城市交通信号系统对比分析

昆明理工大学交通工程学院姓名：徐贻飞专业：载运工具运用工程学号：20092060271城市交通信号系统对比分析综述现代城市交通的智能控制与管理(urbantrafficcontrolsystem，UTCS)是智能交通系统的重要组成部分。而交叉口的通行能力又是决定道路通行的关键所在，若对城市交通网络的交叉口信号控制系统进行协调优化控制，可缓解拥堵区域的交通压力，使交通流量在整个城市范围内的分配趋于合理，降低或消除对道路的瓶颈影响，提高道路的通行能力和服务水平。所以城市交通控制的核心落实到如何根据交通需求来合理分配交通资源，提高通行效率。交通信号控制的发展经历了点控、线控和面控3个阶段。把控制对象区域内全部交通信号的监控作为一个交通监控中心管理下的整体控制系统，是单点信号、干线信号和网络信号系统的综合控制系统。一、外国城市交通信号系统的研究现状。自1868年英国伦敦首次使用煤气信号灯以来，道路交通信号控制经历了百余年的发展。英国、澳大利亚、美国、意大利、德国和加拿大等西方发达国家投入大量的人力、物力研究交通信号控制系统，取得了一系列成果。目前比较成功的典型的交通信号控制系统有TRANSYT、SCOOT和SCATS等等。1.1TRANSYT系统TRANSYT(TrafficNetworkStudyTool，交通网络研究工具)英国交通与道路研究所(TRRL)于1968年开发成功的一套脱机操作的区域定时协调控制系统，目前最新版本号是13．1．0，是目前最成功的静态系统，在世界各国有着广泛的应用。系统首先建立交通仿真模型，通过公式得到系统的性能指标(PerformanceIndex，PI)。系统采用瞎子爬山法优化值，取其最小值。不足之处在于，一是计算量太大，路网较大时问题则更加突出；二是脱机优化要求花费大量人力物力预先采集路网信息和交通流信息，同时也不能适应交通状况的实时变化；三是瞎子爬山法有可能使PI值落入局部最小值而无法获得真正的全局最优解，TRANSYT-7F8．1以后版本采用了改进的遗传算法，但因为对周期长度、相位差、绿信比和相序的优化不是同时进行，仍然有可能错过全局最优解。1.2SCOOT系统SCOOT(SplitCycleOffsetOptimizationTech—nique，绿信比一周期长一相昆明理工大学交通工程学院姓名：徐贻飞专业：载运工具运用工程学号：20092060272位差优化技术)是TRL(TRLL改名的)与PEEK公司、西门子公司在TRANSYT基础上于1979年研制成功的“在线TRANSYT系统”，是一种方案生成式自适应区域协调控制系统，目前最新版本是SCOOTMC3。SCOOT系统通过检、狈4器定时采集和分析交通信息，交通模型和优化程序配合生成最佳配时方案，最后送人路I=1信号机予以实施；其优化程序采用小步长渐近寻优方法，连续实时地调整绿信比、周期和时差三个参数，不但降低了计算量，而且也很容易跟踪和把握当前的交通趋势；系统检测器信息的敏感度低，所以优化器的个别错误不会导致整体的关键错误。不足之处在于，一是采用集中式控制结构，难以实现较大区域的控制；二是建立交通模型需要采集大量路网信息和交通流信息，耗时费力；三是绿信比优化依赖于对饱和度的估算和小步长的变化幅度，有可能不足以及时响应每个周期的交通要求；四是信号相位和相序事先同定，不能参与自动变化；五是控制子区的自动划分问题尚未解决；六是饱和流率的校准尚未自动化，现场安装调试相当繁琐。1.3SCATS系统SCATS(SydneyCoordinatedAreaTrafficSystem，悉尼协调区域交通系统)是澳大利亚新南威尔士道路交通局于20世纪70年代末研究成功的一种实时自适应区域控制系统，确切地说它是一个实时方案选择型的区域控制系统，目前最新版本SCATSⅡ。SCATS系统事先利用脱机计算的方式为每个交叉口设定4个绿信比方案、5个内部相位差方案和5个外部相位差方案，把信号周期、绿信比和相位差作为独立的参数分别进行优选，优选算法以“综合流量”和“饱和度”为主要依据。不足之处在于，一是作为一种方案选择系统，没有使用交通流模型，限制了配时方案的优化程度；二是检测器安装在停车线处，难以监测车队的行进，没有车流实时信息反馈，这使得相位差优,可靠性较差；三是系统只能实施在PDP系列数字计算机上，限制了推广应用。1．4RHODES系统RHODES(Rea1．time，Hierarchical，Optimized，DistributedandEffectiveSystem，实时、递阶、最优化的、分布式且可实施的系统)是由美国亚利桑那大学开发成功的一个实时自适应区域交通控制系统，测试表明该系统对半拥挤的交通网络比较有效。RHODES以相位可控化、有效绿波带、和预测昆明理工大学交通工程学院姓名：徐贻飞专业：载运工具运用工程学号：20092060273算法为核心技术。相位可控化是根据到达车辆的预测值，用动态规划的方法找出最优相序和相位长度。有效绿波带是根据当前车队预测值用决策树法进行网络综合优化并实时生成行进绿波带，使延误和停车次数最小。系统通过APRES-NET预测模型，预先获得必要的交通流信息，并对其提前做出及时有效的相应；采用非参数化控制模型来完全适应实时交通信号控制，该模型不再利用传统的周期、相位差和绿信比等参数来确定配时方案，而是改用相序和相位长度来确定配时方案。不足之处在于，一是没有建模解决公交车上下客对其他交通流及其本身造成的延误，二是系统高层优化有待于进一步研究。1．5OPAC系统OPAC(OptimizedPoliciesforAdaptiveControl，自适应控制的最优策略)是美国PBFarradyne公司和马萨诸塞大学于1979年共同开发的一个分布式实时交通信号控制系统，测试表明它对拥挤的交通干线比较有效。OPAC系统基于动态规划原理来优化控制策略，仍然是依据数学模型的方法求解；它引人了有效定周期(VirtualFixedCycle，VFC)的概念，即允许每个路口的周期长度在一个规定的时间和空间范围内变化，这使信号机有较大的回旋余地来应对本路口的交通请求，也为改善车队通行带保留了一定的协调能力；它是一个真正的分布式系统，中心计算机只完成VFC优化，路口机完成车队预测、相位优化以及排队长度、停车次数和延误等参数状态的检测和估计；采用了动态规划、校正、自调整算法等先进的优化方法和控制技术。不足之处在于，一是通信速率较低，只有9600bps，对等通信只能30s完成一次，一定程度上影响了实时性；二是控制算法复杂，对调试人员要求较高。1.6SPOT／UTOPIA系统SPOT(SignalProgressionOptimizationTechnolo—gy，信号连续优化技术)／UTOPIA(UrbanTrafficOptimizationbyIntegratedAutomation，基于集成自动化的城市交通优化)是由意大利MizarAutomazione公司开发的分布式实时交通控制系统；设计目标是同时改善私人和公共运输效率；最早于1985年应昆明理工大学交通工程学院姓名：徐贻飞专业：载运工具运用工程学号：20092060274用在意大利的都灵，取得了比较令人满意的效果。SPOT/UTOPIA系统由SPOT(本地)和UTOPIA(区域)两部分组成。SPOT是一个小型的分布式交通控制系统，在每个交通控制器上使用微观模型完成本地最优化工作——使总费用函数最小；它可以独立工作，单个SPOT系统最多管理6个路口。U—TOPIA是一个面控软件，可协调组织多个SPOT系统(作为子区)以组成区域控制系统；它使用基于历史数据的宏观交通模型来优化控制策略，每个子区使用相同的周期长度；系统引入权重概念以实现其在公交优先功能中的特殊控制目标：在尽可能保证公交车不遇红灯的情况下，使私家车总旅行时间最短。不足之处是该系统更适合公共交通发达的交通情况，在公共交通一般或者不发达的情况下信号控制策略则需要进一步加强。1.7PRODYN系统PRODYN(DynamicProgramming，动态规划)系统是法国CERT／ONERA于20世纪80年代末开发成功的一种实时交通控制系统；它是一个分布式系统，系统中的每个路口都要在滑动时间窗上求解一个向前动态规划问题以获得最优控制方案；系统采用滑动时间窗口技术，用基于先验概率的Bayesian估计技术来预测排队长度和拥挤程度，用卡尔曼滤波技术来预测转向率和饱和度。PRODYN系统目前实际运行应用的还不多，具体运行情况还需要时间来验证。1.8ACTRA系统ACTRAfAdvancedControl&TraficResponsiveAlgorithm，先进控制和交通响应算法)系统由美国西门子公司开发，是目前技术比较领先的交通信号控制系统软件之一，先后为汉城(1998年)、亚特兰大(1996年)、盐湖城(2002年)、北京(2008)等奥运城市提供了交通控制服务。ACTRA系统符合NTCIP协议(NationalTransportationCommunicationsforITSProtocol，国家智能交通通信协议)，具有良好的开放性，实际应用中能够实现对基于NTCIP协议的第三方信号机的正常监控和管理；采用ACS—L(AdaptiveControlSoftware-Lite)算法来实现区域自适应协调，该算法基于先进的分布式系统实时采集交通数据，在本地信号机上实现区域优化。1.9ITACA系统昆明理工大学交通工程学院姓名：徐贻飞专业：载运工具运用工程学号：20092060275ITACA(IntelligentAdaptiveTraficControlAgent)系统是西班牙Telvent公司与奥维耶多大学于1990年研制成功的一套自适应交通信号控制系统。ITACA系统以整个控制网络的停车次数和延误最小为优化目标，采用三级控制结构，具有动态方案选择控制方式和自适应控制方式两种控制模式；系统由交通自适应控制系统和专家系统两部分组成，前者通过线圈实时收集交通流数据，在计算机模型(绿信比优化模型、相位差优化模型和周期优化模型)中实时优化控制参数，并实时下达交通控制指令从而达到最佳交通控制效果；后者主要用来处理交通拥堵和预测未来的交通拥堵。二、国内城市交通信号系统发展现状。国内交通信号控制系统发展现状国内交通信号控制系统起步较晚，20世纪70年代北京市采用DJS一13O型计算机对干道协调控制进行了研究；20世纪80年代以来国家一方面采取引进与开发相结合的方针，先后建立了一些城市道路交通控制系统；另一方面投入力量研发城市交通信号控制技术，开发适应我国以混合交通为主要特点的智能交通控制系统。2.1南京城市交通控制系统南京城市交通控制系统(简称NUTCS)是我国自行研制开发的第一个实时自适应城市交通信号控制系统，是在原国家计委和国家科委的批准下，由交通部、公安部和南京市共同完成的，是“七五”国家重点科技攻关项目(编号2443)，多次获得公安部和国家的技术大奖。NUTCS结合了SCOOT与SCATS的优点，满足和适应国内路网密度低而且路口间距悬殊的道路条件以及混合交通突出的交通特点；通常采用路口级和区域级两级控制结构，需要的情况下可以扩充为路口级、区域级和中心级三级分布式递阶控制结构；系统设置了实时自适应、固定配时和无电缆联动控制三种模式，具有警卫、消防、救护、公交信号以及人工指定等功能，工作方式灵活，功能完备。不足之处在于，一是机动车与非机动车控制模式尚不完善，仍然大量存在车流相互影响的情况，限制了系统运行效果；二是优化目标只是综合考虑了行车延误、停车次数和阻塞度，但未把提高道路能力作为系统目标加以充分考虑。2.2海信HiCon交通信号控制系统HiCon交通信号控制系统是青岛海信网络科技股份有限公司开发的从路口信昆明理工大学交通工程学院姓名：徐贻飞专业：载运工具运用工程学号：20092060276号机、通信服务器到区域控制服务器、中央控制服务器的整套智能交通解