区域交通信号控制系统

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1、本章内容：l第一节 概念与分类l第二节 定时式脱机操作系统l第三节 自适应式联机操作系统第十一章 区域交通信号控制系统1l主要内容：了解区域交通信号控制系统的分类，定时式脱机操作系统和自适应式联机操作系统的基本原理。l重点与难点：TRANSYT、SCOOT、SCATS三种具有代表性的控制系统的控制原理和基本思想。 第十一章 区域交通信号控制系统2第一节 概念与分类l区域交通信号控制（简称面控制）系统的对象是 城市或某个区域中所有交叉口的交通信号。l区域交通信号控制系统的正确的概念是：把城区 内的全部交通信号的监控，作为一个指挥控制中 心管理下的一套整体的控制系统，是单点信号、 干线信号系统和网

2、络信号系统的综合控制系统。l建立这种概念的好处：1）整体监视和控制2）可因地制宜地选用合适的控制方法3）可有效、经济地使用设备3区域控制系统的发展l是随着交通控制理论的不断发展，通讯、检测、计算机技 术在交通控制领域的广泛应用而发展起来的。l早期的区域控制系统着重于对周期、绿信比和时差等交通 信号参数进行最优控制。l现代的交通控制系统是多种技术的综合体，它包括车辆检 测、数据采集与传输、信息处理与显示、信号控制与最优 化、电视监视、交通管理与决策等多个组成部分。l区域控制系统可实施城市交通运输的策略，提高现有道路 的交通效率，改善道路交通安全，节省能源消耗，减少环 境污染，收集交通数据，提供交

3、通情报，为整个社会提供 综合的经济效益。l是缓解城市交通问题的重要措施。4二、分类l1. 按控制策略分l（1）定时式脱机操作控制系统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，存入控 制器或控制计算机内，对整个区域交通实施多时 段定时控制。特点：控制简单，可靠，效益投资比高，但不能 适应交通流的随机变化。5l（2）适应式联机操作控制系统l是一种能够适应交通量变化的“自适应控制系 统”，也叫“动态响应控制系统”。在控制区域 中设置检测器，实时采集交通数据并实施联机 最优控制。l特点：自适应控制系统结构复杂、投资高、对 设备可靠性要求高，但能较好地适应交通流的

4、随机变化，提高了控制的效益。6（1）方案选择方式对应于不同的交通流，事先做好各类交通模型和 相应的控制参数并存储在计算机内，按实时采集 的实际交通数据，选取最适用的交通模型与控制 参数，实施交通控制。 （2）方案形成方式根据实时采集的交通流数据，实时算出最佳交通 控制参数形成信号配时控制方案，当场按此方案 操纵信号控制机运行交通信号灯。2. 按控制方式分类：73.按控制结构分（1）集中式计算机控制结构（2）分层式计算机控制结构81）集中式计算机控制结构l将网络内所有信号联结起来，用一台中、小型计算 机或多台微机联网对整个系统进行集中控制。其原 理结构均较简单。 l优点：（1）全部控制设备只位于

5、一个中心，操作方便；（2）系统的研制和维护不太复杂；（3）所需设备较少，维修容易。 l缺点：大量数据的集中处理及整个系统的集中控制， 需要庞大的通信传输系统和巨大的存储容量，这就 极大地影响了控制的实时性，并限制了集中控制的 区域范围。92）分层式计算机控制结构l整个控制系统分成上层控制与下层控制。l上层控制主要接受来自下层控制的决策信息，并对 这些决策信息进行整体协调分析，从全系统战略目 标考虑修改下层控制的决策。下层控制则根据修改 后的决策方案再做必要的调整。l上层控制主要执行全系统协调优化的战略控制任务l下层控制主要执行个别交叉口合理配时的战术控制 任务10l这种结构可以避免集中结构的缺

6、点，可有降级 控制的功能，提高了系统的可靠性；但需增加 设备，投资较高。l例如一种三级分布式控制结构：第一级 位于交叉口，由信号控制机控制第二级 位于所控制区域的一个比较中心的地 点第三级 位于城市内一个合理的中心位置，起 命令控制中心的作用11l多级控制的优点 （1）通过数据的预处理和集中传输，能减少传输费用 （2）由于系统不依赖于一个中心控制或集中的传输机 构，系统具有较高的故障保护能力，提高了系统可 靠性。 （3）能处理实时单元的容量较大（检测器，交叉口信 号机等） （4）控制方法和执行能力比较灵活l多级控制的缺点（1）需要的设备多，投资高（2）现场设备的维护比较复杂（3）控制程序比较复

7、杂（4）要提供更多的控制地点12第二节 定时式脱机操作系统lTRANSYT(Traffic Network Study Tool) “交通网 络研究工具”。是英国交通与道路研究所(TRRL)于 1966年提出的脱机优化网络信号配时的一套程序 。最新版本是11版。l美国：TRANSYT-7Fl法国：将TRANSYT改为THESEE和THEBES型lTRANSYT是一种脱机操作的定时控制系统，系统主要由仿真模型及优化两部分组成。13网络几何尺寸及网络交通流信息初始信号配时仿真模型网络内的延误及停车次数新的信号配时优化数据优化过程最佳信号配时性能指标PI周期流量图TRANSYT 基本原理图14TRA

8、NSYT仿真模型的几个主要环节l1）交通网络结构图式：节点和连线来抽象网络l2）周期流量变化图式l3）车流在连线上运行状况的模拟l为描述车流在一条连线上运行的全过程， TRANSYT使用了如下的周期流量图式：l（1）到达流量图式（“到达”图式）l（2）驶出流量图式（“驶出”图式）l（3）饱和驶出图式（“满流”图式）15l车流运行过程中的车队离散特性：把上游连线“驶出”图式上的每一纵坐标值乘以F即可 得到下游停车线的“到达”图式。综上所述，不难推算出第i个时段内被阻于停车线的 车辆数mi。16于是便可求得第i个时段内驶离连线的车辆数：ni=mi-1+qi-mi式中： ni -第i个时段内驶离连线

9、的车辆数（辆 ）由ni便可建立其连线的驶出图式，并由此推算下游 连线的“到达”、“满流”和“驶出”图式，依此类推。 4. 车辆延误时间的计算TRANSYT计算的车辆延误时间是均匀到达延误、 随机延误与超饱和延误之和。 5.停车次数的计算TRANSYT计算的停车次数，也分成均匀到达停车 次数、随机停车次数及超饱和停车次数三部分。17二、优化lTRANSYT将仿真所得的性能指标(PI)送入优化程序，作为目标函数；l以网络内的总行车油耗或总延误时间以及停车 次数的加权和作性能指标；l用“爬山法”优化，产生较之初始配时更为优越的新的信号配时；l把新的信号配时再送入仿真部分，反复迭代， 最后取得PI值达

10、到最小标准时的系统最佳配时。18TRANSYT优化的主要环节l1.绿时差的优选（1）以适当的步距调整交通网上某一个交叉口的绿时差， 计算性能指标PI。（2）若小于初始方案的PI，说明调整方向正确，继续调整 ，直到获得最小的PI为止。（3）若第一次调整后的PI值大于初始方案的PI值，则应当 朝相反方向调整绿时差，直到取得最小的PI.（4）依次对所有其它交叉口做同样的调整。（5）对所有交叉口作第二遍调整，反复多次，直到求得最 后的理想方案。192.绿灯时间的选取l不等量地更改一个或几个乃至全体信号相位 的绿灯长度，以期降低整个交通网的性能指 标PI值。l但调整的过程中，绿灯时间不能小于规定的 最短

11、绿灯时间。203.控制子区的划分l在信号联网协调控制时，一个范围较大 的路网要分成若干个相对独立的部分， 每一部分有自己独特的控制对策，执行 适合本区交通特点的控制方案。l以不宜协调的连线作为划分控制子区边 界的参考依据，即子区边界点基本上分 布在这些连线上。214. 信号周期的选择lTRANSYT可以自动地为每个子区选择一 个PI最低的公用信号周期时长，同时还可确定哪几个交叉口应采用双周期。l荷兰的改进：对饱和和超饱和情况的处 理，设定车队长度极限22第三节 自适应式联机操作系统l定时式脱机操作系统具有不能适应交通随机变 化的缺点。l英国、美国、澳大利亚和日本等国家作了大量 的研究和实践，用

12、不同的方式建立了各有特色 的自适应控制系统。 （1）以方案选择式优选配时方案与单点感应控制 作调整相结合的控制系统SCATS为代表 （2）方案形成式则以SCOOT为代表23一、SCATSlSCATS(Sydney Co-ordinated Adaptive Traffic System)l是一种实时自适应控制系统，由澳大利亚开发 。20世纪70年代开始研究，80年代初投入使用 。l控制结构为分层式三级控制：l1）中央监控中心l2） 地区控制中心l3）信号控制机24lSCATS在实行对若干子系统的整体协调 控制的同时，也允许每个交叉口“各自为 政”地实行车辆感应控制，前者称为“战 略控制”，后者

13、称为“战术控制”。这样可 提高控制效率。lSCATS实际上是一种用感应控制对配时 方案可作局部调整的方案选择系统。25SCATS优选配时方案的各主要环节l1.子系统的划分与合并（1）子系统的划分由交通工程师根据交通流量的 历史、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（110个交叉口组成）作为 控制系统的基本单位。（2）在优选配时参数的过程中，SCATS用“合并 指数”来判断相邻系统是否需要合并。（3）若“合并指数”累积值达到4，认为达到合并 的标准。采用“信号周期时长”中较长的那个为合 并后的周期长。（4）在必要的时候合并的子系统也可以分开。262. SCATS配时参数优选“

14、算法”简介1）根据埋设在每条车道停车线后面的检测装置提供的 实时交通数据和停车线断面在绿灯期间的实际通过量， 算法系统选择子系统的各项配时参数。 2）作为实时方案选择系统，SCATS要求事先利用脱机 计算的方式，为每个交叉口拟订4个可供选用的绿信比 方案、5个内部绿时差方案、5个外部绿时差方案。 3）信号周期和绿信比的实时选择是以子系统的整体需 要为出发点，即根据子系统内关键交叉口的需要确定周 期长。 4）交叉口的相应绿灯时间，按照各相位饱和度相等或 接近的原则，确定每一相位绿灯占信号周期的百分比。 27lSCATS把信号周期、绿信比及绿时差作为各自独立的参数分别进行优化。优化过程中 使用的算

15、法以所谓“综合流量”及“饱和度”为主要依据。l（1）饱和度：SCATS所使用的饱和度指被车流有效利用的绿灯时间与绿灯显示时间之 比。2. SCATS 参数优选算法简介：28l（2）综合流量：为避免采用与车辆种类（车身 长度）直接相关的参量来表示车流流量， SCATS引入了一个虚拟的参量“综合流量来反映 通过停车线的混合车流的数量”。l综合流量q是指一次绿灯期间通过停车线的车辆 折算当量，它由直接测定的饱和度及绿灯期间 实际出现过的最大流率来确定。具体公式见书 上式（11-6）。293.信号周期时长的选择l在一个子系统内，根据其中饱和度最高的交叉口来确定整个子系统应当采用的周期时长。l为了维持交

16、叉口信号控制的连续性，信号周期的调整采取小步距方式，即一个新的信号周期 与前一周期相比，其长度变化限制在正负6s之内。30l对每一个子系统范围，SCATS要求事先规定 信号周期变化的四个限制，即周期最小值Cmin ，周期最大值Cmax，中等信号周期Cs以及略长 于中等信号周期的Cx.l一般条件下，信号周期的选择范围只限于Cmax 与Cs之间。l只有关键位置上的车辆检测器所检测到的车流 低于预定限值时，才采用Cs乃至Cmin的信号周 期。314.绿信比方案的选择l每一交叉口都有4套绿信比方案，分别针对4种交 通负荷。l每一方案中绿灯时间、信号相位的次序都可以是 不相同的。lSCATS在不加长和缩短信号周期时长的情况下， 可对各相位绿灯时间随实时交通负荷变化作合理 的余缺调剂。l绿信比方案的选择，每个周期都要进行一次。32l选择过程：对四种方案进行对比，若连续三周 期内某一方案两次中选，则该方案即被选择作 为下一周期的执行方案。l一个进口中仅把饱和度最高的车道作为绿信比 选择的对象。l绿信比方案的选择和信号周期的调整交错进行 。l二者结合起来，对各相位绿