干线区域交通控制课件.ppt

1、干线、区域交通信号协调控制主讲：谢晓峰干线交通信号协调控制交通信号控制的基本概念选用线控系统的依据定时式协调控制感应式和计算机线控系统选用线控系统的依据干线信号协调的基本思想 干线信号协调是开放路网信号协调，即从系统的观点出发，将干线上的几个交叉口视一个整体，通过整体信号配时的协调优化，建立多个交叉口相互关联的信号配时方案组合，以达到提高干线运行效果的目的。第一节、交通信号控制的基本概念一、分类一、分类二、基本参数二、基本参数时间-距离图（1-1）定时联动控制 感应联动控制 计算机联动控制 公用周期时长 绿信比 相位差 通过带宽度 通过带速度公用周期长度 在信号控制系统中，为使各交叉口的交通信

2、号能取得协调，各个交通传号的周期时长必须是统一的。先按单点定时信号的配时方法，计算出各个交叉门交通信号所需的周期时长，然后从中选择最大的周期时长作为这个系统的周期时长，把需要周期时长最大的这个交叉口叫做关键交叉口。在近代的控制系统中，对有些交通量较小的交叉口，实际需要周期时长接近于系统周期时长的一半，可把这些交叉口的信号周期时长定成系统周期时长的半数，这样的交又门叫做双周期交叉口。绝对相位差是指各个信号的绿灯或红灯的起点或中点相对于某点的时间之差。相对相位差是指相对两信号的绿灯或红灯的起点或中点之间的时间之差。相对相位差等于两个信号绝对相位差之差。相位差 相位差又叫时差或绿时差，通常用O表示有

3、绝对相位差和相对相位差之分。通过带1)1)通过带通过带 在时间-距离图上画两条平行线的车辆行驶轨迹，并尽可能使两条轨迹分别靠近各交叉口该信号绿灯时间的起点和终点，则两条轨迹线之间定的空间称为通过带。2)2)通过带速度通过带速度通过带速度即车辆行驶轨迹的余切3)3)通过带宽度通过带宽度通过带宽度即为两条平行轨迹纵坐标只差时间-距离图第二节、定时式协调控制第二节、定时式协调控制一、协调方式一、协调方式1、单向交通 单向交通街道，或者双向交通量相差十分悬殊时，只要照顾单向信号协调的街道是最容易实施交通信号协调控制的街道。相邻各交叉口信号间的时差可按式(11)确定3600*vSO(11)O-相邻信号间

4、的相位差（s）；S-相邻交叉口间的间距（m）；v-线控系统车辆可连续通行的车速（km/h）2、双向交通（1）同步式干道协调控制（同起同一灯色）车辆在相邻交叉口间的行驶时间等于信号周期时长 C系统周期时长（s）（2）交互式干道协调控制（路口灯色交错起亮）车辆在相邻交叉口间的行驶时间等于信号周期时长的一半。相位差等于周期的一半vSC 2vSC（1-2）（1-3）单交互式协调系统(1-3)双交互式协调系统(1-4)根据路上的要求车速与交叉口的间距，确定合适的起步时距，用以协调各相邻交叉口上的绿灯启亮时刻，使在上游交叉口上绿灯启亮后开出的车辆，以适当的车速行驶，可正好在下游交叉口绿灯启亮时到达。如此，

5、使进入系统的车辆可连续通过若干个交叉口。简单续进式：只使用一个公用周期时长和一套配时方案 多方案续进式：单个路口交通流发生变化；交通流方向发生变化3、续进式二、线控交叉口配时设计二、线控交叉口配时设计1、配时数据：交叉口间间距；交叉口布局；车辆到达率；车速；交通管理规则2、计算步骤：（1）各交叉口配时（2）选择关键交叉口（3）确定公用周期（4）按等饱和度确定关键交叉口各相绿灯时间（5）协调非关键交叉口各相位绿灯时间（6）计算相位差确定协调相位的最小绿灯时间 协调相位即是协调方向的相位。各交叉口协调相位所必须保持的最小绿灯时间就是关键交叉口协调相位的绿灯显示时间，为取整后所得：()mEG mmm

6、mytCLY式中：-关键交叉口协调相位的最小绿灯时间（s）；-公共周期时长（s）；-关键交叉口总损失时间（s）；-关键交叉口协调相位关键车流的流量比；-关键交叉口各相位关键车流流量比之和EGmtmCmLmymY（1-4）确定非关键交叉口非协调相位最小有效绿灯时间 非关键交叉口非协调相位交通饱和度在满足使用限值 （一般取0.9）时，有等式 ,则非关键交叉口非协调相位最小有效绿灯时间的实用值为：pxmnnEG npCqStxmnmnEG nnppCqCytSxx式中：-非关键交叉口非协调相位中第n相的最小有效绿灯时间（s）；-公用周期时长（s）；-非关键交叉口非协调相位中第n相中关键车流的流量（p

7、cu/h）；-非关键交叉口非协调相位中第n相中关键车道的饱和流（pcu/h）；-非关键交叉口非协调相位的饱和度实用值；-非关键交叉口非协调相位中第n相关键车流的流量比，tEG nCmqnSnxpynnnqynS（1-5）确定非关键交叉口协调相位的有效绿灯时间 非协调相位的最小有效绿灯时间按式（1-6）确定以后，富余有效绿灯时间全部调剂给协调相位，以便形成最大绿波带。非关键交叉口协调相位的有效绿灯时间可按下式计算得到：1kEGmEG nntCLt式中：-非关键交叉口协调相位的有效绿灯时间（s）;-线控系统公共周期时长（s）；-非关键交叉口总损失时间（S）;-非关键交叉口非协调相位中第n相的最小有

8、效绿灯时间（s）；-非关键交叉口非协调相位的相位总数。tEGmCLktEG n（1-6）三、相位差基本计算方法三、相位差基本计算方法 1917年，世界上第一个线控系统出现在美国的盐湖城，它是一个可同时控制6个交叉口的手动控制系统。1922年德克萨斯州休斯敦市发展了可控制12个交叉口的瞬时交通信号系统，其控制特点是采用电子自动计时器对交叉口的交通信号进行协调控制。1981年美国的J.D.C.Litter和W.D.Brooks等人利用最大绿波带相位差优化方法开发了最大绿波带交通信号设计优化程序。总结以往的线控系统，相位优化通常采用的两种设计思路是（1）最大绿波带法；（2）最小延误法。其中以最大绿波

9、带为目标的相位差优化方法主要有图解法和数解法。时间(s)ABCDE350400160540123436km/h57km/h57km/h图解法图解法 图解法是确定线控系统相位的一种传统方法，其基本思路是：通过几何作图的方法，利用反应车流运动的时间距离图，初步建立交互式或同步式协调系统。然后再对通过带速度和周期时长进行反复调整，从而确定相位差，最终获得一条理想的绿波带，即通过带。图解法示意图（1-5）时间（s）1801501209060300A 350 B 400 C 160 D 540 E 距离 （m）36km/h36s42km/h64s45km/h72.8s54.6km/h95.6s带速58k

10、m/h，带宽16.6秒为周期时长的27%初始假设通过带速度在36km/h公用周期暂定60s这样的带速和实际车速相比过高，为了降低带速，有必要相应的加长周期时长，为使带速控制在40km/h左右，延长周期时长带8590s通过带计算通过带计算图解法演示第三节、感应式和计算机线控系统第三节、感应式和计算机线控系统一、感应式线控系统一、感应式线控系统 在线控制系统中使用感应式信号控制机，相应配以车辆检测器。当检测器测得交通量增加时，开动主控制机，使之全面执行线控系统的控制；而在交通量降低时，各交叉口的信号机各自按独立状态操作使线控系统既能得到良好的连续通车的效果，又能保持适应各个交叉口的交通变化。此系统

11、称为感应式线控系统。感应式线控系统的三种类型感应式线控系统的三种类型到xdLdw否有无是否灯 时 间？到 最 大 绿是灯 时 间？到 最 小 绿主 干 道 有 车 吗？次 干 道 有 车 吗？次 干 道 绿无有主 干 道 绿是有到 最 大 绿灯 时 间？否有无无是否灯 时 间？到 最 小 绿次 干 道 有 车 吗？主 干 道 有 车 吗？无是间时绿灯次 路 绿 灯 结 束次 路 绿 灯主 干 道 有 车 吗？末有无最 短 绿 灯 时 间 到？次 路 有 车 吗？到 初 期 绿 灯 时 间主 路 绿 灯次 路 绿 灯次 路 有 车 吗？有主 路 绿 灯无是有否最大到否=vov=v=voxvv=0

12、ov到xdLdw否有无是否灯 时 间？到 最 大 绿是灯 时 间？到 最 小 绿主 干 道 有 车 吗？次 干 道 有 车 吗？次 干 道 绿无有主 干 道 绿是有到 最 大 绿灯 时 间？否有无无是否灯 时 间？到 最 小 绿次 干 道 有 车 吗？主 干 道 有 车 吗？无是间时绿灯次 路 绿 灯 结 束次 路 绿 灯主 干 道 有 车 吗？末有无最 短 绿 灯 时 间 到？次 路 有 车 吗？到 初 期 绿 灯 时 间主 路 绿 灯次 路 绿 灯次 路 有 车 吗？有主 路 绿 灯无是有否最大到否=vov=v=voxvv=0ov次路检测流程图主路检测流程图感应式线控系统的三种类型感应式线

13、控系统的三种类型到xdLdw否有无是否灯时间？到最大绿是灯时间？到最小绿主干道有车吗？次干道有车吗？次干道绿无有主干道绿是有到最大绿灯时间？否有无无是否灯时间？到最小绿次干道有车吗？主干道有车吗？无是间时绿灯次路绿灯结束次路绿灯主干道有车吗？末有无最短绿灯时间到？次路有车吗？到初期绿灯时间主路绿灯次路绿灯次路有车吗？有主路绿灯无是有否最大到否=vov=v=voxvv=0ov全感应控制流程图二、计算机线控系统二、计算机线控系统 上述确定线控系统协调方案的人工作图或计算方法，不仅十分繁杂，难免发生人为错误，而且交通效益不一定是最好的，更无法处理多相位等复杂配时方案交叉口间的协调。使用计算机可以得到

14、由人工难于实现的控制方案。计算机协调线控系统方“脱机”和“联机”两种方法。脱机方法是一种用按某种优化原则编制的计算软件，由计算机计算确定线控系统的配时方案，然后把这些配时方案设置到各交叉口的信号控制机中，各信号控制机定时按设定的配时方案控制各信号灯运转的方法。因为此法对信号灯控制的实施与计算机无关，所以称为“脱机”控制。下面简要介绍几种线控系统配时方案的计算软件。1、脱机方法、脱机方法 MAXBAND对给定周期时长、绿信比、信号间距和连续通行车速的线控系统，优化信号时差以获得系统的最宽通过带。MAXBAND道路几何数据、周期时长的道路几何数据、周期时长的范围、各方向各时段的平均范围、各方向各时

15、段的平均交通量、饱和流率、相位次交通量、饱和流率、相位次序等序等混合整数规划模型混合整数规划模型(立脱尔立脱尔)输入数据输入数据优化过程优化过程输出数据输出数据周期时长、通过带宽度、选周期时长、通过带宽度、选定的相位次序、绿信比、时定的相位次序、绿信比、时差、车速和行程时间。差、车速和行程时间。PASSER也是一个优化线控系统通过带宽的软件，但PASSER还可分析线控系统中各种多相位次序的信号配时。PASSER是把勃洛克斯(W.D.Brooks)的“相互影响法”和立脱尔的“不等宽优化模型结合起来，并加以扩展而成可以处理多相位配时的线控系统协调软件。PASSER输入数据输入数据交通需求交通需求通

16、行能力通行能力确定确定最优比最优比绿信比绿信比试算周期时试算周期时长，相位，长，相位，时差时差最佳信号配时方案最佳信号配时方案交通量、饱和流率、交通量、饱和流率、平均车速、排队清平均车速、排队清理时间、相位次序，理时间、相位次序，最小绿灯时间最小绿灯时间2、联机方法、联机方法车辆检测器车辆检测器计算机计算机配时方案配时方案交通信息交通信息配时方案选择式配时方案选择式配时方案形成式配时方案形成式已知方案已知方案方案选择方案选择方案计算方案计算交通信号交通信号 一般根据上、下行交通量，设置35种周期及相应时差的配时方案。国外，常用的五种周期为60s、65s、70s、80s和90s；各种时差为(图1

17、09所示)：(1)使通过带为最大的时差；(2)使通过带最大而又考虑其上下界的时差(3)上行交通优先的时差；(4)下行交通优先的时差；(5)相同时差。B1 B2B3第四节、选用线控系统的依据第四节、选用线控系统的依据1.车流的到达特性车流的到达特性产生车辆均匀到达的因素是：交叉口之间的距离太远，即使是成队的车流，也因其间距远而引起车辆离散不成车队。在两个信号交叉口之间，有大量的交通从次要街道或路段中间的出入口(例如商业中心停车场、库等)转入干线。在有信号的交叉口处，有大量的转弯车辆从相交街道转入干线。扩散绿波带图 2信号交叉口之间的距离信号交叉口之间的距离 在干线街道上，信号交叉口的间距可在10

18、0一1000m以上的范围内变化间的距离越远，线控效果越差，一般不宜超过600m。3街道运行条件街道运行条件 双向或单向，以单向为佳 4信号的分相信号的分相 请可能少左转相位 5交通随时间的波动交通随时间的波动 形成车队线控效果好影响因素影响因素辅助设施辅助设施1、前置信号2、可变车速指示标志区域交通信号协调控制区域交通信号协调的简述离线优化的区域信号协调控制实时优化的区域信号协调控制第一节、概述一、概念 1.控制对象：城市或某区域中所有交叉口的交通信号。通常设立控制中心进行监控，是单点控制与干线控制的结合 2.控制特点 （1）便于整体监视和控制 （2）因地制宜选择合适的控制方法 （3）有效、经

19、济地选择设备1.按控制策略分（1）定时式脱机操作控制系统（TRANSYT）（2）响应式联机操作控制系统分类2.按控制方式分（1）方案选择式（SCATS）（2）方案生成式（SCOOT）3.按控制结构分（1）集中式控制（2）分层式控制集中控制的优缺点集中控制的优缺点 优点：研制与维护方便；优点：研制与维护方便；所需设备较少，维修方便。所需设备较少，维修方便。缺点：通信复杂，存储数量大。缺点：通信复杂，存储数量大。分层控制的优缺点分层控制的优缺点 优点：减少通信费用；可靠性较高；处理实时优点：减少通信费用；可靠性较高；处理实时单元的容量较大；控制方法较灵活单元的容量较大；控制方法较灵活 缺点：投资高

20、；设备维护复杂；控制程度复杂缺点：投资高；设备维护复杂；控制程度复杂第一层：（微观层）交叉口层，由信号机控制。第一层：（微观层）交叉口层，由信号机控制。功能包括功能包括：监视设备故障；收集检测数据（时间：监视设备故障；收集检测数据（时间占有率、流量、速度等）；上传分控中心；接受占有率、流量、速度等）；上传分控中心；接受下达的指令并执行（或人工干预）。下达的指令并执行（或人工干预）。第二层：（中观层）分控中心第二层：（中观层）分控中心功能包括功能包括：接受信号机上传数据并上报中控中心；：接受信号机上传数据并上报中控中心；形成方案并下达信号机执行。形成方案并下达信号机执行。第三层：（宏观层）中央控

21、制中心第三层：（宏观层）中央控制中心 功能包括功能包括：监视整个系统的运行；宏观交通管：监视整个系统的运行；宏观交通管理和决策（根据交通强度作出不同的控制决策）；理和决策（根据交通强度作出不同的控制决策）；下达特殊方案下达特殊方案1.控制性能的发展性2.控制范围有扩大的可能性3.高度的可靠性4.使用方便5.考虑自行车交通的合理处理。三、采用区域控制系统应考虑的事项三、采用区域控制系统应考虑的事项第二节、离线优化的区域信号协调控制一、离线优化的基本原理1、控制子区的划分 依据:判断相邻交叉口之间的交通性质是否相同。判断相邻交叉口划分在一个控制子区是否有利于保持车流顺畅。判断相邻交叉口划分在一个控

22、制子区是否有利于防止发生交通阻塞。2、公共信号周期的选取3、各信号相位绿信比的计算4、相邻交叉口相位差的优化二、典型离线优化区域控制系统二、典型离线优化区域控制系统TRANSYT 1、TRANSYT的基本介绍 TRANSYT(Traffic Network Study Tool)系统是一种脱机配时优化的定时控制系统，这一方法最初是由英国道路交通研究所（TRRL）的D-I罗伯逊先生在1967年提出的。经过十几年的实践，罗伯逊领导的研究小组对TRANSYT方法不断改进，到1980年，最新一版TRANSYT8公诸于世。TRANSYT是目前世界各国流传最广，普遍应用的一种协调配时方法，除TRANSYT

23、8(英国)之外，还有其它一些广泛应用的版本如TRANSYT7F（美国）、TRANSYT6N等。这些都是由TRANSYT的某一版，经过修改而派生出来的。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示TRANSYT程序TRANSYT的基本构成2、TRANSYT的基本结构的基本结构3、基本假定、基本假定 第一，所有交叉口执行一个相同的信号周期时长，或者有部分交叉口的信号周期时长取为公共周期的一半 第二，路网中所有主要交叉口都由交通信号灯或者让路规则控制。第三，路网中各

24、个车流在某一确定时段内的平均车流量均为已知，且维持恒定。第四，每一交叉口的转弯车辆所占百分比均为已知，且在某以确定时段内维持恒定。4、交通模型、交通模型 建立交通模型的目的在于，用数学方法模拟车流在路网上的运动状况，研究路网配时参数的改变对车流运动的影响，以便客观地评价任意一组路网配时方案的优劣。交通模型主要包括对路网交通环境（路网结构）、交通过程（流量周期变化图示）与交通预测（延误时间与停车次数的计算）的描述。5、优化算法、优化算法试 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

25、“+”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TRANSYT采用“爬山法”对信号配时方案进行逐步优化。评价区域型号配时方案的性能指标，可以取为区域内的车辆总延误与总停车次数以及燃油消耗的加权之和。优化的参数：绿信比、相位差、信号周期PI6、缺陷、缺陷 第一，该系统不能适应实时交通流的随机性变化。第二，需要意识大量的路网几何尺寸和交通流量数据。第三，计算量很大。第四，该系统不能对信号

26、周期进行优化。第三节、实时优化的区域信号协调控制一、典型的方案选择式区域协调控制系统一、典型的方案选择式区域协调控制系统SCATS SCATS（Sydney Coordinated Adaptive Traffic System）系统属于响应式联机操作系统，70年代开始研究，80年代投入使用。该系统把信号周期、绿信比和相位差作为各自独立的参数分别进行优选，优选过程所使用的“算法”以饱和度和综合流量为主要依据。它的优化过程并没有利用数学模型，而是再各种预定的方案钟进行优选，方法简单但配时方案的数量是有限的。截至2001年5月，美国、新加坡、马来西亚、菲律宾、新西兰、印度尼西亚和香港等国家和地区的

27、20多个城市、7000多个路口使用了SCATS系统。我国的上海（160个路口）、沈阳（50个路口）和广州市越秀区（40个路口）也使用了SCATS系统。1、基本结构、基本结构中央监控中心交通管理数据库子控制区子控制区子控制区子控制区区域控制分中心区域控制分中心区域控制分中心子控制区110个信号控制器子控制区110个信号控制器 SCATS系统的控制结构层次示意图2、绿信比方案的选择、绿信比方案的选择 事先为每一交叉口都准备了4个绿信比方案供实时选择使用。这4个方案分别针对交叉口在可能出现的4种负荷情况下，各相位绿灯时间占信号周期长度的比例值。3、相位差的选择、相位差的选择 事先内、外部都准备好5种

28、不同的方案供选择。优化4、SCATS系统优点系统优点检测器安装在停车线上，不需要建立交通模型，因此其控制方案不是基于交通模型的周期、绿信比和相位差的优化是预先确定的多个方案中，根据实测的类饱和度值进行选择系统可根据交通需求改变相序或跳过下一个相位，因而能及时响应每一个周期的交通需求可以自动划分控制子区，具有局部车辆感应控制功能5、SCATS系统缺点系统缺点未使用交通模型，本质上是一种实时方案选择系统，因而限制了配时方案的优化过程，灵活度不够。检测器安装在停车线附近，难以监测车队的行进，因而绿时差的优选可靠性较差。二、典型的方案生成式区域协调控制系统二、典型的方案生成式区域协调控制系统SCOOT

29、 SCOOT(Split Cycle Offset Optimizing Technique)系统是一种对交通信号网实行实时协调控制的自适应控制系统，它是再TRANSYT的基础上发展起来的，其模型及优化原理均与TRANSYT相似。SCOOT优化采用小步长渐进寻优方法，无需过大的计算量。在优化过程中，配时参数随着交通需求的改变而作频繁的适量调整。通过频繁调整的连续累计适应一段时间内交通的变化趋势，在避免因配时突变引起车流不稳定的同时，大大简化了优化算法，从而可以实现实时运算的自适应控制。1、基本结构、基本结构 SCOOT系统是一种实时自适应控制系统，其硬件组成包括3个主要部分：中心计算机及外围设

30、备，数据传输网络和外设装置（包括交通信号控制机、地感线圈检测器或视频检测器、信号灯）。软件大体由5个部分组成：1）车辆检测数据的采集和分析；2）交通模型（用于计算延误时间和排队长度等等）；3）配时方案参数优化调整；4）信号控制方案的执行；5）系统运行状态实时监测。以上5个子系统相互配合、协调工作，共同完成交通控制任务。SCOOT五个子系统之间相互关系路网上实时交通状况配时参数存储单元现行配时参数方案最新配时参数配时参数调整调整配时后的PI值现行控制方案PI故障监视交叉口车辆排队故障监视车流检测计数据处理停车线断面流量图示对路网执行控制交通模型配时参数优选系统监测2、系统特点p 实用性强，几乎不

31、受城市交通出行方式、出行起讫点分布、土地使用情况、季节性和临时性交通变化以及天气和气候变化的影响。p 对配时参数的优化是采用连续微量调整的方式，即每个信号周期内，只对绿信比和绿灯起步时时距做（14）s的调整，稳定性强。p 个别交通车辆检测器错误的反馈信息几乎不影响SCOOT系统对配时方案参数的优化，而且该系统对这类错误的信息有自动鉴别和淘汰功能。p 对实时交通状况变化趋势反应灵敏。p SCOOT系统能提供各种反映路网交通状况的信息，为制定综合管理决策创造了有利的条件。Thanks时间（s）1801501209060300A 350 B 400 C 160 D 540 E 距离 （m）带速58km/h，带宽16.6秒为周期时长的27%返回图解法演示46.6s13.4s通过带速度计算：V=（0.35+0.4+0.16+0.54）/（3*(30/3600)）=58km/h通过带宽计算：S=30-13.4=16.6sPI