区域信号协调控制

1、区域信号协调控制主要内容一、概述二、固定式脱机控制系统三、SCATS控制系统四、SCOOT系统五、RHODES系统区域交通信号控制（简称面控制）系 统的控制对象是城市或某个区域中所有交 叉口的交通信号。控制区域内各受控交通 信号都受中心控制室的集中控制。对较小 的区域，可以整个区域集中控制；范围较 大的区域，则需分区分级控制。分区的结 果往往成为一个由几条线控系统组成的分 级集中控制系统，这时，可以认为名线控 系统是面控系统中的一个单元；有时分区 还会成为一个由点、线、面控制的综合性 分级控制系统。城市区域交通信号的控制通常基于这 样一个事实：在一个区域或整个城市范围 内，一个路口交通信号的调

2、整将会影响相 邻路口的交通流；而相邻路口交通信号的 改变也会影响本路口的交通状况。因此， 从整个系统的战略目标岀发，根据交通量 检测数据，协调区域内各路口的交通信号 配时，必然能够取得整体最优的效果。而 这种效果是交通信号单点控制所不能获得 的。、概述(一) 概念1. 控制对象：城市或某区域中所有交叉口的交 通信号。通常设立控制中心进行监控，是单点 控制与干线控制的结合2. 控制特点(1) 便于整体监视和控制(2) 因地制宜选择合适的控制方法(3) 有效、经济地选择设备(二) 分类(1)1. 按控制策略分(1)定时式脱机操作控制系统(TRANSYT) 利用已有的交通量统计数据进行脱机优化 处理

3、，得出最优配时方案，然后存入信号机 或控制计算机内，对整个区域实施控制。该 索统只看洼向纟£交通条祥发生重矢变花，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。很显然，离线控制系统 简单、可靠，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。概述（二）分类（2）1.按控制策略分（2）响应式联机操作控制系统通过路网上的车辆检测器，实时采集交通 量数据，进行交通模型辨识，进而可得到与 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。在线控制系统能够及时响应交通

4、流的随机变化，控制效果好，但控制结构复 杂，系统维护困难。、概述(二)分类(3)2. 按控制方式分(1) 方案选择式(SCATS)通常要根据不同的交通流，事先求解出各 种配时方案，存储在中心计算机内，系统运行 时按实时采集的交通量数据，选取最适用的配 时方案，实施交通控制。(2) 方案生成式(SCOOT)根据实时采集的交通量数据，在线算出最 优控制参数从而形成配时方案。-、概述(二)分类(4)3. 按控制结构分(1)集中式控制：多个区域由一个中心控制 优点：研制与维护方便；所需设备较少，维修方便。缺点：通信复杂，存储数量大。考虑因素：需要监视和控制的实时单元的数量； 分配数据和指令所需通信线路

5、的费用； 可选用的控制方法和执行能力的灵活性。-、 概述（二）分类（5）3. 按控制结构分（2）分层式控制第一层：（微观层）交叉口层，一般由信号机 控制功能包括：监视设备故障；收集检测数据 （时间占有率、流量、速度等）；上传分控 中心；接受下达的指令并执行（或人工干 预）。第二层：（中观层）分控中心功能包括：接受信号机上传数据并上报中控 中心；形成方案并下达信号机执行。、概述（二）分类（6）第三层：（宏观层）中央控制中心功能包括：监视整个系统的运行；宏观交通管 理和决策（根据交通强度作出不同的控制决 策）；下达特殊方案分层控制的优缺点优点：减少通信费用；可靠性较高（可降级 处理）；处理实时单元

6、的容量较大；控制方法 较灵活缺点：投资高；设备维护复杂；控制程度复 杂、概述（三）采用区域控制系统应考虑的事项1 控制性能的发展性：在这种大的控制系统的 建设中，要有次序地把现有的定周期式信号 机更换为面控系统。尽量使控制机能引入新 的研究成果，而不致改变原来的机器构成即 尽量利用老的信号机。控制范围有扩大的可能性：随着城市的发展, 城市规模的扩大，必须有可能扩大控制范围, 以扩大中央控制室的作用。、概述（三）采用区域控制系统应考虑的事项2. 高度的可靠性：所有机器要有高度的可靠性, 即系统中的一部信号机发生故障，系统中其 他信号机不会岀现异常，整个系统仍能照常 工作，且能早期发现而予以修复。

7、3. 使用方便：随交通状况的变化，对机器控制 的内容及机器动作的监视和变更更要比较容 易，如岀现暂时性异常时，亦能及时处理4. 在我国现实交通条件下，还必须考虑自行车 交通的合理处理。一般来说，城市区域内各交叉路口处的交通 流是相互关联的，某些情况下，提高某一交叉口 的通行能力或减少车辆在该交叉口的延误，有可 能引起关联路口更多的延误，换句话说：子系统 最优并不能保证大系统最优。因此，有理由认为: 实施交叉路口间的协调自适应控制能够获得更好 的效果。自适应控制是把交通系统作为一个不确 定性系统，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

8、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, 从而保证不论环境如何变化，均可使控制效果达 到最彳尤或次最优。1、固定式脱机控制系统TRANSYT系统是一种脱机配时优化的定时控制系统，这一方法最初是由英国道路交通研究所(TRRL)的D-I罗伯逊先生在1967年提岀的。经过十几年的实践，罗伯逊领导的研究小组对TRANSYT方法不断改进，到1980年，最新一版TRANSYT8公诸于世。TRANSYT是目前世界各国流传最广，普遍应用的一种协调配时方法，除TRANSYT8之外，还有其它一些广泛应用的版本女口TRANSYT7F、TRANSYT6N等。这些都是由TRANSYT的某一版，

9、经过修改而派生出来的。在此，主要对TRANSYT8做详细介绍。TRANSYT基本上由两大部分构成，其一是交通 仿真模型，其二则是优化选择。建立交通仿真模型，其目的是用数学方法模 拟车流在道路系统上的运行状况，研究路网配 时参数的改变对车流运动的影响，以便客观地 评价任意一组路网配时方案的优劣。为此，交 通仿真应当能够对不同配时方案控制下的车流 运动参数（延误时间、停车率、燃油消耗量等1 做出可靠的预测，以便客观的评价任意一组配 时方案的优劣。将交通信息和初始配时参数作为原始数 据，以旦含多项参数的综合目标函数一 "运行指标"(Performance Index, PI)作为

10、配时方案优选的依据，用“爬 山法”进行优化，产生比初始配时方案 优越的新的配时方案，再把新的信号配 时方案输入到仿真系统，反复迭代，最 后得到PI达到最佳时的配时方案。1、固定式脱机控制系统TRANSYT是一种用于定周期信号控制系 统的设计方法。在该系统中，信号周期 是共用的，而且在一个确定的配时方案 执行阶段内，每个交叉口上的各个信号 阶段起迄时间点（相对于一个周期长度 的比例）是固定不变的。为了适应交通 量随时间而变化的客观情况，就要拟定 适合于不同交通状况的配时方案，以供 不同时段使用。对于已有控制方案的路 口，TRANSYT利用自身的交通模型对已有 方案进行优化。TRANSYT方法所使

11、用的交通模型充分反映了 车流运动的基本特点，因而对路网上车流运动 的预测精度也较高。另一方面，在确定最优配 时方案过程中，它所占用的CPU时间相对来说 并不长，试算过程有较好的“收敛性”，这是 因为在优选过程中交替使用长、短两种步长， 作正、负两个方向的试探，即所谓“爬山法” 不仅如此，对于车流运动作模拟时，它还充分 考虑了车流之间以及一股车流内所有车辆之间 的相互影响，前者，主要反映在某些按优先规 则通行的交叉口，后者反映了路段上车流运动 过程中的离散现象。最新的TRANSYT方法，不仅对每一信号阶 段绿灯起步时距和绿灯长度进行优选，而 且还能对整个路网上不同部分应该分别使 用的最佳信号周期

12、值提岀分析结果，既可 供设计者参考，也可自动选择最佳周期值 作为配时设计的基础，进行绿信比和相位 差的合理选择。TRANSYT方法中有如下几条基本假定：1. 在路网上，所有交叉口均由信号灯控制 （或由优先通行权控制）。2. 在仿真的路网范围内，所有信号灯交叉口, 均采用一个共用的信号周期长度；或者， 某些交叉口采用共用周期长度一半作为其 信号周期。每个交叉口信号阶段划分情况 以及各信号阶段的最短时间均为一致。每一股独立的车流，不管是直行通过交叉 口还是在交叉口转弯，其流率（即在某一 时段内的平均流量值）比较稳定，且假定 均为常量。TRANSYT绿时差的优选“爬山法"开始路网运行指标P

13、I上升路网运行V指标PI上升/向予向、值上升试调一个步距重PI值下降/祢向“+”方倚PI值上升、迖调一个步距/PI值下降维持初始配吋参数/不做调整/7 向“+”方向试调成功 /y./调幣T V/轲向"- ”方俞、p 1值上升 '、试调-个步足/丿PI值下降 向“-”方向/ 试调成功/1、SCATS控制系统SCATS系统属于响应式联机操作系统, 70年代开始研究，80年代投入使用。该 系统把信号周期、绿信比和相位差作为 各自独立的参数分别进行优选，优选过 程所使用的“算法”以饱和度和综合流 量为主要依据。它的优化过程并没有利 用数学模型，而是再各种预定的方案钟 进行优选，方法简

14、单但配时方案的数量 是有限的。SCATS控制系统是一种实时自适应控 制系统。该系统是自二十世纪70年代开 始研究，并于80年代初投入使用。最初 应用于澳大利亚悉尼市，故而得此名。 目前，我国的上海等城市采用了SCAT系 统。这一系统是由澳大利亚新南威尔士 干线道路局的西姆斯(A. G. Sims)等 人开发的，实际上也是一种实时配时方 案选择系统。西姆斯等人曾竭尽全力为SCATS系统 寻求一种能最大限度地减少路网上车辆 的延误时间和停车次数的配时参数优化 “算法”，用以对三项基本参数一一信 号周期、绿信比及相位差进行优选。诚 然，在目前的SCATS系统中，并没有使用 模拟实时交通的数学模型，但

15、它却也有 一套以实时交通数据为基础的“算法” 用于实时方案选择。按不太严格的归类 方法，这种系统也可算作一种实时反馈 控制系统。SCAT系统的结构层次(如下图所示)大 体上可分为：中央监控中心一区域控制中心 f信号控制器，在区域控制中心(Regional Control)对路口信号控制器实行控制时， 通常将每110个信号控制器组合为一个 "子系统” (Sub-System),若干个子系统 组合为一个相对独立的系统。系统之间基本 上互不相干，而系统内部各子系统之间，存 在一定的协调关系，随交通状况的实时变化， 子系统既可以合并，也可以重新分开。三项 基本参数的选择，都是以子系统为计算单

16、位。中央控制中心，除了对整个控制系统运行状况及 系统各项设备工作状态作集中监视之外，还有专门用 于系统数据库管理的计算机。执行管理任务的计算机, 对所有各区域控制分中心的各项数据以及每一台信号 控制器的运行参数进行动态存储。SCATS系统以1-10 个交叉口组成的子系统作为基本控制单位。在所有交 叉口的每一进口通道上，都设置车辆检测装置，传感 器分设于每条车道停车线后面，根据车辆检测装置所 提供的实时交通量数据和停车线断面在绿灯期间的实 际通过量，算法系统选择子系统内各交叉口共用的信 号周期长度、各交叉口的绿信比及相位差。考虑到相 邻子系统有合并的可能，则需为它们选择一个合适的 绿时差（即：子

17、系统外部的绿灯起步时距差）。作为实时方案选择系统，SCATS要求事先利用脱 机计算的方式为每个交叉口拟定四个可供选用的绿信 比方案、五个内部相位差方案（指子系统内部各交叉 口之间的相位差）以及五个外部相位差方案（指相邻 子系统之间的相位差）。在同一子系统内，所有各个 交叉口在任何时候都执行完全相同的信号周期。信号 周期和绿信比的实时选择，是以子系统的整体需要为 出发点，即根据子系统内的关键交叉口的需要确定共 用信号周期长度。交叉口的相位绿灯时间，按照各相 位饱和度相等或接近的原则，确定每一相位绿灯占信 号周期的百分比。不言而喻，随着信号周期的调整， 各相位绿灯时间也随之变化。在SCATS系统中

18、，把信号周期、绿信 比及相位差作为各自独立的参数分别进行 优选，而且不用延误时间和停车次数作为 直接的优选指标。优选过程所使用的“算 法”是以所谓“综合流量”(Synthesized Flow)及饱和度为主要依 据的。SCATS算法中使用的“饱和度”， 在概念上有别于传统意义上的饱和度。 SCATS所使用的“饱和度”是指被车流有 效利用的绿灯时间与绿灯显示时间之比。为了确定有效利用的绿灯时间，就要把 停车线断面在整个绿灯期间有车辆通过的时 间叠加起来。换言之，把停军线断面岀现的 空当时间，从总的绿灯显示时间中减掉，也 就是有效利用的绿灯时间。值得注意的是， 车辆在鱼贯地通过停车线断面时，前后车

19、之 间不可能没有一点空当。这就是说，并非所 有的“空当”都应计入“无效利用”时间。 那么，在计算有效利用绿灯时间的时候，就 要把正常的，必不可少的“空当”与真正的 空当区别开来，只有后者才应视为未被利用 的绿灯时间。正常空当（即：车辆平均车头 间距减去车身长度）的大小主要取决于车辆 行驶速度。如果用一个公式来描述上面所说的关系，则有:g=g-（T-t-h）式中：g 可供车辆通行的全部绿灯时间总和（sec）； 0被车辆有效利用的绿灯时间（sec）；T 绿灯期间，停车线上无车通过（即岀现空 当）的时间（sec）；t 车流正常驶过停车线断面时，前后两辆车 之间必不可少的一个空当时间（sec）；h 必

20、不可少的空当个数；为:于是，SCATS算法中所使用的饱和度可表示DS = gf/g可以设想，如果通过停车线断面的车流处于 饱和状态时，除了车与车之间的必要空当之外: 不存去任何未被利用的空当时间，即T -h't ,g' = g。由此可得：DS = g7g = l反之，如果绿灯期间通过停车线断面的车流 未达到饱和状态时，T >h t , g' < g ,因而DS <lo1、SCATS控制系统当下游交叉口出现严重交通阻塞，以 致其影响波及到上游交叉口时，上游交 叉口绿灯期间通过停车线断面的车流阻 塞，固而车流受到“压缩”,车与车之 间的空当被压缩到比正常空

21、当还小的程 度。出7时I,因脈g °S,1这表明交叉口的这一进口方向已达到过 饱和状态。由于使用了上面所说的“空当”作 为计算饱和度DS的基本参数，就使得 DS值的计算在一定程度上摆脱了车辆尺 寸的影响。众所周知，在实时控制系统 中无法再象定周期式控制系统那样按一 定的折算系数将混合车流折算为标准的 小客车流，而各种车型的车辆到达检测 器所在位置的次序又是随机的，这就要 求我们不得不采用一种与车型无直接关 系的参数来反映实时交通负荷情况。使用上面的式子来计算刀S值时，参量g、T 及力可以直接由系统提供。绿灯时间马是指可 供车辆流使用的绿灯时间。若某一相位执行 局部车辆感应控制方案，绿

22、灯提前结束，那 么g就是缩短后的绿灯实际显示时间，T则是 相应于这一绿灯时间内通过停车线断面的全 部空当时间。至于正常空当时间广，可以根 据每一个车辆检测装置所提供的一次绿灯期 间实际岀现过的最大放行率S及相应的车身通 过检测器断面的时间厂，按照如下公式求出:心 3600/S厂由于SCATS系统所使用的车辆检测感应 线圈长度达45m,这就使得检测装置对车辆通 过量的检测精度受到一定影响，尤其当交叉 口岀现交通拥挤堵塞时，这一点就更为突出 To不仅如此，在混合车流通过停车线断面 时，如何随时给出其pcu值，以及正确反映车 流密度与车流量之间的函数关系，这是一个 比较困难的问题。如前所述，应当力图

23、避免 米用与车辆种类直接相关的参量来表示车流 流量。因此，在SCATS系统中，引入了一个 虚拟的参量综合流量（q，）来反映通过停车线的混合车流大小。综合流量是一次绿灯时间通过停车线 的车辆折算当量，它由直接测定的饱和 度S及绿灯期间实际出现过的最大流率 S来确定的，肴如下关系：q' = DSgS/3600由上式可以看岀当饱和度时， 综合流量恰好等于g.S/3600 ,即举流 以最大流率S通过停车线，每秒绿灯时 间内通过的当量数为S。饱和度ZZS小于1 时，综合流量则按照相同于必变化率的 比率减少。不过，当5>1时即进口通道处于过饱 和状态时，按上式则有 "/g>S

24、/3600。 这样一个结果，显然不具有实际上的真 实性，然而，它却可以作为过饱和状态 时选择配时方案的相关指标。因为在 SCATS系统中方案选择主要是依据实时 交通负荷，而这里所指的“交通负荷” 并非实时交通的绝对负荷量，而是一个 与饱和度相关的相对量。饱和度愈高， 综合流量值愈大，反之亦然。四、SCOOT系统SCOOT系统是一种对交通信号网实行 实时协调控制的自适应控制系统，它是再 TRANSYT的基础上发展起来的，其模型及 优化原理均与TRANSYT相似。SCOOT优化 采用小步长渐进寻优方法，无需过大的计算 量。在优化过程中，配时参数随着交通需求 的改变而作频繁的适量调整。通过频繁调整

25、的连续累计适应一段时间内交通的变化趋势, 在避免因配时突变引起车流不稳定的同时， 大大简化了优化算法，从而可以实现实时运 算的自适应控制。SCOOT包含了 一个用于联机计算的实时交 通预测模型，可以对交叉口停车线断面上的车 流图式、车辆受阻排队情况以及交通拥挤程度 做出定量的预测，并进一步计算岀对应于各种 配时参数组合的路网运行指标P/值。这一模型 和TRANSYT的交通预测模型非常相似。所不 同的仅仅是前者为在线(on-line)运行，后者 为脱机(off-line)运行。正因为SCOOT使用 了一种在线的实时交通模型，就无须事先准备 任何备选配时方案。从这个意义上说，这种系 统的运行完全可

26、以从“零”开始。除了上述特点之外，SCOOT还有以 下一些独到之处：1广泛的适用性。SCOOT可以适应于各 种不同的交通状况，几乎不受城市交 通也行方式、也行起迄点分布、土地 使用状况、季节性交通变化以及天气 和气候等因秦的影响。对于一些发展 中的大、中城市，例如：我国的北京 广州、深圳等城市，采用SCOOT系统要 比任何一种定周期式控制系统更为经 济、有效。2. SCOOT系统对配时参数的优化采用连 续微量调整的方式，即每个信号周期内, 只对绿信比和相位差作土（14s）的调 整。因此整个系统在运行上没有突然性 波动现象发生，可以最大限度地消除由 于配时方案变化而引起对车流运动连续 性的干扰。

27、在定周期式控制系统中，每 次方案更迭都会造成短时间的系统紊乱, 因而影响路网运行效率。正是由于这一 缘故，要求控制方案更换周期不能短于 1520min。3.由于第2项原因，在SCOOT系统中，无须预 测未来若干分钟内路网上交通状况的变化。无 论是定周期式控制系统，还是前面介绍的实时 方案选择系统，某一个付诸执行的配时方案， 都要持续执行若干分钟（短则5inin、长则 20inin以丄）。这就是说，紊统必须对若丰分 钟后的交通分布情况做出预测，以便确定下一 运行阶段应该采用什么样的配时方案。对于定 周期式系统来说，它的所有各种运行方案都是 基于对一日中交通量变化的预测来安排的。实 践证明，由于交

28、通状况的随机波动性很大，对 未来若干分钟的交通状况预测是十分困难的， 不易取得准确的结果。4个别车辆检测器错误的反馈信息几乎不影响SCOOT系统对配时参数的优化。而且该系统对这类错误的信息有自动鉴别和淘汰的功能。这是因为，在SCOOT系统中，新的优化配时参数是经多次微量调整累积而成的，这期间偶尔的几次错误 的交通检测信息并不影响优化过程的总 趋向。但是，在实时方案选择系统中，一旦检测器提供错误的交通量信息，就会直接影响未来若干分钟内所执行的控麟辟鑒到嬴个方案更换5对实时交通状况的变化反应灵敏。正 因为SCOOT对路网上各交叉口信号配时方 案的检验和调整，每秒钟都在进彳丁，所 以该系统能够对路网

29、上交通状况的任何 一种变化趋向做岀最迅速的反应，使它 们执行的控制方案能够最大程度地适应 实时交通状况的客观需要，这是其它几 种自适应控制系统所不能比拟的。6. SCOOT系统可提供各种反映路网交通 动态状况的信息，为制订综合管理决策 创造了有利条件。和TRANSYT一样，SCOOT系统基本也是由交 通预测模型和配时参数优化（调整）两部分构 成。所不同的是，SCOOT的交通模型是用于联 机处理的，即对来自路网的实时反馈数据进行 联机处理，计算岀相应于某一组配时参数组合 路网上车辆的平均延误时间和停车次数等反映 车辆运行特性的指标值。配时参数的优选程序 则根据上述指标来决定是否对现行配时参数进

30、行调整和如何调整，并将调整后新的配时参数 输入数搪单元，取代参薮组单元中原始信。1+ 算机将根据配时参数组中最新的值来控制路网 上信号灯的运行，下图形象地描述了SCOOT系 统的基本结构和工作流程。四、SCOOT系统贺时讣算机泵绒.联机 < 在缄7料人4 机刘边其）璜诛L鍛魏辉四、SCOOT系统实时交通信息的采集和反馈是通过设在路网 上的车辆检测器和数据传输系统来实现的，路 网上所有每一股交通流的动态情况，都随时通 过检测和传输系统反馈到中央计算机里，作为 在线交通模型的输入数据。此外，对路网上可 能岀现的交通拥挤和阻塞情况，SCOOT有专门 的监视和应付手段。与TRANSYT定周期式控

31、制 系统相比，SCOOT系统的自我检测能力更强些 它不仅可以随时监视系统各组成部分的工作状 态，对啟障的菠生自动报警，而且可以随时向 工作人员提供每一个交叉口正在执行的信号配 时方案的细节情况。每一周期的车辆排队情况 （包括队尾的实际位置）以及车流到达图示等 信息，也可以在输岀终端设备上自动显示。综上所述，SCOOT系统,大体上包含如 下五个部分，即五个子系统：1车辆检测数据的采集和分析；2交通模型（用于计算延误、排队长 度等）；3配时参数优化调整；4信号控制方案的执行；5系统监测。I以上五个子系统的相互关系如下图所示。四、SCOOT系统|车流检测计数据处A交通模型配时参数优选f'fi:蔣两工实肋交遍获討 对路网执彳亍控制配帝参薮荐喬單元最薪配时参数: ; 1_J现行配申j-参薮芳集:-“;配肘参: 】甌谪整;:rwf控剧芳繁p讥澜鑒配蒔后的Pi直:示;:；1系统监测敌禱篮我n浚文方军辆申湫! rw»i:fSCOOT五个子系统Z间相互关系五、RHODES系统在SCOOT系统的运彳丁中，有两条王要 的基本假定：要求控制范围内的路网 处于相对“静态”。所有各主要车流 冲突点（车流之间及车流与过街行人 之间）都是由交通信号灯来控制通行 次序。此外与TRANSYT不同的是， SCOOT把车辆和行人的实际动态状况作 为考虑的对