交通干线协调控制方法及仿真

道路交通干线信号协调控制方法及仿真【摘要】交通拥堵与过饱和已成为制约城市交通发展的重要原因之一，而在城市交通中，相邻的交叉口联系最为密切，以相邻路口作为系统管理是必要的。

交通干线信号协调控制是充分利用交通规律来实现优化控制，以便达到交通系统运行效率最大。

本文介绍了交通干线信号协调控制的产生和发展，总结和评述了干线定时协调控制、干线感应自动协调控制、干线自适应协调控制等主要的交通干道信号协调控制方法，并对常用的几种干线协调控制方法进行了仿真对比，最后对交通信号协调控制的发展提出了展望。

【关键词】交通干线信号;协调控制方法；智能算法；仿真自1868年在英国伦敦出现了世界上第一个煤气照明交通信号灯100多年以来，为了科学组织和控制交通流，人们进行了深入的研究。

本文根据当前交通干线协调控制的发展现状，分别综述了干线协调控制常用的方法，并对其中主要的控制方法进行了仿真比较。

一、交通信号控制的基本理论（一）交通信号控制发展历程城市交通信号控制技术至今己经发生多次重大变革，大体经历了四个主要的发展阶段:第一阶段为机械式交通信号控制技术。

主要依靠目视采集信息，并加以判断，手动控制红绿灯点亮时间长短。

第二阶段是固定配时交通信号控制技术。

主要靠经验和历史交通数据确定单台交通控制器的信号周期和绿信比，由计算机技术实现自动控制，主要分为定周期控制和多时段控制。

第三阶段是感应式交通信号控制技术。

主要根据车辆检测器测得的交通流数据来调节单台交通控制器信号显示时间的控制方式。

第四代是线控技术和区域交通信号协调控制技术。

线控技术是把一条道路上多个相邻交叉路口的交通信号协调起来加以控制的控制方式。

区域交通信号协调控制技术是把一个区域内所有交通信号联结起来进行区域协调控制的交通信号控制系统。

（二）交通信号控制策略介绍交通信号控制策略有两种分类方式。

一种按控制范围来分类，主要包括单点控制、干线控制和面控制;另一种按控制原理进行分类，即按信号控制器对局部交通信息的响应方式进行分类，主要包括定时控制、感应控制以及自适应控制。

在交通信号控制系统的实际应用中，以上两类控制方法内的各种控制方法可相互组合，从而达到优化信号配时，改善交通状况的目的。

１、单点控制:该种控制方式为各交叉口各自互不相关地独立进行控制。

单个交叉口可以是定时控制，也可以是车辆感应控制或自适应控制。

目前，我国大多数交叉口采用的控制属于这种类型。

２、干线协调控制:所谓干线协调控制，是指通过调节主干道上各信号交叉口之间的相位差，使干道上按规定车速行使的车辆，获得尽可能不停顿的通行权，也就是通常所说的“线控”。

３、区域协调控制:所谓区域协调控制，是指从整个区域系统的战略目标出发，根据交通量的检测数据，协调区域内各交叉口的交通信号配时，取得整体最优的效果。

４、定时控制:所谓定时控制，是指信号控制机根据自身存储的配时方案进行信号控制。

在实际使用中，通常根据每口交通量的分布情况，进行多时段定时控制:即把每天分成几个时段，每个时段内的交通量基本不变，针对该交通量得到配时方案，信号机根据实时时钟自动进行方案的切换。

５、感应控制:所谓感应控制，是指信号控制机根据车辆检测器检测是否有车辆到达，然后决定是否开启绿灯或延长绿灯等操作。

从实施来看又可以分为两种:一种是半感应控制，即在交叉口部分进口道安装检测器，根据安装检测器的干道的交通需求进行信号控制;另一种是全感应控制，即在交叉口的所有入口道上均安装检测器，根据所有入口道的交通需求进行信号控制。

６、自适应控制:所谓自适应控制，是指根据交通量检测数据，通过先进的优化控制算法进行优化控制，按照某种评价指标达到一个最优的控制效果。

这种控制方式是目前学者们研究的重点。

干线自适应协调控制能够连续测量交通系统状态，逐渐了解和掌握对象，确保控制效果达到最优。

具有代表性的自适应控制系统有SCATS，SCOOT，RHODE等交通控制系统。

（三）交通信号控制基本参数城市交通信号控制就是通过交叉路口的信号灯配时方案进行有效控制，使得车辆高效地驶离交叉路口，合理指挥交通流的通行或停止，达到疏导交通流的目的。

对于干线信号控制而言，信号配时的主要参数包括:周期时长、相位、绿信比和相位差。

(1)周期时长：信号灯各种灯色轮流显示一个循环所需的时间，即绿、黄、红三种灯色一个循环显示时间之和，或是从某相位的绿灯启亮开始到下次该绿灯再次启亮之间的一段时间，简称周期。

(2)相位：信号相位是指在一个交叉口某个方向上的交通流(或几个方向上的交通流的组合)同时得到的通行权或被分配得到这些通行权的时间带。

(3)绿信比：绿信比是指在一个周期内(对于一个指定相位)，有效绿灯时间与信号周期长度之比。

即λ=g e/C其中，g e为有效绿灯时间(指定相位中获得通行权的车辆能够利用的绿灯时间)，C为周期时长。

(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(两相位周期时长相同)。

如图1.31所示计算相位差。

图1.31 相位差计算图（四）交通信号控制评价指标(1)延误时间：延误是由于交通干扰、交通管理和控制设施等因素引起的车辆运行时间损失。

(2)通行能力：通行能力是指在实际的道路条件、良好的气候条件和路面条件下，在一定时间内通过进道口的最大流率。

(3)停车次数：停车次数就是一个信号周期内完全停车次数的总和，停车率是指一个信号周期内停车数占通过停车线(交叉口)车辆总数的比率。

(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最长的长度平均值。

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。

二、干线协调控制方法交通干线的信号协调控制系统，又称“线控”系统，主要用于城市的主干道上。

干线中的各交叉口采用相同的信号周期，但绿灯的开始时间错开一定的相位差，只要驶入干线的车辆按照规定的速度行驶，基本上可以处处遇到绿灯。

我国把这种由有节奏地变化绿灯所组成的交通控制称为“绿波控制”。

（一）干线信号协调控制的适用条件(１)车辆到达特性的要求：在一个信号交叉口，如果车辆脉冲式到达，采用线控系统就可以得到良好的效果。

如果车辆的到达是均匀到达的，线控效果不会理想。

(2)相邻信号交叉口之间的距离要求：在干线上，信号交叉口的间距可在100-1000m以上的范围内变化。

相邻信号交叉口之间的距离越远，线控效果越差，一般相邻交叉口的距离不宜超过600m。

(３)信号的相位分配要求：由于信号配时方案和信号相位有关，信号相位越多，对线控系统的通过带宽的影响越大，因而受控制交叉口的类型也影响线控系统的效果。

(４)交通流的要求：干线协调控制适用于低饱和交通流的交通情况，当交通流大于饱和流量时，其控制效果不如单路口定时控制的效果。

其次，支路上的交通流必须小，否则，车辆从支路转入干道而使得原先的车队离散。

（二）干线信号协调控制的协调方式干线控制不同于单点控制的关键之处在于交叉口间的联动协调，通常可分为单向交通干线协调和双向交通干线协调。

(1)单向交通协调方式单向交通组织的道路，或者双向道路两个方向的交通量悬殊比较大的情况下，只要对交通量较大的方向进行信号协调控制，这两类道路最容易实现干线交通信号协调控制。

相邻交叉口信号间的相位差按如下:(2)双向交通协调方式双向交通组织道路的信号协调控制，在各交叉口间距相等时比较容易实现，且当信号间车辆行驶时间正好是线控系统周期时长的一半的整倍数时，可获得理想的效果。

各交叉口间距不等时，信号协调控制就较难实现，可以采取试探与折中方法求得信号协调。

一般来说，要在上、下行都能达到高带宽是困难的，协调的方式通常有以下几种:①优先相位差协调控制方式该方式让某一方向优先并且设置比较宽的通过带。

在早晚交通高峰期间，上、下行交通量差别显著的情况下，按照交通量大的方向设置相位差，使其通过带尽可能的宽，就可以得到较高的系统效率。

其相邻交叉口的相位差计算如下:②同步式协调控制方式干线上所有的交叉口，在同一时刻，显示相同的信号灯色，即相邻路口间的相位差恰好等于信号周期的长度。

有两种情况适合于采用这种协调方式:一是车辆在相邻交叉口间的行驶时间等于信号周期长度的整数倍数；二是干线上交叉口间距较短，且干线上的交通量远远大于次干线方向上的交通量，此时可以把该相邻交叉口看成是一个交叉口，采用相同的配时方案。

③交互式协调控制方式连接在系统中的相邻交叉口的信号在同一时刻协调相位的车流显示相反的灯色。

车辆在相邻交叉口间的行驶时间等于信号周期时长的一半的奇数倍数时可以采用交互式协调控制，即满足关系:（三）干线协调控制方法分类常用的线控系统的控制方式可以是定时控制(离线控制)，也可以是实时控制(在线控制)。

如果所用的控制配时方案是根据历史时间内的交通流的变化规律预先确定好的，这种系统控制方式就称为定时线控系统。

如果控制变量值是基于实时测量到的实时交通参量，那么，这种控制就称为实时控制系统。

一般而言，定时线控系统的设备较为简单，但缺乏适应性;而实时式控制系统设备较为复杂，但可以提高控制效果。

１、定时式线控系统定时控制根据交叉路口历史交通量数据预先确定配时方案，是实际交通中可以实现的一种最基本控制方式。

在定时干线信号控制中，配时方案包括周期长度、绿信比和相位差都是根据历史的交通数据事先确定的。

信号控制系统只执行一种配时方案的被称为单时段定时控制;一天按不同时间段的交通量可以执行不同配时方案的则称为多时段定时控制。

定时干线协调控制是在定时单点控制的基础上，通过计算相邻交叉口间的相位差，来调整干线上各交叉口信号灯间的相位变换起始时刻，形成有效的绿波带，进而实现干线上连续交叉口的协调控制。

设计定时干线协调控制配时方案的方法有计算法、计算机配时法、基于Webster理论的协调控制法等。

如图2.31所示。

在知识库中，将一天按照历史流量信息划分为几个时段，并为每个时段T设计一套配时方案P。

当运行到时段T时，控制软件将对应的配时方案P下发给路口信号机执行。

图2.31 定时式线控系统示意图2、实时式线控系统感应控制根据交通路口的交通量的变动进行实时控制，没有固定的周期和绿信比,其基本原理是某相位在最小绿灯结束时，若检测到车辆到达则给出一个单位延长时间，否则转到下一个相位，直到达到最大绿灯时间。

感应控制从检测器埋布方式上可以分为两种:一种是半感应控制，另一种是全感应控制。

如图2.32所示。

埋设在交叉口的检测器，可以感知各种来自路面的信息，包括车流量和排队长度等，为计算机选择配时方案提供了大量的基础数据。

图2.32实时线控系统示意图（四）智能算法在干线信号控制中的应用人工智能近年发展的成果，为智能交通系统的研究提供了坚实的理论基础，可以利用这些成果解决传统方法无法解决的问题。