第一章 道路交通控制概述课件

道路交通控制徐晓慧唐洪主编第一章道路交通控制概述第一章道路交通控制概述第一章道路交通控制概述第一节概述第二节交通信号控制的分类第三节交通控制理论第一章道路交通控制概述第一节概述指在没有人工干预的情况下，采用控制装置使被控制对象自动按照所设定的规律运行，使被控制对象的一个或数个控制参数，如电压、电流、速度、位置、流量、浓度等，能够在一定的精度范围内按照给定的规律变化。

自动控制的被控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。（自动控制是相对人工控制概念而言的。）

（一）自动控制一、概念第一章道路交通控制概述自动控制技术的作用：（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，减少交通事故和污染，减轻交通管理者的劳动强度，提高道路和道路网的通行能力以及交通管理的效率。第一章道路交通控制概述汽车生产过程的自动控制第一章道路交通控制概述道路交通控制：是交通工程学的主要研究对象之一，是指依据道路交通法规，采用交通信号，对道路上的行车、停车、行人和道路使用进行控制，使之畅通有序的运行。从宏观上来说，交通控制实际上属于交通管理的范畴，交通控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，如何科学地采取交通管理与控制的各种治理措施来提高其交通效益与交通安全。（二）交通控制与交通管理第一章道路交通控制概述

道路交通自动控制，指不依靠交通警察的人工指挥，主要采用交通信号或其他自动化设备，随交通变化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，交通标志，交通标线，交通警察的指挥。第一章道路交通控制概述交通警察的指挥第一章道路交通控制概述（三）交通管理和交通控制的概念交通管理：是对道路上的行车、停车、行人和道路使用，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。交通控制：是依靠交通警或采用交通信号控制设施，随交通变化特性来指挥车辆和行人的通行。根据其是否具有法律意义，交通管理和控制措施在性质上可分为：具有法律意义且必须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。第一章道路交通控制概述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所有调控活动。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：指交通控制。第一章道路交通控制概述

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迅速增长的交通需求，城市交通供需不平衡的毛病十分尖锐。

交通拥挤危害：交通延误增大、行车速度降低、事件损失；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，又使交通阻塞加剧，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、道路交通控制的地位和作用（一）交通控制的地位第一章道路交通控制概述改善城市交通状况：（p3）1、进行交通基础设施建设；2、交通宣传和教育；3、制订科学合理的管理方案；4、交通控制系统；第一章道路交通控制概述交通控制系统：

与交通警察指挥交通有所不同，交通控制系统能对交通立刻响应并实施控制和监视。能依据科学的方法进行较为准确的定量控制，控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公路或一个城区，甚至包括几千个交叉路口的大都市的交通进行集中控制、监视，是任何一个经验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经验存储在中心计算机中，可以人工调用这些“经验信息”用于现实的交通管理中。

交通控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、交通控制方案以及进行城市规划设计。第一章道路交通控制概述交通控制的目的在发生变化：

保障交通安全

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……交通控制的目的：1、减少交通事故，保障交通安全；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、节省能源消耗，降低污染程度，保护交通环境。

概括的说，就是要通过控制手段，达到使道路交通安全、有效、经济、舒适和低公害的目的。二.交通控制的目的/作用第一章道路交通控制概述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、道路交通控制的历史与发展（一）交通信号灯的诞生第一章道路交通控制概述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），采用电力发光。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——城市交通自动控制的起点。第一章道路交通控制概述1、“固定配时”信号控制器：早期的交通信号控制器都是按照某种固定不变的周期长度和红绿灯时间比例来控制信号灯运行的，即以“固定配时”方式实现自动控制。缺点：无法适应一日当中交通量随时间波动的客观情况，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重浪费。（二）定时控制向协调控制发展第一章道路交通控制概述2、“多时段多方案”信号控制器：一种多时段多方案的信号控制器取代了固定配时的信号控制器。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。能按照交通流的变化规律依规定的运行时间表，在不同时段转换执行不同的配时方案。缺点：在交通流变化规律比较明显的时候，控制效果使很好的。但是毕竟还是一种初级形式的“单点定周期”控制器，不能根据交叉口的交通量随机变化情况实行灵活的随机控制和与相邻交叉口协调运行。第一章道路交通控制概述3、“子母控制器”信号系统：沿一条行驶路线，设置一台主信号控制机和若干与之串联的从属信号机（子控制器），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“线控制”，一种初级协调控制系统，是当今协调控制系统的早期形式。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，沿其他路线（尤其是与线控路线相交的各条路线）行驶的车辆并没有受益，甚至受阻程度大大增加。第一章道路交通控制概述（三）车辆检测器与感应式信号控制器的诞生20世纪30年代初期，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情况，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”信号控制系统通行效率比“单点定周期”控制系统明显提高，车辆停车次数减少6%~30%，车辆感应式控制器能根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，减少了车辆在交叉路口的时间延误，比定时控制方式有更大的灵活性。第一章道路交通控制概述缺点：虽然具有很大的灵活性，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，感应式控制方式便失去了其灵活性了。此时信号机只能按某种固定比例来分配各个方向的绿灯时间，相当于“单点定周期”控制方式。第一章道路交通控制概述现代交通信号控制系统：是集计算机、通信和控制技术于一体的区域交通信号实时联网控制系统。20世纪60年代以来，世界各国对信号联动协调控制系统的研究：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型计算机控制的区域交通信号协调控制系统（UTC），标志着交通控制发展历史的新纪元;（四）区域交通信号控制系统第一章道路交通控制概述软件支持：1969年，英国设计的区域控制系统优化程序TRANSYT（TrafficNeyworkStudyTool），把交通控制技术推向更高的发展阶段；20世纪70年代初，英国先后在西伦敦和格拉斯哥市建立了实验性区域交通控制系统；为了克服“定时控制方式”的局限性，从20世纪70年代开始，许多国家开始了自适应交通控制系统的研究。例如，英国开发的SCOOT系统，可根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。第一章道路交通控制概述第一章道路交通控制概述四、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、控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、准确、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志，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。第一章道路交通控制概述智能交通系统的早期构想是由美国在20世纪60年代提出的，目前，世界上已经形成了，美国、欧盟和日本三大ITS研究开发基地。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研究。（二）国外智能交通系统发展概述第一章道路交通控制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、先进的车辆控制系统（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第一章道路交通控制概述

智慧交通，是融合了先进的信息技术、通信技术、控制技术、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、环境改善和交通安全性提高的目的。

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）智慧交通与云计算第一章道路交通控制概述按控制区域划分：可分为单个交叉路口的控制（点控制）、交通干线的协调控制（线控制）、区域交叉路口的网络控制（面控制）。（一）单个交叉路口的控制（点控制）当某个交叉路口与其相邻的交叉路口相距较远时，可以利用一台信号控制器控制器信号的变化，称为单点信号控制，又称为孤立交叉口信号控制。

点控制还被应用于高速公路的单一入口或出口匝道的控制。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。点控制可以使用人工控制、定时控制和感应式控制。第二节交通信号控制的分类一、按区域控制的特点分第一章道路交通控制概述（二）交通干线的协调控制（线控制）

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，从系统论的观点出发，使各交叉口的信号在配时上遵循一定的规律，相互关联和制约，使整体处于最佳运行状态。这种控制方式称为信号的协调控制，也叫绿波交通。（三）区域交叉路口的网络控制（面控制）区域控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控制做统一控制及操作的（网络）控制系统。网络协调控制的三个参数：周期、绿信比、相位差。（干线协调控制只是网络协调控制的一种特例。）第一章道路交通控制概述可分为：多段定时控制、感应控制、脱机优化控制和自适应控制四种类型。（一）多段定时控制（人工优化技术控制）

以历史交通流的统计为依据，找出每个日/周和时/日不同交通流变化规律，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，采用程序存储方式将这些方案存储在信号控制器或中心计算机中。在实施信号控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间表的控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、按控制原理划分第一章道路交通控制概述（二）感应控制

根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顺序，以适应交通的随机变化。

这种方式比定时控制有更大的灵活性，可以达到减少路口停车延误、提高交叉口通行能力的目的。第一章道路交通控制概述（三）脱机优化控制

采用脱机优化技术的信号协调控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，采用计算机技术，适用于复杂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，计算机承担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，需要重新进行优化求解，以寻求在新情况下的最佳配时方案。第一章道路交通控制概述（四）自适应控制（联机优化控制）

定义：

在一条干线或者一个区域，根据交通流的动态的随机的变化而自动的调整信号控制参数，使控制系统自动的适应交通流的随即变化。

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控制，故联机优化技术又称为在线优化技术。采用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。第一章道路交通控制概述三、按控制思想划分可分为：被动式控制和主动式控制两种。（一）被动式控制——交通信号控制系统

交通信号控制系统是通过路边装置或设备，如交通信号灯、固定或可变信息标志板向驾驶人或行人显示控制信息，来达到对交通流进行时间分离和控制的目的。

交通信号控制，其控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）或联机实时生成控制方案（或控制参数）控制信号变化，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控制交通流的变化。第一章道路交通控制概述（二）主动式控制——交通自动化路径诱导系统

传统信号控制方法的不足：在于控制系统与道路使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。

控制系统给予驾驶人的信息通常是以交通信号或可变交通标志显示出来的；而道路使用者给予控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。

信息是控制和决策的依据，控制系统和被控制的对象之间信息交换十分有限，才导致了系统的局限性。第一章道路交通控制概述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需要而定，因此使系统功能更加丰富。系统能根据司机事先给出的位置和行驶的目的地等信息，给出优化的行驶路线，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均匀分布，从而预防交通阻塞地发生，即使发生交通阻塞也不会加剧；相反，通过对交通流主动地引导、分配而使阻塞缓解和消除。

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。第一章道路交通控制概述是自动控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。

经典控制理论的研究对象是单输入、单输出的自动控制系统，特别是线性定常系统。经典控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，采用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控制装置。

经典控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。第三节交通控制理论一、经典控制理论（classicalcontroltheory）第一章道路交通控制概述经典控制理论主要研究系统运动的稳定性、时间域和频率域中系统的运动特性（见过渡过程、频率响应）、控制系统的设计原理和校正方法（见控制系统校正方法）。经典控制理论包括：线性控制理论、采样控制理论、非线性控制理论（见非线性系统理论）三个部分。早期，这种控制理论常被称为自动调节原理，随着以状态空间法为基础和以最优控制理论为特征的现代控制理论的形成（在1960年前后），广为使用现在的名称。经典控制理论：以频率响应法和根轨迹法为核心的控制理论。

第一章道路交通控制概述经典控制理论的发展历史：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根据频率响应判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，构成了经典控制理论的另一核心方法——根轨迹法；3、20世纪40年代末和50年代初，频率响应法和根轨迹法被推广用于研究采样控制系统和简单地非线性控制系统，标志着经典控制理论已经成熟。经典控制理论在解决比较简单的控制系统的分析和设计问题方面是很有效的，至今仍不失其实用价值。存在的局限性主要表现在只适用于单变量系统，且仅限于研究定常系统。

第一章道路交通控制概述【扩展知识】根轨迹法：1948年，W.R.Evans提出了一种求特征根的简单方法，并且在控制系统的分析与设计中得到广泛的应用。这一方法不直接求解特征方程，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，还可分析参数变化对系统性能的影响。在设计线性控制系统时，可以根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。第一章道路交通控制概述【扩展知识】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化而发生增大或衰减、相位随频率而发生变化的现象，这种声压和相位与频率的相关联的变化关系称为频率响应。第一章道路交通控制概述（一）人工智能人工智能（ArtificialIntelligence，AI），是研究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、思考、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、人工智能控制理论第一章道路交通控制概述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

早期地人工智能研究是从智力难题、弈棋、难度不大的定理证明等简单为题开始的。研究的目的不在于实际应用，而在于探索人的解题策略。2、第二阶段（20世纪70年代），人工智能的发展时期

知识工程（即研制知识型系统的工程技术）的出现，是人工智能发展史的重大转折点，标志着人工智能由单纯的理论探索开始面向世纪应用，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，都有大量领域知识、环境知识和通用常识，知识的表示和运用已称为人工智能所有领域的关键技术。第一章道路交通控制概述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）人工智能研究成果开始商品化，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；研制出家务咨询系统和自修辅导学习系统。（2）人工智能向更高水平发展，出现第二代专家系统，如用于及神经系统的配置设计；研制知识型智能机器人、知识信息处理系统或第五代计算机，开始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：知识表示、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)第一章道路交通控制概述（二）模糊控制模糊控制是采用由模糊数学语言描述的控制律（控制规则）来操纵系统工作的控制方式。按照模糊控制律组成的控制装置称为模糊控制器。

模糊控制所依据的控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控制量的转换方法等，都带有相当大的任意性，对于模糊控制器的性能和稳定性，常常难以从理论上作出确定的估计，智能根据实际效果评价其优劣。第一章道路交通控制概述（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知识与经验，能够利用人类专家的知识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专门知识与经验的程序系统，它应用人工智能技术和计算机技术，根据某领域一个或多个专家提供的知识和经验，进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，以便解决那些需要人类专家处理的复杂问题。

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。第一章道路交通控制概述（理想）专家系统的体系结构由7部分组成：语言处理程序、知识库、全局数据库、解释程序、调度程序、协调程序、说明程序。专家系统的功能和应用：解释、预测诊断、设计、行动计划、监控、调试或故障排除、教学、控制等。（P24）第一章道路交通控制概述（四）智能控制智能控制，是在无人干预的情况下能自主的驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。它是自动控制技术的最新发展阶段，也是用计算机模拟人类智能进行控制的研究领域。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控制系统；1985年，在美国首次召开了智能控制学术研讨会；1987年，在美国召开了智能控制的首届国际学术会议，标志着智能控制作为一个新的学科分支得到承认。

人工智能控制理论在交通系统中的应用出现了智能交通控制，对智能交通控制理论和结构的研究又进一步促进了智能交通控制系统的发展。第一章道路交通控制概述随着宇航技术和工业生产的发展以及电子计算机的出现，控制系统日益复杂，而传统的研究方法（如经典控制理论）难以适应形势发展的需要。在此情况下，现代控制理论便在20世纪60年代初期诞生了。由于大规模工业生产、宇航以及军事方面的促进和推动，现代控制理论自诞生后发展迅速，在所有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。现代控制理论在发展过程中，逐渐演变出了多个分支：如最优控制、随机控制、自适应控制、多级递阶控制等。三、现代控制理论第一章道路交通控制概述（一）最优控制最优控制理论（optimalcontroltheory），是现代控制理论的一个主要分支，着重于研究使控制系统的性能指标实现最优化的基本条件和综合方法。最优控制理论是研究和解决从一切可能的控制方案中寻找最优解的一门学科。它是现代控制理论的重要组成部分。最优控制理论所研究的问题可以概括为：对一个受控的动力学系统或运动过程，从一类允许的控制方案中找出一个最优的控制方案，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。第一章道路交通控制概述为了解决最优控制问题，必须建立描述受控运动过程的运动方程，给出控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控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，而控制函数只能在允许的范围内选取。因此，从数学上看，确定最优控制问题可以表述为：在运动方程和允许控制范围的约束下，对以控制函数和运动状态为变量的性能指标函数（称为泛函）求取极值（极大值或极小值）。解决最优控制问题的主要方法有古典变分法、