（系统工程专业论文）交通信号控制战略方案选择研究.pdf

中文摘要 随着城市化进程的逐步加快，城市道路交通问题己经成为中国各大城市共同 面对的难题。而交叉口作为城市道路的交汇点，在道路网和交通流中起着十分重 要的作用。如何充分利用现有的道路资源，通过科学合理的交通控制手段进行战 略选择，最大限度的提高信号交叉口的通过能力、降低延迟时间一直是交通工程 领域重要的研究课题。在诸多交通控制手段中，交通信号控制是最简单直接有效 的办法之一。 本文以交通控制系统中的战略选择为方向，着重研究了交通信号控制方案的 战略选择并进行实例验证，同时与已经完成的嵌入式智能信号机软件系统相结 合，初步形成一套交通信号控制战略方案选择理论。 首先对城市交通信号控制系统进行简要概述，指出对交叉口科学的控制管理 是交通系统的重要研究课题，是保障交叉口的交通安全和充分发挥交叉口的通行 能力的重要措施，而交通信号控制又是交叉口控制最主要的方面； 然后，介绍了交通信号控制的基本理论和方法，着重介绍了交通信号控制中 的基本参数，交通流特性描述参数和评价参数，并总结了几种典型的交通信号控 制系统，各自给出其系统评述； 接着，提出了交通控制系统中的战略方案选择的概念，给出了战略选择的定 义和内容，分析了其必要性，并提出了交通控制中三种常见的战略选择应用，各 自详细论述了其不同要求的战略选择； 随后，着重研究了单路口信号控制方式的战略选择问题，分析了两种经典信 号控制方式的区别并以此为基础对其进行战略选择的实例验证，提出了基于流量 比进行交通信号控制方式的战略选择，描绘出战略选择参考图； 最后，介绍了基于删核心的嵌入式l i n 【智能信号机，分析了其软硬件 系统，并研究了智能信号机软件控制方式的战略选择和定时控制多时段方案的战 略选择。 关键词： 交通信号控制路口机战略选择交通控制子区 a b s t r a c t w i t hm ea c c e l e r a t i i l go ft h ep r o c e s so f 劬a i l i z a t i o n ，咖a 1 1 仃a m cp r o b l e m sh a v e b e c o r r l eac o m m o np r o b l e mo fm a n yc i t i e s t h e 缸e r s e c t i o np l a y sa ni m p o r t a mr o l ei i l m er o a dn e t o r ka 1 1 dn a m cf l o w h o wt om a k e 如l lu s eo ft h ee x i s t 血gt r a m c r e s o u r c e s ，h o wt oc h o o s et r a m cc o n 仃o ls 缸a t e g i ct h r o u 曲s c i e n t i f i ca i l dr a t i o n a lm e a n s ， h o wt om a x i l 血z et h e 仃a f f i ca b i l 时o f t h es i 印a 1 ，a n dh o wt or e d u c em ed e l a yt i m e h a v eb e e l li m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c so ft r a m cf i e l d t r a m cs i g l l a lc o n t r o l i sm em o s t e 日e c t i v ew a ya m o n gt h et r a m cc o n 仃o lm e t h o d s t 1 1 i sd i s s e r t a t i o ni sd i r e c t e db yt 1 1 es n a t e g i cc h o i c ei n 廿a m cc o n t r o ls y s t e m ， f o c u s e so n l e 昀m cs i g l l a lc o n 廿o l ，s e t sa 1 1i n s t a l l c et op r o v ei t ，a n di i l t e 铲a t e si tw i t h t h ei m e l l i g e ms i g n a l se n l b e d d e ds o r w a r es y s t 锄s ，f i n a l l yf o m sat h e o r yo ns 订a t e 酉c c h o i c eo f 仃a m cs i g n a lc o n t r 0 1 f 趣t l y ，t h i sd i s s e n a t i o ns u l n m 撕z e sab r i e fo v e r v i e w o fw b a n 仃a m cs i g l l a l c o m r 0 1s y s t e m ，p o i l l t so u tt h a tm ec o m r 0 1m a l l a g e m e n to fh n e r s e c t i o ni sa ni m p o r t a l l t m e a s u r et og u a 舢t e et 1 1 e 仃a m cs a f ea n d 如nu s eo ft h ec 印a c i 吼t l l e 仃a m cs i g n a l c o n t r o l i st h em a i l la s p e c to fi n t e r s e c t i o nc o n 协0 1 s e c o n d l y ，n l ed i s s e n a t i o np r e s e m st l l eb a s i ct 1 1 e o 巧o f 仃a m cs i g l l a lc o n 们l ， f o c u s e so nm eb a s i cp a r 锄e t e r s ，仃a 币cn o wc h a r a c t e r i z a t i o np a m m e t e r sa l l d e v a l u a t i o np a r a m e t e r si 1 1t h e 仃a 衢cs i g n a lc o m r o l ，吼l m su ps e v e r a l 帅i c a ls y s t 锄s t h i r d l y ，t l l ed i s s e r t a t i o np u t sf o n a r dm es t m t e g i cc h o i c ei 1 1t r a m cc o n 打0 1s y s t e 玛 西v e s0 u t t 1 1 ed e f i i l i t i o na n dc o n t e n t ，a n a l y z e s “sn e c e s s i t ya n dp o i n to u tt h r e e c o 煳n s t r a t e g i cc h o i c e si 1 1 仃a f f i cc o n t r o l ，e a c hd i s c u s s e sm ed i f r e r e n tr e q u i r e m e n t s o fm es t r a t e g i cc h o i c ei nd e t a i l f o u n m y ，t h ed i s s e n a t i o nf o c u s e so nt h es 仃a t e g i cc h o i c eo fas m g l e i n t e r s e c t i o n s i g n a lc o n t r 0 1 ；a n a l y z e st h ed i s t i n c t i o n sb e 觚e e nt w oc l a s s i cs i g n a lc o n t r o lm e a n sa n d p r o v e s 锄i 1 1 s t a l l c e ，t h e np r o p o s e st h es 订a t e g i cm e a n so fs e l e c t i o no ft r a m cs i g n a l c o m r o lb a s e do nn o wr a t i o ，a n dd 印i c t st h es t r a t e g i cc h o i c er e f e r e n c em a p f i n a l l y ，t h ed i s s e r t a t i o np r e s e m st h ee m b e d d e dl i i l u xi n t e l l i g e n ts i g n a lm a c l l i n e b a s e do nt l l ea r m ，a n a l y z e si t sh a r d w a r ea n ds o 胁a r es y s t e m sa n ds t u d i e st h e c o m b i n a t i o no ft h es t r a t e g i cc h o i c ea n ds y s t e ms o r w a r e k e yw o r d s ：仃a 币cs i g n a lc o m r o l ，i m e l l i g e n c e 仃a m cs i g n a lc o n t r o ls y s t e i l l ， s t r a t e 画cc h o i c e ， t r a m cc o n t r o ls u b a r e a 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫鲞苤茎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了谢意。 学位敝储虢萋瑾 签字吼掰年6 月2 f f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者虢套 导师签名： 签字日期：易嘟年6月易日 签字日期：肿易月万 日 第一章绪论 第一章绪论 城市交通系统是支持社会经济发展的基础设施和“循环系统，在社会经济 系统中有重要的地位。交通问题解决的好与坏，对国民经济的发展、人民生活的 提高起着重要的作用。世界各国经济发展的历史证明，科学、合理的交通布局和 规划，先进、快速、超前的交通设施的建设及交通管理手段的使用，往往对经济 的发展起着巨大的推动和促进作用；反之，就会阻碍和束缚经济的发展。 进入2 1 世纪以来，随着社会经济的向前推进，汽车工业的飞速发展推动了 交通的发展，促进了人类社会的不断进步，而社会的发展，又促使了交通设施的 建设、交通工具的改进。但随着汽车数量与日俱增，城市道路面临着日益拥挤的 交通问题，加上由此引发的其他社会问题，如交通事故频发、城市环境污染等， 使城市交通问题成为制约经济持续发展的重要因素。 国外发达城市的实践经验表明，交通问题不是单单靠修路、扩大交通容量就 能解决的，道路容量的增加永远也跟不上交通需求的增长 1 1 。在现有道路条件下， 提高交通控制和管理水平，合理使用现有的交通设施，充分发挥其能力，是解决 交通问题的有效方法。交通信号控制系统的研究，便是其中的重要组成部分【2 1 。 1 1 交通信号控制的目的和研究意义 在城市交通控制中，交叉口信号控制是一个不可缺少的重要组成部分。城市 交通道路系统由路段和交叉口组成。由于不同方向的交通流会在交叉口处相交， 引起交通流之间的冲突、合流、分流等交通行为。因此，交叉口成为道路网中的 道路通行能力的“隘路 和交通事故的“黑点 。例如日本大城市中的机动车在 市中心的旅行时间约l 3 发生在交叉口，美国的交通事故约有一半以上发生在交 叉口。因此，对交叉口科学的管理是交通控制中的重要研究课题，是保障交叉口 的交通安全和充分发挥交叉口的通行能力的重要措施。 交通信号控制技术从时间上分离了通过交叉口的车流，是减少交叉口交通冲 突最有效的措施之一，对城市交通信号控制的研究成为城市交通管理控制的重要 方面。但在我国的具体应用中，还存在一些问题，如没有充分考虑我国混合交通 的情况，系统投资成本过大，信号控制机软硬件技术相对落后。因此，对城市交 通信号控制系统的研究刻不容缓。随着现代科技的进步和发展，只有树立科学化 第一章绪论 的交通管理观念，在现有道路交通设施的基础上，充分利用现代高科技手段，进 行城市交通的科学化、规范化管理，才是舒畅城市交通、提高交通管理的快速反 应和控制能力，缓解乃至彻底解决交通拥堵、保障交通安全等问题的根本出路。 城市交通信号控制的目的有：减少交通事故，增加交通安全；缓和交通拥挤， 提高交通效益；提高公共效益，减少交通负荷；降低污染程度，节省能源消耗等。 交通信号控制的主要任务就是通过交叉口信号灯的有效控制，调节和引导交通流， 以防止或缓和交通拥挤、减少能源消耗，提高运营效率。其目标在于改善交通流 的质量，更好的利用现有运输能力，及时为车辆上的有关人员及行人提高交通状 况信息，实现交通流的安全性、快速性和舒适性【2 】。 1 2 城市交通信号控制的概况 1 2 1 交通信号控制系统发展简史 在1 9 世纪，人们就开始研究交通信号控制系统，用信号灯指挥道路上的车 辆交通，协调交叉口的交通流。1 8 6 8 年，英国发明家蹦g h t 在伦敦的w e s n i l i n s t e r 街口设置了世界上最早的交通信号灯。它是仿效铁路信号，由红绿两种颜色组成 的臂板式煤气信号灯，用来控制交叉路口马车通行，只限于夜间使用。1 9 1 8 年， 美国纽约街头出现了第一座手动操纵的电气照明三色信号灯。随后，1 9 2 5 年英 国伦敦的p i c c a d i l l y 街口也采用了这种信号灯。1 9 2 6 年，英国人在w o l v e r h a m p t o n 安设了第一座自动交通信号灯，这是一种定周期的交通控制方式，适用于交通量 变化不大，需分时段控制的交叉路口。1 9 2 8 年世界上第一台感应式信号机在美 国b a l t i m o r e 试制成功，这种感应式信号机所使用的检测器最初是用橡皮管作传 感器。 为了解决交通流时空连续性与交叉路口“各自为政”孤立控制之间的矛盾， 必须把相邻的交叉口作为一个系统来统一地加以控制。1 9 1 7 年，世界上第一个 线控系统出现在美国的盐湖城( s a l tl a l 【ec 埘) ，它是一种可同时控制6 个交叉 口的手动控制系统。1 9 2 2 年得克萨斯州休斯顿市( h o u s t o n ) 发展了可控制1 2 个交叉口的瞬时交通信号系统，控制特点是采用电子自动计时器对路口的交通信 号进行协调联动。6 年之后，上述系统经过改进，形成“灵活步进式”定时干道 协调控制系统，并很快普及到美国几乎每个城市。 随着交通信号感应技术和电子计算技术的发展，1 9 5 2 年在美国的丹佛市 ( d e n v e r ) 出现了模拟电子计算机的交通信号控制系统，经过改进被称为“p r ” 2 第一章绪论 系统。它将单一交叉口的交通感应控制概念应用于街道交通信号网络，采用车辆 控制器取样并向该系统控制中心输入交通数据，用模拟电子计算机进行数据处 理，然后再调整各交叉口的交通信号。从1 9 5 2 年到1 9 6 1 年的1 0 年间，在美国 建立了l o o 多个这种交通信号控制系统。 到上世纪6 0 年代，世界各国开始研究控制范围较大的信号协调控制系统， 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 9 6 0 年加拿大的多伦多市( t o r o n t o ) 将数字电子计算机用于区域交通信号控制，建 成了世界上第一个中心式的交通信号控制系统，这个系统于1 9 6 3 年开始运转使 用，可控制2 0 个交叉口，到1 9 7 3 年做到可控制8 8 5 个交叉口。该系统将检测器 的应用与交通信号控制系统结合起来，从此，开始了城市交通控制系统发展历史 的新纪元【3 】。因为系统试验获得圆满成功，所以在世界各大城市，如纽约、伦敦、 慕尼黑和东京等相继建立了与其相似但有所改进的城市道路中心式交通控制系 统。 1 9 6 6 年英国交通与道路研究所以丹尼斯罗伯逊为首的小组开始研究开发 t 凡n s y t ( t r a f ! f i cn e t 、) l ，o r kt o o l ，交通网络研究工具) 系统，并于1 9 6 8 年研制 成功。由于以上配时方案存在老化问题，2 0 世纪7 0 年代，人们开始研究实时自 适应的交通信号控制系统。1 9 7 3 年，英国道路研究所开始研究s c 0 0 t ( s p l i t ， c y c l ea n do f f s e t0 i p t 硫i z a t i o nt e c h l l i q u e ，绿信比一周期长一相位差优化技术) 系 统，1 9 7 7 年在哥拉斯格进行了现场实验，取得了成功，1 9 7 9 年在哥拉斯格又进 行了更大规模的实验并获得成功。至此s c o o t 系统宣布成功并开始在英国推广。 与此同时，澳大利亚新南威尔士州干道部以西姆斯为首进行新的交通控制方法的 研究开发，经过1 0 年的时间，s c a t s ( s y d n e yc o o r d i i l a t e da d a p t i v et r a m c s y s t e m ，悉尼自适应控制系统) 获得成功并在悉尼应用。至此，形成了以 t 凡州s y t 系统为代表的固定式信号配时的区域协调信号控制系统；以s c o o t 系统为代表的自适应方案生成式系统；以s c a t 系统为代表的实时自适应方案选 择式系统。这些系统经过几十年的发展完善，在今天仍然是主导控制系统。【4 】- 【1 3 】 自从计算机应用于交通系统以来，控制系统的控制规模逐渐从单个交叉路口 的点控、单条干道的线控发展到整个网络的面控。由此可见从信号灯的出现到今 天，控制系统的功能从低级到高级，从简单到复杂，不断的发展前进，并且随着 城市交通问题的日益严峻而不断的发展。 1 2 2 我国交通信号控制系统概况 我国在交通信号控制系统方面的工作起步较晚，解放前后很长一段时间，只 第一章绪论 有少数几座大城市有为数不多的单点定周期控制交叉口【l4 1 。直到2 0 世纪7 0 年代， 有关单位又开始这方面的研究，陆续试验了感应式、定周期信号控制。1 9 7 9 年 北京前三门大街4 个交叉口进行交通干线计算机协调控制试验成功。到了八十年 代，对于部分大城市来说，城市的交通拥挤问题己成为十分严峻的问题，因此单 点定周期信号机在全国大中城市得到了较广泛的应用，北京、天津、上海等城市 初步开始采用计算机进行干道协调控制和感应控制。 随着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 为核心的交通控制系统研究，如：在国家计委、国家科委的支持下，交通部、公 安部、南京市完成了“七五”攻关项目，建成了南京城市交通控制系统h t u t c s ； 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： 1 9 8 4 年北京引进了t 凡删s y t 7 f 系统应用于中心区5 3 个路口。1 9 8 5 年又引进 了s c o o t 系统，应用于东区3 9 个路口，于1 9 8 7 年8 月建成投入使用，后来扩 展到北区和西区。另外，上海、广州、沈阳还引进了s c a t 系统，大连、成都、 青岛引入了s c o o t 系统，长春引进了西班牙圣科系统，深圳市引进了日本的京 三系统。这些交通信号控制系统在一定程度上起到了提高城市道路运行效率，缓 解交通拥挤的作用。但是由于我国开发能力相对落后，机动车、非机动车混行等 因素，导致引进的系统多数执行的是单点多时段控制，少数具有简单的协调功能。 而检测设备的损坏和系统维护工作的滞后也在一定程度上影响了控制效果 【1 5 】- 【l 8 1 。 目前，国内绝大多数城市都安装了城市交通信号控制系统，运用信号控制解 决城市交通问题已成为交通管理决策者考虑的首要因素。 1 2 3 交通控制系统目前存在问题 交通控制的建设大多数属于基础建设，一旦完成建设则很难再进行大型的调 整，再加上交通控制的复杂性，所以在交通控制系统发展的同时，也暴露出一些 问题，例如交通控制照搬现有理论，不能根据实际情况配置合适方案：早前控制 规划已经不适用现在情况，重新进行控制建设成本过大等。 归根结底，属于交通控制系统的整体战略或者某一部分战略没有规划好，当 初制定策略时没有进行详细的分析规划，缺乏发展的眼光。因此如何能用战略的 眼光来解决交通控制系统要解决的问题，值得研究。管理者应该从整体的角度来 考虑其可行性和最优性，才能提升整个交通控制系统的控制水平，从而达到交通 控制的目标。 4 第一章绪论 1 2 4 交通信号控制系统与智能交通系统 对智能交通系统( i n t e l e n tt r a l l s p o r ts y s t e m s ，简称为i t s ) 进行系统的研究始 于2 0 世纪8 0 年代，智能交通系统是将驾驶员、交通工具和道路、环境三位一体 来考虑。广义上i t s 应包括交通系统的规划、设计、实施与运营的管理实现智能 化；而狭义上i t s 则主要是指交通运输管理和组织的智能化。其实质就是采用现 代高新技术对传统的交通系统进行改造而形成的一种新型现代交通系统。也就是 说，i t s 就是将先进的信息技术、传感技术、数据通信技术、自动控制技术、运 筹学、图像分析技术、计算机网络以及人工智能等有效的综合运用与整个交通管 理系统【l 圳。在系统工程综合集成的总体思想指导下，建立起一种在大范围内全方 位发挥作用的实时、准确、高效的交通运输体系。i t s 智能化的特征体现在：原 理上是基于知识系统；系统功能上应至少具有判断能力、推理能力和学习能力， 并应有辅助决策的作用；结构上应由机器感知、机器学习、机器识别及知识库等 部分组成。根据统计，智能交通系统技术的应用可以减少1 0 的废气排量，2 0 的交通延时，3 0 的停车次数。美国洛杉矶地区和德克萨斯州在i t s 技术方面投 资的效益成本比率分别是1 6 ：l 和2 2 ：1 ，收益非常显著。而这一切，都是在基 本上没有进行道路建设和引入新的高速车道的情况下取得的。这充分说明了为什 么近年来发达国家都投资i t s 技术的研发和应用【2 0 1 。 智能交通信号控制系统是智能交通系统研究的一个重要方面。近二十年多年 来，智能交通信号控制系统的研究已经有了飞速的发展。随着智能控制技术研究 的深入和计算机技术的广泛应用，以及信息融合技术、智能信息处理技术，通信 技术、智能检测技术等不断发展，使得城市交通信号控制系统也逐步智能化发展。 智能控制系统由于引入了专家系统、模糊逻辑、人工神经网络等人工智能技术， 使系统具有自适应性、自组织性和自学习性等功能，系统实现更加高效，稳定、 可靠。而城市智能区域交通信号控制系统是一个非常复杂的大系统，它以整个城 市交通状况的优化为控制目标，因而控制效果远远超过单个路口和干线路口的交 通控制。因此，它已经成为城市智能交通信号控制系统的热点和难点。 1 3 全文结构 如前所述，要解决好城市交通问题，一定程度上优化交通拥挤现状，首先要 对交通控制系统中的方向性选择做出决策，从战略的高度来保证交通控制的原则 第一章绪论 性问题，同时也要进一步优化交通信号控制系统。本文正是以此为背景进行相应 的战略选择研究，强调了战略选择在交通控制系统中的重要性，同时对交通控制 战略选择进行研究总结，并着重提出交通信号控制的战略选择。 第一章分析了交通信号控制系统的研究意义及目的，以及简述了城市交通信 号控制的历史与概况，指出了现在交通控制存在的问题，最后给出全文结构。 第二章介绍了交通信号控制系统中的基本理论和经典方法，其中包括交通信 号控制的一些基本控制参数，交通流特性的描述参数和评价参数，已经几种经典 的国外交通信号控制系统。 第三章提出了交通控制系统中的战略选择问题，阐述了战略选择的定义、内 容、意义以及与方案选择的区别联系，并总结提出了几个典型的战略选择问题， 分别进行各个问题的战略选择研究。 第四章研究单路口交通信号控制中的战略选择，是战略选择思想在交通信号 控制系统中的具体应用，通过对单路口交通信号控制方式的研究，提出了基于流 量比实现信号控制方式的战略选择，进行了实证分析。 第五章研究了上一章的战略选择在路口智能信号机中的应用，介绍了本文采 用路口智能信号机的软硬件结构，分析了各自特点，并提出战略选择与智能信号 机控制软件的结合。 最后是全文总结与展望，从内容和逻辑上对本文进行了整理和总结，并分析 了论文还存在的一些不足，讨论了战略选择在交通系统中未来的研究方向。 第二章交通控制系统的基本理论和方法 第二章交通控制系统的基本理论和方法 一个城市中，交通控制系统主要决定了整个路网中的交通流的通行情况。它 是实现交通战略方案、安全引导行人和自行车、汇集机动车流到一些设定的路径 上等目标的重要工具和手段。处理复杂的交通问题是一个综合性的任务，需要各 部门之间的共同努力和加强协调以及促使各方面措施的相互呼应。交通信号控制 系统在交通系统管理中占有非常重要的地位。世界各国交通管理的经验也表明， 交叉口交通管最有效的方法之一就是交通信号控制。 经过近百年的发展，交通信号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。本章主要介绍交通信号控制系统 的基本概念、基本理论和控制方法。 2 1 交通信号控制基本参数 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， 就是周期时长、绿信比和相位差，除此之外，还可以对一些参数进行控制，目标 就是要确定道路各交叉路口在车流方向上的最佳控制参数，并付诸实施。 2 1 1 周期时长 周期长度即信号灯运行一个循环所需的时间，等于绿灯、黄灯、红灯时间之 和。一般信号灯最短周期不能少于3 6 秒，否则不能保证几个方向的车顺利通过 交叉路口。最长周期不超过2 分钟，否则引起等待司机的抱怨，或者误以为信号 灯已经失灵。适当的周期长度对疏散路口处的交通流、减少车辆等待时间有重要 意义。 从疏散交通的角度讲，显然当交通需求越大时，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口，就会发生堵塞现象。从减 少车辆等待时间的角度来讲，太长或太短的周期都是不利的。若周期太短，则发 生堵车现象。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延长必然导致该方向车流等待时间的延长【2 1 1 。 对定时信号控制系统而言，周期时长是通过统计出来的该交叉口上各路段的 车辆到达率以及车辆离开率计算出来的，在一个较长的时间段内该周期时间是不 第二章交通控制系统的基本理论和方法 变的。对于智能信号控制系统，由于各相位的绿灯时间都是根据实时的交通状况 确定的，因此，每个周期的周期长度也是变化的。 正确的周期时长应该是，每一个相位的绿灯时间刚好使该相位各入口处等待 车队放行完毕。以一个具有两相位( 东西向和南北向) 交通流的交叉口为例，对 于定时信号控制系统而言，可以通过下面的公式获得系统的周期时间时长【2 2 】： 卜旃 1 一( 孚+ 孚) ( 2 一1 ) 其中： ；，六- 两个相位的车辆到达率； 矾，矾两个相位的车辆离开率； 厶，：两个相位的损失时间； 由上式可计算出保证路口不堵塞的一个最小周期值。然而，若交通流的需求 过高( ( 争+ 争) 趋近于1 或者大于l 时) 堵塞现象将成为不可避免的， d l口2 2 1 2 绿信比 相位绿信比是一个相位信号有效绿灯长度于周期长度之比，一般用z 表示。 五= c( 2 - 2 ) 式中，力为相位绿信比，为相位有效绿灯长度( 秒) ，c 为周期长度( 秒) 。 交通流绿信比是一个交通流在一个周期时间内所获得的有效绿灯长度与周期长 度之比，一般用a 表示。绿信比的大小对于疏散交通流和减少交叉路口总等待时 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、等待延误时间减至最小。 对智能控制系统而言，每个周期的周期时间是不同的，每个相位的绿灯时间 也是不同的。因此每个周期的绿信比也是不同的，但按上述公式计算出来的绿信 比对智能信号系统也有一定参考作用【2 3 】。 2 1 3 相位和相位差 第二章交通控制系统的基本理论和方法 相位是对于一个路口多个方向交通流而言，一组互不冲突的交通流即可构成 为一个相位。或者说相位信号是指一个信号周期内的信号控制状态，表示在道路 交叉口给予某些方向的车辆或行人以通行权的时序。对行车而言相位越多越安 全，但相位越多周期就越长，延迟的时间也就越长，效率就越低。相反，相位少， 交叉口车流虽然较乱，但通行效率却较高【2 2 】。图2 1 为一个四相位示意图。 j j rl t 厂 相位1 相位2 相位3 相位4 图2 1 四相位示意图 相位差是相邻路口同一相位绿灯( 或红灯) 起始时间之差。例如一条东西走 向的大街上有两个相邻交叉口，交通信号周期相等，它们同一相位( 例如东西方 向直行) 绿灯( 或红灯) 起始时间之差就是该路口东西直行信号的相位差。当对 一条干线上的交通流或一个网络内的交通流进行控制时，相位差是一个重要的控 制参数。通过调整各路口间的相位差，可以使主干线上一连串路口的信号灯形成 一条绿波带，使车队通过这些路口时畅行无阻。 2 2 交通流特性描述参数和评价参数 2 2 1 交通流基本参数 1 、交通流量 交通流量是单位时间内通过某一位置的车辆数，用g 表示，单位为辆纠、时。 一般说来，交通流量是时间和位置的函数 2 4 】，可表示为g ( z ，f ) 。 2 、交通密度 9 l l l l 一厂_ 一 l 厂 i k 1 l _ 第二章交通控制系统的基本理论和方法 交通密度为每车道单位长度道路上拥有的车辆数，用后表示，单位是辆千米。 一般说来，交通密度是时间和位置的函数1 2 4 | ，可表示为七( x ，f ) 3 、车流速度 车流速度指区间平均速度，即在某一瞬间行驶于道路某一特定长度内的全部 车辆的车速分布的平均值，用v 表示。在交通流理论中，交通流量g 、交通密度七， 行车速度v 三者之间的基本关系为： g = 加( 2 3 ) 2 2 2 交通评价指标函数 目前，常用的交通信号控制效果的评价有：延误时问、平均排队长度，平均 起停次数等，交通信号控制评价函数可以根据需要进行选择。 1 、延误时间 信号交叉口延误是反映车辆在信号交叉口上受阻、行驶时间损失的评价指 标。延误的影响因素众多，涉及到交叉口几何设计与信号配时的各个方面，是一 个能够综合反映交叉口的几何设计与信号配时优劣的评价指标。 延误是一个影响因素十分复杂的指标。理论计算所得结果难于精确符合实际 情况。所以应采用现场观测的延误数值作为评价依据，特别是对原有交叉口进行 评价分析或做改善效果的前后对比分析时、有条件做现场观测的，须用现场观测 数据。对设计交叉口的不同设计方案做比较分析，无法进行现场观测时，才用估 算方法。 2 、平均排队长度与平均起停次数 平均排队长度是指在信号一个周期内各条车道排队的最长长度平均值。各条 车道最长排队长度一般是指该车道的绿灯相位起始时的长度z 。平均排队长度以 周期为单位计算。某个周期平均车辆排队长度与此周期平均车辆延误的指标基本 是一致的。 平均起停次数是指车辆在交叉口区域由于交通信号的约束停车、再起动的次 数。起停次数不仅与控制参数密切相关( 尤其在线控系统，起停次数对相位差极 为敏感) ，也是衡量饱和程度的指标之一。 l o 第二章交通控制系统的基本理论和方法 2 3 典型的交通信号控制系统 由于城市区域内各交叉口处的交通流一般是互相关联的，所以提高某一交叉 口的通行能力或减少车辆在该交叉口的延误有可能引起关联路口更多的延误，即 子系统最优并不能保证总系统最优。因此，实施交叉路口间的协调自适应控制能 够获得更好的效果。 作为一个理想的城市区域自适应交通信号控制系统，人们希望它具有诸多功 能，如自适应性、特定线路上的公交或特种车辆优先控制、自学习功能、容错功 能等。但目前还没有哪个系统能真正实现上述所有功能，城市区域交通信号控制 还处于不断的发展阶段。 自1 9 6 3 年加拿大多伦多市建成了世界上第一套由数字计算机实现的城市区 域交通信号控制系统以来，人们相继完成了很多区域交通控制系统，其中最有代 表性的有t r a n s y t 、s c 0 0 t 、s c a t s 等【3 1 】。【3 5 1 。下面对这些系统作简单介绍。 2 3 1t r 户d 可s y t 系统 t 凡气n s y t 系统是由英国道路交通研究所的d i r o b e n s o n 等人花费近十年 时间研制而成的，自从1 9 6 8 年第一版问世以来，经过不断改进，现以称为当今 时间上最负盛名的信号配时优化设计程序【3 6 】。 1 、交通模型 t 毗n s y t 程序主要包括两个组成部分，一是交通模型，用来模拟在信号灯 控制下交通网上的车辆行驶状况，以便计算在一组给定的信号配时方案作用下网 络的运行指标。二是优化过程，改变信号配时方案并确定指标是否减小，经过反 复试算求得最佳配时方案。 t 凡气n s y t 方法一般有4 项假定： 一是路网中全部路口的交通信号均按照共同的周期长度运行，或某些路口的 交通信号采用共用周期长度的一半作为周期，并且已经知道各信号灯交叉口的信 号阶段划分情况以及最小绿灯时间等详细数据； 二是路网中所有主要交叉路口都由交通信号灯或让路规则控制； 三是路网中各车流在某一确定时间段内的平均车流量为已知，并且在某一确 定时间段内维持恒定； 四是每一交叉口的转弯车辆所占的百分数为己知，并且在某一确定时间段内 维持恒定。 t 凡蝌s y t 系统交通模型所需要的数据和资料有：路网几何数据、交通量数 第二章交通控制系统的基本理论和方法 据、经济指标等。该系统的控制模式是脱机预测确定控制参数，再上机控制；系 统目标为平均延误时间、停车次数、排队长度最小等；参数特征为绿信比与相位 差是优化确定的，周期不进行优化，仅从事先确定的方案中通过比较各运行指标 比较选出最佳的；寻优方法用的是爬山法。 2 、系统运行评价 t 凡蝌s y t 是一种用于定周期式控制系统的设计方法，在该系统中，信号周 期是共用的，而且在一个确定的配时方案执行阶段内，每个交叉口上所有的各个 信号阶段相对起止时间是不变的。为了适应交通量随时间而变化的情况，就要拟 定适合于不同交通状况的配时方案，以供不同阶段使用。对于己有控制方案的路 口，t a ra n s y t 利用自身的交通模型对其进行优化。 t 气n s y t 方法对路网上车流运动的预测精度较高，在确定最优配时方案过 程中，采用“爬山法”，在优选过程中交替使用长、短两种步长，作正负两个方 向的试探，试算过程有较好的收敛性。 t 凡州s y t 系统也有它的不足之处。该系统计算量太大，在大城市网络较大 时，这一问题更加突出；t s y t 的优化问题本质上是一个非凸的数学规划问 题，如何找出全局最优解，仍是一个未解决的难题；周期长度不进行优化，很难 获得整体最优的配时方案；此系统需要大量的网络几何尺寸和交通流信息，随着 城市的发展，这些交通数据可能会过时，此时会降低系统的使用效果，这极大地 限制了它的实际应用。 2 3 2s c 0 0 t 系统 s c o o t 系统是在t 凡气n s y t 基础上研制出的一种自适应控制系统，该系统 与1 9 7 5 年在英国哥拉斯哥市进行现场试验，取得了较好的效果。s c o o t 吸收了 t 凡悄s y t 各方面的优点，进行实时控制，获得了明显优于静态系统的效果，被 很多国家采用。 1 、s c o o t 的原理和交通模型 与t 凡删s y t 系统相同，s c o o t 系统的核心也是由交通预测模型和配时参 数优化两部分组成，不同之处在于前者是离线的而后者是在线的，即以实时测量 的交通数据为基础，用交通模型进行配时优化【3 1 1 。 s c o o t 系统主要由4 个部分组成：车辆检测数据帅采集和分析；交通模型； 交通信号配时参数的优化及调整；信号系统方案的控制与执行【3 7 1 。s c o o t 交通 模型由交通环境、交通过程和交通预测这3 部分构成。 在s c o o t 系统运行中，有两条基本假定：一是要求控制范围内的路网处于 相对“静态”，所有各主要车流冲突点都是由交通信号灯来控制通行次序；二是 第二章交通控制系统的基本理论和方法 把车辆和行人的实际动态状况作为考虑的对象，而不是把它们看成在一定时间内 处于静止不变状态。 2 、系统评价 s c o o t 系统具有如下特点： ( 1 ) s c o o t 系统对配时参数的优化采用连续微调的方式，采用频繁小增量 形式，避免了信号参数的突变带来的延误损失，可以最大限度地消除由于配时方 案变化而引起车流运动连续性的干扰。 ( 2 ) 它的车辆检测器埋设在上游交叉口的出口处，为下游交叉口信号配时 的优化调整提供了较充足的时间。它具有鉴别检测器运行状况的能力，一旦检测 器出现故障，它能及时做出相应的决定，以减少检测器故障对系统的影响。 ( 3 ) 对实时交通状况变化反应灵敏。正因为s c o o t 对路网上各交叉口信 号配时方案的检验和调整每秒钟都在进行，所以该系统能够对路网上交通状况的 任何一种变化趋向做出最迅速的反应，使它们执行的控制方案能够最大程度地适 应实时交通状况的客观需要。 实践表明，s c 0 0 t 系统具有一个灵活的、比较准确的实时交通模型，既可 以用来制定信号配时方案，又可以提供各种信息，为交通管理和交通规划服务。 但它也有不足之处，它的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，进行小步长变化调整， 有可能不足以及时响应每个周期的交通需求；它的信号相位不能自动增减，相序 不能自动改变；控制子区的自动划分问题尚未解决，需人工确定，显得比较麻烦。 2 3 3s c a t s 系统 s c a t s 系统是由澳大利亚新南威尔士道路和交通局于2 0 世纪7 0 年代末研 制成功的，最初应用于悉尼市，故因而得名。s c a t s 控制系统是一种以方案选 择式优选配时方案与单点感应控制作调整相结合的控制系统 38 1 。目前，世界上大 约有5 0 多个城市正在运行s c a t s 系统。 s c a t s 系统寻求一种能最大限度地减少路网上车辆地延误时间和停车次数 的配时参数优化算法，用以对三项基本参数信号周期、绿信比和相位差进行 优选。 l 、s c a t s 的结构与原理 完整的s c a t s 系统是一种3 级结构，最上级为控制中心，完成管理系统的 任务；中间级为区域控制机，完成“战略”任务；最下级为交通信号控制器，分 担战术控制任务。当路口数较少时，可由区域控制机与交通信号控制器组成两级 结构的最小系统。 第二章交通控制系统的基本理论和方法 2 、s c a t s 系统原理概述 在s c a t s 系统中，区域控制机所负责的信号协调控制区域被分成一个个子 区，每个子区由l 1 0 个信号交叉口组成，这些交叉口具有公共周期长度。系统 根据子区的类饱和度，以最长可达6 s 的步长将公共周期长度加以更新。类饱和 度是用安装在停车线附近的检测器来测量的【3 9 】。 每个子区有5 个相位差方案，它们作为输入数据的一部分而预先加以确定。 内部相位差能根据现行周期时间和称为行进速度系数的一个输入参数来改变，后 者决定相位差改变的百分数。为使两个子区密切配合或合并，还有5 个外部相位 差方案，这些方案由一个算法来选择。 3 、s c a t s 系统评述 s c a t s 系统充分体现了计算机网络的突出技术，结构易于改变，控制方案 容易变换。在需要时能合并相邻地区联合控制，也可允许各路口自主实行车辆感 应控制。s c a t s 系统的检测器安装在停车线处，不需要建立交通模型，因此其 控制不是基于模型的，它根据交通需求改变相序或跳过下一个相位，因而能及时 响应每一个周期的交通请求。另外s c a t s 系统还具有局部车辆感应控制功能， 每个周期都可以改变周期时间，可以自动划分控制子区。 s c a t s 系统有如下缺点：第一，s c a t s 系统未使用交通模型，实际上是一 种方案选择系统，因而限制了配时方案的优化程度；第二，s c a t s 系统过分依 赖于计算机硬件；第三，由于检测器安装在停车线附近，难以检测车队的行进， 无车流实时信息反馈，故相位差的优选可靠性差。 1 4 第三章交通控制系统中的战略方案选择 第三章交通控制系统中的战略方案选择 城市交通系统是一个十分复杂的系统工程，交通控制系统是其最主要的组成 部分，也是影响城市交通系统优劣的关键所在。本章提出了交通控制系统战略方 案选择的概念和内容，并重点对其典型的战略选择问题进行了阐述。 3 1 交通控制系统概述 3 1 1 交通控制系统 交通控制系统始于十九世纪，最初的目的是通过安装在路口的信号灯来控制 通过路口的车辆，避免各个冲突方向的车辆的碰撞，后来逐步延伸到减小车辆通 过路口的延误时间为目的，并将控制的对象由单一路口扩大到一条主干道乃至由 若干各路口组成的区域。交通控制系统从广义来讲有两种，一种是动态控制，包 括交通信号的控制和可变交通标志；另一种是静态控制，包括固定的交通标志和 交通标示【2 2