交通信号控制的基础理论知识

第2章交通信号控制的基础理论知识
2.1交通控制的分类
城市交通控制有多种方式，其分类也有很多种。

从不同的角度看有不同的划分方式。

1、从控制策略的角度可分为三种类型
（1）定时控制:交通信号按事先设定的配时方案运行，配时的依据是交通量的历史数据。

一天内只用一个配时方案的称为单时段定时控制，一天内不同时段选用不同配时方案的称为多时段定时控制。

根据历史交通数据确定其最优化配时的方法webster(1958)，Bollis(1960)，Miller(1963)，Blunden(1964)，Allsop(1971)等人的著作中已有详述。

我国杨佩昆等学者也有这方面的研究成果。

现在最常用的信号配时方法有:韦尔伯特法、临界车道法、停车线法、冲突点法。

定时控制方法是目前使用最广的一种交通控制方式，它比较适应于车流量规律变化、车流量较大(甚至接近于饱和状态)的路口。

但由于其配时方案根据交通调查的历史数据得到，而且一经确定就维持不变，直到下次重新调整。

很显然，这种方式不能适应交通流的随机变化，因而其控制效果较差。

（2）感应控制:感应信号控制没有固定的周期，他的工作原理为在感应信号控制的进口，均设有车辆检测器，当某一信号相位开始启亮绿灯，感应信号控制器内预先设置一个“初始绿灯时间”。

到初始绿灯时间结束时，增加一个预置的时间间隔，在此时间间隔内若没有后续车辆到达，则立即更换相位;若检测到有后续车辆到达，则每检测到一辆车，就从检测到车辆的时刻起，绿灯相位延长一个预置的“单位绿灯延长时间”。

绿灯一直可以延长到一个预置的“最大绿灯时间”。

当相位绿灯时间延长到最大值时，即使检测器仍然检测到有来车，也要中断此相位的通行权，转换信号相位。

感应式信号控制根据检测器设置的不同又可以分为半感应控制和全感应控制。

只在交叉口部分进道口上设置检测器的感应控制称为半感应控制，在交叉口全部进道口上都设置检测器的称为全感应控制。

感应控制方法由于可根据交通的变化来调节信号的配时方案，因此比定时控制方法有更好的控制效果，特别适用于交通量随时间变化大且不规则、主次相位车流量相差较大的路口。

感应控制方法存在的缺陷在于，感应控制只根据绿灯相位是否有车辆到达而做出决策，而不能综合其它红灯相位的车辆到达情况进行决策，因此它无法真正响应各相位的交通需求，也就不能使车辆的总延误最小。

（3）自适应控制:连续测量交通流，将其与希望的动态特性进行比较，利用差值以改变系统的可调参数或产生一个控制，从而保证不论环境如何变化，均可使控制效果达到最优。

自适应控制系统有两类，即配时参数实时选择系统和实时交通状况模拟系统。

配时参数选择系统是在系统投入运行之前，拟定一套配时参数与交通量等级的对照关系，即针对不同等级的交通量，选择相应最佳的配时参数组合。

将这套事先拟定的配时参数与交通量对应组合关系贮存于中央控制计算机中，中央控制计算机则通过设在各个交叉口的车辆检测器反馈的车流通过量数据，自动选择合适的配时参数，并根据所选定的配时参数组合实行对路网交通信号的实时控制。

实时交通状况模拟系统不需要事先贮存任何既定的配时方案，也不需要事先确定一套配时参数与交通量的对应选择关系。

它是依靠贮存于中央计算机的某种交通数学模型，对反馈回来的实时交通数据进行分析，并对配时参数作优化调整。

配时参数的优化是以综合目标函数(延误时间，停车次数，拥挤程
度及油耗等)的预测值为依据的。

因此，它可以保证整个路网在任何时段都在最佳配时方案控制下运行。

从总体来看，自适应系统的控制在很大程度上依赖于交通流数据的实时检测，因此系统对交通检测设备和交通数据传输设备的精度和可靠性要求很高。

与定时系统相比，自适应控制系统的设备配置复杂得多，建设投资要高很多。

2、按照控制结构分类
可分为集中控制、分散控制和递阶控制。

（1）在集中控制中，控制中心直接控制每个子系统，每个子系统只能得到整个系统的部分信息，控制目标相互独立。

其优点是系统的运行的有效性较高，便于分析和设计;但若中心有故障，则整个系统将瘫痪。

（2）在分散控制中，控制中心控制若干分散控制器。

每个分散控制器控制一个独立的控制目标，即具体的子系统，此类结构的优点在于局部故障不至于影响整个系统，但全局协调运行较困难。

（3）递阶控制中，当系统由若干个可分的相互关联的子系统构成，可将系统的所有决策单元按照一定优先级和从属关系递阶排列，同一级各单元受到上一级的干预，同时又对下一级单元施加影响。

此类结构的优点是全局和局部控制器性能都较高，灵活性和可靠性好。

3、按照控制方式分类
可分为方案选择和方案生成。

（1）方案选择式控制是在控制系统中存贮适合各种交通流状况的多套配时方案，控制系统根据检测器送来得实时交通流、占有率等数据从方案库中选出一套控制信号灯的动作。

这种控制方式在线计算量小，执行速度快，但由于存贮的方案数总是有限，因而只能找到比较适合当时交通流状况的配时方案，而不是最优的。

（2）方案生成式控制能根据每个控制周期交通流的变动情况，自动进行信号周期、绿信比、相位差(甚至是相序)等控制参数的优化计算。

此种控制方式在线计算量增大，但适应交通流变化的能力大大增强，能实现基于某个目标函数下的最优控制。

方案生成式控制有多种形式，如自寻优控制、最优控制等。

4、按照控制范围的不同分类
可以分为点控、线控和面控。

（1）点控:单点交叉口交通信号控制，通常简称为“点控制”。

点控方式适用于相邻信号机间距较远、线控无多大效果时;或因各相位交通需求变动显着，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。

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。

（2）线控:线控方式是将一条主干道的一连串交叉路口作为控制对象。

它要考虑这一连串交叉路口的交通流状况，并对其进行协调控制。

（3）面控:面控方式是将城市中某个区域中的所有信号化交叉路口作为控制对象，其控制方案相互协调，使得在该区域内某种指标，如总的停车次数，旅行时间，耗油量等最小。

由于任何一个交叉路口都处于整个城市交通网的大环境中，所以为了能够提高整个交通网络的通行能力，今后交叉口研究方向将趋向于多路口协调控制即
线控和面控。

未来的交通信号控制仍然是点、线、面控制并存的形式。

对于中小城市，仍将是点、线控制相结合的控制方式。

对于大型城市，大多将采用网络控制方式。

智能交通系统将是今后研究的热点。

2.2交通信号控制的主要控制参数
交叉口信号控制的参数主要包括周期、绿信比及相位。

控制系统的控制目标就是要最佳地确定道路各交叉路口在车流方向上的控制参数，并付诸实施。

2.2.1周期
指信号灯的各种灯色轮流显示一次所需要的时间。

也即各种灯色显示时间之总和。

它是决定点控制定时信号交通效益的关键控制参数。

一般信号灯的最短周期长度不少于36秒，否则就不能保证几个方向的车流顺利通过交叉口。

最长周期长度一般不超过120秒，否则，可能引起等待司机的烦躁或误以为灯色控制已经失灵。

适当的周期长度对路口交通流的疏散和减少车辆等待时间具有重要意义。

从疏散交通的角度讲，显然当交通需求越大时，周期应越长，否则一个周期内到达的车辆不能在该周期的绿灯时间内通过交叉口，就会发生堵塞现象。

从减少车辆等待时间的角度来讲，太长或太短的周期都是不利的。

若周期太短，则发生堵车现象。

若周期太长，则某一方向的绿灯时间可能大于实际需要长度，而另外方向的红灯时间不合理延长必然导致该方向车流等待时间的延长。

正确的周期时长应该是，每一个相位的绿灯时间刚好使该相位各入口处等待车队放行完毕。

2.2.2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值。

若设 i
G t 为第i 相信号的有效绿灯时间，c 为周期长度，则该相信号的绿信比i λ为 i
G i t c λ=（2.1）
显然，01i λ<<绿信比反应了该信号相位交通流在一个周期中需要绿时的大小。

绿信比的大小对于疏散交通流和减少交叉路口总等待时间有着举足轻重的作用。

通过合理地分配各车流方向的绿灯时间(绿信比)，可使各方向停车次数、等待延误时间减至最小。

2.2.3相位
在交通控制中，为了避免平面各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，而与之冲突的其它交通流不能通行。

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，则称该信号系统为几个相位系统。

在相位的时间这一概念上，相位时间包括绿灯时间与黄灯时间。

2.3交通控制的评价指标
交通信号控制的目的是，就是采用合理的配时方案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、饱和度、排队长度、延误、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、排队长、通行能力。

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。

2.3.1延误时间
延误时间是指车辆在没有交通信号和等待队列的阻碍下行走所需的时间和实际的行程时间之差。

延误时间有平均延误和总延误两个评价尺度。

交叉口进道口所有车辆的延误总计称作总延误;交叉口进道口每辆车的平均延误称作平均延误。

2.3.2饱和度
某个交叉口进口的车流量与可从该进口通过交叉口的最大流量的比值，即际到达交通量与通行能力之比，就是该进口的饱和度。

计算公式为: q x s λ=
（2.2）
式中: q —进口的车流量; λ—相应相位有效绿灯时间与周期时间的比值;
s —进口的饱和流量。

2.3.3通行能力
通行能力是指在实际的道路条件、交通条件和控制条件下，在一定时间内通过进道口停车线的最大车辆数;交叉口的通行能力不仅与控制策略有关，还与实际道路条件(包括引道宽度、车道数、转弯半径、转弯长度、引道坡度)和交通条件(车流量、车辆种类、拐弯车比例、车速、非机动车和行人干扰、车道功能划分等)密切相关。

通行能力是交叉口饱和程度的重要评价指标。

在一定的道路条件下，信号控制路口的通行能力受信号周期的影响。

在正常的周期长范围内，周期时长越长，通行能力越大，但车辆延误和油耗等也随之越大。

而且在饱和度相当小时，片面的追求通行能力的提高，只会无谓的增加油耗和车辆延误，对交叉口的交通效益无多大意义。

2.3.4平均排队长度
平均排队长度是指在信号一个周期内各条车道排队的最长长度平均值。

各条车道最长排队长度一般是指该车道的绿灯相位起始时的长度。

1n i
avg i l n L ==∑（2.3）
式中n 为车道数。

平均排队长度以周期为单位计算。

某个周期平均车辆排队长度与此周期平均车辆延误的指标基本是一致的。

2.4交通流的基本参数
表征交通特性的三个基本参数分别是:交通量q 、车流密度k 和行车速度v 。

2.4.1交通量
交通量q 是指在选定的时间段内，通过道路某一地点、某一断面或某一条车道的交通实体数。

交通量是一个随机数，不同时间、不同地点的交通量都是变化的，交通量随时间和空间变化的现象，称之为交通量的时空分布特性。

通常取某
一时间段内平均值作为该时间段内的交通量，如式(2.4)所示。

1
1n i i q n q ==∑（2.4）
式中: i q —规定时间段内的交通量； n —时间段数。

2.4.2车流密度
车流密度片是指某一瞬间单位道路长度上的车辆数目。

N
L k =（2.5）
式中:k —车流密度(veh/km);
N —路段内的车辆数(Veh);
L —路段长度(km)。

车流密度大小反映一条道路上的交通密集程度。

为使车流密度具有可比性，车流密度也可按单车道来定义，单位为:Veh/km/车道。

2.4.3行车速度
行车速度v 是指区间平均速度。

即是指在某一特定瞬间，行驶于道路某一特定长度内全部车辆的车速分布平均值。

当观测长度一定时，其数值为车速观测值的调和平均值。

见式(2.6)。

11
(2.6)111n n i i i i nL t n v v ====∑∑ 式中: L —路段长度;
i t —第i 辆车的行驶时间;
n —行驶于长度为L 路段上车辆数;
i v —第i 辆车的行驶速度;
v —区间平均速度;
交通流三参数之间的基本关系式为q v k =。

2.5本章小结
本章首先对交通信号控制的分类进行了详细的阐述，然后介绍了信号控制的基本参数，包括周期长度、绿信比和相位差。

最后介绍了交通信号控制的评价指标和交通流的几个参数以及它们之间的关系。

对此我们将以平均延误时间最短为目标，综合交通信号的各项指标和参数，采用自适应控制对点线面交通进行智能控制。

第3章城市路网结构
3.1路网几何形状描述
3.1.1路段几何形状描述
路段是组成路网的基本元素。

路段的几何形状包括：起点、终点、长度、宽度、中间隔离带、车道的数量、车道的走向、车道的宽度等。

路段由车道组成，车道按照走向分为两类：上行车道组和下行车道组。

两组车道的方向相反，上行车道和下行车道在物理位置上相邻，包含的车道数目多数情况下是相等的，如图3.1所示。

在路段上行走的车辆可以在上行车道组内切换车道，但是不能从上行车道组切换道下行车道组。

如果将路段由两个管道来描述，车辆可以自由地从一个管道进出，但是进入管道的车辆不能进入另外一个相邻的管道，如图3.2所示。

图3.1路段车道示意图图3.2路段管道示意图
3.1.2交叉口几何形状描述
城市路网普遍存在两种类型的交叉口：“＋”字交叉口和“T”形交叉口。

对于“T”形交叉口与“＋”字交叉口类同且简单一些，我们这里主要针对复杂一些的“＋”字交叉口作分析。

如图3.3 所示平面十字交叉口, 进口道分别编号为1，2，3，4, 车道分别编号为1，2，3，⋯16；图3.4 为交通流具体示意图。

图3.3平面十字交叉口示意图图3.4 交通流具体示意图
3.2路网中交叉口相位划分
城市交通中将长期存在大量的交叉口，虽然三维空间的立交桥是解决交叉口局限性的一种有效措施，但是立交桥占地面积大，对空间非常有限的城市而言不够现实，而且立交桥造价昂贵。

在交通不太紧张的区域，交叉口完全能够应付。

在交通控制中，为了避免平面交叉口各个方向上交通流之间产生冲突，通常采用分时控制的方式。

在一个周期的一段时间上，允许交叉口上某一支或几支交通流通过，其他交通流上的车辆则不允许通过。

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成为信号相位，简称相位。

一个周期内有几个信号相位，则称交叉口为几相位交叉口。

对相位的划分不是越多越好，相位太多，会带来一些问题。

首先相位切换需要一定的时间，频繁切换，会浪费交叉口的通行时间，影响通行率；再次，对与周期固定的交叉口，意味着相位的通行时间变短，这样会导致没有在绿灯时间通过的车辆承受较长的红灯时间，影响驾驶员的情绪，增加交通安全隐患。

3.2.1“T”型路口相位划分
侧支路段与主干道相连接形成“T”型路口，它是城市交通路网中普遍存在的控制点；城市小区与小区之间通常存在连通的路网，面积大的小区和面积小的小区并列时也会形成“T”型路口。

图3.5为“T”型口在时间上会发生冲突的相位分组：西路段上存在右转交通流，不存在左转交通流。

东路段上存在左转交通流，不存在右转交通流，对所有右转交通流和东路段上向西的交通流也不需要控制。

相位1为西路段向东的交通流，相位2为南路段上向北左转的交通流，相位3为东路段上向西左转的交通流。

图3.5“T”形路口单相位控制相位划分示意图
3.2.2“十”字路口相位划分
如果不考虑进入“十”字路口的车很少存在相邻路段返回的情况。

“十”字路口应严格划分为四个相位：东西直行相位，南北直行相位，东西左转相位，南北左转相位。

所有右转交通流不会与其他交通流发生空间上的冲突，所以不予控制，如图3.6所示。

周期
图3.6 信号控制的4种相位描述
3.3 路网中交叉口信号控制原理
现在城市中最常用的就是四相位的定周期控制策略，它可以较充分的描述路口的各种交通流状态，同时这种四相位的控制模式也是现在研究最多的一种控制模式。

四相位如图3.7所示，第一相位为东西相位，第二相位为南北相位，第三相位为东西左转相位，第四相位为南北左转相位。

在任何时刻，四个相位中只有一相处于通行状态。

检测器对路口各个车道车流量进行实时检测而获取车流量信息，为模糊控制提供必要的数据。

图3.7 “十”字路口单相位控制相位划分示意图
对于此交叉口，我们可以通过信号控制，只使相位1通行，而其他相位不通行；接着相位1通行一段时间后只使相位2通行；同理使相位3、相位4依次处于通行状态，从而使各相位都通行一次，使各相位的车辆都尽可能通行完。

本文就是针对这种四相位模式应用模糊控制方法，既使控制效率得到提高，同时也尽可能的保持了大家原有的习惯，更便于应用于实际情况。