区域交通控制系统教材

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1、区域交通控制系统 Page 2 n基本形式 n主要设备及功能 n工作原理 n交通信息采集与处理 n控制策略的生成与实施 Page 3 一、基本形式 区域交通控制系统（Area traffic control system - ATCS）的控制对象是 城市或某个区域中的若干交叉口的交通信号。实现这种控制的系统组成形 式多种多样，但这些系统都可以归纳为如下两种基本形式： 1、集中式交通控制系统 所谓集中式交通控制系统，是指将控制区域内的所有信号机与主控中心联 结起来，用一台计算机进行控制的系统。这种系统通常由控制中心和交叉 口信号机两级组成。控制系统的配时方案生成、检测信息的加工处理及控 制策略形

2、成和调整等都是由主控计算机来完成的。 Page 4 Page 5 集中式交通控制系统的最大优点是： 1）有一个控制中心； 2）系统设备少，成本低； 3）设备维修和系统维护方便。 集中式交通控制系统的缺点是： 1）系统主控计算机所承担的数据存储、处理、传输及控制任务繁重； 2）系统所需的通信线路较多，费用较高； 3）系统的控制区域有局限性，相对较小； 4）系统的实时性和可靠性相对较差。 Page 6 2、非集中（分层）式交通控制系统 非集中式交通控制系统，即所谓的分层式交通控制系统，是把整个系统分成 交叉口信号机控制层、分区控制层及中央监控层三个层次。交叉口信号机控 制层只负责本交叉口的信号控制

3、；分区控制层负责一个较小区域内的各信号 机的最优协调控制；中央监控层负责各分区控制层之间的协调，即全系统的 协调优化。 下层控制既独立运行，又受上层控制的干预与指挥。对于分区控制层，其主 控计算机一方面执行本区域的信号协调控制，负责收集和处理检测器的检测 信息，在必要的时候向中央监控中心的主控计算机传送有关的交通信息；另 一方面该主控计算机又随时接受中央监控计算机下达的干预和指挥指令，对 本区的控制策略作出相应的调整。这种控制结构是大城市交通控制系统常采 用的结构形式。 Page 7 Page 8 分层式交通控制系统的主要优点是： 1）系统可靠性高； 2）信息的传输效率高，传输费用低； 3）系

4、统的实时性强； 4）控制方式和执行能力灵活； 5）控制区域基本不受限制。 分层式交通控制系统的主要缺点是： 1）需要有多个分控中心； 2）系统的设备多，成本高； 3）系统控制软件复杂； 4）设备的维修和系统维护复杂。 Page 9 二、主要设备及功能 1、中心控制器 中心控制器，主要是指中心主控计算机及其外设。它负责系统的运行，交通信 息的存储与处理，控制方案的优化，控制效果的分析等，是整个控制系统的核 心部分。 2、交叉口信号机 交叉口信号机是交通控制系统中最基本的和最主要的设备之一。其主要功能是 ： 1）按设定的控制方式执行所在交叉口交通信号灯的控制任务； 2）执行主控计算机下达的控制任务

5、； 3）收集汇总检测器检测到的交通信息，并实时地传送给控制中心的主控计算 机。 Page 10 Page 11 3、交通检测器 交通检测器是交通控制系统中获取交通信息的主要设备，对于实时控制系统 ，交通检测器的作用尤为重要。其主要功能是：检测控制系统所需的各种交 通参数，如交通流量、车速、占有率、延误、停车和排队等。交通检测器的 种类很多，目前在用的交通控制系统中，主要以环行线圈检测器为主。近年 来，随着视频检测技术的发展，视频检测器作为一种新型的检测器设备已得 到人们的认可，并正在得到不同程度的应用。 Page 12 4、通信系统 交通控制系统中的通信系统是联系控制中心与下端各控制设备（如分

6、区控制 中心、交叉口信号机等）的桥梁，是控制系统的重要组成部分。通信系统由 硬件和软件两部分组成。 通信系统的硬件主要由通信装置、通信接口、调制/解调器及通信线路（信道 ）等部分组成，软件主要是负责通信工作的通信控制程序、通信协议程序等 各种计算机程序。 5、显示系统 在交通控制系统中，为了能实时地反映控制系统的工作状况和受控对象的运 行情况，需要运用必要的显示设备对有关的信息进行显示。在现代交通控制 系统中，最常用的显示设备有大屏幕显示屏、计算机显示终端等。 Page 13 1）大屏幕显示屏 大屏幕显示屏已经成为现代交通控制系统中最基本的显示设备。它通常是由多块 显示屏采用无缝链接技术拼接而

7、成，如44，88等。在系统运行时，这些显示 装置，可根据系统的实际运行情况显示出地图、视频等各种所需的信息，以便让 系统操作人员及时掌握系统的实际情况，在必要时作出相应的控制对策。 山东高速公路信息管理中心 2）计算机显示终端 计算机显示终端越来越多地在控制系统发挥着专业显示设备的作用。 Page 14 三、工作原理 交通网络在控制装置的控制及外界干扰下会不断发生新的变化；这种变化通过 路网的传感器（交通信息检测器）及时掌握，再通过监控环节和控制策略生成 环节自动地（或控制人员的直接干预下）对控制效果作出分析判断，并制定出 下一步的控制对策，传送给控制装置进行新的控制，如此循环往复，使整个控

8、制系统的运行不断朝着预期的目标前进这是一个典型的闭环控制系统。 Page 15 尽管不同类型的区域交通控制系统的抽象原理大致相同，但当一个区域交 通控制系统采用不同的交通信息采集、处理和应用方法，以及不同的控制 策略生成、执行技术时，其工作原理会有较大不同。 Page 16 四、交通信息采集与处理 交通信息是反映交通运行状态的基本参数，也是制定交通控制策略，评估 交通运行状况的主要依据。 1、交通信息采集，是指借助检测器等传感手段来获取交通控制所必需的交 通参数总称。 交通控制中常用的交通参数包括：车辆存在、流率（流量）、占有率、密 度、速度、车头时距、排队长度等。 Page 17 1）车辆存

9、在的检测方法 车辆存在是反映道路上某一点在时刻t有无车辆存在的一个交通参数，如果 用变量P表示，则： P（t）= / 1，表示车辆存在 0，表示车辆不存在 2）流率的检测方法 道路上某一点在时段T通过的车辆数，如果用变量Q表示，则： QVeh/h； N在时段T内检测器检测到的车辆数，Veh； T检测时段，h。 Page 18 3）占有率的检测方法 在一个时间段内，车辆占用道路上某一点的时间百分比，如果用变量O 表示，则： O占有率，%； N在时段T内检测器检测到的车辆数，Veh； T检测时段，s； ti 车辆 i 通过检测器的脉冲存在时间（检测时间），s。 Page 19 4）速度的检测方法

10、速度是单位时间内车辆行驶的距离，速度的检测有单检测器和双检测器 两种方法。如果用变量V表示速度，则： V速度，km/h。 对于单检测器， d车辆平均长度（轴距）+检测器的有效长度，m； t0车头进入检测器的时间，s； t1车尾离开检测器的时间，s。 对于双检测器， d检测器之间的距离，m； t0车头进入第一个检测器的时间，s； t1车头进入第二个检测器的时间，s。 Page 20 5）密度的检测方法 密度是单一车道每公里路段上的车辆数，如果用变量K表示，则： K密度，Veh/km； N在时段T内检测器检测到的车辆数，Veh； T检测时段，s； Vi车辆i 通过检测器的速度，m/s。 6）车头时

11、距的检测方法 单一车道里，先后两辆车车头之间的时间间隔，如果用变量h表示，则： hij=tj -ti hij后车j 与前车i 的车头时间间隔，s； ti 前车i 进入检测器的时间，s； tj 后车j 进入检测器的时间，s。 Page 21 2、采样频率与采样误差 在交通信息采集中，采样频率，是指每秒从检测器获取信息的次数，简 称采样率。一般来说，采样频率越高，所获得的信息与检测器的真实检 测状态越一致。但由于计算机等硬件处理速度的缘故，采样频率总有局 限。这样，在检测器的检测信息的首尾变化端，很容易出现采样信息与 检测信息不一致，这样就会导致采样误差。一般而言，随着采样数据的 增多，其平均误差

12、也会相对减小。 Page 22 3、交通信息处理是对原始的采集数据进行平滑和滤波，消除和降低检测 误差和外界随机干扰，使交通信息能真正反映交通流的客观变化趋势。为 控制策略的制定提供可靠的信息支持。 在一个相对不很长的时段内，交通需求相对稳定，实际交通需求会围绕一 个固定值上下波动。这个固定值就是确定性成分，反映了交通需求的一种 变化趋势；而波动成分就是随机性成分，反映的是受外界扰动产生的临时 变化。 Page 23 作为交通控制系统，控制的目标是要朝着交通需求的变化趋势方向发 展。要实现控制目的，就必须对实际检测数据进行滤波和平滑处理，消 除和降低检测误差和外界随机干扰，使交通检测信息能真正

13、反映交通流 的客观变化趋势。 常用的数据滤波和平滑技术是一阶平滑方程，其表达式如下： Y（m）=Y（m-1）+K X（m）-Y（m-1） Y（m）采样数据经第m次平滑处理后的滤波输出； X（m）滤波方程的输入，为第m步采样数据； K滤波（平滑）系数，介于（0，1）之间。 Page 24 五、控制策略的生成与实施 在交通控制系统中，控制策略是指其可以实施的控制模式，如手动控 制、自动控制、紧急状态下的优先控制等。通常我们用配时方案生成 与执行的方法来区别不同的交通控制系统。 1、定时式控制 对于定时式交通控制系统，其配时方案的生成是在对交通流调查的基 础上，采用离线的计算机配时优化软件，经反复计

14、算得到的。配时方 案生成后，要将它们和对应的执行时段一起，装入控制中心的主控计 算机或现场交叉口信号控制机中。 之所以称为定时控制，是因为配时一旦确定，控制过程将会持续一个 较长的时间不变，直到有新的调查数据，进行新的配时方案优化，进 而取代了原有的配时方案为止。例如早期的TRANSYT系统就属于定时 控制方式。 Page 25 TRANSYT系统实现配时方案优化时，需要建立路网中交通流运动的模 型、与交通流运行相关的性能指标以及相应的优化算法，简要介绍如 下： 1）路网交通流模型 交通流模型是描述路网中的交通流在信号控制作用下的运行规律。由 于交通系统具有随机性、不确定性、开放性等多重特点，

15、因此，建立 准确的路网交通流模型是非常困难的。在交通控制领域，目前应用较 多的交通流模型是D.I.Robertson模型和G.M.Pacey模型。 应用这两个模型可以推算出信号控制下，每个交叉口进口道的车流到 达特性与信号配时的对应关系，从而为信号配时的优化奠定了基础。 Page 26 2）性能指标 在信号配时优化中，使用最普遍的性能指标是车辆延误和停车次数 的加权和，即： PI道路网运行指标； N道路网的连线总数； ai第i条连线的车辆延误的加权系数； di第i条连线的车辆延误； bi第i条连线的停车次数的加权系数； si第i条连线的停车次数。 加权系数ai和bi的不同取值，可以得到不同的道

16、路网运行指标值，如 延误、停车次数、废气排放、油耗等。 Page 27 3）优化算法 优化算法是通过对性能指标的计算而获得期望的最佳配时值的计算方 法。在计算机离线优化软件中使用较多的方法是爬山法、遗传算法以及 动态规划等。 2、方案选择式控制 方案选择式控制，其配时生成方式与定时控制的原理基本相同，但其与 定时控制的最大不同点在于配时方案的执行方式。这种控制方式的配时 执行是根据一段时间（一般不超过15分钟）检测器检测到的交通流数据 ，从配时方案数据库中选择一个与目前交通流数据最为适应的配时方案 予以执行，从而达到控制的目的。 方案选择式控制系统必须安装交通流参数检测器，且预先为其准备的配 时方案要足够多，能覆盖工作日和休息日的交通需求。这种控制方式尤 其适用于在特定时间段日常交通需求变化显著的路