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1、第十一章第十一章 区域信号协调控制区域信号协调控制 PPT制作：徐良杰 武汉理工大学主要内容主要内容11.1 11.1 区域信号控制基本原理区域信号控制基本原理11.2 11.2 TRANSYT控制控制系统系统11.3 11.3 SCATS系统系统11.4 11.4 SCOOT系统系统11.5 11.5 ACTRA控制系统控制系统n原有：原有：线控系统并不适用于所有区位线控系统并不适用于所有区位 1. 1.支路负荷大（利益的协调）支路负荷大（利益的协调） 2. 2.距离较远路口的协调距离较远路口的协调n引入：引入：交通协调控制系统交通协调控制系统11.1 11.1 区域信号控制基本原理区域信号
2、控制基本原理11.1.1 11.1.1 基本概念基本概念n概念概念：把城区内的全部交通信号的监控，作为一个指挥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个整体的控制系统，是单点信号、控制中心管理下的一个整体的控制系统，是单点信号、干线信号系统和网络信号系统的综合控制系统。干线信号系统和网络信号系统的综合控制系统。n对象：对象：城市或某个区域中所有交叉口的交通信号城市或某个区域中所有交叉口的交通信号。n类型：类型：单点、干线和区域控制三种。单点、干线和区域控制三种。信号控制系统的类型示意图信号控制系统的类型示意图 11.1.1 11.1.1 基本概念基本概念n现代的交通控制系统
3、是多种技术的综合体，现代的交通控制系统是多种技术的综合体，主要有以主要有以下下优点优点：（1 1）整体监视和控制整体监视和控制（2 2）可因地制宜地选用合适的控制方法）可因地制宜地选用合适的控制方法点、线、面控制灵活使用点、线、面控制灵活使用（3 3）可有效、经济地使用设备）可有效、经济地使用设备显示、检测、采集、传输数据显示、检测、采集、传输数据11.1.1 11.1.1 基本概念基本概念11.1.2 11.1.2 区域控制分类区域控制分类n按按控制策略控制策略分为：分为：（1 1）定时式脱机控制）定时式脱机控制依据交通流历史统计数据，脱机优化处理依据交通流历史统计数据，脱机优化处理（2 2
4、）适应式联机控制）适应式联机控制设置检测器，适时采集交通数据，实施最优控制设置检测器，适时采集交通数据，实施最优控制n按按控制方式控制方式分为：分为：（1 1）方案选择式）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，选取控制参数采集的实时交通数据，选取控制参数（2 2）方案生成式）方案生成式根据采集的交通数据，实时计算最佳控制参数，进根据采集的交通数据，实时计算最佳控制参数，进行控制行控制11.1.2 11.1.2 区域控制分类区域控制分类n按按控制控制结构结构分为：分为：（1 1）集中式控制集中式控制一台计算机对整个系
5、统集中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。较差范围不能太大。11.1.2 11.1.2 区域控制分类区域控制分类集中式区域信号控制系统示意集中式区域信号控制系统示意图图11.1.2 11.1.2 区域控制分类区域控制分类（2 2）分层式控制分层式控制上层接受决策信息对信息进行协调，从系统角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控制度修改下层的决策控制下层根据修改后的方案，执行交叉口控制配时下层根据修改后的方案，执行交叉口控制配时方案方案11.1.2 11.1.2 区域控制分类
6、区域控制分类分层分层式区域信号控制系统示意图式区域信号控制系统示意图11.1.2 11.1.2 区域控制分类区域控制分类11.1.3 11.1.3 区域控制系统建立条件区域控制系统建立条件n道路交通道路交通条件：条件：（1 1）交叉口间几何关系）交叉口间几何关系距离、规则性距离、规则性（2 2）交通流特性）交通流特性车种、车队离散性车种、车队离散性（3 3）交通流大小）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相邻交叉口流量很小或很大时均不易进行区域控制I I：互联指数（：互联指数（0101）；）；t t：车辆在相邻交叉口之间的运行时间；：车辆在相邻交叉口之间的运行时间；q qma
7、x max ：来自上游交叉口的直行交通量或：来自上游交叉口的直行交通量或q qi i中最大的交通；中最大的交通； ：到达下游交叉口的交通流总和；：到达下游交叉口的交通流总和；x x：交叉口个数。：交叉口个数。11.1.3 11.1.3 区域控制系统建立条件区域控制系统建立条件I I越接近越接近1 1，互联效果越好；，互联效果越好；I I=0=0时，互联最不合理；时，互联最不合理；I I0.30.4I 0.4可互联；可互联；t t小（间距小），直行车多（流量单一），则小（间距小），直行车多（流量单一），则I I大。大。11.1.3 11.1.3 区域控制系统建立条件区域控制系统建立条件n技术条件
8、技术条件软件、硬件、人才软件、硬件、人才n经济条件经济条件分期、分批，项目建设实施序列分期、分批，项目建设实施序列n社会条件社会条件交通参与者的素质（给定的控制需要时间适应）交通参与者的素质（给定的控制需要时间适应）11.1.3 11.1.3 区域控制系统建立条件区域控制系统建立条件11.2 TRANSYT11.2 TRANSYT控制控制系统系统1966年年英国道路交通研究所（英国道路交通研究所（TRRLTRRL）基于交通模型计算机仿真优化的基于交通模型计算机仿真优化的离线离线脱机控制系统脱机控制系统脱机控制系统脱机控制系统11.2.1 TRANSYT11.2.1 TRANSYT系统简介系统简
9、介nTRANSYTTRANSYT系统主要由两大部分构成系统主要由两大部分构成：（1 1）交通仿真模型：）交通仿真模型：仿真在信号控制网络上的车队模型仿真在信号控制网络上的车队模型（2 2）优化算法：）优化算法：信号配时方案优化设计信号配时方案优化设计TRANSYTTRANSYT基本原理图基本原理图 11.2.1 TRANSYT11.2.1 TRANSYT系统简介系统简介网络几何尺寸及网络几何尺寸及网络交通流信息网络交通流信息新的信号配时新的信号配时优化数据优化数据优化优化过程过程最佳最佳信号配时信号配时仿真仿真模型模型初始初始信号配时信号配时周期周期流量图流量图网络内的延误网络内的延误及停车次
10、数及停车次数性能指标性能指标PI11.11.2 2.2 .2 交通仿真模型交通仿真模型nTRANSYTTRANSYT所采用的交通仿真模型有所采用的交通仿真模型有四个假定条件四个假定条件。（1 1）模模拟拟路路网网内内，所所有有信信号号交交叉叉口口均均采采用用一一个个共共用用信信号号周周期期长长度（或一半）度（或一半），每个信号阶段划分情况及最短时间已知。，每个信号阶段划分情况及最短时间已知。（2 2）路网中所有主要交叉口路网中所有主要交叉口都有交通信号灯或让路规则控制都有交通信号灯或让路规则控制。（3 3）路路网网中中各各车车流流在在某某一一确确定定时时间间段段内内的的平平均均车车流流量量为为
11、已已知知，且维持恒定。且维持恒定。（4 4）每每一一交交叉叉口口的的转转弯弯车车辆辆所所占占的的百百分分数数为为已已知知，并并且且在在某某一一确定时间段内维持恒定。确定时间段内维持恒定。 （1 1）交通网络结构图示）交通网络结构图示nTRANSYTTRANSYT把一个复杂的交通网简化成适用于数学计算的把一个复杂的交通网简化成适用于数学计算的图示图示。这个图示由这个图示由“节点节点”和和 “连线连线”组成。组成。n节点节点：信号灯控制的交叉口信号灯控制的交叉口。n连线连线：一股驶向下游一股驶向下游“节点节点”的单向车流的单向车流。11.11.2 2.2 .2 交通仿真模型交通仿真模型路网结构计算
12、简图实路网结构计算简图实例例11.11.2 2.2 .2 交通仿真模型交通仿真模型路网结构计算简图实路网结构计算简图实例例11.11.2 2.2 .2 交通仿真模型交通仿真模型（2 2）周期流量变化图示）周期流量变化图示n周期流量变化图示是一种描述交通量在一个周期内随周期流量变化图示是一种描述交通量在一个周期内随时间变化的图示时间变化的图示。11.11.2 2.2 .2 交通仿真模型交通仿真模型周期流量变化图式周期流量变化图式（3 3）车流在连线上运行模拟）车流在连线上运行模拟n为描述车流在一条连线上运行的全过程，为描述车流在一条连线上运行的全过程，TRANSYTTRANSYT使用使用了如下三
13、种周期流量图示了如下三种周期流量图示：到达流量图示到达流量图示驶出流量图示驶出流量图示饱和驶出图示饱和驶出图示上游驶出周期流决定了下游驶入周期流上游驶出周期流决定了下游驶入周期流11.11.2 2.2 .2 交通仿真模型交通仿真模型 F F：离散系数：离散系数 T T：车队平均行驶时间（秒）：车队平均行驶时间（秒） a,b a,b：曲线拟和参数。：曲线拟和参数。11.11.2 2.2 .2 交通仿真模型交通仿真模型n 车流运行中的车队离散特性用离散平滑系数表示：车流运行中的车队离散特性用离散平滑系数表示： mi mi：第：第i i时段内时段内被阻被阻车辆数；车辆数； qi qi：第：第i i时
14、段内时段内到达到达车辆数；车辆数； si si：第：第i i时段内时段内放行放行车辆数；车辆数； mi-1 mi-1：第：第i-1i-1时段内被阻于停车线的车辆数。时段内被阻于停车线的车辆数。11.11.2 2.2 .2 交通仿真模型交通仿真模型n 上游驶出图式坐标值乘以上游驶出图式坐标值乘以F F，得到下游到达图式。第，得到下游到达图式。第i i时段内，被阻于停车线的车辆数：时段内，被阻于停车线的车辆数：nini在第个时段内驶离连线的车辆数（辆）在第个时段内驶离连线的车辆数（辆）。由由nini值值便可建立起连线的便可建立起连线的“驶出驶出”图示图示，并由此推算下并由此推算下游连线的游连线的“
15、到达到达”、“满流满流”和和“驶出驶出”图示，以此类图示，以此类推。推。11.11.2 2.2 .2 交通仿真模型交通仿真模型n 由此可求得在第个时段内驶离连线的车辆数由此可求得在第个时段内驶离连线的车辆数 ：（4 4）车辆延误时间和停车次数）车辆延误时间和停车次数n车辆延误时间车辆延误时间：均匀到达延误均匀到达延误、随机延误随机延误、超饱和延超饱和延误误之和之和。均匀均匀到达延误到达延误是当某一连线上平均驶入的交通量低是当某一连线上平均驶入的交通量低于该连线的设计通行能力时，车流受红灯阻滞而延于该连线的设计通行能力时，车流受红灯阻滞而延迟的时间。迟的时间。随机延误随机延误是由于到达停车线的车
16、流不均衡造成的附是由于到达停车线的车流不均衡造成的附加延迟时间。加延迟时间。11.11.2 2.2 .2 交通仿真模型交通仿真模型n车辆延误时间车辆延误时间：均匀到达延误均匀到达延误、随机延误随机延误、超饱和延超饱和延误误之和之和。超饱和超饱和延误延误是在是在交通网络中交通网络中某些连线上，某些连线上，由于车辆由于车辆到达数超过交叉口的通行能力，在停车线后面的车到达数超过交叉口的通行能力，在停车线后面的车辆排队随时间增长造成的延迟时间。辆排队随时间增长造成的延迟时间。 n停车次数停车次数：均匀到达停车次数均匀到达停车次数、随机停车次数随机停车次数、超饱超饱和停车次数和停车次数。11.11.2
17、2.2 .2 交通仿真模型交通仿真模型（5 5）优化目标函数优化目标函数PIPI的建立的建立PIPI综合目标函数；综合目标函数；W W每辆车延误一小时所相当的经济损失值；每辆车延误一小时所相当的经济损失值；didi第第i i条连线上车辆总延误时间；条连线上车辆总延误时间；K K每每100100次停车所相当的经济损失值；次停车所相当的经济损失值；kiki第第i i条连线上车辆停车次数的加权系数；条连线上车辆停车次数的加权系数；s si i第第i i条连线上全部车辆完全停车次数总和；条连线上全部车辆完全停车次数总和；N N“连线连线”总数目。总数目。第第i i条连线上车辆延误时间的加权系数；条连线
18、上车辆延误时间的加权系数；11.11.2 2.2 .2 交通仿真模型交通仿真模型11.2.3 11.2.3 优化的原理和方法优化的原理和方法n优化原理：优化原理：第一步第一步，将交通信息和初始配时参数作为原始数据，将将交通信息和初始配时参数作为原始数据，将（PIPI）送入优化程序，作为优化的目标函数；）送入优化程序，作为优化的目标函数；第二步第二步，用用“爬山法爬山法”优化，产生较之初始配时更为优越优化，产生较之初始配时更为优越的新的信号配时；的新的信号配时；第三步第三步，把新信号配时再送入仿真部分，反复迭代，最后把新信号配时再送入仿真部分，反复迭代，最后取得取得PIPI值达到值达到最小标准最
19、小标准是的系统最佳配时。是的系统最佳配时。“爬山法爬山法”计算流程图计算流程图 初始配对方案初始配对方案向向“+”方向方向试调一个步长试调一个步长PI值值上上升升再向再向“+”方向方向调整一个步长调整一个步长向向“”方向方向调整一个步长调整一个步长再向再向“”方向方向调整一个步长调整一个步长向向“+”方向方向调整成功调整成功维持初始配时维持初始配时不作调整不作调整向向“”方向方向调整成功调整成功PI值值下下降降PI值值下下降降PI值值上上升升PI值上升值上升PI值上升值上升n TRANSYT TRANSYT优化过程优化过程的主要环节包括：的主要环节包括：绿时差绿时差的优选的优选、绿灯时间绿灯时
20、间的优选的优选、控制子区控制子区的划分的划分、信号周期时间信号周期时间的选择。的选择。 （1 1）所需已知数据）所需已知数据：路网几何尺寸、交通流量数据路网几何尺寸、交通流量数据与经济损失折算当量。与经济损失折算当量。 （2 2）绿时差（相位差）的优化）绿时差（相位差）的优化：在初始配时方案的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），计算性能指标叉口的绿时差（相位差），计算性能指标PIPI，使，使PIPI最最小。小。11.2.3 11.2.3 优化的原理和方法优化的原理和方法（3 3）绿灯时间的优选）绿灯
21、时间的优选：不等量地更改一个或几个乃至全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体信号相位的绿灯长度，以期降低整个交通网的性能指标标PIPI值。值。（4 4）控制子区的划分）控制子区的划分：针对范围较大交通网络；划分为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。若干控制子区控制策略相对独立。（5 5）信号周期时间的选择）信号周期时间的选择：TRANSYTTRANSYT计算不同信号周期长计算不同信号周期长度取值下的性能指标度取值下的性能指标PIPI，从这一组信号周期长度取值选，从这一组信号周期长度取值选取出最佳信号周期时长取出最佳信号周期时长。1
22、1.2.3 11.2.3 优化的原理和方法优化的原理和方法n TRANSYT TRANSYT缺点缺点p计算量很大，在大城市中这一问题尤为突出；计算量很大，在大城市中这一问题尤为突出；p周期长度不进行优化，事实上很难获得整体最优的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；配时方案；p因其离线优化，需大量的路网几何尺寸和交通流数因其离线优化，需大量的路网几何尺寸和交通流数据，据，数据更新费用大。数据更新费用大。11.2.3 11.2.3 优化的原理和方法优化的原理和方法n TRANSYT TRANSYT优点优点不需大量设备、投资低、容易实施不需大量设备、投资低、容易实施 。11.3 S
23、CATS11.3 SCATS系统系统 联机的自适应控制系统联机的自适应控制系统 方案选择式区域协调控制系统方案选择式区域协调控制系统 80 80年代年代悉尼悉尼11.3.1 11.3.1 工作原理工作原理 （1 1）控制参数的选择依据：）控制参数的选择依据：根据车辆检测器测量得到的根据车辆检测器测量得到的交通状态交通状态。 交通要求（交通状态）：交通要求（交通状态）：用车辆检测器测量得到的用车辆检测器测量得到的交交通流量通流量和和占有率占有率这两个参数的加权和来表示。这两个参数的加权和来表示。式中：式中：M M交通要求；交通要求；q q交通流量；交通流量；O O占有率；占有率；,加权系数。加权
24、系数。（2 2）方案参数的选择方法：）方案参数的选择方法：以交通要求为主要依据，可对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。参数的选择。 11.3.1 11.3.1 工作原理工作原理 基本原理：基本原理：（1 1）为每个子区单元先选择一个信号周期）为每个子区单元先选择一个信号周期（2 2）为每个子区单元选择一个绿信比参数）为每个子区单元选择一个绿信比参数（3 3）为每个子区单元选择一个相对相位参数）为每个子区单元选择一个相对相位参数 绿信比图形选择逻辑图绿信比图形选择逻辑图 注：注：1 1轻交通的
25、绿信比图形；轻交通的绿信比图形；2 2典型的绿信比图形；典型的绿信比图形；4 4，5 5具有轻度优先的绿信具有轻度优先的绿信比图形；比图形；3 3，6 6具有显著优先的绿信比图形；具有显著优先的绿信比图形；7 7，8 8具有非常显著优化的绿信比图具有非常显著优化的绿信比图形形11.3.1 11.3.1 工作原理工作原理 相位差图形选择逻辑图相位差图形选择逻辑图 注：注：1 1轻交通的相位图形；轻交通的相位图形；2 2，6 6均衡相位差图形；均衡相位差图形；3 3，5 5给予入境交通以优先给予入境交通以优先的相位差图形；的相位差图形；4 4，7 7给予出境交通以优先的相位差图形；给予出境交通以优
26、先的相位差图形；2 2，3 3，4 4当周期大于当周期大于CT1CT1，而小于，而小于CT2CT2时，应选的相位差图形；时，应选的相位差图形；5 5，6 6，7 7当周期大于当周期大于CT2CT2时应选的相位差时应选的相位差图形。图形。 11.3.1 11.3.1 工作原理工作原理 11.3.2 SCAT11.3.2 SCAT系统简介系统简介 n 无仿真实时交通状况的数学模型，以简单的无仿真实时交通状况的数学模型，以简单的代数式描代数式描述交通特征述交通特征，用于计算信号周期长。，用于计算信号周期长。n 绿信比和相位差依据信号周期调整。绿信比和相位差依据信号周期调整。（1 1）SCATSCAT
27、系统特点系统特点（2 2）SCATSCAT系统组成系统组成n 实时交通数据计算部分：实时交通数据计算部分：主要包括主要包括“类饱和度类饱和度”与与“综综合流量合流量”的计算。的计算。n 优化选择部分：优化选择部分：主要包括主要包括公共信号周期公共信号周期的计算、的计算、绿信比方案绿信比方案的选择、的选择、相位差方案相位差方案的选择与的选择与控制子区控制子区的合并问题。的合并问题。 11.3.2 SCAT11.3.2 SCAT系统简介系统简介 （3 3）SCATSCAT系统的控制结构系统的控制结构n SCATS SCATS的控制结构为分层式的控制结构为分层式三级控制三级控制，三级控，三级控制为中
28、央监制为中央监控中心控中心地区控制中心地区控制中心信号控制机。信号控制机。 SCATSSCATS系统的控制结构层次示意图系统的控制结构层次示意图11.3.2 SCAT11.3.2 SCAT系统简介系统简介 中央监控中心中央监控中心子控制区子控制区区域控制中心区域控制中心交通管理数据库交通管理数据库区域控制中心区域控制中心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子控制区子控制区子控制区子控制区子控制区（1 11010个信号控制器）个信号控制器）（1 11010个信号控制器）个信号控制器）n SCATSSCATS对子系统的划分：对子系统的划分：由交通工程师根据交通由交通工程
29、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予以判定，所定的子系统就作为控制系统的基本单位。位。n SCATSSCATS对子系统的合并：对子系统的合并：在优选配时参数的过程在优选配时参数的过程中，中，SCATSSCATS用用“合并指数合并指数”来判断相邻子系统是否需来判断相邻子系统是否需要合并。要合并。11.3.3 SCAT11.3.3 SCAT系统优化方法系统优化方法 （1 1）子系统的划分与合并子系统的划分与合并 在每一信号周期内，若在每一信号周期内，若“合并指数合并指数”的累积值达到的累积值
30、达到“4 4”，则认为这两个子系统已经达到合并的，则认为这两个子系统已经达到合并的“标准标准”。 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，只要的两个子系统，只要“合并指数合并指数”累积值下降至零。累积值下降至零。 11.3.3 SCAT11.3.3 SCAT系统优化方法系统优化方法 （2 2）SCATSSCATS配时参数优选算法配时参数优选算法 1 1）类饱和度（）类饱和度（DSDS）：）：被车流有效利用的绿灯时间与绿灯显被车流有效利用的绿灯时间与绿灯显示时间之比。示时间之比。式中：式中：DS DS 类饱和度；类饱和度；g
31、g 可供车辆通行的显示绿灯时间总和，可供车辆通行的显示绿灯时间总和，s s；g g被车辆有效利用的绿灯时间，被车辆有效利用的绿灯时间，s s；T T 绿灯期间，停止线上无车通过绿灯期间，停止线上无车通过( (即出现空档即出现空档) )的时间，的时间，s s；t t 车流正常驶过停止线断面时，前后两辆车之间不可少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，的一个空档时间，s s；h h 必不可少的空档个数。必不可少的空档个数。参数参数g g、T T及及h h可以直接由系统提供。可以直接由系统提供。11.3.3 SCAT11.3.3 SCAT系统优化方法系统优化方法 2 2）综合
32、流量（）综合流量（q q ）：）：综合流量综合流量q q是指一次绿灯期间通是指一次绿灯期间通过停止线的车辆折算当量。过停止线的车辆折算当量。 式中：式中：q q综合流量，辆；综合流量，辆； S S 最大流率，辆最大流率，辆/h/h。11.3.3 SCAT11.3.3 SCAT系统优化方法系统优化方法 3 3）信号周期时长的选择）信号周期时长的选择n 考虑占优势的交通要求、现状周期长、周期长优考虑占优势的交通要求、现状周期长、周期长优化的极限值。化的极限值。n 以子系统为基础，以以子系统为基础，以类饱和度最高的交叉口类饱和度最高的交叉口计算计算子系统的新周期长。子系统的新周期长。11.3.3 S
33、CAT11.3.3 SCAT系统优化方法系统优化方法 4 4）绿信比方案的选择）绿信比方案的选择n 每个交叉口预设每个交叉口预设4 4个绿信比方案个绿信比方案。n 通过车辆感应控制，随各相位交通要求变化，改变各通过车辆感应控制，随各相位交通要求变化，改变各相位的绿信比。相位的绿信比。对于不同绿信比方案，相位顺序可调节。对于不同绿信比方案，相位顺序可调节。n 对于预设绿信比方案可随动态交通流变化，实现各相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。位之间绿灯时间的调剂。n 各相位绿信比方案随周期长的变化可被修正，当各相位绿信比方案随周期长的变化可被修正，当CCCCx x时
34、，多余的时间全部加到时，多余的时间全部加到“延长相位延长相位”上。上。n 绿信比方案的选择采用投票法。绿信比方案的选择采用投票法。11.3.3 SCAT11.3.3 SCAT系统优化方法系统优化方法 5 5）绿时差方案的选择）绿时差方案的选择n 包含内部相位差、外部相位差；包含内部相位差、外部相位差；n 每个相位差均预设每个相位差均预设5个方案。个方案。n 五种方案中的第一方案，仅仅用于信号周期时长恰好五种方案中的第一方案，仅仅用于信号周期时长恰好等于等于Cmin的情况；第二方案，则仅用于信号周期满足的情况；第二方案，则仅用于信号周期满足CsCCs+10的情况；余下的三个方案，则根据实时检的情
35、况；余下的三个方案，则根据实时检测到的测到的“综合流量综合流量”值进行选择。值进行选择。 11.3.3 SCAT11.3.3 SCAT系统优化方法系统优化方法 11.4 SCOOT11.4 SCOOT系统系统 SCOOTSCOOT系统于系统于19731973年开始研究，年开始研究，19771977年在年在 哥拉斯格哥拉斯格现场实验，现场实验，19791979年年英国英国推广。推广。 方案生成式方案生成式控制系统控制系统11.4.1 SCOOT11.4.1 SCOOT控制系统简介控制系统简介nSCOOT（split，cycle and offset optimization technique）
36、即即绿信比绿信比周期周期相位差相位差优化技术。优化技术。nSCOOT是在是在TRANSYT的基础上发展起来的，不同的是的基础上发展起来的，不同的是SCOOT是是方案生成式方案生成式控制系统，通过安装与各交叉口每控制系统，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。长及绿时差这三个参数，使之同变化的交通流相适应。SCOOTSCOOT系统的基本原理图系统的基本原理图11.4.1
37、 SCOOT11.4.1 SCOOT控制系统简介控制系统简介路网上的实时交通状况路网上的实时交通状况车流检测及数据处理车流检测及数据处理下游停车线断面流量图示下游停车线断面流量图示现行控制方案的现行控制方案的PI值值现行配时参数现行配时参数各交叉口车辆排队各交叉口车辆排队故障监视故障监视系统检测系统检测交通模型交通模型现行配时参数方案现行配时参数方案调整配时后的调整配时后的PI值值配时参数数组存储单元配时参数数组存储单元对路网执行监控对路网执行监控最新优化配时参数最新优化配时参数对配时参数作调整对配时参数作调整配时参数优选配时参数优选继续调整继续调整调调整整完完毕毕nSCOOTSCOOT系统的
38、特点：系统的特点： 1 1）SCOOTSCOOT系统是一种系统是一种两级结构两级结构，上一级为中央计算机，上一级为中央计算机，下一级为路口信号机。下一级为路口信号机。 2 2）通过车辆检测器获得交通量数据（每秒）通过车辆检测器获得交通量数据（每秒4 4次采样），次采样），以此为依据建立交通流模型。以此为依据建立交通流模型。 3 3）绿信比、相位差和周期的优化均通过）绿信比、相位差和周期的优化均通过模型模型进行。进行。11.4.1 SCOOT11.4.1 SCOOT控制系统简介控制系统简介11.4.2 11.4.2 系统优化配时的主要环节系统优化配时的主要环节（1）检测）检测 SCOOTSCOO
39、T使用使用环形线圈式电感检测器环形线圈式电感检测器实时地检测交通数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。道线中间。 4 4）为了避免信号参数突变对交通流产生不利的影响，）为了避免信号参数突变对交通流产生不利的影响，SCOOTSCOOT在优化调整过程中均采用在优化调整过程中均采用小增量方式小增量方式。 5 5）具有）具有公交车辆和紧急车
40、辆优先公交车辆和紧急车辆优先功能。功能。（2 2）子区）子区 SCOOT SCOOT系统划分子区也由交通工程师系统划分子区也由交通工程师预先判定预先判定，系，系统运行就以划定的子区为依据，运行中不能合并，也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，但不能分拆，但SCOOTSCOOT可以在子区中存在双周期交叉口。可以在子区中存在双周期交叉口。11.4.2 11.4.2 系统优化配时的主要环节系统优化配时的主要环节（3 3）模型）模型周期流量图示周期流量图示车队车队预测预测排队排队预测预测拥挤拥挤预测预测效能效能预测预测车辆排队预测车辆排队预测11.4.2 11.4.2 系统优化配时
41、的主要环节系统优化配时的主要环节（4 4）优化）优化 1 1）优化策略）优化策略：对优化配时参数随交通到达量的改变：对优化配时参数随交通到达量的改变而作而作频繁频繁和和适量适量调整。调整量虽小，但由于调整次数调整。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。这样的优化策略是段内的交通变化趋势。这样的优化策略是SCOOTSCOOT成功的成功的主要原因之一。主要原因之一。 2 2）优化次序）优化次序：SCOOTSCOOT在每次改变信号配时方案前，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
42、绿时差。频繁按此轮流优化周期时间、绿信比与绿时差。11.4.2 11.4.2 系统优化配时的主要环节系统优化配时的主要环节nSCOOTSCOOT系统的主要优点：系统的主要优点：灵活、准时，结果更加有效、灵活、准时，结果更加有效、可靠。可靠。nSCOOTSCOOT系统的主要不足：系统的主要不足：相位不能自动增减，相序不能相位不能自动增减，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。人工确定；现场安装调试时相当繁琐。11.4.2 11.4.2 系统优化配时的主要环节系统优化配时的主要环节3 3）绿灯时长优选）
43、绿灯时长优选 4 4）绿时差优选）绿时差优选5 5）周期时长优选）周期时长优选11.5 ACTRA11.5 ACTRA控制系统控制系统 集方案生成和方案选择于一体集方案生成和方案选择于一体的区域协调的区域协调 控制系统控制系统 美国美国西门子公司西门子公司开发，是目前世界上技开发，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术比较先进的交通信号控制系统软件之一11.5.1 11.5.1 控制系统简介控制系统简介nACTRA控制系统控制系统( (Advanced Control & Traffic Responsive Algorithm) )是一种集是一种集方案生成和方案选择方案生成和
44、方案选择于一体的区域协调控制系统。于一体的区域协调控制系统。nACTRAACTRA的控制结构由的控制结构由三大模块三大模块组成（如图所示）：中心组成（如图所示）：中心控制模块、通信模块及路口信号控制模块。控制模块、通信模块及路口信号控制模块。 系统结构图如下图所示：系统结构图如下图所示：ACTRAACTRA系统的模块组成系统的模块组成11.5.1 11.5.1 控制系统简介控制系统简介ACTRAACTRA系统结构图系统结构图11.5.1 11.5.1 控制系统简介控制系统简介11.5.2 11.5.2 系统的控制模式及优化系统的控制模式及优化（1 1）ACTRAACTRA系统控制模式：系统控制
45、模式：ACTRAACTRA系统有多种控制模式，系统有多种控制模式，大体分为大体分为1414种。重点介绍有别于其他系统的种。重点介绍有别于其他系统的4 4种控制模种控制模式。式。 1 1）系统时间表控制：）系统时间表控制：时间表控制为一组路口设定时间表控制为一组路口设定1 1天或天或1 1周的配时方案，该模式属于方案选择式控制模式，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。适用于交通流特性稳定的路口。 2 2）干线协调控制：）干线协调控制：协调控制可进行时间表和感应协调控制可进行时间表和感应式线协调控制。感应式协调在保证干线协调控制时，式线协调控制。感应式协调在保证
46、干线协调控制时，根据非协调相位或冲突方向的请求，自行调整绿信比根据非协调相位或冲突方向的请求，自行调整绿信比和相位差。和相位差。 11.5.2 11.5.2 系统的控制模式及优化系统的控制模式及优化 3 3）交通响应控制：）交通响应控制：交通响应控制时交通响应控制时ACTRAACTRA系统根据系统根据路口检测的流量和占有率，动态调整系统的周期、绿路口检测的流量和占有率，动态调整系统的周期、绿信比和相位差等参数，然后再选择方案库里最为匹配信比和相位差等参数，然后再选择方案库里最为匹配的方案进行实施。的方案进行实施。 4 4）区域协调自适应（）区域协调自适应（ACS-Lite）：）：ACTRAAC
47、TRA采用的是采用的是区域协调自适应算法区域协调自适应算法ACS-L（adaptive control system lite）。该算法根据系统检测器的交通信息，对交通参）。该算法根据系统检测器的交通信息，对交通参数自动进行优化并执行优化配时方案，以提高区域通数自动进行优化并执行优化配时方案，以提高区域通行能力。行能力。 （2 2）优化）优化 ACTRA系统区别于系统区别于SCOOT的最大优点是它所具有的最大优点是它所具有的的感应式线协调控制感应式线协调控制功能。功能。 ACTRA系统采用区域协调自适应算法系统采用区域协调自适应算法ACS-L（adaptive control system l
48、ite），该算法基于先进的），该算法基于先进的分布式系统分布式系统，实时采集交通数据，实现区域优化。，实时采集交通数据，实现区域优化。 ACS-L自适应流程：自适应流程：首先在交通响应或时间表控制首先在交通响应或时间表控制模式框架中利用当前战略控制周期、绿信比和相位差，模式框架中利用当前战略控制周期、绿信比和相位差，然后执行然后执行ACS-L“在线优化在线优化”，即当前时刻相位差和绿，即当前时刻相位差和绿信比的优化，进行这两个参数微调的战术控制，最后信比的优化，进行这两个参数微调的战术控制，最后通过过渡执行器，平滑过渡转换的模式来执行优化方通过过渡执行器，平滑过渡转换的模式来执行优化方案。案。
49、11.5.2 11.5.2 系统的控制模式及优化系统的控制模式及优化ACTRAACTRA自适应控制算法结构图自适应控制算法结构图11.5.2 11.5.2 系统的控制模式及优化系统的控制模式及优化时间表或交通响应时间表或交通响应确定一个战略方案确定一个战略方案相位差、绿信比优化相位差、绿信比优化模式转换平滑过渡模式转换平滑过渡在线优化器在线优化器过渡执行器过渡执行器本地信号控制器本地信号控制器每天执行每天执行每周期执行每周期执行每秒执行每秒执行（1 1）绿信比优化）绿信比优化 首先设置合理首先设置合理饱和度饱和度值，然后通过小步长的增加和值，然后通过小步长的增加和减少比较所有相位的饱和度最大值
50、，在满足相位约束条减少比较所有相位的饱和度最大值，在满足相位约束条件情况下，尽量使各相位处于较低的饱和度水平。在进件情况下，尽量使各相位处于较低的饱和度水平。在进行绿信比优化时需要利用检测器的检测流量数据。行绿信比优化时需要利用检测器的检测流量数据。（2 2）相位差优化）相位差优化 根据路口上游设置的检测器检测到的根据路口上游设置的检测器检测到的断面流量断面流量，计，计算从检测器到信号灯的行驶时间和不同绿灯启始时间，算从检测器到信号灯的行驶时间和不同绿灯启始时间，并考虑协调相位车流以及对下游信号的影响，采用小步并考虑协调相位车流以及对下游信号的影响，采用小步长实现模式转换最小化尽可能使绿灯时间
51、覆盖最大车流。长实现模式转换最小化尽可能使绿灯时间覆盖最大车流。11.5.2 11.5.2 系统的控制模式及优化系统的控制模式及优化1.1.请说明区域信号协调控制的概念和分类。请说明区域信号协调控制的概念和分类。2.2.比较比较SCOOTSCOOT和和TRANSYTTRANSYT的不同之处及其适用性？的不同之处及其适用性？3.3.当今具有代表性的交通面控系统有哪些？他们各有什么样的优缺点？当今具有代表性的交通面控系统有哪些？他们各有什么样的优缺点？4.4.河南省新乡市，作为一发展中的城市，交通基础状况属于混合道路交河南省新乡市，作为一发展中的城市，交通基础状况属于混合道路交通，交通基础设施不够
52、完善，并且利用效率不高，路网密度不大但人通，交通基础设施不够完善，并且利用效率不高，路网密度不大但人口密度大，自行车交通大量存在，且市区主要道路没有机非隔离设施，口密度大，自行车交通大量存在，且市区主要道路没有机非隔离设施，交通规划和交通设计还存在着不完善之处，甚至某些方面仍无规划与交通规划和交通设计还存在着不完善之处，甚至某些方面仍无规划与设计。目前城区中心区域平交路口车流量已达设计。目前城区中心区域平交路口车流量已达32003200辆辆/ /小时，这对于小时，这对于仅有单左转、单直行、单右转机动车道渠化并且机非混行的路口来说，仅有单左转、单直行、单右转机动车道渠化并且机非混行的路口来说，其
53、通行能力已接近饱和状态。此外城区其通行能力已接近饱和状态。此外城区7878万人口和万人口和4040多万辆非机动车多万辆非机动车也构成了不容忽视的交通需求增长。新乡市平交路口均采用多相位交也构成了不容忽视的交通需求增长。新乡市平交路口均采用多相位交通信号控制方式。四相位交通组织最为普遍。按照交通工程学理论，通信号控制方式。四相位交通组织最为普遍。按照交通工程学理论，多相位信号灯控制与二相位交通控制相比，周期大、行车延误大、绿多相位信号灯控制与二相位交通控制相比，周期大、行车延误大、绿灯损失多、通行效率低。灯损失多、通行效率低。本章习题及思考题：本章习题及思考题： 请根据新乡市的交通现状和城市特点
54、，选择一种智能交通控制系请根据新乡市的交通现状和城市特点，选择一种智能交通控制系统来改善和充分发挥现有交通网络的通行潜力，并说明选择此种统来改善和充分发挥现有交通网络的通行潜力，并说明选择此种控制系统的理由。自适应联机控制系统的主要优缺点是什么？控制系统的理由。自适应联机控制系统的主要优缺点是什么？5.5.我国照搬我国照搬SCATSSCATS和和SCOOTSCOOT系统进行区域控制会遇到哪些问题？系统进行区域控制会遇到哪些问题？本章习题及思考题：本章习题及思考题：n杨佩昆，张树升杨佩昆，张树升. .交通管理与控制交通管理与控制. .北京北京: :人民交通出版社，人民交通出版社，1995.12n
55、袁振洲袁振洲. .道路交通管理与控制道路交通管理与控制. .北京北京: :人民交通出版社，人民交通出版社，2007nFHWA. TRANSYT-7F Users Manual. US. DOT，1983nSydney Co-ordinated Adaptive Traffic System. DMR. AustralianSCOOT Traffic Handbook. TRRL.1983n亿阳信通股份有限公司亿阳信通股份有限公司. .ACTRA交通控制系统控制功能简述交通控制系统控制功能简述北京市公安北京市公安局公安交通管理局交通信号系统验收报告，局公安交通管理局交通信号系统验收报告，2006
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57、制系统城市智能交通信号控制系统. .西安西安: : 西北工业大学，西北工业大学，2001：21-29n胡坚明胡坚明. .智能公共交通系统实施理论实施技术研究智能公共交通系统实施理论实施技术研究. .吉林吉林: :吉林大学，吉林大学，2001主要参考文献：主要参考文献：n 日日 交通工学研究会编交通工学研究会编. . 智能交通系统智能交通系统. .董国良等译董国良等译. .北京北京: :人民交通出人民交通出版社，版社，2000n杨佩昆杨佩昆. .智能交通运输系统体系结构智能交通运输系统体系结构. .上海上海: :统计大学出版社，统计大学出版社，2001nGartner N H, Stamatia
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