智能交通信号控制系统发展史

智能交通信号控制系统发展史交通信号是汽车工业发展所带来的产物，凡在道路上用以传达具有法定意义、指挥交通行、止、左、右的手势、声响、灯光等都是交通信号。

但目前使用的最为普遍、效果最好的是灯光交通信号。

色灯交通信号控制技术的发展是随着现代科学与汽车技术的发展，汽车数量增长，路口冲突矛盾激化，人们为了安全、迅速通过，不得不将最新的科技成果用以解决路口的交通阻塞问题，从而推动了自动控制技术在交通领域的迅速发展。

1886年伦敦的威斯敏斯特教堂安装了一台红绿两色煤气照明灯，用以指挥路口马车的通行，不幸发生意外爆炸，遭到人们反对而夭折。

1917年美国盐湖城开始使用联动式信号系统，将六个路口作为一个系统，用人工手动方式加以控制。

1918年初纽约街头出现了新的人工手动红黄绿三色信号灯，同现在的信号机基本相似。

1922年美国休斯顿建立了一个同步控制系统，以一个岗亭为中心控制几个路口。

1926年英国伦敦成立了第一台自动交通信号机在大街上使用，可以说是城市交通自动控制信号机的开始。

1928年人们在上述各种信号机的基础上，制成“灵活步进式”适时系统。

由于其构造简单、可靠、价廉，很快得到推广普及，以后经不断改进、更新、完善，发展成现在的交通协调控制系统。

在计算机应用方面的发展也很快，先是模拟式电子计算机，1952年美国丹佛市首先安装，经过改进成为“PR”(program register)，在美国发展很快，至1962年已经安装了100多个“PR”系统。

以后数字计算机也进入了交通控制领域，1963年多伦多市第一个完成了以数字计算机为核心的城市交通控制系统（UTC系统）。

接着西欧、北美、日本很快也建立了改进式的UTC系统。

在软件开发方面，1967年英国运输与道路研究实验室的专家们研制了“TRANSYT”(TRAFFIC NETWORK STUDY TOOL)。

它是一个脱机仿真优化的配时程序，应用很广，效果很好。

TRANSYT主要由两部分组成。

一部分为仿真模型，其目的使用数学方法模拟车流在交通网上的运行状态，研究交通网配时参数的改变对车流运行的影响，能够对不同配时方案控制下的车流运行参数作出可靠地估算；另一部分为优化，将仿真所得到的性能指标送入优化程序，作为优化的目标函数，通过绿时差的优选、绿灯时间的优选、控制子区的划分及信号周期时间的选择等环节，取得性能指标达到最佳的系统最佳配时。

由于TRANSYT配时方案以历史资料为依据，不能有效的及时随交通流量变化而改变，该实验室在1980年又提出了SCOOT(split offset optimization technique)实时自适应交通控制系统，接受进口道上游安装车辆检测器所采集到的车辆到达信息，通过联机处理形成控制方案，并可适时调整绿信比、周期长度及时差等参数，使之同变化的交通流相适应。

SCOOT是在TRANSYT的基础上反战起来的，不同的是方案形成方式的控制系统，通过安装在各路口的进口道上游的车辆检测器所采集到的车辆到达信息，联机处理，形成控制方案，连续的实时调整绿信比、周期长度及绿时差三参数，使之同变化的交通流相适应。

在SCOOT面世的同时，澳大利亚也开发了SCATS（sydney-coordinated adaptive traffic system）系统，并在悉尼市开始应用，它是一个能自选方案适时自适应控制系统。

SCATS为分层式三级控制，即中央监控中心→地区控制中心→信号控制机。

在实行对若干子系统的整体协调的同时，也允许每个交叉口“各自为政”的实行感应控制，前者称为“战略控制”，后者称为“战术控制”，两者有机的结合，大大提高了系统本身的控制效率。

上述三个系统是当今普遍采用较为著名的交通控制系统，其他各地开发或使用的软件还有很多，但未能在较大的范围内应用。

从目前国际上流行的信号控制技术看，对交通需求和交通供给基本平衡的城市，采用TRANSYT这类定时多方案协调信号系统基本满足要求，对于交通需求大于交通供给但供需矛盾不突出的城市，SCA T、SCOOT这类自适应信号系统也可以满足要求，但是车路不均衡发展的矛盾是道路交通的主流，当交通发展到一定程度时，交通供需矛盾就会十分突出。

此时自适应信号系统已无法满足需求，需要用一种灵活的、多控制战略的智能信号控制系统来主动调控路网流量负荷，而不是被动的适应流量变化。

线圈监测器介绍环形感应线圈的工作原理：环形线圈是电路的电感元件，当电流通过环形线圈时，在其周围形成一个电磁场，当车辆通过环形地脉线圈或停在环形地埋线圈上时车辆自身铁质切割磁通线，将导致环形线圈回路电感量的变化，而线圈电感量的变化又引起车辆检测器的LC 振荡电路的振荡频率和相位相应也发生变化。

因此，检测器通过检测该电感变化量就可以检测出车辆的存在。

（1）环形线圈环形线圈由专用电缆几匝构成（一般为4匝），一般规格为2m ×2m 的正方形，根据不同的需要，可以改变线圈的形状和尺寸。

对车辆检测起直接作用的是环形线圈回路的总电感。

总电感主要包括环形线圈的自感和线圈与车辆之间的互感。

载流导线将在其周围产生磁场，对于长度为l ，匝数为N 的螺线管型线圈，线圈内磁场强度均匀。

道路上的环形线圈不能完全等同于螺线管，考虑其磁场的不均匀修正因子F 1,其自感量自L 可近似于螺线管得自感量乘修正因子F 1，即：l A N F r 201L μμ=自 （3-1）式中r μ是介质的相对磁导率，空气的1=r μ，170104--⨯=hm μ；A 为线圈面积。

由上式可知，环形线圈自感的大小取决于线圈的周长、横截面的面积、匝数、周围介质情况，当线圈埋设在路面下时，上述参数就基本确定了。

当车辆进入环线线圈时，改变了环形线圈周围介质情况。

铁磁车体使磁导率增加，从而感量增加。

另一方面，环形线圈是有源探头在其中加上交变电流，则在其周围建立起交变电场。

当铁磁性的车体进入环形线圈时，车体内会感生涡电流，并且产生与环路向耦合但方向相反的电磁场，即互感，降低线圈环路电感。

由于线圈设计成涡流影响占支配地位的状态，所以环路总电感量L 减少。

检测出线圈环路电感量的变化，就可以判断车辆的存在或通过。

（2）调谐回路环形线圈作为一个感应元件，通过一个变压器接到被恒流源支持的调谐回路上，该调谐回路是LC 谐振回路，设计选择电容C ,使调谐回路有一个固定的震荡频率。

由电子线路知识可知，LC 谐振回路的震荡频率f 为：LC f π21=这表明，f与L成反比。

前面已分析，车辆进入环形线圈将使回路总电感L减少，因而也会使震荡回路频率增大。

只要将该回路的输出送检测电路处理得到频率随时间变化的信号就可以检测出是否有车辆通过。

（3）信号检测与输出检测电路包括相位锁定器、相位比较器、输出电路等，现在很多型号的环形线圈检测器还包含微处理器，它与检测电路一起构成信号检测处理单元。

相位比较器的一个输入信号是相位锁定器的输出信号，其频率为调谐回路的固有震荡频率，另一个输入信号跟踪车辆通过线圈时谐振回路的频率变化，从而使输出的信号为一反映频率随时间变化的电压信号也就是反映车辆通过环形线圈的过程的信号。

输出电路先将相位比较器输出的信号进行放大，然后以两种方式输出，即模拟量输出、数字量输出。

模拟量输出用来分别车型，数字信号输出用来计数或控制。

亦可用微机综合处理输出信号获得各种交通参数。

带有微处理机的环形线圈检测器则可以直接做到这一点。

当车辆前沿进入线圈一边时，检测器被触发产生信号输出，而当车辆后沿离驶线圈另一边时，信号强度低于阈值，输出电平降为零。

车辆这个实际对环形线圈作用的长度L ji称为车辆有效长度。

车辆有效长度数值上约等于车辆长度与线圈长度之和。

显然，大多数情况下都使用检测器的数字电平输出。

为了检测不同的交通参数和适应不同检测或控制要求可设置检测器工作于方波和短脉冲两种输出方式。

当检测器运行于“方波”的工作方式时，只要车辆进入环形线圈，检测器就产生并保持信号输出（当车辆离开环形线圈后，仍可设置信号持续一段时间）。

电路中的计时器自动计测信号持续时间，这对有些交通控制参数如占有率等的检测计算很有用处。

当检测器运行于“短脉冲”的输出方式时，每当车辆通过环形线圈检测器就产生一个短脉冲（100μs~150μs），这种方式在双线圈测速系统中得以应用。

环形线圈检测器是传统的交通检测器，是目前世界上用量最大的一种检测设备。

车辆通过埋设在路面下的环形线圈，引起线圈磁场的变化，检测器据此计算出车辆的流量、速度、时间占有率和长度等交通参数，并上传给中央控制系统，以满足交通控制系统的需要。

此种方法技术成熟，易于掌握，并有成本较低的优点。

这种方法也有以下缺点：a. 线圈在安装或维护时必须直接埋入车道，这样交通会暂时受到阻碍。

b. 埋置线圈的切缝软化了路面，容易使路面受损，尤其是在有信号控制的十字路口，车辆启动或者制动时损坏可能会更加严重。

c. 感应线圈易受冰冻、路基下沉、盐碱等自然环境的影响。

d. 感应线圈由于自身的测量原理所限制，当车流拥堵，车间距小于3m的时候，其检测精度稍有下降，有些厂商的产品甚至无法检测。

主要功能1）交通信息采集及处理功能：交通信息采集是检测器基本功能，检测器通过检测线圈感应量的变化判断车辆的有无，然后CPU对数据进行计算后得出车流量、平均速度、时间占有率、平均车长、平均车间距等信息。

2）数据储存功能：检测器可储存计算后得到的数据。

如果通信中断，可由通信端口上传历史数据到便携电脑和数据中心，保持数据完整。

3）故障检测功能：检测器具备对线圈短路故障的检测。

在发现故障时，检测器能上传故障信息。

所存储的信息能在检测器或与检测器相连的外部设备上显示查阅。

以代码或文本形式记录下故障类型和细节；故障发生的时间、故障清除的时间可以通过维护工具和中心系统查询。