交通信号专业基础知识

迈锐数据（北京）有限公司行业相关知识一,交通信号概述交通信号一般指在道路上用来传送交通管理信息的光、电波、声音以及动作等。道路交通常用的信号有手势信号和灯光信号。手势信号是由交通管理人员通过手臂动作显示的,灯光信号则是由道路交通信号灯显示的。交通信号的作用是分配给互相冲突的交通流以有效的通行权，使交通流运行安全和延迟最少。历史上第一个交通信号灯于1868年出现在英国的伦敦，它源于铁路信号，是由绿灯与红灯构成的二色信号汽灯，限于夜间使用。1918年美国纽约采用了世界上最早的红黄绿三色信号电气照明灯，后被世界各国普遍采用。1968年联合国《道路交通和道路标志、信号协定》，对各种信号灯的含义作了规定。绿灯是通行信号，面对绿灯的车辆可以直行、左转弯和右转弯，除非另有一种标志禁止某一种转向。左右转弯车辆都必须让合法地正在路口内行驶的车辆和过人行横道的行人优先通过。红灯是禁行信号。因为在可见光中红光的电磁波最长，易于为人们在较远距离外辨认，为保证交通安全，所以采用红灯为禁行信号。面对红灯的车辆必须在交叉路口的停车线后停车。黄灯是警告信号，面对黄灯的车辆不能越过停车线，但车辆已十分接近停车线而不能安全停车时，可以进入交叉路口。在某种情况下，为了分离各种不同方向的交通流并对其提供独立的通行时间，可以用带箭头的灯来代替普通的绿信号灯。箭头信号灯有两种，一种是单独的绿箭头信号灯，面对这种信号灯的车辆只可沿着绿箭头所指示的方向行驶；另一种是带红灯的绿箭头信号灯，面对这种信号灯的车辆在不妨碍那些合法地在人行横道上行人和正在合法地通过交叉路口的车辆通行的情况下可以沿着箭头指示的方向行驶。目前，安装在交叉路口的交通信号灯多为自动控制的信号灯，有的是固定周期，有的是变周期。用信号灯控制一个交叉口通的方式叫点控制；将一条道路上几个交叉口的信号灯联系起来，协调运转，这种控制交通的方式叫线控制；用计算机控制几条道路上的若干个交叉口的信号灯，使之协调运转，这种方式叫面控制交通信号是指在道路上向车辆和行人发出通行或停止的具有法律效力的灯色信息，主要分为指挥灯信号、车道灯信号和人行横道灯信号。交通信号灯是指由红色、黄色、绿色的灯色按顺序排列组合而成的显示交通信号的装置。我国对交通信号灯的具体规定简述如下：1）指挥灯信号：①绿灯亮时，准许车辆、行人通行，但转弯车辆须不准妨碍直行的车辆和被放行的行人通行。②黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但已越过停止线的车辆和已进入人行横道的行人可以继续通行，在不妨碍被放行的车辆和行人通行的情况下，右转弯的车辆和T型路口右边无横道的直行车辆可以通行。③红灯亮时，不准车辆、行人通行，车辆应停在停车线外。右转弯的车辆和T型路口右边无横道的直行车辆，在不妨碍被放行车辆和行人通行的情况下，可以通行。④绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行。⑤黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行；2）车道灯信号：车道灯信号是指绿色箭头和红色叉形灯；绿色箭头灯亮时，本车道准许车辆通行；红色叉形灯亮时，本车道禁止车辆通行。3）人行横道灯信号：人行横道灯信号包括：绿灯亮、绿灯闪烁和红灯亮。绿灯亮时，准许行人通过人行横道；绿灯闪烁时，不准行人进入人行横道；红灯亮时，不准行人进入人行横道。二，交通信号控制理论交通信号控制(TrafficSignalControl，TSC)是依据路网交通流数据，对交通信号进行初始化配时和控制，同时根据实时交通流状况，实时调整配时方案，实现交通控制的优化。交通控制从被控区域的最小延误时间出发，获得最佳的配时方案，是系统化最优的思想。为获得整个路口交通效益的最大，可采用两种方法：一是采用数学模型对交叉口各个方向的车辆到达作准确的预测，根据运筹学和最优化理论确定各个方向的绿灯时间；二是采用智能控制的方法对交叉口进行控制。由于城市交通系统具有随机性、模糊性、不确定性等特点，很难对其建立数学模型。计算机的出现和广泛应用促成了人工智能研究热潮的掀起，针对传统交通控制系统的固有缺陷和局限性，许多学者把人工智能的实用技术相继推出并应用到交通控制领域。以下内容为交通信号控制领域专业词汇概念与解析：1，信号相位在空间上无法实现分离的地方（主要是在平面交叉口上），为了避免不同方向交通流之间的相互冲突，可以通过在时间上给各个方向交通流分配相应的通行权。例如，为了放行东西向的直行车流且同时避免南北向的直行、左转车流与其发生冲突，可以通过启亮东西向的绿色直行箭头灯将路口的通行权赋予东西向直行车流，启亮南北向的红灯消除南北向直行、左转车流对东西向直行车流通行的影响。对于一组互不冲突的交通流同时获得通行权所对应的信号显示状态，我们将其称之为信号相位，简称为相位。可以看出，信号相位是根据交叉口通行权在一个周期内的更迭来划分的。一个交通信号控制方案在一个周期内有几个信号相位，则称该信号控制方案为几相位的信号控制。图2-1就是一个采用四相位信号控制的控制方案。一个路口采用几相位的信号控制应由该路口的实际交通流状况决定，十字路口通常采用2～4个信号相位。如果相位数设计得太少，则不能有效地分配好路口通行权，路口容易出现交通混乱，交通安全性下降；如果相位数设计得太多，虽然路口的交通次序与安全性得到了改善，但由于相位之间进行转换时都会损失一部分通行时间，过多的相位数会导致路口的通行能力下降，延长司机在路口的等待时间。第一相位第二相位第三相位第四相位图2-1四相位信号控制方案实例为了保证能够安全地从一个信号相位切换到另一个信号相位，通常需要在两个相邻的信号相位之间设置一段过渡过程，例如对于图2-1所示的信号控制方案而言，从第一信号相位切换到第二信号相位，中间可能需要设置东西向绿色直行箭头灯闪烁、东西向黄灯亮、路口所有方向红灯亮等过渡过程。对于某一时刻，路口各个方向各交通信号灯状态所组成的一组确定的灯色状态组合，称为控制步伐，不同的灯色状态组合对应不同的控制步伐。因此一个信号相位通常包含有一个主要控制步伐和若干个过渡性控制步伐。控制步伐持续的时间称为步长，一般而言主要控制步伐的步长由放行方向的交通量决定，过渡性控制步伐的步长取值为2～3秒。2，信号周期信号周期是指信号灯色按设定的相位顺序显示一周所需的时间，即一个循环内各控制步伐的步长之和，用C表示。信号周期是决定交通信号控制效果优劣的关键控制参数。倘若信号周期取得太短，则难以保证各个方向的车辆顺利通过路口，导致车辆在路口频繁停车、路口的利用率下降；倘若信号周期取得太长，则会导致司机等待时间过长，大大增加车辆的延误时间。一般而言，对于交通量较小、相位数较少的小型路口，信号周期取值在70秒左右；对于交通量较大、相位数较多的大型路口，信号周期取值则在180秒左右。3，相位差相位差又叫时差或绿时差，通常用O表示，相位差有绝对相位差和相对相位差之分。1）绝对相位差绝对相位差是指各个交叉口主干道协调方向的信号绿灯（红灯）的起点或终点相对于某一个交叉口（一般为关键交叉口）主干道协调方向的信号绿灯（红灯）的起点或终点的时间之差，2）相对相位差相对相位差是指相邻交叉口主干道协调方向信号绿灯（红灯）的起点或终点之间的时间之差。相位差是线控系统最重要的参数，它决定了系统运行的有效性。在线控系统中，常常使用绝对相位差的概念，即以一个主要路口的绿灯起始时间为基准，来确定其余路口的绿灯启亮时刻。线控系统配时方案通常用时间—距离图（亦称时距图）来描述。4，绿信比，相位绿灯时间绿信比是指一个信号周期内某信号相位的有效绿灯时间与信号周期的比值，用λ表示。CtEG式中，tEG表示有效绿灯时间。某信号相位的有效绿灯时间是指将一个信号周期内该信号相位能够利用的通行时间折算为被理想利用时所对应的绿灯时长。有效绿灯时间与最大放行车流率（饱和流量）的乘积应等于通行时间内最多可以通过的车辆数。有效绿灯时间等于绿灯时间与黄灯时间之和减去部分损失时间，也等于绿灯时间与前损失时间之差再加上后补偿时间（后补偿时间等于黄灯时间减去后损失时间）。BLYFLGBCFLGLYGEGttttttttttt式中，tG表示绿灯时间；tY表示黄灯时间；tL表示部分损失时间；tFL表示前损失时间；tBC表示后补偿时间；tBL表示后损失时间。绿信比是进行信号配时设计最关键的时间参数，它对于疏散交通流、减少车辆在交叉口的等待时间与停车次数都起着举足轻重的作用。某一信号相位的绿信比越大则越有利于该信号相位车辆的通行，但却不利于其它信号相位车辆的通行，这是因为所有信号相位的绿信比之和必须小于1。5，绿灯间隔时间绿灯间隔时间是指一个相位绿灯结束到下一相位绿灯开始的这中间一段时间间隔，用I表示。设置绿灯间隔时间主要是为了确保已通过停车线驶入路口的车辆，均能在下一相位的首车到达冲突点之前安全通过冲突点，驶出交叉口。绿灯间隔时间，即相位过渡时间，通常表现为黄灯时间或黄灯时间加上全红时间。全红是指路口所有方向均显示红色信号灯，全红时间是为了保证相位切换时不同方向行驶车辆不发生冲突、清除交叉口内剩余车辆所用时间。为了避免前一相位最后驶入路口的车辆与后一相位最先驶入路口的车辆在路口发生冲突，要求它们驶入路口的时刻之间必须存在一个末首车辆实际时间间隔，这个时间间隔由基本间隔时间和附加路口腾空时间两部分构成。其中，基本间隔时间是由车辆的差异性和运动特性决定的时间量，其大小一般取值为2～3秒；附加路口腾空时间则是由路口特性决定的时间量，其大小大体上可以根据两股冲突车流分别从各自停车线到达同一冲突点所需行驶时间差来确定。在定时控制中，绿灯间隔时间可取为末首车辆实际时间间隔；而在感应控制中，如果在停车线前埋设了检测线圈，则该线圈可以测量到前一相位最后车辆离开停车线与前一相位绿灯结束之间的时间差，从而可以得到绿灯间隔的可压缩时间，因此此时的绿灯间隔时间可取为末首车辆实际时间间隔与绿灯间隔可压缩时间之差，从而提高路口的通行能力。6，损失时间，起动损失时间损失时间是指由于交通安全及车流运行特性等原因，在相位可以通行的时间段内没有交通流运行或未被充分利用的时间。损失时间由前损失时间和后损失时间两部分组成。前损失时间是指绿灯初期，由于排队车辆需要起动加速、驶出率较低所造成的损失时间。在绿灯初期车流量由小变大，由零逐渐上升到最大放行车流率。后损失时间是指绿灯时间结束时，黄灯期间停车线后的部分车辆已不许越过停车线所造成的损失时间。后补偿时间是指绿灯时间结束时，黄灯初期已越过停车线的车辆可以继续通行所带来的补偿时间。后损失时间与后补偿时间之和等于黄灯时间，恰恰也正反映了黄灯的过渡性与“两面性”。在黄灯期间车流量由大变小，由最大放行车流率逐渐下降到零。损失时间等于绿灯显示时间与绿灯间隔时间之和减去有效绿灯时间，等于绿灯间隔时间与后补偿时间之差加上前损失时间，也等于部分损失时间与全红时间之和。RLLYGGFLBCEGGtttttItttItItl式中，tR表示全红时间。对于一个信号周期而言，总的损失时间是指所有关键车流在其信号相位中的损失时间之和，用L表示。而关键车流是指那些能够对整个交叉口的通行能力和信号配时设计起决定作用的车流，即在一个信号相位中交通需求最大的那股车流。交叉口总的绿信比是指所有关键车流的绿信比之和，即所有关键车流的有效绿灯时间总和与信号周期之比值，可以用公式表示：CLCnkk1利用图2-2可以直观地反映以上各时间参数及其相互关系。前损失时间后补偿时间后损失时间绿灯显示时间有效绿灯时间饱和流量时间放行车流率绿灯间隔时间损失时间t1t2t3t4t5t0图2-2获得通行权的车流在其相位期间通过交叉口的流量图示图中，t0对应绿灯启亮时刻，t2对应放行车流率达到饱和流量的时刻，t3对应黄灯启亮时刻，t5对应红灯启亮时刻。在t0至t2时间段，即放行车流率未达到饱和流量期间，放行车流率曲线与时间轴围成的面积等于该时间段内通过交叉口的车辆数，可以等效于以饱和流量放行时在t1至t2时间段内通过交叉口的车辆数，即等于以t1至t2为底、以饱和流量为高所构成的虚线框的面积，因