1第十三章區(qū)域交通信號(hào)控制系統(tǒng)

核心內(nèi)容：

概念與分類

定時(shí)脫機(jī)操作系統(tǒng)

自適應(yīng)式聯(lián)機(jī)操作系統(tǒng)

2概念與分類

區(qū)域交通信號(hào)控制系統(tǒng)：

將區(qū)域內(nèi)的全部交通信號(hào)的監(jiān)控，作為一個(gè)指揮控制中心管理下的整體控制系統(tǒng)，是單點(diǎn)信號(hào)、干線信號(hào)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)系統(tǒng)的綜合控制系統(tǒng)。3信號(hào)控制系統(tǒng)分類示意圖4概念與分類

建立區(qū)域信號(hào)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)1、整體監(jiān)視和控制2、可因地制宜地選用合適的控制方法3、可有效、經(jīng)濟(jì)地使用設(shè)備5對(duì)區(qū)域信號(hào)控制系統(tǒng)的總體評(píng)價(jià)

區(qū)域控制系統(tǒng)可實(shí)施城市交通運(yùn)輸?shù)牟呗?，提高現(xiàn)有道路的交通效率，改善道路交通安全，節(jié)省能量消耗，減少環(huán)境污染，收集交通數(shù)據(jù)，提供交通情報(bào)，為整個(gè)社會(huì)提供綜合的經(jīng)濟(jì)效益。6概念與分類

分類1、按控制策略分類（1）定時(shí)式脫機(jī)操作控制系統(tǒng)（2）適應(yīng)式聯(lián)機(jī)操作控制系統(tǒng)7概念與分類

分類1、按控制策略分類（1）定時(shí)式脫機(jī)操作控制系統(tǒng)利用交通流歷史及現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，進(jìn)行脫機(jī)優(yōu)化處理，得出多時(shí)段的最優(yōu)信號(hào)配時(shí)方案，存人控制器或控制計(jì)算機(jī)內(nèi)，對(duì)整個(gè)區(qū)域交通實(shí)施多時(shí)段定時(shí)控制。

8概念與分類

分類1、按控制策略分類（2）適應(yīng)式聯(lián)機(jī)操作控制系統(tǒng)在控制區(qū)域交通網(wǎng)中設(shè)置檢測(cè)器，實(shí)時(shí)采集交通數(shù)據(jù)并實(shí)施聯(lián)機(jī)最優(yōu)控制。自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、投資高、對(duì)設(shè)備可靠性要求高，但能較好地適應(yīng)交通流的隨機(jī)變化，提高控制效益。

9概念與分類

分類2、按控制方式分類（1）方案選擇方式（2）方案形成方式10概念與分類

分類2、按控制方式分類（1）方案選擇方式對(duì)應(yīng)于不同的交通流，事先做好各類交通模型和相應(yīng)的控制參數(shù)并儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)內(nèi)，按實(shí)時(shí)采集的實(shí)際交通數(shù)據(jù)，選取最適用的交通模型與控制參數(shù)，實(shí)施交通控制。

11概念與分類

分類2、按控制方式分類（2）方案形成方式根據(jù)實(shí)時(shí)采集的交通流數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)算出最佳交通控制參數(shù)形成信號(hào)控制配時(shí)控制方案，當(dāng)場(chǎng)按此方案操縱信號(hào)控制機(jī)運(yùn)行交通信號(hào)燈。

12概念與分類

分類3、按控制結(jié)構(gòu)分類（1）集中式計(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu)（2）分層式計(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu)13概念與分類

分類3、按控制結(jié)構(gòu)分類（1）集中式計(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有信號(hào)連接起來，用一臺(tái)中、小型計(jì)算機(jī)或多臺(tái)微機(jī)聯(lián)網(wǎng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集中控制，其原理、結(jié)構(gòu)均較簡(jiǎn)單。14集中式區(qū)域信號(hào)控制系統(tǒng)示意圖15概念與分類

集中控制的優(yōu)點(diǎn)是：

1、全部控制設(shè)備位于一個(gè)中心

2、系統(tǒng)的研制和維護(hù)不太復(fù)雜

3、所需設(shè)備較少，維修容易16概念與分類

集中控制的缺點(diǎn)是：

1、大量數(shù)據(jù)的集中處理及整個(gè)系統(tǒng)的集中控制，需要龐大的通信傳輸系統(tǒng)和巨大的存儲(chǔ)容量，這就極大地影響了控制的實(shí)時(shí)性，并限制了集中控制的區(qū)域范圍。

2、當(dāng)需控制的信號(hào)數(shù)很多，并分散在一個(gè)很大的地區(qū)內(nèi)時(shí)，設(shè)計(jì)集中控制系統(tǒng)必須特別謹(jǐn)慎，要考慮：控制的實(shí)時(shí)單元的數(shù)量、通訊傳輸線路的費(fèi)用、可選用的控制方法和執(zhí)行能力的靈活性。17概念與分類

分類3、按控制結(jié)構(gòu)分類（2）分層式計(jì)算機(jī)控制結(jié)構(gòu)

把整個(gè)控制系統(tǒng)分成上層控制與下層控制，上層控制主要接受來自下層控制的決策信息，并對(duì)這些決策信息進(jìn)行整體協(xié)調(diào)分析，從全系統(tǒng)戰(zhàn)略目標(biāo)考慮修改下層控制的決策；下層控制則根據(jù)修改后的決策方案，再作必要的調(diào)整。上層控制主要執(zhí)行全系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化的戰(zhàn)略控制任務(wù)，下層控制則主要執(zhí)行個(gè)別交叉口合理配時(shí)的戰(zhàn)術(shù)控制任務(wù)。

18分層式區(qū)域信號(hào)控制系統(tǒng)示意圖19概念與分類

分層控制的優(yōu)點(diǎn)是：

1、避免了集中式控制的缺點(diǎn)

2、可有降級(jí)控制的功能

3、提高了系統(tǒng)的可靠性

20概念與分類

分層控制的缺點(diǎn)是：

1、需增加設(shè)備

2、投資較高

21概念與分類

分層控制舉例1、第一級(jí)，位于交叉口，由信號(hào)控制機(jī)控制，主要功能如下：a．監(jiān)視檢測(cè)器b．監(jiān)視設(shè)備故障(檢測(cè)器、信號(hào)燈和其他局部控制設(shè)施)c．收集和匯總檢測(cè)數(shù)據(jù)d．把有關(guān)交通流和設(shè)備性能的數(shù)據(jù)傳送到第二級(jí)控制；e．接受上級(jí)下達(dá)的指令并按指令操作。22概念與分類

分層控制舉例2、第二級(jí)，位于所控制區(qū)域內(nèi)的一個(gè)比較中心的地點(diǎn)，主要功能如下：a．監(jiān)視從第一級(jí)控制送來的交通流和設(shè)備性能的數(shù)據(jù)并傳到第三級(jí)控制中心

b．操縱第一級(jí)控制，決定要執(zhí)行的控制類型(單點(diǎn)的或系統(tǒng)的)，選擇控制方法并協(xié)調(diào)第一級(jí)控制23概念與分類

分層控制舉例3、第三級(jí)，位于城市內(nèi)一個(gè)合理的中心位置，主要功能如下：a．發(fā)揮命令控制中心的作用

b．從這個(gè)中心能監(jiān)視城市內(nèi)任意信號(hào)交叉口的數(shù)據(jù)，接收、處理有關(guān)交通流條件的數(shù)據(jù)，并提供監(jiān)視和顯示設(shè)備。c．控制中心能接收有關(guān)設(shè)備故障的情報(bào)，以便采取相應(yīng)的措施

24概念與分類

分層控制的優(yōu)點(diǎn)1、通過數(shù)據(jù)的預(yù)處理和集中傳輸，能減少傳輸費(fèi)用2、由于系統(tǒng)不依賴于一個(gè)中心控制或集中的傳輸機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)具有較高的故障保護(hù)能力(系統(tǒng)的一部分故障不影響其他部分)，提高了系統(tǒng)的可靠性3、能處理實(shí)時(shí)單元的容量較大(檢測(cè)器，交叉口信號(hào)機(jī)等)4、控制方法和執(zhí)行能力比較靈活25概念與分類

分層控制的缺點(diǎn)1、需要的設(shè)備多，投資高

2、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的維護(hù)比較復(fù)雜

3、控制程序較復(fù)雜

4、要提供更多的控制地點(diǎn)

26定時(shí)脫機(jī)操作系統(tǒng)（TRANSYT）

TRANSYT(TrafficNetworkStudyTool)——交通網(wǎng)絡(luò)研究工具，是英國(guó)交通與道路研究所(TRRL)于1966年提出的脫機(jī)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)信號(hào)配時(shí)的一套程序。TRANSYT問世以來，隨著交通工程的實(shí)踐，得到了不斷地改進(jìn)和完善，到目前為止的最新版本是11版，英國(guó)的型號(hào)為TRANSYT11。

27TRANSYT工作原理示意圖

28定時(shí)脫機(jī)操作系統(tǒng)（TRANSYT）

仿真模型1、交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖式2、周期流量變化圖式3、車流在路線上運(yùn)行狀況的模擬4、車輛延誤時(shí)間的計(jì)算5、停車次數(shù)的計(jì)算29定時(shí)脫機(jī)操作系統(tǒng)（TRANSYT）

仿真模型1、交通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖式

TR4NSYT把一個(gè)復(fù)雜的交通網(wǎng)簡(jiǎn)化成適于數(shù)學(xué)計(jì)算的圖式，這個(gè)圖式由“節(jié)點(diǎn)”和“節(jié)點(diǎn)”之間的“連線”組成。在交通網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖上，每一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”代表一個(gè)由信號(hào)燈控制的交叉口；每一條“連線”表示一股駛向下游一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”的單向車流。

30定時(shí)脫機(jī)操作系統(tǒng)（TRANSYT）

仿真模型2、周期流量變化圖式周期流量變化圖式是縱坐標(biāo)表示交通量，橫坐標(biāo)表示時(shí)間(以一個(gè)周期時(shí)長(zhǎng)為限)的交通量在一個(gè)周期內(nèi)隨時(shí)間變化的一種柱狀圖。在TRANSYT交通模型里，所有計(jì)算過程的基本數(shù)據(jù)均為每個(gè)時(shí)段內(nèi)的平均交通量、轉(zhuǎn)彎交通量及該時(shí)段的排隊(duì)長(zhǎng)度。此圖可由TRANSYT程序計(jì)算得到，并作為一項(xiàng)輸出內(nèi)容打印出來。在TRANSYT的所有計(jì)算分析中，均以上述這種柱狀流量圖式為依據(jù)。

31定時(shí)脫機(jī)操作系統(tǒng)（TRANSYT）

仿真模型3、車流在路線上運(yùn)行狀況的模擬為描述車流在一條連線上運(yùn)行的全過程，TRANSYT使用如下三種周期流量圖式：

(1)到達(dá)流量圖式。這一圖式表示車流在不受阻滯的情況下，到達(dá)下游停車線的到達(dá)率變化情況。

(2)駛出流量圖式。這一種圖式描述了車流離開下游交叉口時(shí)的實(shí)際流量的變化情況。(3)飽和駛出圖式?！皾M流”圖式實(shí)際上是一種以飽和流率駛離停止線的流量圖式。只有當(dāng)綠燈期間通過的車流處于飽和狀態(tài)時(shí)才會(huì)有這種圖式出現(xiàn)。

32定時(shí)脫機(jī)操作系統(tǒng)（TRANSYT）

仿真模型4、車輛延誤時(shí)間的計(jì)算

TRANSYT計(jì)算的車輛延誤時(shí)間是均勻到達(dá)延誤、隨機(jī)延誤與超飽和延誤之和

33定時(shí)脫機(jī)操作系統(tǒng)（TRANSYT）

仿真模型5、停車次數(shù)的計(jì)算

TRANSYT計(jì)算的停車次數(shù)，也是分成均勻到達(dá)停車次數(shù)、隨機(jī)停車次數(shù)及超飽和停車次數(shù)三部分。

34定時(shí)脫機(jī)操作系統(tǒng)（TRANSYT）

優(yōu)化：

TRANSYT將仿真所得的性能指標(biāo)(PI)送人優(yōu)化程序，作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)；以網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的總行車油耗或總延誤時(shí)間及停車次數(shù)的加權(quán)和作性能指標(biāo)；用“爬山法”優(yōu)化，產(chǎn)生較之初始配時(shí)更為優(yōu)越的新的信號(hào)配時(shí)；把新信號(hào)配時(shí)再送人仿真部分，反復(fù)迭代，最后取得PI值達(dá)到最小的系統(tǒng)最佳配時(shí)。35定時(shí)脫機(jī)操作系統(tǒng)（TRANSIYT）

優(yōu)化1、綠燈相位差的優(yōu)選2、綠燈時(shí)間的優(yōu)選3、控制子區(qū)的劃分4、信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)的選擇36定時(shí)脫機(jī)操作系統(tǒng)（TRANSIYT）

優(yōu)化1、綠燈相位差的優(yōu)選

在初始配時(shí)方案的綠時(shí)差的基礎(chǔ)上，以適當(dāng)?shù)牟骄嗾{(diào)整交通網(wǎng)上某一個(gè)交叉口的綠時(shí)差，計(jì)算性能指標(biāo)PI。若這次求出的PI值小于初始方案的PI值，說明這種調(diào)整方向是正確的，還應(yīng)當(dāng)以同樣的步距沿同一方向?qū)υ摻徊婵诘木G時(shí)差作連續(xù)調(diào)整，直至獲得最小的PI值為止。反之，假若第一次調(diào)整后的PI值比初始方案所對(duì)應(yīng)的PI值大，則應(yīng)朝相反方向調(diào)整綠時(shí)差，直至取得最小PI值為止。

37定時(shí)脫機(jī)操作系統(tǒng)（TRANSIYT）

優(yōu)化2、綠燈時(shí)間的優(yōu)選

TRANSYT同樣也可以對(duì)各信號(hào)相位的綠燈時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。作法是不等量地更改一個(gè)或幾個(gè)乃至全體信號(hào)相位的綠燈長(zhǎng)度，以期降低整個(gè)交通網(wǎng)的性能指標(biāo)PI值。在對(duì)綠燈時(shí)間作上述調(diào)整時(shí)，不允許任何一個(gè)信號(hào)相位調(diào)整后的綠燈時(shí)間短于規(guī)定的最短綠燈時(shí)間。

38定時(shí)脫機(jī)操作系統(tǒng)（TRANSIYT）

優(yōu)化3、控制子區(qū)的劃分

一個(gè)范圍較大的交通網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)行信號(hào)聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制時(shí)，往往要分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，每一個(gè)部分可以有自己獨(dú)特的控制對(duì)策，各自執(zhí)行適合本區(qū)交通特點(diǎn)的控制方案。在實(shí)際工作中，就往往以這些不宜協(xié)調(diào)的連線作為劃分控制子區(qū)邊界的參考依據(jù)，即子區(qū)邊界點(diǎn)基本上均在這些連線上。

39定時(shí)脫機(jī)操作系統(tǒng)（TRANSIYT）

優(yōu)化4、信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)的選擇

TRANSYT可以自動(dòng)地為交通網(wǎng)各子區(qū)選擇一個(gè)P1最低的公用信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)，同時(shí)還可以確定哪幾個(gè)交叉口應(yīng)當(dāng)采用雙周期。

40自適應(yīng)式聯(lián)機(jī)操作系統(tǒng)

SCATS(SydneyCoordinatedAdaptiveTrafficSystem)

是一種實(shí)時(shí)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，由澳大利亞開發(fā)。20世紀(jì)70年代開始研究，隨后在80年代初投入使用。

SCATS的控制結(jié)構(gòu)為分層式三級(jí)控制，三級(jí)控制為中央監(jiān)控中心→地區(qū)控制中心→信號(hào)控制機(jī)。在地區(qū)控制中心對(duì)信號(hào)控制機(jī)實(shí)行控制時(shí)，通常將每1~10個(gè)信號(hào)控制機(jī)組合為一個(gè)“子系統(tǒng)”，若干子系統(tǒng)組合為一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)。

SCATS是一種用感應(yīng)控制對(duì)配時(shí)方案作局部調(diào)整的方案選擇系統(tǒng)。

41自適應(yīng)式聯(lián)機(jī)操作系統(tǒng)

SCATS1、子系統(tǒng)的劃分與合并2、配時(shí)參數(shù)優(yōu)選3、信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)的選擇4、綠信比方案的選擇5、相位差的選擇42自適應(yīng)式聯(lián)機(jī)操作系統(tǒng)

SCATS1、子系統(tǒng)的劃分與合并在優(yōu)選配時(shí)參數(shù)的過程中，SCATS用“合并指數(shù)”來判斷相鄰子系統(tǒng)是否需要合并。在每一信號(hào)周期內(nèi)，都要進(jìn)行一次“合并指數(shù)”的計(jì)算，相鄰兩子系統(tǒng)各自要求的信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)相差不超過9s時(shí)，則“合并指數(shù)”累積值為(＋1)，反之為(－1)。若“合并指數(shù)”的累積值達(dá)到“4”，則認(rèn)為這兩個(gè)子系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到合并的“標(biāo)準(zhǔn)”。

43自適應(yīng)式聯(lián)機(jī)操作系統(tǒng)

SCATS2、配時(shí)參數(shù)優(yōu)選

作為實(shí)時(shí)方案選擇系統(tǒng)，SCATS要求事先利用脫機(jī)計(jì)算的方式，為每個(gè)交叉口擬訂四個(gè)可供選用的綠信比方案、五個(gè)內(nèi)部綠時(shí)差方案以及五個(gè)外部綠時(shí)差方案。信號(hào)周期和綠信比的實(shí)時(shí)選擇，根據(jù)子系統(tǒng)內(nèi)的關(guān)鍵交叉口的需要確定公用周期時(shí)長(zhǎng)。交叉口的相應(yīng)綠燈時(shí)間，按照各相位飽和度相等或接近的原則，確定每一相位綠燈占信號(hào)周期的百分比。44自適應(yīng)式聯(lián)機(jī)操作系統(tǒng)

SCATS2、配時(shí)參數(shù)優(yōu)選（1）飽和度

SCATS所使用的“飽和度”(DS)，是指被車流有效利用的綠燈時(shí)間與綠燈顯示時(shí)間之比

45自適應(yīng)式聯(lián)機(jī)操作系統(tǒng)

SCATS2、配時(shí)參數(shù)優(yōu)選（2）綜合流量綜合流量q’是指一次綠燈期間通過停止線的車輛折算當(dāng)量，它由直接測(cè)定的飽和度DS及綠燈期間實(shí)際出現(xiàn)過的最大流率S來確定

46自適應(yīng)式聯(lián)機(jī)操作系統(tǒng)

SCATS：3、信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)的選擇信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)的選擇以子系統(tǒng)為基礎(chǔ)，即在一個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)，根據(jù)其中飽和度最高的交叉口來確定整個(gè)子系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)采用的周期時(shí)長(zhǎng)。SCATS在每一交叉口的每條進(jìn)口車道上都設(shè)有車輛檢測(cè)器，由前一周期內(nèi)，各檢測(cè)器直接測(cè)定出的DS值中取出最大的一個(gè)，并據(jù)此定出下一周期內(nèi)應(yīng)當(dāng)采用的周期長(zhǎng)度。

47自適應(yīng)式聯(lián)機(jī)操作系統(tǒng)

SCATS：4、綠信比方案的選擇綠信比方案的選擇，在每一信號(hào)周期內(nèi)都要進(jìn)行一次，其大致過程如下：在每一信號(hào)周期內(nèi)，都要對(duì)四種綠信比方案進(jìn)行對(duì)比，對(duì)它們的“人選”進(jìn)行“投票”。若在連續(xù)三個(gè)周期內(nèi)某一方案兩次“中選”，則該方案即被選擇作為下一周期的執(zhí)行方案。在一個(gè)進(jìn)口道上，僅僅把飽和度DS值最高的車道作為綠信比選擇的考慮對(duì)象。

48自適應(yīng)式聯(lián)機(jī)操作系統(tǒng)

SCATS：5、相位差的選擇在SCATS中，內(nèi)部、外部?jī)深悤r(shí)差方案都要事先確定，并儲(chǔ)存于中央控制計(jì)算機(jī)中。每一類包含五種不同的方案。每個(gè)信號(hào)周期都要對(duì)綠時(shí)差進(jìn)行實(shí)時(shí)選擇，其具體步驟如下：五種方案中的第一方案，僅僅用于信號(hào)周期時(shí)長(zhǎng)恰好等于Cmin的情況；第二方案，則僅用于信號(hào)周期滿足Cs<C<Cs+10的情況；余下的三個(gè)方案，則根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的“綜合流量”值進(jìn)行選擇。連續(xù)五個(gè)周期內(nèi)，有四次當(dāng)選的方案，即被選為付諸執(zhí)行的方案。49自適應(yīng)式聯(lián)機(jī)操作系統(tǒng)

SCOOT：Split-Cycle-OffsetOptimizationTechnique

即“綠信比?信號(hào)周期?綠時(shí)差優(yōu)化技術(shù)”，是一種對(duì)交通信號(hào)網(wǎng)實(shí)行實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。由英國(guó)TRRL于1973年開始研究開發(fā)，1979年正式投入使用。方案形成式控制系統(tǒng)。

SCOOT是在TRANSYT的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其模型及優(yōu)化原理均與TRANSYT相仿。不同的是SCOOT是方案形成方式的控制系統(tǒng)，