7-第七章——区域混合交通控制策略和算法

区域交通信号控制系统南京理工大学交通工程系主讲人：周竹萍副教授南京理工大学交通工程系线控系统并不适用于所有区位1.支路负荷大（利益的协调）2.距离较远路口的协调南京理工大学交通工程系点、线、面控系统的综合——区域控制南京理工大学交通工程系主要内容1、区域交通信号控制系统定义与分类2、车流离散特性3、TRANSYT控制系统4、SCATS自适应控制系统5、SCOOT自适应控制系统南京理工大学交通工程系1、区域交通信号控制系统定义与分类区域交通控制系统对象：城市或某个区域所有交叉口的交通信号。作用：1.整体监视和监控，达到局部最优；2.可因地制宜地选择合适的控制方法；3.可以提高设备利用率。定义：把某一区域内的全部交通信号的监控，作为一个指挥控制中心管理下的一套整体控制系统，是单点信号、干线信号系统和网络信号系统的综合控制系统。南京理工大学交通工程系1、区域交通信号控制系统定义与分类区域交通控制系统分类1.按控制策略分类（1）定时式脱机操作系统（TRANSYT）：也即固定配时协调控制系统。利用历史数据及现行统计数据，进行脱机优化处理，并对整个控制网络实施多时段定时控制。（2）适应式联机操作控制系统(SCATS,SCOOT)：也称为自适应控制系统或动态响应控制系统。是指在控制区域中设置车辆检测器，实时采集数据并实施联机最优控制。南京理工大学交通工程系1、区域交通信号控制系统定义与分类分类2.按控制方式分类（1）方案选择式（SCATS）：预先做好各种配时方案，按照实际采集数据，选取最佳控制方案，并实施交通控制。（2）方案形成式（SCOOT）：根据采集的交通数据，实时计算最佳控制参数，进行控制。SCATS系统界面南京理工大学交通工程系1、区域交通信号控制系统定义与分类分类3.按控制结构分类（1）集中式控制：将网络内所有信号联结起来，用一台中、小型计算机或多台计算机联网对整个系统进行集中控制。其原理结构均较简单。优点：（1）全部控制设备只位于一个中心，操作方便；（2）系统的研制和维护不太复杂；（3）所需设备较少，维修容易。缺点：大量数据的集中处理及整个系统的集中控制，需要庞大的通信传输系统和巨大的存储容量，极大地影响了控制的实时性，并限制了集中控制的区域范围。1、区域交通信号控制系统定义与分类分类3.按控制结构分类（2）分层递阶式：•整个控制系统分成上层控制与下层控制。•上层控制主要接受来自下层控制的决策信息，并对这些决策信息进行整体协调分析，从全系统战略目标考虑修改下层控制的决策。下层控制则根据修改后的决策方案再做必要的调整。•上层控制主要执行全系统协调优化的战略控制任务•下层控制主要执行个别交叉口合理配时的战术控制任务这种结构可以避免集中结构的缺点，可有降级控制的功能，提高了系统的可靠性；但需增加设备，投资较高。例如一种三级分布式控制结构：第一级位于交叉口，由信号控制机控制第二级位于所控制区域的一个比较中心的地点第三级位于城市内一个合理的中心位置，起命令控制中心的作用1、区域交通信号控制系统定义与分类多级控制的优点（1）通过数据的预处理和集中传输，能减少传输费用。（2）由于系统不依赖于一个中心控制或集中的传输机构，系统具有较高的故障保护能力，提高了系统可靠性。（3）能处理实时单元的容量较大（检测器，交叉口信号机等）（4）控制方法和执行能力比较灵活多级控制的缺点（1）需要的设备多，投资高（2）现场设备的维护比较复杂（3）控制程序比较复杂（4）要提供更多的控制地点南京理工大学交通工程系1、区域交通信号控制系统定义与分类集中控制式与分层递阶式比较分层控制式集中控制式智能和功能的分布分布到各级集中于中心一级可靠性具有多级保险功能，高一级控制失灵系统功能损失较小为提高系统的可靠性，中心常用双机备分，否则中心主机失灵，系统功能损失严重控制中心需要多个中心站只需一个中心站，主要设备集中于一个中心传输线路传输线路较省，小区中心可以设置在控制区域的中心传输线路均需由各交叉口联到中心，当区域范围大时，线路造价明显上升系统灵活性系统控制战略有很大灵活性，可以分期实施，一次投资不需太大灵活性差，一次投资大软件开发比较复杂，需要开发更复杂的控制程序比较简单维修室外设备较复杂，需要较高水平的维修队伍室外设备简单，容易维修使用场合大面积或一个城市的控制小范围的或信号比较集中的城市控制南京理工大学交通工程系1、区域交通信号控制系统定义与分类区域控制建立的条件1、道路交通条件2、技术条件3、经济条件4、社会条件南京理工大学交通工程系1、区域交通信号控制系统定义与分类区域控制建立的条件1、道路交通条件•交叉口间几何关系–距离(600-800)、规则性(十字)•交通流特性–车种单一性、车队离散性•交通流大小–相邻交叉口流量很小或很大时均不易进行区域控制南京理工大学交通工程系1、区域交通信号控制系统定义与分类区域控制建立的条件1、道路交通条件•交通流大小判断•I：互联指数（0-1）；•t：车辆在相邻交叉口之间的运行时间（分钟）；•qmax：来自上游交叉口的直行交通量或qi中最大的交通量；•：到达下游交叉口的转向交通流总和•x：经由上游交叉口转出的车道数。南京理工大学交通工程系1、区域交通信号控制系统定义与分类区域控制建立的条件1、道路交通条件•交通流大小判断（1）I越接近1，互联效果越好；（2）I=0时，互联最不合理；（3）I0.3时不互联，I0.4可互联；t小（间距小），直行车多（流量单一），则I大。南京理工大学交通工程系1、区域交通信号控制系统定义与分类区域控制建立的条件1、道路交通条件实例分析max10.50.531000[1][1]0.256110.961000300200xiixqItq＝不易互联南京理工大学交通工程系1、区域交通信号控制系统定义与分类区域控制建立的条件2、技术条件：软件、硬件、人才；3、经济条件：分期、分批，项目建设实施序列；4、社会条件：交通参与者的素质（给定的控制需要时间适应）南京理工大学交通工程系3、TRANSYT控制系统TRANSYT（TrafficNetworkStudyTool）“交通网络研究工具”是由英国交通与道路研究所于1966年所提出的离线优化交通网络信号配时的一套软件。20世纪60年代以来TRANSYT得到广泛应用，取得明显效果；到1980年，TRANSYT软件已经修改过11次。路网数据交通流数据初始信号配时方案配时优化所需数据最佳信号配时方案交通模型配时参数优化过程（优化程序）路网运行指标PI值新的信号配时方案路网上车辆延误时间及停车次数车流的周期式图式TRANSYT程序TRANSYT的基本构成南京理工大学交通工程系TRANSYT（TrafficNetworkStudyTool）TRANSYT基本上由两大部分构成，其一是交通仿真模型，其二则是优化选择。•仿真模型–交通网络结构图式–周期流量变化图式–车流在连线上运行状况的模拟•优化选择–绿时差的优选–绿灯时间的优选–控制子区的划分–信号周期时间的选择3、TRANSYT控制系统南京理工大学交通工程系TRANSYT组成（两部分）⑴仿真在信号控制网络上的车队模型（宏观模型）⑵信号配时方案优化设计（计算机程序）TRANSYT基本原理图3、TRANSYT控制系统南京理工大学交通工程系TRANSYT方法中有如下几条基本假定：1.在路网上，所有交叉口均由信号灯控制（或由优先通行权控制）。2.在仿真的路网范围内，所有信号灯交叉口，均采用一个共用的信号周期长度；或者，某些交叉口采用共用周期长度一半作为其信号周期。每个交叉口信号阶段划分情况以及各信号阶段的最短时间均为一致。3.每一股独立的车流，不管是直行通过交叉口还是在交叉口转弯，其流率（即在某一时段内的平均流量值）比较稳定，且假定均为常量。3、TRANSYT控制系统南京理工大学交通工程系将交通信息和初始配时参数作为原始数据，以包含多项参数的综合目标函数——“运行指标”（PerformanceIndex-PI）作为配时方案优选的依据，用“爬山法”进行优化，产生比初始配时方案优越的新的配时方案，再把新的信号配时方案输入到仿真系统，反复迭代，最后得到PI达到最佳时的配时方案。TRANSYT方法1、信号网络配时优选的目标函数讨论车流在路网络上运动状况的主要参数，即平均延误、平均排队长度、停车率或燃油消耗量等。以他们为自变量可以建立如下函数：h——延误时间；d——停车率；c——耗油量3、TRANSYT控制系统南京理工大学交通工程系TRANSYT方法1、信号网络配时优选的目标函数若求得一组配时参数，则分别对自变量求偏导3、TRANSYT控制系统南京理工大学交通工程系TRANSYT方法1、信号网络配时优选的目标函数TRANSYT系统中综合目标参数包括延误时间与停车次数在内的“运行指标”：3、TRANSYT控制系统南京理工大学交通工程系TRANSYT方法2、优化过程（1）绿时差优化、优选3、TRANSYT控制系统以适当的步距调整交通网上某一个交叉口的绿时差，计算性能指标PI。若小于初始方案的PI，说明调整方向正确，继续调整，直到获得最小的PI为止。若第一次调整后的PI值大于初始方案的PI值，则应当朝相反方向调整绿时差，直到取得最小的PI.依次对所有其它交叉口做同样的调整。对所有交叉口作第二遍调整，反复多次，直到求得最后的理想方案。南京理工大学交通工程系TRANSYT方法2、优化过程（2）绿灯时间优化：试调成功向“+”方向重复调整整调复重再向“-”方向再向“+”方向试调一个步距试调一个步距向“-”方向试调一个步距向“+”方向试调一个步距PI值下降PI值上升指标PI上升路网运行路网运行指标PI上升开始试调成功向“-”方向PI值下降PI值上升维持初始配时参数PI值下降不做调整PI值上升3、TRANSYT控制系统南京理工大学交通工程系TRANSYT方法2、优化过程（3）子区的划分：3、TRANSYT控制系统南京理工大学交通工程系TRANSYT方法2、优化过程（4）信号周期时间的选择：TRANSYT可以为交通网络各子区选取一个PI值最小公共信号周期时长，同时还可以确定哪些交叉口应该采用双周期。选择交通路网中交通量最重（饱和度最高）交叉口，保证其Y值较大。自动选用公用信号周期；确定控制范围内交叉口双周期的设置；借助于控制子区划分避免周期过长。3、TRANSYT控制系统南京理工大学交通工程系TRANSYT方法的经济效益序号项目低限%高限%1路网上行驶的车辆平均延误时间减少15402路网通行能力增加5153车辆燃油消耗量下降5204较少交通事故0155设置公共汽车专用车道，并使用“BUSTRANSYT”作配时设计，则可以减少公共汽车延误10306设置“紧急绿波”时，可使消防车延误时间减少33507尾气污染减少5153、TRANSYT控制系统南京理工大学交通工程系脱机控制系统的不足依赖于历史交通流数据，交通数据更新对配时方案要求高；控制对策灵活性较差（紧急事件处理）；无实时的交通信息反馈，被动式交通控制。3、TRANSYT控制系统南京理工大学交通工程系3、SCATS自适应控制系统SCATS实时自适应控制系统（SydneyCo-ordinatedAdaptiveTrafficSystem）采用方案选择式配时方案与单点感应控制相结合的控制方式。SCATS控制系统是一种实时自适应控制系统。该系统自二十世纪70年代开始研究，并于80年代初投入使用。最初应用于Australia的Sydney，故而得此名。目前，我国的上海等城市采用了SCAT系统。这一系统是由澳大利亚NewSouthWales干线道路局的西姆斯（A.G.Sims）等人开发的，实际上也是一种实时配时方案选择系统。SCATS在实行对若干子系统的整体协调控制的同时，也允许每个交叉口“各自为政”地实行车辆感应控制，前者称为“战略控制”，后者称为“战术控制”。可显著提高控制效率。4、SCATS自适应控制系统SC