05交通信号控制系统综述(之三)_经典实时自适应系统

交通信号控制系统综述之三经典实时自适应系统-1-交通信号控制系统综述（之三）——经典实时自适应系统朱弘戈，工学博士，高级工程师亿阳信通股份有限公司ITS体系总工程师自从世界上第一个以计算机为核心的区域交通控制系统在加拿大多伦多市诞生以来，人们在自适应交通控制系统方面进行了大量的研究，但是早期的尝试，都不令人满意。英国运输与道路研究所（TRL）的D.I.Robertson等人，总结了这些经验教训，归纳如下：（1）配时方案变化频繁。在交通控制中，每次变换配时方案，都会对交通流的运行产生干扰。Robertson等人，用交通仿真的方法进行研究，他们认为，当方案变化周期小于10min,则由新方案所得到的收益，还不能够补偿由于方案变换引起交通延误所带来的损失。（2）预测方法不能满足要求。由于交通变化的随机性，传统的预测方法，对于追踪交通流的变化，效果不能令人满意。（3）响应速度慢。当偶发事件发生或交通流急剧变化时，不能及时响应瞬时变化。（4）错误的方案难以消除。偶发事件或检测器的故障，均可以引发错误的控制方案，在新方案生成之前，该错误方案不能被纠正。一般来说，城市区域内各交叉口处的交通流是相互关联的，提高某一个交叉口的通行能力或减少车辆在该交叉口的延误，有可能引起关联路口更多的延误，即子系统的最优无法保证全局最优。因此，实施交叉口之间的协调自适应控制能够获得更好的效果。作为理想的城市区域自适应交通信号系统，希望具有如下功能：（1）对交通条件的变化，例如偶发性拥挤、事件、事故及交通需求的增加等具有自适应性，即能够在线优化配时方案并进行实时控制。（2）能够利用动态交通分配进行配时。（3）能够实现特定路线上的公交或特种车辆优先控制。（4）具有自学习功能，通过对已有控制动作的学习，逐步提高控制性能。（5）具有容错能力，即使检测或通信出现故障，系统也不至于失控。从现有的情况来看，还没有哪个系统真正具有上述所有功能，由此可见，区域交通信号控制系统，还处于不断发展完善阶段。经典的实时自适应系统，以SCOOT系统和SCATS系统，最具有代表性，分别代表如下两种在线（on-line）方案优化方式。方案在线选择式：根据不同的交通流特性，事先解出各种配时方案，存储在计算机内，系统运行时按照实时采集的交通量数据，选取最合适的配时方案，实施交通控制。方案在线生成式：根据实时采集的交通流量数据，在线算出最优参数，从而形成配时方案。交通信号控制系统综述之三经典实时自适应系统-2-1.SCOOT系统，SCOOT(split,cycleandoffsetoptimizationtechnique:绿信比，周期和相位差优化技术)是典型的方案生成型信号控制系统。严格地讲，SCOOT是一个“软件包”，一定程度上，可以称之为“在线的TRANSYT”其专利由英国道路运输研究所（TRL）、英国PEEK公司和西门子公司（Siemens）三家享有。SCOOT系统是一种两极结构，上一级为中央计算机，下一级是路口信号机。交通量的预测和配时方案的优化在中央计算机上完成；信号控制、数据采集、处理在信号机上完成。它通过车辆检测器实时检测交通量数据，利用“TRANSYT”模型来优化信号配时参数，并依靠通信网络、信号控制机等硬件设备来实施控制。SCOOT系统主要由以下4个部分组成：交通量检测数据的采集和分析；交通模型；交通信号配时参数的优化及调整；信号系统的控制。SCOOT系统由车辆检测器获得交通量信息，经过处理后形成周期交通流分布图（CFP,cyclicflowprofiles），然后与预先存储在计算机的静态参数，如连线上车队运行时间。信号相位顺序及相位时间等一起在交通模型中计算。SCOOT优化程序由此找出信号配时的最佳组合，立即送到信号机实施。SCOOT优化程序采用频繁的小增量寻求优化方法以跟随CFP的瞬时变化。这样可以保证配时方案的调整对交通的连续运动妨碍最小，但在时间上又可以累加起来产生一个新的协调控制模式（Newpatternofcoordination）。SCOOT系统的主要特点是，具有灵活的、比较准确的实时交通模型，既可以制定信号配时方案，又可以提供各种信息，例如延误、停车次数和阻塞数据，为交通管理和交通规划服务；放弃长预测而采用短预测的方式，只针对下一周期的交通条件做出预测，并依据预测的结果进行控制，提高了预测的准确性和控制的有效性；在信号参数优化调整方面，采用频繁的小步长调整，一方面避免了信号参数的突变给受控路网内的运行车辆带来的延迟损失；另一方面由于频繁调整产生的配时参数的累加变化，可以与交通条件的较大变化相匹配；车辆检测器设置在上游交叉口的出口处，为下游交叉口信号配时的优化调整提供了较为充足的时间，同时，又可以预防车队阻塞到上游交叉口（在此类拥堵出现之前可以采取措施）；具有鉴别检测器运行状况的能力，一旦检测器出现故障，可以及时做出相应的决定，以减少设备故障对系统的影响。SCOOT系统的主要问题是，本质上是基于TRANSYT的模型，交通模型的建立需要大量的路网几何尺寸和交通流数据，需要花费大量的人力和时间；系统模型优化问题本质上是一个非凸的数学规划问题，如何寻找全局最优解，在理论上还没有彻底解决；绿信比的优化依赖于对“饱和度”的估计，以小步长变化对其调整，有可能不足以及时响应每个周期的交通需求；信号相位不能自动增减，相序不能自动改变；控制子区的动态划分问题尚未解决；饱和流率的自动调整，有待解决。交通信号控制系统综述之三经典实时自适应系统-3-2.SCATS系统，SCATS(Sydneycoordinatedadaptivetrafficsystem:悉尼协调自适应交通系统)是典型的方案选择型信号控制系统。SCATS系统是澳大利亚新西南威尔士道路和交通局（RTA）推出，有Plessey公司负责推广，后与PhilipsProject公司合并成立了Tyco系统集成公司，接管了SCATS系统的经营业务。完整的SCATS系统由3级构成，最上级为控制中心，完成管理系统的任务；中间一级为区域控制机，完成战略控制任务；最下级为交通信号控制器，分担战术控制任务。在SCATS系统中，区域控制机所负责的信号协调控制区域被分成小子区，每个子区由1～10个信号交叉口组成，这些交叉口具有公共的周期长度。系统根据子区的类饱和度，以最小6s的步长将公共周期长度加以更新。类饱和度是用安装在停车线附近的检测器来衡量的。子区的每一个交叉口都有4种绿信比方案。在每一个方案中，还包括若干类似于车辆感应的控制策略，他们包括相位的急速变化，备用时间的转让，相位的划分和规定等等。每个子区有5个相位差方案，内部相位差能够根据现行周期和行进速度来改变。当相邻两个子区合并时，合并前两个分离子区的周期长度，取大者，作为公共周期长度。SCATS的动态控制方式是首先决定子区需要的周期长度，在每个交叉口，这一周期时间按照选定的绿信比方案分配给每个信号机。子区内部的相位差可以由选定的相位差方案确定，也可以有选择合并子区的外部算法来选定。SCATS系统的主要特点是，检测器安装在停车线处，不需要建立交通模型，其控制不是基于模型的；周期、绿信比和相位差的优化，是通过在预先确定的方面之中选择而完成的；可以根据交通需求改变相序和跳相位，较好地响应每一个周期的交通请求；具有局部车辆感应控制的功能；每个周期可以改变周期时间；可以动态分配子区。SCATS系统的主要问题是，系统未使用交通模型，本质上是实时方案选择系统，限制了配时方案的优化程度;检测器安装在停车线附近，难以检测车队的行进，相位差优选的可靠性不高。由于SCATS是基于位于停车线后检测线圈在绿灯期间的测量值来进行计算的一种系统，这就是为何SCATS不使用交通仿真模型来分析路口所产生的队列、延迟及停车数的原因。这个缺陷尤其限制了可以适应真实交通需求的实时相位差计算。该系统选择离线计算并储存于系统中的相位差值。这种计算方法的主要缺点是：完全依赖于离线计算的相位差；该系统不能够预见所有可能的交通状况也不能够计算适当的相位差。当该系统在一些状况下只有仅有的几个解决方案时，如果不同的交通状况发生，将不能从该系统得到解决方案；随着交通的发展，必须对离线相位差计算方案进行调整。不可避免地需要周期性地对方案进行修改。SCATS系统实际为一种动态选择脱机离线所生成的绿信比、周期长和相位差。绿信比和相位差是脱机离线产生的，系统仅对离线产生的绿信比、相位差进行选择，而不是通过采集的交通数据，运用交通模型实时对周期、绿信比、相位差进行优化，生成最优方案来适应于当前的交通需求。交通信号控制系统综述之三经典实时自适应系统-4-如下为经典实时自适应系统交通控制系统特性的对比SCATSSCOOT运用交通仿真模型否是计算延迟及停车数否是排队估计否是实时自适应绿信比是是实时自适应相位差否是实时自适应周期是是在拥堵时运用专家系统否否