區(qū)域交通控制系統(tǒng)

1、區(qū)域交通控制系統(tǒng)Page 2n基本形式n主要設(shè)備及功能n工作原理n交通信息采集與處理n控制策略的生成與實施Page 3一、基本形式區(qū)域交通控制系統(tǒng)（Area traffic control system - ATCS）的控制對象是城市或某個區(qū)域中的若干交叉口的交通信號。實現(xiàn)這種控制的系統(tǒng)組成形式多種多樣，但這些系統(tǒng)都可以歸納為如下兩種基本形式：1、集中式交通控制系統(tǒng)、集中式交通控制系統(tǒng)所謂集中式交通控制系統(tǒng)，是指將控制區(qū)域內(nèi)的所有信號機與主控中心聯(lián)結(jié)起來，用一臺計算機進(jìn)行控制的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)通常由控制中心和交叉口信號機兩級組成?？刂葡到y(tǒng)的配時方案生成、檢測信息的加工處理及控制策略形成和調(diào)整等都

2、是由主控計算機來完成的。Page 4Page 5集中式交通控制系統(tǒng)的最大優(yōu)點是：1）有一個控制中心；2）系統(tǒng)設(shè)備少，成本低；3）設(shè)備維修和系統(tǒng)維護方便。集中式交通控制系統(tǒng)的缺點是：1）系統(tǒng)主控計算機所承擔(dān)的數(shù)據(jù)存儲、處理、傳輸及控制任務(wù)繁重；2）系統(tǒng)所需的通信線路較多，費用較高；3）系統(tǒng)的控制區(qū)域有局限性，相對較?。?）系統(tǒng)的實時性和可靠性相對較差。Page 62 2、非集中（分層）式交通控制系統(tǒng)、非集中（分層）式交通控制系統(tǒng)非集中式交通控制系統(tǒng)，即所謂的分層式交通控制系統(tǒng)，是把整個系統(tǒng)分成交叉口信號機控制層、分區(qū)控制層及中央監(jiān)控層三個層次。交叉口信號機控制層只負(fù)責(zé)本交叉口的信號控制；分區(qū)控制

3、層負(fù)責(zé)一個較小區(qū)域內(nèi)的各信號機的最優(yōu)協(xié)調(diào)控制；中央監(jiān)控層負(fù)責(zé)各分區(qū)控制層之間的協(xié)調(diào)，即全系統(tǒng)的協(xié)調(diào)優(yōu)化。下層控制既獨立運行，又受上層控制的干預(yù)與指揮。對于分區(qū)控制層，其主控計算機一方面執(zhí)行本區(qū)域的信號協(xié)調(diào)控制，負(fù)責(zé)收集和處理檢測器的檢測信息，在必要的時候向中央監(jiān)控中心的主控計算機傳送有關(guān)的交通信息；另一方面該主控計算機又隨時接受中央監(jiān)控計算機下達(dá)的干預(yù)和指揮指令，對本區(qū)的控制策略作出相應(yīng)的調(diào)整。這種控制結(jié)構(gòu)是大城市交通控制系統(tǒng)常采用的結(jié)構(gòu)形式。Page 7Page 8分層式交通控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：1）系統(tǒng)可靠性高；2）信息的傳輸效率高，傳輸費用低；3）系統(tǒng)的實時性強；4）控制方式和執(zhí)行能力靈

4、活；5）控制區(qū)域基本不受限制。分層式交通控制系統(tǒng)的主要缺點是：1）需要有多個分控中心；2）系統(tǒng)的設(shè)備多，成本高；3）系統(tǒng)控制軟件復(fù)雜；4）設(shè)備的維修和系統(tǒng)維護復(fù)雜。Page 9二、主要設(shè)備及功能1、中心控制器、中心控制器中心控制器，主要是指中心主控計算機及其外設(shè)。它負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運行，交通信息的存儲與處理，控制方案的優(yōu)化，控制效果的分析等，是整個控制系統(tǒng)的核心部分。2、交叉口信號機、交叉口信號機交叉口信號機是交通控制系統(tǒng)中最基本的和最主要的設(shè)備之一。其主要功能是：1）按設(shè)定的控制方式執(zhí)行所在交叉口交通信號燈的控制任務(wù)；2）執(zhí)行主控計算機下達(dá)的控制任務(wù)；3）收集匯總檢測器檢測到的交通信息，并實時地傳

5、送給控制中心的主控計算機。Page 10Page 113、交通檢測器、交通檢測器交通檢測器是交通控制系統(tǒng)中獲取交通信息的主要設(shè)備，對于實時控制系統(tǒng)，交通檢測器的作用尤為重要。其主要功能是：檢測控制系統(tǒng)所需的各種交通參數(shù)，如交通流量、車速、占有率、延誤、停車和排隊等。交通檢測器的種類很多，目前在用的交通控制系統(tǒng)中，主要以環(huán)行線圈檢測器為主。近年來，隨著視頻檢測技術(shù)的發(fā)展，視頻檢測器作為一種新型的檢測器設(shè)備已得到人們的認(rèn)可，并正在得到不同程度的應(yīng)用。Page 124、通信系統(tǒng)、通信系統(tǒng)交通控制系統(tǒng)中的通信系統(tǒng)是聯(lián)系控制中心與下端各控制設(shè)備（如分區(qū)控制中心、交叉口信號機等）的橋梁，是控制系統(tǒng)的重要組

6、成部分。通信系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。通信系統(tǒng)的硬件主要由通信裝置、通信接口、調(diào)制/解調(diào)器及通信線路（信道）等部分組成，軟件主要是負(fù)責(zé)通信工作的通信控制程序、通信協(xié)議程序等各種計算機程序。5、顯示系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)在交通控制系統(tǒng)中，為了能實時地反映控制系統(tǒng)的工作狀況和受控對象的運行情況，需要運用必要的顯示設(shè)備對有關(guān)的信息進(jìn)行顯示。在現(xiàn)代交通控制系統(tǒng)中，最常用的顯示設(shè)備有大屏幕顯示屏、計算機顯示終端等。Page 131）大屏幕顯示屏大屏幕顯示屏已經(jīng)成為現(xiàn)代交通控制系統(tǒng)中最基本的顯示設(shè)備。它通常是由多塊顯示屏采用無縫鏈接技術(shù)拼接而成，如44，88等。在系統(tǒng)運行時，這些顯示裝置，可根據(jù)系統(tǒng)的實際運行情

7、況顯示出地圖、視頻等各種所需的信息，以便讓系統(tǒng)操作人員及時掌握系統(tǒng)的實際情況，在必要時作出相應(yīng)的控制對策。 山東高速公路信息管理中心2）計算機顯示終端計算機顯示終端越來越多地在控制系統(tǒng)發(fā)揮著專業(yè)顯示設(shè)備的作用。Page 14三、工作原理交通網(wǎng)絡(luò)在控制裝置的控制及外界干擾下會不斷發(fā)生新的變化；這種變化通過路網(wǎng)的傳感器（交通信息檢測器）及時掌握，再通過監(jiān)控環(huán)節(jié)和控制策略生成環(huán)節(jié)自動地（或控制人員的直接干預(yù)下）對控制效果作出分析判斷，并制定出下一步的控制對策，傳送給控制裝置進(jìn)行新的控制，如此循環(huán)往復(fù)，使整個控制系統(tǒng)的運行不斷朝著預(yù)期的目標(biāo)前進(jìn)這是一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)。Page 15盡管不同類型的區(qū)

8、域交通控制系統(tǒng)的抽象原理大致相同，但當(dāng)一個區(qū)域交通控制系統(tǒng)采用不同的交通信息采集、處理和應(yīng)用方法，以及不同的控制策略生成、執(zhí)行技術(shù)時，其工作原理會有較大不同。Page 16四、交通信息采集與處理交通信息是反映交通運行狀態(tài)的基本參數(shù)，也是制定交通控制策略，評估交通運行狀況的主要依據(jù)。1 1、交通信息采集、交通信息采集，是指借助檢測器等傳感手段來獲取交通控制所必需的交通參數(shù)總稱。交通控制中常用的交通參數(shù)包括：車輛存在、流率（流量）、占有率、密度、速度、車頭時距、排隊長度等。Page 171）車輛存在的檢測方法車輛存在是反映道路上某一點在時刻t有無車輛存在的一個交通參數(shù)，如果用變量P表示，則：P（t

9、）= / 1，表示車輛存在 0，表示車輛不存在2）流率的檢測方法道路上某一點在時段T通過的車輛數(shù)，如果用變量Q表示，則：QVeh/h；N在時段T內(nèi)檢測器檢測到的車輛數(shù)，Veh；T檢測時段，h。TNQ Page 183）占有率的檢測方法在一個時間段內(nèi)，車輛占用道路上某一點的時間百分比，如果用變量O表示，則：O占有率，%；N在時段T內(nèi)檢測器檢測到的車輛數(shù)，Veh；T檢測時段，s；ti 車輛 i 通過檢測器的脈沖存在時間（檢測時間），s。N1iitT100OPage 194）速度的檢測方法速度是單位時間內(nèi)車輛行駛的距離，速度的檢測有單檢測器和雙檢測器兩種方法。如果用變量V表示速度，則：V速度，km/

10、h。對于單檢測器，d車輛平均長度（軸距）+檢測器的有效長度，m；t0車頭進(jìn)入檢測器的時間，s；t1車尾離開檢測器的時間，s。對于雙檢測器，d檢測器之間的距離，m；t0車頭進(jìn)入第一個檢測器的時間，s；t1車頭進(jìn)入第二個檢測器的時間，s。013t -td103.6VPage 205）密度的檢測方法密度是單一車道每公里路段上的車輛數(shù)，如果用變量K表示，則：K密度，Veh/km；N在時段T內(nèi)檢測器檢測到的車輛數(shù)，Veh；T檢測時段，s；Vi車輛i 通過檢測器的速度，m/s。6）車頭時距的檢測方法單一車道里，先后兩輛車車頭之間的時間間隔，如果用變量h表示，則：hij=tj -tihij后車j 與前車i

11、的車頭時間間隔，s；ti 前車i 進(jìn)入檢測器的時間，s；tj 后車j 進(jìn)入檢測器的時間，s。N1iiV1T1KPage 212 2、采樣頻率與采樣誤差、采樣頻率與采樣誤差在交通信息采集中，采樣頻率，是指每秒從檢測器獲取信息的次數(shù)，簡稱采樣率。一般來說，采樣頻率越高，所獲得的信息與檢測器的真實檢測狀態(tài)越一致。但由于計算機等硬件處理速度的緣故，采樣頻率總有局限。這樣，在檢測器的檢測信息的首尾變化端，很容易出現(xiàn)采樣信息與檢測信息不一致，這樣就會導(dǎo)致采樣誤差。一般而言，隨著采樣數(shù)據(jù)的增多，其平均誤差也會相對減小。Page 223 3、交通信息處理、交通信息處理是對原始的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑和濾波，消除和降

12、低檢測誤差和外界隨機干擾，使交通信息能真正反映交通流的客觀變化趨勢。為控制策略的制定提供可靠的信息支持。在一個相對不很長的時段內(nèi)，交通需求相對穩(wěn)定，實際交通需求會圍繞一個固定值上下波動。這個固定值就是確定性成分，反映了交通需求的一種變化趨勢；而波動成分就是隨機性成分，反映的是受外界擾動產(chǎn)生的臨時變化。Page 23作為交通控制系統(tǒng)，控制的目標(biāo)是要朝著交通需求的變化趨勢方向發(fā)展。要實現(xiàn)控制目的，就必須對實際檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和平滑處理，消除和降低檢測誤差和外界隨機干擾，使交通檢測信息能真正反映交通流的客觀變化趨勢。常用的數(shù)據(jù)濾波和平滑技術(shù)是一階平滑方程，其表達(dá)式如下：Y（m）=Y（m-1）+K X

13、（m）-Y（m-1）Y（m）采樣數(shù)據(jù)經(jīng)第m次平滑處理后的濾波輸出；X（m）濾波方程的輸入，為第m步采樣數(shù)據(jù)；K濾波（平滑）系數(shù)，介于（0，1）之間。Page 24五、控制策略的生成與實施在交通控制系統(tǒng)中，控制策略是指其可以實施的控制模式，如手動控制、自動控制、緊急狀態(tài)下的優(yōu)先控制等。通常我們用配時方案生成與執(zhí)行的方法來區(qū)別不同的交通控制系統(tǒng)。1 1、定時式控制、定時式控制對于定時式交通控制系統(tǒng)，其配時方案的生成是在對交通流調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用離線的計算機配時優(yōu)化軟件，經(jīng)反復(fù)計算得到的。配時方案生成后，要將它們和對應(yīng)的執(zhí)行時段一起，裝入控制中心的主控計算機或現(xiàn)場交叉口信號控制機中。之所以稱為定時控

14、制，是因為配時一旦確定，控制過程將會持續(xù)一個較長的時間不變，直到有新的調(diào)查數(shù)據(jù)，進(jìn)行新的配時方案優(yōu)化，進(jìn)而取代了原有的配時方案為止。例如早期的TRANSYT系統(tǒng)就屬于定時控制方式。Page 25TRANSYT系統(tǒng)實現(xiàn)配時方案優(yōu)化時，需要建立路網(wǎng)中交通流運動的模型、與交通流運行相關(guān)的性能指標(biāo)以及相應(yīng)的優(yōu)化算法，簡要介紹如下：1）路網(wǎng)交通流模型交通流模型是描述路網(wǎng)中的交通流在信號控制作用下的運行規(guī)律。由于交通系統(tǒng)具有隨機性、不確定性、開放性等多重特點，因此，建立準(zhǔn)確的路網(wǎng)交通流模型是非常困難的。在交通控制領(lǐng)域，目前應(yīng)用較多的交通流模型是D.I.Robertson模型和G.M.Pacey模型。應(yīng)用這

15、兩個模型可以推算出信號控制下，每個交叉口進(jìn)口道的車流到達(dá)特性與信號配時的對應(yīng)關(guān)系，從而為信號配時的優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。Page 262）性能指標(biāo)在信號配時優(yōu)化中，使用最普遍的性能指標(biāo)是車輛延誤和停車次數(shù)的加權(quán)和，即：PI道路網(wǎng)運行指標(biāo)；N道路網(wǎng)的連線總數(shù)；ai第i條連線的車輛延誤的加權(quán)系數(shù)；di第i條連線的車輛延誤；bi第i條連線的停車次數(shù)的加權(quán)系數(shù)；si第i條連線的停車次數(shù)。加權(quán)系數(shù)ai和bi的不同取值，可以得到不同的道路網(wǎng)運行指標(biāo)值，如延誤、停車次數(shù)、廢氣排放、油耗等。N1ii)aPIiiisbb（Page 273）優(yōu)化算法優(yōu)化算法是通過對性能指標(biāo)的計算而獲得期望的最佳配時值的計算方法。在計算

16、機離線優(yōu)化軟件中使用較多的方法是爬山法、遺傳算法以及動態(tài)規(guī)劃等。2 2、方案選擇式控制、方案選擇式控制方案選擇式控制，其配時生成方式與定時控制的原理基本相同，但其與定時控制的最大不同點在于配時方案的執(zhí)行方式。這種控制方式的配時執(zhí)行是根據(jù)一段時間（一般不超過15分鐘）檢測器檢測到的交通流數(shù)據(jù)，從配時方案數(shù)據(jù)庫中選擇一個與目前交通流數(shù)據(jù)最為適應(yīng)的配時方案予以執(zhí)行，從而達(dá)到控制的目的。方案選擇式控制系統(tǒng)必須安裝交通流參數(shù)檢測器，且預(yù)先為其準(zhǔn)備的配時方案要足夠多，能覆蓋工作日和休息日的交通需求。這種控制方式尤其適用于在特定時間段日常交通需求變化顯著的路網(wǎng)。方案選擇式控制系統(tǒng)可以根據(jù)檢測器獲得的交通流數(shù)

17、據(jù)，離線地對配時方案進(jìn)行必要的更新。Page 28方案選擇式控制的交通流模型、性能指標(biāo)以及優(yōu)化算法與定時控制基本相同。與定時控制每個配時方案對應(yīng)的執(zhí)行時間不同，方案選擇式控制通常需為每一套預(yù)設(shè)的配時方案設(shè)定一個特征值，方案選擇是將實時計算的交通需求與配時方案的特征值進(jìn)行匹配，對應(yīng)誤差最小的方案將被選中。1）特征值的確定每個配時方案的特征值由其設(shè)計流量和對應(yīng)的占有率的線性組合表示：VKOSig（i）=VSig（i）+KOSig（i）VKOSig（i）配時方案i的特征值向量值，數(shù)值個數(shù)與相位數(shù)一致；VSig（i）配時方案i的流量向量值；OSig（i）配時方案的占有率向量值；K加權(quán)系數(shù)。Page 2

18、92）匹配原理如果檢測器檢測到的流量和占有率經(jīng)平滑處理后的數(shù)值分別是VF和OF，那么，按照配時設(shè)計時的數(shù)據(jù)順序，計算實時的流量和占有率線性組合的向量值VKONew：VKONew=VF+KOF取該值與特征值的差：ERR（i）=| VKONew-VKOSig（i）|令：Er（i）=則，選中的最佳方案號就是：OPIi=Min Er（i）ERRj（i）向量ERRj（i）的第j個元素；n向量ERRj（i）的元素個數(shù)，也即方案i的相位數(shù)；OPIi選中的最佳配時方案的序號i。n1ijiERR）（Page 303 3、響應(yīng)式控制、響應(yīng)式控制響應(yīng)式交通控制是根據(jù)實時交通流檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)平滑處理后，在一定的性能指標(biāo)

19、下，對各相位綠燈時間、周期時間和相位差進(jìn)行微調(diào)，配時微調(diào)后會立即生效。即在一個信號控制的交叉口，由于交通需求的變化，使每個周期的配時方案都可能不一樣。參數(shù)的調(diào)整一般只需計算三個數(shù)值，既參數(shù)當(dāng)前值、增加一個步長（增量）和減少一個步長對應(yīng)的性能指標(biāo)值，取性能指標(biāo)相對較好的參數(shù)值作為下一步的控制量。這種控制方式的最大優(yōu)點是既可滿足長期的交通流變化趨勢，又可適應(yīng)短期的交通流隨機變化；且計算量小，響應(yīng)迅速，便于實現(xiàn)實時控制。早期的SCOOT系統(tǒng)、SCAT系統(tǒng)等均屬于這類系統(tǒng)。Page 31響應(yīng)式控制的主要特點是：1）配時方案是基于交通檢測器的檢測數(shù)據(jù)自動生成的，因此，對其初始配時方案的確定沒有特殊要求。

20、2）綠信比的調(diào)整頻率為每周期一次，而周期和相位差的調(diào)整頻率一般為幾分鐘一次。3）性能指標(biāo)的計算（如延遲、擁擠度等）是在上游檢測器的檢測數(shù)據(jù)，經(jīng)適當(dāng)預(yù)測的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。4）該控制方式適用于日常交通需求變化顯著的交通流條件，也適用于因異常交通條件或事件導(dǎo)致交通流變化劇烈的情況。5）配時的微調(diào)采用小步長（增量）的方式。一般地，綠燈時間、相位差的微調(diào)步長介于04秒的范圍，周期時間的微調(diào)步長介于09秒的范圍。Page 326）綠燈時間、相位差及周期時間的調(diào)整各有其不同的性能指標(biāo)。一般地，綠燈時間、相位差以延誤和停車次數(shù)的加權(quán)和為依據(jù)，而周期時間以飽和度為依據(jù)。7）響應(yīng)式控制沒有一個較統(tǒng)一的交通模型、性能指標(biāo)及優(yōu)化方法作參考。因而，不同