城市道路交通控制系统

前言智能交通系统(Intelligent transportation system)是将先进的信息技术、计算机技术、数据通信技术、传感器技术、电子控制技术、自动化理论、运筹学、人工智能等有效地综合运用于交通运输、服务控制和车辆制造，加强了车辆、道路、使用者之间的联系，从而形成一种定时、准确、高效的综合运输系统交通拥挤以及由引起的能源浪费，时间损失，交通安全事故，以及环境问题所造成的巨大损失已经引起了世界各国人民以及政府的高度重视，成为了一个必须解决的问题。

其解决交通拥挤的直接办法就是修建更多的路桥来提高其通行能力，然而，城市的空间限制，以及修建路桥巨额的资金的限制，使得这个办法不切实际。

因此，只有在现有的道路上通过适当的控制技术来提高交通通行能力。

近年来，理论和实际证明，利用先进的控制技术，通信技术等高新技术开发的智能交通系统可以大幅度的提高交通运行效率。

是解决交通拥挤的很有效的办法。

随着计算机技术和控制技术的发展，以及各国经济的不断发展，交通管制中心的功能得到了加强，控制手段也是越来越先进，形成了一批高技术有效的城市道路交通控制系统。

交通控制系统可以分成几类。

从系统结构与控制方式上分，有集中式计算机控制系统，分布式计算机控制系统和动态控制系统；从控制区域的路网结构上分，有开环网络和闭环网络；从系统功能上，有监视、控制和诱导功能。

集中式计算机控制系统：控制中心的计算机处理整个控制系统搜集的所有信息，并向各个路口发出控制指令。

分布式计算机控制系统：有中央，地区，路口控制三级组成，各个计算机控制自己相应的控制区域，并且执行上一级的控制指令。

动态控制系统：根据检测器实时采集的交通流信息的优化路口信号配时。

当前，世界各国广泛使用的最有代表性的城市道路交通控制系统有三个。

（1）英国TRANSYT系统TRANSYT（Traffic Network Study Tool)是英国道路与交通研究所（TRRL）于1996年提出来的脱机优化网络信号配时的一套程序，它是一种脱机操作的定时控制系统，系统主要是由仿真模型及优化两部分组成。

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下网络的运行指标；优化过程通过改变信号配时方案并确定指标是否减小，这样经过反复计算求得最佳配时方案。

通过建立的优化数学模型来进行反复的计算得出绿信比和相位差，即是优化确定的。

周期不进行优化，只是从事先确定的方案中通过比较各个运行指标选出最佳的，即选择性确定。

该系统的不足之处在于：第一，计算量大，在大城市这一问题尤为突出；第二，不对周期进行优化，很难达到整体的最优配时方案；第三，它采用离线优化，需要大量的网络几何以及大量的交通流数据，需要消耗大量的人力、物力以及财力。

（2）澳大利亚SCATS系统SCATS（Sydney Coordinated Adaptive Traffic System)是澳大利亚在70年代末开发的交通信号控制系统。

它采用了先进的计算机网络技术，结构为模块式的。

SCATS系统的优点是其自动适应交通条件变化的能力，通过大量设在路上的传感器以及视频摄像机随时获取道路车流信息，ANTTS是其重要子系统，该系统通过几千辆出租车装有的ANTTS电子标签与设在约200个交叉路口处的询问器通话，通过对出租车的识别，SCATS系统能够计算旅行时间并对交通网的运行情况进行判断。

该系统也有不足之处，其表现在：过分依赖计算机，其移植能力比较差；在选择方案的时候，没有实时的信息反馈。

（3）英国SCOOT系统SCOOT”(Split-Cycle-Offset Optimization Technique)即“绿信比-信号周期-相位差优化技术”，是一种对道路网交通信号实行协调控制的自适应控制系统。

由英国交通与道路研究所于1973年开始研究开发，1979年正式投入使用。

该系统是一种实时自适应系统，属于动态模式。

SCOOT系统通过连续检测道路网络中交叉口所有进口道交通需求来优化每个交叉口的配时方案，使交叉口的延误和停车次数最小的动态、实时、在线信号控制系统。

SCOOT系统也同样的存在着不足：任何路口只有固有相序；独立控制子区的划分只能人工完成；安装调试困难，对用户的技术要求很高。

此处说一下本文设计思路1 绪论1.1 城市交通信号灯控制的发展城市交通信号机由手动到自动，由固定周期到可变周期，从没有传感器到利用传感器，从简单的点控到面控，经历了进一个半世纪的发展。

最早控制交通的设备是1868年在英国伦敦安装的色灯信号机。

它是用煤气灯照亮，后因煤气爆炸而毁坏。

1914年在美国克利夫兰开始使用电光源定时信号机。

1918年在纽约开始使用手动红、黄、绿三色信号机。

用信号机控制单个交叉口的交通信号称为点控制。

随着交通量的增加，逐渐地从对单个交叉口交通信号的控制发展到对同一条道路若干个相邻交叉口交通信号的控制，即线控制。

世界上第一个实现交通线控制的系统于1917年出现在美国盐湖城。

这是一种内联式线控制系统,它把一条道路上6个连续的交叉口的信号灯用电缆联接，使用手动开关。

此后十年间，先后又试验成功了同时式、交变式、推进式线控制系统，它们都是机械联动。

到50年代，一些国家的汽车保有量进一步增加，线控制系统已不能满足城市道路交通的需要。

1952年美国在丹佛市试验用电子计算机对道路网各交叉口的交通信号进行控制，这就是面控制。

与此同时，在高速公路上也安装了交通控制系统。

1959年加拿大多伦多市进行实验并于1963年正式安装了世界上第一个实现面控制的面控制系统。

此后,许多国家也都采用新型电子计算机,使一个区域内的信号灯协调运转。

中国于1932年在广州开始采用手动信号灯，1976年在北京安装了第一台单点感应式信号机，1978年在北京试用线控制系统。

普通道路交通控制系统普通道路交通控制分点控制、线控制和面控制。

它们分别使用不同的控制系统。

点控制系统：点控制是线控制和面控制的基本单元，它通过安装在单个平交路口上的信号机控制信号周期和绿信比。

信号周期是信号灯的红、黄、绿灯各显示一次的时间。

绿信比是信号灯某方向的绿、黄灯显示时间之和与信号周期之比。

其分类如下：定周期控制是使信号灯按预先定好的周期和绿信比运转。

这是最简单、应用最普遍的一种控制方式。

一段定周期控制是在全控制过程中信号灯只有一种周期和绿信比；多段定周期控制是信号灯预先定有若干个周期和绿信比，在控制过程中，根据交通量的变化，自动变换周期和绿信比。

感应式控制是用感应式信号机根据安置在交叉口各入口的车辆检测器所收集的交通情报，灵活地控制绿灯开放时间。

全感应式控制是在交叉口各入口处都设有车辆检测器；半感应式控制只在交叉口的某两个入口设有车辆检测器，使该方向的绿灯能灵活开放。

线控制系统：线控制有三个基本参数，即信号周期、绿信比和相位差。

相位差是相邻两个交叉口信号机同方向绿灯开启时间差与周期之比。

实现线控制的系统有两种：一：有电缆线控制系统。

系统设有主控制器。

预先编好的各种控制模型贮存在主控制器内，主控制器通过传输电缆把控制指令发给各交叉口上的信号机，使其按控制模型的要求变换灯色；同时收集车辆检测器所提供的交通情报，并进行处理。

二：无电缆线控制系统。

这种系统不设主控制器，各种控制模型分别贮存在各交叉口的信号机内。

这些信号机都装有高精度的石英晶体钟，用统一的时间而相互协调一致，按预定的控制模型运行。

线控制系统根据功能又可分为三种：1.单时段线控制系统。

整个系统只有一种周期、绿信比和相位差，只能组合成一种控制模型。

系统只按一种控制模型工作，不能适应经常变化的交通流量。

这是早期发展的一种简单线控制系统。

2.多时段线控制系统。

它具有多种周期、绿信比和相位差，可组成多种控制模型，并能按时间自动变换，以适应交通流量的变化。

3.感应式线控制系统。

具有有电缆控制系统所具有的控制功能。

主控制器内贮存多种控制模型，根据车辆检测器所检测到的交通量大小，实时地改变控制模型。

普遍应用的线控制模型有同时式、交变式、推进式等几种。

其基本原理是在各交叉口信号周期统一的前提下，适当调整各信号机的绿信比和相互间的相位差，使被控制的干道上形成“绿波带”，车辆在行驶中减少遇到红灯的次数，从而提高干道的通行能力。

面控制系统：面控制是对城市道路网上若干个相邻交叉口的信号周期、绿信比、相位差和设在道路上的各种可变标志进行集中统一控制。

面控制系统由以下几部分构成：（1）控制中心，在控制中心设有中心处理机及其外围设备、地图显示板、交叉口信号状态显示板、交通情况显示板、交通事故和车辆诱导显示装置、控制台等；（2）传输系统，由中央数传机、终端数传机和传输线组成；（3）信号控制系统；（4）交通情报收集系统，由设在道路上的各种车辆检测器组成；（5）可变标志系统；（6）通信系统，包括有线电通信和无线电通信；（7）电视监视系统；（8）控制模型和软件系统。

面控制系统的功能：（1）收集交通情报。

设在道路上的车辆检测器随时把检测到的车辆数、车辆行驶速度、车辆阻塞度和空间占有率等情报，通过传输系统送到中心处理机处理。

（2）控制终端信号机和可变标志。

中心处理机根据交通流量的变化，实时地改变控制模型，随时发出控制指令，控制终端信号机和可变标志。

（3）诱导车辆。

中心处理机根据收集的交通情报，对于交通阻塞地点，一方面控制有关的终端信号机和可变标志以诱导车辆，另一方面通过通信系统，发布交通阻塞情报，诱导车辆避开阻塞地点。

（4）集中监视。

通过各种显示设备和电视监视系统，工作人员可了解控制区域内的交通状况，为迅速排除交通阻塞、处理异常情况、采取人工干预提供直观依据。

面控制系统因有上述功能，所以对疏导交通流量，提高道路通行能力，减少交通事故和交通公害有明显的效果。

面控制模型是保证实现系统功能的软件系统。

在一个区域内，把各种复杂的交通流视为一个整体，用交通流理论，确立其数学模型。

交通控制系统今后将从被动系统向主动系统发展。

所谓主动系统即是按程序行驶系统。

主动系统的中心处理机可直接掌握控制区域内每辆车的出发点和要去的目的地，并为其选择最佳路径。

在控制方法上，将改变定周期的系统控制,使系统内的周期可随时改变,增加系统的灵活性，以适应瞬时变化的交通流量。

在控制设备上，将广泛采用大规模集成的电子化设备和微型计算机。

1.2 国内交通现状以及控制系统的使用情况近年来，国内经济高速发展，机动车急剧增加，出现了现有的道路系统不胜负荷的局面。

目前，我国的交通属于路上交通为主，并且多是平面交通状态，形成了“人车混行，快慢车混行”的特点。

国内城市的道路面积率比他国同等规模的城市道路面积率小，有统计（北京统计网2000年统计数据）显示如下表。

表1.1 国内城市道路面积率与国外同规模城市比较城市北京上海天津东京华盛顿巴黎参数城市道路面积6.5 7 8 13.5 48 25.8率（%）人均道路面积6 4.46 7.53 13.6 10.1 9.3率（㎡/人）现我国已有一些自主开发的城市交通控制与管理系统，但局限与科技水平以及技术问题，在整体性能上还不如国外的系统完善，只实用于中小城市，大规模的城市仍旧使用国外进口的交通控制与管理系统。