1、智能交通信号控制系统智能交通信号控制系统一、信号控制的基本概念（一)信号相位。信号机在一个周期有若干个控制状态，每一种控制状态对某些方向的车辆或行人配给通行权，对各进口道不同方向所显示的不同灯色的组合，称为一个信号相位。我国目前普遍采用的是两相位控制和多相位控制。（二）信号周期。是指信号灯各种灯色显示一个循环所用的时间，单位微秒。信号周期又可分为最佳周期时间和最小周期时间。（三）绿信比。是指在一个周期内，有效绿灯时间与周期之比。周期相同，各相位的绿信比可以不同。（四）相位差。是指系统控制中联动信号的一个参数。它分为相对相位差和绝对相位差。相对相位差是指在各交叉口的周期时间均相同的联动信号系统中
2、，相邻两交叉口同相位的绿灯起始时间之差，用秒表示。此相位差与周期时间之比，称为相对相位差比，用百分比表示。在联动信号系统中选定一个标准路口，规定该路口的相位差为零，其他路口相对于标准路口的相位差，称为绝对相位差。（五）绿灯间隔时间。从失去通行权的上一个相位绿灯结束到得到通行权的下一个相位另一方向绿灯开始的时间，称为绿灯间隔时间。在我国，绿灯间隔时间为黄灯加红灯或全红灯时间。当自行车和行人流量较大时，由于自行车和行人速度较慢，为保证安全，需进行有效调整，可以适当增加绿灯间隔时间。此外，信号控制的基本参数还有饱和流率、有效绿灯时间、信号损失时间、黄灯时间、交叉口的通行能力与饱和度等。信号灯的分类：
3、（一）交通信号灯，按用途可分为车辆交通信号灯、行人交通信号灯、方向交通信号灯和车道交通信号灯等。（二）交通信号灯，按操作方式可分为定周期控制信号灯和感应式控制信号灯。感应式控制信号灯又分为半感应控制和全感应控制两种。（三）交通信号灯，按控制范围可分为单个交叉路口的交通控制、干道交通信号联动控制和区域交通信号控制系统，即“点控”、“线控”、“面控”三种。另外，有点信号灯可以设计成信号灯色倒计时显示屏，或者黄灯闪烁屏以提高绿灯时间的利用率。还要一种太阳能信号灯，在交通量小、位置偏远的地方使用比较方便。1.1 交通信号点控制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
4、控制。根据交叉口的流量和流向，确定最佳配时方案，可保证最大通行能力或最小延误。1定时控制。定时信号控制也称周期控制，定时周期控制属于自动控制。配时参数的各种组合，构成不同的信号配时方案。（1）单点定时周期控制。预先调整信号机的控制相位、周期长度和绿信比，根据设计好的程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。（2）多段定时周期控制。若一天当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量的变化，选择相应的配时方案，以适应交通流变化的需要。定时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。2感应式信号控制。根据车辆感应器提供的信息调整
5、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：（1）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。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。（2）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
6、较大、且都不稳定的情况。3按钮式信号控制。按钮式信号控制，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，支线路口来车或有行人横穿道路时，可按一下路旁与信号机相连的开关（有的设计为遥控开关），则绿灯变为红灯。这种控制方式，适用于支线路口车辆或行人较少的道路。1.2 交通信号线控制交通信号线控制，也称“绿波控制”，是把干道上若干连续交叉路口的交通信号连接起来，同时对各交叉路口设计一种相互协调的配时方案，各交叉路口的信号灯联合运行，使车辆通过第一个交叉路口后，按一定的车速行驶，到达后面各交叉路口时均可遇到绿灯，大大减少车辆的停车次数与延误。线控制往往是面控制系统中的一
7、个组成部分，是面控系统的一种简化形式。采用这种控制一般要具备下列条件：1纳入控制系统的交叉口，应采用相同的信号周期；2必须具有相同的时间基准，保证相位差的稳定；3交叉口之间应有较大的关联性。通常相邻交叉路口之间的距离不超过800m；4信号协调控制器分为主控制器的协调控制和无电缆协调控制两类。1.3 面控系统交通信号面控制也称“区域控制”或“网络协调控制”，是把某一区域内的全部交通信号纳入一个指挥中心管理下的一套整体控制系统，是单点信号、干道信号和网络信号系统的综合控制系统。其优点是：可获得全区域整体控制效益；可因地制宜地选用合适的控制方法；可有效、经济地使用设备。交通信号面控制系统，从控制策略
8、上可分为定时式脱机操作控制系统和感应式联机操作控制系统；按控制方式可分为方案选择方式和方案形成方式；按控制结构可分为集中式计算机控制结构和分层式计算机控制结构。1定时式脱机操作控制系统。国际上应用较广的是TRANSYT，即“交通网络研究方法”。这种系统的基本原理，是利用交通流历史及现状统计数据，进行脱机优化处理，得出多时段的最优信号配时方案，编人计算机控制程序，对整个区域交通实施多时段定时控制。它由交通模型和优化程序两部分组成。2感应式联机操作控制系统。感应式联机操作控制系统是一种能够适应交通流量变化的“自适应控制系统”，也叫“动态响应控制系统”。在控制区交通网中设置车辆感应器，实时采集交通数
9、据并实施联机最优控制。自适应控制结构复杂、投资高，对设备可靠性要求高，但能较好地适应交通流的随机变化。目前，国内使用的自适应控制系统主要有：（1）SCATS系统。SCATS控制系统，是方案选择式实时自适应控制系统。它是一种用感应控制对配时参数可作局部调整的方案选择系统，即预先设计一套与交通流量等级对应的最佳配时参数组合，存贮于中央控制计算机中。中央控制计算机通过设在各个路口的车辆感应器反馈的车流通过量数据，自动选择合适的配时参数，并根据所选定的配时参数组合实行对路网交通信号的实时控制。SCATS的控制结构用的是分层式三级控制：中央监控中心地区控制中心一信号控制机。（2）SCOOT系统。SCOO
10、T（SplitCycleOffsetOptirnazationTechnique）系统，即“绿信比一信号周期一绿时差优化技术”，是方案生成式实时自适应控制系统，是一种实时交通状况模拟系统。与方案选择方式的区别在于：不需要先贮存任何既定的配时方案，也不需要预先确定一套配时参数与交通流量的对应组合关系。方案生成式系统是通过安装于各交叉路口每条进口道上游的车辆感应器，采集车辆到达信息，通过联机处理，形成控制方案，连续地实时调整绿信比、周期时长和绿时差三个参数，使之与变化的交通流相适应。因此，它可以保证整个路网在任何时段都在最佳配时方案下运行。（3）我国研制开发的机动车与自行车混合交通信号控制系统。“
11、七五”期间，由公安部交通管理研究所与同济大学等单位联合研制开发了自适应交通信号控制系统，这套系统突出了对机动车与自行车混合交通进行控制的特点，采用区域控制级和路口控制级两级控制结构。系统设置了实时自适应控制和固定配时控制功能，还可根据实际需求，由指挥中心发出命令，进行绿波控制、单点控制、指定相位控制等特殊控制。二西客站片区交通组成与交通流量2.1 交通组成特征未来，济南西客站片区主要的交通方式包括：高速铁路、长途客运、轨道交通、快速公交、常规公交、出租车、旅游巴士、社会车辆、自行车和步行。近期，西客站片区公共交通线网长度为20.7公里，公交线网密度为0.80公里/平方公里，非直线系数均大于1.
12、4，线路重复系数为1.58。鉴于居民公交出行不方便，当前公共交通分担率（含出租车）仅为15%左右，居民的出行80%-90%依靠个人交通方式（小汽车、步行以及自行车等）。2012年，济南市被批准建设“公交都市”，西客站片区已经落成济南市最大的公交客运枢纽，并规划两条轨道交通线路穿过该片区。随着公共交通吸引力的增加，公交出行分担率将提高至40%以上。2.2 交通流量特征(1) 交通发生点近期西客站片区的交通发生点主要分布在已经投入使用的回迁小区，交通出行目的主要是居民的工作出行、上学出行、娱乐出行等。随着土地利用开发强度的加大，恒大雅苑、中建锦绣城、绿地缤纷城等住宅项目将在5年内投入使用，这些高密
13、度开发的住宅区将成为未来西客站片区的主要交通发生源。(2) 交通吸引点近期西客站片区的交通吸引点主要分布在济南西高铁站、“十艺节”场馆（大剧院、图书馆、群众艺术馆、美术馆）。远期，较高比重的商业、办公等开发业态，形成较高就业密度。建成的办公写字楼、商务中心、大型购物广场也将成为主要的交通吸引点。三交通信号控制的策略3.1交通信号控制交通信号控制，是运用现代的信号装置、通信设备、遥测及计算机技术等对动态的交通进行实时的组织与调整。通过交通信号控制，在未饱和交通条件下，降低车辆行驶延误，减少红灯停车次数，缩短车辆在路网内的行驶时间，提高路网的整体通行能力；在饱和交通条件下，使交通流有序行进，分流车
14、辆，缓解堵塞。3.2交通信号控制系统智能交通信号控制系统的基本组成是：主控中心、路口交通信号控制机以及数据传输设备。其中主控中心包括操作平台、交互式数据库、效益指标优化模型、数据(图像)分析处理。智能交通信号控制系统的核心是控制模型算法软件，是贯穿规划设计在内的信号控制策略的管理平台，体现着交通管理者的控制思想，它包括信号控制系统将起到的作用和地位。交通信号控制系统是现代城市交通控制和疏导的主要手段.而作为城市交通基本组成部分的平面交叉路口,其通行能力是解决城市交通问题的关键,而交通信号灯又是交叉路口必不可少的交通控制手段.随着计算机技术和自动控制技术的发展,以及交通流理论的不断发展完善,交通
15、运输组织与优化理论、技术的不断提高,国内外逐步形成了一批高水平有实效的城市道路交通控制系统.国外现状：英国TRANSYT交通信号控制系统，澳大利亚SCAT系统，英国SCOOT系统，意大利UTOPIA/SPOT系统。（1）英国TRANSYT交通信号控制系统TRANSYT系统是目前最成功的静态系统,但其缺点很明显:计算量大,在大城市中这一问题尤为突出;不对周期进行优化,故很难获得整体最优配时方案;它是离线优化,需要大量的路网几何、交通流数据,需要花费大量的人力、物力、财力.（2）澳大利亚SCAT系统SCATS采取分层递阶式控制结构.其控制中心备有一台监控计算机和一台管理计算机,通过串行数据通讯线路
16、相连.地区级的计算机自动把各种数据送到管理计算机.监控计算机连续地监视所有路口的信号运行、检测器的工作状况.地区主控制器用于分析路口控制器送来的车流数据,确定控制策略,并对本区域各路口进行实时控制.SCATS系统充分体现了计算机网络技术的突出优点,结构易于更改,控制方案较易变换.SCATS系统明显的不足:第一,系统为一种方案选择系统,限制了配时参数的优化程度;第二,系统过分依赖于计算机硬件,移植能力差:第三,选择控制方案时,无实时信息反馈.（3）英国SCOOT系统SCOOT是由英国道路研究所在TRANSYT系统的基础上采用自适应控制方法于1980年提出的动态交通控制系统.SCOOT的模型与优化
17、原理与TRANSYT相仿,不同的是SCOOT为方案生成的控制系统,是通过安装在交叉口每条进口车道最上游的车辆检测器所采集的车辆信息,进行联机处理,从而形成控制方案,并能连续实时调整周期、绿信比和相位差来适应不同的交通流.SCOOT系统的不足是:相位不能自动增减,任何路口只能有固定的相序;独立的控制子区的划分不能自动完成,只能人工完成;安装调试困难,对用户的技术要求过高.（4）意大利UTOPIA/SPOT系统UTOPIA/SPOT系统由两部分组成,SPOT(小型的分布式交通控制系统)和UTOPIA(面控软件);系统考虑了公交优先的功能;采用了“强相互作用”的概念来保证区域控制的最优性和鲁棒性.此
18、外,日本Kyosan电器制作有限公司的交通控制系统、德国的Siemens系统等也在我国得到了一定地应用.国内城市交通控制系统研究状况：交通控制系统主要是简易单点信号机、SCOOT系统、TRANSYT系统和SCATS系统其中几个结合使用。交通控制系统主要还是使用国产的简易单点信号机和集中协调式信号机。这些信号系统虽然取得了较好的效果,但我国实际情况决定了需要对这些系统进行改进.1)需要完善信号控制.现有的单点信号控制系统一般只能实现两相位控制,存在一定的局限性.而实际中,如果根据交叉路口的情况,适当采用多相位控制、变相序控制,可减少交叉路口的交通冲突,提高交通的安全性.2)需要合理解决混合交通流
19、问题.现有信号控制系统对自行车流大多是与机动车同时开始,容易造成交通流冲突.因此,需要设计一种信号系统能对各个相位包括对自行车流单独进行控制.3)实现区域网络协调控制.目前,虽然在我国的几个大城市,引进或研制了具有区域控制功能的集中式计算机控制系统,但对于中小城市来说,建立这样庞大的系统一方面代价高昂,另一方面实际利用效率不高.为了解决这一情况,在国内的中小城市应大量推广小型区域网络协调控制信号系统.4)国产化率低.目前国内采用的信号控制系统,国产化率整体较低,而进口费用十分昂贵.因此,研制并设计出符合我国实际情况的交通信号控制系统,意义重大,效益也将十分明显3.3交通信号控制系统的发展对策信
20、息采集方式：环形线圈检测、激光/红外线检测、视频检测。软硬件架构：硬件方面（通用计算机系统与嵌入式系统）。软件方面：嵌入式处理器。控制策略方面：我国大多数城市中的大多数交叉路口采用的控制方式是定时控制或者是车辆感应式控制,其控制策略基于简单的数学模型,对于交通系统这样具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统而言其效果往往差强人意。其它特殊功能的交通信号机：选用太阳能供电的交通信号机,可适用于无市政供电的郊区路口,也可以节省路口的时间和空间资源,其对硬件的主要要求为低功耗。基于GPS的交通信号控制系统.如现有的SCATS信号控制系统,主要由3部分组成:中央控制中心,路口信号控制器和每辆车的车载GP
21、S装置.该系统可提供丰富而且准确的信息数据,但其要求每辆车都要配有GPS装置。四交通信号控制系统的系统框架现行城市路网交通信号控制系统的控制优先级应遵循“单点交叉路口自适应控制区域（子区）协调信号控制中心网络协调信号控制”原则。采用了三级分布式系统结构框架，即单点路口级信号控制系统、区域（子区）级信号控制系统和中心网络级信号控制系统。4.1 路口控制级路口交通信号机及检测器采集路口各检测器提供的实时交通数据并加以初步分析整理，通过通信网络传送到上层控制机，用以调整配时方案；接收上层控制机的指令，控制本路口各个信号灯的灯色变换；在实施感应控制时，根据本路口的交通需求，自主地控制各入口信号灯的灯色
22、变换。4.2 区域控制级是决定信号网络协调的高层控制。由区域控制计算机完成。分析各路口送来的车流数据，以控制子区域为基础，计算周期长度、绿信比和相位差，以适应主流交通状况。同时保留收集到的各个交叉口的各种数据并用于脱机分析；监控各路口控制器的工作状态。4.3 中心控制级为交叉口及协调控制系统的控制方案设计提供集中式输入工具；提供集中监控功能，监控系统中各个路口级和区域级控制设备的运行情况。可同时控制多个路口，且可以扩展；中心控制软件对控制方案基本数据进行安全保护，即通过硬件或软件系统保护各项基本数据的安全，只有授权人员才能接触；自动记录各路口信号机的故障，便于及时抢修。4.4 终端控制路口控制
23、包括车辆检测器、信号机和信息传输三个部分；区域控制包括区域控制机；指挥中心控制包括控制计算机和管理软件。1）中心控制主机：主要完成全区域的管理和全市级的交通控制功能，包括参数设置、区域监视等；2）区域通信处理机：主要完成区域内信号机的交通信息采集、处理、预测及优化，并将控制方案下发给路口执行。区域控制服务器的优化预测功能是对本区域路口进行战略级的优化，对周期长、绿信比、相位差进行第一级优化。区域控制服务器同时负责本区域内信号机的控制与监视；3）路口信号机：完成交通信息采集和上传，完成中心控制方案的执行。同时要根据路口的实际交通需求，在中心优化的基础上实时调整绿灯时间，使信号配时最大程度的适应路
24、口情况，达到最佳程度的畅通。五区域协调控制子区的划分交通控制子区是指: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。而交通控制子区自动划分是指:在对一个路网实行自适应信号协调控制时,为了使整个控制系统取得最佳的交通效益,在受控路网区域控制中心各个控制子区实时交通状况的基础上,根据某种确定的判断原则,在某一时刻让一些控制子区合并起来,采取统一的控制方案;而在
25、另一时刻,这些控制子区则可分解成若干个相对独立的部分,每一部分有自己独特的控制方案,各自实行适合本子区交通特性的控制方案;或再与另外一些控制子区合并,在更大的范围内采用统一的控制方案;控制子区这种根据实时交通状况自动合并或分解的过程就称为交通控制子区自动划分过程。5.1 交通控制子区划分的原则5.1.1 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(周期差小于t秒),表明其交通状况相似。此时,交叉口合并实行信号协调控制,可使得合并后的各交叉口总延误小于合并前的总延误。t值亦应根据当地实际情况,考察周期时长与交
26、通状况的相关性,经实地观测调查后确定。5.1.2 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(Qm),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。为了迅速分流,缓解这种局部交通拥挤,应把这些交叉口划入同一个交通控制子区。其二,若相邻交叉口流量差大于某个值(Qz),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(Qh),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
27、行协调控制。Qm、Qz、Qh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。5.1.3 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LLh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LLf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Lh和分离距离Lf值可根据当地情况,经现场观测调查后确定。5. 2交通控制子区自动划分过程5.2.1 周期原则子区自动划分过程在
28、诱导条件下,周期原则子区自动划分要经历一个判断过程:交通控制子区合并或分离是以“合并指标”是否达到“标准”来判断的。若合并指标达到“标准”,区域控制中心就会发出“合并”指令,从而实现相邻交叉口的合并。这里所提到的“标准”包含一个量的概念,可用“合并指数”来表示。在每一个信号控制周期及信息发布周期内,都要进行“合并指标”的判断计算(不一定同时进行)。信息发布周期,路线诱导系统根据导行车辆OD数据,经动态交通分配,得到路网各路段交通流量,然后由区域交通控制中心计算出路网各交叉口最佳周期长,判断相邻交叉口周期差。而信号控制周期内“合并指数”的判断计算是根据车辆检测器检测到的交叉口实时交通流量,结合历
29、史流量数据,也由区域交通控制中心经动态交通模型计算各交叉口最佳周期时长,判断相邻交叉口周期差。若相邻交叉口各自所要求的信号周期长度相差不超过t秒,则,“合并指数”累积值为(+1),反之为(-1)。若“合并指数”的累积值达到“s”,则可认为相邻交叉口已经达到合并为一个控制子区的“标准”。合并后的控制子区,在必要时还可以自动重新分解,只要“合并指数”累积值降至“0”。一旦“合并指数”累计至临界值s或0,即使达到累计标准,“合并指数”也不再累加,即s和0是“合并指数”的上界值和下界值。诱导条件下周期子区自动划分过程见图1。图1周期子区自动划分过程5.2.2 流量原则子区自动划分过程交通控制子区若根据
30、相邻交叉口车流量情况来划分,其子区自动划分过程与周期原则子区自动划分过程基本相似。但“合并指数”定义为一个流量差,同时“合并指数”的计算要经过三个判断过程:首先,在每个信号周期,车辆检测器都能检测到一组交叉口实时交通流量数据;而每一个信息发布周期,路线诱导系统都要进行路网交通流分配,各相关交叉口因此得到一组预测性数据(路线诱导系统直接提供,与传统的由历史数据,经交通模型计算得到预测数据有别)。区域控制中心根据这两组交通流进行交叉口流量大小的判断(不一定同时进行),若相邻交叉口的流量都大于Qm,说明该区域交通拥挤程度高,甚至已处于交通阻塞状态,为了缓解路网上的这种局部交通拥挤或阻塞,不得不从个较
31、大的范围(超过几个控制子区的范围)的交通信号协调入手来解决问题。这样,就有必要抛弃按“合并指数”累积值来决定控制子区合并的常规作法,而是让区域控制中心会立即强制多个控制子区(或交叉口)合并。若第一步判断得出控制区域各交叉口处于正常交通状态,则进入第二个判断过程:判断相邻交叉口流量差是否大于Qz。若为了避免车流量大的交叉口停车次数的剧增,应对这两个交叉口进行协调控制(合并指数+1);否则,进入第三个判断过程:判断相邻交叉口的流量差是否小于Qh,且都比Q1大(Q1是交叉口实施信号联网协调控制的最小值,应根据实际观测得到),可认为相邻交叉口交通流情况一致,应进行信号联网协调控制(合并指数+1)。若相
32、邻交叉口的车流量都很小,也会出现流量差很小的情况,但此时,道路上行驶的交通流随机性较大,进行协调控制所获得的交通效益不如单点控制的好。因此,流量控制下限值Q1的确定非常重要。诱导条件下流量子区自动划分过程见图2。图2流量子区自动划分过程5.2.3 距离原则子区自动划分过程若交通控制子区划分是根据交叉口间距来划分,由于交叉口间距是固定的,故可采用先固定,后自动的方法对交通控制子区进行划分。即先对受控路网各交叉口间距L、合并距离Lh和分离距离Lf进行调查。若LLh,由于交叉口间距较小,不仅它们间的绿灯起步时差可选择的范围很小,而且排队长度限制很严格(可容纳的排队车辆数十分有限),因此,它们其余两项配时参数也被限制得较死。在这
