城市交通信号控制系统

某一时刻，灯控路口各个方向各信号灯状态所组成的 一组确定的灯色状态称为步。
例如：信号机在时刻7:30开机，此时方向1和方向3左转 绿箭头灯和红灯亮，方向2和方向6的红灯亮，所有人 行红灯亮，若该状态持续35s，则这是控制方案中的一 步，其步长为35s。
6.2.2.2 周期
用于指挥交通的信号总是一步一步循环变化的，一个 循环由有限个步构成。一个循环内各步的步长之和称 为信号周期，用 表示。
6.1 交通信号控制系统概述
2）按控制范围分类
（1）点控方式 点控方式是指每个交叉口的交通控制信号只
按照该交叉口的交通情况独立运行，不与其邻 近交叉口的控制信号有任何联系，即单点信号 控制。这是交通信号控制的最基本形式。
点控方式适用于相邻交叉口间距较远，或者 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的情况。
感应式联机控制系统能够及时响应交通流的随机变 化，控制效果好，但控制结构复杂、投资高、对设备可 靠性要求高。目前比较成熟的在线控制系统有：英国的 SCOOT（Split Cycle Offset Optimization Technique）系统， 澳大利亚的SCATS（Sydney Coordinated Adaptive Traffic System）系统等。
6.1 交通信号控制系统概述
6.1 交通信号控制系统概述
集中式控制结构的缺点是： ①大量数据的集中处理及整个系统的集中控制， 需要庞大的通信传输系统和巨大的存储容量； ② 控制系统的实时性较差，控制区域范围较 小。目前集中式控制结构已经很少采用。
6.1 交通信号控制系统概述
（2）分层式控制结构
6.2 城市交通控制的基本理论和方法
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，但已越过停止线 的车辆和进入人行横道的行人，可以继续通行。 ……
6.2.2 交通信号控制参数
6.2 城市交通控制的基本理论和方法
6.2.2.1 步与步长
特点：定时式脱机控制系统简单、可靠且效益投资比 高，但不能及时响应交通流的随机变化，因此当交通 量数据过时后，控制效果明显下降。
6.1 交通信号控制系统概述
b. 感应式联机控制系统
通过路网上的车辆检测器，实时采集交通量数据，进 行交通模型辩识，进而得到与配时参数有关的优化问 题，在线求解该问题即获得配时方案，然后对区域内 的交通信号实施控制。
动态控制 多 变 环形线圈
6.1 交通信号控制系统概述
年份 方式 国别 2019 面控 德国
应用城 系统名称 系统
市
特征
科隆
MOTION 动态 控制
路口数 周期
多
变
检测器
环形线 圈
2019 面控 美国
新泽西 OPAC
动态 多
变
控制
环形线 圈
2019 面控 美国
凤凰城 RHODES 动态 多
变
控制
环形线 圈
6.1 交通信号控制系统概述 2）按控制结构分类
（1）集中式控制结构 将控制区域内所有信号机通过网络联结起来，通过控
制中心的一台或多台计算机确定各信号机的控制方 案，实现整个系统的集中控制。
集中式控制结构的优点是： ①系统控制设备位于控制中心，系统结构简单； ②系统的研制和维护比较容易； ③所需设备较少，系统成本较低。
6.1 交通信号控制系统概述
（3）面控方式 以某个区域中所有信号控制交叉口作为协调控制
的对象，称为面控制系统。 控制区内各受控交通信号都受交通控制中心的集
中控制。对范围较小的区域，可以整区集中控制； 对范围较大的区域，可以分区分级控制。分区的结 果往往使面控制成为一个由几条线控制组成的分级 集中控制系统，这时，可认为各线控制是面控制中 的一个单元，有时分区成为一个点、线、面控制的 综合性分级控制系统。
6.1 交通信号控制系统概述
1）按控制方法分类
（1）定时控制 交叉口交通信号控制机均按事先设定的
配时方案运行，也称定周期控制。
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。
6.1 交通信号控制系统概述
（2）感应控制 感应控制是在交叉口进口道上设置车辆检测器，信号
在系统中，上层控制主要接受来自下层控 制的决策信息，并对这些决策信息进行整体协 调分析，从全系统战略目标考虑修改下层控制 的决策；下层控制则根据上层控制确定的控制 策略，确定或调整自身的控制方案。
这种结构可以避免集中控制结构的缺点， 且有降级控制的功能，提高了系统的可靠性， 但需增加设备，投资较高。
③第三级 位于交通控制中心，负责整个系统的协调控制。 控制中心能监视控制区域内任一信号交叉口的数据，接收、 处理相关数据，确定第二级控制的控制策略，并提供监视 和显示设备。
6.1 交通信号控制系统概述
多级控制的优点包括： ①通过数据的预处理和集中传输，能减少传输费用； ②系统不依赖于一个控制中心或集中的传输网络，具 有很高的可靠性； ③能处理的实时单元(检测器、交叉口信号机等)的容量 较大； ④控制方法和执行能力比较灵活。
燃气色灯 1
周期 定
1914 点控 美国 1926 点控 英国 1928 点控 美国 1917 线控 美国
克利夫 兰 各城市
各城市
盐湖城
电灯
1
定
自动信号 1
定
机
感应信号 1
变
机
手控协调 6
定
1922 线控 美国
休斯敦
电子计时 12
定
1928 线控 美国 1952 面控 美国
各城市 丹佛市
步进式定 多
6.1 交通信号控制系统概述
3) 按控制策略分类
a. 定时式脱机控制系统
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。系统只有在网络交通条件发生重大变化，原信号 配时方案不能满足要求时，才重新对整个网络进行一 次交通量数据采集、处理，进而更新信号配时方案。
6.1 交通信号控制系统概述
6.1.1 交通控制发展历程
1868年，英国伦敦Westminster街口出现了最早的 交通信号灯，是一种煤气灯。
1914年以及稍晚一些时候，美国的克利夫兰、纽 约和芝加哥出现了手动操作的三色信号灯，采用电力 发光。
1926年，英国人在 Wolverhampton 安装了第一座 自动交通信号机。
6.2 城市交通控制的基本理论和方法
若一个循环有n步，各步步长分别为t1,t2,…,tn 则 C=t1 + t2 + … +tn
6.2.2.3 相位
在交通控制中，为了避免平面交叉口上各个方向 交通流之间的冲突，通常采用分时通行的方法，即在 一个周期的某一个时间段，交叉口上某一支或几支交 通流具有通行权，而与之冲突的其他交通流不能通行。 在一个周期内，平面交叉口上某一支或几支交通流所 获得的通行权称为信号相位，简称相位，一个周期内 有几个信号相位，则称该信号系统为几相位系统。
6.1 交通信号控制系统概述
（2）线控方式 把干道上若干连续交叉口的交通信号通过一定的方式
联结起来，同时对各交叉口设计一种相互协调的配时方 案，各交叉口的信号灯按此协调方案联合运行，使车辆 通过这些交叉口时，不致经常遇上红灯，称为线控方式， 也叫“绿波”信号控制。
线控方式的基本思路是：希望车辆通过第一个交叉口后， 按一定的车速行驶，到达以后各交叉口时就不再遇上红 灯。但实际上，由于各车在路上行驶时车速不一，且随 时有变化，交叉口又有左、右转弯车辆进出等因素的干 扰，所以很难达到一路都是绿灯的要求，但使沿路车辆 少遇几次红灯，减少大量车辆的停车次数与延误则是能 够做到的。线控方式的一个关键就是实行线控的各交叉 口信号周期长相同。
多级控制的缺点是： ①需要的设备多，系统成本高； ②设备维护比较复杂； ③控制程序较复杂。
6.1 概述 6.2 城市交通控制的基本理论和方法 6.3 定时式脱机控制系统 6.4 感应式联机控制系统 6.5 基于多智能体的区域交通控制系统
6.2 城市交通控制的基本理论和方法
6.2.1 基本概念 6.2.2 交通信号控制参数 6.2.3 交通模型及有关概念 6.2.4 基本的交通控制方法
1963年，加拿大多伦多市建立了一套由IBM 650 型计算机控制的交通信号控制系统，第一次把计算机 技术应用于交通控制，大大提高了控制系统的性能和 水平，标志着城市交通信号控制的发展进入了一个新 阶段。
交通控制系统的发展过程可表示为：
年份 方式 国别 1868 点控 英国
应用城 市
伦敦
系统名 系统特征 路口数 称
6.2 城市交通控制的基本理论和方法
经过近百年的发展，交通控制已经形成了一套 较为成熟的概念和方法，迄今为止，一些传统 的方法仍在继续发挥着作用。
6.2.1基本概念
平面交叉口一般可分为十字形、X形、T形、Y形和 多路交叉口。
十字形交叉口
X形交叉口
T形交叉口
Y字形交叉口
多路形交叉口
6.2 城市交通控制的基本理论和方法
相位1
相位2
相位3
相位4
6.2 城市交通控制的基本理论和方法
6.2.2.4 绿信比 在一个信号周期中，各相位的有效绿灯时间与周期
长度的比称为绿信比。 若设tGi 为第i个相位信号的 有效绿灯时间，C为周期长度，则该相信号的绿信
6.1 交通信号控制系统概述
①第一级 位于交叉口，由交叉口信号控制机组成，包括功 能： a.监视设备故障(检测器、信号灯和其它局部控制设施)； b.收集检测数据； c.把交通流和设备性能等数据传送到第二级控制； d.接受上级下达的指令并按指令操作。
②第二级 位于所控制区域内的比较中心的位置，功能包括： a.监视从第一级控制送来的交通流和设备性能的数据并传到 第三级控制中心； b.决定要执行的控制类型，选择控制方法并协调第一级控制。
静态控制 动态控制
多 变 环形线圈 多 变 环形线圈
1980
面控 英国 哥拉斯 SCOOT 哥
动态控制 多 变 环形线圈
1982
面控 澳大利 悉尼 亚
SCATS
Biblioteka Baidu
动态控制 多 变 环形线圈
1985 面控 意大利 都灵
SPOT/UTOPI 动态控制 多 变 环形线圈 A
1989 面控 法国 图卢兹 PRODYN
平面交叉口根据交通量情况可采用不同的 交通组织方式，主要有：
1. 环形交通，在交叉口中央设置圆形交通 岛，使进入交叉口的车辆一律绕岛单向 行驶；
2. 无信号控制。交通量较小时 3. 信号控制。采用信号控制机控制或人工
指挥。
6.2.1.1 交通信号灯
交通灯给出为红、黄、绿三色。在多相位信号控制中灯光信 号还包含左转、直行及右转的绿色和红色箭头灯。交通法规：
灯配时方案由计算机或智能化信号控制机计算，可随检测 器检测到的车流信息而随时改变的一种控制方式。
感应控制的基本方式是单个交叉口的感应控制，简称 单点感应控制。
（3）自适应控制 把交通系统作为一个不确定系统，能够连续测量其状
态，如车流量、停车次数、延误时间、排队长度等，逐渐 了解和掌握对象，把它们与希望的动态特性进行比较，并 利用差值以改变系统的可调参数或产生一个控制方案，从 而保证不论环境如何变化，均可使控制效果达到最优或次 最优的一种控制方式。
第六章 城市交通信号控制系统
主要内容
6.1 概述 6.2 城市交通控制的基本理论和方法 6.3 定时式脱机控制系统 6.4 感应式联机控制系统 6.5 基于多智能体的区域交通控制系统
6.1 概述 6.2 城市交通控制的基本理论和方法 6.3 定时式脱机控制系统 6.4 感应式联机控制系统 6.5 基于多智能体的区域交通控制系统
2019 面控 希腊
哈尼亚 TUC
动态 多
变
控制
环形线 圈
6.1 交通信号控制系统概述
6.1.2 交通信号控制系统分类
分类依据 按控制方法 按控制范围 按控制策略(面控)
按控制结构(面控)
分类
定时控制、感应控制、自适应 控制
点控、线控和面控
定时式脱机控制系统和感应式 联机控制系统
集中式控制结构和分层式控制 结构
变
时
模拟计算 多
变
机动态控
制
检测器 无 无 无 气压式
气压式
6.1 交通信号控制系统概述
年份 1963
方式 国别 应用城 系统名称 市
面控 加拿大 多伦多
系统特征
路口 周 检测器 数期
数字计算机 多 动态控制
变 电磁式
1968 1975
面控 英国 面控 美国
哥拉斯 哥
华盛顿
TRANSYT CYRANO