交通信号配时基础(1)

城市交通信号配时基础（一）

一.综述

我国已于1985年颁布了“中华人民共和国道路交通管理条例”，制定了对“人”、“车”、“路”、“环境”四者的管理规则。它以法制的形式和正确应用法律的权威来维护基本的交通秩序，保障交通安全、舒适和畅通。城市道路增长的有限性与车辆增加近似无限这对矛盾，是导致城市交通拥挤的根本原因。为适应交通量猛增的趋势，缓解道路拥挤状况，国内许多城市采取延长道路、加宽路面、建高架路(立交桥)等措施，收效虽明显，但却是有限的。必须从供求两个方面采取措施来解决城市交通问题，不仅要进一步加强交通基础设施的建设，而且要最大限度的提高现有路网的利用效率，同时加强对交通需求的管理，加强对城市道路网的智能管理与优化控制。

城市交通信号控制的目的有:减少交通事故，增加交通安全:缓和交通拥挤，提高交通效益:提高公共效益，减少交通负荷；降低污染程度，节省能源消耗等。交通控制的主要任务是通过对交通流的调节、警告和引导以达到改善人和货物的安全运输，防止或缓和交通拥挤、减少能源消耗，提高运营效率。其目标在于改善交通流的质量，更好地利用现有运输能力，及时为车辆上的有关人员及行人提供交通状况信息，实现交通流的安全性、快速性和舒适性。

在城市道路中存在大量的平面交叉路口，成为交通流的汇集和分流点，正是这些交叉路口组成了城市交通网络。为了使交通流安全地进入和离开平面交叉路口，必须采用某种控制方法，合理地分配通行权，使发生冲突的交通流在时间上和空间上分离，从而保证车辆和行人的安全通行。对平面交叉路口来说，根据相交道路条数不同，可分为三路交叉、四路交叉、多路交叉等；根据交叉口的形状又可分为T形、Y形、十字形、X形、环形交叉、多路交叉形等。环形交叉口中央设置交通岛，车辆沿交通岛的周围单向行驶的同时进行交织分流，这种形式的交叉口需要大量的用地面积，当交通量增大时不好管理，适合于城市郊区车流量不是很多的地方使用。由于多路口交叉交通组织复杂，应尽量避免。各种平面交叉路口类型如图：

我国于1988年3月颁布了《中华人民共和国道路交通管理条例》规定如下：

指挥灯信号:

1) 绿灯亮时，准许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍直行的车辆和被放行的行

人通行；

2) 黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但己越过停止线的车辆和己进入人行横道的行人，可以继续通行；

3) 红灯亮时，不准车辆、行人通行；

4) 绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行；

5) 黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。右转弯的车辆和T形路口右边无横道的直行车辆，遇有前款2)、3)项规定时，在不妨碍被放行的车辆和行人通行的情况下，可以通行。前两款规定亦适用于列队行走和赶、骑牲畜的人员。

对人行横道信号灯有如下规定:

1) 绿灯亮时，准许行人通过人行横道；

2) 绿灯闪烁时，不准行人进入人行横道，但己进入人行横道的，可以继续通行；

3) 红灯亮时，不准行人进入人行横道。

各种信号灯的装置次序也有统一的规定，便于驾驶员分辨。次序安排的原则是重要的灯色放在重要的位置，信号灯的次序安排分竖式和横式两种。

1 竖式

1) 普通信号灯的次序:国际规定，自上而下为红、黄、绿灯。

2) 带有箭头灯式，安排次序为:自上而下，一般为红、黄、绿、直行箭头、左转箭头、右转箭头灯，中间可省掉不必要的箭头灯。当同时装有直、左、右三个箭头灯时，可省掉普通绿灯。

2. 横式

1) 普通信号灯的次序，国际规定，自外向里为红、黄、绿灯。

2) 带有箭头灯时，安排次序如下:自外向里，一般为红、黄、左箭头、直箭头、右箭头灯；或红、黄、左箭头、绿灯；或红、黄、绿、右箭头灯。

二.交通信号控制参数

让我们先了解几个基本的参数，交通信号控制的基本参数包括周期时长、相位持续时间(或相位绿信比，或交通流绿信比)、相位差.

1) 周期时长

周期时长是指信号灯的各种灯色轮流显示一次所需要的时间，也即各种显示时间之总和。周期是决定单点控制定时信号交通效益的关键控制参数，用C表示。一般信号灯有个最短周期值，否则就不能保证几个方向的车辆顺利通过交叉口；还有个最长周期值，至多不超过200秒，否则可能引起等待司机的烦躁或误认为灯色控制己经失灵。对红灯时间的忍受力，经过调查英国人是45秒，德国人是60秒，而国内许多路口的红灯时间都非常厂，有点地方甚至能达到120秒，急需优化改进。

2)相位差

相位是对于一个路口多方向交通流而言，指在周期时间内按需求人为设定的，同时取得通行权的一组互不冲突的交通流。相位信号是指一个信号周期内的信号控制状态，表示在道路交叉口给予某些方向的车辆或行人以通行权的时序。而相位差则是指相邻路口同一相位绿灯(或红灯)起始时间之差。

3) 绿信比

相位绿信比是一个相位信号有效绿灯时长与周期时长之比。交通流绿信比是一个

交通流在一个周期时间内所获得的有效绿灯时长与周期时长之比。绿信比的大小对于疏通交通流和减少路口总等待时间有着举足轻重的作用。通过合理的分配各车流方向的绿灯时间(绿信比)，可使各方向上阻车次数、等待时间减至最少。

除了上述3个控制参数外，还有一些与交通信号控制有关的概念:

1）交通流量

交通流量是单位时间内通过某一位置的车辆数。

2)交通密度

交通密度为每车道单位长度道路上拥有的车辆数。

3) 车流速度

车流速度指区间平均速度，即在某一瞬间行驶于道路某一特定长度内的全部车辆的车速分布的平均值。

4) 自由行车速度

自由行车速度是指车流密度趋于零时车辆可以畅行无阻的行驶的速度。

5) 占有率(车辆占有率)

占有率是指一路段车辆占用的道路长度的总和与路段长度之比。由于难以测量，通常用时间占有率代之，即在一个周期时间内车辆通过车辆监测器而得到的脉冲信号宽度的总和与周期时长之比。

6)进口道饱和流量

进口道饱和流量是指在一次连续的绿灯时间内，交叉口进口车道上车队能够连续通过停车线的折算为当量的最多车辆数。

7) 流量比

流量比又称饱和度，是进口道实际到达流量与饱和流量之比。

8) 信号控制交叉口的通行能力

一般来说，交通信号控制的目的是要使单个交叉口或交通网络获得良好的交通效益。评价交通效益的指标有:通行能力、排队长度、延误时间、停车次数、停车率、油耗、行程时间等。目前，常用的交通效益指标是延误时间、排队长度、通行能力等。交通信号控制的评价函数可以由设计者根据需要进行选择。

三.基本的交通控制方法类别介绍

1.单路口的交通信号控制

单路口的交通信号控制是最基本的交通控制形式，也是线控和面控系统的基础，其目的是通过合理的信号配时，消除或减少各向交通流的冲突点，同时使车辆和行人的总延误最小。单路口的交通信号控制主要分为定时控制、感应控制、实时自适应控制等，其中定时控制和感应控制是基本的交通控制方法。

交叉口交通信号控制机均按事先设定的配时方案运行，称为定时控制。一天只用一个配时方案的称为单段式定时控制；一天按不同时段的交通量采用几个配时方案的称为多段式定时控制。

定时信号控制方法是以历史数据(车流量，饱和流量)为基础的，这些数据是通过交通测量、车辆计数获得的。根据交通流的变化设置交通信号，也就是对每个时间段寻找出能给出最好性能指标的最佳信号设定。每个时间段末各个方向交通流的随机、过饱和排队长当作下一个时间段该交通流的初始随机、过饱和排队长。对于不同的交叉路口，由于道路上的交通车流呈现很大的随机性，车辆行驶过程又是一种随机过程，因而实施相位控制也应针对不同的车流情况采取不同的方案。对交叉路口交通信号优化控制，一般有以下几种方法：

1) 针对信号周期进行优化；

2) 针对相位信号配时(或绿信比)进行优化；

3) 针对周期和相位信号配时(和绿信比)同时进行优化，甚至还包括相位信号顺序的优化；

4) 综合优化(针对交通流高峰期整个时间段)。

对单个路口的信号控制来说，评价其配时方案是否最佳的主要指标有延误时间、通行能力和交通事故次数等。显然，延误时间是驾驶员最关心的指标，而且也容易折合成经济指标。

定时控制方法因为简单易行，是目前使用最广的一种控制方法，其配时方案是根据交通调查所得的历史数据制定的，一经确定则维持不变，直到下次重新进行交通调查。显然这种方式不能适应交通流的随机变化。经常可以看到这种情况:亮绿灯的车道没有车辆通行，而亮红灯的车道却有车辆等待。为了克服这种现象，就必须首先检测是否有车辆到达，然后再决定是否给该车道开绿灯，这就是感应控制的基本原理。

感应控制是在交叉口进口道上设置车辆检测器，信号灯配时方案由计算机或智能化信号控制机计算，可根据检测器检测到的车流信息而随时改变的一种控制方式。感应控制随检测器设置方式不同可以分为两种:一种是半感应控制，即在交叉口处将检测器安装在次干道上，根据次干道的交通需求进行信号控制；另一种是全感应控制，即在交叉口所有入口道上均安装检测器，根据所有入口道的交通需求进行信号控制。

单交叉口交通模型

我们已经介绍了几种常见的单路口模型，主要对最常见的十字形路口和T行路口交通信号控制进行说明，主要是为交叉路口的交通信号灯确定信号灯周期及各个方向的信号灯红绿灯起止时间及通行时间。城市单交叉路口的交通流模型如图所示：

东、南、西、北四个方向，每个方向均存在左转、直行、右转三个车道车流。对路口各个车道车流量进行实时检测而获得车流量信息，为优化决策提供必要的数据。由于各个车道在不同时刻具有不同的车流量，交通工程技术人员需经过较长时间的摸索，总结出适合该路口车辆放行的规律，由此制定出相应交叉路口的相

位信号控制方案，并且根据一天之中交通流的高峰期时刻不同实施不同的配时方案:

常见的四相位处理方案

2.城市干线交通的信号协调控制

对主干线各个交叉口的协调控制是一种线控方式。在城市道路网中，交叉口相距很近，两个相邻的交叉口之间的距离通常不足以使一小队车流完全疏散。各交叉口分别设置单点信号控制时，车辆经常遇到红灯，时停时开，通行不畅。为了减少车辆在各个交叉口的停车次数，使车辆在主干线上畅通行驶，人们研究了一种干线相邻交叉口协调控制策略。协调信号计时的最初方法是基于绿波的概念:当一列车队在具有许多交叉口的一条主干道行驶时，协调控制使得车辆在通过干线交叉口时总是在绿灯开始时到达，因而无须停车地通过交叉口。实践证明，通过协调各个交叉口之间的信号配时可获得很大的效益。

主干线交通信号控制可分为离线方式和在线方式。离线方式下，主干线上设定一台主信号机和多台从信号机，由主信号机向各个从信号机发送同步信号，各个从信号机根据预先设定的相位差和绿信比分配红.、绿灯起始时间和持续时间，从而实现绿波控制。

在线控制方式是由城市中心计算机对主干线各个交叉口的交通信号机进行协调控制，各个交叉口的交通信号机将检测到的交通流信息发送给中心计算机，后者根据采集到的干线上的交通流数据进行优化处理，然后向各交叉口的交通信号机发送红、绿灯起始信号实现绿波控制。

在城市交通网络中，绿波控制的观点早在20世纪30年代就已经为人们所认识。然而，在复杂的城市网络中，通常不可能同时将所有道路设置成绿波。1969年由Robertson等人研制出了称之为TRANSYT的软件包，采用爬山搜索法，能优化分配每一个交叉口各相位的绿灯时间(绿信比)、每一个交叉口周期的起始时间(相位差)和周期时间，该系统现今使用较广。

城市道路交通中，交通干线承担了大量的交通负荷，干线的交通畅通对改善整个城市的交通状况往往具有很大作用，一条主于道的交通运行状况，将直接影响到它所涉及的周边大片区域的道路交通状态。干线交通信号协调控制实际上就是把干线上一批相邻交叉口的交通信号进行协调配时，使得进入干线的车队按某一车速行驶时，能不遇或少遇红灯线控的基本方法

线控的手段就是调整相位差，相位差是相邻路口间建立协调关系的关键参数。在线控系统中，为了使各交叉口的交通信号能取得协调，各相关路口的交通信号周期长度必须统一。为此必须先按单路口信号控制的配时方法，计算出每个交叉口的周期长度，然后从中选出最大的周期长度作为这个系统的公用周期。对应最大周期的路口也叫关键路口。在线控系统中，如果某些路口的交通量较小，可以公用周期的一半作为其周期。

对于线控信号系统，起初人们认为只要把信号连接成一个系统，总可以形成有效的续进系统，但实践证明到并不是所有情况都能形成有效的线控系统，因此有必要首先识别影响控制系统效益的各种因素，具体应该考虑的因素有以下几点。

1) 流的到达特性:在一个信号交叉口，如果车辆脉冲式的到达，采用线控系统就可以得到良好的效果。如果车辆的到达是均匀的，线控效果不会理想。产生车辆均匀到达的因素有:交叉口之间的距离太远，即使是成队的车流，也因其间距而引起车辆离散，形不成车队；在

两个信号交叉口之间，有大量的交通流从次要街道或路段中间的出入口转入干线:在有信号的交叉口处，有大量的转弯车辆从相交道路转入干线。

2) 号交叉口之间的距离:在干线道路上，信号交叉口之间的间距可在100-1000M以内的范围变化，信号交叉口之间的距离越远，线控效果越差，一般不宜超过600m，大量的实践表明，当相邻交叉口之间的距离超过800m时，协调控制反而不如各自单独控制。

另外，对单向交通运行的干道应优先考虑采用线控系统，因为单向交通车流向单一，高峰期交通量大，容易形成车队，用线控系统会有较好的结果。但在非高峰期施行线控效果不一定好。

3.区域交通信号控制

区域交通信号控制又称为在线网络控制，系统的控制对象是整个城市或某个区域中所有交叉口的交通信号。人们把其中所有的交通信号联结起来加以协调控制，以使得区域内的各个车辆在通过交叉口时所产生的总损失最小。区域交通信号控制也有两种方式，一是离线优化在线控制方式，另一种是在线优化在线控制方式。

目前，国外的典型城市交通控制系统有英国的TRANSYT系统和SCOOT系统、澳大利亚的SCAT系统、日本Kyosan电器制作有限公司的交通控制系统、德国的Siemens系统等。国内有深圳的STC交通控制系统、南京的交通控制系统以及天津的交通控制系统等。控制方式有方案选择式和方案生成式，最初出现的系统是基于方案选择式，针对经常出现的情况(如早、晚、高峰期交通流的变化)设计相应的交通信号控制方案。但实际中可能出现的情况太多，难以预先对每种情况设计出相应的信号控制方案，交通需求的变化以及交通网络的变化会使得已有的固定时间方案迅速失效。此外，在信号控制方案之间切换时，特别是在方案改变迅速时也会产生损失。因此，目前研究的兴趣大多己集中于在线优化方法。

城市区域交通信号控制是将城市或城市的某个区域的所有交叉路口作为控制对象，用计算机对整个区域各交叉口的交通流进行统一协调控制。区域控制适合于下面的情况:在某个范围内，一个路口交通信号的调整将会影响相邻路口的交通状况；而相邻路口交通信号的改变也会影响到本路口交通状况。因此，应该从整个系统的战略目标出发，根据交通流量检测数据，协调区域内各路口的信号灯配时，这样能取得整体最优的效果，这种效果是单点控制所不能获得的。下一节我们将讨论城市区域交通信号控制的一般方法，介绍几个有代表性的区域交通控制系统，如TRANSYT, SCOOT, SCATS, RHODES等.

在介绍了一些信号配时的基础知识后，让我们来看一看主流的信号配时控制系统软件。

一．Transyt系统

Transyt系统是由英国道路交通研究所的D.I.Robertson等人花费近十年时间研制而成的，自从1968年第一版问世以来，经过不断改进，现以称为当今时间上最负盛名的信号配时优化设计程序.

1.交通模型

Transyt程序主要包括两个组成部分，一是交通模型，用来模拟在信号灯控制下交通网上的车辆行驶状况，以便计算在一组给定的信号配时方案作用下网络的运行指标。二是优化过程，改变信号配时方案并确定指标是否减小，经过反复试算求得最佳配时方案。

Transyt方法一般有4项假定:

一是路网中全部路口的交通信号均按照共同的周期长度运行，或某些路口的交通信号采用共用周期长度的一半作为周期，并且已经知道各信号灯交叉口的信号阶段划分情况以及最小绿灯时间等详细数据；

二是路网中所有主要交叉路口都由交通信号灯或让路规则控制；

三是路网中各车流在某一确定时间段内的平均车流量为已知，并且在某一确定时间段内维持恒定:

四是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。

Transyt系统交通模型所需要的数据和资料有:路网几何数据、交通量数据、经济指标等。该系统的控制模式是脱机预测确定控制参数，再上机控制；系统目标为平均延误时间、停车次数、排队长度最小等；参数特征为绿信比与相位差是优化确定的，周期不进行优化，仅从事先确定的方案中通过比较各运行指标比较选出最佳的；寻优方法用的是爬山法。

2.系统运行评价

Transyt是一种用于定周期式控制系统的设计方法，在该系统中，信号周期是共用的，而且在一个确定的配时方案执行阶段内，每个交叉口上所有的各个信号阶段相对起止时间是不变的。为了适应交通量随时间而变化的情况，就要拟定适合于不同交通状况的配时方案，以供不同阶段使用。对于己有控制方案的路口，Transyt利用自身的交通模型对其进行优化。Transyt方法对路网上车流运动的预测精度较高，在确定最优配时方案过程中，采用“爬山法”，在优选过程中交替使用长、短两种步长，作正负两个方向的试探，试算过程有较好的收敛性。

Transyt系统也有它的不足之处。该系统计算量太大，在大城市网络较大时，这一问题更加突出: Transyt的优化问题本质上是一个非凸的数学规划问题，如何找出全局最优解，仍是一个未解决的难题；周期长度不进行优化，很难获得整体最优的配时方案；此系统需要大量的网络几何尺寸和交通流信息，随着城市的发展，这些交通数据可能会过时，此时会降低系统的使用效果，这极大地限制了它的实际应用。

二.SCOOT系统

SCOOT系统是在Transyt基础上研制出的一种自适应控制系统，全称为:split, cycle and offset optimization technique:绿信比、周期和相位差优化技术。该系统与1975年在英国哥拉斯哥市进行现场试验，取得了较好的效果。SCOOT吸收了Transyt各方面的优点，进行实时控制，获得了明显优于静态系统的效果，被很多国家采用。

1.SCOOT的原理和交通模型

与Transyt系统相同，SCOOT系统的核心也是由交通预测模型和配时参数优化两部分组成，不同之处在于前者是离线的而后者是在线的，即以实时测量的交通数据为基础，用交通模型进行配时优化.

SCOOT系统主要由4个部分组成:车辆检测数据的采集和分析；交通模型；交通信号配时参数的优化及调整；信号系统方案的控制与执行。SCOOT交通模型由交通环境、交通过程和交通预测这3部分构成。

在SCOOT系统运行中，有两条基本假定:一是要求控制范围内的路网处于相对“静态”，所有各主要车流冲突点都是由交通信号灯来控制通行次序；二是把车辆和行人的实际动态状况作为考虑的对象，而不是把它们看成在一定时间内处于静止不变状态。

2.系统评价

SCOOT 系统具有如下特点:

1） SCOOT系统对配时参数的优化采用连续微调的方式，即每个信号周期内只对绿信比和相位差做正负(1一4s)的调整，采用频繁小增量形式，避免了信号参数的突变带来的延误损失，可以最大限度地消除由于配时方案变化而引起车流运动连续性的干扰。

2) 的车辆检测器埋设在上游交叉口的出口处，为下游交叉口信号配时的优化调整提供了较充足的时间。它具有鉴别检测器运行状况的能力，一旦检测器出现故障，它能及时做出相应的决定，以减少检测器故障对系统的影响。

3) 实时交通状况变化反应灵敏。正因为SCOOT对路网上各交叉口信号配时方案的检验和调整每秒钟都在进行，所以该系统能够对路网上交通状况的任何一种变化趋向做出最迅速的反应，使它们执行的控制方案能够最大程度地适应实时交通状况的客观需要。

实践表明，SCOOT系统具有一个灵活的、比较准确的实时交通模型，既可以用来制定信号配时方案，又可以提供各种信息，为交通管理和交通规划服务。但它也有不足之处，它的交通模型的建立需要大量的路网几何尺寸和交通流数据，因而费时费力；绿信比的优化依赖于对饱和度的估算，进行小步长变化调整，有可能不足以及时响应每个周期的交通需求；

它的信号相位不能自动增减，相序不能自动改变；控制子区的自动划分问题尚未解决，需人工确定，显得比较麻烦。

三. SCATS系统

SCATS ( Sydney coordinated adaptive traffic system:悉尼协调自适应交通系统)是由澳大利亚新南威尔士道路和交通局于20世纪70年代末研制成功的，最初应用于悉尼市，故而得名。SCATS控制系统是一种以方案选择式优选配时方案与单点感应控制作调整相结合的控制系统。目前，世界上大约有50多个城市正在运行SCATS系统.

SCATS系统寻求一种能最大限度地减少路网上车辆地延误时间和停车次数

的配时参数优化算法，用以对三项基本参数—信号周期、绿信比和相位差进行优选。

1. SCATS的结构与原理

完整的SCATS系统是一种3级结构，最上级为控制中心，完成管理系统的任务:中间级为区域控制机，完成“战略”任务；最下级为交通信号控制器，分担战术控制任务，当路口数较少时，可由区域控制机与交通信号控制器组成两级结构的最小系统。如图所示:

SCATS系统原理：

在SCATS系统中，区域控制机所负责的信号协调控制区域被分成一个个子区，每个子区由1~10个信号交叉口组成，这些交叉口具有公共周期长度。系统根据子区的类饱和度，以最长可达6s的步长将公共周期长度加以更新。类饱和度是用安装在停车线附近的检测器来测量的。

每个子区有5个相位差方案，它们作为输入数据的一部分而预先加以确定。内部相位差能根据现行周期时间和称为行进速度系数的一个输入参数来改变，后者决定相位差改变的百分数。为使两个子区密切配合或合并，还有5个外部相位差方案，这些方案由一个算法来选择.

2. SCATS系统评述

SCATS系统充分体现了计算机网络的突出技术，结构易于改变，控制方案容易变换。在需要时能合并相邻地区联合控制，也可允许各路口自主实行车辆感应控制。SCATS系统的检测器安装在停车线处，不需要建立交通模型，因此其控制不是基于模型的，它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请求。另外SCATS系统还具有局部车辆感应控制功能，每个周期都可以改变周期时间，可以自动划分控制子区。SCATS系统有如下缺点: 第一，SCATS系统未使用交通模型，实际上是一种方案选择系统，因而限制了配时方案的优化程度；

第二，SCATS系统过分依赖于计算机硬件；

第三，由于检测器安装在停车线附近，难以检测车队的行进，无车流实时信息反馈，故相位差的优选可靠性差。

我国近几年经过深入研究，也开发出了一些适用于我国交通状况的交通信号控制系统，主要有上海交通大学的SUATS系统和南京、深圳等地研制的系统。在国家计委、科委的批准下，交通部、公安部、南京市完成了“七五”攻关项目，建成了南京城市交通控制系统〔NUTCS)。该项目的目标是研究和建立适合于我国国情的机动车与非机动混合交通的城市控制系统。交通信息化建设是交通部确立的“十五”交通科技发展计划中四个领域之一；国家计委和科技部共同发布的“2001年度当年优先发展的高新技术产业化重点领域”通知中，智能交通系统为其中一项；并指出我国的ITS近期产业化重点是“交通地理信息系统，数字化城市综合交通管理系统，高速公路控制诱导管理系统集成软件等”。