交通信号控制系统方案.docx

交通信号控制系统1.1 项目概述对当地的简单介绍及交通状况的分析。1.1.1 系统概述城市交通的管理与控制是智能交通系统的重要组成部分，城市交叉口的通行能力是决定道路通行的关键。交通信号控制系统对城市交叉口进行系统化协调控制，能缓解拥堵区域的交通压力，使交通流量在整个城市范围内的分配趋于合理，能够降低或消除对道路的瓶颈影响，提高道路的通行能力和服务水平。交通信号控制系统的发展经历了点控、线控和面控3个阶段：（1）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，也称为单点信号控制，俗称“点控制”。（2）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，称为干道信号联动控制，也叫“绿波”信号控制，俗称“线控制”。（3）以某个区域中所有信号控制交叉口作为协调控制的对象，称为区域交通信号控制系统，俗称“面控制”。1.1.2 设计目标交通信号控制系统目标如下：（1）降低交通延误，降低停车次数，提高车速，降低机动车油耗，减少交通污染，改善城市环境；（2）科学控制交通流，最大限度利用现有道路，提高道路的通行能力；（3）使交通有序运动，从而改善交通秩序，有利于交通安全；（4）节省警力，降低交警的劳动强度。1.1.3 设计原则根据我公司多年来在城市智能交通领域的建设经验，对公安、交通行业业务需求的深入理解，结合我国交通发展的现状，根据信号控制系统设计理论，在设计过程中秉承以下原则：1.1.3.1 标准化原则交通信号控制系统严格按照公安部颁布的标准GA47-2002道路交通信号控制机和GB/T20999-2007交通信号控制机与上位机间的数据通信协议规定的技术要求进行设计，所有数据格式与接口均符合国家标准，并在此基础上加以完善，以适应各地的交通状况。 1.1.3.2 先进性原则采用科学的、主流的、符合发展方向的技术、设备和理念，系统集成化、高清化、网络化、模块化，使系统具有“国内领先，国际先进”的总体水平，能够适应交通控制未来发展的要求。1.1.3.3 实用性原则系统提供清晰、简洁、友好的中文操作界面，操控简便灵活，易学易用，便于管理和维护，系统具有自动恢复功能，整个系统的操作简单、快捷、环节少，以保证不同的操作者都能熟练操作系统，具有高度友好的界面和使用性。系统设计、选材、选型符合国家及行业的有关标准，与用户及其上级管理部门的有关规定要求相适应，与用户在经济能力方面实际情况相吻合。1.1.3.4 可靠性原则交通信号控制系统选用集成度和稳定性高的设备，具有系统自诊断和维护管理功能、远程设备监控、数据备份等功能。室外设备具有耐高温、耐高湿、耐低温，防雷、防尘等特性，保证系统的正常可靠运行。1.1.3.5 安全性原则交通信号控制系统具有防误操作特性，通过合理的硬件结构设计、有效的外场保护措施以及完善的内部管理机制有效避免系统遭到恶意攻击和数据被非法提取的现象出现，保障系统的信息安全。同时通过数据加密、备份、补录、恢复等措施，提高系统在传输链路故障时的数据完整性及安全性。1.1.3.6 经济性原则交通信号控制系统的可靠性得到提升，因此系统的维护成本显著下降。采用技术先进的设备，通过最优化的系统集成，设备使用寿命长，系统经济性显著提高。1.1.3.7 易维护性原则交通信号控制系统在设计时充分考虑其易维护性，采用模块化设计，以确保系统在使用过程中出现故障时能在最短时间内恢复运行。系统具备日志记录、远程升级、维护、管理、故障及时报警等功能，以方便日常维护。1.1.4 设计依据（1）中华人民共和国交通安全法（2）中国智能运输系统体系框架（3）交通管理信息系统建设框架（公安部）（4）道路交通信号控制机（GB 252802010）（5）交通信号控制机与上位机间的数据通信协议GB/T20999-2007（6）道路交通信号灯设置与安装规范GB14886-2006；（7）人行横道信号灯控制设置规范GA/T851-2009（8）公安计算机信息系统“九五”规划（公安部）（9）公安交通指挥系统建设技术规范（GA/T445-2003）（10）城市道路交通规划设计规范（GB 50220）（11）城市道路交通信号控制方式适用规范（GA/T527）（12）公安交通控制系统建设规程及要求（GA/T651）（13）道路交通标志和标线（GB5768）（14）道路交通流量调查（GA299）（15）道路交通拥堵度及评价方法（GA/T 115）（16）城市道路交通秩序评价方法（GA/T 175）（17）公安交通控制系统建设技术规范（GA/T445）（18）道路交通信号控制机安装规范（GA/T489）（19）道路交通标志和标线（GB5768-2009）（20）城市交通信号控制系统术语（GA/T509）（21）公安交通控制系统工程设计制图规范（GA/T515）（22）环形线圈车辆检测器（JT/T455）（23）城市道路设计规范（CJJ37）1.2 需求分析及措施1.2.1 国外系统在我国的适应问题问题描述：国外先进的信号控制系统，在许多欧洲及北美国家有着成功的应用。并且通过多年的持续改进积累了丰富的经验，但是在其系统引进到国内时却不能做到其本身具备的“先进”功能。目前国际主流的交通信号系统有：“SCOOT”（Split，Cycle and Offset Optimization Technique，绿信比-信号周期-相位差优化技术）、“ACTRA”（Advanced Control & Traffic Responsive Algorithm，先进的交通控制响应算法）、“SCATS”（Sydney Coordinated Adaptive Traffic System，交通自适应协调系统）及“ITACA”（Intelligent Traffic Adaptive Control of Areas，自适应交通信号控制系统）等系统，它们在各自的国家都有不错的表现，也确实解决了本国交通上的实际问题。而这些系统被我们引进到中国后却往往达不到预期的效果，有的只能实现很少一部分集中控制功能，有的甚至只能用作单点机在路口运行，完全失去了引进先进系统的意义。综合我国目前的情况分析，国外系统不能达到预期效果的因素主要有：（1）交通现状的差异，国外的交通现状多为单一交通，即机动车流、人流、非机动车车流各行其道；而在我国多数的城市道路为混合交通，即机动车流、人流、非机动车车流没有明显的隔离。（2）系统开发针对性，国外系统在开发之初就是针对本国的交通实际情况进行的调研、分析，针对性很强，其交通的核心控制算法大多依据本国的交通状况开发，所以很难做到在我国也有很好的表现。（3）组织运营模式的差异，在国外很多交通信号控制的优化往往是由专门的机构来在运行中不断的优化，而我国在这方面还需要进一步的提高，目前只有北京、上海等大城市有部分的应用。（4）建设程度的问题，国外的交通信号控制系统往往需要一个城市具有规模性的部署，从而实现其集中控制的功能。而我国城市处于高速的发展时期，多数城市并不能做到规模性的部署，所以很难实现其系统集中控制的优势。（5）交通工具的差别，虽然我国汽车的发展十分迅速，汽车的普及率也在节节攀升，但是在实际的交通中，仍然有很多地方存在着大量的自行车、摩托车等非机动车辆，它们的启动速度及行驶速度有着很大的区别，这样其集中控制的功能就出现了许多的干扰因素，从而阻碍了其优势的发挥。解决措施：FIAMM（非凡）FTSC-116交通信号控制机正是针对我国的交通特点开发的产品，其核心控制功能的需求分析、交通数据的采集及控制策略的优化都是结合我国道路及行车的实际情况定制，所以更适合我国的国情，从而为达到最佳的交通控制效果提供保证。针对我国的实际情况，FIAMM（非凡）FTSC-116交通信号控制机主要有以下特点：（1）控制策略针对中国道路交通状况设计，符合国内交通流特点。（2）既可以实现城市级大规模联网控制，也能区域级小规模自适应控制，更加符合中国的城市建设要求。（3）针对我国自行车、摩托车依然大量存在的特点，在信号周期和绿信比计算中充分考虑了自行车和摩托车的因素，确保路口配时合理，保证道路畅通。（4）在项目实施中不断完善信号机控制策略，根据各个城市不同的情况采用合理的交通控制策略，使各个路口的交通信号控制策略在使用的过程中不断升级，持续改进。（5）软件采用中文界面，操作简单，方便易用，给用户以良好的使用体验。解决了一些国外交通控制软件操作复杂，描述生涩难懂的问题。1.2.2 信号机的技术可靠性问题描述：信号机的可靠性是道路信号控制的关键因素，也关系到千百万车辆的行驶安全，所以信号机的可靠性，直接决定了信号控制系统建设的成败。从整个行业现状来说，生产企业规模普遍较小，研究开发和创新能力不强，质量水平不高。近年来，国家对国内生产信号机企业进行了质量监督抽查，产品合格率仅为36.4%，从各地实际使用情况来看，基本反映了国内信号机质量水平。主要质量问题为信号机故障监测功能缺失、电磁抗扰度性能不达标、基本功能不达标等。信号机全天候工作在室外，其环境可想而知，因此对信号机的可靠性要求非常高。由于信号机的故障，对道路交通安全必将产生极大的影响。在国内某些城市发现过数次红灯熄灭、红绿灯同时亮等严重故障现象。GA47-2002道路交通信号控制机标准明确规定信号机发生绿冲突、某信号组所有红灯均熄灭等严重故障，信号机应立即进入黄闪状态。但是，一些企业的产品对绿冲突、红灯熄灭等严重故障均无检测功能，会造成十分严重的交通事故。解决措施：FIAMM（非凡）FTSC-116交通信号控制机以GA47-2002道路交通信号控制机标准规定为最低要求设计制造，采用成熟的控制检测技术，保证系统的可靠性。当信号机通电开始运行时先进行自检，然后按如下时序启动：n 信号相位先进入黄闪信号，持续时间至少10s；n 黄闪信号结束后各信号相位进入全红信号，持续时间至少5s；n 启动时序结束后，信号机按预设置的方式运行。此外FIAMM（非凡）FTSC-116交通信号控制机具有先进的监视模块、报警及应对策略，对绿冲突、CPU处理模块故障均有报警及相应的处理策略，并且系统中心软件能对信号机、中心设备及传输单元的运行状态进行监视，能够实时发现故障信息并报警。FIAMM（非凡）FTSC-116交通信号控制机不仅应具有上述功能，还在出厂时进行严格的测试。因此对这些功能及整机可靠性进行测试的方法尤为重要。（1）信号机功能测试：整机功能测试、外围设备功能测试和通信功能测试。n 信号机整机功能测试信号机基本功能的测试验证。模拟真实场景，实现不同控制方式、控制模式的功能测试。利用不同类型的信号发生器，模拟实现多种方式、多种类型的数据采集、存储功能测试。基于模拟现场用电环境，实现信号机长时间运行测试。模拟多种故障场景，实现信号机故障检测功能测试。实现区域协调、单点优化、单点感应、公交优先等控制功能测试。手动控制功能测试。n 外围设备功能测试手动按钮。车辆检测器：环形线圈检测器、视频检测器、微波检测器。GPS模块测试。（2）信号机整机性能测试信号机正常运行过程中，数据信号的衰减、不同模块间的相互影响、外界设备的干扰、用电环境、气候环境、安装环境（变压器的辐射干扰、大吨位货车过路振动、灯具短路）都影响到信号机的可靠性。严格、有序、完整、有效的信号机整机性能测试是信号机可靠性直接的保证。信号机整机性能测试包括电气安全性测试、电磁抗扰度测试、气候环境适应性测试及机械环境适应性测试。（3）整机运行稳定性测试稳定性测试一般在功能测试结束后，选取35台样机，进行测试。要求：每台样机运行不同的控制方案；持续不间断运行不少于10天；信号机输出要接负载；计算机捕获信号机运行过程中的所有打印信息；每天都要对前一天信号机运行记录进行分析。n 联网功能的稳定性稳定的联网功能是实现智能交通控制的必备条件，联网功能的稳定性和适用性也是重要测试项目之一。联网测试的要点：长时间联网时，联网功能是否稳定；信号机、通信服务器、数据库服务器、应用服务器处于不同网段；不同联网方式：以太网口（RJ45）、串口（RS232/485）；通过网络，测试中心软件控制信号机的各种功能。1.2.3 信号机的质量可靠性问题描述：信号机质量的可靠性主要表现在：（1）信号机产品的电磁抗扰度不达标。企业在产品设计之初未考虑到电磁抗扰度问题，导致信号机在恶劣的电磁环境下，抗电磁干扰能力差，电子元器件经常被烧毁，造成信号机在遇到电磁骚扰时可靠性降低甚至功能失效。（2）连续工作可靠性较差。由于大多数信号机是在城市道路上露天安装使用，工作环境严酷，连续工作时间长，因而在实际使用过程中，部分信号机产品连续运行时间短，频繁出现故障。信号机存在质量问题分析（一）元器件质量低劣。部分企业在产品生产研发时，为了降低成本，选用一些低价、无质量保证的元器件，造成信号机实际使用中，频繁发生故障。（二）技术研发能力不足。一些企业规模较小，产品研发能力较弱，只能通过采用外购零配件组装的方式来组织生产，因而产品结构粗糙，功能单一，质量无法保证。（三）产品研发过程中，随意性太大。一些企业为了迎合市场需求，在研发生产过程中，降低功能要求，使得产品在一些基本控制功能上与标准相差太大，导致产品质量无法保证。解决措施：为了从源头上控制信号机的产品质量，保证交通安全；同时尽快与国际发展接轨，我国交通信号机产品实施认证制度。为了更好的控制信号机产品质量，规范市场，鉴于国内外目前产品的认证模式及流程，我国信号机产品认证体系如下：（1）、认证模式型式试验 + 初始工厂检查 + 获证后监督（2）、认证基本流程（见下图）：图1.21 认证流程框图n 认证的委托和受理认证单元划分原则上按产品型号委托认证。但产品的结构形式以及影响性能的关键件均相同，即设计型号一致，而只是销售型号不同的产品，可作为一个单元委托认证；在同一境内，同一制造商、同一产品设计型号，由不同生产厂生产的产品不可作为一个认证单元，但型式试验仅对一个工厂生产的样品进行，试验结果可覆盖上述其他认证单元的产品；信号机分类不同不可划分为一个认证单元；认证委托人应向指定认证机构提交正式委托认证的申请，并随附产品生产依据的标准、关键元器件（表一）清单、电气原理框图、产品照片等资料。n 型式试验由认证机构指定的测试机构按照信号机标准及相关文件进行试验；样品要求按单元划分原则进行。n 初始工厂检查工厂检查的内容为工厂质量保证能力检查和产品一致性检查。初始工厂检查的范围应覆盖委托认证产品的加工场所，产品一致性检查应覆盖委托认证产品的所有型号。n 认证结果评价与批准认证机构负责对型式试验和工厂检查结果进行综合评价。认证结果符合要求的，由认证机构按照认证单元向委托人颁发认证证书。认证结果不符合要求的，终止本次认证。n 获证后的监督认证监督检查一般情况下每年至少进行一次监督，监督间隔时间不超过12个月。获证后的监督方式是：工厂质量保证能力复查+认证产品一致性检查+产品抽样检测。（3）、认证产品的变更获证后的产品，如果其产品中属于关键元器件和材料的规格、型号、生产厂或涉及产品安全设计、电气结构发生变化时，应向认证机构提出申请。认证机构根据变更的内容和提供的资料进行评价，确定是否可以变更或需送样品进行检测，如需送样检测，检测合格后方能进行变更。FIAMM（非凡） FTSC-116交通信号控制机严格按照国家标准设计制造，经过国家相关检验检测部门的检验，并且在北京、榆林、大连等地平稳运行多年，经得住实践的考验。1.2.4 新旧设备的兼容问题描述：由于我国近二十多年来无通信协议标准，各生产厂家之间上位机与信号机之间无法进行通信，因此一旦用户使用了某一家信号系统产品，其它厂家就无法进入了。例如，某市2002年招标的信号控制系统是由A公司中标的，使用了16台信号机和控制系统，但二年后招标的全市交通信号控制系统是由B公司中标，A、B公司的产品之间无法通信，因此只好将先前的16台信号机全部更换为B公司的产品。2008年正式出台国家标准GB/T20999-2007交通信号控制机与上位机间的数据通信协议，该标准规定了信号机与上位机间的数据通信协议的结构及物理层、数据链路层、网络层和应用层的要求；适用于信号机与上位机间的通信。解决措施：FIAMM（非凡） FTSC-116交通信号控制机基于GB/T20999-2007交通信号控制机与上位机间的数据通信协议设计开发，完全符合国家标准，保证了新旧系统间的兼容性。1.3 控制策略设计在我国，随着城市化进程的加快，城市的交通压力也在逐渐的增加，城市交通网中的主干道承受着巨大的交通负荷。因此，主干道交通控制的好坏直接影响着整个城市的交通状况。本设计以城市中主干道的各交叉口为对象进行协调控制，进而达到优化整个城市路网的控制目的。交通控制策略设计方案以道路渠化设计为基础，主要包括：配时方案设计，交通控制策略设计；在此基础上可以对部分主要路段实施绿波带设计等以提高道路交通的通行效率，达到整个交通道路网络的畅通。1.3.1 渠化设计路口渠化是提高道路通行能力的重要措施，也是提高交通安全水平的重要手段，该指标反映城市挖掘现有道路资源的水平。路口渠化是指通过设置交通岛、交通标线、标志等方式来疏导、引导道路交通流，并使交通流畅，从而达到提高道路通行能力，确保行车安全、过路行人安全的目的。1.3.1.1 交叉口渠化设计的基本原则在进行交叉口渠化设计时要遵循如下设计原则：（1）分离原则：渠化设计应尽可能减少不同交通流之间的干扰，通过交通标志标线引导交通参与者按照车道分离、机非分离、人车分离的通行方式，促使其各行其道。（2）疏导原则：明确不同交通流的行驶轨迹，通过单向交通、变向交通、专用道、禁止左转等措施疏导交通流。1.3.1.2 交叉口渠化设计的一般方法（1）交叉口断面分布：相交两条道路交叉口断面的合理分布是渠化设计的先决条件。由于交叉口的交通流量要远大于路段中交通流量，为保障交叉口进口道与路段通行能力相匹配，应增加进出口车道，对交叉口断面进行合理分布。增加进出口车道的方法有下列几种：n 展宽路口：展宽路口的宽度增加值一般为515m，长度一般为50100m，根据道路的等级不同、功能定位不同适当增减。n 压缩车道宽度：路段车道宽度为3.75m，进入路口车道宽段为3.5 m，在大型车辆不超过10%进口车道可压缩到2.75 m，特殊情况下进口车道可压缩到2.5 m。n 压缩非机动车道宽：如非机动车交通流量不大，可以压缩非机动车道宽。n 削减绿化带：在二块板或三块板绿化带隔离的道路上，如条件允许，可削减交叉口绿化带的宽度，以实现增加车道的功能。（2）车道的功能划分：车道功能的合理划分是交叉口快速分流的重要保障。渠化设计中要先对交叉口进行交通流量的调查，根据交通流量调查结果，确定车道的功能划分。一般的解决方法有如下几种：n 根据交通需求，确定是否单独设置转弯车道。当一个信号放行周期内左、右转车辆低于3PCU（Passenger Car Unit标准车当量数），在路幅宽度较窄的情况下，可以考虑不设左、右转专用车道。n 由于右转交通流的绿灯时间较其它方向的长，因此在路口渠化中，一般右转车道不做重点研究，但右转的进口道和出口道相邻间应留有一定距离，满足一辆小汽车的长度，一般情况下为6m。n 左转交通流在路口的冲突点最多，因此在路口渠化设计中应重点解决左转交通问题。比如施划左转车辆导流线，设置左弯待转区等方法，加强对左转车辆的引导和控制，以减少左转车辆与其它方向行驶的车流冲突，提高交叉口的通行能力。n 设置掉头车道时，可与左转车道合并，使用一个绿灯时段，掉头车辆需在左转车辆放行时间内完成掉头动作，才能最大限度地保证交叉口的通行安全性。（3）非机动车和行人交通的处理：非机动车和行人过街交通一直是管理的难点，也是交通渠化中较难处理的环节，在交通渠化设计中，只有把非机动车和行人的通行空间处理好，使之有一个便捷、舒适、安全的通行环境，真正体现出以人为本的理念，才能使行人和非机动车参与者自觉遵守。在处理非机动车通行的交通渠化中，一般有如下解决方法：n 自行车交通应该与机动车交通进行空间和时间分离，如果没有条件分离，也必须给出适当的空间，让自行车与机动车分道行驶。n 应尽量使自行车处于危险状态的时间减到最小。为了简化驾驶人员在交叉口的观察、思考、判断以及采取措施的过程，自行车交通与机动车交通的冲突点应该尽量远离机动车交通之间的冲突点。n 当自行车与机动车在交叉口等待绿灯或通过交叉口时，应该保证相互间能看清楚，特别是自行车通过交叉口时，应尽可能使机动车驾驶人员知道自行车行驶的路线与方向。n 当自行车在交叉口暂停等待时，应提供一个安全的停车位置。行人在所有交通参与者中属于弱势群体，发生交通冲突时，最容易受到伤害。在处理行人通行的交通渠化中，一般有如下解决方法：n 人行横道的应设置在车辆驾驶员容易看清楚的位置，尽可能靠近交叉口与行人的自然流向一致，并尽量与车行道垂直，以缩短行人过街的步行距离。n 当行人过街横道过长（大于15m）时，为了缩短行人过街时间，确保过街行人安全，应在过街横道中间设置行人安全岛，其宽度应大于1.5m。n 人行横道宽度与过街行人数及信号显示时间相关，顺延干路的人行横道宽度不宜小于5m，顺延支路的人行横道宽度不宜小于3m，以1m为单位增减。n 人行横道位置应平行于路段人行道的延长线，并适当后退（1m），在右转机动车容易与行人冲突的交叉口，为了减少右转机动车对相邻的两个进口道的行人过街交通的影响，其横道线不应相交，至少留有存放一辆右转车的空间，该后退距离宜取34m，当自行车过街与行人过街道平行设置时，该位置还应做相应的顺延。n 人行道的转角部分，长度不应小于小车的车身长6.0m，并应设置护栏等隔离设施。n 在中央分隔带的进口道，行人过街横道应设置在中央分隔带端部后退12m，或中央分隔带应满足于此设计，为行人过街驻足提供安全保障。n Y型路口可结合导向岛设置人行横道和行人驻足区。图1.31 交叉口渠化效果图1.3.2 交通控制策略1.3.2.1 区域的划分（1）交通控制区域的定义：一个面积较大的路网，在实行信号联网协调控制（即“区域控制”或“面控”）时，根据路网所辖范围不同区域具有不同交通特性（交通方式构成、交通量、流向等）把控制范围分成不同的控制区域，每个控制区域采用不同的控制策略，各自实行适合本区域交通特点的控制方案。这些相对独立的控制区域就是交通控制子区。（2）区域划分的原则：从交通控制系统来看，交通控制子区所辖的交叉口应尽量少，一方面是为了提高系统运行的效率，另一方面是便于子区实行灵活的控制方案。一般情况下，一个控制子区只辖110个信号交叉口，目的就是使需要实时处理的数据尽量减少，以提高系统运行的速度，同时也便于在较小的交叉口群范围内寻求共同的最佳信号周期，以利于实施协调控制。经研究分析，得出下列三个划分交通控制子区的原则。n 周期原则按信号周期长度来划分交通控制子区，被目前许多成功的交通控制系统所采用。周期划分原则的实质是：相邻交叉口信号最佳周期长度相近，表明其交通状况相似。n 流量原则相邻交叉口流量若处于下列三种情况之一，应进行协调控制.其一，若相邻各交叉口流量都大于某个值Q1，说明交叉口交通拥挤程度比较高，甚至已处于交通阻塞状态。其二，若相邻交叉口流量差大于某个值Q2，虽然交通特性差异大，但为了确保流量大的交叉口车流到达流量小的交叉口不至于遇到红灯，产生大量的停车延误，应考虑把它们划入同一个交通控制子区，进行协调控制。其三，若相邻交叉口车流量差小于某个值Q3，说明交叉口交通流特性相似，也应考虑把这些交叉口划入同一个交通控制子区，进行协调控制。Q1、Q2、Q3可根据当地实际情况，结合流量历史统计数据，经实地观测调查后确定。n 距离原则设相邻交叉口的距离为L。为了避免车辆排队长度阻塞上游交叉口，当LL1时，将这两个交叉口划入同一个交通控制子区，进行协调控制。从上游交叉口进口道驶入的车流，驶出交叉口后，会随着行驶距离的增大逐渐离散开来，当LL2时，到达下游交叉口停车线的车流已显随机状态，这时实行信号协调控制反而降低系统整体交通效益，因此，可将这两个交叉口分开，划入不同的交通控制子区。合并距离L1和分离距离L2值可根据当地情况，经现场观测调查后确定。图1.32 控制区域划分示意图1.3.2.2 控制策略（1）区域自适应协调控制系统以控制子区作为基本控制单元，综合考虑子区内的交通运行状态（如交通阻塞、交通拥挤、交通顺畅）、交叉口的关联性大小、交叉口的实际交通量，确定公共信号周期与相位差的决策模型，并运用智能优化算法实时优化子区协调控制配时参数，实现控制子区交叉口的协调控制功能。系统的区域交叉口协调控制能够确保控制区域内的交通流时刻处于最佳运行状态，相邻交叉口之间协调方向的行驶车流可以获得尽可能不停顿的通行权，大大降低车辆在交叉口频繁加减速所产生的交通污染，减少区域交通总的车辆燃油消耗，缩短车辆在交叉口受到红灯阻滞所产生的延误时间。（2）干道绿波协调控制系统能够将城市主干道上的多个交叉口以一定方式联结起来作为控制对象，依据主干道上的实际交通量、路段行车速度、相序组合方式，利用时距分析方法建立干道绿波协调控制模型，并通过混合整数线性规划方法进行优化求解，生成干道交叉口的最佳相序组合与最佳信号配时方案，实现主干道的绿波协调控制功能。系统的干道绿波协调控制可进行灵活的相序组合，能够实现进口单独放行、进口对称放行和进口混合放行方式下的干道绿波协调控制，实现主干道绿波带带宽的最大化。（3）特殊车辆优先通行控制系统针对交叉口的几何特性与交通流条件进行优先的信号相位设计，依据交叉口各信号相位的流量建立特殊车辆优先的信号配时优化模型，通过优化求解生成实时的优先信号配时方案，实现特殊车辆的优先通行。系统通过对特殊车辆的优先通行控制，从而有效地减少特殊车辆在交叉口的延误时间和停车次数，缩短行程时间，保证车辆的准时性，提高整体道路通行水平。（4）公交优先在城市道路条件受限的情况下，最大限度地提高道路使用效率就显得尤其重要。公共交通工具以最小的道路占用运送了大量的客流，充分体现了对比于私人交通的优势，大大减少了城市道路空间的占用。图1.33 公交优先效果图图1.34 公交优先方案设计当公交车到达路口一定的距离时，通过感应装置获取公交车的位置，信号机获取信息后根据系统的设置自动调整配时，保证公交车可以以最短的时间通过该路口。（5）火车优先根据火车的特点，当在有火车通过交通道路口时信号机需强制改变机动车相位为红灯状态，保证火车安全顺利的通过。当有火车将要通过该路口时，工作人员向信号机发出操作指令（在无人职守的火车路口可采用感应触发的方式向信号机发出操作指令），信号机接收到指令后会自动执行火车经过时的配时方案，火车经过后再恢复平时的配时方案。（6）感应控制感应控制可分为半感应控制与全感应控制两种控制方式。信号机既可以执行经过优化下传的固定配时方案，亦可根据道路流量检测执行全感应或半感应控制模式。信号机接收到车辆检测器所采集的车流信息，然后针对路口实际交通状况，实时优化绿灯时间，达到降低车辆平均延误、降低平均停车次数的目标。感应控制适用于非重现性交通拥挤，交通量高低相差比较悬殊而变化不定的交叉路口，例如：干、支道很明显的不同交通需求或在不同时段（白天、晚上非高峰时段）。下图为感应控制的原理图：图1.35 感应式控制模式原理图如上图：Gmax是该相位的最长绿灯时间t4；Gmin是该相位的最短绿灯时间t1；当绿灯时间达到t0时刻时，感应分析启动，检测该时间区域内的车辆，当发现车辆达到设定的阈值后自动将绿灯时间延长至t2，之后车辆检测将会实时与系统阈值对比，以确定是否延长绿灯时间G。当延长的时到达t3时刻时，检测到车辆未达到延长时间的阈值，则进入黄灯。当延长的时间累计达到t4时刻时，信号等将强制进入黄灯，不再延长通行时间，保证下一相位车辆的平稳放行。（7）行人过街控制本系统具有人性化的行人过街信号控制功能。当交通量相当高且相邻两路口间距相当长，必须设置行人过街通道时，系统可执行行人过街感应控制。路口行人过街控制具有请求控制和预案控制。系统能够在区域协调控制的控制下及时响应或等待响应路段行人过街请求，使行人利用交通流间隙过街通行。（8）降级控制本系统采用的信号机本身具有异常降级功能，其故障降级顺序可由区域控制机设定。当出现通信中断等其他故障时，可降级为区域协调控制方式或进一步降级为单点控制、单点全感应控制方式、单点半感应控制方式、多时段定时控制。1.3.2.3 单点控制策略交通信号单点信号控制，又称“点控”，用于单个信号的路口，属于孤立交叉口的信号控制。根据交叉口的流量和流向，确定最佳配时方案，保证最大通行能力或最小延误。（1）定周期控制。配时参数的各种组合，构成不同的信号配时方案。定周期控制方式适用于那些交通量不大、变化较稳定、相隔距离较远的交叉口。单点单一周期控制。预先调整信号机的控制相位、周期长度和绿信比，根据设计好的相序轮流给各方向的车辆和行人分配通行权，控制不同方向的交通流。单点多时段定周期控制。若一天中各时间段的交通量相差较大，则应采用多套配时方案。根据一天内不同时段交通流量的变化，选择相应的配时方案，以适应交通流变化的需要。（2）感应式信号控制。根据车辆感应器提供的信息调整周期长度和绿灯时间。它可更好地适应交通量的变化，减少延误，提高交叉口的通行能力。特别适用于各方向交通量明显随时间变化较大且无规律的交叉路口。它的主要型式有以下两种：半感应式信号控制。在部分进口道上设置车辆感应器，通常设在次要路口。平时主干道维持长绿信号，只有当支路上有车辆到达交叉口时，才给以通行权，或者在主路完成最大绿灯时间后给予支路通行权。这种控制适用于主干道上交通量特别大，而支路上流量较小的交叉口。全感应式信号控制。所有进口道上都安装车辆感应器。当主干道和支道的交通量都比较小时，主、支道入口的信号均维持最短绿灯时间，此时它相当于定时周期控制，当交通量较大时，可自动延长绿灯时间。全感应式信号控制适用于相交道路的交通流量都比较大、且都不稳定的情况。（3）手动按钮控制。手动按钮控制，属于人工控制，它适用于支线路口或非交叉口的人行横道处，平时主干道路是绿灯信号，有行人横穿道路时，可按一下与信号机相连的开关，则绿灯变为红灯。1.3.3 配时方案设计1.3.3.1 配时方案设计流程图1.36 信号配时方案设计流程图道路平面交叉口所采取的信号控制方式无论是固定式控制还是感应式控制，控制范围无论是单点还是区域，都需要根据单点交叉口的几何特性、交通流条件，选择信号相位方案和确定信号配时参数。在信号控制交叉口，在任何时间灯色显示完全相同的灯组的组合，称为一个信号相位。所有这些信号相位及其合理地安排这些控制状态地显示顺序统称为相序。确定信号相序，是对信号轮流给某些方向的车辆或行人分配通行权顺序的确定。信号机按照设定的相序，轮流开放不同的信号显示，轮流对各个方向的车辆和行人给予通行权。交通配时方案的验证：在交通控制中，交通配时方案是整个系统的核心功能，其效果的好坏直接影响到交通状况。因此配时方案测试是整个测试工作的重点和难点。整个配时方案测试工作从三个层面展开：（1）实验室中完成配时方案是否被正确实现在试验中针对配时方案的测试主要完成配时方案是否按照设计要求正确实现，不对配时方案控制效果进行评价。其测试方法一般采用：根据配时方案设计，人工输入交通流数据，验证配时方案实现的正确性。（2）仿真软件对配时方案的控制效果进行初步评价根据交通调查获得的数据，利用仿真软件，验证控制方案的控制效果，并给出基本评价。（3）路口现场验证配时方案的控制效果配时方案经过仿真软件进行初步验证后，必须到路口进行实际测试。测试一般采用：交通调查：获取交通状况信息；方案配置：根据交通状况，配置配时方案运行需要的参数，设计满足路口交通要求的控制方案；（4）路口验证控制效果：路口验证一般按照配时方案要求，安排不同数量的车辆在不同时段实际跑路获得通行时间、停车测试、以及车辆通行数量等数据。分析测试所得数据，对配时方案控制效果进行评价和优化。1.3.3.2 配时方案计算方法信号配时的合理性是影响信号交叉口通行能力和延误的关键，根据交叉口信号配时的有关理论，在充分考虑中国城市道路交叉口交通流运行特性的基础上，经过仿真分析及实际验证，利用本系统对信号交叉口进行配时设计，具有计算精度高、计算速度快的优点。根据理论和经验信号机的常用算法为：（1）信号周期：式中：C0信号最佳周期，单位：s；L周期总损失时间，单位：s，其计算如下式：式中：l车辆启动损失时间，一般为3秒；i绿灯间隔时间，即黄灯时间加全红灯清路口时间，一般黄灯为3s，全红灯为24s；A黄灯时间，有一般为3s；n所设相位数；Y组成周期全部相位的最大流量比之和，即式中：yi第i个相位的最大流量比，即式中：qi第i个实际到达流量；si第i相位流向的饱和流量。（2）信绿比：式中：Ge周期有效绿灯时间，单位为：s；各相位实际显示绿灯时间：每一相位换相时四面路口全红时间：式中：ri第i相全红时间，单位为s；Ii第i组绿灯间隔时间，单位为s；Ai第i相黄灯时间，单位为s。1.3.4 绿波的设计方案1.3.4.1 概述为了确保干道上车辆能够畅通行驶，首先在一条干道上几个相邻交叉口的交通信号实行协调控制，使车流在干道上行驶的过程中，畅通无阻地通过沿途所有交叉路口，这就是通常意义上的绿波控制。通过采用绿波控制，能降低车辆的平均延误、平均停车次数，从而减少车辆油耗，降低大气、噪声等污染，为绿色交通提供技术上的保证。1.3.4.2 影响因素影响道路通行的主要因素有以下几种：（1）车流量，车流量的大小直接关系到计算公式的结果，所以车流量的准确性在绿波带设计时十分关键。（2）汽车启动损失时间，指汽车在由红灯转绿灯后的起步时间，不同的车型及行车习惯都有着不同的时间，一般取平均值。（3）干道长度，干道长度是计算相邻交叉口相位时差的基本依据。干道长度不宜过长，一般在5001000m为宜。（4）渠化，即车行道划分，在绿波带的设计中，一般需将左转和直行分开，有利于增大绿波带宽度。（5）绿波设计时速，该速度通过干道长度及车辆平均通过时间的得出，在实际中需要根据实际情况修正。理论上每个路口间的路段都有各自的平均速度值，在计算过程中取其平均值作为绿波设计时速。（6）信号周期，绿波带所有涉及的路口都需要统一周期，如果其中某个路口周期很短可采用双周期控制的方式来满足通行的需要。（7）非机动车的影响，该影响路口非常显著，所以在实际调试中须考虑这一因素。（8）横向干扰，在路段行驶中也存在着行人及非机动车横向穿行的干扰，这也是设计中须注意的因素。（9）天气影响，体现在：温度、湿度、风、雨、雪、冰、霜、积水等天气对行车的影响，具体表现在车辆平均时速的变化。1.3.4.3 设计流程（1）配时所需的数据道路交通数据对于绿波带的设计和计算依据有着十分重要的作用，在确定线控制系统的配时方案之前，必须调查收集必要的道路交通数据。交叉口间距：相邻交叉口停车线到停车线的距离，及每个交叉口主干道车辆排队的平均距离。交叉口渠化设计：干道及相交道路的宽度，各进口道宽度及进口道车道数。交通量：交叉口上交通流向、流量、各向交通量的日变、时变图，此数据的准确性直接关系到计算值的准确性。交通管理规则：如限速、限制转弯、是否限制停车等。车速和延误：路上（或每对交叉口之间的）规定行驶车速或实际行驶车速（或行驶时间），及当时所用控制方式下的延误。然后根据调查数据，特别是交叉口间距及交通量数据，确定干线上交叉口纳入线控制的范围。把交叉口间距过长和交通量相差悬殊、影响信号协调效果的交叉口，排除在线控制系统之外，或纳入另一相宜的系统内，再用这些数据计算入线控制系统范围内的各信号所需的配时，确定一批配时方案备用。（2）计算配时方案计算步骤如下：根据每一交叉口的平面布局及计算交通量，按单点定时控制的配时方法，确定每一交叉口所需的周期时长。以所需周期时长最大的交叉口为关键交叉口，以此周期时长为线控系统的备选系统周期时长。以各交叉口所需周期时长并根据主次道路的流量比，计算各交叉口各相位的绿信比及显示绿灯时间。上步算得关键交叉口上主干道相位的显示绿灯时间，就是各交叉口上对干道方向所必须保持的最小绿灯长度，显示绿灯时间和有效绿灯时间见下公式：gm=gme-lm+lgme=（Cm-Lm）max ym, ymYm式中：gm为关键交叉口上主干道方向显示绿灯时间，单位：秒；gme为关键交叉口上主干道方向有效绿灯时间，单位：秒；lm为关键交叉口绿灯间隔时间，单位：秒；l为启动损失时间，单位：秒；Cm为系统周期时长，单位：秒；Lm为关键交叉口总损失时间，单位：秒；ym, ym为关键交叉口上主干道两向的流量比；Ym为关键交叉口上最大流量比之和。以上计算的配时方案，在线控系统中，只是设计方案，要根据配合协调系统时差的需要而进行调整。（3）选定公共周期时长交通信号协调控制系统中的系统周期时长，不仅决定于各交叉口信号配时的结果，还同取得适用时差有关，所以在协调系统时差时要经过反复试算来确定。在选定试算周期时长时，常用的依据是：使通过带速度接近街上车辆的实际平均车速，定出一段周期时长的备选范围，如果系统中信号间距相当整齐，则用典型信号间距l和测得的车速v可由下公式定出一批周期时长C。C=lv*3600式中：C 为系统周期时长，单位：秒；v 为路口车辆可连续通行的车速，单位：Km/h。把这些备选周期时长与从各个交叉口配时计算所得的所需系统周期时长对比，如果其中某个周期时长接近或略大于该公用周期时长，则选用此周期时长作为试算的基础，但要检验所选用的周期时长能否保证各个交叉口有效地运行。如果所要设计的线控系统同其他线控系统相交或相近，这些线控系统已采用的周期时长就可定为要设计系统的周期时长。（4）确定信号时差信号时差有图解法和数解法两种，下图为信号时差图解法：图1.37 信号时差图上图中，信号周期长度为C，其中绿灯时段为t1，红灯时段为t2；单向平均时速分别为V1、V2；交叉口间的距离长度为：l1、l2、l3（该距离长度由：两交叉口停车线间的距离加车辆排队长度l组成）；按比例绘图后可得信号相位差t及绿波带长度t0。1.3.5 丁字路口配置实例丁字路口交通信号控制建设配时为例：现状丁字路口该交叉口进行增加进口道车道数的渠化改造后，交叉口各进口道车道功能划分渠化图如下：图1.38 丁字路口渠化图表1.31 丁字路口高峰小时交通量调查数据如下表：进口道南 进 口西 进 口东 进 口流向 左 转 右 转直 行右 转直 行左 转交通量（pcu/h）64326824465582773247经分析，确定信号相位方案如下图所示：按照信号配时方法中的常用方法进行信号配时，具体配时计算过程如下：每周期的有效绿灯时间：各相位的有效绿灯时间：各相位的实际显示绿灯时间：根据以上结果得XX丁字路口信号配时图为：图1.39 XX丁字路口信号配时图该交叉口相应通行能力计算如下：上式中S i为某进口道第i车道的饱和流量根据公式可得：由此可得各进口车道设计通行能力满足要求。下图是根据以上计算结构使用Synchro交通仿真模拟软件得到的结果：图1.310 南进口左转图1.311 东西双方向直行图1.312 东西双方向直行-黄灯图1.313 西进口左转通过仿真软件进行道路控制仿真模拟后，可以得出上述配时方案可以保证各车道车辆通行能力的要求，减少车辆的平均等待次数及平均等待时间。1.4 系统解决方案1.4.1 系统组成1.4.1.1 系统拓扑交通信号控制系统主要由路口信号机、车辆检测器、通信系统和中心控制计算机与控制软件组成。本系统采用三层控制结构，分为路口控制层、传输层和中心控制层。图1.41 系统拓扑图1.4.1.2 软件系统架构图1.42 系统软件构架交通信号控制系统的软件设计遵循模块化设计原则，功能模块独立性强、耦合度低，便于维护和升级。本应用软件为C/S开发模式，以Oracle数据库为支撑，选用Oracle 9i标准版，可升级为Oracle 10g。在操作平台方面，服务器端采用Linux操作系统，保证系统安全、稳定、高效的运行，客户端采用Windows操作平台以保证系统良好的交互性和可操作性。1.4.1.3 前端设备建设（1）FIAMM（非凡） FTSC-116交通信号机FIAMM（非凡） FTSC-116交通信号控制机是由我公司根据国家标准设计制造的一款全功能信号机，符合GB 252802010标准。其主要功能有：1. LED显