可设置机动车信号灯。 ( 2 ) 设置机动车道信号灯的交叉口，当道路具有机动车、非机动车分道线 且道路宽度大于1 5 m 时，应设置非机动车道信号灯。 ( 3 ) 设置机动车道信号灯的交叉口，当通过人行横道的行人高峰小时流量 超过5 0 0 人次时，应设置人行横道信号灯。 1 0 ( 4 ) 实行分道控制的交叉口应车道信号灯。 ( 5 ) 在交叉口艰巨大于5 0 0 m 、高峰小时流量超过7 5 0 辆以及l2 h 流量超过 8 0 0 0 辆的路段上，当通过人行横道的行人高峰小时流量超过5 0 0 人次时，可设置 人行横道信号灯及相应的机动车道信号灯。 表2 1 交叉口设置信号灯的交通流量标准 主道路宽度主路交通流量( 辆h )支路交通流量( 辆h ) ( m ) 高峰小时 1 2 h 高峰小时 1 2 h 7 5 08 0 0 0 3 5 0 3 8 0 0 小于1 08 0 09 0 0 02 7 02 1 0 0 1 2 0 01 3 0 0 01 9 02 0 0 0 9 0 0 1 0 0 0 0 3 9 04 1 0 0 大于1 01 0 0 01 2 0 0 03 0 02 8 0 0 1 4 0 01 5 0 0 02 1 02 2 0 0 1 8 0 02 0 0 0 01 5 01 5 0 0 2 3 交通信号控制系统的结构 目前有三种不同复杂程度的控制结构n 9 1 。 ( 1 ) 第一代：非计算机控制系统 控制功能由专门设计的硬件逻辑完成。这些硬件可能是机械一一电气装置 或者电子装置。这种系统处理数据的能力很有限，不能对大量检测器的测量数 据进行计算，所以其功能主要是定周期控制或者根据时间进行方案选择式控制。 ( 2 ) 第二代：集中式计算机控制系统 在控制中心需要设置一台或多台数字计算机，对众多路口实行交通控制。 可以采用较高级的控制策略，例如方案选择式或方案生成式响应控制。目前投 入运行的以方案选择式居多。这是因为方案生成式需要复杂的软件和一定的计 算速度，这需要大型的计算机才能完成实时的在线控制；另一方面，它要求较 精确地对现场交通情况进行预报和估计，这需要设置更多数量的检测器及数据 处理装置：再则，它需要的通讯系统更复杂。 ( 3 ) 第三代：分布式计算机控制系统 随着微型计算机的普及，单个交叉路口有可能备有自己的微处理器，即使 路口再多，也不再担心数据通信的代价高昂，因为检测数据可以就地在局部微 型计算机上处理。局部机的功能是直接控制该交叉路口交通，同时与控制中心 的计算机保持通信，接收某些控制参数作为产生本交叉路口控制策略的基础， 并上传某些数据。这种通讯的数量大大降低，且对速度的要求也降低了。这就 使得方案生成式响应控制成为现实。 对于不太复杂的交通网络，可省去控制中心，由一台设在关键交叉路口的 局部微机兼主控制器的功能，接收各交叉路口送来的重要数据，进行自适应计 算或优化计算，决定实时控制参数，传给各局部微机。数据通讯可方便地采用 光纤、电话线。用微型计算机来实现编码、解码、纠错等功能，可靠性大大提 高。 在较复杂的网络中，需要一个监控中心。由于局部微机功能较强，监控中 心的任务远不像集中式控制系统那样繁重，由一台或少数几台微机即可胜任。 2 4 本章小结 本章主要概述了交通信号控制的基本概念、基本方式、设立依据以及系统 结构。 1 2 第三章城市道路智能交通信号控制系统 本系统是针对上海东川u t c 3 0 0 0 集中协调式交通信号控制机而开发的，目的 是为了使交通工程专业的学生在上机操作时能方便地控制交通信号机，实现信 号机的各种功能。出于教学用途的考虑，该系统除了能有效实现其他城市交通 信号控制系统的各种功能外，还融入了许多交通工程专业的设计理论和分析方 法，拓展了优化配时设计、模糊控制、双向绿波带控制等新功能，使学生在上 机操作时，一方面能深刻了解信号机的功能，另一方面加深了对所学知识的运 用和理解。因此，该系统是一个有助于交通工程教学的得力工具。 3 1 网络结构 图31 为我院交通工程实验室设备网络连接拓扑图。 ”1 “”f ”1 “。! i “_ = 。”。“”“1 r “? ”1 ”“”广“”“j ；”f 。5 ”“”“1 ” 警蜒誉。妄：恚。毒 蟊9 国国 蛾i ，；o j # ：2，。o t 圪3。? ，j 帆4 图3 一l 网络结构图 计算机与交通信号机的连接是通过以太网转换成串口实现的，当中使用了 串口服务器协议转换器v d sl0 0 ( 支持t c p i p 协议和串口协议转换) 。 3 2 硬件系统 u t c 3 0 0 0 交通信号控制系统，其设计依据是g a 4 7 2 0 0 2 道路交通信号控 制机标准，此外，也参考了日本京三的a 0 3 产品，吸取了s c a t s ，s c o o t 系 统的部分优点。 3 2 1 功能与特点 ( 1 ) 可设置多时段多相位、半感应、全感应、人工、指挥中心步进控制、 指挥中心实时自适应控制等多种工作方式。 ( 2 ) 采用模块化结构，具有很强的系统适应性。 ( 3 ) 可以根据实际交通情况，由指挥中心发出命令，进行特殊交通控制。 ( 4 ) 交通数据自动采集与处理。通过车辆检测器对路口每个车道的车流进 行自动采集、处理和存储，为改善城市交通控制和城市规划提供决策依据。支 持环形线圈，超声波、微波( 雷达) 、视频识别等多种车辆检测器。 ( 5 ) 具备过载或漏电保护，软、硬件监视的绿冲突保护。对系统硬件、软 件的工作状态和故障情况进行全面监视。 ( 6 ) 信号机具备接口，能够实时驱动倒计时器，能够输出红灯信号，供“电 子警察系统”使用。 ( 7 ) 在指挥中心的控制下，可实现点控制、线控制、面控制功能。 ( 8 ) 独特的l c d 的大屏幕图形汉字界面，便于操作和使用。 ( 9 ) 支持远程监视、控制和维护功能。 ( 1 0 ) 采用模块化、功能化设计、扩展方便、采用准双机工作方式，有很 高的容错功能。 ( 1 1 ) 1 6 相位控制( 包括人行附加相位) 。 ( 12 ) 可通过光端机，电话网，无线网以及r s 4 8 5 总线，与交通指挥中心 联网。 ( 13 ) 最大6 0 路( 2 0 组) 机动车三色灯驱动与检测，每路驱动能力为 6 0 0 w ( h c 2 2 0 v ) ，并采用了光电转换隔离技术。 ( 1 4 ) 最大16 路( 8 组) 人行二色灯驱动与检测，每路驱动能力为 6 0 0 w ( a c 2 2 0 v ) ，并采用了光电转换隔离技术。 ( 1 5 ) 可外接1 6 路车辆检测器，用于感应控制。最大可扩充到4 0 路。 ( 1 6 ) 具有防雷击措施。 ( 1 7 ) 具有很好的电磁兼容性。符合i e c 8 0 1 2 ，一4 ，一5 ，e n 5 0 0 8 2 。 ( 1 8 ) 停电6 个月内，时间不丢失。 ( 1 9 ) 绿冲突检测、运行监督自动黄闪功能。 ( 2 0 ) 机内设有1 8 个时段配时，1 6 套时段控制方案( 节假日、平时、周末) 。 ( 2 1 ) 设有1 6 套配时方案。此外，还有黄闪与熄灯模式。 ( 2 2 ) 工作方式变换时灯色自动平滑变换。 3 2 2 电气性能指标 ( 1 ) 断电保护：时钟可保证停电1 8 0 天不丢失。配时方案与设置的方案可 保证1 0 c v 不丢失。 ( 2 ) 交流输入：2 2 0 ( 2 0 ) v a c ，5 0 2 h z 。 ( 3 ) 输入交流功耗5 0 w ( 不包括信号灯功耗) 。 ( 4 ) 额定电流：2 0 a 。 ( 5 ) 工作温度：一4 0 + 7 0 ( 6 ) 相对湿度：4 5 “9 5 。 ( 7 ) 绝缘电阻：电源插头与机壳间的绝缘电阻1 0 0 兆, 欧。 1 4 ( 8 ) 电话线上数据通讯速度：1 2 0 0 b p s ( 可升级为2 4 0 0 b p s ) 。 ( 9 ) 时钟日误差不超过1 s 。 3 2 3 硬件构成 该交通信号控制机由车辆检测板、主c p u 板、监视板、灯驱动板、电源 板、通讯板等6 种功能模块插件板和底板以及配电板、接线端子排等组成。硬件 系统框架如图3 2 所示。 ( 1 ) c p u 板 c p u 板由s s t 工业级c p u 和精密时钟电路，r a m ，e e p r o m 等所组成。它 们是整个信号控制机的中心控制单元。c p u 板如图3 3 所示。 ( 2 ) t c 9 s 1 通讯板 在t c 9 s 1 通讯板上，拔码开关u 2 ( o n = 0 ，o f f = 1