区域信号协调控制-徐良杰(武汉理工大学)概要

第十一章区域信号协调控制PPT制作：徐良杰武汉理工大学主要内容11.1区域信号控制基本原理11.2TRANSYT控制系统11.3SCATS系统11.4SCOOT系统11.5ACTRA控制系统原有：线控系统并不适用于所有区位1.支路负荷大（利益的协调）2.距离较远路口的协调引入：交通协调控制系统11.1区域信号控制基本原理11.1.1基本概念概念：把城区内的全部交通信号的监控，作为一个指挥控制中心管理下的一个整体的控制系统，是单点信号、干线信号系统和网络信号系统的综合控制系统。对象：城市或某个区域中所有交叉口的交通信号。类型：单点、干线和区域控制三种。信号控制系统的类型示意图11.1.1基本概念现代的交通控制系统是多种技术的综合体，主要有以下优点：（1）整体监视和控制（2）可因地制宜地选用合适的控制方法点、线、面控制灵活使用（3）可有效、经济地使用设备显示、检测、采集、传输数据11.1.1基本概念11.1.2区域控制分类按控制策略分为：（1）定时式脱机控制依据交通流历史统计数据，脱机优化处理（2）适应式联机控制设置检测器，适时采集交通数据，实施最优控制按控制方式分为：（1）方案选择式对应不同交通流，存储不同模型和控制参数，依据采集的实时交通数据，选取控制参数（2）方案生成式根据采集的交通数据，实时计算最佳控制参数，进行控制11.1.2区域控制分类按控制结构分为：（1）集中式控制一台计算机对整个系统集中控制通讯系统庞大，数据存储和计算海量，控制实时性较差范围不能太大。11.1.2区域控制分类集中式区域信号控制系统示意图11.1.2区域控制分类（2）分层式控制上层接受决策信息对信息进行协调，从系统角度修改下层的决策控制下层根据修改后的方案，执行交叉口控制配时方案11.1.2区域控制分类分层式区域信号控制系统示意图11.1.2区域控制分类11.1.3区域控制系统建立条件道路交通条件：（1）交叉口间几何关系距离、规则性（2）交通流特性车种、车队离散性（3）交通流大小相邻交叉口流量很小或很大时均不易进行区域控制I：互联指数（0~1）；t：车辆在相邻交叉口之间的运行时间；qmax：来自上游交叉口的直行交通量或qi中最大的交通；：到达下游交叉口的交通流总和；x：交叉口个数。max10.511xiixqItqxiiq111.1.3区域控制系统建立条件I越接近1，互联效果越好；I=0时，互联最不合理；I0.3时不互联，I0.4可互联；t小（间距小），直行车多（流量单一），则I大。max10.511xiixqItq11.1.3区域控制系统建立条件技术条件软件、硬件、人才经济条件分期、分批，项目建设实施序列社会条件交通参与者的素质（给定的控制需要时间适应）11.1.3区域控制系统建立条件11.2TRANSYT控制系统——1966年英国道路交通研究所（TRRL）——基于交通模型计算机仿真优化的离线脱机控制系统11.2.1TRANSYT系统简介TRANSYT系统主要由两大部分构成：（1）交通仿真模型：仿真在信号控制网络上的车队模型（2）优化算法：信号配时方案优化设计TRANSYT基本原理图11.2.1TRANSYT系统简介网络几何尺寸及网络交通流信息新的信号配时优化数据优化过程最佳信号配时仿真模型初始信号配时周期流量图网络内的延误及停车次数性能指标PI11.2.2交通仿真模型TRANSYT所采用的交通仿真模型有四个假定条件。（1）模拟路网内，所有信号交叉口均采用一个共用信号周期长度（或一半），每个信号阶段划分情况及最短时间已知。（2）路网中所有主要交叉口都有交通信号灯或让路规则控制。（3）路网中各车流在某一确定时间段内的平均车流量为已知，且维持恒定。（4）每一交叉口的转弯车辆所占的百分数为已知，并且在某一确定时间段内维持恒定。（1）交通网络结构图示TRANSYT把一个复杂的交通网简化成适用于数学计算的图示。这个图示由“节点”和“连线”组成。节点：信号灯控制的交叉口。连线：一股驶向下游“节点”的单向车流。11.2.2交通仿真模型路网结构计算简图实例11.2.2交通仿真模型路网结构计算简图实例11.2.2交通仿真模型（2）周期流量变化图示周期流量变化图示是一种描述交通量在一个周期内随时间变化的图示。11.2.2交通仿真模型周期流量变化图式（3）车流在连线上运行模拟为描述车流在一条连线上运行的全过程，TRANSYT使用了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上游驶出周期流决定了下游驶入周期流11.2.2交通仿真模型F：离散系数T：车队平均行驶时间（秒）a,b：曲线拟和参数。11.2.2交通仿真模型1aFbtTt8.0车流运行中的车队离散特性用离散平滑系数表示：mi：第i时段内被阻车辆数；qi：第i时段内到达车辆数；si：第i时段内放行车辆数；mi-1：第i-1时段内被阻于停车线的车辆数。11.2.2交通仿真模型上游驶出图式坐标值乘以F，得到下游到达图式。第i时段内，被阻于停车线的车辆数：]0),max[(1iiiiSqmmni——在第个时段内驶离连线的车辆数（辆）。由ni值便可建立起连线的“驶出”图示，并由此推算下游连线的“到达”、“满流”和“驶出”图示，以此类推。11.2.2交通仿真模型由此可求得在第个时段内驶离连线的车辆数：iiiimqmn1（4）车辆延误时间和停车次数车辆延误时间：均匀到达延误、随机延误、超饱和延误之和。均匀到达延误是当某一连线上平均驶入的交通量低于该连线的设计通行能力时，车流受红灯阻滞而延迟的时间。随机延误是由于到达停车线的车流不均衡造成的附加延迟时间。11.2.2交通仿真模型车辆延误时间：均匀到达延误、随机延误、超饱和延误之和。超饱和延误是在交通网络中某些连线上，由于车辆到达数超过交叉口的通行能力，在停车线后面的车辆排队随时间增长造成的延迟时间。停车次数：均匀到达停车次数、随机停车次数、超饱和停车次数。11.2.2交通仿真模型（5）优化目标函数PI的建立PI—综合目标函数；W—每辆车延误一小时所相当的经济损失值；i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；si—第i条连线上全部车辆完全停车次数总和；N—“连线”总数目。—第i条连线上车辆延误时间的加权系数；11.2.2交通仿真模型11.2.3优化的原理和方法优化原理：第一步，将交通信息和初始配时参数作为原始数据，将（PI）送入优化程序，作为优化的目标函数；第二步，用“爬山法”优化，产生较之初始配时更为优越的新的信号配时；第三步，把新信号配时再送入仿真部分，反复迭代，最后取得PI值达到最小标准是的系统最佳配时。“爬山法”计算流程图初始配对方案向“+”方向试调一个步长PI值上升再向“+”方向调整一个步长向“―”方向调整一个步长再向“―”方向调整一个步长向“+”方向调整成功维持初始配时不作调整向“―”方向调整成功PI值下降PI值下降PI值上升PI值上升PI值上升TRANSYT优化过程的主要环节包括：绿时差的优选、绿灯时间的优选、控制子区的划分、信号周期时间的选择。（1）所需已知数据：路网几何尺寸、交通流量数据与经济损失折算当量。（2）绿时差（相位差）的优化：在初始配时方案的绿时差（相位差）的基础上，调整交通网上某一个交叉口的绿时差（相位差），计算性能指标PI，使PI最小。11.2.3优化的原理和方法（3）绿灯时间的优选：不等量地更改一个或几个乃至全体信号相位的绿灯长度，以期降低整个交通网的性能指标PI值。（4）控制子区的划分：针对范围较大交通网络；划分为若干控制子区－控制策略相对独立。（5）信号周期时间的选择：TRANSYT计算不同信号周期长度取值下的性能指标PI，从这一组信号周期长度取值选取出最佳信号周期时长。11.2.3优化的原理和方法TRANSYT缺点计算量很大，在大城市中这一问题尤为突出；周期长度不进行优化，事实上很难获得整体最优的配时方案；因其离线优化，需大量的路网几何尺寸和交通流数据，数据更新费用大。11.2.3优化的原理和方法TRANSYT优点不需大量设备、投资低、容易实施。11.3SCATS系统——联机的自适应控制系统——方案选择式区域协调控制系统——80年代悉尼11.3.1工作原理（1）控制参数的选择依据：根据车辆检测器测量得到的交通状态。交通要求（交通状态）：用车辆检测器测量得到的交通流量和占有率这两个参数的加权和来表示。OqM式中：M—交通要求；q—交通流量；O—占有率；α,β—加权系数。（2）方案参数的选择方法：以交通要求为主要依据，可对信号周期、绿信比、相位差（或其中某个参数）进行控制参数的选择。11.3.1工作原理基本原理：（1）为每个子区单元先选择一个信号周期（2）为每个子区单元选择一个绿信比参数（3）为每个子区单元选择一个相对相位参数交通要求（南—北）134562Ⅰ无阻塞条件下交通要求（东—西）861372263最大最小O阻滞水平（南—北）阻滞水平（东—西）O最小最大Ⅱ无阻塞条件下绿信比图形选择逻辑图注：1—轻交通的绿信比图形；2—典型的绿信比图形；4，5—具有轻度优先的绿信比图形；3，6—具有显著优先的绿信比图形；7，8—具有非常显著优化的绿信比图形11.3.1工作原理相位差图形选择逻辑图注：1—轻交通的相位图形；2，6—均衡相位差图形；3，5—给予入境交通以优先的相位差图形；4，7—给予出境交通以优先的相位差图形；2，3，4—当周期大于CT1，而小于CT2时，应选的相位差图形；5，6，7—当周期大于CT2时应选的相位差图形。531112674交通要求（出境）交通要求（入境）大周期阈值CT2小周期阈值CT111.3.1工作原理11.3.2SCAT系统简介无仿真实时交通状况的数学模型，以简单的代数式描述交通特征，用于计算信号周期长。绿信比和相位差依据信号周期调整。（1）SCAT系统特点（2）SCAT系统组成实时交通数据计算部分：主要包括“类饱和度”与“综合流量”的计算。优化选择部分：主要包括公共信号周期的计算、绿信比方案的选择、相位差方案的选择与控制子区的合并问题。11.3.2SCAT系统简介（3）SCAT系统的控制结构SCATS的控制结构为分层式三级控制，三级控制为中央监控中心→地区控制中心→信号控制机。SCATS系统的控制结构层次示意图11.3.2SCAT系统简介中央监控中心子控制区区域控制中心交通管理数据库区域控制中心区域控制中心子控制区子控制区子控制区子控制区子控制区（1—10个信号控制器）（1—10个信号控制器）SCATS对子系统的划分：由交通工程师根据交通流量的历史及现状数据与交通网的环境、几何条件予以判定，所定的子系统就作为控制系统的基本单位。SCATS对子系统的合并：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。11.3.3SCAT系统优化方法（1）子系统的划分与合并在每一信号周期内，若“合并指数”的累积值达到“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，只要“合并指数”累积值下降至零。11.3.3SCAT系统优化方法（2）SCATS配时参数优选算法1）类饱和度（DS）：被车流有效利用的绿灯时间与绿灯显示时间之比。ggDS')('htTgg式中：DS——类饱和度；g——可供车辆通行的显示绿灯时间总和，s；g’——被车辆有效利用的绿灯时间，s；T——绿灯期间，停止线上无车通过(即出现空档)的时间，s；t——车流正常驶过停止线断面时，前后两辆车之间不可少的一个空档时间，s；h——必不可少的空档个数。参数g、T及h可以直接由系统提供。11.3.3SCAT系统优化方法2）综合流量（q’）：综合流