（电路与系统专业论文）快速路网监控系统的方案设计与关键技术[电路与系统专业优秀论文].pdf

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科研成果。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责任由本人承担。 论文作者签名：挝i 整 日期：趁塑：兰：至 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 f 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：生幽丝导师签名：陋日 期： 加口j f2 山东大学硕士学位论文 中文摘要 交通是国民经济的基础产业，其发达程度是衡量一个国家现代化水平的重要 标志之一。利用电子技术来改善交通管理，国外在7 0 年代初，国内在7 0 年代末 就开始试验和应用，目前世界各国正在积极推进的智能交通系统i t s 则是通信技 术、控制技术和信息技术在交通系统中集成应用的产物。目前的智能交通系统尚 属于初级阶段，为推动中国i t s 的发展，国家在“十五”期间的8 6 3 计划、国家 自然科学基金、科技攻关计划中都给予了重点支持。i t s 中最核心的先进交通管 理系统a t m s 则随着交通监控系统研究与实践的不断深入，由交通控制演变而来。 考虑到我国大中城市特有的平面混合交通情况，基础设施建设的渐进性以及目前 交通管理的实际状况，a t m s 建设应该利用现有资源分阶段逐步进行，因此把交 通监控系统作为先进交通管理系统( a t m s ) 的基础研究与先期实践是合适的。 本文对上海高架道路网及其监控系统的现状和高架交通状况进行了初步的调 查，分析了现有系统的作用和不足，为系统的改造提供了依据和方向。根据现代 交通管理的要求，针对上海高架道路交通特点和管理现状，从监控定位、功能要 求、监控策略、监控措施等方面进行了系统研究，提出了适合上海高架道路特点 的“区域控制、广域诱导”的监控策略和监控管理的四步准则。制定了完整的交 通监控方案、关键技术参数和管理模式。以此为基础，完成了交通监控实施方案 的概念性设计。 在智能交通系统的基础理论和实际应用方面上，本文做了有益的探索与实践。 在分析、评价各种现有的交通流理论的基础上，提出了基于传统车辆跟驰理论的 新的交通流模型，该模型考虑了车流的宏观特征，可以定量给出路段交通流速度 与密度关系的理论计算模型，提出了交通流“健康”的概念，给出了定量的区分 标准。本文结合公交系统的无线电子站牌系统，完成了基于g p r s 通信平台的交 通信息发布终端的设计，内容包括系统的体系结构、功能需求、协议设定等。这 些工作对逐步实现交通系统的智能化诱导具有重要意义。 关键词：a t m s 交通监控系统交通流信息发布终端 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g n o f h i g h w a yt r a f f i cm o n i t o r i n ga n d c o n t r o l s y s t e ma n dk e yt e c h n o l o g i e s t r a f f i ci n d u s t r yi st h eb a s eo fac o u n t r y ，a n di te v a l u a t e st h e m o d e r n i z a t i o no ft h es o c i e t y e l e c t r o n i ct e c h n o l o g i e sw e r eu s e dt om a k e t h et r a f f i cm a n a g e m e n tb e t t e rf r o m19 7 0 s ，a n dt h e n i n t e l l i g e n t t r a f f i c s y s t e m ( i t s ) w a sb e i n ge m e r g e d a st h ec o m b i n a t i o no f c o m m u n i c a t i o n s ， c o n t r o la n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e s a st h ec o r eo fi t s ，t h ea d v a n c e d t r a f f i c m a n a g e m e n ts y s t e m ( a t m s ) i sd e v e l o p e d f r o mt r a f f i c m o n i t o r i n ga n d c o n t r o ls y s t e m t h i sp a p e rg i v e st h ed e s i g no ft h ew h o l em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l s y s t e m ，e s t a b l i s h e s t h er u m a i n gr u l e s ，k e yt e c h n o l o g yp a r a m e t e r sa n d m a n a g e m e n tm o d e a b o u t t h et h e o r ya n da p p l i c a t i o n so fi t s ，t h ea u t h o r m a d ean e wm o d e lo ft r a f f i cf l o wb a s e do nt r a d i t i o n a lc a r - f o l l o w i n g t h e o r y ，a n dg a v et h ew a yt oj u d g et h es t a t e o ft r a f f i cf l o wi sw h e t h e r h e a l t ho rn o t a ne l e c t r o n i cb u ss t o po ng p r sp l a t f o r mw a sd e s i g n e d f r o ma r c h i t e c t u r e ，f u n c t i o n st op r o t o c o l k e yw o r d s ：a t m s ，t r a f f i cf l o w ， i n f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o n t e r m i n a l ， t r a f f i cm o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e m 4 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 交通是国民经济的基础产业，也是社会发展和人民生活水平提高的基本条件。 交通运输的发达程度是衡量一个国家现代化水平的标志之一。随着国民经济的快 速发展，对交通运输的各种需求明显增长。现在，特别是在城市，车和路的矛盾 已经成了热门话题。 根据世界各国几十年的统计，道路的增长率总是低于汽车的增长率，因此车 和路的矛盾仅仅靠兴建新的道路是不可能解决问题的【交通部报告l 。人们注意到： 在交通高峰时期，中心城市道路系统和国家高速公路系统并不是全部都发生交通 拥堵，有相当一部分道路，交通仍然很畅通。于是智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r ts y s t e m ，简称i t s ) 应运而生。 目前i t s 包括的范围大致如下【交通部报告】：先进的交通信息服务系统 ( a t i s ) ，先进的交通管理系统( a t m s ) ，先进的公共交通系统( a p t s ) ，先进 的车辆控制系统( a v c s ) ，货运管理系统( t c s ) ，电子收费系统( e t c ) ，紧急事 件管理与救援系统( e m s ) 。 美国m o b i l i t v2 0 0 0 1 给交通管理系统下的定义是：在街道与公路上，为了 监视、控制和管理交通而设计的一系列法规、工作人员、硬件与软件等部分的组 合。在这个定义中，“监视”是一个关键的概念，即交通监测，它是信息采集、分 析处理的过程，是进行有效的交通控制与管理的前提，监视的最终结果是使交通 运行的实时状况可视化。智能交通管理系统就是利用先进的信号检测手段获得交 通状况信息，通过有效的交通控制模型形成有效的交通控制方案，以多种信息传 递方式使交通控制设备或管理人员和道路的使用者获得道路信息和交通管理方 案，最终能最大限度地发挥整个交通系统的运输和管理效率。 1 2i t s 、a t m s 与交通监控的关系 交通监控是一个传统的技术术语。随着交通监控系统研究和实践的不断深入， 交通控制的内含已逐步演变为交通管理，交通监控系统也已发展为交通管理系统。 山东大学硕士学位论文 随着交通管理系统中技术含量的提高和功能的增强，交通管理系统则发展为先进 接通管理系统( a t m s ) 一一这就是智能交通系统( i t s ) 的一个重要分支。在本 论文中，考虑到目前的使用习惯，依然沿用交通监控这个术语一一不过，这里采 用其广义的含义，即类同于交通管理。 1 3 智能交通技术发展趋势与我国现状 智能交通系统是信息科学与技术在运输系统中集成应用的产物。在技术的应 用层面，可以划分不同层次的智能交通系统。如图1 3 所示。 图1 3 智能交通系统的层次 从图中可以看出，以j l 董控为主体的交通系统处于i t s 的最底层，智能化程度 是最低的，但也是从现有的交通设施起步发展的不可缺少的阶段。 目前全世界比较普及的智能交通系统排位如下：第一是智能式交通控制与监 视系统：第二是不停车收费系统：第三是停车场诱导系统；第四是实时速度控制 系统；第五是实时交通信息显示系统；第六是车辆导航系统；第七是公交优先控 制系统：第八是非常事件检测与预测系统。这也说明了现在各国的i t s 发展大部 分还在监控阶段。 6 山东大学硕士学位论文 我国的i t s 研究起点就是城市交通监控系统，始于2 0 世纪7 0 年代初，整个 系统通常包括电视监控系统和交通信号控制系统两部分。其中，电视监控系统可 以将受监控道路路口或高架路上下匝道的现场图像画面传送到交通控制中心为交 通指挥人员提供第一手资料，以便及时疏通道路或者处理交通违章和事故；而交 通信号控制系统则是依靠路1 3 埋在地下或悬挂在立柱上的交通传感器、控制器， 借助通信线路将车辆信息传送到中央控制系统，经过计算机软件处理后再返回路 口控制器，来改变路口信号灯状态或记录器程序，达到科学合理组织路口车流的 目的。 1 4 论文的主要内容和工作 1 4 1 课题来源 本文的研究主要是基于国家“十五”智能交通系统应用试点示范工程。以上 海高架道路为具体对象研究快速路网监控系统的方案设计与关键技术问题。 1 4 2 研究的目的和意义 上海的高架快速道路始建于1 9 9 2 年，在经济发展和日常生活中起着越来越重 要的作用。在高架工程相继完工的同时，高架交通监控系统也部分投入了使用， 交通流状况在不断发生变化；人们对交通监控系统的认识也在不断深化，最初系 统的局限性也随着交通流量的不断增加而逐渐显现。有鉴于此，上海市建委、科 委和市政工程管理局决定对高架交通监控系统进行改造和升级；作为该项工程的 第一步，首先进行高架道路交通监控方案的研究。 高架道路的交通管理是高架系统运营管理的主体，是城市管理的重要组成部 分；高架道路的监控系统则是现代交通管理的必要辅助管理决策手段，是提高高 架路网通行能力的必要保证。“申”字高架系统已经建成，目前的交通监控系统难 以满足复杂的交通管理的需求，也无益于上海作为国际大都市的形象。所以，研 究高架路网的交通监控系统是十分必要的。 同时，作者对交通流模型的初步研究工作和智能终端设备的设计，也从理论 和应用上为智能交通系统的发展起了促进作用。 山东大学硕士学位论文 1 4 3 研究内容 对高架道路和高速公路交通监控系统的现状和高架交通状况进行初步的调 查，分析现有系统的贡献和不足： 根据现代交通管理的要求，针对上海高架道路、高速公路交通特点和管理现 状，从监控定位、功能要求、监控策略、监控措旌等方面进行了研究，提出了适 合上海高架道路特点的“区域控制、广域诱导”的监控策略和监控管理的四步准 则，制定了完整的交通监控方案、关键技术参数和管理模式。进行了交通监控实 施方案的概念性设计； 根据交通监控方案的技术要求，提出了能够充分利用已有交通监控资源的系 统改造实施方案，包括监控中心改造方案、外场设备改造方案和通讯系统整合方 案： 在智能交通系统的理论基础和实际应用上，作者做了有益的探索与实践。在 第四章的交通管理关键技术实践中，专门讨论了交通流模型的建立，提出了基于 传统跟驰理论的新的交通流模型，结合公交系统的无线电子站牌分析了g p r s 通 信平台的交通信息发布终端的设计。 第二章交通监控系统的概念设计 2 1 交通监控的功能需求 一个完善的交通监控系统是由完善的交通管理机构、明确的交通管理职责、 合理的交通监控策略和可靠的软硬件设备组成的有机整体，交通管理人员是交通 管理的主体，软硬件设施则是进行交通管理的辅助决策工具。根据这一概念和上 海高架道路的具体条件、交通状况和目前的管理状况，研究提出了上海交通监控 的主要功能需求如下： 1 、具有交通信息的实时自动检测、监视与存储功能，应具有兼容、整合不同 来源交通信息的功能。 2 、能够对所检测到的交通信息进行自动分析。判别交通流状况，及时发现高 架上存在的交通问题，包括常发性的交通拥挤、偶发性的交通事件以及交通事故 8 山东大学硕士学位论文 等。在中远期，系统应能够发现潜在的问题。 3 、系统发现问题或潜在的问题后能够及时向相关交通管理人员报警。 4 、系统能够接受交通管理人员的各类交通指令和干预并能够及时的做出正确 响应；能够为管理人员提供处理常见交通问题的预设方案和决策建议。这就要求 系统应具有大范围的信息采集功能和完善可靠的软硬件配备。 5 、系统应具有在正确的位置发布交通信息的能力，以调节、诱导或控制相关 区域内交通流的变化。在现阶段，主要发布一些交通拥挤指南和拥挤持续时间等 信息，在中远期，应具有提供最优路线、行程时间等信息的能力。应逐步创造条 件改变目前交通主体的交通行为，使交通主题从目前的被管理者转变为交通管理 的参与者。 6 、系统应具有与地面交通监控中心进行信息交换或信息共享的功能。在近期， 在相关的节点应能够进行协调或统一控制。在中远期，应考虑与外环线、高速公 路网的信息共享、信息交换和协调控制。 7 、应配备足够的专业交通管理人员，制定明确的交通管理职责、权限范围和 严格的操作规程，使交通管理人员具有“前线指挥员”的素质。应具有完善的、 职能分明的交通管理机构，能够不断根据交通状况的变化进行技术调整、技术更 新和相应的技术培训。 8 、交通管理系统应具有可靠的硬件设备和通讯系统，应具有及时检查、维护 这些设施的能力。 9 、通过上述功能的实现，保障高架道路的畅通，从而减缓整个道路系统的交 通压力。 值得强调的是，交通监控系统的作用不是无限的，它只能充分发挥现有高架 道路设施的通行能力，在现阶段无法从根本上增加道路的通行能力；能够适当弥 补或改善交通设施规划设计的先天不足，无法彻底改变因先天不足所带来的交通 问题；能够适当缓解交通供求矛盾，无法彻底解决严重的供不应求现象。 2 2 两级协调的交通监控策略 对于大都市快速道路网，不管网络结构多么复杂，所遇到的交通问题按其影 响范围都可分为两类：一类是局部问题( 区域内问题) ，另一类是全局问题( 或跨 山东大学硕士学位论文 区域问题) 。这两类问题需要不同的处理方法，同时这两类问题出现的频率也有较 大差别，绝大部分时间里出现的都是局部问题。“申”字形高架道路的建成，使上 海市的道路网，特别是快速道路网结构发生了较大的变化，也为许多中、长距离 机动车的出行，提供了多种路线的选择。因此，上海快速路网的交通管理必须从 传统的面向单个对象( 大桥、隧道及单条道路) 、静态管理模式，向面向区域、面 向网络、动态的管理模式转变。 根据以上特点，本研究提出了“区域控制、总体诱导”的分区域二级协调控 制策略；上一级为总体协调层，下一级为单元直接控制层。即根据目前高架道路 存在的主要问题以及各部分的关联程度，将整个高架道路系统分成7 个单元，每 个单元管理一个区域，对于各区域内出现的局部问题( 不影响其他区域) ，单元独 立处理，对于影响其他区域或涉及整个网络的重要事件，通过总体协调层解决。 2 2 1 两级协调控制层的功能 1 、总体协调层的主要功能 总体协调层的主要功能是协调跨区域的交通控制信息，汇总、分析、决定和 发布大范围的诱导信息，其主要功能是： 1 ) 诊断影响范围较大的交通问题( 如重大事故、严重堵塞、严重的交通负载 不平衡等等) 。 2 ) 设置全局控制参数( 如重要事件、施工区、不利气候条件) 。 3 ) 解决各控制单元之间的冲突。使各种控制指令在各单元之间保持兼容性和 一致性。 4 ) 向各控制单元发布控制指令，并设置优先级顺序。 5 ) 可执行完全分散控制。 2 、区域直接控制层的功能 1 ) 上送管理区域的主要交通事件。 2 ) 根据总体协调层的指令和问题区域的交通状况产生单元控制方案。 3 ) 执行控制方案。 4 ) 在通信故障情况下，可执行降级分散控制。 l o 山东大学硕士学位论文 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ i j _ | j | t _ 自_ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ e _ - _ - _ _ _ e t _ _ _ _ - _ _ _ e _ - 2 2 2 监控策略的实施方式：人工控制与自动控制 不管是地面道路，还是高架道路( 或高速公路) 的交通控制，既可以使用人 工方式( 人工指挥) ，也可以使用自动控制方式。总体来讲，对于简单的、相对独 立的交叉口或入口匝道，有经验的人工指挥可能比计算机自动控制在某些情况下 更有效，但对于复杂的交通系统，特别是对于上、下游相互影响较大的道路，设 计合理的计算机辅助控制方式有很大的优势；计算机辅助控制的另一个优点是计 算机不知疲倦，在各种恶劣气候条件下仍能工作，且有利于安全。 不过，任何控制策略都不可能涵盖所有工况，尤其是在系统使用初期，所以 系统应能够随时方便地接受人工的干预，必要时完全降级为人工控制。 2 3 监控策略的具体内容 1 、入口匝道控制 对入口匝道而言，决定控制的往往不是或者说不仅是匝道本身，更重要的是 与主线的交通状况有关。对入口匝道的交通控制，需要检测主线上的交通状况。 检测范围应在本入口匝道的附近及下游，长度取决于下游的道路设计状况，如车 道数、下游匝道的位置等。一旦考虑的范围确定，计算机就可以根据布设于该范 围内的检测器分析其交通状况。一旦达到其闽限值时，计算机将立即提示交通管 理员发现了问题；交通管理员通过c c t v ( 闭路电视监控系统c l o s e dc i r c u i t t e l e v i s i o n ) 予以确认，根据经验进行判断，决定是否需要采取匝道控制措施。由 于匝道上的车辆发生抛锚或交通事故也会影响交通状况，此时需要及时救援或处 理。因此，匝道上同样需要设置交通检测器。 考虑因素：包括主线和入口匝道交通状况。 入口匝道的控制策略为： 1 、匝道调节一一双队列交替汇入的车辆进入方式： 2 、匝道暂时关闭：下游附近发生事故且出现严重堵塞：下游出口匝道出现严 重拥挤，影响了主线交通；入口匝道附近主线出现交通需求大于通行能力导致的 严重交通拥挤；特殊交通需求； 3 、入口、出口协调控制； 山东大学硕士学位论文 - _ _ - _ - - _ l - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ 4 、原则上不设汇入检测器，不进行入1 3 汇入控制； 5 、设置非停车区； 2 、出口匝道控制 出口匝道的交通状况主要受出口道路状况和交通组织状况的影响，当出口匝 道上的交通事件足以影响主线交通时，采取控制或引导措施才是需要的。出1 3 匝 道上的问题主要有两类，一种情况是由于地面道路的问题引起的出口匝道阻塞排 队，另一种情况是出口匝道上出现了交通偶发事件，此时需要及时救援或处理。 控制策略为：在主线相关区域内进行交通诱导，与地面交通相关的控制近期采用 被动适应式，远期采用主动协调式。 3 、高架立交 立交连着两个高架道路，同为城市快速干道，所以交通控制与出入口匝道的 控制虽然有类似之处，但不完全相同。在高架立交处，建议的交通控制策略是在 相关的区域内实行交通诱导。 4 、主线控制 主线是车辆赖以运行的主体。进行交通监控的目的，就是要保证主线的畅通。 在匝道上采取了若干控制措施之后，主线所发生的主要交通问题是偶发事件，而 由于交通量的盲目增加导致的交通拥挤理论上不应再出现。主线交通控制的一般 策略为：根据主线上的交通状况控制入口匝道；在影响范围内的地面道路上发布 诱导信息；远期在发生局部交通事件时进行车道控制；在不良气候或交通事故时 发布指导性的车速信息，以缓冲事故的影响，保证行车安全；在上游主线上发布 通告性交通信息。 2 4 交通监控软件的功能需求 交通监控系统在控制策略的指导下，其日常运行可分为信息采集、信息处理、 事件处理、信息显示、信息发布、信息查询六个步骤。其信息流程如图2 4 所示。 * 信息采集 监控系统通过车辆检测器检测、能见度检测器检测、气象检测器检测、紧急 电话呼叫、闭路电视外场摄像机、巡逻车报警、外场设备工作状态反馈等手段来 山东大学硕士学位论文 掌握全路的概况、以及特殊路段( 互通立交、特大桥、隧道、浓雾多发区) 的交 通运行信息。信息采集工作由监控分中心组织实施。 * 信息处理 1 根据交通流信息和图像信息，判断交通状况并预测发展趋势； 2 根据能见度信息，来判断道路上的能见度状况： 3 根据气象信息，来判断道路上的气象状况：能见度正常与否、风速是否影 响行车。路面是否有积冰等： 4 根据事件警报信息，来判断事件种类、严重程度、影响范围，以及确定应 通报的相关单位； 5 根据设备信息，来判断故障类型和故障原因，以便及时安排维护。 * 事件处理 监控系统通过计算机系统对信息进行处理后，自动产生相应的异常事件，给 管理人员提供辅助决策依据，并进行相应的事件处理j 1 如果发生交通阻塞，产生相应的告示信息供发布使用，程度严重时可封闭 部分入口匝道： 2 如果能见度较低或气象恶劣，产生相应的告示信息并在有关的可变情报板 上显示，并按能见度大小设置可变限速板的限速值，大雾时可通知主管部门关闭 全线入口； 3 如果发生事件报警，及时通知路政、交警、消防、医院等部门； 4 如果发生设备故障或通信故障，通知维修部门及时进行维修。 监控系统中的计算机系统有手动控制模式和自动控制模式两种，在正常情况 下，计算机系统针对外场设备采集的实时数据，近期建议选择手动控制模式为主， 由操作人员输入指令，驱动可变情报板和限速板显示：在发生异常事件的情况下， 计算机系统可选择复合控制模式( 半自动控制模式) ，一方面计算机系统通过人机 界面向操作人员报警，同时自动提出异常事件处理预案，操作人员可选择计算机 系统提出的预案进行自动处理，也可以人为干预，其中人工控制优先级高于自动 控制的优先级。 山东大学硕士学位论文 * 信息显示 监控分中心和监控中心可进行实时信息显示。显示设备有大屏幕显示屏、闭 路电视监视屏和计算机系统中的各工作终端。在平时的正常工作中，信息显示以 各工作终端为主。 l 工作终端与大屏幕可实时、动态显示辖区内外设备采集数据、交通运行情 况和设备工作状况。此夕 ，工作终端的图形界面还可对高速公路地形图进行无级 缩放。 2 闭路电视监视器屏可实时显示闭路电视外场摄像机摄取的视频信号、监测 辖区内交通运行状况。 3 大屏幕显示屏如采用投影仪，可切换显示图形计算机界面和闭路电视系统 的摄像机视频信号。 t 信息发布 监控系统可根据需要向高速公路沿线设置的可变情报板发布信息，为高速公 路道路使用者提供信息服务；监控系统还可根据需要通过互联网、交通广播电台 等向社会发布交通运输信息。一般说来，监控分中心负责所属路段内信息发布， 监控中心负责对外统一信息发布；当监控中心需要向某路段发布信息时，也需通 过监控分中心实施。另外需注意，所谓对外信息发布通过监控中心，并非意味着 信息均需在物理上集中到监控中心后才统一发布，而是从逻辑功能上来说的，在 监控中心的统一管理和调度下通过通信网将要发布的信息传送到相关接收者，这 包括了监控分中心之间的相关信息的共享。 + 信息查询 监控系统能够完成每天工作数据的备份和重要文档的存储，同时附有时间、 属性记录，操作人员凭安全等级授权，查询历史数据信息，或将其报表打印，系 统将对每次调用作出记录。 山东大学硕士学位论文 r 。一。一一。一。一一一一一 ! 磐雪竺盟： 图2 4 交通监控系统运行管理信息流程示意图 2 5 交通诱导信息 高架系统连接着上海几个重要的交通节点，如南浦大桥、杨浦大桥、过 江隧道、虹桥机场等，一旦这些通道受阻，必须以较大的提前量告知汽车驾驶员 去做出其它可能的选择，此时局部范围的控制和诱导难以产生好的效果，必须通 过总体协调层的信息调度达到大范围的诱导效果。 2 6 交通中心 2 6 1中心的等级与职能 根据交通管理的技术需求和国际上的发展趋势，交通中心可以划分为两个等 级，一是交通监控中心( t c c ) ，二是交通信息与管理中心( t i m c ) 。交通监控 中心是交通监控的主体，负责交通状况的直接信息采集、分析与控制；交通信息 山东大学硕士学位论文 与管理中心是交通监控中心的高一级组织，其职能是监视主要地段的交通状况和 交通监控中心的运行状况，协调不同交通监控中心之间的关系。管理中心更多的 是行使政府管理职能，一般不直接指挥或控制道路上的交通状况，如果管理中心 认为有必要对道路上的交通状况进行干预，则须通过交通监控中心进行。 交通监控中心有选择的将所采集的或处理后的交通信息送往交通信息与管理 中心：管理中心通过汇总不同交通监控中心的交通信息，形成监控区域内完整的 交通信息。管理中心可将交通信息显示在一个完整的交通信息平台上：通常，该 信息平台是一种地理信息系统( g i s ) 。管理中心的信息可以有偿、无偿或部分有 偿地送往交通信息发布中心，如电视台、广播台、无线寻呼台和建立专业交通信 息网站( w e bs i t e ) 等。如果电台、电视台开辟专门的交通频道，则t i m c 应成 为其当然的信息源。 另一方面，由于交通流特征经常发生变化，必须对交通流特征进行不断的分 析和建模，及时更新系统核心模型并对系统操作员进行培训，这些也是t i m c 的 基本任务。t i c c 与t i m c 的相互关系如图2 6 1 所示。 交通信息与管理中心t i m c 由 字 高 架 t c c 杨 浦 大 桥 t c c 南 浦 大 桥 t c c 逸 仙 路 高 架 t c c 打 浦 路 隧 道 t c c 延 安 路 隧 道 t c c 图2 6 1两级交通中心及其相互关系 2 6 2 交通监控中心的监管模式 苗 浦 大 桥 t c c 大 连 路 隧 道 t c c 在监控中心，由交通管理人员负责交通的管理与控制。考虑到目前仍处于交 6 山东大学硕士学位论文 通监控系统的初步使用阶段，所以为了便于管理人员适应、熟悉这种交通管理方 式，本项目采用分单元协调控制的总控制策略。对于每个监控单元，交通管理的 主要程序、步骤为：发现问题、确认问题、解决问题和评估效果，该过程这里简 称为交通监控的四步准则。 1 、发现问题 主要由检测器完成。检测器将检测到的信号直接或经处理后传送到监控中心 t c c ，监控软件对该信号进行处理以判别交通状况。若发现交通异常( 包括可能 的交通异常) 时，及时通知或提示交通管理人员。 检测器所能发现的交通异常问题与管理要求有关，也与检测器所在的位黄有 关。在不同的地段，由于所采用的控制策略不同，所以采用的软件以及所要发现 的问题均不完全相同。这些都必须根据具体的情况研究具体的方案，根据具体的 交通流特征分析开发相应的交通诊断软件，并根据实际情况分析研究适用的参 数一一这是一项非常细致的工作。 发现问题是整个管理工作的第一步，能否及时发现所产生的各类交通问题直 接关系到交通管理工作的成败。要及时发现问题，就要求所设置的检测器具有足 够的密度和足够的可靠性。在城市高架道路上由于交通密度大，一旦发生拥挤 或事故立即会影响较大的范围，所以检测器的密度要比一般高速公路上的高。 2 、确认问题 计算机软件发现道路上有交通异常问题存在时，计算机无权直接处理任何交 通偶发事件，尽管计算机的决策库中存有解决交通问题的各种预案。计算机的职 责是尽快通知交通管理员。当交通管理员接到计算机的通知或提示时，必须立即 确认事件。确认所采用的主要手段是c c t v ( 闭路电视) 系统。计算机在提供交 通事件发生的地点的同时，还应提供距该事件最近的两个摄像机的位置，管理人 员可以通过遥控装置遥控摄像机，获取最清晰的道路交通图像，确认事件的严重 性，判断其交通影响，决定是否需要采取相应的措施。 由于交通偶发事件可能发生在道路上的任何位置，所以摄像机必须足够多， 必须覆盖整个高架道路系统( 至少应该覆盖经常发生交通事故的区域) ，能够确认 道路上任一点的交通状况。 如果道路上发生的是交通事故，则在“确认”环节里，至少应该确认如下内 1 7 山东大学硕士学位论文 _ - _ - _ - _ _ - l _ l _ _ _ - _ - - _ - _ - i - 容：确认交通事故的具体位置；确认事故的特征，如车辆类型、严重程度等：确 认事故对交通流的影响。 3 、解决问题 管理人员在确认了偶发事件的存在之后，应迅速做出判断，判断是否需要采 取应变措施。实际上，并非所有的偶发事件都需要采取交通管理措施，有些交通 拥挤会在很短的时间内自行消散，只有那些导致长时间排队的事件才需要采取控 制或指导性措施。不过，随着管理经验的增加和管理水平的提高，不一定要等到 事件发生之后才采取措施。当预见到可能将会发生事件时就应该发出指令一一这 样的管理就相当令人满意了。 当管理人员认为有必要采取措施时，计算机将会提供可能采用的若干方案供 管理人员参考。交通管理人员应迅速做出选择，确定应采取的措施，并实施这项 措施( 如发出禁行令或指导信息，通知交警、医护、消防或其它有关部门) 。 4 、评估效果，改变指令 管理员发出交通令之后，交通状况将会随之变化。究竟效果如何，交通管理 员应该不断监视交通状况的变化，做出评估，乃至适当时候改变指令，直至交通 恢复通畅为止。 2 6 3 监控单元 与监控子区相对应，监控中心内的控制也分单元进行，一个或两个交通管理 人员对应一个控制区域。这样，相应于7 个区域，监控中心也划分为7 个监控单 元。这样划分由于各单元在逻辑上相对独立，所以系统的扩充或缩减不会对整个 系统产生实质性的影响，一个单元的故障也不会对其它单元产生影响；在实施交 通监控的初始阶段，这种方式便于管理人员上手管理，职责明确。 交通管理员主要通过单元控制台计算机进行交通控制，其显示示意如图2 6 3 所示。主要信息有关于改单元的高架道路及相关道路的图形信息、交通检测器的 位置信息、c c t v 监视器位置信息和以不同颜色显示的交通状况信息等。 山东大学硕士学位论文 c c t v 摄像机 标志 图2 6 3单元控制台显示示意图 控制台计算机的基本功能： 图形的放大、缩小等g i s 基本功能： 显示各断面交通流大小，以图、表、颜色、数值等方式给出交通流的实时 基本参数和时段代表性参数： 能够兼容不同来源( 环形线圈、紧急电话、其它电话等) 的交通信息； 能以直观方式显示该单元内任一检测器的工作状况： 采用循环扫描方式实时采集单元内各检测器的工作状况； 对所检测的交通数据进行实时分析，判断交通流状况，根据判断结果决定 交通流状况是否正常，发现交通运行过程中的问题，并将问题的位置、性质和最 近的c c t v 摄像机的位置及时告知交通管理人员： 在交通管理人员确认了问题的性质之后，向管理人员提供对策建议； 能够显示有关可变信息板和可变信息标志目前的状态和显示内容，能够进 行显示内容的编辑和叠加； 发布交通信息，弗判别所发布的信息与实际交通状况的相符程度，及时提 醒交通管理人员取消或改变所发布的信息； 进行匝道调节信号的实时自适应局部或全局控制； 几种匝道的自适应控制方案为： 口全局自适应控制是指配合总体诱导，特别是下游1 5 k m 范围内( 包括 南北高架桥) 发生严重堵塞( 堵塞长度超过1 3 k m ) 或有其它重要事件如重要 活动时，通过限制入口的流量或关闭入口尽量减少进入拥挤区域的车辆。 山东大学硕士学位论文 口局部区域自适应就是将两个入1 ：3 匝道一起进行协调自适应控制，根据两个 匝道的重要程度、排队长度及主线拥挤状况调节两个匝道的进入流量，从而使这 一小区域的总服务量( 车公里) 、总进入量( 车辆数) 最大，或者总延误最小。 口单点自适应就是只考虑入口匝道及主线附近( 上下游5 0 0 1 0 0 0 m 范围 内) 的交通状况，综合分析下游检测器、上游检测器及排队1 、排队2 检测器信 息，自适应调节进入流量，使总服务量最大，或总延误最小( 包括尽量减少对地 面交叉1 ：3 的影响) ，同时改善汇入区的运行安全。 在绝大部分时间里，特别是高峰期，系统运行在局部区域自适应模式。在特 殊情况下，系统自动执行全局自适应模式。在以下两种情况下系统转入单点自适 应模式：1 匝道控制器与监控中心通信故障；2 匝道与匝道之间的关联程度( 相 互影响) 降低，如流量降到某一特定值。 实际上，局部自适应控制算法是在单点自适应算法的基础上进行适当修改和 扩充得到的。在近期，控制策略以采用单点或局部自适应控制为宜。 将有关信息自动记入数据库，传向大屏幕投影屏上的g i s 系统，使该g i s 系统中的交通状况数据能及时更新： 能够将本控制台计算机上的显示信息切换到大屏幕投影屏上； 能与主控制台计算机进行实时通信 控制优先级，如下表所示： 控制方式优先级说明 人工现场控制模式第一级现场交通指挥人员可通过控 制面板或遥控器对匝道信号 机进行控制 控制中心系统控制模式第= 级正常自适应( 局部全局) 控 制模式。系统可以接受人工干 预，且干预指令优先。 降级控制模式 第三级系统发生某种故障时自动降 级为局部自适应或多时段固 定配时控制模式，甚至降级为 凡t 樟由i 撼吉 山东大学硕士学位论文 2 7 信息发布方式 随着技术的进步，交通信息的发布方式已非常丰富，大范围的发布方式有： 广播电台、电视台、b p 机、i n t e r n e t 网和交通信息发布亭等，在这些发布方 式中，有关申字高架的信息可由交通信息与管理中心( t i m c ) 统一提供。不过， 就交通监控中心( t c c ) 而言，其信息发布仅限于申字高架及有关的地面控制点。 这样一来，本研究建议的信息发布方式有如下几种： 2 7 1 地面信息标志 用以向流向高架道路的地面交通指示附近高架道路上的交通状况，推荐采用 组合式交通信息标志。示意图如下： 图2 7 1 地面信息标志 2 7 2 可变信息标志 可变信息标志设置于高架道路上，用于多类信息的发布，可采用可变信息 板或组合式可变信息标志形式。 2 7 3 匝道信号标志 匝道信号标志有两类，一类是用于匝道调节的信号，一类是用于匝道关闭的 信号。 囹囹因 山东大学硕士学位论文 图2 7 2 可变信息标志 2 7 4 大型可变情报板 图2 7 3匝道信号标志 对于一些重要的交通节点，所需要发布的交通信息较多，采用文字方式在告 诉行车的条件下难以看清。所以，推荐采用图形式可变情报板。 2 8 主要参数要求 2 8 1车辆检测器 检测器的设置与其功能有关。对于上海高架道路，主要有三种功能； 口交通参数的统计、计算，如：流量、速度、占有率、行程时间计算。 口配合实施各种交通控制策略，如：a n 匝道控制、出i = l 匝道引导、车道控 制、可变速度控制等。 口交通异常的自动检测。 其中第三种功能与检测器的间距关系最密切。目前，在快速道路交通监控系 统中，欧美国家用于交通异常自动检测的间距范围一般是4 0 0 米1 5 0 0 米，推荐 范围是4 0 0 米8 0 0 米( 交通量较大的路段) 。其结论是：当间距小于4 0 0 米时， 各项性能指标( 检测率、平均检测时间、误检率) 改善不是很明显，费用、性能 综合指标反而下降；当间距大于8 0 0 米时，各项性能指标明显变差。 这里需要说明的是，欧美国家所用检测算法以多截面检测算法为主，其检测 器设置、性能指标计算也是基于这类算法。 日本高架道路( 包括交通量较大的高速公路) 检测器的设置间距一般为3 0 0 山东大学硕士学位论文 米，所使用的检测算法，以单截面算法为主，所使用的参数主要是速度。如果不 考虑费用，直观上分析，检测器间距越小越好。对于上海高架道路，本研究综合 认为4 0 0 米5 0 0 米较合适，其主要理由是： 1 、检测算法所使用参数中，流量、速度和占有率，占有率最稳定，即可靠度 最高，因此算法应以占有率参数为主： 2 、多截面算法比单截面算法有明显优点，因为前者考虑了上、下游的相互影 响，充分利用了交通流时间、空间变化特性； 3 、高架道路没有路肩，交通量较大，交通管理要求高。 2 8 2 平均检测时间的确定 设高架道路的一般路段交通量为1 2 0 0 p c u h l ( p a s s e n g e r c a ru n i t 小客车 单位h o u r 小时，l i n e 车道) ，平均速度为6 0 k m h 。发生事故后，所有车道 堵塞，堵塞密度为1 4 0 p c u k m l ，则反射波的传播速度为 1 4 0 - 划b 舢 6 0 即，在中等流量条件下，发生较严重事故后，反射波的速度范围为7 k m h 1 5 k m h ，平均检测时间t 为： t = 反射波传播时间+ 数据统计间隔 反射波传播时间= o 5 x 检测器间距，反射波速度 2 8 3 行程时间、排队长度的估算与预测 1 、排队长度的估算与预测 为了通过各种可交信息标志提供高架主线及出、入匝道交通状况信息，需要 确切知道各段的拥挤程度，其中一个重要的参数就是排队长度( 堵塞长度) 。对于 高架主线及出、入口匝道，堵塞的定义分别是： 高架主线：速度小于2 0 k m ，h ； 出、入口匝道：速度小于1 0 k m ，h 。 估算是指对交通参数当前值的计算或估计；预测是指对交通参数将来值( 一 山东大学硕士学位论文 般5 分钟) 的计算或估计。近期应能进行准确估算：远期应能提供预测值。 2 、行程时间的估算和预测 这里的行程时间有两个含义。一是指两个重要节点之间的行程时间：第二是 指车辆经过某一堵塞区域所需时间。这两种行程时间都要在信息显示中使用。近 期提供估算值；远期提供预测值。 2 8 4 检测器布设参数 1 、主线平均每4 0 0 5 0 0 米设一组检测器，匝道入口段( 匝道入1 ：3 上游1 0 0 1 5 0 米、下游2 0 0 米一一即汇入区下游4 0 8 0 米) 两端各一组。包括环形线圈、 图像、雷达或微波检测器： 2 、出、入口匝道设l 2 组检测器： 3 、系统对检测器的采样周期，l o s 3 0 s 可调，平均2 0 秒。 通过对上述参数的实现，可以达到如下效果： 1 、峰期阻塞车道事故的检测时间小于2 分钟。 2 、事故的响应时间小于4 分钟( 包括检测时间) 。 3 、降低事故清除时间2 0 。 4 、减少进入事故影响区交通流量约1 0 2 0 。 2 8 5 电话 内环线上已设置了大量的紧急电话。据调查，紧急电话的使用率不高，高架 道路上没有足够的安全空间是重要原因之一。采用其它电话的问题在于司机，乘客 一般不知道监控中心的电话号码。目前移动电话的普及率已经很高，如果监控中 心的电话号码尽人皆知，电话报警的数量就会大大增加。所以除了保留原有的紧 急电话外，不再设置新的紧急电话。为了使驾驶员和乘车人员及时知晓监控中心 的电话号码，建议在申字型高架道路沿线每5 0 0 米设置交通异常专用报警电话指 示牌，电话使用3 或4 位号码。 今后随着道路定位技术的应用，控制中心可根据移动电话自动确定事故报警 者的位置，并自动切换及控制相应摄像机进行监视及确认。 山东大学硕士学位论文 2 8 6 监控子区的设置 按照既定的原则，划分的控制子区，单元应使交通管理员方便、自如的进行交 通指挥。综合考虑交通监控的要求，拟定如下单元划分原则： 监控单元是监控工作的逻辑单元。单元划分的结果以及对监控单元的 调整不影响监控设施( 检测器、可变情报板等) 的布设。根据这一原则，在系统 运行过程中，可以方便的对监控单元进行重组，以适应管理人员的技术水平和交 通流的重新分布。 监控子区的大小要适中，与管理人员的管理能力相适应。 一个监控子区所涉及的信息处理量要适中，所选定的计算机系统能够 胜任信息的采集、处理、分析和发布等工作。 在交通状况上具有较大相关性的匝道或路段应划分在一个子区内，以 便调节交通流的分布。 各单元内的交通拥挤或交通管理的繁忙程度应尽量平衡。 第三章系统实施方案 3 1 监控系统目前存在的问题 上海的高架道路始建于1 9 9 2 年，在高架工程相继完工的同时，高架交通监控 系统也部分投入了使用，时间最长的已经超过5 年。5 年来，高架道路网的格局 发生了很大的变化并已最终成型，交通流状况也随之发生了变化；最初的系统使 用了5 年以上，己接近其使用寿命；人们对交通监控系统的认识也在不断深化， 最初系统的局限性也随着交通流量的不断增加而逐渐