智能运输系统概论第13章

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智能运输系统概论目录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评价智能运输系统概论第13章城市交通信号控制系统概述13.1TRANSYT系统13.2SCATS系统13.3SCOOT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13.6智能运输系统概论13.1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（B.M.Cobber）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。智能运输系统概论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。智能运输系统概论第13章城市交通信号控制系统概述13.1TRANSYT系统13.2SCATS系统13.3SCOOT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13.6智能运输系统概论13.2TRANSYT系统TRANSYT（TrafficNetworkStudyTools）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基本原理图智能运输系统概论13.2TRANSYT交通网络结构图示TRANSYT把一个复杂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。仿真模型智能运输系统概论13.2TRANSYT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真模型智能运输系统概论13.2TRANSYT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；仿真模型().()(1).(1)dodqitFqiFqit（13-1）()dqit()it()oqi()i智能运输系统概论13.2TRANSYT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：仿真模型tF110.35Ft（13-2）()max[((1)()()),0]dmimiqitSit（13-3）智能运输系统概论13.2TRANSYT系统交通网络结构图示——第个时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：仿真模型)1(im()dqi(1)i)(i)(iS)(it)(Ni)(1iq智能运输系统概论13.2TRANSYT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。仿真模型N()(1)()()dimiqitmi（13-4）tiNiq)()(1（13-5）智能运输系统概论13.2TRANSYT系统车辆延误时间计算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；仿真模型22(1)2(1)2(1)erCxdddyqx（13-6）ed2(1)2(1)eCdyC智能运输系统概论13.2TRANSYT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yrd22(1)rxdqxxqQLtddR2（13-7）智能运输系统概论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。仿真模型RtdLQ13.2TRANSYT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：智能运输系统概论13.2TRANSYT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：仿真模型212(1)0.9{}1erexhhhyqC（13-8）ehrh1dLhQC（13-9）智能运输系统概论13.2TRANSYT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统的设计方法。优化智能运输系统概论13.2TRANSYT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。优化智能运输系统概论13.2TRANSYT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；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。优化智能运输系统概论第13章城市交通信号控制系统概述13.1TRANSYT系统13.2SCATS系统13.3SCOOT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13.6智能运输系统概论13.3SCATS系统SCATS（SydneyCoordinatedAreaTrafficSystem）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智能运输系统概论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。13.3SCATS系统智能运输系统概论在优选配时参数的过程中，SCATS用“合并指数”来判断相邻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13.3SCATS系统智能运输系统概论13.3SCATS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与绿灯显示时间之比：2）配时参数优选“算法”ggDS（13-6））th-T（-gg（13-7）智能运输系统概论13.3SCATS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”DSggTth智能运输系统概论13.3SCATS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”智能运输系统概论13.3SCATS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