（交通信息工程及控制专业论文）城市干线道路信号协调优化控制研究.pdf

摘要 随着社会经济的发展和城市化进程的加快，由于机动车增长过快，人类也 面临着交通拥挤的煎熬，如何有效的减低交通拥堵带来的负面影响成为交通界的 研究的焦点。而城市主干道作为城市道路的重要组成部分，交通干道通畅与否决 定着交通网络能否平稳、安全的运行。因此，本文以交通主干道作为研究对象， 对城市交通信号控制进行分析，研究城市干道协调优化控制的方法。 本文首先针对城市干道协调理论与方法，对国内外的研究现状做了一个回 顾，然后讨论了城市交通信号控制的基本理论，对单点信号控制方法、干道协调 信号控制方法和区域交通信号控制方法进行了分析。其次，分析基于最小延误的 城市干道协调控制的优化方法，通过考虑了车辆离散性的影响，同时还考虑了车 辆启动延误、车辆通过停车线的时间，修正了基于最小延误的干道协调控制模型。 再次，通过蚁群算法求解模型，并且和遗传算法求解模型进行对比，对比表明蚁 群算法求解速度优于遗传算法，更符合交通及时性的要求。最后，本文通过在交 通仿真软件v i s s i m 中建立一个交通干道系统，通过数解法与此模型求解得到的 相位差标定分别标定这个交通干道系统，对比表明用此模型的车辆延误时间明显 小于数解法的车辆延误时间，证明了本文所提方法的有效性；同时也分析了当干 道交叉口交通量接近饱时，此模型也能够保证比较理想的协调效果。 关键词：城市干道；延误分析；蚁群算法；车辆离散性；绿波 a bs t r a c t w i t ht h es o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n da c c e l e r a t i o no ft h ep r o c e s so ft h e c i t y ，h u m a nr e l i a n c em o r ea n dm o r eo nc o n v e n i e n c eo fv e h i c l e s ，b u ta tt h es a m e t i m e ，a st h er a p i dg r o w t ha tv e h i c l e ，h u m a ni sf a c i n gt r a f f i cc o n g e s t i o n ，h o wt o e f f e c t i v e l yr e d u c et h en e g a t i v ei m p a c to ft r a f f i cc o n g e s t i o ni sb e c o m i n gf o c u si n t r a f f i cf i e l d u r b a na r t e r ya sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ec i t y , t r a n s p o r t a t i o nn e t w o r k c a ns m o o t ha n ds a f eo p e r a t i o ni sd i r e c t l yd e p e n d i n go nu r b a na r t e r yf r e e l yf l o w i n g t h e r e f o r e ，u r b a na r t e r ya sm yr e s e a r c ho b je c t ，t h r o u g ha n a l y z i n gu r b a nt r a f f i c s i g n a lc o n t r o l ，a n dt h e ns t u d y t h eu r b a na r t e r i a lt r a f f i cs i g n a lc o o r d i n a t i o nc o n t r o l m e t h o d f i r s t l y , a i m i n ga tu r b a na r t e r i a lt r a f f i cs i g n a lc o o r d i n a t i o nc o n t r o lt h e o r y a n dm e t h o d s ，ip r e s e n t sar e v i e wi t ss t u d i e sa th o m ea n da b r o a d ，t h e nd i s c u s s i o no f u r b a nt r a f f i cs i g n a lc o n t r o lo ft h eb a s i ct h e o r y s e c o n d l y , t h r o u g ht h ea n a l y s i so f t r a f n cs i g n a lc o o r d i n a t i o nc o n t r o lm o d e lo nu r b a na r t e r yb a s i n go nm i n i m u m d e l a y ，t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ei m p a c to fd i s c r e t es p e e do fv e h i c l e s ，v e h i c l el a u n c h d e l a y s 、a n dt h ev e h i c l et h r o u g hs t o pl i n eo ft h et i m e ，ic o r r e c tt h i sm o d e l t h i r d l y , u s et h ea n tc o l o n ya l g o r i t h ms o l v i n gt h em o d e l ，a tt h es a m et i m e ，u s eg e n e t i c a l g o r i t h ms o l v i n gt h em o d e l ，c o m p a r i n gw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m ，w ec a no b v i o u s l y s e et h a tt h es p e e do fa n tc o l o n ya l g o r i t h mi ss u p e r i o rt og e n e t i ca l g o r i t h mt os o l v e t h i sm o d e l i ts a t i s f i e st h et r a f f i cd e m a n di nt i m e t h e n ，u s i n gn u m e r i cm e t h o d c o m p a r i s o nw i t ht h i sm o d e l ，ie s t a b l i s ho fa nu r b a na r t e r yt r a f f i cs y s t e m i n v i s s i ms o f t w a r e ，ic a nr e c e i v et h a tv e h i c l ed e l a yu s i n gt h i sm o d e li ss m a l l e rt h a n u s i n gn u m e r i cm e t h o d i tc a np r o v et h ee f f e c t i v e n e s so f t h i sm o d e l ，ia l s oe s t a b l i s ha n e wa r t e r yt r a f f i cs y s t e mi nv i s s i ms o f t w a r e ，t h r o u g ht h er e s u l t ，t h i sm o d e lc a n a l s or e c e i v e das a t i s f a c t o r yr e s u l t st h r o u g hc o o r d i n a t i o nc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：u r b a na r t e r y ；d e l a y ；a n tc o l o n ya l g o r i t h m ；d i s c r e t es p e e do f v e h i c l e ；g r e e n w a v e i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 “孵嘣日期泖年台月二日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权长沙理工大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 导师签名： 日期：叫、) 年b 月日 日期：加，d 年6 月日 、啊b抓侵 第一章绪论 1 1 交通干道协调控制研究背景和意义 随着社会经济的发展和城市化进程的加快，机动车曰益普及，人类越来越依 赖机动车带来的便利，同时，由于机动车增长过快，人类也面临着交通拥挤的煎 熬：服务水平下降，行车速度降低，交通延增加，能源浪费严重，交通事故频繁， 汽车尾气排放量增大，环境恶化等。如何有效的减低交通拥堵带来的负面影响成 为交通界的研究的焦点。 在外国，自工业革命后，许多西方发达地区和国家，社会和经济发展非常高 的一个水平，经济实力强大，早在上个世纪六十年代时，交通拥堵问题就已经非 常明显了，慕尼黑、伦敦、纽约等大城市，市区的主干道平均车速不到二十公里 小时。在日本东京，因交通拥挤，每年造成交通参与者损失的时间价值相当于 1 2 3 万亿日元；美国也面临同样处境，通过美国德州运输研究所对美国三十九个 城市进行的研究，因交通阻塞而造成的经济损失，美国每年高达4 1 0 亿美元，每 年的损失均超过十亿美元大城市有十二个；而在欧洲，每年因交通拥挤、环境污 染和交通事故造成的经济损失分别达到5 0 0 0 亿欧元、5 0 - 5 0 0 亿欧元和5 0 0 亿 欧元【1 3 1 。 在国内，八十年代以前，由于经济实力水平与发达国家有相当的大的差距， 家庭拥有汽车量比重相对非常的小，交通问题不是很突出。从九十年代初期开始， 特别是改革开放以来，随着我国的g d p 每年保持高幅度的增长、国民经济保持 良好的增长速度、机动化水平的提高以及城市规模的不断增大，导致交通供需出 现了不平衡的现象，矛盾日益显著，出行困难已经严重影响着人们正常的生产和 生活。最近几年来，由于私家车的日益普及，家庭拥有小车的比例不断的攀升， 加剧了交通供需矛盾，交通拥挤问题越来越严重，特别是在一些大城市中，交通 拥挤以及其它相关的引起的问题，已经严重制约着我国城市健康、稳步的发展， 在些特别严重的地区，交通拥堵引起整个城市局部交通功能的失效，成为了城 市经济、社会可持续发展的瓶颈。以北京市为例，一九九六年，全市共发生交通 堵塞1 6 7 9 8 起，市区严重堵塞的路e l 、路段是一九九四年的3 倍多，公共汽车 平均运营速度在“五五”期间为19 k m h ，由此造成在“八五 期间，平均运营 速度仅为1 3k m h 。市区十一条主要干道的车速降至1 2 k i n l a ，个别路段时速仅 有7 8 k m h 。低速行驶加剧了汽车带来的其它问题，数据统计表明：九十年代， 北京市三百多条主要监测路段的交通噪声平均值一直处于7 2 d b 左右，高于国家 标准。北京市来自汽车排放尾气中的碳氢化合物( h c ) 、氮氧化合物( n o x ) 、 一氧化碳( c o ) 分别占北京大气污染物的7 3 、5 0 和6 3 ，是北京大气中的 主要污染源 4 - 6 j 。 近几十年来，尽管世界各国采取了各种各样的对策，但城市交通问题一直没 有很好地解决。在长期的实践中，人们逐渐认识到，仅仅依靠单纯地修建、扩建 道路，无法满足日益增长的交通压力。特别是在城市发展到一定程度，不可能进 行大的道路扩容建设，在这种情况下，一方面，从宏观上，通过交通需求管理， 合理控制机动车的使用量，使得道路上保持合理的密度，如实行单双号通行，大 力发展公共交通等，调节道路上的机动车的数量；另一方面，通过现在通信技术、 计算机技术、电子技术为核心的智能交通系统，通过一定技术手段，从微观上合 理控制，提高道路的通行能力，保障交叉口交通安全，减少延误。本文研究的干 道协调控制目的也是基于此，从微观上着手，提高干道效率，确保城市动脉畅通， 为解决实际的城市干道交通问题提供有益的方法和途径。 1 2 交通干道协调控制国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 一八六八年，在伦敦的威斯明斯特( w e s t m i n s t e r ) 街口，英国发明家奈特 ( j p k n i g h t ) 设置了世界上最早的交通信号灯。在夜间使用，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，它是仿效铁路信号。后 来，由于煤气信号灯的不安全性，在一次意外爆炸中结束了它的历史使命。一九 一八年，美国纽约街头上，出现了电气照明的三色信号灯，但是它必须需要人工 手动操纵。一九二六年，英国人伍尔弗汉普顿( w o l v e r h a m p t o n ) 在前人研究的 基础上，安设了第一座自动交通信号灯，摆脱了人工操纵的繁琐，但是这是一种 定时周期的交通控制方式，在交通量变化比较大的地方不是很实用，同时要针对 不同的时段的交通量设置不同的控制策略。一九二八年，美国巴尔的摩 ( b a l t i m o r e ) 试制成功了世界上第一台感应式信号机，这种感应式信号机所使用 了由交通工程师阿德勒( a d l e r ) 发明的橡皮管作传感器。从此，人们开始以系 统的观点，解决交叉路口“各自为政”孤立控制与交通流时空连续性之间的矛盾， 把相邻的几个交叉口作为一个整体来考虑，对几个交叉口进行协调控制。从此， 人们开始对干道控制开始研究，并取得了一系列的成果。 ( 1 ) 在理论研究方面 一般从基于绿波带宽度最大和基于延误最小两方面进行干道协调控制优化 研究。 早期，学者们通过理论分析，对定时式线控制系统采用时间一一距离图进行 交通信号协调控制的研究，通过采用较为直观的图解法和数解法确定线控制的重 要参数一一绿时差。这种人工作图或计算方法不仅十分繁杂，难免发生人为错误， 而且协调效果不一定是最好的，更无法处理多相位等复杂配时方案的多个交叉口 2 之间的协调。 目前主要集中在大系统递阶控制以及模糊控制等方法上。2 0 世纪7 0 年 代，m g 辛格等应用递阶大系统控制理论成功地在伦敦通向白金汉宫的一条由 3 个交叉口组成的干道上实现了递阶最优控制，开创了应用大系统理论解决城市 主干道交通控制问题的先例【7 1 。一九八四年，日本学者m n a k a t s u y a m a 等【8 1 将 p a p p i s 法p 】加以推广，提出两个理想交叉口的信号灯模糊干道控制方法，但他和 实际应用有较大差距。南韩学者j e e 。h y o n g l e e 等【l o l 于一九九五年出分散控制方 法，对交叉口群进行模糊控制，有较好的应用前景。 ( 2 ) 在实际应用中 一九一七年，世界上第一个线控系统出现在美国的盐湖城，它是一种可同时 控制6 个交叉口的手动控制系统。一九二二年德克萨斯州休斯顿市发展了可控制 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各个交叉 1 3 的交通信号进行协调控制。一九六七年p u r d y 生成了一种简易的、适用于新建 交叉口群的干道相位差计算方法，其只需输入各个交叉口的间距、绿信比、公用 周期时长和车辆的平均行驶时间【l l 】，由该方法得到各个交叉口绿灯时间的中点 时刻相差半个周期时长，即各个交叉口的中点时刻符合交互式协调控制。一九八 一年美国的j d c l i t t e r 和w d b r o o k s 等人利用最大绿波带相位差优化方法 开发的m a x b a n d ( m a x i m a lb a n d w i d t ht r a 伍cs i g n a ls e t t i n go p t i m i z a t i o n p r o g r a m ) 最大绿波带交通信号设计优化程序【1 2 】。m a x b a n d 针对给定周期时长、 绿信比、信号间距和连续通行车速的线控系统，对其信号时差进行优化，以获得 系统的最宽通过带，j d c l i t t e r 所建立的混合整数规划模型被m a x b a n d 选 为用作优化算法；把j d c l i t t e r 的“不等宽优化模型”和w d b r o o k s 的“互 相影响法 结合起来，作为p a s s e ri i 线控系统协调软件的优化算法，它可以处 理多相位配时。后面人们发现，当道路交通量非常大的时候，交通量接近饱和或 者过饱和的时候，这些以非拥堵情况下建立的这些模型而开发的干道协调控制软 件在的道路交通拥堵的情况不适用，所以，交通工程师针对道路交通过饱和情况， 研究了一些新的方法，开发了一些的干道协调控制软件，如k o w a l i 提出的a s c s 商业软件，t r a n s y t - 7 f 等，这些软件就是针对交通量过饱和的情况下而开发 的。 1 2 2 国内研究现状 我国对城市交通控制系统的研究起步较晚，2 0 世纪7 0 年代后期才对干道协 调控制问题进行研究，多集中在基于延误最小的协调控制优化方法上。 ( 1 ) 在理论研究方面 根据大系统- - 分解协调原理提出的城市干道协调控制理论有： 北京工业大学的赵国永等人针对中关村西区单向交通干道的交通状况，根据 大系统理论的分解协调思想，提出一种干道协调控制方案【l3 1 ，根据干道上各个交 3 叉路口上传的有关交通信息，在决策转换开关的作用下，决策协调单元采取相应 的控制策略：当干道的交通流量较大时，实施绿波控制；反之，实施分散协调控制。 控制策略比定时控制具有明显的优势，可显著地降低排队长度及车辆延误，提高 通行车辆速度，并能够实现绿波控制，可达到最终提高干道通行效率之目的。 基于模糊控制的城市干道协调控制理论有： 中国人民公安大学的吕兵等人针对当交通量变化频繁而剧烈时，传统控制模型具 有一定的滞后性，提出了类排队长度的概念，通过它来反映交叉口的排队程度和 交通状态，同时考虑交通干道上下相邻交叉口流入本交叉口的交通量，动态反映 出下一时刻交叉口的交通输入量，综合车辆在道路上的行驶时间和由此引发的延 迟，以此制定模糊控制规则，完成交通干道的控制的建模工作。并对这种模糊控制 方法【1 4 】进行了计算机仿真，结果表明，能够较好地解决干线模糊协调控制问题。 基于大系统分解一协调原理与模糊控制相结合的城市干道协调控制理论有： 东南大学的陈森发等人根据大系统分解协调原理，提出一种新的城市交通 信号灯模糊线控制方法【1 5 】和系统的两级递阶结构：控制级和协调级。控制级的 任务是负责输出各个交叉口信号灯的周期和绿灯时间；而协调级则是根据受控道 路的主次干道车流量的状况，对系统进行协调。由于不需要统一周期的时间，而 是由交叉口之间协调，所以可以减少车辆的平均延误。此外，还有刘智勇等人提 出用递阶结构和模糊理论来解决交通于道的实时协调控制问题【1 6 】，把干道上的 各交叉路口作为子系统，通过检测器检测各交叉路口交通量数据，通过光纤，上 传到协调器，然后以已经编制的模糊控制准则，确定干道上的各个交叉口的相位 差和干道公共信号周期，使得整个区域的总延误最小。并用在交通仿真软件证明 了该方法能够有效性，使得排队长度变小，减少了延误，达到了相应的控制目标， 结果比较理想。 基于流量预测模式的城市干道协调控制理论有： 同济大学的常云涛等人探讨了传统解法城市干道协调控制中存在的典型问 题，通过分析各个交叉口的“驶离一到达 模式，采用智能算法遗传算法求解，提 出了一种新的城市干道协调控制相位差优化设计方法【1 7 】，为大家提供了一种新 的研究思路和方法。并通过实例证明了该方法的优越性，与现实情况更加吻合， 具有较强的现实意义，达到了理想的控制效果。 ( 2 ) 在实际应用中 由于我国交通事业发展相对落后，在干线控制方面的研究起步比较晚，国内 的线控系统大多数是引进了外国的线控方法和技术，为了使国外的线控技术和方 法能够适用国内的情况，北京曾进行干线控制试验，并逐步在典型路段上加以推 广和应用，结果表明比较好。而在我国的自主研发方面，南京就走在前面，考虑 中国交叉口间距悬殊、路网密度低和复合交通条件，南京建立了我国完全国产化 的城市交通控制系统，其中设置了固定配时控制、无电缆联动控制和实时自适应 控制三种模式，能在特殊情况下设置7 0 条绿波带路线。 4 1 3 论文的研究内容和结构编排 本文已干道上相连交叉口的作为研究对象，对干道系统相连交叉口的周期时 长、各个交叉口的绿信比和相位差进行控制，对延误模型及优化算法进行了一些 深入细致的研究。 第一章叙述了城市交通干道协调控制研究的背景，介绍了干道协调控制的意 义，重点分析讨论了了国内外的城市交通干道理论研究和实际应用的一些研究成 果。 第二章首先介绍了城市交通信号控制的基本理论及相关评价指标，然后根据 不同的控制对象范围，对城市交通信号控制方法进行简单的回顾，最后简单介绍 了现在已经比较成熟、实用的干道协调控制相位差优化方法。 第三章首先介绍了干道协调控制的优化方法，然后分析其中以最小延误为控 制目标的干道协调控制模型，建立了考虑了车辆离散性的城市干道协调控制模 型。 第四章用蚁群优化算法对模型求解，设计了一个简单的三交叉口的干道系 统，在交通仿真软件v i s s i m 上进行仿真，与数解法进行对比分析。 第五章结论。 1 4 小节 本章首先简要地介绍论文研究背景，介绍了交通干道协调控制研究的意义， 然后从理论研究和实际应用两方面介绍了交通干道协调控制的国内外研究的现 状，为本文研究提供了研究视野，最后简单概括了本文的主要研究思路和结构安 排。 第二章城市交通信号控制基本理论 2 1 城市交通信号控制基本概念及评价指标 城市交通信号控制基本概念及评价指标是研究信号配时参数优化方法的理 论基础，通过采集处理交叉1 3 上下游的交通参数，运用一定的技术手段，优化和 确定合适的信号参数，从而使车辆安全、高效的通过交叉口。+ 2 1 1 基本概念与控制参数 ( 1 ) 基本概念 ( a ) 交通流量 交通流量是一个随机数，随着地点和时间的变化，交通流量也是动态变化的。 它指是单位时间通过道路或某一车道指定地点或断面的车辆数，如小时交通量、 十五分钟交通量等。 ( b ) 饱和度 是指某一相位时间内，实际进入交叉1 3 迸1 3 _ ，的交通流量g ，与该进道1 3 的 饱和流量的比值。计算公式为： 口一 = ( 2 1 ) 。一。 ) j 饱和度既是衡量路1 3 阻塞程度的一个度量，又是计算信号配时的重要参数。 ( c ) 通行能力 指的是在一定的道路和交通条件下，道路上某一路段单位时间内通过某一断 面的最大车辆数。即： ：粤 ( 2 2 ) l 其中n 为进1 3 道的通行能力，c 为周期时长，g 。为有效绿灯时间，s 为饱和 流量，。各进口道的通行能力之和则为整个交叉口的通行能力。 ( d ) 饱和流量 是指在一次连续的绿灯信号时间内，进口道上- n 连续车队能通过进1 3 道停 车线的最大流量，它是衡量交叉路口放行能力的重要指标。单位是p c u 绿灯小 时。 ( e ) 相位 在信号控制交叉1 3 ，在周期时间内按需求人为设定的，同时取得通行权的一 个或几个交通流的序列组称为相位。对于一个交叉路口，根据实际情况可以设计 为两相位、三相位、甚至八相位。图2 1 为两相位信号交叉口，南北向为第一相 6 位，南北向道路放绿灯，东西向道路放红灯；东西向为第二相位，东西向道路放 绿灯，南北向道路放绿灯。 图2 1 两相位交叉口基本方案 ( 2 ) 控制参数 ( a ) 周期 是某主要相位的红灯启亮始到下次红灯再次启亮的一段时间：或是信号灯各 种灯色显示时间之总和，即各种灯色轮流显示一次所需的时间。 在基本的信号配时中，周期时长与许多因素直接相关：如车均延误、饱和度、 交叉口通行能力等，周期是交通信号关键控制参数，它的确定对交叉口的控制效 果起决定性的效果。信号周期一旦发生改变，会引起许多因素发生变化：因此， 配时设计时通常应当首先确定周期时长，进而再确定其它各参数。信号周期长度 一般不小于3 6 秒，一般不超过1 5 0 秒，否则车辆在交叉口的延误急剧增加。见 图2 2 所示。 ( b ) 相位差 相位差分为绝对相位差和相对相位差。它是指在两个相邻的信号交叉口 中，并且它们的周期相同，两个交叉口的相同相位绿灯( 或红灯) 开始时间之差。 又叫绿灯起步时距或绿时差。相位差是交叉口群信号协调控制的一个重要控制 变量，协调控制配时参数优化主要体现在相位差的设计上。 绝对相位差差是指各个信号的绿灯或红灯的起点或终点相对于某个标准 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，相对时差等于两个信号绝对时差之差。 无论以红灯终点为标准的时差，还是以绿灯终点为标准的时差，它们都是相 等的。但是在运用方面有点区别：一般多用面控制系统中确定信号时差采用绿灯 起点或红灯起点为标准的时差。一般多用于线控制的通过带方法确定信号时差则 7 采用绿灯终点或红灯终点为标准的时差。 图2 2 两相位信号配时图 图2 3 相位差时距图 8 图2 3 为四个交叉口的相位差时距图，从图中可以找出相应的绝对相位差和 相对相位差。 ( c ) 绿信比 绿信比是一个相位的有效绿灯时间除以周期时长来得到的，用力表示计算公 式： 五：鱼( 2 3 ) c 式中：c 为周期长，为有效绿灯时间。 有效绿灯时间是指在一个相位中，车辆能够最大利用通行的绿灯时间。最小 有效绿灯时间一般不应小于5 s 。 合理的绿信比，能够提高交叉口时空利用率，增加交叉口的通行效率，增 加通过交叉的交通流量，减少延误。所以绿信比的大小对于疏通交通流和减少 车辆在交叉口的延误有着举足轻重的作用。 2 1 2 评价指标 交通信号控制主要目标是使各类、各向交通有秩序、高效率地通过。信 号控制交叉口的信号配时，在一定的交通条件下和一定的道路条件下，确定 适当的周期时长，确保每个相位的车辆不要进行二次排队，同时也不会留太 多的空余时间，以致车辆有序、安全、高效的离开交叉口，同时又能使停车、 油耗、延误等指标达到最小，这样既能降低运行费用又能保证车辆的安全高 效通过。因此，交通效益评价指标一般包括油耗延误、排队长度、停车次数 等指标。 ( 1 ) 延误时间 是指信号控制设施的限制或交通冲突给车辆带来的时间损失。平均延误 为交叉口各个进道口每辆车的平均延误；而总延误为交叉口进道口所有车辆 的延误之和。 延误也常作为确定信号控制系统效果的重要指标，是衡量路口通行效果 和计算信号配时的一个重要参量。 ( 2 ) 停车次数 一个信号周期内，完全停车次数的总和就是停车次数。一个信号周期内， 停车车辆数除以通过交叉口停车线的车辆总数则叫停车率。 ( 3 ) 通行能力 通行能力是指在实际的控制条件、交通条件和道路条件下，在一定时间 内通过交叉口停车线的最大车辆数。一定时间内，具有良好的路面条件和气 候条件，比如高峰1 5 分钟的时候车流的流率。 在一定的路面条件和气候条件下，在正常的周期长范围内，信号周期越 长，信号损失时间所占比例就越小，交叉口的通行能力就越大，但车辆延误 9 和油耗等也随之越大，但是当信号周期增加到定长度后，此时再进一步增 加信号周期，也未必能提高进口道的通行能力。信号周期影响信号控制交叉 口的通行能力。所以确定合适的周期，对提高交叉口的通行能力起着非常重 要的作用。相反，在饱和度比较小的时候，如果一味的追求通行能力的提高， 只会适得其反：增加车辆延误、油耗、噪音和空气污染，从整体来看，反而 影响交叉口的交通效益。 ( 4 ) 平均排队长度 各条车道平均排队长度一般是指该车道的绿灯相位起始时的长度。而在 一个信号周期内，各条车道排队最长的长度平均值则为平均排队长度。 2 2 城市交通信号控制方法 2 2 1 单点信号控制方法 一、定时信号配时方法 定时信号的配时方法在国际上主要有英国的t r r l 法( 也称w e b s t e r 法) 、澳 大利亚的a r r b 法以及美国的等效交通量法等，在我国有“停车线法和“冲 突点 等方法。随着研究的不断深入，定时信号的配时方法也在进一步的改进之 中。下面介绍的这种定时信号配时方法是如今应用较为广泛的美国的等效交通量 法。这种方法适用于两相位的信号配时方案，用等效交通量的换算公式把交叉口 的交通量转换成等效交通量，再利用周期时长与等效交通量之间的关系式求出交 叉口的周期时长，接着按相交车流的等效交通量，采用一定的方法分配给各相位 绿灯通行时间( 即显示绿灯时间) ，按照某一相位的有效绿灯时间与周期时长的比 值等于该相位绿信比的定义得到各个相位的绿信比，最后利用泊松流平均到达 率、置信度、周期内来车数三者之间的关系表对各个相位的绿灯时间进行绿时检 验。 s t e p l ：确定信号相位方案 信号相位方案是信号灯轮流给某些方向的车辆或行人分配通行权的一种顺 序安排。把每一种控制( 即对各个进口道不同方向所显示的不同色灯的组合) 称 为一个信号相位。一般，利用等效交通量法进行信号配时多采用两个相位，如： 第一相位时，南北显示绿灯，且这两个方向上的车辆可以通行，东西显示红灯， 禁行；第二相位时，东西显示绿灯，且这两个方向上的车辆可以通行，南北方向 显示红灯，禁行。 s t e p 2 ：确定周期时长 在确定周期时长前，首先需要将交叉口交通量换算成标准的交通量，然后根 据标准交通量来确定信号灯的周期时长，计算公式为： 圪= ( 矿+ 0 5 h 十o 6 l ) ，l( 2 4 ) l o 则周期时长公式为： c = 1 3 3 3 0 p “1 3 3 3 一匕)( 2 5 ) 式中：y 表示交叉口进口实际交通量( 辆d , 时) ，圪表示标准交通量( 辆 小时) ，l 表示左转车辆数( 辆d , 时) ，l 表示公交车、货车车辆数( 辆d , 时) ， c 表示周期时长，p 表示相位数，以表示进口有效车道数。 当同一相位中有多股车流通过交叉口时，主要依据是换算成标准交通量最大 的那股车流。 s t e p 3 ：确定绿灯时间 一个周期内，总的显示绿灯时间为： g = c p y 第i 个相位的显示绿灯时间为 g i = g y e v t 式中：y 表示黄灯时间，表示第i 股车流的交通量。 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 个相位中换算成标准交通量较大的那 s t e p 4 ：确定绿信比 某一相位的绿信比等于某一相位的有效绿灯时间与周期时长的比值。 s t e p 5 ：绿时检验 按照泊松流的平均到达率、置信度、周期内来车数三者之间的关系表和公式： g 0 = 2 1 x + 3 7( 2 8 ) 来对各个相位的绿灯时间进行绿时检验。 二、感应信号配时方法 交通感应信号有全感应控制和半感应控制两类。交通感应信号是在交叉口进 口道上设置车辆检测器，通过检测器的检测数据，得到进口到的交通需求，通过 计算机或者一定的控制算法，使信号分配的时间适应测得交通需求的一种控制方 法，这样能够最大利用交叉口的通行能力，使尽可能少的车辆减速或排队，减少 延误，达到交通畅通的效果。由于这种交通感应控制的特性，这种方法对车辆随 即到达的适应性较大。 交通感应信号的基本工作原理：在某一个相位中，预设一个“初期绿灯时间 g 二在感应信号控制器内，当初期绿灯结束时，检测该相位进口到是否有车，假 如检测到没有车辆的到达，则即可变换成下一个相位；如检测器测到该进口道还 有车辆即将进入交叉口，则该相位绿灯延长一个设置好的“单位绿灯延长时间” g 0 。为了防止其它相位给与的时间少，造成新的延误，使得整个交叉口延误增 加，该相位还设置一个最大绿灯时间，绿灯一种延长到一个预置的“极限延长时 间 g 一时，也中断这个相位的行驶权，即使检测到后面仍有车辆的进入交叉 口。实际绿灯时间g 小于绿灯极限延长时间g 嗽而大于初期绿灯时间g 响。 2 2 2 千道协调信号控制方法 一、定时式干道协调控制的协调方式 ( a ) 单向协调控制 单向协调控制适应于单向交通街道或者双向交通量相差十分悬殊时，单向交 通信号协调控制是比较容易实现，相邻各交叉口信号间的时差可按式2 9 确 定： 0 ，= 三x3 6 0 0 ( 2 9 ) 。 v 式中，d ，表示相邻信号间的时差( 秒) ，s 表示相邻信号间的间距( 米) ，1 ，表 示线控系统车辆可以连续通行的车速( 千米d , 时) 。 ( b ) 双向协调控制 双向协调控制又分为交互式协调控制、续进式协调控制和同步式协调控制。 续进式协调控制是根据交叉口的间距与路上平均区间车速，确定车流到达下 一交叉口的时间，从而确定合适的时差，使得车流进入下一交叉口时，刚好能够 顺利的通过。它是通过协调各个相邻交叉口绿灯的启亮时刻，当在上一交叉口绿 灯时间驶出的车流，采用合适车速行驶，当下游交叉口绿灯启亮时，车流正好到 达。通过这种方法，在若干个交叉口，使进入系统的车辆可连续顺利的通过，减 少排队时间和延误。 同步式协调控制是指在当相位为干道协调相位时，一个系统中的全部信号全 部信号灯显示相同的灯色。为了达到这样一个条件，当信号周期时长整数倍时等 于车辆在相邻交叉口间的行驶所需时间，便可以采用同步协调控制。即相邻交叉 口的间距符合下列关系： s ：旦 ( 2 1 0 )s = lzj 3 6 0 0 式中：c 表示系统周期时长。其余符号意义同前。当我们处理实际情况时， 如为了改善干道的车辆通行，当沿干道方向的交通量远大于支路道路的交通量 时，并且相邻两交叉口间距又相当短，可把相邻的两交叉口的信号控制采取相同 的相序和相同的相位时间，协调相位绿灯同时启亮，组成一个同步式协调控制系 统；或当干道高峰小时交通量大，高峰小时交通量接近饱和时，下游交叉口红灯 时间内，车辆排队长度由于过长，形成二次排队，导致排队长度越来越长，上溯 到上游交叉口时，我们也一般把这些交叉口组成同步式协调控制。很明显，在使 用条件下，这种系统有严格的前提条件，具有很大的局限性，并且，由于前面交 叉口信号也是绿灯，驾驶员为了在下一交叉1 ：3 顺利通过，他会加速追赶绿灯，严 重影响着驾驶员驾驶行为，容易造成交通事故。 交互式协调控制与同步协调控制方式却不同，同步协调控制是相邻的交叉口 的协调相位显示相同的灯色，而交互式协调控制显示相反的灯色。即在同一时刻 1 2 防调相位的车流，连接在系统中的相邻交叉口的信号显示相反的灯色。信号周期 时长的一半的奇数倍等于车辆在相邻交叉口间的行驶时间时可以采用交互式协 调控制。即满足： s ：兰生 ( 2 1i ) 2 木3 6 0 0 进行交通调查和相关资料收集 确定交叉1 3 渠化及初步配时方案 确定关键交叉口和系统周期时长 优化各交叉口绿信比和绿灯显示时间 确定系统推进速度并进行系统求解 确定系统的绿波带宽度和信号时差 进行系统试运行、系统调整、系统评价 系统方案是否最优 是 结束 否 图2 4 干道信号协调控制技术流程图 定时式线控控制的配时方法首先确定干道系统的周期时长，即根据每个交叉 口的计算交通量及交叉口的形式，运用单点定时控制的配时方法确定每个交叉口 所需要的周期时长，以计算得到的周期时长最大的交叉口为关键交叉口，以此周 期时长作为干道系统的系统周期时长；其次确定各个交叉口的绿信比，即以各个 交叉口所需的周期时长并根据主次道路的流量比，计算各个交叉口各相位的绿信 比及显示绿灯时间和有效绿灯时间；最后确定干道系统的相位差，最后验证方案 实施效果。干道信号协调控制技术流程见图2 4 。 二、感应式线控协调方式 从上面可以看出，当干道车流量比较少的时候，而采用线控系统，确实能够 保证干道上车流的顺利通过，但是对于整个系统来说，总延误有可能反而高，这 是由于牺牲了支路方向的通行能力。针对这一缺点，结合感应控制的优点和线控 系统的优点，配以车辆检测器，在线控制系统中使用感应式信号控制机。感应式 线控系统是当交通量比较低的时候，各交叉口的信号机各自按独立状态操作；当 检测器测得交通量超过一定阀值时，各交叉口独立状态操作结束，全面执行线控 系统控制。 感应式线控系统可分为半感应信号机的线控系统、关键交叉口感应式线控系 统、全感应信号机的线控系统。 2 2 3 区域交通信号控制方法 区域交通信号控制系统的控制对象是城市或某个区域中所有交叉口的交通 信号。我们把城区内的全部交通信号的监控，作为一个指挥控制中心管理下的一 套整体的控制系统，是单点信号、干道信号系统和网络信号系统的综合控制系 统。，它是随着交通控制理论的不断发展，通讯、检测、计算技术在交通领域的 广泛应用而发展起来的。 目前比较有代表性并且在实践中取得了较好应用效果的区域交通控制系统 有t r a n s y t 系统、s c o o t 系统、s c a t s 系统等。 ( 1 ) t r a n s y t 系统 t r a n s y t ( t r a f f i c n e t w o r ks t u d y t 0 0 1 ) 【1 8 】是英国交通与道路研究所与1 9 6 6 年提出的脱机优化网络信号配时的一套程序，t r a n s y t 是一种脱机操作的定时 控制系统，系统主要由仿真模型及优化两部分组成，其基本原理如图2 5 所示。 t r a n s y t 在优化配时时，对于饱和及超饱和交通的控制具有一定的局限 性。 ( 2 ) s c o o t 系统 s c o o t ( s p l i t c y c l e o p t i m i z a t i o nt e c h n o l o g y ) 1 1 9 】即“绿信比一周期一相位 差优化技术，是由英国运输研究所( t r l ) 于1 9 7 5 年研制成功，是一种对交通信 号实行实时协调控制的自适用控制系统。s c o o t 已经历了二十多年的发展，全 世界共有超过1 7 0 个城市正运行着该系统。其基本原理如图2 6 所示。 1 4 圈25t r a n s y t 基本原理圈 囤26s c o o t 原理图 但是s c o o t 系统的也有不足之处，首先为了建立交通模型，它需要通过检 测器上传的交通交流数据，同时建立需要大量的路网属性数据，比较费时费力； 其次，其基于延误模型的交通协调假定速度也是采用相同的速度、车队到达率时 不变的，没有考虑车速的离散性和车队行驶的连续性，同时也没有考虑其它评价 性能指标。再次信号相位相序不能根据不同的交通状态自行改变；最后，在其中 的算法中，对饱和度的估算直接影响着绿信比的估算，由于每次采用比较小的调 整策略，变化幅度不大，由此造成了对交通量变化的周期不太实用，控制相对滞 后不能满足这个周期的交通需求等缺陷。 ( 3 ) s c a t s 系统 s c a t s ( s y d n e yc o o r d i n a t e da d a t i v et r a m cs y s t e m ：悉尼协调自适应交通系 统) 2 0 l 是由澳大利亚新南威尔士道路和交通局( r t a ) 于上世纪7 0 年代末研制 成功的，从1 9 8 0 年起陆续在悉尼等城市安装使用。目前，世界上大约有5 0 个城 市正在运行s c a t s 系统。在我国，s c a t s 系统已在上海、天津、宁波、杭州等 几个城市投入运行，并且取得了一定的实施经验。 s c a t s 区域控制机负责信号协调控制区域被分成多个子区，每个子区由1 1 0 个信号交叉口组成，子区内信号机具有共同周期c 。在每个子区内，s c a t s 预先规定信号周期的四个限值：c m 。x 一信号周期最大值，cm i n 一信号周期最小值， c 。一中等信号周期时长，它能使得子系统范围内双向车流行驶有较好连续性的， c x 一一种略长于c 。的信号周期。系统同时根据子区的类饱和度，采用小幅度更 新算法，避免了因反应过大造成交通控制不稳定，最长步长为6 秒。标准的s c a t s 系统是一种三级结构，最下级为交通信号控制器，负责战术执行任务；中间级为 区域控制机，完成区域的协调任务；最上级为控制中心，负责整个管理系统的任 务；当路口数较少时，可省略最上级的控制中心，减少建设成本，构成了一个由 交通信号控制器和区域控制机两级结构的最小系统。 s c a t s 由于设置了预先规定信号周期了四个限值，并且采用小幅度更新算 法，限制了方案优化程度；同时由于检测器安装在停车线处，难以预测下一时刻 的车辆的到达率，选择模式单一，相位差可变性不是很好。没有考虑速度的随机 性、车队到达时间和流量的大小，其基于带宽模型的交通协调控制系统具有一定 的局限性。 2 3 实用的相位优化方法 协调线控制系统相邻信号间的时差，有以下两种比较实用的方法：图解法和 数解法，现分述如下。 2 3 1 图解法 确定线控系统相位差，图解法是种很直观、容易理解的传统方法，图解法 的基本思路是：首先，做出车辆的时间一距离图，简称“时一空 图，然后通 1 6 过几何作图的方法，通过多次的引线，初步确定同步式协调或者交互式协调方式。 然后再通过对周期长度反复调整，调整通过带速度，最后再确定相位差，最终获 得一条比较理想的绿波，使得绿波宽度达到最大，提高绿波的通行效率。见图 2 7 所示的时距图。 图2 7 图解法时距图 2 3 2 数解法 确定线控系统相位差的另一种方法便是数解法，它通过一定的计算步骤，来 获得最优的相位差，它的基本思路是通过寻找系统中各实际信号距理想信号的最 大位移量最小为目标，研究确定相位差，得到最后的结果。 其计