第一章-道路交通控制概述(2017-9)

道路交通控制徐晓慧唐洪主编中国人民公安高校出版社第一章道路交通限制概述第一节概述其次节交通信号限制的分类第三节交通限制理论第一节概述指在没有人工干预的状况下，接受限制装置使被限制对象自动依据所设定的规律运行，使被限制对象的一个或数个限制参数，如电压、电流、速度、位置、流量、浓度等，能够在确定的精度范围内依据给定的规律变更。自动限制的被限制对象既可以是某一具体的运行设备，又可以是某一生产或运行的系统。（自动限制是相对人工限制概念而言的。）（一）自动限制一、概念自动限制技术的作用：（1）用于生产：提高生产效率，改进产品质量，降低生产成本，改善劳动条件和加强企业管理；（2）国防领域：提高部队战斗力，促进国防现代化；（3）道路交通系统：提高路网运行效能，削减交通事故和污染，减轻交通管理者的劳动强度，提高道路和道路网的通行实力以及交通管理的效率。汽车生产过程的自动限制道路交通限制：是交通工程学的主要探讨对象之一，是指依据道路交通法规，接受交通信号，对道路上的行车、停车、行人和道路运用进行限制，使之畅通有序的运行。从宏观上来说，交通限制事实上属于交通管理的范畴，交通限制是交通管理的某一表现形式。本课程：着重于探讨对现有道路交通设施，如何科学地实行交通管理与限制的各种治理措施来提高其交通效益与交通平安。（二）交通限制与交通管理道路交通自动限制，指不依靠交通警察的人工指挥，主要接受交通信号或其他自动化设备，随交通变更特性来指挥车辆和行人的通行。

交通信号包括四类：交通信号灯，交通标记，交通标线，交通警察的指挥。交通警察的指挥（三）交通管理和交通限制的概念交通管理：是对道路上的行车、停车、行人和道路运用，执行交通法规的执法管理，并用交通工程技术措施对交通运行状况进行改善的交通治理的一个统称。交通限制：是依靠交通警或接受交通信号限制设施，随交通变更特性来指挥车辆和行人的通行。依据其是否具有法律意义，交通管理和限制措施在性质上可分为：具有法律意义且必需强制执行的管理措施；用来改善交通状况的工程技术措施，可称为交通治理。道路交通管理有广义和狭义之分。广义：指公安机关交通管理部门对道路交通系统的构成要素及其相互关系的全部调控活动。狭义：指公安机关交通管理部门对道路交通所进行的一系列行政调控活动。静态管理：指狭义的交通管理；动态管理：指交通限制。城市交通现状：机动车拥有量和道路交通量急剧增加，城市交通基础设施建设速度远远跟不上快速增长的交通需求，城市交通供需不平衡的毛病特别尖锐。交通拥挤危害：交通延误增大、行车速度降低、事务损失；低速形式增加油耗；增加汽车尾气排放量，环境恶化；事故增多，又使交通堵塞加剧，形成恶性循环；运输效率下降。城市交通是城市经济和社会发展的动脉，是城市基础设施建设的重要组成部分，一个城市的交通服务水平反映了一个城市的现代化水平。二、道路交通限制的地位和作用（一）交通限制的地位改善城市交通状况：（p3）1、进行交通基础设施建设；2、交通宣扬和教化；3、制订科学合理的管理方案；4、交通限制系统；交通限制系统：与交通警察指挥交通有所不同，交通限制系统能对交通马上响应并实施限制和监视。能依据科学的方法进行较为精确的定量限制，限制范围不仅仅限于一个交叉路口，可以对一条干线或一条高速马路或一个城区，甚至包括几千个交叉路口的大都市的交通进行集中限制、监视，是任何一个阅历丰富的交通警察都无能为力的。具有人工干预功能，系统本身可以把交通警察的管理阅历存储在中心计算机中，可以人工调用这些“阅历信息”用于现实的交通管理中。交通限制系统具有数据采集和处理功能，通过设在路上的车辆检测器自动测量交通流数据，并通过数据传输系统将这些数据传到中心计算机中去存储和处理，然后依据这些信息制订交通管理方案、交通限制方案以及进行城市规划设计。交通限制的目的在发生变更：保障交通平安疏导交通、保障交通通畅寻求解决交通问题的新思路新方法……交通限制的目的：1、削减交通事故，保障交通平安；2、缓和交通拥挤，提高交通效益；3、实施交通需求管理，达到高效有序；4、节约能源消耗，降低污染程度，爱护交通环境。概括的说，就是要通过限制手段，达到使道路交通平安、有效、经济、舒适和低公害的目的。二.交通限制的目的/作用1868年，英国伦敦威斯明斯特街口，工程师J.P.Knight（纳伊特），安装了最早的交通信号灯。这是一种红绿两色的臂板式信号，在夜间为了让司机和行人能看清信号颜色，点燃里面的煤气灯。1869年1月2日，仅仅诞生23天的第一盏交通信号灯便突然爆炸损毁了，并将当时负责进行红绿颜色切换的警员炸死。三、道路交通限制的历史与发展（一）交通信号灯的诞生1914年，在美国克利夫兰，纽约和芝加哥街头才出现新的交通信号灯，一座手动操控的三色信号灯（红、黄、绿），接受电力发光。1925年，这类三色信号灯也被用于伦敦的皮克的里街口。1926年，英国人在伍尔弗汉普顿安设了第一座自动交通信号灯——城市交通自动限制的起点。1、“固定配时”信号限制器：早期的交通信号限制器都是依据某种固定不变的周期长度和红绿灯时间比例来限制信号灯运行的，即以“固定配时”方式实现自动限制。缺点：无法适应一日当中交通量随时间波动的客观状况，降低绿灯时间的有效利用，增加车辆在交叉口的延误，导致路网商车辆的总行程时间和燃料消耗的严峻奢侈。（二）定时限制向协调限制发展2、“多时段多方案”信号限制器：一种多时段多方案的信号限制器取代了固定配时的信号限制器。它能存储几套不同的信号配时方案，以应付每日不同的时间区段的交通要求。能依据交通流的变更规律依规定的运行时辰表，在不同时段转换执行不同的配时方案。缺点：在交通流变更规律比较明显的时候，限制效果使很好的。但是终归还是一种初级形式的“单点定周期”限制器，不能依据交叉口的交通量随机变更状况实行敏捷的随机限制和与相邻交叉口协调运行。3、“子母限制器”信号系统：沿一条行驶路途，设置一台主信号限制机和若干与之串联的从属信号机（子限制器），主信号机支配和协调各个从属信号机的运行，使沿线交通型号的变换协调成“绿波”。这种方式称为“线限制”，一种初级协调限制系统，是当今协调限制系统的早期形式。缺点：沿线行驶的车辆获得“绿波”信号，受阻程度降到最小，但是，沿其他路途（尤其是与线控路途相交的各条路途）行驶的车辆并没有受益，甚至受阻程度大大增加。（三）车辆检测器与感应式信号限制器的诞生20世纪30年头初期，美国第一次尝试在交叉口设置车辆自动检测装置，用以检测车辆到达交叉口的状况，并将检测信息传输给信号机。这是世界上最早的“感应式”信号机。车辆自动检测装置的发展：声控检测装置气动传感装置电感检测器、地磁感应检测器、超声波检测器、微波检测器等……优点：“感应式”信号限制系统通行效率比“单点定周期”限制系统明显提高，车辆停车次数削减6%~30%，车辆感应式限制器能依据检测器测量的交通流量来调整绿灯时间的长短，使绿灯时间更有效的被利用，削减了车辆在交叉路口的时间延误，比定时限制方式有更大的敏捷性。缺点：虽然具有很大的敏捷性，但是在实际应用上也有局限性。当交叉口各个进口方向交通负荷均接近饱和程度时，感应式限制方式便失去了其敏捷性了。此时信号机只能按某种固定比例来安排各个方向的绿灯时间，相当于“单点定周期”限制方式。现代交通信号限制系统：是集计算机、通信和限制技术于一体的区域交通信号实时联网限制系统。20世纪60年头以来，世界各国对信号联动协调限制系统的探讨：硬件支持：1946年世界上第一台电子计算机在美国问世；1963年加拿大多伦多市建立了一套由IBM650型计算机限制的区域交通信号协调限制系统（UTC），标记着交通限制发展历史的新纪元;（四）区域交通信号限制系统软件支持：1969年，英国设计的区域限制系统优化程序TRANSYT（TrafficNeyworkStudyTool），把交通限制技术推向更高的发展阶段；20世纪70年头初，英国先后在西伦敦和格拉斯哥市建立了试验性区域交通限制系统；为了克服“定时限制方式”的局限性，从20世纪70年头起先，很多国家起先了自适应交通限制系统的探讨。例如，英国开发的SCOOT系统，可依据路网上的实时交通状况在线调整区域信号配时方案的基本参数。四、智能交通系统概述（一）智能交通系统概念智能交通系统（IntelligentTransportSystem，ITS），是将先进的信息技术、数据通信技术，电子传感技术、限制技术以及计算机技术等邮箱的集成运用于整个交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、精确、高效的综合交通运输管理系统，是现代地面交通体系的发展方向，是交通运输进入信息时代的重要标记，智能交通系统已成为当前国际公认解决交通问题的最佳途径。智能交通系统的早期构想是由美国在20世纪60年头提出的，目前，世界上已经形成了，美国、欧盟和日本三大ITS探讨开发基地。除此之外，韩国、新加坡、香港特区ITS水平也较高。1、美国的智能交通系统发展；2、欧洲智能交通系统发展；3、日本智能交通系统发展；4、我国的智能交通系统探讨。（二）国外智能交通系统发展概述以美国智能交通为例，智能交通系统一般包含七个方面： 1、先进的交通管理系统（ATMS）； 2、先进的出行者信息系统（ATIS）； 3、先进的车辆限制系统（AVCS）； 4、商用车辆运营（CVO）； 5、先进的公共交通系统（APTS）； 6、电子支付系统（EPS）； 7、紧急救援系统（EMS）。（三）智能交通的系统组成才智交通，是融合了先进的信息技术、通信技术、限制技术、传感技术、计算机技术和系统综合技术，通过将人、车、路、环境等有机结合起来，使在较大区域内达到有序的高效运输、能源充分利用、环境改善和交通平安性提高的目的。云计算，基于计算机技术而发展起来的一种新的计算形态，体现了一种全新概念的信息服务模式。基于云计算服务的智能交通系统称为“智能交通云”。（四）才智交通与云计算按限制区域划分：可分为单个交叉路口的限制（点限制）、交通干线的协调限制（线限制）、区域交叉路口的网络限制（面限制）。（一）单个交叉路口的限制（点限制）当某个交叉路口与其相邻的交叉路口相距较远时，可以利用一台信号限制器限制器信号的变更，称为单点信号限制，又称为孤立交叉口信号限制。点限制还被应用于高速马路的单一入口或出口匝道的限制。特点:相邻的交叉口之间在信号配时上没有相互关联，各自独立调整和运行。点限制可以运用人工限制、定时限制和感应式限制。其次节交通信号限制的分类一、按区域限制的特点分（二）交通干线的协调限制（线限制）将城市某条道路或路网某个范围内的主要信号交叉口视为一个整体，从系统论的观点动身，使各交叉口的信号在配时上遵循确定的规律，相互关联和制约，使整体处于最佳运行状态。这种限制方式称为信号的协调限制，也叫绿波交通。（三）区域交叉路口的网络限制（面限制）区域限制系统是对整个城市范围内或者城市的一个区域内的交通信号限制做统一限制及操作的（网络）限制系统。网络协调限制的三个参数：周期、绿信比、相位差。（干线协调限制只是网络协调限制的一种特例。）可分为：多段定时限制、感应限制、脱机优化限制和自适应限制四种类型。（一）多段定时限制（人工优化技术限制）以历史交通流的统计为依据，找出每个日/周和时/日不同交通流变更规律，用人工方法和计算机仿真方法，在时空图上反复做图解分析，寻求不同时段的最佳信号配时方案，接受程序存储方式将这些方案存储在信号限制器或中心计算机中。在实施信号限制时可以用不同的方式调用这些配时方案，通常可用日历钟在规定的时辰表的限制下选用对应的方案，也可以按车辆检测器测量的实际交通要求选用合适的方案。二、按限制原理划分（二）感应限制依据车辆检测器测量的交通流数据调整信号机内相应方向的绿灯时间的长短和时间依次，以适应交通的随机变更。这种方式比定时限制有更大的敏捷性，可以达到削减路口停车延误、提高交叉口通行实力的目的。（三）脱机优化限制接受脱机优化技术的信号协调限制多适用于交通流相对稳定的道路网。在对交通流历史统计数据进行分析与计算中，接受计算机技术，适用于困难道路网的信号配时优化。建立优化模型时，通常以车辆延误等作为运行指标（目标函数），在约束条件下进行计算机优化求解，即寻求使道路网运行指标达到极值下的最佳信号配时方案。在脱机优化过程中，计算机担当大量历史数据分析与计算以及优化求解，故脱机优化技术又称离线优化技术。当道路网结构参数和交通流数据变动较大时，须要重新进行优化求解，以寻求在新状况下的最佳配时方案。（四）自适应限制（联机优化限制）定义：在一条干线或者一个区域，依据交通流的动态的随机的变更而自动的调整信号限制参数，使限制系统自动的适应交通流的随即变更。在联机优化过程中，计算机实时地生成最佳配时方案，并实时地参与信号协调限制，故联机优化技术又称为在线优化技术。接受此种优化技术的信号协调多适用于交通流波动大的道路网。三、按限制思想划分可分为：被动式限制和主动式限制两种。（一）被动式限制——交通信号限制系统交通信号限制系统是通过路边装置或设备，如交通信号灯、固定或可变信息标记板向驾驶人或行人显示限制信息，来达到对交通流进行时间分别和限制的目的。交通信号限制，其限制的思想都是以已经运行到道路上的交通（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，了解其变更规律和实时状态，在此基础上选取适当的限制方案（或限制参数）或联机实时生成限制方案（或限制参数）限制信号变更，再去应对或适应交通的需求，也就是说交通信号是被动式的限制交通流的变更。（二）主动式限制——交通自动化路径诱导系统

传统信号限制方法的不足：在于限制系统与道路运用者之间交换的信息量的局限性限制了系统功能的发挥——信息不对称。限制系统赐予驾驶人的信息通常是以交通信号或可变交通标记显示出来的；而道路运用者赐予限制系统的信息则是通过检测器得出车辆通行路径和行驶速度。信息是限制和决策的依据，限制系统和被限制的对象之间信息交换特别有限，才导致了系统的局限性。交通自动化路径诱导系统：这种系统在驾驶人和系统之间建立了双向通信功能，两者之间的信息交换可视须要而定，因此使系统功能更加丰富。系统能依据司机事先给出的位置和行驶的目的地等信息，给出优化的行驶路途，通过对所控区域内行驶的车辆发出指令和忠告，使区域内道理系统的交通负荷合理地匀整分布，从而预防交通堵塞地发生，即使发生交通堵塞也不会加剧；相反，通过对交通流主动地引导、安排而使堵塞缓解和消退。在车联网技术中，通过无线射频技术对车辆进行数字化管理，包括：实时跟踪、监管车辆运行状况等。是自动限制理论中建立在频率响应法和根轨迹法基础上的一个分支。经典限制理论的探讨对象是单输入、单输出的自动限制系统，特殊是线性定常系统。经典限制理论的特点是以输入输出特性（主要是传递函数）为系统数学模型，接受频率响应法和根轨迹法等图解分析方法，分析系统性能和设计限制装置。经典限制理论的数学基础是拉普拉斯变换，占主导地位的分析和综合方法是频率域方法。第三节交通限制理论一、经典限制理论（classicalcontroltheory）经典限制理论主要探讨系统运动的稳定性、时间域和频率域中系统的运动特性（见过渡过程、频率响应）、限制系统的设计原理和校正方法（见限制系统校正方法）。经典限制理论包括：线性限制理论、采样限制理论、非线性限制理论（见非线性系统理论）三个部分。早期，这种限制理论常被称为自动调整原理，随着以状态空间法为基础和以最优限制理论为特征的现代限制理论的形成（在1960年前后），广为运用现在的名称。经典限制理论：以频率响应法和根轨迹法为核心的限制理论。

经典限制理论的发展历史：1、1932年，美国科学家H·奈奎斯特运用复变函数理论的方法建立了依据频率响应推断反馈系统稳定性准则。奠定了频率响应法地基础；2、1948年，美国科学家W·R·埃文斯提出了名为根轨迹地分析方法，构成了经典限制理论的另一核心方法——根轨迹法；3、20世纪40年头末和50年头初，频率响应法和根轨迹法被推广用于探讨采样限制系统和简洁地非线性限制系统，标记着经典限制理论已经成熟。经典限制理论在解决比较简洁的限制系统的分析和设计问题方面是很有效的，至今仍不失其好用价值。存在的局限性主要表现在只适用于单变量系统，且仅限于探讨定常系统。

【扩展学问】根轨迹法：1948年，W.R.Evans提出了一种求特征根的简洁方法，并且在限制系统的分析与设计中得到广泛的应用。这一方法不干脆求解特征方程，用作图的方法表示特征方程的根与系统某一参数的全部数值关系，当这一参数取特定值时，对应的特征根可在上述关系图中找到。这种方法叫根轨迹法。根轨迹法具有直观的特点，利用系统的根轨迹可以分析结构和参数已知的闭环系统的稳定性和瞬态响应特性，还可分析参数变更对系统性能的影响。在设计线性限制系统时，可以依据对系统性能指标的要求确定可调整参数以及系统开环零极点的位置，即根轨迹法可以用于系统的分析与综合。【扩展学问】频率响应：是指将一个以恒电压输出的音频信号与系统相连接时，音箱产生的声压随频率的变更而发生增大或衰减、相位随频率而发生变更的现象，这种声压和相位与频率的相关联的变更关系称为频率响应。（一）人工智能人工智能（ArtificialIntelligence，AI），是探讨使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思索、规划等）的学科，主要包括计算机实现智能的原理、制造类似于人脑智能的计算机，使计算机能实现更高层次的应用。人工智能将涉及到计算机科学、心理学、哲学和语言学等学科。二、人工智能限制理论人工智能发展三个阶段：1、第一阶段（1956-1975），人工智能起步时期早期地人工智能探讨是从智力难题、弈棋、难度不大的定理证明等简洁为题起先的。探讨的目的不在于实际应用，而在于探究人的解题策略。2、其次阶段（20世纪70年头），人工智能的发展时期学问工程（即研制学问型系统的工程技术）的出现，是人工智能发展史的重大转折点，标记着人工智能由单纯的理论探究起先面对世纪应用，不论是专家系统还是自然语言理解系统（包括书面语和口语），物景分析系统，都有大量领域学问、环境学问和通用常识，学问的表示和运用已称为人工智能全部领域的关键技术。3、第三阶段（1980年以后），是人工智能发展的新阶段这一阶段的发展有两方面特点：（1）人工智能探讨成果起先商品化，出现了用于精密检测的机器视觉系统，用于装配作业的初级智能机器人和用于微型计算机的自然语言接口；研制出专家系统，如地质矿藏勘探系统等；研制出家务询问系统和自修辅导学习系统。（2）人工智能向更高水平发展，出现其次代专家系统，如用于及神经系统的配置设计；研制学问型智能机器人、学问信息处理系统或第五代计算机，起先尝试将分散于个分支的人工智能技术综合为系统的机器智能技术。人工智能技术基础包括：学问表示、问题求解、机器定理证明或自动演绎、工具与语言方面。(详见课本P20)（二）模糊限制模糊限制是接受由模糊数学语言描述的限制律（限制规则）来操纵系统工作的限制方式。依据模糊限制律组成的限制装置称为模糊限制器。模糊限制所依据的限制律不是精确定量的，其模糊关系的运算法则、各模糊集的隶属度函数，以及从输出量模糊集到世纪的限制量的转换方法等，都带有相当大的随意性，对于模糊限制器的性能和稳定性，常常难以从理论上作出确定的估计，智能依据实际效果评价其优劣。（三）专家系统专家系统是一个智能计算机程序系统，其内部含有大量的某个领域专家水平的学问与阅历，能够利用人类专家的学问和解决问题的方法来处理该领域问题。也就是说，专家系统是一个具有大量的特地学问与阅历的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，依据某领域一个或多个专家供应的学问和阅历，进行推理和推断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些须要人类专家处理的困难问题。简而言之，专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。（志向）专家系统的体系结构由7部分组成：语言处理程序、学问库、全局数据库、说明程序、调度程序、协调程序、说明程序。专家系统的功能和应用：说明、预料诊断、设计、行动支配、监控、调试或故障解除、教学、限制等。（P24）（四）智能限制智能限制，是在无人干预的状况下能自主的驱动智能机器实现限制目标的自动限制技术。它是自动限制技术的最新发展阶段，也是用计算机模拟人类智能进行限制的探讨领域。1965年，傅京孙首先提出把人工智能的启发式推理规则用于学习限制系统；1985年，在美国首次召开了智能限制学术研讨会；1987年，在美国召开了智能限制的首届国际学术会议，标记着智能限制作为一个新的学科分支得到承认。人工智能限制理论在交通系统中的应用出现了智能交通限制，对智能交通限制理论和结构的探讨又进一步促进了智能交通限制系统的发展。随着宇航技术和工业生产的发展以及电子计算机的出现，限制系统日益困难，而传统的探讨方法（如经典限制理论）难以适应形势发展的须要。在此状况下，现代限制理论便在20世纪60年头初期诞生了。由于大规模工业生产、宇航以及军事方面的促进和推动，现代限制理论自诞生后发展快速，在全部与自动化技术有关的领域里获得广泛应用，如宇航、军事、电子、机械制造、化工、仪表、交通运输等领域。现代限制理论在发展过程中，渐渐演化出了多个分支：如最优限制、随机限制、自适应限制、多级递阶限制等。三、现代限制理论（一）最优限制最优限制理论（optimalcontroltheory），是现代限制理论的一个主要分支，着重于探讨使限制系统的性能指标实现最优化的基本条件和综合方法。最优限制理论是探讨和解决从一切可能的限制方案中找寻最优解的一门学科。它是现代限制理论的重要组成部分。最优限制理论所探讨的问题可以概括为：对一个受控的动力学系统或运动过程，从一类允许的限制方案中找出一个最优的限制方案，使系统的运动在由某个初始状态转移到指定的目标状态的同时，其性能指标值为最优。这类问题广泛存在于技术领域或社会问题中。为了解决最优限制问题，必需建立描述受控运动过程的运动方程，给出限制变量的允许取值范围，指定运动过程的初始状态和目标状态，并且规定一个评价运动过程品质优劣的性能指标。通常，性能指标的好坏取决于所选择的限制函数和相应的运动状态。系统的运动状态受到运动方程的约束，而限制函数只能在允许的范围内选取。因此，从数学上看，确定最优限制问题可以表述为：在运动方程和允许限制范围的约束下，对以限制函数和运动状