深圳市未来智能交通控制

深圳市未来智能交通控制系统的探讨王波2003－11－22主要内容1.概述2.深圳市交通控制系统现状分析3.深圳市现有交通控制系统的升级方案4.深圳市未来智能交通控制系统结构分析1.概述城市的交通拥挤是一个世界性的难题。交通控制系统是现代城市交通管理的重要环节，也是智能交通系统（ITS）的重要组成部分，其建设的目的在于通过运用高科技手段，建立先进、可靠的交通监控系统，优化交通控制，缓解交通拥挤，降低交通污染，缩短旅行时间，减少交通事故。正是在这样的思想指导下，欧美等发达国家近年来提出了塑造全新的数字化城市的设想。其核心主要是以数字化信息通信业务为基础建立起新的城市模型以适应信息时代的发展和要求。交通作为城市功能的最重要的一部分，建立城市智能交通系统（UITS）是数字化城市发展的必然。由于在城市新建和扩建道路的可能性受空间制约将呈递减趋势，因此从实施智能化交通控制系统的角度对交通流进行科学的组织与管控，充分发挥现有交通网络的通行潜力，最大程度上使交通流做到有序流动已是当务之急。1.概述深圳市区域交通信号控制系统始建于1989年，当时只有罗湖和福田52个路口纳入控制，经多年的扩展，全市现有灯控路口450多个，其中130多个路口已实现计算机中央联网控制。2001年对原系统进行了全面的升级改造，更换控制主机，优化系统构架，增加控制功能，并对下端控制机进行了改造，使整个系统建立在一个标准、通用、高效，具有开放性、拓展性、互联性的软、硬件平台上。深圳市现有的区域交通信号控制系统通过线圈、视频、超声波检测器自动采集路口交通数据（交通流量、占有率），经过外站进行一次数据处理，经过节点传送到中央计算机，中央计算机利用这些数据进行控制参数（周期、绿信比、绿时差）优化，也可以进行绿波控制、2.深圳市交通控制系统现状多相位控制等，对信号灯进行实时控制。从而可以最大限度的减少车辆停车次数、减少延误时间、提高通行能力。深圳市目前的交通流特点：1狭长带状，东西向多为城市交通，南北向多为过境交通；2.自行车较少，主要为汽车交通；3.有7个二线关；4.北环、皇岗路等过境交通严重；5.东西干道车流大于南北车流。2.深圳市交通控制系统现状现有交通控制系统的主要特点：(1)通过车辆检测器自己采集交通流数据(车流量、占有率),并向中央计算机发送。(2)区域交通信号配时优化计算,交通信号获得实时的最佳配时方案,自动调整信号控制参数。(3)灵活多样的控制方式:绿波带控制、多相位控制、中央手动控制和路口手动控制、时间表控制、上行或下行优先控制、主次干道优先控制、诱导控制、公共汽车优先控制等。2.深圳市交通控制系统现状(4)人机操作菜单,把复杂的控制系统,化成简单明了的菜单式命令操作,使用方便、安全可靠,键盘任何错误操作不会影响系统的正常运行。(5)交通数据的统计分析,每5分钟、每小时、每日、每周、每月的交通数据的统计,交通流量、占有率、平均车速、延误、排队长度、饱和度和设备运行状态为交通管理决策、系统的维护和道路修建提供全面的科学数据2.深圳市交通控制系统现状深圳市ATC控制系统示意图2.深圳市交通控制系统现状深圳市交通控制系统存在的问题：1.由于系统是基于两相位控制设计的，多相位时，各相位的实时调整有困难；2.目前检测器的数据是以5分钟为单位统计使用，实时性不够强，同时系统检测器容量不够，最多只能设置400个检测器；3.系统的控制思想是基于O——Q曲线决定模式，周期、控制模式不多，考虑因素不全，不能实时跟踪交通流的变化，不能解决交通突变问题；4.系统中人工参数太多，须经常跟踪维护，不能自动生成控制方案、自动生成控制参数；2.深圳市交通控制系统现状5.在深圳市南山区还存在着以单点控制为主，还没实现区域内路口的协调控制；6.现有的交通控制系统没有实现罗湖区与福田区这两个控制系统以及快速路控制系统与城市交通控制系统间的协同控制，无法真正实现对整个深圳市交通的最优化控制；7.交通诱导系统无法通过对区域交通控制系统或分析数据库交互而获取数据，导致诱导系统和交通控制系统没有实现一体化，出现了数据鸿沟。系统封闭，不利于信息的共享。2.深圳市交通控制系统现状3.深圳市现有交通控制系统的升级方案现阶段，为了达到智能交通发展的需要而又能节省投资，不至于重复投资造成浪费，又能实现在原有系统向未来智能交通衔接，建议保留原有的路口设备（交通信号机、车辆检测器）和通信线路，这里仅对控制中心进行升级。另外，随着深圳市经济的快速发展，交通需求会进一步增加，在深圳市南山区建立区域控制系统也成为必要，具体实施方案如下：1.将原有的两系统控制中心分别作为新系统的分控中心，用新的主机和通信控制机替代原有的设备。然后，用通信光纤将通信控制机与控制中心相联。2.改造日本原有的专用通信协议，此协议除了传输控制信息和有限的交通数据（车流量和占有率），无法增加传输其他大量交通信息，因此有必要采用新的利于信息共享的通信协议3.将原系统的不对称的通信速率（速率为上行600BPS，下行100BPS）改为标准的1200BPS，并且对原有信号机的通信板进行改造；4.原有系统操作系统平台采用VAX／VMS同现在流行的操作系统兼容性差。应当采用当今普及的操作系统和新的双CPU主机，设有彼此联系和与其他监控系统和诱导系统的通信端口。经过上述改进后，整个结构就会从原来的全集中到通信的分布结构转变，这样也适应了深圳在各个子区的分控中心联网的需要。当然，在条件成熟时，就可以考虑分控中心的联网，在此之上建立对整个城市交通进行3.深圳市现有交通控制系统的升级方案宏观控制和实时制定引导战略的主控中心。以下是提出的目前针对深圳市解决交通拥堵、推进城市交通信息化为核心的宏观策略实施方案：1.在各个区域内要进一步加强市区主干道信号绿波化控制，使市区干道交通流达到畅通、平滑的目的；2.对于跨区域性干道的信号实现绿波联控；3.完善干道交通流的全面检测与中心数据库的建立，以及信息与城市交通信息交互中心联网；4.对于快速路的控制，要进一步加强快速路匝道出、入口与相邻市区路口的联合协调控制。3.深圳市现有交通控制系统的升级方案深圳市现行城市路网布局及交通流特点，加之特区经济高速发展所带来的道路交通量的急剧增加，已使深圳市的交通问题愈益成为影响城市功能正常发挥和可持续发展的一个全局性的问题。近期内，要进一步改善和发展深圳市交通控制系统，围绕深圳交通的实际需求和特点，开发和应用实用型的、适合于深圳交通特点的、点线面相结合、与快速路协同控制的智能化交通控制系统。利用自学习控制原理进行交通流的控制是一种比较新的交通控制思想，特别是在我国，能够克服其他控制的缺点，是比自适应控制更为适用于交通控制的一种控制方法，在一定程度上适应我国交通流的特点。这一思想的基本点就是在低层次控制中用常规的基本控制器，而在高层次的智能决策，应具有拟人化功能4.深圳市未来智能交通控制系统结构分析4.深圳市未来智能交通控制系统结构分析对于较大区域的交通控制（一般几十个路口以上），这里采用了分层递阶控制方法，把受控对象和控制系统都分成相应的三个层次，每个层次都有各自的控制目标、控制范围和以不同知识为基础的判别准则、控制策略，各个层次可以在受上一级干预的条件下，对本级的控制对象进行学习控制。为了解决深圳市交通控制问题特别是现阶段实现深圳南山区的区域交通控制以及适应未来交通需求发展的需要，新的深圳市交通控制系统需要有分层的控制结构，具有宏观控制、微观控制的功能，采用先进的分层递阶智能控制理论，诱导与控制相结合以及各个子系统利用共享交通信息平台综合集成，建立自学习实时智能交通控制系统，实现深圳市区域交通的协同控制。通信数据传输网络信息处理和交换规范体系区域内协调控制模块可靠性保障体系信息采集装置交通信号灯智能式路口控制机(路口控制模块)分控中心操作平台区域内协调控制模块分控中心操作平台交通控制中心操作平台区域间协同控制模块深圳市未来智能交通控制系统体系结构逻辑框图4.深圳市未来智能交通控制系统结构分析深圳市未来交通控制系统的体系结构如上图所示，在体系结构中，每个层次的结构和功能相对独立，下一层为上一层提供支持与服务。控制中心管理综合平台通过对分控中心UTC的集成，实现系统的智能控制、管理和配置，完成交通信息发布。控制中心由主控制中心、分控制中心和构建在其上的智能管理综合平台组成，实现交通控制系统在业务上的集中和综合。分控中心管理需求通过其中的区域内协调控制模块实现所辖路口、干线和小区的协调控制。主控中心通过区域间交通协同控制模块利用系统的智能控制策略向分控中心下达战略控制指令，实现区域间的协同控制。路口信号机、交通信号灯和信息采集装置构成了系统的下端部分，实现路口信息的采集和交通信号的4.深圳市未来智能交通控制系统结构分析4.深圳市未来智能交通控制系统结构分析控制。并在信号机中嵌入路口控制模块，实现信号配时的绿信比的学习与优化。可靠性保障体系为各个层次的协同工作提供可靠性技术保障和指导；信息处理和交换规范体系在技术上和管理上为系统提供规范化依据和指导。通讯传输网络为控制中心的综合管理平台和路口信号机之间提供信息上传和指令下载的信息通道；通讯传输网络一般分为两层，高层的传输网负责主控制中心和分控中心以及其它系统间的信息交换和传输，底层的传输网负责分控中心和路口信号机间的信息交换和传输。下面就对在交通控制系统中应用的控制模块的结构和功能做一下简介。在模块中采用了较自适应更为优良的自学习控制技术。自学习控制系统是在自适应控制的基础上发展而来的，自学习控制系统能在不确定的环境下进行有条件的决策，能够按照运行过程中的经验与教训来不断改进控制方法（或控制知识），更广泛地模拟高级推理、决策和模式识别等人类的优秀行为和功能。所以在控制模块中采用自学习控制技术更能适应复杂多变的交通状况，灵活多变的做出控制策略和指令。控制模块的结构大体一致都包括推理控制单元和在线策略学习单元。4.深圳市未来智能交通控制系统结构分析4.深圳市未来智能交通控制系统结构分析推理规则推理机控制策略库交通模式库实时交通数据交通状态向量交通实时控制策略控制推理单元的结构和工作过程控制推理单元按对应的输出控制参数不同，亦可分为周期、绿时差、绿信比等推理单元。4.深圳市未来智能交通控制系统结构分析推理控制单元是由交通模式库、控制推理规则、控制策略库和推理机组成。交通模式库：就是根据历史交通数据针对所有可能出现的交通状态，按照某种方式划分的状态空间。控制策路库：根据专家经验总结出来的与交通模式库相对应的控制参数的集合,这些参数包括周期、绿时差、绿信比等。它是由专家知识和经验式化建立的，并有策略学习单元不断调整、修正。控制推理规则是交通模式库到控制策略库一一对应的映射。在此因产生式规则适于描述过程的因果关系和非解析的映射关系，具有较强的灵活性，可以方便的进行扩充和修改，所以控制规则就由产生式规则给出，其基本形式：IF〈条件〉THEN〈结论〉4.深圳市未来智能交通控制系统结构分析系统的推理机可以用下列的模型表示：IEkfUii,,式中：是交通模式的集合；mIIII,,21Iki，交通状态；neeeE,,21,控制策略库；EUi，是针对推理机输入而产生的具体输出；ikf,为智能算子，根据输入参数所有输入状态和控制规则进行推理，输出属于输出策略集合E与输入参数相对应的控制策略。ikiU4.深圳市未来智能交通控制系统结构分析策略效果数据库交通模式库新的控制策略库交通策略库学习推理机学习准则策略修正数据库控制效果交通状态策略学习单元的结构针对学习参数的不同，同样可以将策略学习单元分为周期、绿时差、绿信比等学习单元。4.深圳市未来智能交通控制系统结构分析策略学习单元则由交通模式库、学习准则、学习推理机、控制策略库、策略效果数据库和策略修正数据库六部分组成。策略学习单元中的交通模式库是与控制推理单元的共同的、完全一致的。策略学习单元要修正的控制策略库，正是控制推理单元用于控制推理的。策略学习单元以交通状态、控制参数的控制效果为输入，输