交通管理与控制 课件 第十一章 区域交叉口信号协调控制

第十一章区域交叉口信号协调控制1.区域控制概述交通管理与控制1.1干线协调控制并不适合所有区位1.支路负荷大（利益的协调）2.距离较远路口的协调——区域交通信号协调控制系统1.2区域协调控制的优点整体监视和控制因地制宜选择控制方法点、线、面控灵活使用有效、经济地使用设备显示、检测、采集、传输数据高效、可持续交通运输提高交通效率、减少环境污染1.3区域协调控制的分类1、控制策略2、控制方式3、控制结构定时脱机控制依据交通流历史统计数据，脱机优化处理；适时联机控制（自适应控制）设置检测器，适时采集交通数据，实施最优控制；控制策略控制方式方案选择式对应不同交通流，存储不同模型和控制参数，依据采集的实时交通数据，选取控制参数；方案生成式根据采集的交通数据，实时计算最佳控制参数，进行控制。控制结构集中式控制一台计算机对整个系统集中控制通讯系统庞大，数据存储和计算海量，控制实时性较差范围不能太大。分层式控制上层接受决策信息对信息进行协调，从系统角度修改下层的决策；下层根据修改后的方案，执行交叉口控制配时方案。集中式分层式1.4区域协调控制的建立条件1、道路交通条件2、技术条件3、经济条件4、社会条件道路交通条件交叉口间几何关系距离(600-800)、规则性(十字)交通流特性车种单一性、车队离散性交通流大小相邻交叉口流量很小或很大时均不易进行区域控制I：互联指数（0~1）；t：车辆在相邻交叉口之间的运行时间（分钟）；qmax：来自上游交叉口的直行交通量或qi中最大的交通量；：到达下游交叉口的转向交通流总和x：经由上游交叉口转出的车道数。I越接近1，互联效果越好；I=0时，互联最不合理；I<0.3时不互联，I>0.4可互联；t小（间距小），直行车多（流量单一），则I大。案例分析不易互联适宜互联技术条件：软件、硬件、人才；经济条件：分期、分批，项目建设实施序列；社会条件：交通参与者的素质（给定的控制需要时间适应）第十一章区域交叉口信号协调控制2.TRANSYT控制系统交通管理与控制2.1TRANSYT系统的构成基于交通模型计算机仿真优化的离线脱机控制系统宏观模型：仿真在信号控制网络上的车队模型优化算法：信号配时方案优化设计2.2TRANSYT系统的基本假设1、路网上所有主要交叉口均有信号控制；2、模拟路网内，所有信号交叉口均采用一个共用信号周期长度（或一半），每个信号阶段划分情况及最短时间已知；3、每一股车流，不论是直行还是转弯，其流率均为已知，且假定为常量；4、每一交叉口的转弯车辆所占百分数为已知，且在某一确定时间段内维持恒定。2.3TRANSYT系统的交通模型1、路网计算机表示节点：信号交叉口、无控制交叉口、环形交叉口、立体交叉口、进口拓宽交叉口、主路优先权交叉口；路段：城市高架道路；城市快速干道；城市主干道；城市次干道；城市支路；郊区公路；高速公路；交通管理信息：中央（物体）分隔带；单行线；公交专用道等。2、周期流量变化图示将平均交通流的概念转化为交通流随时间变化的函数；将周期划分为若干时段，每个时段1~3s；配时优选以1s为单位。3、车流在连线上运行状况模拟车流运行中的车队离散特性用离散平滑系数表示；F=a/(1+bt)t=0.8TF：离散系数T：车队平均行驶时间（秒）a,b：曲线拟和参数。上游驶出图式坐标值乘以F，得到下游到达图式。4、性能指标（PI）计算2.4TRANSYT系统的优化原理爬山法绿信比：在相位差调整基础上前后平移；不等量更改一个乃至整体绿灯时长，以降低PI值；以最短绿灯时间为下限。信号周期：自动选择公用信号周期；确定控制范围内交叉口双周期的设置；借助于控制子区划分避免周期过长。绿时差（相位差）：在初始配时方案的绿时差（相位差）的基础上，调整交通网上某一个交叉口的绿时差（相位差），计算性能指标PI，使PI最小。控制子区的划分：针对范围较大交通网络；划分为若干控制子区－控制策略相对独立。信号周期时间的选择：TRANSYT计算不同信号周期长度取值下的性能指标PI，从这一组信号周期长度取值选取出最佳信号周期时长。TRANSYT缺点计算量很大，在大城市中这一问题尤为突出；周期长度不进行优化，事实上很难获得整体最优的配时方案；因其离线优化，需大量的路网几何尺寸和交通流数据，数据更新费用大。TRANSYT优点不需大量设备、投资低、容易实施。第十一章区域交叉口信号协调控制3.SCATS系统交通管理与控制3.1SCATS系统的优化原理——联机的自适应控制系统——方案选择式区域协调控制系统——80年代悉尼（1）控制参数的选择依据：根据车辆检测器测量得到的交通状态。交通要求（交通状态）：用车辆检测器测量得到的交通流量和占有率这两个参数的加权和来表示。式中：M—交通要求；q—交通流量；O—占有率；α,β—加权系数。工作原理工作原理（2）方案参数的选择方法：以交通要求为主要依据，可对信号周期、绿信比、相位差（或其中某个参数）进行控制参数的选择。

基本原理：（1）为每个子区单元先选择一个信号周期（2）为每个子区单元选择一个绿信比参数（3）为每个子区单元选择一个相对相位参数

工作原理注：1—轻交通的绿信比图形；2—典型的绿信比图形；4，5—具有轻度优先的绿信比图形；3，6—具有显著优先的绿信比图形；7，8—具有非常显著优化的绿信比图形绿信比图形选择逻辑图工作原理相位差图形选择逻辑图

注：1—轻交通的相位图形；2，6—均衡相位差图形；3，5—给予入境交通以优先的相位差图形；4，7—给予出境交通以优先的相位差图形；2，3，4—当周期大于CT1，而小于CT2时，应选的相位差图形；5，6，7—当周期大于CT2时应选的相位差图形。

3.1SCATS系统特点无仿真实时交通状况的数学模型，以简单的代数式描述交通特征，用于计算信号周期长。绿信比和相位差依据信号周期调整。（1）SCATS系统特点（2）SCATS系统组成实时交通数据计算部分：主要包括“类饱和度”与“综合流量”的计算。优化选择部分：主要包括公共信号周期的计算、绿信比方案的选择、相位差方案的选择与控制子区的合并问题。（3）SCATS系统的控制结构SCATS的控制结构为分层式三级控制，三级控制为中央监控中心→地区控制中心→信号控制机。中央监控中心子控制区区域控制中心交通管理数据库区域控制中心区域控制中心子控制区子控制区子控制区子控制区子控制区（1—10个信号控制器）（1—10个信号控制器）SCATS系统的控制结构层次示意图3.3SCATS系统的优化方法SCATS对子系统的划分：由交通工程师根据交通流量的历史及现状数据与交通网的环境、几何条件予以判定，所定的子系统就作为控制系统的基本单位。SCATS对子系统的合并：在优选配时参数的过程中，SCATS用“合并指数”来判断相邻子系统是否需要合并。（1）子系统的划分与合并在每一信号周期内，若“合并指数”的累积值达到“4”，则认为这两个子系统已经达到合并的“标准”。合并后的子系统，在必要时还可以自动重新分开为原先的两个子系统，只要“合并指数”累积值下降至零。式中：DS——类饱和度；g——可供车辆通行的显示绿灯时间总和，s；g’——被车辆有效利用的绿灯时间，s；T——绿灯期间，停止线上无车通过(即出现空档)的时间，s；t——车流正常驶过停止线断面时，前后两辆车之间不可少的一个空档时间，s；h——必不可少的空档个数。参数g、T及h可以直接由系统提供。（2）SCATS配时参数优选算法1）类饱和度（DS）：被车流有效利用的绿灯时间与绿灯显示时间之比。2）综合流量（q’）：综合流量q’是指一次绿灯期间通过停止线的车辆折算当量。式中：q’——综合流量，辆；

S——最大流率，辆/h。3）信号周期时长的选择考虑占优势的交通要求、现状周期长、周期长优化的极限值。以子系统为基础，以类饱和度最高的交叉口计算子系统的新周期长。4）绿信比方案的选择每个交叉口预设4个绿信比方案。通过车辆感应控制，随各相位交通要求变化，改变各相位的绿信比。对于不同绿信比方案，相位顺序可调节。对于预设绿信比方案可随动态交通流变化，实现各相位之间绿灯时间的调剂。各相位绿信比方案随周期长的变化可被修正，当C>Cx时，多余的时间全部加到“延长相位”上。绿信比方案的选择采用投票法。5）绿时差方案的选择包含内部相位差、外部相位差；每个相位差均预设5个方案。五种方案中的第一方案，仅仅用于信号周期时长恰好等于Cmin的情况；第二方案，则仅用于信号周期满足Cs<C<Cs+10的情况；余下的三个方案，则根据实时检测到的“综合流量”值进行选择。若连续五个周期内，有四次当选的方案，即被付诸实施。第十一章区域交叉口信号协调控制4.Scoot系统与ACTRA控制系统交通管理与控制4.1Scoot系统简介——SCOOT系统于1973年开始研究，1977年在哥拉斯格现场实验，1979年英国推广。——方案生成式控制系统SCOOT（split，cycleandoffsetoptimizationtechnique）即绿信比——周期——相位差优化技术。SCOOT是在TRANSYT的基础上发展起来的，不同的是SCOOT是方案生成式控制系统，通过安装与各交叉口每条进口道最上游的车辆检测器所采集的车辆到达信息，联机处理，形成控制方案，连续的实时调整绿信比、周期时长及绿时差这三个参数，使之同变化的交通流相适应。路网上的实时交通状况车流检测及数据处理下游停车线断面流量图示现行控制方案的PI值现行配时参数各交叉口车辆排队故障监视系统检测交通模型现行配时参数方案调整配时后的PI值配时参数数组存储单元对路网执行监控最新优化配时参数对配时参数作调整配时参数优选继续调整调整完毕SCOOT系统的基本原理图SCOOT系统的特点1）SCOOT系统是一种两级结构，上一级为中央计算机，下一级为路口信号机。2）通过车辆检测器获得交通量数据（每秒4次采样），以此为依据建立交通流模型。3）绿信比、相位差和周期的优化均通过模型进行。

4）为了避免信号参数突变对交通流产生不利的影响，SCOOT在优化调整过程中均采用小增量方式。5）具有公交车辆和紧急车辆优先功能。4.2Scoot系统优化配时的主要环节（1）检测SCOOT使用环形线圈式电感检测器实时地检测交通数据。路边不允许停车的情况下，可埋在车道中间。所有车道都要埋设传感器，一个传感器检测一条或两条车道，两条车道合用一个传感器时，传感器可跨在分道线中间。（2）子区

SCOOT系统划分子区也由交通工程师预先判定，系统运行就以划定的子区为依据，运行中不能合并，也不能分拆，但SCOOT可以在子区中存在双周期交叉口。（3）模型周期流量图示车队预测排队预测拥挤预测效能预测（4）优化1）优化策略：对优化配时参数随交通到达量的改变而作频繁和适量调整。调整量虽小，但由于调整次数频繁，就可由这些频繁调整的连续累计来适应一个时段内的交通变化趋势。这样的优化策略是SCOOT成功的主要原因之一。

2）优化次序：SCOOT在每次改变信号配时方案前，频繁按此轮流优化周期时间、绿信比与绿时差。SCOOT系统的主要优点：灵活、准时，结果更加有效、可靠。SCOOT系统的主要不足：相位不能自动增减，相序不能自动改变；独立的控制子区的划分不能自行解决，需人工确定；现场安装调试时相当繁琐。4.3Scoot系统优缺点4.4ACTRA控制系统——

集方案生成和方案选择于一体的区域协调控制系统——

西门子公司开发，是目前世界上技术比较先进的交通信号控制系统软件之一ACTRA的控制结构由三大模块组成：中心控制模块、通信模块及路口信号控制模块。（1）ACTRA系统控制模式：ACTRA系统有多种控制模式，大体分为14种。重点介绍有别于其他系统的4种控制模式。

1）系统时间表控制：时间表控制为一组路口设定1天或1周的配时方案，该模式属于方案选择式控制模式，适用于交通流特性稳定的路口。

2）干线协调控制：协调控制可进行时间表和感应式线协调控