第二章交通信号控制的基本理论

2交通信号控制的基本理论

本章首先给出了交通信号控制的基本概念，包括：信号相位，周期时长，绿信比，相位差，绿灯间隔时间，有效绿灯时间等，然后介绍了常用的交叉口性能指标以及计算方法，最后给出了常用交叉口的信号配时方法。这些研究为后面的信号配时模型及优化方法的研究奠定了理论基础。

2.1交通控制的基本概念

交叉路口信号配时参数优化，首先必须准确把握和理解交通控制中的一些基本概念。下面对信号配时设计中部分参数作一介绍。

(l)信号相位：在一个信号周期内，具有相同的信号灯色显示的一股或几股交通流的信号状态序列称作一个信号相位。信号相位是按车流获得信号显示的时序来划分的，有多少种不同的时序排列，就有多少个信号相位。每一个控制状态，对应显示一组不同的灯色组合，称为一个相位。简而言之，一个相位也被称作一个控制状态。以四相位为例如图所示：

相位1 相位2 相位3 相位4

图1 四相位信号相序控制示意图

(2)周期时长：信号灯发生变化，信号运行一个循环所需的时间，等于绿、黄、红灯时间之和；也等于全部相位所需的绿灯时间和黄灯时间(一般是固定的)的总和。周期过长时，等待的人容易产生急躁情绪，因此通常以180秒为最高界限。

图1 第一、三配时表

(3)绿信比：是指在一个周期内(对一指定相位)，有效绿灯时间与信号周期长度之比。

(4)相位差(又叫绿时差或绿灯起步时距)：相位差是针对两个信号交叉口而言，是指两个相邻交叉口它们同一相位绿灯(或红灯)开始时间之差。

它分为绝对相位差和相对相位差。相对相位差是指在各路口的周期时间均相同的联动信号系统中，相邻两个交叉路口协调相位的绿灯起始时间之差。绝对相位差是指在联动信号系统中选定一标准路口，规定该路口的相位差为零，其他路口相对于标准路口的相位差叫绝对相位差。

(5)绿灯间隔时间：是指从失去通行权的相位的绿灯结束，到下一个得到通行权的相位绿灯开始所用的时间。绿灯间隔时间的长短主要取决于交叉口的几何尺寸，因此，要确定该时间的长度就必须首先考虑停止线和潜在冲突点之间的相关距离，以及车行驶这段距离所需的时间。

(6)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损失时间。损失时间包括两部分，一是绿灯信号开启时，车辆启动时的时间；还有绿灯关闭、黄灯开启时，只有越过停止线的车辆才能继续通行，所以也有一部分损失时间，即为绿灯时间减去启动时间加上结束滞后时间。结束滞后时间是黄灯时间中有效利用的那部分。每一相位的损失时间为启动延迟时间和结束滞后时间之差。

在实际工作中，损失时间的精确计算是非常困难的，也没有必要。通常取绿灯时间代替有效绿灯时间

2.2交通信号控制类型简述

2.2.1定时控制

(l)定义

依据交通量历史数据进行配时，交通信号按照配时方案运行，一天只按一个配时方案的配时方法。定时控制是单个交叉路口最基本的控制方法。

(2)适用条件及优点

定时控制适用于交通流量变化模式基本固定，并可以预测的情况，其因信号启动时间可取得一致而有利于同相交通信号协调。它的优点在于便于执行，对控制系统的硬件要求较为简单。由于路网上各个交叉路口的信号配时参数都是预先确定的，因此不必在执行中根据实时交通状况作任何调整，也不需要采集实时交通数据和反馈，使得各种费用使用较低。

(3)缺点

首先，定时控制中的配时方案都是根据历史性交通资料，事先经过脱机计算建立起来的。然而，路网上交通状况如车流量的分布，流量大小及流向，不可能长期维持某一固定的模式。一旦变化，则原分配方案就不再适合变化了的交通状况。因此，固定配时系统的应用受到一定程度的局限，它只适用于交通状况变化不十分急剧的城镇。其次，控制对策的灵活性较差，固定配时方案一经建立并付诸执行，就不会自动调整和更改。因此，路网可能发生的一些意外事件，往往会导致严重的交通阻塞，甚至于瘫痪。再次，缺少实时交通信息反馈，除非设置专门用于采集交通数据的检测器，固定配时控制系统没有任何关于网路上实时交通状况信息的反馈，这就限制了它的灵活性。

2.2.2潮汐控制

潮汐控制方法和定时控制方法相类似。区别在于若一天只用一个配时方案的称为定时控制；而一天按多个时段采用不同配时方案的称为潮汐控制。

潮汐控制比定时控制方法有一定的优越性，但是对于交通流量变化大的地区，控制效果仍不理想。

2.2.3模糊控制

城市交通系统是一种非线性的、时变的大系统。传统的控制方法都要首先建立交通流的数学模型，在此基础上推导出某种控制算法。由于城市交通系统的复杂性和随机性，建立的数学模型一般难以准确地描述城市交通的实际状况，而且算法复杂，在线估算量大，控制实时性差，控制精度也不高。因此近年来，国内外专家学者致力于开发新的交通信号灯的控制方法，模糊控制是新的研究方向之一。

2.3相位、相序设计与信号配时

2.3.1相位、相序设计与信号配时的关系

无论采用哪种控制方法，都需要先了解交叉路口的几何状况，交通流状况，然后制定相应的相位，相序方案以及配时方案，只有选择合适的相位和配时方案，才能使交叉口的运行效果达到最优。交叉口相位方案和配时设计是信号控制方案设计的两个方面，属于定性和定量的关系。

相位方案设计是信号设计的第一步，它直接影响交叉口交通流的安全性，以及交叉口的延误、通行能力等各项运行效益。美国道路通行能力手册HCM早己提出：“信号设计中最为关键的问题是选择一个适当的信号相位方案”。

配时设计是在相位方案设计的基础上进行的，根据进口车道配置，交通流情况来求解最优配时方案，最终达到提高交叉口实际通行能力、减少车辆通过交叉口的延误的目的。只有在充分研究和采用最佳相位方案的前提下，利用配时参数优化模型，才能得到真正的最优控制方案，即最优解。否则，选用不适当的相位方案，再先进的配时模型也只能得到伪最优解。

2.3.2相位设计

相位方案是相位的组合方式，有必要从多个组合中选出最佳的相位方案。一般来说，交叉口形状越复杂，相位方案也越复杂。