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智能交通系统IntelligentTransportSystems智能交通系统IntelligentTransportSystems张飞舟博士北京大学地球与空间科学学院2019年3月25日星期三智能交通系统IntelligentTransportSystems第四讲城市交通控制目录城市交通控制概述定时式脱机操作系统：TRANSYT感应式联机操作系统：SCATS&SCOOT&ACTRA及其他交通信号控制系统的评价指标交通信号控制系统的研究进展1.交通控制概述•交通控制的定义•交通控制的作用•交通控制的历史•交通控制的分类•交通控制的参数•交通控制系统基本组成1.1交通控制的定义•道路交通控制•自动控制•道路交通自动控制•道路交通管理广义狭义核心：如何根据交通需求来合理分配交通资源，提高通行效率。广义交通管理交通自动控制交通控制狭义交通管理1.1交通控制的定义1.交通控制概述•交通控制的定义•交通控制的作用•交通控制的历史•交通控制的分类•交通控制的参数•交通控制系统基本组成1.2交通控制的作用•道路交通控制随车辆与道路交通而生•目的：1、保障交通安全（1889第一起车祸）2、疏导交通、保障交通畅通1.交通控制概述•交通控制的定义•交通控制的作用•交通控制的历史•交通控制的分类•交通控制的参数•交通控制系统基本组成1.3交通控制的历史1868年1914年1926年20世纪60年代英国伦敦出现最早的交通信号灯，只有红、绿两种颜色。纽约街头出现了手动操作的三色信号灯。英国人安设了第一座自动交通信号机。加拿大多伦多建立了一套由IBM650型计算机控制的交通信号协调控制系统。这标志着交通信号控制技术进入了一个新的发展时期。该系统第一次把计算机技术用于交通控制，大大提高了控制系统的性能和水平。世界各国开始研究控制较大范围的信号联动协调控制系统。解决信号配时优化问题。1.3交通控制的历史单点控制年份国别城市信号机类型周期臂板式燃气色灯1914美国克利夫兰电灯定1926英国各城市自动信号机定1928美国各城市感应信号机变1868英国伦敦定1.3交通控制的历史线控系统年份国别城市系统特征路口数周期1917美国盐湖城手控协调6定1922美国休斯敦电子计时12定1928美国各城市步进式定时多变1973中国北京干线协调多1984UTC多多1.3交通控制的历史区域控制系统年份国别应用城市系统名称系统特征检测器1952美国丹佛市模拟动态控制气压式1963加拿大多伦多UTC数字动态控制电磁式1968英国格拉斯哥TRANSYT静态控制环形线圈1980英国哥拉斯哥SCOOT动态控制环形线圈1982澳大利亚悉尼SCATS动态控制环形线圈1985意大利都灵SPOT／UTOPIA动态控制环形线圈1989法国图卢兹PRODYN动态控制环形线圈1995德国科隆MOTION动态控制环形线圈1996美国新泽西OPAC动态控制环形线圈1996美国凤凰城RHODES动态控制环形线圈1997希腊哈尼亚TUC动态控制环形线圈1.交通控制概述•交通控制的定义•交通控制的作用•交通控制的历史•交通控制的分类•交通控制的参数•交通控制系统基本组成1.4交通控制的分类按控制方式的方便性分为：1）点控：独立控制各信号机。2）线控：同时控制沿着道路连续的几个信号机。3）面控：把城市道路网分区域控制。1.4.1点控方式•适用范围：用于相邻信号机间距较远，线控无多大效果时，或因各相位交通需求变动显著，其交叉口的周期长和绿信比的独立控制比线控更有效果的情况。点控方式分类定周期控制交通感应控制行人信号控制对应于交通需求的变动参数，将一天分为几个时间段，相应于不同时段设定不同的周期长、绿信比等信号控制参数，由时钟来控制变换参数的控制方式。对应交通状况的变动进行实时控制的方式。人行横道的信号控制方式有“定周期控制”和“按钮式控制”。1.4.2线控方式•定义：把一条道路延长线上的连续几个信号机在时间上相互联系起来进行信号显示。•作用：减少停车次数、缩短停车时间，达到交通畅通的目的；有助于形成适当速度的交通流。•特点：对几个信号机设定共用的周期长（系统周期长）和确定各信号时间上的相对关系及相位差。线控方式分类定周期控制交通感应控制根据交通需求的变动模式，将一天分成若干个时间带设定控制方案，把预先设好的控制参数按时间表进行选择的控制方式。对应于变化的交通状况实时改变控制参数（周期长、绿信比、相位差）进行控制。适用于交通流比较稳定的路线区间。适用于交通量的时间变动剧烈、交通量大、要求高度的交通处理效率的干线道路。名称定义适用范围1.4.3面控方式•面控又称区域交通信号控制，其控制对象是城市或城市的某个区域中所有交叉路口的交通信号。•面控方式是将控制对象区域内全部交通信号的监控，作为一个交通监控中心管理下的整体控制系统，它是单点信号、干线信号和网络信号系统综合控制的集成。定时式脱机操作控制系统定义利用交通流历史及现状统计数据，进行脱机优化处理，得出多时段的最优信号配时方案，存入控制器或控制计算机内，对整个区域交通实施多时段定时控制。优点定时控制简单、可靠且效益投资比高。缺点不能适应交通流的随机变化。1.4.3面控方式感应式联机操作控制系统定义能够适应交通量变化的“自适应控制系统”，也叫“动态响应控制系统”，此系统在控制区域交通网中设置检测器，实时采集交通数据并实施联机最优控制。优点能较好适应交通流的随机变化，对交通流特性变化较大的城市，将提高控制效益。缺点结构复杂、投资高、对设备可靠性要求高。1.4.3面控方式1.交通控制概述•交通控制的定义•交通控制的作用•交通控制的历史•交通控制的分类•交通控制的参数•交通控制系统基本组成1.5交通控制的参数术语：–信号相位–饱和度信号控制参数–周期长–绿信比–有效绿灯时间–相位差–饱和流量–流量系数1.5.1信号相位•定义：指在一个交叉口某个方向的交通流量（或几个方向交通流量的组合）同时得到的通行权或被分配得到这些通行权的时间带。信号相位图示1.5.1信号相位信号相位图示1.5.1信号相位信号相位图示确定信号相位的考虑因素•交通安全：行人、左右转向车交通流量、穿越距离和视觉等。•交通效率：减少相位数有利于交通效率提高。1.5.2饱和度•进道口的饱和度：•相位i的饱和度：每个相位i所控制的交叉口各进口道饱和度的最大值。•交叉口的饱和度：交叉口所有相位的饱和度之和。sqjijij/相位与交叉口的饱和度1.5.3信号控制参数•周期长：一个信号灯表示绿、黄、红一个循环所需的时间，以秒为单位。•绿信比：是指在周期长内的各相位绿灯时间与周期长之比。•有效绿灯时间：是指被有效利用的实际车辆通行时间。它等于绿灯时间与黄灯时间之和减去头车启动的损失时间。1.5.3信号控制参数•相位差：从某一车流方向看，为使车辆在交叉口处不受阻而流畅通过，使每个路口的绿灯开始时间错开的时间。•饱和流量：是衡量路口交通流施放能力的重要参数，通常是指一个绿灯时间内的连续通过路口的最大车流量。•流量系数：是实际流量与饱和流量的比值。既是计算信号配时的重要参数，又是衡量路口阻塞程度的一个尺度。1.交通控制概述•交通控制的定义•交通控制的作用•交通控制的历史•交通控制的分类•交通控制的参数•交通控制系统基本组成1.6交通信号控制系统基本组成•智能交通信号控制系统的基本组成是主控中心、路口交通信号控制机以及数据传输设备。其中主控中心包括操作平台、交互式数据仓、效益指标优化模型、数据（图像）分析处理等。•智能交通信号控制系统的核心是控制模型算法软件，是贯穿规划设计在内的信号控制策略的管理平台，体现着交通管理者的控制思想，它包括信号控制系统将起到的作用和地位。系统组成框图系统组成框图目录城市交通控制概述定时式脱机操作系统：TRANSYT感应式联机操作系统：SCATS&SCOOT&ACTRA及其他交通信号控制系统的评价指标交通信号控制系统的研究进展2.定时式脱机操作系统•TRANSYT（交通网络研究工具）基本原理•仿真模型•TRANSYT系统的主要环节•优化原理与方法•TRANSYT优化过程的主要环节2.1TRANSYT基本原理TRANSYT基本原理网络几何尺寸及网络交通信息新的信号配时优化数据初始信号配时仿真模型优化过程效能指标PI网络内的延误及停车次数周期流量图最佳信号配时2.2仿真模型•建立仿真模型的目的：用数学方法模拟车流在交通网上的运行状况，研究交通信号控制系统控制参数的改变对车流运行的影响，以便客观地评价任意一组交通控制参数的优劣。2.3TRANSYT系统的主要环节•交通网络的抽象与简化•周期交通流量变化图式（交通量和时间）•车流在连线上运行状况的模拟•车辆延误时间的计算•停车次数的计算2.4优化原理与方法•基本原理：TRTANSYT将仿真得到的性能指标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为性能指标；2.4优化原理与方法•基本原理：用“爬山法”优化，产生优于初始配时的新的控制参数，然后把新的信号控制参数再送入仿真部分，反复叠代，最后取得PI值达到最小的系统最佳信号控制参数。“爬山法”优化计算原理2.5TRTANSYT优化过程的主要环节•相位差优化•绿信比优化•控制子区的划分•信号周期长的优化目录城市交通控制概述定时式脱机操作系统：TRANSYT感应式联机操作系统：SCATS&SCOOT&ACTRA及其他交通信号控制系统的评价指标交通信号控制系统的研究进展3.感应式联机操作系统相位差方案选择方案选择式：SCATS（澳大利亚）子系统的划分与合并控制参数的优化信号周期长选择绿信号方案选择方案形成式：SCOOT（英国TRRL）控制子区模型优化3.1交通控制方案•形成方式：根据实时采集的交通流数据，实时计算最佳交通控制参数形成控制方案，实施动态交通控制，如英国SCOOT。3.1交通控制方案•选择方式：对应不同的交通量状况，事先做好各类交通控制方案和相应的控制参数并储存在计算机内，按实时采集的交通流数据，选取最适合的交通控制方案与控制参数，实时动态交通控制。如澳大利亚SCATS。3.1SCATS系统组成悉尼协调自适应交通控制系统（sydneycoordinatedadaptivetrafficsystem，SCATS）由澳大利亚新南威尔士干线道路和交通局的西姆斯等人自20世纪70年代开始研究从1980年起陆续在悉尼等城市安装使用。3.1SCATS系统组成悉尼协调自适应交通控制系统（sydneycoordinatedadaptivetrafficsystem，SCATS）SCATS系统是一种实时自适应控制系统，也是实时配时方案选择系统，更确切的说实际上是一种用感应控制对配时方案可作局部调整的方案选择系统。目前由Tyco系统集成公司推广经营，现已推出SCATS的升级版SCATSII。3.1SCATS系统组成SCATS系统包括中央监控系统、区域控制中心和图形界面（GUI）工作站。一个中央控制系统最多可连64个区域控制分中心，每个区域控制中心可控制250个信号交叉口，理论控制规模为16000个交叉口。3.1SCATS系统组成目前，世界上大约有60个城市正在运行SCATS系统，控制超过16000个交叉口，世界上最大的SCATS系统控制网络在澳大利亚悉尼市，控制了超过3000个信号交叉口。3.1SCATS系统组成除澳大利亚之外，新加坡是拥有基于SCATS控制系统交叉口数量最多的城市（目前大约1800个）。在我国，SCATS系统已在上海、天津、宁波、杭州等几个城市投入运行，并且取得了一定的实施经验。3.1.1工作原理•控制结构：分层式三级控制（中央监控中心、地区控制中心和信号控制机）。•子系统：在地区控制中心对信号控制机实行控制时，通常将每1至10个信号控制机组合为一个“子系统”。•特点：“战略控制”与“战术控制”相结合。SCATS工作原理图控制中心交通信号控制区域控制机区域控制机区域控制机交通信号控制交通信号控制交通信号控制管理系统