智能交通系统概述

2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根1智能交通系统2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根4一、交通系统主要组成交通系统主要组成部分：（要素）人：驾驶员、乘务员、维修人员、管理人员、乘客、行人、其他有关人员。车辆：公共汽车、电车、出租车、货车、摩托车、自行车、地铁、其它车辆。路：快速干道、主干道、次干道、支路。管理与控制系统：车辆检测器、计算机、交通信号灯、路旁显示板、广播、闭路电视等。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根52024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根62024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根7二、交通流的特性(交通流参数)宏观：将交通流作为一个整体。交通量(TrafficFlow,TrafficVolume)在一定时间间隔内，通过一条公路或一条给定车道或方向的某一点的车辆总数。单位为辆数或辆/单位时间。可分为：到达率、离开率车速Speed(andTraveltime)车流密度Density：D=F/S占用一个给定公路或车道的车辆总数。单位为车辆数/公里或车辆数/公里/车道。常用时间占有率Occupancy来表示。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根8交通量(TrafficFlow,TrafficVolume)最重要、最容易测量。

流量：q＝N／TN:通过断面AA’的车辆数;T:测量时间设hi为第i辆车的车头时距，有：平均车头时距2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根9车速Speed(andTraveltime)在特定的观测地点、沿特定路线上的，交通运行状况的重要计量。时间平均速度（地点速度）区间平均速度2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根10车道占有率(Occupancy)车道上，车辆占用时间与总观测时间之比。：车道占有率%；：第i辆车的检测器占用时间；：观测时间；2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根112024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根12二、交通流的特性（续）微观：交通流中的单个车辆的行为间距和间隔(SpacingandHeadway)间距：车道上连续车辆间的距离。间隔：连续车辆通过车道上某点的时间2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根132024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根14三、信号控制系统分类按控制范围分：单个交叉口的交通控制也称单点信号控制，“点控制”。干道交叉口信号协调控制也称“绿波”信号控制，“线控制”。区域交通信号控制系统“面控制”。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根15三、信号控制系统分类（续）按控制方法分：定时控制：交叉口信号控制机均按事先设定的配时方案运行，称定周期控制。(PretimedControl)有单段式定时控制和多段式定时控制有单个交叉口的定时控制、静态线控系统和静态面控系统。感应控制：是在交叉口进口道上设置车辆检测器，信号灯配时方案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。(TrafficActuatedControl)可分为：半感应控制和全感应控制。(Actuated&Semi-ActuatedControl)用感应控制方式的线控制、面控制也称为动态线控系统和动态面控系统。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根16四、信号控制的基本参数用以给相互冲突的交通流以先后通过的通行权，即在时间上将相互冲突的交通流进行分离，以便它们安全地通过交叉路口。相位：信号化的交叉路口，给予车辆及行人以通行权的时序叫信号的相位，简称相。(Phase)通常用的是两相控制信号，如图。另外有三相、四相、八相的控制方式，如图。信号的相位数根据路口的需要选择，相位越多，交通越安全，但交叉路口的利用率就越小。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根17两相控制信号2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根18三相控制信号2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根19四相控制信号2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根20四、信号控制的基本参数(续)三个基本控制参数：周期长度绿信比相位差 信号控制系统的功能就是最佳地确定各路口在各车流方向上的这些控制参数，并付诸实施。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根21四、信号控制的基本参数(续)周期长度：(Cyclelength)信号灯运行一个循环所需的时间，等于绿灯、黄灯、红灯时间之和。Thesumofalltrafficphasesisequaltothecyclelength.一般信号灯最短周期不小于36s；最长周期不超过2min。适当的周期长度对路口处交通流的疏散和减少车辆等待时间具有重要意义。又具体分为：（英国运输与道路研究所TRRL的结果）最佳周期（Co）最小周期（Cm）实际应用的周期（Cp）2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根22四、信号控制的基本参数(续)最佳周期（Co）：最小周期（Cm）：实际应用的周期（Cp）：式中：L----一个周期内的总损失时间；

Y----整个交叉路口中，各个相位的y值的总和，即Y=y，y是流量与饱和流量的比值。（即繁忙度）周期与延误的关系如下图：（Cp应略大于Co，取90%的饱和量）2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根232024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根24四、信号控制的基本参数(续)绿信比：(Split)一个周期中，绿灯时间与周期长度之比称为绿信比。绿信比：S=G/C；

G----绿灯时间，C----周期绿信比的大小对于疏通交通流和减少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），可使各方向上阻车次数、等待时间减至最少。应该注意：单个路口信号的最优配时并不等于对于整个交通网络（线控或面控系统）也是最优的。对于多路口联合控制，需统筹考虑各路口的周期、绿信比，而且要妥善地确定不同路口信号之间的相位差。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根25车流通过信号路口的时间-距离图2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根26四、信号控制的基本参数(续)相位差：(Offset)也称时差，是应用于信号系统联动协调控制的一个参数。有绝对相位差和相对相位差之分。绝对相位差是指各个信号的绿灯或红灯的起点或中点相对于某一个标准信号（相位差为零）的绿灯或红灯的起点或中点的时间之差。相对相位差是指相邻两信号的绿灯或红灯的起点或中点之间的时间之差。相对相位差等于两个信号绝对相位差之差。在信号协调控制系统中，选择正确的相位差对车流的协调和“绿波”的形成具有重要意义。两个相邻路口的相位差：O=t+10(秒)t为平均旅行时间，10s为一路口清车队时间。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根27其它参数绿灯间隔时间（R）：从失去通行权的相位的绿灯结束到得到通行权的相位的绿灯开始所用的时间。最小绿灯时间（gmin）：是对相位的绿灯显示时间规定的最低限值。>5s饱和流量（S）在有车队存在的某段绿灯时间内，并且忽略车流释放率在增大或减小的绿灯时间的前几秒及后几秒时间段，车辆通过停止线的平均流率。有效绿灯时间（ge）：即某一相位的绿灯时间与黄灯时间的和减去损失时间。>5s2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根28其它参数（续）损失时间（l）即在周期时间内，由于安全几车流运动特性等原因，在某段时间内没有交通流运动或未被充分利用的时间。车流量系数（y）饱和度（X）延误（D）2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根29车流通过信号路口的流量图示

（信号灯交叉口车流运动特性）2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根30五、单个交叉路口的交通控制单个交叉路口的交通控制也称“点控”控制方式：定时控制交通感应控制优化感应控制定时控制与感应控制的选择2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根315.1定时控制全部控制参数（主要是周期、绿信比、相的数量和顺序）都根据历史交通数据预先确定，保持常数。必须对每相的时间（绿信号时间加上黄信号时间）和总的周期时间确定要求的数值。基本的考虑因素：车辆延误交叉路口的容量有许多算法。如韦伯斯特法（Webster）、ARRB法、“冲突点”法等。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根32信号配时图2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根335.2交通感应控制目的是使绿灯时间长度与实际交通状况相适应。有全感应控制和半感应控制两类。常用的有两种形式：基于到达车辆车头距的控制基于排队长度的控制2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根34交通感应控制的基本工作原理如图所示，一相位起始绿灯，感应信号控制器内预设有一个“初期绿灯时间”(Gmin)，到初期绿灯结束时，如在一个预置的时间间隔内，无后续车辆到达，则可更换相位；如检测器检测到有后续车辆到达，则每测得一辆车，绿灯延长一预置的“单位绿灯延长时间”(G0)。即只要在这个预置的时间间隔内，车辆中断，即换相；连续有车，则绿灯连续延长，直到绿灯一个预置的“极限延长时间”(Gmax)时，即使检测到后面仍有来车，也中断这个相位的通车权。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根352024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根365.3定时控制和感应控制的选择能降低延误和减少停车的控制方式，既有较好的交通效益又有较高的经济效益。不同交通条件下最有效的控制方式的分块图。如图所示。各类信号控制的优点2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根372024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根38六、干线交通控制系统(“线控”)为使车辆减少在城市道路网中各个交叉口上的停车时间，特别是使干道上的车辆能够畅通，通常把一条干道上一批相邻的交通信号连接起来，加以协调控制，就出现了干线交叉口交通信号的协调控制系统（简称线控制，也称绿波系统）。研究把整个区域内所有交通信号联起来加以协调控制，就形成了区域交通信号控制系统（简称面控制）。一大片控制区划分为若干控制子区；控制子区往往是若干条干线的交通控制系统。所以线控制是面控制的一种组成部分，或者说，线控制是面控制系统的一种简化的特殊形式。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根392024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根406.1定时式线控制的协调方式双向交通街道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一半的整数倍时，可获得理想的结果。否则较难实现，必须试探和折中来求得信号协调。有四种：同步式协调控制（Simultaneous）交互式协调控制（Alternate）简单续进式协调控制系统 （Limited(simple)progressive）多方案续进协调控制系统（Flexibleprogressive）2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根416.2感应式线控系统和计算机线控系统感应式线控系统使用半感应信号机的线控系统使用全感应信号机的线控系统关键交叉口的感应式线控系统2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根42七、区域交通控制系统(“面控”)定时式脱机操作系统响应式联机操作系统2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根437.1定时式脱机操作系统TRANSYT（TrafficNetworkStudyTooL）“交通网络研究工具”，是英国交通与道路研究所（TRRL，现为TRL）于1966年提出的脱机优化网络信号配时的一套程序。现在的版本为TRANSYT10。TRANSYT是一种脱机操作的定时控制系统，主要由仿真模型及优化两部分组成，其基本原理如图。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根44TRANSYT基本原理2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根457.2响应式联机操作系统能随交通变化自动优选配时方案的控制系统。不同的自适应控制系统归纳起来有方案选择式与方案形成式两类。方案选择式控制原理同“线控”系统以方案选择式优选配时方案与单点感应控制作调整相结合的控制系统。以SCATS为代表。方案形成式以SCOOT为代表2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根46（1）SCATSSCATS（SydneyCo-ordinatedAdaptiveTrafficSystem）控制系统是一种实时自适应控制系统，由澳大利亚开发。70年代开始研究，80年代初投入使用SCATS的控制结构为分层式三级控制：中央监控中心-->地区控制中心-->信号控制机1--10个信号控制机组合为一个“子系统”，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，而系统内部子系统间存在一定的协调关系。随交通状况的实时变化，子系统可合并和重新分开。三项基本配时参数的选择都以子系统为核算单位。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根47（1）SCATS（续）SCATS在实行对若干子系统的整体协调控制的同时，也允许每个交叉口“各自为政”地实行车辆感应控制，从而大大提高了系统本身的控制效率。SCATS正是利用了设置在停车线附近的车辆检测装置，才能这样有效、灵活。所以，实际上SCATS是一种用感应控制对配时方案可作局部调整的方案选择系统。SCATS的主要环节：子系统的划分与合并“合并指数”：相邻子系统各自要求的信号周期时长相差<9s；则“合并指数”+1；否则-1。“合并指数”达到4，两子系统可合并；降为0，重新分开两子系统。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根48（1）SCATS（续）SCATS配时参数优选“算法”简介把信号周期、绿信比及绿时差作为各自独立的参数分别进行优选，优选过程所用的“算法”以所谓“综合流量”及“饱和度”为主要依据。饱和度饱和度（DS）是指被车流有效利用的绿灯时间与绿灯显示时间之比：

DS=g’/g综合流量综合流量q’是指一次绿灯期间通过停车线的车辆折算当量，由直接测定的饱和度DS及绿灯期间实际出现过的最大流率S来确定：

q’=(DS*g*S/3600)信号周期时长的选择信号周期时长的选择以子系统为基础，即在一个子系统内，根据其中饱和度最高的交叉口来确定整个子系统应当采用的周期时长。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根49（1）SCATS（续）绿信比方案的选择绿信比的选择也以子系统为基础。事先为每一交叉口准备四个绿信比方案（针对可能的四种负荷情况）供实时选择使用。每一信号周期选择一次，连续三个周期内某一方案两次“中选”，则该方案即被选择为下一周期的执行方案。绿时差方案的选择内部、外部两类时差方案分别有五种不同的方案，存储在中央控制计算机中。每一信号周期实时选择。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根50（2）SCOOTSCOOT（Split-Cycle-OffsetOptimisationTechnique）即“绿信比-信号周期-绿时差优化技术”，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，有英国TRRL（运输与道路研究所，现为TRL，TransportResearchLaboratory）与1973年开始研究开发，1979年正式投入使用。现在由PeekTrafficLtd,TRLLtd和SiemensTrafficControlsLtd共同拥有。SCOOT是在TRANSYT的基础上发展起来的，其模型及优化原理均与TRANSYT相仿。不同的是SCOOT是方案形成方式的控制系统。通过安装在各交叉口每条进口道最上游的车辆检测器所采集的车辆到达信息，联机处理，形成控制方案，连续地实时调整绿信比、周期时长及绿时差三参数，使之同变化的交通流相适应。已在世界上170多个城镇使用。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根512024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根52（2）SCOOT（续）SCOOT优选配时方案的主要环节检测检测器：环形感应线圈传感器的合适位置：SCOOT通过实时检测达到能实时预测停车线上的“到达”图式，预测PI目的，所以传感器的合适位置是设在离停车线相当距离的地点，一般希望设在上游交叉口的出口，离下游停车线尽量远。车辆检测数据的采集交通量占用时间及占用率拥挤程度子区由交通工程师预先判定，不能合并、分拆，但可在子区中有双周期交叉口。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根53（2）SCOOT（续）模型周期流量图--车队预测图式与TRANSYT一样，但SCOOT是实时交通信息处理得到。排队预测（如图）拥挤预测为控制排队延伸到上游交叉口，必须控制受阻排队长度。“拥挤系数”可以反映车辆受阻程度，同时因SCOOT传感器设在靠近上游交叉口的出口道上，因此当检测器测得有车停在传感器上时，表明排队即将延伸到上游交叉口。效能预测同TRANSYT一样，SCOOT用延误和停车数的加权值之和或油耗作为综合效能指标PI，但SCOOT有时也用“拥挤系数”作为效能指标之一。优化优化策略：对优化配时参数随交通需求的改变而作频繁的适量调整。适量的调整量虽小，但由于调整次数频繁，就可由这些频繁调整的连续累计来适应一个时段内的交通变化趋势。这是SCOOT成功的主要原因之一。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根542024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根55八、高速公路交通控制系统高速公路的交通拥挤及其影响匝道控制入口匝道控制出口匝道控制主线控制、通道控制和收费控制控制与监测系统简介2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根568.1高速公路的交通拥挤是指交通需求（一定时间内想要通过道路的车辆数）超过某道路的交通容量时，超过部分的交通滞留在道路上的交通现象。交通拥挤的根本原因是交通供求关系的不平衡。因素可归纳为：常发性的过大交通需求；几何因素（Geometricdesignfactors）运行因素（Trafficoperationsfactors）偶发性暂时通过能力降低。如交通事故、公路养护等（Randomfactors）2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根578.1高速公路的交通拥挤（续）几何因素（Geometricdesignfactors）车道减少交织路段短道路纵断面过陡横断面过窄车道数太少等运行因素（Trafficoperationsfactors）交通需求超过容量（Volume/capacityrelationship）不受限制的入口匝道（Unrestrainedrampaccess）出口匝道排队（Exitrampqueues）收费站收费（Tolling）交织运行（Weavingmaneuvers）2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根588.2高速公路匝道控制匝道控制是应用最广的、效果最好的一种控制方式。包括：单个入口匝道或出口匝道的定时控制动态控制多个匝道的协调控制（定时、动态）2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根59(1)入口匝道控制入口匝道控制的基本目标是控制高速公路的交通需求。它以高速公路主线交通流为控制对象，以匝道入口流量为系统的输入控制量，通过计算匝道上游交通需求与下游道路容量差额来寻求最佳入口匝道流量控制，从而使高速公路本身的交通需求不超过它的容量，使高速公路主线交通流处于最佳状态。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根60(1)入口匝道控制（续）入口匝道控制方法：匝道调节*（rampmetering）入口匝道定时调节；入口匝道感应（动态）调节；入口匝道汇合控制；入口匝道整体定时控制；高速公路入口全局最优控制。匝道关闭（rampclosure）人工设置路栏（Manuallyplacedbarriers）自动路栏（Automatedbarriers）标志（Signing）2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根61(2)出口匝道控制在高速公路的交通控制中，很少对出口匝道进行控制。两种方法：调节离开高速公路的交通量的方式和完全关闭出口匝道的方式。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根628.3主线控制、通道控制和收费控制主线控制（mainlinecontrol）的对象是高速公路本身即路段上的交通流，而通道控制（corridorcontrol）的对象是由高速公路、侧道和其它平行干道所组成的通道系统上的交通流。两者是互相联系的。公共汽车/合用车（HOV）优先控制2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根63(1)主线控制通常采用的几种主线控制方法有：可变速度控制；车道关闭；主线调节；可逆车道控制；公共汽车、合用车优先控制；驾驶员信息系统。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根64(2)通道控制高速公路通道系统由高速公路、匝道以及与高速公路相关的侧道、干道、城市街道等组成。它是一个以高速公路为核心的、沟通两个或两个以上地区之间交通的道路网络。高速公路通道控制就是对通道系统交通流进行协调、管理、诱导和警告。通道控制的基本原理：监测通道系统中所有道路及交叉口，将超载道路上的交通转移到通行能力尚有剩余的道路上去。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根65(3)收费控制收费控制：除可筹促新的公路建设资金外，还可以实现交通需求控制，以期能有效解决公路的拥挤、安全、污染等问题。拥挤收费是解决高速公路或通道内拥挤问题的一种最有前途的方法。传统的收费方式需车辆在收费站停下来交费，容易造成收费站拥挤，给环境带来污染。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根66(3)收费控制（续）收费制式：通常有三种均一式：是最简单的一种收费制式，收费站设在每个入口，而主线和出口都不再设站。开放式：收费站建在高速公路的主线上，距离较长的高速公路可以建多个收费站，各个出入口不再设站，高速公路对外呈“开放”状态。封闭式：收费站建在高速公路的所有出入口处，车辆在高速公路内部则可以自由行驶。这是目前应用最多的一种收费制式。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根67(3)收费控制（续）收费方法：人工收费：由人工将车辆分类，套用收费标准计算应收取费用，收钱、开票、找零。我国绝大部分采用这种收费方法。半自动收费：指在车辆分类、计算费用、交费、收费、核准放行几个收费环节中有一个或几个环节采用自动装置，但仍需驾驶员停车交费的收费系统。全自动收费：全部收费过程都由自动化装置完成，汽车可实现不停车收费，完全达到无人操作。2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根68(4)高速公路监控系统监控中心功能目标实现和协调高速公路管理策略和控制；事件管理和维护的调度中心维护和修理损坏或工作不正常的现场设备给出行者、决策者、媒体发布高速公路交通旅行信息的中心；紧急救援反应的协调指挥中心。定义功能关系、数据需求和信息流程2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根69(4)高速公路监控系统（续）需考虑的技术物理环境（PhysicalEnvironment）：如图工作站（Workstations）控制和显示（ControlsandDisplays）：如图用户接口（UserInterfaces）通信（话音、数据）2024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根702024/9/22北京交通大学电子信息工程学院蔡伯根71九、交通控制的基本评价指标交通控制的基本评价指