区域交通信号控制系统

1. 区域交通信号控制系统 刘 澜 教授

2. 面 控 制 将城市中某一地区的所有交叉口以某种方式（由中央控制室集中）统一协调控制，这种区域性协调控制,称为面控制或区域控制。 其全部交通信号的控制方案相互关联、协调运行，具有共同系统目标函数，是单点信号、干线信号系统和网络信号系统的综合系统。 第一节      概述 Company Logo

3. 面控制分类： 按控制策略分： 方案生成式 方案选择式 按控制方式分: 集中控制 ：范围较小≤20个路口 一般两级 分层控制 ：范围较大, 一般三～四级。 按控制结构分: Company Logo 定时（静态） 自适应协调控制（动态）

4. 控制策略划分方式 • 定时脱机控制系统 利用已有的交通量等统计数据进行脱机优化处理，存入多时段的最优配时方案，对整个区域交通实施多时段定时控制。 缺点：不能适应交通流的随机变化 • 自适应联机控制系统： 通过在交通网络中设置车辆检测器，实时采集交通量数据，辨识交通模型，在线获得配时方案，对区域内的交通信号实施联机最优控制。 缺点：系统复杂，投资大，对设备可靠性要求高

5. 按控制方式划分 • 方案选择式 根据不同的交通流运行模式配时方案，储存在中心计算机中，运行时按实时采集的交通流数据，选择适用的方案，实施交通控制 • 方案生成式 根据实时采集的交通流数据，在线求解最优方案。

6. 按控制结构划分 • 集中控制 用一台计算机/统一的控制中心对区域 内所有路口的交通信号集中控制。

7. 1 递阶式： 中央 计算机 区域 计算机 区域 计算机 区域 计算机 … … … … 路口机 路口机 路口机 图14-1 递阶控制结构 按控制结构划分 • 分层控制： 树形结构，上下级之间存在从属或依存关系，同级控制单元间的信息交换必须通过上一级进行。

8. 2 分布式 中央 计算机 区域 计算机 区域 计算机 区域 计算机 … … … … 路口机 路口机 路口机 图14-2 分布式控制结构 按控制结构划分 这是一种网状结构，每一级控制单元不但可与上一级进行信息交换，也可与同级控制单元进行信息交换

9. 分析工具 分析工具 周期流量 变化图示 车辆行驶状况有关参数 路网结 构图

10. TRANSYT系统 第二节 TRANSYT系统 Traffic Network Study Tools 交通网络研究工具

11. 一、概述 • TRANSYT系统是信号控制网协调配时的一项技术。 • 英国交通与道路研究实验室（TRRL）最早于1968年提出的离线优化的交通控制方法与软件。以后经过多年的发展，在不断完善并形成了多种新的应用版本。 • TRANSYT从路网总体上，考虑了每一个交叉口的配时选择；其所使用的交通模型充分反映了车流运动的特点，对车流运动状况的预测精度较高；还对整个路网上不同部分应使用的最佳信号周期值提出分析结果等。

12. TRANSYT 交通模型 用来模拟在信号灯控制的城市交通网络上的车辆行驶状况，以计算在一组给定的信号配时方案控制下网络的运行指标。 优化选择 将一个区域内的多个信号交叉口视为一个整体，进行信号配时参数协调控制。 一、概述

13. 一、概述 • 综合目标函数同时计入了延误时间和停车次数而且赋予每项一个“加权系数”比起单项目标函数更好地适应客观实际需要，提高了路网控制的灵活性。 • TRANSYT以直接运营费用作为综合目标函数： Company Logo

14. 一、概述 式中：W—每辆车延误一小时所相当的经济损失值。 wi—第i条连线上车辆延误时间的加权系数。 di—第i条连线上车辆总延误时间。 K—每100次停车所相当的经济损失值。 ki—第i条连线上车辆停车次数的加权系数，根据 罗氏研究， ki时，燃油总消-耗量为最少。 si——第i条连线上的全部车辆完全停车次数总和。 N—连线总数目。 Company Logo

15. 二、TRANSYT的基本构成部分 Company Logo

16. 爬山法 三、优选方法：爬山法 爬山法是指经过评价当前的问题状态后,限于条件，不是去缩小，而是去增加这一状态与目标状态的差异，经过迂回前进，最终达到解决问题的总目标。就如同爬山一样，为了到达山顶，有时不得不先上矮山顶，然后再下山--，这样翻越一个个的小山头，直到最终达到山顶。可以说，爬山法是一种“以退为进”的方法，往往具有“退一步进两步”的作用，后退乃是为了更有效地前进。 Company Logo

17. 三、优先方法：爬山法 TRANSYT优化过程 Company Logo

18. 三、优化方法：爬山法 绿时差优选 Company Logo

19. 四、计算程序 将交通流信息和初始配时参数作为原始数据， 通过仿真，得出系统的性能指标(Performance Index)作为配时的优化目标函数， 用“爬山法”进行优化，产生比初始配时更优越的新配时方案， 再把新的信号配时输入到仿真部分，反复迭代， 最后得到性能指标值达到最小的系统配时方案。 Company Logo

20. 四、计算程序 Company Logo

21. 五：改进 TRANSYT系统还存在一些不足，自问世以来，随着交通工程的实践，得到不断地改进和完善，已修改了多次。到目前为止的最新版本是11版。 Company Logo

22. 第三节 SCAT系统和SCOOT系统 • SCAT系统 • （悉尼 澳大利亚） （Sydney Co-ordinated Adaptive TrafficSystem） • SCOOT 系统 • （英国 TRRL） • (Split, Cycle and Offset Optimization Technique） Company Logo

23. 一、SCAT系统 SCAT系统 悉尼 澳大利亚 Sydney Co-ordinated Adaptive TrafficSystem SCAT属于一种方案实时选择系统，并与单点感应控制做局部调整相结合 Company Logo

24. 一、SCAT系统 SCAT系统 悉尼 澳大利亚 （Sydney Co-ordinated Adaptive TrafficSystem） SCAT配时参数的优选“算法”： 为了节省控制计算机的CPU时间，把C，λ，θ（绿灯起步时距）作为各自独立的参数分别进行优选，而且不用延误时间和停车次数作为直接的优选目标函数，优选过程所使用的“算法” 是以所谓“综合流量”和饱和度为主要依据的。 Company Logo

25. 一、SCAT系统 1子系统的划分与合并 2局部车辆感应控制 优选配时方案的主要环节 3参数优选方案及流量计算 4信号周期优化 5绿信比方案的选择 6相位差方案的选择

26. 一、SCAT系统：饱和度 • SCAT所使用的“饱和度”（DS），是指被车流有效利用的绿灯时间和总的绿灯时间之比。 g’=g-(T-th) DS=g’/g • DS—饱和度； • g--可供车辆通行的全部绿灯时间总和（s）； • g’--被车辆有效利用的绿灯时间（s）； • T--绿灯期间，停车线上无车通过（即出现空当）的时间（s）； • t--车流正常驶过停车线断面时，前后两辆车之间不可少的一个空当时间（s）； • h--必不可少的空当个数。

27. 一、SCAT系统：综合流量 综合流量用以反映通过停车线的混合车辆的数量。q’是指一次绿灯期间通过停车线的车辆折算当量。 q’=DS×g×S/3600 • q’—综合流量（veh）； • S—最大流率（veh/h）.

28. 一、SCAT系统 Company Logo

29. 一、SCAT系统 在SCAT系统中，绿时差分为“外部” 绿时差---用在相邻两个子系统合并时，协调连接两个子系统的连线之间的车流；“内部” 绿时差---用于子系统内部各交叉口之间的信号协调。 Company Logo

30. 一、SCAT系统 • 在SCAT系统的绿信比方案中，还为单个交叉口车辆感应控制方式提供多种选择的灵活性。 • 绿信比方案的选择与信号周期的调整交错进行。二者结合起来，对各相位绿灯时间不断调整的结果，使各相位饱和度维持大致相等的水平，就是“等饱和度”原则。

31. SCOOT系统 英国TRRL Split, Cycle and Offset Optimization Technique 绿信比、周期和相位差优化技术 Company Logo

32. 二、SCOOT系统 SCOOT 系统 是由英国运输研究所(TRL--Transport Research Laboratory, 90年代TRRL改名为TRL)在TRANSYT基础上研制的自适应控制系统，该系统于1975年研制成功,与TRANSYT相比,SCOOT可减少12%的平均车辆延误时间。 上个世纪90年代SCOOT系统进行了多次升级，其最新版本为4.4版。 Company Logo

33. SCOOT系统 核心 交通预测 模型 配时参数 优化 类似与TRANSYT,不同在于SCOOT为在线的, 以实时测量的交通量数据为基础。

34. 二、SCOOT系统 Company Logo

35. 二、SCOOT系统 Company Logo

36. 二、SCOOT系统 Company Logo

37. 模型 配时参数优化 二、SCOOT系统 • 周期流量图—车队预测 • 车辆排队长度预测 • 交通拥挤判定 • 效能评价 • 绿信比优化 • 相位差的优化 • 信号周期长度的优化 • 优选水平

38. 两者 比较 适用于以干道为主的城市或路口间距较大的路段 适于：1）交通要求与路口容量接近； 2）交通需求难预测； 3）路口间距小。 三、SCAT与SCOOT的比较 SCAT SCOOT SCAT方式三层分布式控制，SCAT方式与 系统不可移植，由特定汇编语言编制。 SCOOT集中式控制， SCOOT由高级语言编写，可移植 检测器安装在停车线处。 检测器安装在停车线上游处。 两者性能接近， 可以更好地估计拥挤程度。 两者性能接近，有自动 转换双周期运行的功能。 无优势。 SCOOT能把复杂的 车辆感应运行模型化， 而且停车线处没有检测器。 在停车线上游处没有检测器， 因而不能提供车队行进的反馈信息。 类似TARANSYT的相位差优化方法， 在确定优化目标以及实际优化过程 方面都是比较好的。 Text Company Logo

39. 五、其他一些交通信号控制系统 • SPOT系统是意大利Mizar Automazione公司开发的分布式实时交通控制系统。 • RHODES是由美国Arizona大学开发的对半拥挤交通网络比较有效的系统。 • OPAC是由美国PB Farradyne公司和Massachusetts Lowell大学共同开发的一个分布式实时交通信号控制系统。 • PRODYN是一种实时交通控制系统。

40. 谢 谢

41. 路网结构图 • 是把复杂的路网简化成适于数学计算的图式和“节点”之间的“连线”组成。 • “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。 Company Logo

42. 周期流量变化图式 到达流量图式： “到达”图式，车流在不受阻碍的情况下，到达下游停车线的到达率变化情况。 驶出流量图式： “驶出”图式，车流离开下游交叉口时的实际流量变化情况。 饱和驶出图式： “满流”图式，是一种饱和流率驶离停止线的流量图示。只有当绿灯期间通过的车流处于饱和状态时才会有这种图示出现。 （以TRANSYT使用的图式为例） Company Logo

43. 在第i个时段内到达的车辆数（辆）由“驶入”图式求得；在第i个时段内到达的车辆数（辆）由“驶入”图式求得； 第i个时段内放行的车辆数（辆），由“出发”图式求得； 在第i个时段内被阻于停车线的车辆数（辆）； 周期流量变化图式 • 在确定一条连线的车流“驶入”图式时，车流运动过程中的离散性影响是需要考虑的，其可用离散平滑系数F表示。把上游连线“驶出”图式上的每一纵坐标值乘以F即可得到下游停车线的“驶入”图式。 • 第i个时段内，被阻于停车线的车辆数

44. 车流运动过程中的离散性 从上游交叉口停车线驶发的车队，由于其中所包含的车辆行驶速度存在差异，在到达下游交叉口停车线之前，便渐渐拉开距离，即发生“离散”现象。

45. Veh/h 停车线断面 驶出车流图式 200 节点 （交叉口） 0 m t Veh/h t 500m Veh/h Veh/h t 1000m t 向下游驶 出的距离 图14-3 车流运动中的离散现象 车流运动过程中的离散性 流量过程线的“峰值”渐渐平缓 流量持续过程却相应渐渐加长

46. 平均延误时间（s/Veh） 平均延误时间（s/Veh） A 25 25 20 20 B 15 15 10 10 5 5 0 0 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 60 60 绿灯起步时距（s） 绿灯起步时距（s） 行驶时间分布函数曲线 a) 经变换的正态分布（派西） 正态分布 行驶时间分布函数曲线 b) 经变换的正态分布（派西） 矩形分布 图14-5 不同的时间分布函数对车辆延误时间预测值的影响 车流运动过程中的离散性 派西的正态分布 函数方法 罗伯逊的几何分布函数

47. 车流运动过程中的离散性 • 以行驶时间服从几何分布的假定为前提，从理论分析的角度可得： F——表示车流在运动过程中离散程度大小的一个系数，称作车流离散系数。 T ——平均行驶时间； t——相邻路口两个断面之间，车辆平均行驶时间的0.8倍（以时段为单位）； • 在实际运用中可采用如下的修正公式：

48. 描述车辆行驶状况的参数 • 描述车辆行驶状况的参数 ： • ①自由行驶时间（cruise time） • ②延迟时间 （delay） • ③停车次数 （stops） • ④排队长度 （queue） Company Logo