8信号控制基本概念ppt课件.ppt

信号控制基本概念,交通信号控制,交通信号控制是以交通信号控制模型为基础，通过合理控制路口信号灯的灯色变化，从时间上将相互冲突的交通流予以分离，以达到减少交通拥挤与堵塞、保证城市道路通畅和避免发生交通事故等目的。交通信号控制模型是描述交通性能指标（延误时间、停车次数等）随交通信号控制参数（信号周期、绿信比和信号相位差），交通环境（车道饱和流量等），交通流状况（交通流量、车队离散性等）等因素变化的数学关系式。,交通信号控制系统组成,（1）交通流系统交通流系统指车辆、行人、道路和环境（控制对象）。（2）交通检测设备主要是指为控制提供有关交通信息的设备，如可以检测车流量、车辆行驶速度等参数的车辆检测器，这些设备将交通信息反映为与之相关的电子信息量。（3）数据处理将交通检测设备送来的交通信息按照一定规律进行处理，剔除诸如噪声等无用、无效信息，对有效信息进行数据整理和管理，提供尽可能详细的交通流系统的状态信息。承担这部分工作的可以是硬件设备，也有支持其工作的软件系统（比如相关的滤波算法等）。,交通信号控制系统组成,（4）控制器根据由数据处理后送来的交通信息，按照一定控制算法作出相应的控制决策，这种决策可以是信号灯的配时，也可以是某些交通信息的传递。控制器的核心通常是功能比较强大的微控制器，这类控制器具有很强的输入、输出、定时和通信等功能。（5）控制设备主要包括交通信号灯和可变限速标志等，这些可以为车辆驾驶人员或行人提供交通控制信息，达到对交通流进行引导和控制的目的。,交通信号控制系统组成,检测设备,数据处理,控制器,控制设备,交通信号控制系统类型,（1）按交通信号控制的范围：点控系统指某一城市街道交叉口或高速公路出、入口的信号控制是独立进行的，与其它路口或出、入口无关。线控系统指交通信号控制对象是含有多个交叉口的城市于道或高速公路干道。其控制思想是协调控制而不是孤立控制。面控系统指交通信号控制对象是城市道路网络及高速公路网络。,交通信号控制系统类型,（2）根据系统控制的方法分固定配时方案控制系统固定配时方案控制是指信号灯的配时参数是顶先给定的，不随交通情况而改变。在预先确定的配时方案中，不同的时段可以采用不同的配时，只是在从一时段内配时参数不发生改变。例如，可以根据城市交通特点，确定交通早高峰时间、午间高峰时间以及晚高峰时间等确定相应的配时方案。固定配时控制可以是单个交叉口的独立控制，可以是多个交叉口甚至区域协调控制。,交通信号控制系统类型,（2）根据系统控制的方法分适应性控制系统（感应控制）适应性控制是通过车辆检测器将检测到的车辆信息传送到信号控制群中进行分析处理，然后根据一定的控制规律制定相应的控制方案。为此，需要在各个交叉口的入口车道处埋设车辆检测器。这种控制系统比较复杂，设备投资大，但是其信号配时比较灵活，提高了信号时间的利用率，效果较为明显。,交通信号控制系统组成,（3）按控制思想分：被动式控制无论是从几何特性上分的点、线、面的控制，还是按控制原理分的定时、感应和自适应控制，其控制思路是以道路上的交通（车辆或行人）为主体，通过事先人工调查或实时自动检测的方法，了解其变化规律和实时状态，在此基础上选取适当的控制方案（或控制参数），或者联机生成实时控制方案（或控制参数），以控制信号的变化，使之适应交通的需求。表面上看是交通受信号指挥，实质上交通信号是根据交通需求而变化的，也就是说交通信号是被动地去控制交通流的变化。因而应该被称为被动式控制系统。,交通信号控制系统组成,（3）按控制思想分：主动式控制-交通自动化路径诱导系统从20世纪70年代起，一些发达国家开始了交通自动化路径诱导系统的研究，并在短短的几年时间内推出了示范系统，这种系统因为在驾驶人和系统之间建立了双向功能，二者之间的信息交换可视需要而定，因此使系统功能更加丰富。系统能根据车辆给出的位置和行驶的目的地等信息，给出优化的行驶路线，通过对所控制区内行驶的车辆发出指令和忠告，使区域内的道路系统的交通负荷合理地均匀分布，从而预防交通阻塞的发生。即使阻塞发生也不会加剧。相反，通过对交通流主动的引导、分配而使阻塞缓解和消除。,基本概念,（1）交通信号交通信号是指在道路上向车辆和行人发出通行或停止的具有法律效力的灯色信息，主要分为指挥灯信号、车道灯信号和人行横道灯信号。交通信号灯诞生于19世纪，在1868年，伦敦威斯敏斯特街口安装了交通信号灯，是一种红绿两色信号灯（煤气灯），毁于煤气爆炸事故。1914年,出现了红绿两色的电信号灯。1918年，纽约的街口安装了一种手动操纵的三色信号灯。三色信号灯排列方式：水平设置时从道路中心线一侧起以红、黄、绿的顺序向路边排列；垂直设置时从上往下依次是红灯、黄灯、绿灯。箭头信号灯闪烁信号灯（黄灯闪烁，绿灯闪烁）X形信号灯,基本概念,基本概念,（1）交通信号信号绿灯(G)表示车辆可以通行，可直行、左转或右转左、右转车辆必须让合法通行的其他车辆和人行横道线内的行人先行绿色箭头灯表示车辆只允许沿箭头所指的方向通行。信号红灯(R)不允许车辆通行面对红灯车辆不得超过停车线箭头红灯仅对箭头所指方向起红灯作用信号黄灯(A)即将亮红灯面对黄灯车辆应依次停在各进口道停车线以外。黄灯起亮，已进入交叉口（即通过或部分通过停车线）的车辆可以继续通行，驶离路口,基本概念,（2）信号相位在一个周期内，交叉口上某一支或某几支交通流所获得的通行权称为信号相位。在一个信号周期内，包含有多个不同的信号相位。有几个信号相位，则称该信号系统为几相位信号系统。最基本的控制是两相位信号控制。,基本概念,（2）信号相位交叉口两个方向车道上直行车运行不发生冲突，但左转车和直行车之间存在冲突。如果左转车数目较少，则这些左转车要利用直行车之间的空档左转。如果左转车数目较多，则会造成左转车找不到足够空档左转，必然造成一部分左转车堵塞。为防止这种情况的出现，必须在信号相位序列中加左转相位。（三相位）,基本概念,（2）信号相位相位数太多，相位转换频率高，且每相位的绿灯时间短；相位数太少，冲突点多，绿灯和红灯时间长，可能会造成绿灯时间的浪费和闯红灯现象。合理选用与组合相位（相位数和顺序），是决定交通控制效益的主要因素之一。,基本概念,（3）周期信号周期：各种灯色显示时间之和，或是某相位的绿灯开始时刻到下一次绿灯开始时刻之间的时间。信号周期是决定交通信号控制效果优劣的关键控制参数。若信号周期太短，则难以保证各个方向的车辆顺利通过路口，导致车辆在路口频繁停车、路口的利用率下降；若信号周期太长，则等待时间过长，增加车辆的延误时间。,基本概念,（4）绿灯间隔时间绿灯间隔时间是指一个相位绿灯结束到下一相位绿灯开始的时间间隔，用I表示。设置绿灯间隔时间主要是为了确保已通过停车线驶入路口的车辆，均能在下一相位的首车到达冲突点之前安全通过冲突点，驶出交叉口。绿灯间隔时间大小取决于交叉口几何尺寸，设置太短不安全，太长增大损失时间,基本概念,（4）绿灯间隔时间绿灯间隔时间通常表现为黄灯时间或黄灯时间+全红时间。黄灯时间一般取值35秒。不宜较长，黄灯时间大于5秒时，超出部分通常用全红时间代替。全红时间(r)任意进口道全是红灯任意进口道车辆均不得进入停车线为滞留在冲突区内的车辆提供清路口的时间提供较大的安全余地,基本概念,（5）损失时间损失时间是指在周期时间内由于交通安全及车流运行特性等原因，在某段时间内没有交通流运行或未被充分利用的时间。,基本概念,（5）损失时间损失时间是指在周期时间内由于交通安全及车流运行特性等原因，在某段时间内没有交通流运行或未被充分利用的时间。,绿灯间隔时间,损失时间,后补偿时间,后损失时间,行车流率,时间,基本概念,（7）绿信比一个信号周期内有效绿灯时间分配给各个信号相的比例。交叉口总的绿信比是指所有关键车流的绿信比之和，即所有关键车流的有效绿灯时间总和与信号周期之比值。绿信比是进行信号配时设计最关键的时间参数，某相位的绿信比越大则越有利于该信号相位车辆的通行，但却不利于其他信号相位车辆的通行，绿信比可以相同，也可以不相同。所有信号相位的绿信比之和必须小于1。,基本概念,（8）配时图各相位灯色分配图，或各交通流的时间分配图,两相位,南北,东西,基本概念,（8）配时图各相位灯色分配图，或各交通流的时间分配图,信号周期表达式：C=G1+A+R1,C=R2+G2+AC=G1+A+G2+A=G+2A,基本概念,（8）配时图各相位灯色分配图，或各交通流的时间分配图,信号周期表达式：C=G1+A+R1,C=R2+G2+AC=G1+A+r+G2+A+r=G+2(A+r)C=G1+E+G2+E=G+2E,基本概念,（9）交通流量交通流量是指单位时间内到达道路某一截面的车辆或行人数量，用q表示，单位pcu/h。到达交叉口的交通流量是指单位时间内到达停车线的车辆数，其主要取决于交叉口上游的驶入交通流量，以及车流在路段上行驶的离散特性。,基本概念,（10）饱和流量在绿灯时间开始后，停车线的连续车队通过交叉口停车线的车流量称为饱和流量，用S表示。饱和流量的大小与交叉口道路条件（车道数、车道宽度、转弯半径、纵坡）、交通流（方向，转弯车流率）和车辆状况（车型，大车率）有关。饱和流量可以通过交通调查与现场实地观测求得，但是在许多情况下，实测是十分困难的。为此，需要建立一种合理的计算方法来计算饱和流量。常用的计算方法有韦伯斯特法、阿克塞立科法、折算系数法、停车线法、冲突点法等。,基本概念,（11）通行能力通行能力是指在现有道路条件和交通管制下，车辆以能够接受的行车速度，单位时间内一条道路或道路某一截面所能通过的最大车辆数，又称道路容量Capacity，用Q表示。“现有道路条件”主要是指道路的饱和流量，“交通管制”主要是指交叉口的绿信比配置，而“能够接受的行车速度”对应于饱和流率。通行能力与饱和流量、绿信比之间的关系：,基本概念,（11）通行能力加大交叉口某信号相位的绿信比也就是加大该信号相位所对应的放行车道的通行能力，使其在单位时间内能够通过更多数量的车辆。道路通行能力是衡量道路所能承担通过车辆的极限数量，是对现有道路交通进行运行状态分析的依据，是新建或改建道路的设计、规划和管理的基本指标。与街道等级、线形、路况、交通管理与交通状况有关。一般来讲，道路上交通流量比其通行能力小得越多，车辆驾驶人员所受阻碍越小。当交通流量等于或接近道路通行能力时，车辆行驶所受阻碍多。,基本概念,（12）车道交通流量比车道流量比即为进口道上各条车道的到达流量同该车道饱和流量之比。,yi车道流量比；qii车道到达流量；Sii车道的饱和流量。,基本概念,（12）车道交通流量比关键车道关键车道是确定信号配时的依据，对于每一个信号相位，每一个车道有其各自的流率比，取其中流率比值高的车道，作为各自相位的关键车道。直、左、右合用车道直、左和直、右合用车道直、右合用车道与左转专用车道,基本概念,（12）车道交通流量比相位最大流量比，是指某信号相位中车道交通流量比的最大值，即关键车流的交通流量比。将信号周期内所有相位所对应的关键车流的交通流量比累加，即为交叉口的总交通流量比（最大流量比之和），用Y表示。交叉口的总交通流量比Y与临界车道组交通流量比yi是影响信号配时设计的两个重要因素，Y将决定信号周期大小的选取，yi则决定各相位绿灯时间的合理分配。,基本概念,（13）饱和度联系通行能力和饱和流量两个概念的是饱和度，饱和度是道路的实际流量与该道路通行能力之比，用x表示。从理论上讲，饱和度只要小于1就可以基本满足各方向车流的通行能力的要求。但是根据实际经验，当交叉口的饱和度接近1时，到达交叉口的车流量接近或超过了交叉口的允许通行能力，车辆会形成很长的排队车流，车辆受阻延误时间必然增大。同时，交叉口车辆运行不断受阻的现象会使交通拥挤严重，通行能力大幅度下降。因此，在交叉口设计中，饱和度的实用限值一般都是在0.75-0.9。,基本概念,（13）饱和度加大交叉口某信号相位的绿信比也就是降低该信号相位所对应的放行车道的饱和度。也将会导致其他信号相位所对应的放行车道的饱和度相应上升。总饱和度最小。交叉口的总饱和度是指饱和程度最高的相位所达到的饱和度值，而并非各相位饱和度之和，用X表示。对于某一确定的信号周期，当调节各个信号相位的绿信比使得各股关键车流具有相等的饱和度时，交叉口的总饱和度将达到最小值。,基本概念,（14）评价指标交通效益的评价指标一般有：通行能力或饱和度、行程时间、延误、停车次数、停车率、油耗等。延误时间车辆的延误时间是指车辆在受阻情况下通过交叉口所需时间与正常行驶同样距离所需时间之差。由于单位时间段内到达交叉口的车辆数和车辆到达交叉口的时间间隔都是随机变化的，因此，在每个信号周期内总有一部分车辆在到达交叉口停车线之前将受到红灯信号的阻滞，行驶速度降低，甚至被迫停车等待，并在等候一段时间后通过起动加速，逐渐穿过交叉口。,基本概念,（14）评价指标延误时间,基本概念,（14）评价指标延误时间交叉口总的延误时间是指所有通过交叉口的车辆的延误时间之和，用D表示；交叉口的平均延误时间则是指通过交叉口的车辆的延误时间平均值，用d表示。交叉口的平均延误时间是一个评价交叉口运行效果和衡量交叉口服务水平的重要指标,基本概念,（14）评价指标停车次数车辆的停车次数（停车率）是指车辆在通过交叉路口时受信号控制影响而停车的次数，即车辆在受阻情况下的停车程度，用h表示。停车可分为完全停车与不完全停车两种。,基本概念,（14）评价指标停车次数交叉口总的停车次数是指所有通过交叉口的车辆的停车次数之和，用H表示；交叉口的平均停车次数则是指通过交叉口的车辆的停车次数平均值，用h表示。平均停车次数也是一个衡量信号控制效果好坏的重要性能指标。减少停车次数可以减少燃油消耗、减小车辆轮胎和机械磨损、减轻汽车尾气污染、降低驾驶人和乘客的不舒适程度，同时确保交叉口的行车安全。,基本概念,（15）服务水平服务水平是指对道路交通运行时要求能达到的服务质量标准。考察服务水平的因素主要包括以下内容：车速与行程时间，它不仅与运行车速有关，也与总的行程时间有关；车辆行驶受阻情况，可以用每公里停车次数和车辆延误时间来衡量；操纵车辆以维持所需车速的自由程度；行车的安全性与事故情况；行车的舒适性和方便性，受道路条件、交通条件和道路能为满足驾驶人员需要所能提供的方便程度的影响；行车经济性。,基本概念,（15）服务水平信号交叉口的服务水平用延误来衡量，因为延误能综合放映行车受阻、油耗、行程时间和舒适性。美国信号交叉口服务水平标准,基本概念,（11）服务水平我国信号交叉口服务水平标准,基本概念,（15）服务水平美国无信号交叉口服务水平标准,基本概念,（15）服务水平德国无信号交叉口服务水平标准,信号控制的目标,通行能力、饱和度、延误时间和停车次数是反映车辆通过交叉口时动态特性和进行交叉口信号配时设计的四个基本参数。交通信号控制的目标就是要寻求较大的通行能力、较低的饱和度，从而使得通过交叉口的全部车辆总延误时间最短或停车次数最少。应配以适当的周期时长，让通行能力稍高于交通需求而使延误、停车、油耗等指标达到最小，这样，既能保证车辆的畅通又能降低运行费用。,交通信号控制的设置依据,（1）设置交通信号控制的利弊设有停车或让路标志的交叉口的交通量接近其通行能力时，车流就会不畅而大大增加了车辆的停车与延误，特别是次要道路上的车辆，停车、延误更加严重。这时，可以把设有停车标志的交叉口改为信号控制的交叉口，改善次要道路上的通车，减少其停车与延误。如果交通量没有达到需要设置信号灯的时候，不合理地将停车标志交叉口改为信号控制交叉口，则结果就可能恰得其反。,交通信号控制的设置依据,（1）设置交通信号控制的利弊在设有停车、让路标志的交叉口上，对主要道路车辆是保证畅通无阻的，可以看成没有这个交叉口一样，因此，主要道路车辆延误很少。改为信号控制交叉口之后，就要为少量次要道路的车辆放绿灯，势必给主要道路车辆增加许多不必要的红灯，从而使主要道路上的车辆产生大量的停车与延误。而在次要道路上，因车少，有些时候亮着绿灯却无车通行。主要道路上的车辆遇红灯而停车，如果在相当长的时间内并未看到次要道路上有车通行，就往往会引起故意或无意的闯红灯。,交通信号控制的设置依据,（1）设置交通信号控制的利弊合理设计信号控制的交叉口，通行能力比设有停车或让路标志的交叉口大。但不幸的是，交通信号控制往往被看成是能治道路交叉百病的灵丹妙药。最普遍的是把交通控制信号看成是主要的安全设施。但交通安全不是信号控制的最终目标，交通控制信号的主要目标是使各类、各向交通有秩序、高效率地通行。,交通信号控制的设置依据,（2）考虑的因素决定是否将停车/减速让路控制方式改变为交通信号控制方式，主要应考察交叉口的通行能力与延误这两个因素：在停车/减速让路控制方式下交叉口次要道路的最大通行能力是否能够满足其实际交通量通行的需要；交叉口控制方式改变前后交叉口的平均延误时间的变化。,交通信号控制的设置依据,（2）考虑的因素车辆延误理论计算延误的困难很大，现行的做法是通过各种类型交叉口的延误-流量曲线来确定。延误-流量曲线可以采用现场观测法得到。,交通信号控制的设置依据,（2）考虑的因素交叉口通行能力确定无信号交叉口通行能力的方法有两类：理论法和经验法。经验法是完全利用实际观测数据，分类分析通行能力与各影响因素之间的关系，从而确定其实际通行能力的方法。理论法是以基本符合实际条件的假设出发，从理论上推算交叉口通行能力的方法。在