先进的交通信号控制系统

先进的交通信号控制系统交通控制系统概述其他系统感应式联机控制系统定时式脱机控制系统交通控制系统的发展•1868年英国伦敦出现了最早的交通信号灯，是一种煤气灯，在灯前用红绿玻璃进行变换信号；•1914年美国克利夫兰、纽约和芝加哥出现了手动操作的三色信号灯，采用电力发光；•1926年英国人在Wolverhampton安装了第一台自动交通信号机；•1963年加拿大多伦多市建立了一套由IBM650型计算机控制的交通信号控制系统，第一次将计算机技术应用到交通控制，提高了控制系统的性能和水平，标志着城市交通信号控制的发展进入了一个新的阶段；交通控制系统的发展•1966年英国运输与道路研究所开始开发的TRANSYT(TrafficNetworkStudyTool)系统；•20世纪70年代澳大利亚开始开发的SCATS（SydneyCoordinatedAdaptiveTrafficSystem）系统；•20世纪70年代英国运输与道路研究所联合三家公司开发的SCOOT（SplitCycleOffsetOptimizationTechnique）系统；交通控制系统的发展•美国的RT-TRACS（RealTimeAdaptiveControlSystem）系统，是一种多层结构的控制策略，提供各种程度的响应级别；•日本都市警署开发的STREAM（StrategicRealTimeControlforMegalopolisTraffic）系统，根据不同路况条件选择不同的控制目标并采取不同的控制策略；•德国MOTION（MethodfortheOptimizationofTrafficSignalinOnlineControlledNetwork）系统是基于分层递阶控制和模块化结构的城市交通控制系统，其战略层是通过赋予公共交通相对高于私人交通的权值体现公交思想，并根据具体情况，实施绝对优先、相对优先和拒绝优先三种不同的优先管理方式，另外还引入了路孔和路网两级时间识别机制；虽然上述系统还尚未获得大范围的应用，但在一定程度上代表了智能交通信号控制系统的发展方向；交通控制系统的分类分类依据分类按控制方法定时控制、感应控制和自适应控制按控制范围点控、线控和面控安控制方式方案选择式和方案生成式按控制方法•交通信号控制机按事先设定的配时方案运行，也称为周期控制。•单段式定时控制&多段式定时控制定时控制•感应控制是在交叉口进口道上设置车辆检测器，信号灯配时方案由计算机或者智能化信号控制机计算，并可随着检索器检测到车流信息而随时改变配置方案的一种控制方法。•半感应&全感应感应控制•将交通系统看作为不确定系统能够连续测量其状态，车流量、停车次数延误时间、排队时间、排队长度等，逐渐了解和掌握系统状态，将其与希望的动态特性进行比较，根据差值改变系统的可调参数或者产生一个控制方案，从而保证不论系统如何变化，均可以使控制系统达到最优或者次最优的一种控制方式。自适应控制按控制范围分类•每个交叉路口的交通控制信号只按照该交叉口的交通情况独立运行，不与相邻的交叉口有任何信息交换。点控制•将干道上的若干连续交叉口的交通信号通过一定的方式连接起来，同时对各交叉口设计一种相互协调的配时方案，各交叉口的信号灯按此协调方案联合运行使车辆通过这些交叉口的时候不至于经常遇上红灯称为线控方式，也叫“绿波”信号控制。线控制•以某个区域中所有信号控制交叉口作为协调控制的对象，称为面控制系统。面控制按控制范围分类面控制控制策略分类定时式脱机控制系统感应式联机控制系统按控制结构分类集中式控制结构分层式控制结构定时式脱机控制系统定时式脱机控制系统利用交通流历史及现状统计数据，进行脱机优化处理，得出多时段的最优信号配时方案，存入控制器或者控制计算机内，对整个区域交通实施多时段定时控制。最典型的的定时脱机控制系统是TRANSYT系统。TRANSYT系统介绍TRANSYT系统是由英国道路研究所的D.I.罗伯逊等人开发，1966年英国TRRL提出了脱机优化网络信号配时的一套程序，其英文全称是TrafficNetworkStudytool，即“交通网络研究方法”，用于道路网络信号协调配时设计，经多年实践，在全世界各国得到广泛应用。仿真模型信号配时优化TRANSYT系统仿真模型介绍用来模拟在信号灯控制下交通网上的车辆行驶状况，以便计算在一组给定的信号配时方案下交通网络的运行指标；仿真模型运行条件：a.路网中全部路口的交通信号均按共同的周期长度运行，或某些路口的交通信号按半周期运行，并且已经知道各信号交叉口的信号阶段划分情况及最小绿灯时间等详细数据；b.路网中所有主要交叉口都由交通信号灯或让路规则控制；c.路网中各车流在某一确定时间段内的平均车流量已知，且维持恒定；d.每一个交叉路口的转弯车辆所占的百分比为已知，并且在某一确定时间段内维持恒定。仿真模型介绍a.路网几何数据：包括交叉口数目、连线数目、连线长度、车道划分情况及车道宽度等；b.交通量数据：包括每条线上的交通量，各连线上的自由行驶速度和车队离散程度等；c.经济指标：单位延迟时间的损失费用指标，车辆在不同行驶状态下的油耗指标。需要的数据和材料：主要环节仿真模型路网结构图车辆延误时间及停车次数流量周期变化图式路网结构图复杂交通网络节点连线节点代表一个由信号灯控制的交叉口连线表示一股驶向下游一个节点的单向车流流量周期变化图式流量周期变化图式是对一个信号周期内某一连线上的交通流量随时间推移而变化的一种图形描述。1.到达流量图式。该图式描述车流在不受阻滞的情况下，到达下游停车线的到达率的变化情况。2.驶出流量图式。该图式描述车流离开上游交叉口时的实际流量的变化情况。3.饱和驶出图式。该图式实际上是一种以饱和流率驶离停车线的流量图式，只有当绿灯其间通过的车流处于饱和状态时才会出现该图式。三种周期流量图式：车辆延误时间及停车次数性能指标PI1()NiiiiiPItkn式中：𝜔𝑖----------第i条连线延迟时间的加权系数；𝑘𝑖----------第i条连线停车次数的加权系数；t𝑖----------第i条连线的总延迟时间；n𝑖----------第i条连线停车次数的总和；TRANSYT系统优化将仿真得到的性能指标PI作为优化的目标函数，以总延误时间及停车次数的加权和作为性能指标，用爬山法优化产生优于初始配时的新控制参数然后将新的信号控制参数送入仿真部分，反复迭代，最后取得PI值达到最小系统最佳信号参数。向‘+’方向调试一个步距开始再‘+’方向调试一个步距向‘-’方向调试一个步距再‘-’方向调试一个步距维持初始配时参数不做调整向‘-’方向调试成功向‘+’方向调试成功PI上升PI上升PI下降PI上升PI上升PI上升重复调试重复调试PI下降PI下降优化算法“爬山法”计算流程图信号配时优化相位差优化信号周期时间优化控制子区的划分绿灯时间优化主要环节相位差优化相位差是针对两个信号交叉口而言，是指两个相邻交叉口它们同一相位绿灯（或红灯）开始时间之差。相位差：优化过程：在初始配时方案相位差的基础上，适当调整交通网上的某一个交叉口的相位差，计算性能指标PI。若此次求出的PI值小于初始值，那么调整方向正确，继续向该方向调整，直至获得最小PI值为止。反之，则向相反方向调整相位差，直至获取最小PI值为止。按该步骤完成一个交叉口的相位差调整后，依次对所有其他交叉口做同样的调整。对所有交叉口的相位差依次调整一遍之后，还要回头再从第一个交叉口开始依次对所有交叉口做第二遍调整。如此反复多次，直到求得最后的理想方案（即PI值最小）。绿灯时间优化优化过程：不等量地更改一个或者几个乃至全体信号相位的绿灯长度，以降低整个网络的性能指标PI值。在对绿灯时间做调整时，不允许任何一个信号相位调整后的绿灯时间小于规定的最短绿灯时间。信号周期时间优化TRANSYT可以自动地为交通网络各子区选择一个PI最低的共用信号周期时长，同时还可以确定那几个交叉口应当采用双周期。优化过程：控制子区的划分控制子区：一个范围较大的交通网络，在实行信号联网协调控制时，往往要分成若干个相对独立的部分，每一个部分可以有自己独特的控制策略，各自执行适合本区交通特点的控制方案。这样的独立控制部分就称为控制子区。划分依据：a.过长连线，且沿该线行驶车辆较为离散；b.交通流量很小的连线；c.连线上有交通流的产生源或者终止点；d.经常处于交通阻塞和状态的连线；尽量选择关联性不大的路口之间为子区的边界，这样就不必考虑子区的协调问题。TRANSYT系统优缺点优点缺点投资低无法适应随机的交通变化不需要大量设备计算量大容易实施信息采集费时费力，且随着城市发展，上传的数据往往会过时，降低使用效果感应式联机控制系统感应式联机控制系统通过道路网上的车辆检测器实时采集交通数据，并通过配时参数优化得到最佳配时方案，然后对区域内的交通信号实施控制。特点：能够及时响应交通流的随机变化，控制效果好，但控制结构复杂，投资高、对设备可靠性要求高。SCATS系统SCOOT系统SCATS系统中心计算机区域计算机1区域计算机2区域计算机n…中央监控中心地区控制中心信号控制机每个区域计算机最多联250个信号机（战略控制）（战术控制）SCATS系统配时参数优化子系统的划分与合并子系统的划分，由交通工程师根据交通流量的历史和现状数据，以及交通网络的环境、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位。划分：合并：SCATS系统用“合并指数”的方法来判断相邻子系统是否需要合并。在每一信号周期内，都要进行一次“合并指数”的计算，相邻两子系统各自要求的信号周期时长相差不超过9s时，则“合并指数”累计值‘+1’,反之为‘-1’。若“合并指数”的累计值达到“4”，则认为这两个子系统已经达到合并的标准。合并后的子系统在必要的时候还可以自动重新分开为原先的两个子系统，只要“合并指数”累计值下降至“0”。配时参数优化SCATS以1~10个交叉口组成的子系统作为基本控制单位，这些交叉口具有一个共用周期长度。作为实时方案选择式控制系统，SCATS要求事先利用脱机计算的方式，为每个交叉口拟定四个可供选用的绿信比方案、五个内部相位差方案（子系统内部各交叉口之间相对的相位差）以及五个外部相位差方案（指相邻子系统之间的相位差）。信号周期和绿信比的实时选择，是以子系统的整体需要为出发点，即根据子系统内的关键交叉口的需要确定共用周期时长，交叉口的相应绿灯时间，按照各相位饱和度或接近的原则，确定每一相位绿灯占信号周期的百分比。随着信号周期的调整，各相位绿灯时间也随之变化。主要依据：类饱和度综合流量法&信号周期时长的优化信号周期时长的选择以子系统为基础，即在一个子系统内，根据其中类饱和度最高的交叉口来确定整个子系统应当采用的周期时长。SCATS在每一个交叉口的每条进口车道上都设有车辆检测器，由前一周期内各检测器直接测定出DS（类饱和度）值中最大的一个，并由此定出下一周期内应当采用的周期长度。信号周期变化限值：1.信号周期最小值𝐶min2.信号周期最大值𝐶max3.中等信号周期𝐶𝑠4.略长于周期𝐶𝑠𝐶𝑥绿信比方案的选择绿信比方案的选择，在每一个信号周期内都要进行一次，其大致过程为：在每一个信号周期内，都要对四种绿信比方案进行对比并作出选择，若某一方案在连续三个周期内两次被选中，该方案即被选择作为下一个周期的执行方案。在一个进口道上，仅仅把饱和度高的车道作为绿信比选择的考虑对象。相位差的选择对于每一个有关的进口道，都要分别计算出执行三种相位差的方案时该进口道能够放行的车流量及饱和度。实质上，这与最宽通过带方法相似，SCATS系统是对比上述三种方案所能提供给每一条进口道的通过带宽度。所能提供的通过带宽度越大，说明这种方案优越性越明显。第一种方案，仅仅永固信号周期时长恰好等于的情况；第二种方案，则仅用于信号周期满足的情况；余下三种方案，则根据实时检测到的“综合流量”值进行选择。连续五个周期内，有四次当选的方案，即被选为付诸执行的方案。𝐶min𝐶𝑠𝐶𝐶𝑠+10S