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1、交通信号机研究背景现状及目的1 城市交通现状及研究目的12 国内外交通信号机发展状况12.1 国外发展状况12.2 国内发展状况33 交通信号机43.1 基本结构43.2 基本功能51 城市交通现状及研究目的近年来，城市车辆的数目正在大量增加，城市交通拥挤问题成为一个急需解决的问题。智能交通控制系统的研究与开发正是解决这一难题的主要途径之一，然而，智能交通控制系统的研究与开发需要大量的真实信号机来搭建调试环境，虚拟交通信号机的开发正是为解决问题而提出的。其可以减小对智能交通控制系统研究和开发成本，并且可以在展示智能交通控制系统功能时发挥作用。2 国内外交通信号机发展状况2.1 国外发展状况最早
2、的交通信号控制始于1868年，英国机械工程师在英国伦敦威斯敏斯特街口安装了一组交通信号灯，它由一红一绿两个煤气灯组成，由旗语手动变换。但随后发生的一次煤气爆炸致使交通信号控制器销声匿迹了半个多世纪。1914年，美国俄亥俄州的Cleveland市安装了第一组电子交通信号灯，而我们熟知的红、黄、绿三色的信号灯则最早于1918年安装在美国纽约市。伴随着交通信号灯的广泛使用，交通信号控制器也应运而生。在美国，上世纪50年代以前，大都采用电动机械装置进行信号灯控制，这种电动机械控制器利用轮轴定时切换信号灯的供电。由于采用机械方式，不需要任何软件，也没有相应的标准。直到现在，这种控制器仍在美国纽约和芝加哥
3、等许多城市使用。50年代到70年代，产生了许多基于感应控制的信号机。它们利用附加的计时电路来决定是否推进到下一个相位，一般每个相位应具有四个基本计时电路，即初始计时、延长计时、最大计时和黄灯计时。这一时期比较有代表性的控制器是Automatic1022流量密度控制器，它可以控制两个相位，由附加电路决定每个相位的持续时间。70年代，Model 170控制器的出现和NEMA（National Electrical Manufacturers Association）TS-1标准的发布大大推进了信号机的发展。Model 170 由Caltrans（California Department of T
4、ransportation）和NYSDOT（New York Department of Transportation）定义了详细的硬件标准。相应的，NEMA TS-1标准定义了三个连接头A，B，C的引脚功能的电气特性。这样，两者的结合就定义了交通信号控制的基本参数，对以后的信号机发展产生了重要影响。随后，NEMA在上世纪80年代又发布了TS2标准，定义了控制单元、故障管理单元、终端设备、检测器、负载开关、闪烁器以及机柜。这一标准推进了信号机的硬件发展，Model 170控制器由于在存储空间、处理速度、输入输出和用户接口上都很有限，所以不能满足TS2标准的要求。为此，上世纪90年代，卡内基-梅
5、隆大学与美国联邦公路管理局联合实施了信号机的软件和硬件发展计划。硬件上采用6U的VMEbus，软件上采用基于对象的编程，使用户能够用图形界面连接输入、输出和控制程序。虽然其软件理念最后未能实现，但其硬件的设计思想直接影响了后来Model 2070控制器的研制。Model 2070在上世纪90年代末投入使用，它克服了Model 170的诸多局限，作为先进的现场处理器和通信系统，正被广泛用于交通控制和管理。Model 2070继承了170的开放式设计理念，硬件和软件接口都对公众开放，并由相应的代理商管理。这种开放式结构表现为许多方面，首先，2070的所有硬件模块都是标准化和可互换的，这样某一厂家生
6、产的硬件模块，例如电源，就可以在其他厂家生产的2070上使用，而无需做任何改动；其次，2070的开放结构使其能方便的安装在不同的标准机柜内，例如NEMA机柜和170 型机柜；最后，2070标准只定义了操作系统，但未包含交通控制软件，这样可以根据不同的交通特点和应用采用不同的控制软件。目前在美国使用的信号机主要有四种：NEMA TS-1控制器，NEMA TS-2控制器，Model 170控制器和Model 2070控制器。交通信号控制机的发展历程如图1所示：图1 交通信号机的发展历程除美国之外，其它国家也陆续推出了自己的交通信号机，比较有代表性的有：德国Siemens，西班牙Telvent，英国
7、Peek，澳大利亚Tyco 等。与美国不同，这些信号机没有统一标准，而是由各个公司按照其交通控制系统的要求自己研制，开放性不够。2.2 国内发展状况我国道路交通信号控制技术早在上世纪中叶就已出现。至今已经发生多次重大变革，大体经历了4个主要的发展阶段：第一代为机械式交通信号控制技术。主要依靠目视采集信息，并加以判断，由手动闸刀控制红绿灯点亮时间长短。我国许多城市直到上世纪70年代仍在采用此种控制技术。这种技术完全依靠人脑进行控制控制的随意性很大。随着电子和自动化技术在国内的广泛应用，该类信号机已在国内全部淘汰。第二代是固定配时交通信号控制技术。主要靠经验和历史交通数据确定单台信号机的信号周期和
8、绿信比，并由计算机技术实现自动控制为定周期控制和多时段控制。目前，国内外大量中小城市和中西部交通拥堵并不十分明显的城市仍采用此种控制系统。定周期控制是全天为一个时段自动运行预置的信号周期和绿信比。多时段则根据交通需求变化情况把一天的时间分成若干个控制时段，随时间的推移按预置的方案自动运行。这种技术在一定程度上考虑了车流量的动态变化特性，但其配时方案效果依赖于长期的观察经验，且不能实时反映路口的交通流量变化。考虑到未来几年城市机动车仍会持续一个较高的增长阶段，以及交通流快速变化，这类信号机正逐步退出城市中心地带的应用。第三代是感应式交通信号控制技术。主要根据车辆检测器测得的交通流数据来调节单台信
9、号机的信号显示时间的控制方式。它可分为半感应控制和全感应控制。半感应控制是交叉路口仅部分相位有感应请求的感应控制方式。全感应控制是交叉路口所有相位均有感应请求的感应控制方式。感应式控制能够考虑短时的交通流变化，是对交通流的自适应控制，在交叉路口并不十分密集和夜晚行车较少的情况下能有效减少停车次数，应用十分理想。但单路口的感应式信号机在国内应用只持续了较短的发展期，也不会成为现今中小城市升级定时配置信号机的方向。主要原因是：远程通信技术的成熟和通信成本的下降以及城市建立综合交通指挥中心的需求日益迫切。目前光纤接入、GPRS、CDMA、局域网以及即将全面投入使用的3G 技术已经相当成熟，为信号机联
10、网提供了支持。因此信号机制造商纷纷采用加扩远程通信板方式升级原有单点信号机，而新开发的型号则基本都考虑了联网功能。第四代是线控技术和区域交通信号协调控制技术。线控技术是把一条道路上多个相邻交叉路口的交通信号协调起来加以控制的控制方式。区域交通信号协调控制技术是把一个区域内所有交通信号联结起来进行区域协调控制的交通信号控制系统。可分成固定配时协调控制系统，方案实时选择协调控制系统和实时自适应协调控制系统。固定配时协调控制系统是根据预设的信号配时方案来对整个区域交通实施多时段定时控制的交通信号控制系统。方案实时选择协调控制系统是对应不同的交通状况事先做好各类控制方案，再根据实时采集的交通流数据选取
11、最适用的控制方案来实施控制的信号系统。自适应协调控制系统是根据区域内实时采集的交通数据进行联机优化控制的交通信号控制系统。目前在我国上海、广州、苏州等城市建立的SCATS系统，北京建立的SCOOT系统均属于区域协调控制系统。3 交通信号机3.1 基本结构完善的交通信号机包括中心处理部分，逻辑处理部分，输入部分，输出部分，数据通信部分，采用总线结构实现各个部分之间连接。中心处理部分包括CPU、存储器、时钟及总线驱动。逻辑处理部分包括绿灯冲突的判断和处理，CPU和输入、输出、电源部分的检测电路。输入部分主要包括车辆检测器，人行灯按钮输入和特殊功能的开关输入，人机对话的键盘输入等。输出部分主要是信号
12、灯驱动部分，根据要求还可实现一些特殊的输出功能如可变标志控制，倒计时显示器的控制等。数据通信部分与中心计算机进行远程通信，交换各种数据信息，使路口技能接受中心计算机的控制指令。3.2 基本功能交通信号机主要是指交叉路口的信号控制设备，也即对路口红、黄、绿灯的控制，随着交通事业的发展，也逐步用于高速公路的出入匝道、隧道、桥梁、环交等方面的信号控制。控制方式有定周期、车辆感应、主机协调控制等。通常用于十字路口控制，也适用于五叉、六叉等教复杂的路口或多路口控制。可分别控制路口的机动车灯、人行灯、非机动车灯、转弯箭头灯、可变标志等。早期使用的交通信号机都是按照某种固定不变的周期长度和红绿灯比例来控制交
13、通信号运行的，即所谓“固定配时”方式，这种配时方式的缺点是无法适应交通量随时间波动的客观情况，降低了绿灯时间的利用率，增加了车辆传感器，把检测到的车辆信息传送到信号机，信号机在根据接收到的信号来控制红绿灯运行。实践证明，全感应控制的效率比单点定周期方式要高，这种方式虽然有很大的灵活性，但也有一定的局限性。当交叉路口各个进口方向交通负荷接近饱和程度时，感应式控制方式便失去了其灵活性，因为此时信号机实际上只能按某个固定比例来分配各个方向绿灯时间，限定周期的控制方式一样。而且作为一个城市，不仅是只考虑一两个路口，还要协调整段道路，整个区域的交通关系。随着微处理技术和新型计算机问世。出现了以微型计算机作为主控机的区域交通控制系统。主控机根据各个路口信号机送上来的交通流量，不断调整控制方案的工作方式。
