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1、智能运输系统概论（第三版）普通高等教育“十一五”国家级规划教材21世纪交通版高等学校教材杨兆升 于德新 主编史其信 高世廉 主审目 录第11章 先进的公共交通系统第12章 先进的交通管理系统第13章 城市交通信号控制系统第14章 电子收费系统第15章 高速公路交通事件管理系统第16章 应急指挥调度系统第17章 智能车辆与自动驾驶系统第18章 交通需求管理第19章 智能运输系统标准化第20章 ITS评价第13章 城市交通信号控制系统 概述13.1 TRANSYT系统13.2 SCATS系统13.3 SCOOT系统13.4 新一代智能化交通控制系统13.5 其他的交通信号控制系统13.613.1
2、概述用信号方式控制交通流的思想最早诞生于19世纪。根据英国学者韦伯思（EVWebster）和柯布（ber）的著作记述，英国于1868年在伦敦威斯脱敏斯特（Westminster）安装了一种红绿两色臂板式燃汽信号灯；1917年美国盐湖城出现了人工操作的信号灯；1926年，英国人首次安装和使用自动化的控制器来控制交通信号灯；1928年，美国研制了世界上第一台感应式信号机，首次实现了根据交通流而自行调整交通信号时间。加拿大多伦多市于1963年建成了世界上第一个利用计算机进行集中协调感应控制的交通信号控制系统。13.1 概述交通控制技术和相关控制算法的发展，逐渐改善了控制的安全性、有效性
3、及对环境的影响。交通信号机由手动到自动，交通信号由固定周期到可变周期，系统控制方式由点控到线控和面控，从无车辆检测器到有车辆检测器，交通信号控制经历了近百年发展历史。交通信号控制系统作为智能运输系统（ITS）重要的子系统，在城市交通管理建设中起着越来越重要的作用。目前比较有代表性的城市交通控制系统有英国的TRANSYT系统、SCOOT系统、澳大利亚的SCATS系统、美国RHODES系统和日本的VICS系统等。第13章 城市交通信号控制系统 概述13.1 TRANSYT系统13.2 SCATS系统13.3 SCOOT系统13.4 新一代智能化交通控制系统13.5 其他的交通信号控制系统13.61
4、3.2 TRANSYT系统TRANSYT（Traffic Network Study Tools）是用作信号控制网协调配时设计的一项先进技术，是英国道路研究所花费近10年的时间研制成功的控制系统。后经专利转让，各国对TRANSYT进行了不断改进，美国已经发展到了TRANSYT-7F，英国也已发展到TRANSYT-8型。TRANSYT的原意是“交通网研究方法”，是目前世界各国流传最广，应用得最普遍的一种协调配时方法。TRANSYT是一种脱机操作的定时控制系统，系统主要由仿真模型及优化两部分组成，基本原理如图。TRANSYT基本原理图13.2 TRANSYT交通网络结构图示TRANSYT把一个复杂
5、的交通网简化成适合数学计算的图示，这个图示由“节点”和“节点”之间的“连线”组成。在网络结构上，每个“节点”代表一个有信号灯控制的交叉口；每一条“连线”表示一股驶向下游一个“节点”的单向车流。网络结构图上还应标出所有节点和连线的编号，以折算小客车为单位标出平均小时交通量以及转弯交通量的大小。仿线 TRANSYT系统交通网络结构图示1）周期流量变化图示纵坐标表示交通量，横坐标表示时间的交通量在一个周期内随时间变化的柱状图。2）车辆在连线上运行状况的模拟为描述车流在一条连线上运行的全过程，TRANSYT使用如下三种周期流量图示：到达流量图示驶出流量图示饱和驶出图示仿线、ANSYT系统交通网络结构图示罗宾逊方法建立了下游某一段面上的车辆到达率与上游断面上的车辆驶出率之间的数学关系，为使用上游连线的驶出流量图式来推算下游连线的到达流量图示提供了一个实用计算公式，如式13-1所示：式中： 第 个时间间隔内下游断面的车辆到达率； 第 个时间间隔内上游断面车辆驶出率；仿线 TRANSYT系统交通网络结构图示 0.8倍车辆从上游断面行驶到下游断面的平均 行驶时间所对应的时间间隔数； 车流在运动过程中的车流离散系数，可由公式13-2给出。可推算，第i个时间间隔内被阻滞于停车线的车辆数 应满足：式中：仿线 TRANSYT系统交通网络结构图示 第 个时
7、间间隔内被阻滞于停车 线的车辆数； 第 个时间间隔内到达停车线断面的车辆 平均到达率，可由到达流量图示求得； 第 个时间间隔内车流通过停车线断面的 最大车辆平均驶离率； 时间间隔大小。由13-3式可以推知，在第i个时间间隔内驶出停车线的车辆数 与驶出率 为：仿线 TRANSYT系统交通网络结构图示由此可见，根据上游交叉口相关连线的到达流量图示与饱和驶出流量图示，按照已知的各流向流量百分比，便可以得到下游交叉口上游断面的驶出流量图，再利用罗伯逊方法又可得到下游交叉口的到达流量图示。以此类推，即可得到任一下游连线上的流量周期变化图示。仿线 TRANSYT系统车辆延误时间计算
8、TRANSYT计算的车辆延误时间是均匀到达延误、随机到达延误与超饱和延误之和。在低饱和交通状态下时，车辆的延误可看作由均衡相位平均延误和随机平均延误时间组成，见式（13-6）： 式中： 均衡相位平均延误，即 ； 周期长度；仿线 TRANSYT系统车辆延误时间计算 绿信比； 流量比； 随机平均延误时间，即 ； 饱和度； 流量。在过饱和交通状态下时，车辆的平均延误为：仿真模型车辆延误时间计算式中： 红灯时长； 为平均过饱和滞留车队长度； 进口道通行能力。仿线 TRANSYT系统停车次数的计算TRANSYT计算的停车次数，也是分成均匀到达停车次数、随机到达停车次数与超饱和停车
9、次数三部分。 在低饱和交通状态下时，车辆的停车次数可看作由均衡相位平均停车次数和随机平均停车次数组成：13.2 TRANSYT系统停车次数的计算式中： 均衡相位停车次数； 随机平均停车次数。其余各项参数同公式13-6在过饱和交通状态下时，车辆的平均停车次数为：仿线 TRANSYT系统TRANSYT将仿真所得的性能指标（PI）送入优化程序，作为优化的目标函数；以网络内的总行车油耗或总延误时间及停车次数的加权和作性能指标；用“爬山”优化，产生较之初始配时更为优越的新的信号配时；把新信号配时再送入仿真部分，反复迭代，最后取得PI值最小的系统最佳配时。TRANSYT是一种用于固定配时控制系
10、统的设计方法。优化13.2 TRANSYT系统对于任何已知的信号控制的道路网，TRANSYT利用本身的交通模型和优选方法，都可建立上述配时方案。基于TRANSYT开发出的系统现已被世界400多个城市所采用，是最成功的静态控制系统。主要技术特征有：控制模式为静态模式；目标为平均延误时间、停车次数、排队长度最小；参数特征为绿信比、相位差是通过建立优化数学模型进行优化确定；但不对周期进行优化；利用爬山法对配时参数进行寻优确定。优化13.2 TRANSYT系统TRANSYT系统也存在许多不足之处：第一，计算量大，在大城市中这一问题尤其突出；第二，周期长度不能进行优化，事实上很难获得整体最优的配时方案；
11、第三，因其离线优化，需大量的路网几何尺寸和交通流数据，在城市发展较快时，为保证可信度不得不花费大量时间、人力、财力重新采集数据再优化，制定新方案。优化第13章 城市交通信号控制系统 概述13.1 TRANSYT系统13.2 SCATS系统13.3 SCOOT系统13.4 新一代智能化交通控制系统13.5 其他的交通信号控制系统13.613.3 SCATS系统SCATS（Sydney Coordinated Area Traffic System）系统是一种自适应控制系统，该系统因最初应用于澳大利亚悉尼市而得名，实际上也是一种实时配时（参数）方案选择系统。有一套以实时交通数据为基础的“算法”，属
12、于响应式联机操作系统，70年代开始研究，80年代投入使用。把信号周期、绿信比和相位差作为各自独立参数分别进行优选，优选过程以饱和度和综合流量为主要依据。算法中使用的“饱和度” 是指被车流有效利用的绿灯时间与绿灯显示时间之比。 SCATS系统的控制结构层次示意图SCATS系统的功能主要有以下几个方面：交通信息（数据）的实时采集和统计分析。实现对交通流的自适应最佳控制。提供“绿波带”及紧急车辆优先通行权。提供公交车辆优先通行权。提供交通信号灯人工操作功能。提供户外工作终端。进行系统技术监察、故障诊断和记录。远程维护。13.3 SCATS系统在优选配时参数的过程中，SCATS用“合并指数”来判断相邻
13、子系统是否需要合并。在每一信号周期内，都要进行一次“合并指数”计算。相邻两子系统各自要求的信号周期时长相差不超过9s时，“合并指数”累计值为（+1），反之为（-1）。若“合并指数”的累计值达到“4”，则认为这两个子系统已经达到合并的标准。合并后的子系统，在必要时还可以自动重新分开为原先的两个子系统，直到“合并指数”累计值下降至零。1）子系统的合并与划分13.3 SCATS系统13.3 SCATS系统SCATS把信号周期、绿信比及绿时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”以所谓的“综合流量”及“饱和度”为主要依据。饱和度SCATS所使用的“饱和度”是指被车流有效利用的绿灯时间
14、与绿灯显示时间之比：2）配时参数优选“算法”13.3 SCATS系统式中： 饱和度； 可供车辆通行的显示绿灯时间之和（s）； 被车辆有效利用的绿灯时间（s）； 绿灯期间，停止线上无车辆的时间（s）； 车流正常驶过停止线断面时，前后车辆间不可少的一个空档时间（s）； 必不可少的空挡个数。综合流量2）配时参数优选“算法”13.3 SCATS系统综合流量指一次绿灯期间通过停止线的车辆折算当量，它由直接测定的饱和度及绿灯期间实际出现过的最大流率s来确定。信号周期时长的选择以子系统为基础，即在一个子系统内，根据其中饱和度最高的交叉口来确定整个子系统应当采用的周期时长。SCATS在每个交叉口的每条进口道上
15、都设有车辆检测器，由前一周期内，各检测器直接测定出的DS值中取出最大的一个，并据此定出下一周期内应该采用的周期长度。2）配时参数优选“算法”13.3 SCATS系统绿信比方案的选择在每一信号周期内都要进行一次，其大致过程如下：在每一信号周期内，对四种绿信比方案进行对比，对它们的“入选”进行“投票”。若连续三个周期内，某个方案两次“中选”，则该方案即被选择作为下一周的执行方案。绿时差方案的选择在SCATS系统中，内部、外部两类时差方案都要事先确定，并存储于中央控制机内。SCATS系统的结构层次大体上可分为：中央监控中心、区域控制中心和信号控制器。2）配时参数优选“算法”SCATS系统有其自己的优
16、势：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。13.3 SCATS系统SCATS系统缺点：第一，作为一种方案选择系统，没有使用交通流模型，限制了配时方案的优化程度；第二，检测器安装在停车线处，难以监测车队的行进，没有车流实时信息反馈，这使得相位差优选可靠性较差；第三，系统只能实施在PDP系列数字计算机上，限制了推广应用。13.3 SCATS系统第13章 城
17、市交通信号控制系统 概述13.1 TRANSYT系统13.2 SCATS系统13.3 SCOOT系统13.4 新一代智能化交通控制系统13.5 其他的交通信号控制系统13.6SCOOT（Split Cycle Offset Optimization Technique）即“绿信比、信号周期及绿灯起步时距优化技术”，是一种实行实时协调控制的自适应控制系统。是在TRANSYT的基础上发展起来的，因此模型及优化原理与TRANSYT相似。所不同的仅仅是前者为在线运行，后者为脱机运行。因此SCOOT系统无须事先准备备选配时方案。SCOOT包含一个用于联机计算的实时交通预测模型，可以对交叉口停车线、车流图式、车辆受阻排队情况以及拥挤程度作出定量的预测，并进一步计算出对应于各种配时参数组合的路网运行指标PI值。13.4 SCOOT系统SCOOT将其所控制的路口或路段人行横道视为道路网中的节点，在每个信号周期内，根据本周期各方向（即节点上的各连线）到达节点交通需求的变化，从交通均衡、交通相关和交通连续的角度，对每次绿灯时间的变化进行优化调整，同时，系统的使用者还可以根据具体实际情况和控制战略要求，施加带有倾向性的干预，从而减少延误，缩短旅行时间，提高通行能力。SCOOT通过车辆检测器实时的测量并跟踪交通运动，利用一个联机的交通模型和相应的控制参数优化程序来优化信号控制器的配时。13.4 SC
19、OOT系统 基本流程SCOOT检测器的环形线圈埋设在上游交叉路口的出口，检测的数据上传至“UTC”计算机中，经过处理便生成了SCOOT的模型核心周期流分布图CFP。为了跟踪CFP的瞬时变化，优化程序采用小增量寻优方法，即信号配时参数可随CFP的变化作相应的微小变化。基本流程图13.4 SCOOT系统 特点广泛的适用性。SCOOT系统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距作（1-4s）的调整。在SCOOT系统中，无须预测未来若干分钟内路上交通状况的变化。个别车辆检测器错误地反馈信息几乎不影响SCOOT系统对信号配时参数的优化，而且该系统对这类错误的信
20、息有自动鉴别和淘汰的功能。对实时交通状况的变化反映灵敏。13.4 SCOOT系统SCOOT系统优点：SCOOT系统有一个灵活、准确的实时交通模型，不仅用于制定配时方案，还可以提供各种交通信息；采用对下一个周期的交通进行预测的方法，提高了结果的可靠性和有效性；调整参数时采用频繁小增量变化，避免了信号参数突变带来的损失，又可通过频繁累加来适应交通条件的变化；车辆检测器埋设在上游路口的出口处，为下游交叉口信号配时预留充足的时间，且有充足的时间作出反应以预防车队阻塞到上游交叉口。检测故障时，能作出相应调整。13.4 SCOOT系统SCOOT系统缺点：第一，相位不能自动增减，相序不能自动改变；第二，独立
21、的控制子区的划分不能自行解决，需人工确定；第三，饱和流率的校核未自动化，使现场安装调试相当繁琐。13.4 SCOOT系统第13章 城市交通信号控制系统 概述13.1 TRANSYT系统13.2 SCATS系统13.3 SCOOT系统13.4 新一代智能化交通控制系统13.5 其他的交通信号控制系统13.613.5 新一代智能化交通控制系统“新一代智能化交通控制系统（Novel Intelligent Traffic Control System，简称NITCS）基于实时动态交通信息及交通状态判别技术，采用分级分区的大系统动态分层递阶控制框架，将大范围作为中心协调层，将区域作为优化控制层，将交叉
22、口信号控制器作为联动执行层，从大范围（交叉口数量大于2000）协调、区域（交叉口数量大于500）优化、交叉口联动三个层次对路网交通流进行协调控制，从时间和空间两个角度，优化路网交通流，均衡路网交通负荷，有效提高了非饱和交通流情况下的安全性，解决了饱和、过饱和交通流条件下的交通拥挤、拥堵问题。NITCS系统相关关键技术：大范围中心协调控制区域优化控制路口联动执行控制分区递阶控制模式。交通状态时空判别技术大范围战略交通协调控制技术区域交通自适应控制技术 交通控制与交通诱导协同技术智能化交通信号控制器13.5 新一代智能化交通控制系统13.5 新一代智能化交通控制系统新一代智能化交通控制系统层次结构
23、图13.5 新一代智能化交通控制系统新一代智能化交通控制系统物理结构图大范围战略控制级是NITCS系统创新中的亮点，主要面向大城市的交通管理与控制，提出了“大范围战略交通控制系统”的概念，特点：能够生成大范围交通控制策略分层递阶协调控制区域间的交通流信号控制与交通诱导相协调智能化交通控制策略选择混合交通流控制区域控制级是NITCS系统的核心；路口控制级是NITCS系统执行的重点。13.5 新一代智能化交通控制系统第13章 城市交通信号控制系统 概述13.1 TRANSYT系统13.2 SCATS系统13.3 SCOOT系统13.4 新一代智能化交通控制系统13.5 其他的交通信号控制系统13.
24、613.6 其他的交通信号控制系统OPAC（Optimization Policies for Adaptive Control）是一个分布式实时交通信号控制系统，由美国PBF arradyne公司和Massachusetts Lowell大学共同开发。引入有效定周期（VFC-Virtual Fixed Cycle）的概念，即允许每一个路口的周期长度在一个规定的时间和空间范围内变化。OPAC系统在硬件上为分布式结构，每个路口机由信号控制机和一台586以上的PC机组成，路口机之间可以对等通信，或通过中心计算机通信。OPAC系统13.6 其他的交通信号控制系统是一个真正的分布式系统，中心计算机只完
25、成VFC的优化；路口机完成车队预测、相位优化以及排队长、停车次数和延误等参数或状态的估计和检测。检测器安装在各个车道上游离停车线s车程的地方，便于准确预测车流量、车队行进等数据。采用先进的优化方法和控制技术。为了保证实时性，采用滑动时间窗方法。OPAC系统的应用时间较短，控制算法比较复杂，对调试人员的要求较高；另外，其9600bps的通信速率较低，对等通信只能30s完成一次。OPAC系统13.6 其他的交通信号控制系统SPOT（Signal Progression Opimization Technology）/UTOPIA（Urban Traffic Optimization by I
26、ntegrated Automation）系统是意大利Mizar Automazione公司开发的分布式实时交通控制系统。SPOT/UTOPIA实际上是由两个部分组成，SPOT独立工作时是一个小型的分布式交通控制系统；UTOPIA是一个面控软件，在联网的中心计算机上运行。每3s路口信号机之间的数据交换一次，各路口信号机在滑动时间窗上进行一次优化，时间窗长度为2min。SPOT/UTOPIA 系统13.6 其他的交通信号控制系统系统在当初设计和开发时就考虑了公交优先的功能，其控制目标是：在尽可能保证公交车不遇红灯的情况下，使私家车总的旅行时间最短。为了保证子区控制的最优性和鲁棒性，采用的“强相互
27、作用”概念，即本路口的目标函数要考虑相邻路口的状态及区域控制级给出的约束条件。UTOPIA要为整个网络进行最优控制决策，接收各SPOT单元发来的路口状态信息，确定子区划分、子区的最佳周期、最佳权重等。SPOT/UTOPIA 系统13.6 其他的交通信号控制系统RHODES（Real-time，Hierarchical，Optimized，Distributed and Effective System）是由美国Arizona大学P. Mirchandani等人于1996年开发成功。RHODES在硬件上是一个两级结构，即中心计算机级和信号控制器级，把系统控制问题分解为三层递阶结构，路口控制层、网
28、络控制层和网络负荷分配层。主要由路口控制参数优化模块、各方向交通流预测模块、路网车流优化模块、车队预测模块和参数及状态估计模块组成。RHODES系统13.6 其他的交通信号控制系统该系统在预测方法上进行了深入研究，为了保证预测的准确性，把车辆检测器安装在路口的车辆进口处，对预测值进行检验和校正。提出了一种相位可控优化概念，根据到达车辆的预测值，用动态规划的方法找出最优相序和相位长度。提出“实时绿波带” 概念，根据当前的车队预测值，综合考虑网络上各方向车队可能发生的冲突，用决策树法进行网络优化并实时生成行进绿波带。提供与交通分析软件的接口，可离线评价配时方案RHODES系统激励学生学习的名言格言
29、220、每一个成功者都有一个开始。勇于开始，才能找到成功的路。221、世界会向那些有目标和远见的人让路（冯两努香港著名推销商）222、绊脚石乃是进身之阶。223、销售世界上第一号的产品不是汽车，而是自己。在你成功地把自己推销给别人之前，你必须百分之百的把自己推销给自己。224、即使爬到最高的山上，一次也只能脚踏实地地迈一步。225、积极思考造成积极人生，消极思考造成消极人生。226、人之所以有一张嘴，而有两只耳朵，原因是听的要比说的多一倍。227、别想一下造出大海，必须先由小河川开始。228、有事者，事竟成；破釜沉舟，百二秦关终归楚；苦心人，天不负；卧薪尝胆，三千越甲可吞吴。229、以诚感人者
30、，人亦诚而应。230、积极的人在每一次忧患中都看到一个机会，而消极的人则在每个机会都看到某种忧患。231、出门走好路，出口说好线、旁观者的姓名永远爬不到比赛的计分板上。233、怠惰是贫穷的制造厂。234、莫找借口失败，只找理由成功。（不为失败找理由，要为成功找方法）235、如果我们想要更多的玫瑰花，就必须种植更多的玫瑰树。236、伟人之所以伟大，是因为他与别人共处逆境时，别人失去了信心，他却下决心实现自己的目标。237、世上没有绝望的处境，只有对处境绝望的人。238、回避现实的人，未来将更不理想。239、当你感到悲哀痛苦时，最好是去学些什么东西。学习会使你永远立于不败之地。
31、240、伟人所达到并保持着的高处，并不是一飞就到的，而是他们在同伴们都睡着的时候，一步步艰辛地向上爬241、世界上那些最容易的事情中，拖延时间最不费力。242、坚韧是成功的一大要素，只要在门上敲得够久、够大声，终会把人唤醒的。243、人之所以能，是相信能。244、没有口水与汗水，就没有成功的泪水。245、一个有信念者所开发出的力量，大于99个只有兴趣者。246、环境不会改变，解决之道在于改变自己。247、两粒种子，一片森林。248、每一发奋努力的背后，必有加倍的赏赐。249、如果你希望成功，以恒心为良友，以经验为参谋，以小心为兄弟，以希望为哨兵。250、大多数人想要改造这个世界，但却罕有人想改造自己。
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