（交通运输工程专业论文）中小城市交通信号控制理论及实施技术研究.pdf

业立童道厶堂童些亟堂位迨塞主塞缝噩 中文摘要 摘要：交通是现代社会的基础，是人类社会的经济命脉，人类社会的行为与 交通息患相关。然而随着经济的发展，汽车的保有量急剧增加，交通拥挤、交通 事故等问题已成为全球面临的共同问题。 近年来，世界各国在交通控制领域展开了广泛而又深入的研究，并取得了丰 硕的成果。本文在这些研究成果的基础之上，结合我国中小城市特点，提出适合 我国中小城市交通状况的信号控制方法和技术，通过调查，提出我国城市在采用 检测器时的可选类别，根据从郑州市道路上获得的数掘进行了验证。通过实地调 查，选取一条适合进行干线协调控制的道路，利用计算机仿真技术对干线协调控 制的应用效果进行验证，得出结论：利用干线协调控制可以有效缩短干线上的车 辆通行时间，减少路网总交通延误。根据郑州市近几年的经验，干线协调控制适 合目前我国中小城市交通状况，值得推广。 关键词：中小城市；交通控制；信号配时优化；绿波带：协调控制 分类号：u 6 业立銮适厶堂童些亟堂位监塞旦s ! 睦! a b s t r a c t a b s t r a c t ：1 r a n s d o r t a t i o ni sf o u n d a t i o na n de c o n o m i cv i t a l s i nt h em o d e m s o c i e t y t l l a ta r ec l o s e l yr e l a t e dt oh u m a ns o c i e t yb e h a v i o r s h o w e v e r ，w i t ht 1 e d e v e l o p m e n to fe c o n o m y t h en u m b e ro fc a r si ss h a r p l yi n c r e a s i n g s ot r a 仿cj 锄a n d a c c i d e n t sh a v eb e c o m et h ec o m m o ni s s u e so f t h ew o r l d m a n yc o u n t r i e si nt h ew o r l dh a v ec a r r i e do me x t e n s i v ea n dd e 印r e s e a r c hi nt h e f i e l do f t r a m cc o n t r o l ，a n dt a k e no u tp l e m i m la i l ds u b s t a l l t i a la c h i e v e m e m sr e c e n ty e a r s 0 nt t l eb a s i so ft h e s ea c h i e v e m e n t sa n da n a l v s i so nt 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c so fs m a ua n d m e d i u m s i z e dt o w na l l d c i t i e s i no l | rc o u l l t 以t h et h e s i sp u t sf o n v a r dc o r r e s p o n d i n g w a y sa n dt e c h n i q u e so fs i g n a lc o n t r o l s ，w h i c hh a v eb e e nv a l i d a t e di ns o m ea r e a s b a s e d o ni n v e s t i g a t i o n ，t h et h e s i sp u t sf o n v a r dt h es u g g e s “o nt h a tc i t i e si nc h i n ac a ns e l e c ti n t h ea d o p t i o no fd e t e c t o r s ，w h i c hw e r ec h e c k e db ys o m ed a t ai nz h e n g z h o u b y6 e l d s u r v e v o n er o a d w a vi ss e l e c t e dt h a ti ss u i t 拍t oa r t e r i a lc o o r d i n a t e dc o n t m la n dt h e e 仃色c t so fa l i g m e mc o o r d i n a t e dc o n t r o li sv a l i d a t e db y 仃a m cs i m u l a t i o n ，c o n c l u s i o n s a r ed r a w nt h a ta n e r i a lc o o r d i n a t e dc o n t r o lc a i ls h o r t e nt h et i m eo fv e h i c l eo nt h e h i 曲w a ya 1 1 dr e d u c eo v e r a l lt r a 衔cd e l a yo fw a y - n e te 廊c t i v e l y a r t e r i a lc o o r d i n a t e d c o n t r o ls u i t ss o m em i d d l ea n ds m a nc i t i e si nc h i n aa n dw o n hp o p u l a r i z i n ga c c o r d i n gt o s o m ee x p e r i e n c e si nr e c e my e a r si nz h e n g 血o u k e y w o r d s ：s m a l la i l dm e d i u m s i z e dt o w na n dc i t i e s ： t r a f f i cc o n t r o l o p t i m i z a t i o no f t h 珩cc o m m l ；g r e e nw a v eb a 董l d ；c o o r d i m t e dc o n t r o l c l a s s n o ：u 6 致谢 本论文的工作是在我的导师陈旭梅副教授的悉心指导下完成的，陈旭梅副教 授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三 年来陈旭梅老师对我的关心和指导。 陈旭梅副教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都 给予了我很大的关心和帮助，在此向陈旭梅老师表示衷心的谢意。 陈旭梅副教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示 衷心的感谢。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 e 盛銮适盔堂主些亟堂焦迨塞 i l宣 1 引言 1 1 研究背景概述 1 1 1交通问题的现状 交通是现代社会的基础，是人类社会的经济命脉，人类社会的行为与交通息 息相关。然而随着经济的发展，汽车保有量的急剧增加，交通拥挤、交通事故等 问题已成为全球面临的共同问题。世界汽车保有量已达8 亿辆，其中美国2 亿多 辆，日本7 5 0 0 万辆，欧洲2 亿多辆。中国汽车的保有量处在快速增长阶段，轿车 己开始进入家庭，中国汽车保有量从1 9 7 8 年不足百万辆，到2 0 0 1 年达1 ，6 1 0 万辆， 以年均1 3 5 的速度增长。到2 0 0 6 年北京汽车保有量达到3 0 0 万辆左右，郑州市 汽车保有量达9 0 力辆，全国汽车保有量突破4 ，3 0 0 力i 辆，预计今后仍将以每年新 增7 0 0 8 0 0 力辆的速度增长i ”。城市交通越来越拥挤，出行难已成为困扰人们生活 的首要问题。 在国外，特别是西方国家，由于经济发展较快，早在6 0 年代，交通问题就同 渐突出；在我国，由于经济发展相对较晚，汽车拥有量相对较少，在改革刀二放i j i 及初期，这一问题并不严重，但随着我国经济的飞速发展，机动车辆的增多，从 8 0 年代中期，特别是进入9 0 年代以来，我国的交通状况同渐恶化，交通拥挤只渐 严重，特别是一些大中城市，交通拥挤已成为制约城市经济发展的瓶颈。随着我 国城市化进程的加剧，汽车工业的发展以及汽车家庭化的普及，在全国一些中小 城市也相继出现了交通拥挤问题。 交通问题每年给世界各国造成了巨大的经济损失。2 0 0 3 年，美国8 5 个丰要城 市冈交通堵塞每年的经济损失高达6 3 0 亿美元，问接经济损失高达l ，0 0 0 亿美几1 ： 由于交通阻塞，同本东京的专业运输成本1 9 8 5 年与1 9 8 0 年相比，年度成本增加 约8 4 2 亿同元，每年因交通拥挤造成交通参与者时间损失的价值相当于1 2 3 ，0 0 0 亿 同元：而欧洲每年因交通事故、交通拥挤造成的经济损失分别达到5 0 0 亿欧元和 5 0 0 0 亿欧元；2 0 0 3 年我国因交通拥堵造成的经济损失高达2 ，5 0 0 亿元，相当于当 年g d p 的2 【3 】。 在我国，交通拥挤也同样造成了相当严重的影响。以北京市为例，交通问题 己成为影响城市正常功能发挥和城市可持续发展的一个全局性问题。1 9 9 6 年，全 市共发生交通拥挤堵塞1 6 ，7 9 8 起，市区严重堵塞的路口、路段从1 9 9 4 年的3 6 处 猛增至9 9 处，城区主要道路的平均负荷度高达9 5 以上，由此造成市区主要干道 e 丞窑垫厶堂童些亟堂焦诠塞i l吉 的车速降至1 2 k m 1 1 ，个别路段时速仅有7 8 k m 1 1 【4 1 。郑州市2 0 0 3 年对全市6 0 多条 城市道路进行调查，平均行驶车速仅为1 8 3 0 k m l l 。 交通拥挤的加剧，不仅造成巨额的经济损失，发展严重甚至会导致城市功能 的瘫痪。交通拥挤不仅使交通延误增大，行车速度降低，带来时间损失；而且低 速行驶增加耗油量，导致燃料费用增加、能源浪费：汽车尾气排放增加造成环境 质量恶化，掘科学家测定，大气中所含一氧化碳的7 5 、炭氢化合物和氮氧化合 物5 0 来源于汽车的排放。掘统计，北京市仅来自汽车排放尾气中的一氧化碳、 炭氢化合物、氮氧化合物分别占北京大气污染物的6 3 、7 3 和2 2 ，是北京大 气中的主要污染源1 5 j 。因此由交通问题而引起的环境问题同样已成为人类社会的公 害之一。此外，交通拥挤使交通事故增多，而交通事故的发生又造成交通拥挤加 剧，从而形成恶性循环。 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 很好的解决，在长期的实践中，人们逐渐认识到，仅仅依靠单纯的修建道路，无 法满足日益增长的交通需求。在交通问题严重的市区，由于建筑格局已比较固定， 进行大的道路建设往往是不可能的，在这种情况下，利用先进的计算机、通信、 控制技术来解决交通问题成为必然的选择。 i 1 2 城市交通信号控制系统的发展 从2 0 世纪6 0 年代以来，世界各国丌始研究一种范围较大的信号联动协调控 制系统。这一研究工作不仅包括电子计算机作为控制系统中柄的应用( 硬件和软 件的技术开发) ，也包括大规模数掘传输系统和各类终端设备的研究。1 9 6 3 年，在 加拿大的多伦多市，第一个以数字计算机为核心的城市交通控制系统( “u t c ”系 统) 诞生了。从此，开始了交通控制发展历史的新纪元。因为系统试验获得圆满 成功，所以在6 0 年代未和7 0 年代在西欧、北美、闩本很快地建立了与多伦多系 统相似但比它有所改进的“u t c ”系统1 6 l 。由于近年来微处理技术的进展和各种新 型微处理机的问世，不仅出现了以微处理机作为主控机的区域交通控制系统，而 且各种终端控制设备( 信号机、检测器和交通状况自动记录仪、系统故障监视装 置、可变交通标志等等) 也开始广泛运用微处理技术，从而使控制系统的功能只 臻完善，控制技术也发生飞跃性的变革。 与此同时，在软件技术丌发上也出现了可喜的进展。1 9 6 9 年，英国道路与交 通研究所( t r r i ，) 设计的区域控制系统优化程序认n s y t ( 1 r a m cn e t w o r ks t u d v t 0 0 1 ) 被世界各国广泛采用，把交通控制技术推向更高的发展阶段。随后英国的 s c 0 0 t ( s p l i tc y c l eo 仃s e to p t i m i z a t i o t e c l l l l i q u e ) 即绿信比信号周期绿时差优 2 韭峦銮道厶堂童些亟 堂焦迨塞i i主 化技术，澳大利亚的s c a t s ( s y d n e yc o o r d i n a t e d a d 印t i v e1 h 衔cs y s t e m ) 系统， 意大利的u t o p i a 系统，法国的p r u d y n 系统以及德国的m 0 1 1 0 n 系统相继问 世并在世界各地投入使用，取得了良好的效果。美国运输部联邦公路局近年来在 从事自适应式交通信号控制系统的研究后得到结论：当城市交叉路口采用了先进 的交通信号控制系统后，减少了行车延误时| 、日j ，提高了路口的通行能力，降低了 车辆的停车次数，减少了燃料消耗和汽车排放的有害物质等。 我国在交通控制系统方面的工作起步较晚，2 0 世纪7 0 年代后期北京市开始采 用d i s 一1 3 0 型计算机进行了干道协调控制的研究。2 0 世纪8 0 年代以来，城市道 路交通问题越来越严重，我国的北京、上海先后引进了英国和澳大利亚的新一代 控制系统。北京、上海交通控制系统的建立，对于我国大中城市交通控制系统的 发展起到了很大的示范和促进作用。进入2 0 世纪9 0 年代以后，我国省会一级的 城市基本都建立了区域交通控制系统。但是从交通控制系统的实际运行而言，这 些交通信号控制系统的模型和软件因没有考虑到我国城市交通的具体现状( 混合 交通、道路服务水平较低、车辆性能参差不齐等) ，使用效果不佳，无法有效地解 决城市交通拥挤1 7 j 。 1 2 中小城市交通特点 我国中小城市多是由原来的城( 县) 镇发展而来的，如河南省的巩义市、登 封市、禹州市等，与大城市相比中小城市有城市规模较小，交通设施发展相对滞 后，能够用于改善和解决交通问题的资金较少，低收入市民所占比例较大，生活 节奏相对较慢等m j 特点。 1 经济实力不强 由于多方面的原因，中小城市的经济实力与大城市是无法相比的，经济实力 的不强，就会导致多方面建设受到制约。2 0 0 4 年中国省市经济实力排名榜显示， 河南省与上海市的经济实力相当，而河南省由1 8 个地市，4 0 多个中小城市组成。 巩义市2 0 0 0 年财政收入3 2 5 亿元，而同年郑州市财政收入超过1 0 0 亿元，上海市 财政收入3 ，1 5 0 6 亿元；郑州市2 0 0 0 年用于道路交通方面的投资比巩义市的财政 收入总和还要多。由于经济的制约，中小城市的交通建设与交通管理就会相对落 后的多。 2 道路设施落后 中小城市道路建设滞后于城市化、机动化的发展，交通设施明显落后于大城 市，目前大多没有地铁等轨道交通和城市快速路设施，封闭车道相对较少，以其 经济实力修建轨道交通的可能性很小；中小城市道路网密度低，且有些结构不合 e 峦窑塑厶堂童些亟堂焦逾塞 l 壹 理；平交路口通行能力不足，路网系统不完善，现有道路的几何结构与车道划分 等有许多不适应交通状况的方面，交通高峰时，通行能力不足；侧向进出交通干 扰主路交通；车道数不足；车道功能不合理；交通岛的大小和位置不合理。 3 公路穿城现象普遍 中小城市因为规模较小，其交通问题未能够引起重视，而中小城市大部分依 赖于过境公路发展，在社会经济发展和机动化程度不断提高的情况下，其用地形 态布局和交通的矛盾越来越突出。一般而言，城市越大，与外界的联系越多，区 内交通、区际交通越多，过境交通较少；相反，城市越小，对外的联系越弱，区 内与区际交通越少，而过境交通量越大。根据统计，一般l o o 万人以上城市，过 境交通只占1 ，9 ，5 0 1 0 0 万人的城市，过境交通占8 1 4 ，l o 5 0 万人的城市， 过境交通占1 2 2 8 ，2 1 0 万人的城镇，过境交通占1 4 - 4 7 ，而2 万人以下的 小城镇，过境交通高达6 0 以上一j 。 有统计资料表明，我国建制镇9 0 以上是过境公路穿城的布局，中小城市也 有许多是由过境公路穿城布局发展而来，而非公路穿城的乡镇大多比较落后和偏 僻。随着社会经济和机动化的发展，公路穿城带来的问题越来越严重。就笔者所 调查的几个中小城市而言，这种情况非常普遍，见表1 - l 。 表1 1河南部分城市国、省道过境情况 o 类 捌府 国道 省道 开封 1 0 63 1 02 2 0郑汴开杞路、杞太 路、开兰路 巩义 3 l o豫2 3 7 豫3 1 4 禹州郑南许漯郑平 登封 2 0 7豫0 3 豫3 1 4 密度较高，但千支结构不尽合理 一般中小城市只有干支两套道路系统，而由于历史形成的原因，大多数城镇 仅仅有几条穿城干道，其它道路相对狭窄；在发展过程中，支路间距不均匀，有 的间距几十米，有的间距数百米，造成道路系统的先天失调。许多地段是先建房， 后通路，造成道路开辟的随意性和无序性，曲折、错位的小路多，机动车难以通 行。 而今中小城市道路建设又出现贪大求洋的倾向，新建或者改造的道路不管实 际需要如何，一律采取干道的做法，宽宽荡荡，而旧的道路依然狭窄、拥挤，形 成旧城条条是支路，新区路路是干道的局面。 4 e 夏至垣厶堂主些堡堂垃 监 塞i i壶 5 缺乏管理，道路资源被侵占现象严重 如前所述，中小城市的原始积累和发展源自过境公路的带动作用，而这种作 用又具体表现为兴办市场、沿路开店。马路市场、马路商店侵占道路资源，并不 是说市场、商店直接占路，而是指沿路修建的市场、商店因为缺乏规划和管理， 紧贴道路，没有自己的车辆和人流疏散场地设施，结果进出市场、商店的人车均 拥挤在道路上，造成交通堵塞。城镇每逢集市的日子，这种状况非常明显。 6 机动化水平偏低 虽然我国机动车发展迅速，但对于中小城市而占，非机动车还有广阔的空问， 特别是对于平原城市，笔者曾对开封市个别路口交通量进行调查，发现非机动车 还有相当大的比例，与机动车相比基本上在l ：2 左右，见表1 2 。 表1 - 2 丌封市部分路口交通构成情况 类别高峰白天1 2 小时合计 路口泰 机动车1 r 机动午机动车1 f 机动乍 人南fj 5 0 0 21 0 4 2 23 8 8 0 97 4 7 1 2 橡胶厂 2 5 5 16 6 7 02 5 4 2 35 3 2 6 8 马市街4 1 5 61 0 4 2 23 8 6 3 87 1 1 1 8 新街口6 1 0 81 5 1 6 03 6 8 9 27 8 2 3 2 7 交通违法严重 由于历史、社会等原因，我国中小城市人口与大城市相比整体文化素质偏低， 法律意识淡薄，知法守法人员非常少，特别是对交通法规的了解。掘统计，大中 城市机动车违法率为1 2 1 ，非机动车违法率为2 4 4 ( 数据来自郑州市公安交通 警察支队) ，而中小城市大城市机动车违法率为2 4 7 ，非机动车违法率为3 5 6 ( 数据来自开封市公安交通警察支队) 。 8 交通控制手段落后 由于受其城市经济实力所限，中小城市罩交通控制手段相对落后。首先是专 业技术人员相对匮乏，据笔者在河南省各交警支队了解的情况来看，有大专文化 以上的人员不足5 0 ，受到过交通管理方面专业知识培训的人员不足1 0 ，仅有 1 的人员能够对信号机进行操作。其次控制手段落后，现在仍有很多地方还维持 着五、六十年代的陈旧模式：即在路口设置岗点，民警以岗点为中心疏导交通， 纠工f 违法。 9 公共交通服务差 目前我国中小城市公交服务存在的主要问题是：不准点、车次少、拥挤、公 交线路覆盖面不完全。目前我国绝大多数的中小城市，公交出行方式仅占居民出 j e 塞童逼盍堂童些亟主堂鱼监塞 i i壹 行结构的5 1 0 f 1 0 】。 1 3 研究内容及意义 1 - 3 1 论文研究的内容 本论文在我国交通控制系统逐步现代化的背景下，结合我国中小城市道路基 本设施、交通控制发展、道路交通法律法规以及中小城市交通参与者现状，提出 了中小城市交通信号控制策略并对其实施技术进行研究。本论文的研究内容由如 下几部分组成： 1 城市交通信号控制系统框架研究。该部分首先提出了交通控制中信号相位、 信号周期、绿信比等常用的控制参数的概念，并给出了信号控制按照方式和策略 的分类划分。在分析国内外先进的信号控制系统的基础上，提出了适合我国国情 的中小城市交通信号控制系统的框架设计，给出中小城市交通信号控制系统的结 构与功能。 2 交通信息检测技术研究。交通信息检测是城市交通控制系统的重要组成部 分。它主要包括实时交通信息采集、数据传输、分析处理三大系统。介绍交通信 息检测器的种类及其相应的性能，结合郑州市使用情况，提出我国城市在采用检 测器时的可选类别。 3 信号交叉口交通特性研究。交叉口是城市交通控制与管理问题的瓶颈，对 信号交叉口车辆到达特性、速度特性进行研究，通过流量调查进行验证。信号交 叉口的通行能力及延误是交叉口信号配时优化的重要指标，作为重要内容来研究。 4 交叉口信号配时优化技术研究。改善交叉口配时设计方法，寻求一个最优 配时方案，可以提高交叉口的实际通行能力，降低车辆通过交叉口的平均延误， 因而交叉口信号配时优化是提高道路网效率的关键。 5 模拟验证。选取合适道路，对基本状况进行调查，并利用计算机构建路网， 利用现有的模拟仿真软件进行分析，重点对干线协调控制进行模拟分析。 1 _ 3 2 论文研究的意义 近年来，先进的城市交通控制系统在世界上倍受瞩目且得到迅速发展和应用。 一方面，它有利于提高交通的安全性、生产效率与效益；另一方面，它关系到土 地资源和能源的合理利用、环境污染的改善乃至国民经济的持续稳定发展和社会 经济效益的全面提高。迄今为止，日本、欧洲、美国都竞相投入大量资金和人才， 6 b 塞窑迪叁鲎主些亟堂垃迨塞 i !言 建立了相应的组织机构从事相关方面的开发应用，并己取得了一些成果。目前我 国有3 0 多个大中城市安装了各种信号控制系统，但基本上是从国外引进的。这些 系统虽然取得了一些效果，但中国的国情决定了这些交通控制系统的局限性。必 须结合我国现阶段的国情，全面考虑，进行长期的考察、教育、研究爿能取得较 好的效果。 由于我国国情的特殊性，交通组成复杂，而且基础设施也与国外有较大差距， 所以，要利用国外先进理论和经验，针对我国中小城市交通现状，来研究我国中 小城市交通控制问题。本论文针对我国中小城市交通的特点，采用先进的控制理 论、计算机技术、通信技术，研究了基于p c 机的先进的中小城市交通控制理论及 实施技术。 1 4 小结 本章简要地介绍了论文研究的背景城市交通问题的严重性和城市交通控 制系统的发展，总结了中小城市的交通特点，并简单概括了本文的主要研究内容， 最后阐述了进行中小城市交通控制关键理论和实施技术研究的意义。 7 e 立窑迪厶堂主些亟堂位诠塞塞堙焦量控剑丕丝挺塞丛筮 2 交通信号控制系统框架研究 先进的城市交通管理系统是智能交通系统( i t s ) 的重要组成部分，而交通管 理中最重要的一个方面是交通信号控制。本章首先阐述了交通控制中的几个概念， 综述分析了国内外几种典型的交通控制系统，根据我国的实际情况，提出了适合 国情的中小城市交通信号控制系统结构框架。 2 1 交通控制中的基本概念 控制参数 在交叉口信号配时中，主要用到有三个参数：周期长度、绿信比和相位差。 控制系统的功能就是最佳的确定各个路口在各个车流方向上的这些控制参数，并 付诸实施。 信号相位：一股或几股车流在一个信号周期内，不管何时都获得相同的信号 灯色显示，那么它们获得灯色的连续时序称作一个信号相位。信号相位是按车流 获得信号显示的时序来划分的，有多少种不同的时序排列，就有多少个信号相位。 周期长度：信号周期是指信号灯灯色任何一个完整的循环。周期长度是指信 号灯运行一个循环所需的时问，等于绿灯、黄灯、红灯时间之和。信号灯最短周 期长度一般不小于3 6 秒，否则不能满足各个车流方向的交通需求：周期长度也不 要太长( 不超过1 5 0 秒) ，否则车辆在交叉口的延误急剧增加。适当的周期长度对 减少车辆延误和改变交叉口的拥挤程度具有重要作用。 绿信比：绿信比是指在一个周期内( 对一指定相位) ，有效绿灯时i 、日j 与信号周 期长度之比。有效绿灯时间是指在指定相位中，获得通行权的车辆能够利用的绿 灯时间。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。通过合理地分配各车流方向的绿灯时间( 即绿信比) ，可使各方向上停车 次数和车辆延误降至最小。 相位差：相位差又称为“时差”，有绝对相位差和相对相位差之分。 相对相位差：相邻两个交叉口信号的绿灯或红灯的起始时阳j 的时间羞( 或者 是两个相邻交叉口信号的绿灯或红灯的中点之间的时间差) 。相对相位差等于两个 信号绝对相位差之差。 绝对相位差：系统中各个交叉口的信号的绿灯或红灯的起始时白j 或中点相对 于某一个标准信号的绿灯或红灯的起始时问或中点的时问之差。 相位差是系统联动控制中的一个重要参数，当对一条干线上的交通流或一个 丝塞銮适厶堂童些亟堂僮迨塞褒垣篮量控制丕丝挺塞巫枣 网络内的交通流进行控制时，通过调节各个路口的相位差，可以使一串路口的信 号灯形成绿波带，车辆通过这些交叉口时畅通无阻1 6 j 。 交通信号控制方式的分类 根掘所采用的控制装置的不同，交通信号控制可以划分为如下三种类型： l 定周期信号控制 在定周期信号控制中，配时方案包括周期长度、相位次序、绿信比和相位转 换时丑j 都是根据历史的交通数据事先确定的。在事先确定的配时方案中，绿灯时 日j 的长短、信号周期长度以及每个相位上的绿灯起止时间都是相对固定的，亦即 在某一确定的时间段上，上述配时参数保持不变。可根据一天中交通量的波动情 况，划分若干时间区段，对应于每一时间区段的平均交通量制定相应的配时方案。 2 。半感应式信号控制 半感应式信号控制主要用在主次于道相交的交叉口，在这种信号控制中，主 干道总是保持绿灯。当埋设在次干道上的检测器检测到车辆到达时，经过一个适 当的信号转换问隔后，信号状念发生变化，主干道信号灯变为红灯而让次干道变 为绿灯。该绿灯将持续到次干道上的车辆全部通过交叉口或直到规定的最大绿灯 时问为止。该控制方式的周期长度和绿灯时间可根据实际需要随时进行调整，当 次干道没有车辆时，主干道总保持常绿，分配到次干道的绿灯时间被充分利用， 所有“多余”绿灯时问都分配给主干道。 3 全感应式信号控制 在全感应工作方式下，所有的相位配时都是由检测器检测的车流量来控制。 通常，相位的顺序是事先规定好的，此外每个相位的最大和最小绿灯时间也是事 先确定好的。在这种控制方式下，信号周期长度和绿灯时间可根据实际的交通状 况作很大的变化。全感应式信号控制的另一大优点是可以设置可选相位，在此相 位中，如果没有检测到车辆的到达，那么就可以跳过该相位，继续运行其它的相 位。 交通信号控制策略的分类 就控制范围而苦，信号控制策略可以分为以下三种类型： 1 单点信号控制 交叉口的单点信号控制，又称“点控”，用于单个信号交叉口，属于孤立交叉 口的信号控制。根据交叉口各个入口的交通流量，确定最佳信号配时，可以保证 最大通行能力及最小停车延误。交叉口的单点信号控制有定周期控制和感应控制 两大类。而感应控制又包括全感应式信号控制和半感应式信号控制两种。 2 干线协调控制( 又叫绿波协调控制) 主干道信号协调控制是一维信号控制，又称“线控制”，主要用于城市的主干 9 韭峦銮适厶堂主些亟堂篮硷塞銮丝值量丝型丞筮挺銎盟塞 道上，它把主干路上相邻的交叉口协调控制，以提高整个主干道的通行能力。参 与协调控制的交叉口采用相同的信号周期，但各个信号交叉口参考相位的绿灯开 始时刻错开一定的时间差。线控制往往是面控制系统的一种简化形式，控制参数 基本相似。根据道路交叉口所采用的信号灯控制方式的不同，线控制也可以分为 干线交通信号定时式协调控制及干道交通信号感应式协调控制。较为普遍的是交 通信号定时式协调控制。 3 区域信号协调控制( 也叫面控制) 区域信号协调控制把整个区域中的所有信号交叉口作为协调控制的对象，控 制区内各受控交通信号都受中心控制室的集中控制。对范围较小的区域，可以整 区集中控制；范围较大的区域，可以分区分级管理，分区的结果往往成为一个由 几条线控制和点控制组成的分级集中控制系统。区域控制系统按控制策略可以分 为定时脱机控制系统及感应式联机控制系统两种。 2 2 国外交通信号控制系统综述 早在1 9 世纪，人们就开始研究交通信号，用信号灯指挥道路上的车辆运行， 控制车辆进入交叉口的次序。到上个世纪6 0 年代，世界各国丌始研究控制范围较 大的信号联动协调控制系统，建立模拟各交叉口交通流状况的数学模型，以解决 信号配时优化问题。此后世界各国先后研制了很多信号控制系统，这些控制系统 采用先进的计算机技术、通信技术和最新的理论成果，来解决城市交通存在的严 重问题。这些交通控制方法又被称为先进的交通自适应信号控制系统( a d v a n c e d t r a m ca d a p t i v es i g i l a lc o n d ls y s t e m a 1 隗s c s ) 。先进的交通信号控制系统是采用 计算机( 路口计算机、区域主计算机和控制中心计算机) 联网控制，根据交叉路 口的实时交通流量，通过研制的交通模型和软件确定交叉路口信号灯的配时方案， 实现整个交通路网的配时优化。在这些交通信号控制系统中，比较典型的有三种： 1 ) 英国交通与道路研究所( t r r i ，) 于1 9 6 6 年开始开发的n 认n s y t ( t r a 衢c n e t w o r ks t u d y t 0 0 1 ) 系统；2 ) 澳大利亚从上个世纪7 0 年代丌始开发的s c a t s ( s n e y c o o r d i n a t e da d a p t i v et r a m cs y s t e m ) 系统：3 ) 英国t r r i 于1 9 7 3 年开始研究开 发的s c 0 0 t ( s p l i t - c y c l e o 讯e to p t i m i z a t i o nt e c h n i q u c ) 系统。下面简单介绍这三 大系统的特点。 t r a n s y t 系统 t r a n s y t 系统是一种脱机配时优化的定时控制系统，这一方法最初是由英国 道路交通研究所( t r r i ，) 的d - l 罗伯逊先生在1 9 6 7 年提出的。认n s y t 基本上 由两大部分构成，其一是交通仿真模型，其二则是优化选择，它的基本结构如图 韭宝銮煎本堂童些亟堂焦迨塞銮适值曼趁剑丕统挺袈婴嚣 2 i 所示。 图2 1t r a n s y t 的基本构成 f i g ，2 一it r a n s y t a r c h i t e c t u r e t r a n s y t 是一种用于定周期信号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，每个交叉口上的各个信号 阶段起迄时问点( 相对于一个周期长度的比例) 是固定不变的。为了适应交通量 随时习j 而变化的客观情况，就要拟定适合于不同交通状况的配时方案，以供不同 时段使用。对于已有控制方案的路口，1 r i u n s y t 利用自身的交通模型对已有方案 进行优化。 矸渔n s y t 方法所使用的交通模型充分反映了车流运动的基本特点，因而对路 网上车流运动的预测精度也较高。另一方面，在确定最优配时方案过程中，它所 占用的c p u 时白j 相对来说并不长，试算过程有较好的“收敛性”，这是因为在优 选过程中交替使用长、短两种步长，作正、负两个方向的试探，即所谓“爬山法”。 不仅如此，对于车流运动作模拟时，它还充分考虑了车流之1 日j 以及一股车流内所 有车辆之白j 的相互影响，前者，主要反映在某些按优先规则通行的交叉口，后者 反映了路段上车流运动过程中的离散现象。 吼n s y t 方法中有如下凡条基本假定： 1 在路网上，所有交叉口均由信号灯控制( 或由优先通行权控制) 。 2 在仿真的路网范围内，所有信号灯交叉口，均采用一个共用的信号周期长 度；或者，某些交叉口采用共用周期长度一半作为其信号周期。 3 每一股独立的车流，不管是直行通过交叉口还是在交叉口转弯，其流率( 即 在某一时段内的平均流量值) 比较稳定，且假定均为常量1 1 1 i 。 丝塞童适厶堂童些亟堂垃逾塞銮堙篮曼整剑丕筮挺塞逝嚣 s c a t s 系统 s c a t s 控制系统是一种实时自适应控制系统。该系统是自二十世纪7 0 年代开 始研究，并于8 0 年代初投入使用。最初应用于澳大利亚悉尼市，故而得此名。目 前，我国的上海等城市采用了s c a t s 系统。这一系统是由澳大利亚新南威尔士干 线道路局的西姆斯( a gs i m s ) 等人开发的，实际上也是一种实时配时方案选择 系统。 s c a t 系统的结构层次( 如图2 2 所示) 大体上可分为：中央监控中心一区域 控制中心一信号控制器，在区域控制中心( r e g i o n a lc o n t m l ) 对路口信号控制器实 行控制时，通常将每1 1 0 个信号控制器组合为一个“子系统”( s u b s y s t e m ) ，若 干个子系统组合为一个相对独立的系统。系统之白j 基本上互不相干，而系统内部 各子系统之间，存在一定的协调关系，随交通状况的实时变化，子系统既可以合 并，也可以重新分开。三项基本参数的选择，都是以子系统为计算单位。 e g i c 加朋c c 打a ， ， 乃葛朋tc 口，扩州f 钟尊- t 雒赶c dt r 矗cc 甜谢d f 幻兹 中幻2 斛 疗嘲删c 鲫币u 甜 图2 2s c a r s 系统结构示意图 f 谚2 - 2s c a t sa r c h i t e c t u r e 作为实时方案选择系统，s c a t s 要求事先利用脱机计算的方式为每个交叉口 拟定四个可供选用的绿信比方案、五个内部相位差方案( 指子系统内部各交叉口 之间的相位差) 以及五个外部相位差方案( 指相邻子系统之间的相位差) 在同一 子系统内，所有各个交叉口在任何时候都执行完全相同的信号周期。信号周期和 绿信比的实时选择，是以子系统的整体需要为出发点，即根据子系统内的关键交 叉口的需要确定共用信号周期长度。交叉口的相位绿灯时间，按照各相位饱和度 相等或接近的原则，确定每一相位绿灯占信号周期的百分比。 在s c a r s 系统中，把信号周期、绿信比及相位差作为各自独立的参数分别进 行优选，优选过程所使用的“算法”是以所谓“综合流量”( s ”t l l e s i z e df l o w ) 及 饱和度为主要依据的。s c a t s 算法中使用的“饱和度”，在概念上有别于传统意义 e 塞窑适左望童些亟主堂垃盈塞銮遁信墨蕉剑丞堡挺垫硒赶 上的饱和度。s c a t s 所使用的“饱和度”是指被车流有效利用的绿灯时间与绿灯 显示时间之比。并非实时交通的绝对负荷量，而是一个与饱和度相关的相对量。 饱和度愈高，综合流量值愈大，反之亦然i i l i 。 s c o o t 系统 s c 0 0 t ( s p l i t c y c l e o 低e to p t i m i z a t i o nt e c l l l l i q u e ) 即“绿信比一信号周期一绿时差 优化技术”，是一种对交通信号网实行实时协调控制的自适应控制系统。由英国 t i u 也于1 9 7 3 年开始研究开发，1 9 7 9 年正式投入使用。 s c 0 0 t 是在砸m n s y t 的基础上发展起来的，其模型及优化原理均与 t r a n s y t 相仿。它们的不同之处在于：低气n s y t 是离线的而是在线的，s c o o t 是以实时测量的交通量数据为基础，用交通模型进行配时优化。s c 0 0 t 包含了 个用于联机计算的实时交通预测模型，可以对交叉口停车线断面上的车流图式、 车辆受阻排队情况以及交通拥挤程度做出定量的预测，并进一步计算出对应于各 种配时参数组合的路网运行指标p i 值。这一模型和t r a n s y t 的交通预测模型非 常相似。所不同的仅仅是前者为在线( o n - l i n e ) 运行，后者为脱机( o 昏l i n e ) 运行。 正因为s c 0 0 t 使用了一种在线的实时交通模型，就无须事先准备任何备选配时方 案。从这个意义上说，这种系统的运行完全可以从“零”开始。若把前面介绍的 几种实时方案选择系统称为“半自适应控制”系统，那么s c o o t 则可以称作“全 自适应控制”系统。 除了上述特点之外，s c 0 0 t 还有以下一些优点： 1 广泛的适用性。s c o o t 可以适应于各种不同的交通状况，几乎不受城市 交通出行方式、出行起讫点分布、土地使用状况、季节性交通变化以及天气和气 候等因素的影响。对于一些发展中的大、中城市，采用s c o o t 系统更为经济、有 效。 2 s c o o t 系统对配时参数的优化采用连续微量调整的方式，即每个信号周 期内，只对绿信比和相位差作( 1 0 s ) 的调整。因此整个系统在运行上没有突然 性波动现象发生，可以最大限度地消除由于配时方案变化而引起对车流运动连续 性的干扰。 3 个别车辆检测器错误的反馈信息几乎不影响s c o o t 系统对配时参数的优 化。而且该系统对这类错误的信息有自动鉴别和淘汰的功能。这是因为，在s c o o t 系统中，新的优化配时参数是经多次微量调整累积而成的，这期间偶尔的几次错 误的交通检测信息并不影响优化过程的总趋向。但是，在实时方案选择系统中， 一旦检测器提供错误的交通量信息，就会直接影响未来若干分钟内所执行的控制 方案，而且只有等到下一个方案更换周期才有可能纠正这一错误。 4 对实时交通状况的变化反应灵敏。正因为s c o o t 对路网上各交叉口信号 j s 塞奎逼塞璺童些亟堂焦途童銮迪筐量控劁丞箕挺塞塑嚣 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，这是其它几种自适应控制系统所不能比拟的。 5 s c o o t 系统可提供各种反映路网交通动态状况的信息，为制订综合管理 决策创造了有利条件。 s c o o t 系统，大体上包含如下五个部分，即五个子系统： 1 ) 车辆检测数据的采集和分析； 2 ) 交通模型( 用于计算延误、排队长度等) ； 3 ) 配时参数优化调整； 4 ) 信号控制方案的执行； 5 ) 系统监测。 以上五个子系统的相互关系如图2 3 所示。 一- 一_ 一一一一一一一一一一一一。一一一。、 路嗍上买时趸逋状况j 1 1对跆嗍移l 仃弪利 配时参数存储单元h 最新配时参数 if 一现行配时参数方案； 一配时参数调整 上t j 森：鬲描* li j 车流检测计数据处理 7 1 ，父 迥供 坐广 配时参数优选 现行控制方案p i j l 调整配时后的p ii停车线断面流量图示卜 i i 图2 3s c 0 0 t 五个子系统之间相互关系 f i g 2 ，3r e l a t i o no f t h ef i v es u b s y s t e m s 在s c o o t 系统的运行中，有两条主要的基本假定：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( 车流之间及车流与过街行人之间) 都是 韭立窑望盔堂童些亟堂位论塞 一 童适信墨撞剑丕统挺塞班盔 由交通信号灯来控制通行次序。此外与1 r i n s y t 不同的是，s c o o t 把车辆和行 人的实际动念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i 。 2 3 国内交通信号控制系统综述 我国在城市道路交通控制领域所开展的工作起步虽晚，但发展是很快的。新 中国成立之前，仅仅东北几座大城市使用单点定周期式信号控制器控制三色信号 灯。那是3 0 年代日伪时期的产物。就全国范围而言，多是靠指挥棒人工指挥交通 或人工控制三色信号灯。 新中国成立后的前期2 0 多年，上述局面无多大变化。 1 9 7 3 年开始在北京前三门大街进行了交通干线的计算机协调控制系统的试验 研究，在自行开发的控制软件实现了对干线交通信号的协调控制；1 9 7 8 年，借我 国信号灯制改革( 取消红黄灯同时亮时，允许车辆左转弯，改为绿灯亮时可以直 行和左转弯) 之机，广州、北京、上海等城市丌始了单点定周期信号控制器研制 和使用；1 9 7 8 年，北京市交通工程研究所采用d j s 一1 3 0 电子计算机进行了干道交 通信号协调控制的研究，首次在国内试验了“有电缆线控制系统”；1 9 7 9 年， 交通部科研所研制成功用电网5 0 周波电源同步的w x 5 0 1 型无电缆“线控制” 信号机和利用晶体钟同步的w z l 型无电缆“线控制”信号机；第二年，又在上 述两种型号信号机的基础上，研制成功m j l 型无电缆“线控制”信号机。不久， 北京市又首先研制成功干线交通信号协调控制系统，并于1 9 7 9 年在前三门大街投 入使用，取得了较好的控制效果。上海、沈阳、天津、大连等城市也相继研制了 类似的系统。 进入8 0 年代以后，城市道路交通问题越来越严重，国家一方面进行以改善城 市中心交通为核心的u t s m 技术研究。目前己出现了多种道路交通控制系统。 作为七五国家重大攻关项目，南京市在同济大学的