chap7 區(qū)域交通信號控制系統(tǒng).ppt

1,本章內容： 第一節(jié) 概念與分類 第二節(jié) 定時式脫機操作系統(tǒng) 第三節(jié) 自適應式聯(lián)機操作系統(tǒng),第7章 區(qū)域交通信號控制系統(tǒng),2,第一節(jié) 概念與分類,區(qū)域交通信號控制（簡稱面控制）系統(tǒng)的對象是城市或某個區(qū)域中所有交叉口的交通信號。 把城區(qū)內的全部交通信號的監(jiān)控，作為一個指揮控制中心管理下的一套整體的控制系統(tǒng)，是單點信號、干線信號系統(tǒng)和網(wǎng)絡信號系統(tǒng)的綜合控制系統(tǒng)。 建立這種概念的好處： 1）整體監(jiān)視和控制 2）可因地制宜地選用合適的控制方法 3）可有效、經(jīng)濟地使用設備,3,二、分類,1. 按控制策略分 （1）定時式脫機操作控制系統(tǒng) （2）適應式聯(lián)機操作控制系統(tǒng),4,（1）方案選擇方式 （2）方案形成方式,2. 按控制方式分類：,5,3.按控制結構分,（1）集中式計算機控制結構 （2）分層式計算機控制結構,6,1）集中式計算機控制結構,優(yōu)點： （1）全部控制設備只位于一個中心，操作方便； （2）系統(tǒng)的研制和維護不太復雜； （3）所需設備較少，維修容易。 缺點： 大量數(shù)據(jù)的集中處理及整個系統(tǒng)的集中控制，需要龐大的通信傳輸系統(tǒng)和巨大的存儲容量，這就極大地影響了控制的實時性，并限制了集中控制的區(qū)域范圍。,7,2）分層式計算機控制結構,整個控制系統(tǒng)分上層控制與下層控制。 上層控制主要接受來自下層控制的決策信息，并對這些決策信息進行整體協(xié)調分析，從全系統(tǒng)戰(zhàn)略目標考慮修改下層控制的決策。 下層控制則根據(jù)修改后的決策方案再做必要的調整。 上層控制主要執(zhí)行全系統(tǒng)協(xié)調優(yōu)化的戰(zhàn)略控制任務 下層控制主要執(zhí)行個別交叉口合理配時的戰(zhàn)術控制任務,8,這種結構可以避免集中結構的缺點，可有降級控制的功能，提高了系統(tǒng)的可靠性；但需增加設備，投資較高。 例如一種三級分層式控制結構： 第一級 位于交叉口，由信號控制機控制 第二級 位于所控制區(qū)域的一個比較中心的地點 第三級 位于城市內一個合理的中心位置，起命令控制中心的作用,9,優(yōu)點 通過數(shù)據(jù)的預處理和集中傳輸，能減少傳輸費用 由于系統(tǒng)不依賴于一個中心控制或集中的傳輸機構，系統(tǒng)具有較高的故障保護能力，提高了系統(tǒng)可靠性。 能處理實時單元的容量較大 控制方法和執(zhí)行能力比較靈活 缺點 需要的設備多，投資高 現(xiàn)場設備的維護比較復雜 控制程序比較復雜 要提供更多的控制地點,多級控制的優(yōu)缺點,10,第二節(jié) 定時式脫機操作系統(tǒng),TRANSYT(Traffic Network Study Tool) “交通網(wǎng)絡研究工具”。是英國交通與道路研究所(TRRL)于1966年提出的脫機優(yōu)化網(wǎng)絡信號配時的一套程序。最新版本是11版。 美國：TRANSYT-7F 法國：將TRANSYT改為THESEE和THEBES型 TRANSYT是一種脫機操作的定時控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由仿真模型及優(yōu)化兩部分組成。,TRANSYT基本原理圖,12,TRANSYT仿真模型的幾個主要環(huán)節(jié),1）交通網(wǎng)絡結構圖式：節(jié)點和連線來抽象網(wǎng)絡 2）周期流量變化圖式 3）車流在連線上運行狀況的模擬 為描述車流在一條連線上運行的全過程，TRANSYT使用了如下的周期流量圖式： （1）到達流量圖式（“到達”圖式） （2）駛出流量圖式（“駛出”圖式） （3）飽和駛出圖式（“滿流”圖式）,車流運行過程中的車隊離散特性：,把上游連線“駛出”圖式上的每一縱坐標值乘以F即可得到下游停車線的“到達”圖式。 綜上所述，不難推算出第i個時段內被阻于停車線的車輛數(shù)mi。,于是便可求得第i個時段內駛離連線的車輛數(shù)： ni=mi-1+qi-mi ni-第i個時段內駛離連線的車輛數(shù)。 由ni可建立其連線的駛出圖式，并由此推算下游連線的“到達”、“滿流”和“駛出”圖式，依此類推。 4. 車輛延誤時間的計算 TRANSYT計算的車輛延誤時間是均勻到達延誤、隨機延誤與超飽和延誤之和。 5.停車次數(shù)的計算 TRANSYT計算的停車次數(shù)，也分成均勻到達停車次數(shù)、隨機停車次數(shù)及超飽和停車次數(shù)三部分。,15,二、優(yōu)化,TRANSYT將仿真所得的性能指標(PI)送入優(yōu)化程序，作為目標函數(shù)； 以網(wǎng)絡內的總行車油耗或總延誤時間以及停車次數(shù)的加權和作性能指標； 用“爬山法”優(yōu)化，產(chǎn)生較之初始配時更為優(yōu)越的新的信號配時； 把新的信號配時再送入仿真部分，反復迭代，最后取得PI值達到最小標準時的系統(tǒng)最佳配時。,16,TRANSYT優(yōu)化的主要環(huán)節(jié),1.綠時差的優(yōu)選 （1）以適當?shù)牟骄嗾{整交通網(wǎng)上某一交叉口的綠時差，計算性能指標PI。 （2）若小于初始方案的PI，說明調整方向正確，繼續(xù)調整，直到獲得最小的PI為止。 （3）若第一次調整后的PI值大于初始方案的PI值，則應當朝相反方向調整綠時差，直到取得最小的PI. （4）依次對所有其它交叉口做同樣的調整。 （5）對所有交叉口作第二遍調整，反復多次，直到求得最后的理想方案。,17,2.綠燈時間的選取,不等量地更改一個或幾個乃至全體信號相位的綠燈長度，以期降低整個交通網(wǎng)的性能指標PI值。 但調整的過程中，綠燈時間不能小于規(guī)定的最短綠燈時間。,18,3.控制子區(qū)的劃分,在信號聯(lián)網(wǎng)協(xié)調控制時，一個范圍較大的路網(wǎng)要分成若干個相對獨立的部分，每一部分有自己獨特的控制對策，執(zhí)行適合本區(qū)交通特點的控制方案。 以不宜協(xié)調的連線作為劃分控制子區(qū)邊界的參考依據(jù)，即子區(qū)邊界點基本上分布在這些連線上。,19,4. 信號周期的選擇,TRANSYT可以自動地為每個子區(qū)選擇一個PI最低的公用信號周期時長，同時還可確定哪幾個交叉口應采用雙周期。 荷蘭的改進：對飽和和超飽和情況的處理，設定車隊長度極限,20,適用性,TRANSYT是最成功的靜態(tài)交通信號控制系統(tǒng)，它被世界上400多個城市所采用。 但也存在著許多不足： 第一，計算量很大，在大城市中這一問題尤為突出； 第二，周期長度不進行優(yōu)化，很難獲得整體最優(yōu)的配時方案； 第三，離線優(yōu)化，需大量的路網(wǎng)幾何尺寸和交通流數(shù)據(jù)。在城市發(fā)展較快時，為保證可信度需要花費大量時間、人力、財力重新采集數(shù)據(jù)再優(yōu)化，制定新方案。 這種系統(tǒng)不需大量設備、投資低、容易實施，所以比較適用交通增長已趨穩(wěn)定的地區(qū)。,21,5.輸出結果,（1）飽和度 （2）平均延誤時間 （3）正常相位延誤 （4）隨機與過飽和延誤 （5）平均最大排隊長度 （6）平均超額排隊長度 （7）運行指標（PI值） （8）綠燈時間 （9）流量時間圖式,22,6 .其他產(chǎn)品,美國在英國TRANSYT（7）的基礎上改進為TRANSYT7F，目前最新版本為第9版；法國也把TRANSYT改進為THESEE及THEBES,23,7.TRANSYT7F10demo版界面,24,交叉口信息輸入表,25,交叉口相位圖表,26,時空行進圖1,27,時空行進圖2,28,時空行進圖3,29,第三節(jié) 自適應式聯(lián)機操作系統(tǒng),定時式脫機操作系統(tǒng)具有不能適應交通隨機變化的缺點。 英國、美國、澳大利亞和日本等國家作了大量的研究和實踐，用不同的方式建立了各有特色的自適應控制系統(tǒng)。 （1）以方案選擇式優(yōu)選配時方案與單點感應控制作調整相結合的控制系統(tǒng)SCATS為代表 （2）方案形成式則以SCOOT為代表,30,一、SCATS,SCATS(Sydney Co-ordinated Adaptive Traffic System) 是一種實時自適應控制系統(tǒng)，由澳大利亞開發(fā)。20世紀70年代開始研究，80年代初投入使用。 控制結構為分層式三級控制： 1）中央監(jiān)控中心 2）地區(qū)控制中心 3）信號控制機,31,SCATS系統(tǒng)結構,完整的SCATS系統(tǒng)是一種分層式三級控制結構：中央監(jiān)控中心-地區(qū)控制中心-信號控制機。,32,SCATS在實行對若干子系統(tǒng)的整體協(xié)調控制的同時，也允許每個交叉口“各自為政”地實行車輛感應控制，前者稱為“戰(zhàn)略控制”，后者稱為“戰(zhàn)術控制”。這樣可提高控制效率。 SCATS實際上是一種用感應控制對配時方案可作局部調整的方案選擇系統(tǒng)。,33,SCATS優(yōu)選配時方案的各主要環(huán)節(jié),1.子系統(tǒng)的劃分與合并 （1）由交通工程師根據(jù)交通流量的歷史、現(xiàn)狀數(shù)據(jù)與交通網(wǎng)的環(huán)境、幾何條件予以判定。所定的子系統(tǒng)由110個交叉口組成，作為控制系統(tǒng)的基本單位。 （2）在優(yōu)選配時參數(shù)的過程中，SCATS用“合并指數(shù)”來判斷相鄰系統(tǒng)是否需要合并。 （3）若“合并指數(shù)”累積值達到4，認為達到合并的標準。采用“信號周期時長”中較長的那個為合并后的周期長。 （4）在必要的時候合并的子系統(tǒng)也可以分開。,34,2. SCATS配時參數(shù)優(yōu)選“算法”簡介,根據(jù)埋設在每條車道停車線后面的檢測裝置提供的實時交通數(shù)據(jù)和停車線斷面在綠燈期間的實際通過量，算法系統(tǒng)選擇子系統(tǒng)的各項配時參數(shù)。 作為實時方案選擇系統(tǒng)，SCATS要求事先利用脫機計算的方式，為每個交叉口擬訂4個可供選用的綠信比方案、5個內部綠時差方案、5個外部綠時差方案。 以子系統(tǒng)的整體需要為出發(fā)點，即根據(jù)子系統(tǒng)內關鍵交叉口的需要確定周期長。 交叉口的相應綠燈時間，按照各相位飽和度相等或接近的原則，確定每一相位綠燈占信號周期的百分比。,35,SCATS把信號周期、綠信比及綠時差作為各自獨立的參數(shù)分別進行優(yōu)化。 優(yōu)化過程中使用的算法以所謂“綜合流量”及“飽和度”為主要依據(jù)。 （1）飽和度：SCATS所使用的飽和度指被車流有效利用的綠燈時間與綠燈顯示時間之比。,2. SCATS 參數(shù)優(yōu)選算法簡介：,36,（2）綜合流量：為避免采用與車輛種類（車身長度）直接相關的參量來表示車流流量，SCATS引入了一個虛擬的參量“綜合流量來反映通過停車線的混合車流的數(shù)量”。 綜合流量q是指一次綠燈期間通過停車線的車輛折算當量，它由直接測定的飽和度及綠燈期間實際出現(xiàn)過的最大流率來確定。具體公式見書上式（7-6）。,37,3.信號周期時長的選擇,在一個子系統(tǒng)內，根據(jù)其中飽和度最高的交叉口來確定整個子系統(tǒng)應當采用的周期時長。 為了維持交叉口信號控制的連續(xù)性，信號周期的調整采取小步距方式，即一個新的信號周期與前一周期相比，其長度變化限制在正負6s之內。,38,對每一個子系統(tǒng)范圍，SCATS要求事先規(guī)定信號周期變化的四個限制，即周期最小值Cmin，周期最大值Cmax，中等信號周期Cs以及略長于中等信號周期的Cx. 一般條件下，信號周期的選擇范圍只限于Cmax與Cs之間。 只有關鍵位置上的車輛檢測器所檢測到的車流低于預定限值時，才采用Cs乃至Cmin的信號周期。,39,4.綠信比方案的選擇,每一交叉口都有4套綠信比方案，分別針對4種交通負荷。 每一方案中綠燈時間、信號相位的次序都可以是不相同的。 SCATS在不加長和縮短信號周期時長的情況下，可對各相位綠燈時間隨實時交通負荷變化作合理的余缺調劑。 綠信比方案的選擇，每個周期都要進行一次。,40,綠信比方案的選擇,選擇過程：對四種方案進行對比，若連續(xù)三周期內某一方案兩次中選，則該方案即被選擇作為下一周期的執(zhí)行方案。 一個進口中僅把飽和度最高的車道作為綠信比選擇的對象。 綠信比方案的選擇和信號周期的調整交錯進行。 二者結合起來，對各相位綠燈時間不斷調整的結果，使各相位飽和度維持大致相等的水平，就是“等飽和度”原則。,41,5.綠時差方案的選擇,SCATS中，內部和外部兩類時差方案都要事先確定，存儲在中央控制計算機中。每一類包含5種不同方案，每個周期都要對綠時差進行實時選擇。 第一種方案，僅用于周期長等于Cmin的情況； 第二種方案，僅用于周期長滿足CsCCs+10情況； 余下的三種方案，則根據(jù)實時檢測到的“綜合流量”值進行選擇。連續(xù)5個周期，有4次當選的方案，被付諸執(zhí)行。 “外部”綠時差方案，采用與“內部”方案相同的方法選擇。,42,二、SCOOT,“SCOOT”(Split-Cycle-Offset Optimization Technique)即“綠信比-信號周期-綠時差優(yōu)化技術” SCOOT是一種對交通信號網(wǎng)絡實行實時協(xié)調控制的自適應控制系統(tǒng)。由英國TRRL于1973年開始研究開發(fā)，1979年正式投入使用。 上個世紀90年代SCOOT系統(tǒng)進行了多次升級，其最新版本為4.4版，其版權為TRL、PEEK公司和西門子公司共同擁有。 SCOOT已經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，全世界共有超過170個城市正運行著該系統(tǒng)。,43,SCOOT系統(tǒng)是一種兩級結構，上一級為中央計算機，下一級為路口信號機。 配時方案在中央計算機上完成； 信號控制、數(shù)據(jù)采集、處理及通信在信號機上完成。其結構如圖所示：,44,45,該模型為集中控制模型。網(wǎng)絡范圍受到限制，通常不超過50個信號交叉口。 隨著城市現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，區(qū)域控制范圍將大大地擴展，小型機或超小型機構成分布式計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。這種系統(tǒng)很容易將網(wǎng)絡擴展到上千個信號交叉口。,46,SCOOT交通信號控制系統(tǒng)設備,內站設備 交通管理/控制計算機 - Alpha DS10/600服務器 -Open VMS中/英文操作系統(tǒng)，UTC控制軟件，SCOOT實時優(yōu)化軟件，Astrid、Ingrid交通信息數(shù)據(jù)庫軟件 -CPU主頻600MHz，硬盤18.2G兩塊，內存512M -4mm8GB磁帶機，x48光驅 -V.90MODEM TC12數(shù)傳機柜 操作員終端 -以太網(wǎng)連接PC，Win2000/xp操作系統(tǒng) -Hummingbird Exceed-X_Windows圖形仿真程序,47,外站設備 交通信號控制器（ST800） 環(huán)形線圈車輛檢測器 觸摸式行人按鈕 TC12內置式OTU,48,SCOOT檢測器,占有型檢測器，以微型繼電器觸點接口與交通信號控制器或OTU連接， 以觸點閉合（或開啟）的方式輸出通過檢測器車輛的數(shù)量（脈沖個數(shù)）和每輛車占有檢測域的時間（脈沖寬度）。 由于采用觸點接口，在與其它設備連接過程中會形成完全獨立的絕緣隔離。,49,SCOOT與TRANSYT的異同：,1）SCOOT是在TRANSYT的基礎上發(fā)展起來的，其模型及優(yōu)化原理均與TRANSYT相仿。 2）不同的是： （1）SCOOT是方案形成式的控制系統(tǒng)，通過安裝在交叉口各進口道最上游的車輛檢測器所采集的車輛到達信息，聯(lián)機處理，形成控制方案。,50,SCOOT系統(tǒng)的主要特點：,（2）連續(xù)地實時調整綠信比，周期時長及綠時差這三個參數(shù)，使之同變化的交通流相適應。 （3）SCOOT優(yōu)化采用小步長逐漸尋優(yōu)的方法，無需過大的計算量。 （4）此外，對交通擁擠和阻塞有專門的監(jiān)視和應對措施，對故障發(fā)出自動警報，可隨時向操作人員提供實時的交通信息。 （5）現(xiàn)有SCOOT采用的是集中式控制結構，難免具有結構上的缺點。在比較大的控制范圍內，可以改用分層控制結構為宜。,51,SCOOT優(yōu)選配時方案的各主要環(huán)節(jié),1.檢測 1）檢測器：使用環(huán)形線圈式電感檢測器實時檢測。線圈2m2m方環(huán)形。一個檢測器檢測一條或2條車道。 2）位置：設在離停車線相當距離的地點，一般希望設在上游交叉口的出口，離下游停車線盡量遠。,52,設置傳感器地點時，要考慮如下因素：,（1）當兩交叉口間有支線或中間出入口，且其交通量大于干線流量的10%時，盡可能把傳感器設在支線或中間出入口的下游。 （2）設在公交車?？空鞠掠危苊馄渌囕v因繞道而漏測。 （3）設在人行橫道下游，離人行橫道至少應為30m。 （4）設在距離下游停車線812s的車程或一個周期內車輛的最大排隊長度以上的地點。,53,優(yōu)點：可以精確地檢測到車輛到達、擁擠程度和排隊長度等數(shù)據(jù)。 缺點：與設在靠近停車線處相比，它不能實時檢測飽和流量和執(zhí)行感應控制。,54,3）車流檢測數(shù)據(jù)的采集,SCOOT檢測器可以采集的交通數(shù)據(jù)主要有： （1）交通量 （2）占用時間及占用率 占用時間：傳感器感應有車通過的時間； 占用率是占用時間與周期時長之比。 （3）擁擠程度：用受阻車隊的占用率來衡量 SCOOT把擁擠程度按占用率大小分為八級（07），稱為擁擠系數(shù)。 SCOOT檢測器每0.25s自動采集一次各傳感器的信號，并作分析處理。,55,2.子區(qū)劃分,SCOOT系統(tǒng)劃分子區(qū)由交通工程師預先判定，系統(tǒng)運行過程中不能合并，也不能分拆。但SCOOT可以在子區(qū)中有雙周期交叉口。,56,3.模型,1）周期流量圖車流預測 （1）根據(jù)檢測器測到的交通信息（交通量及占用時間），實時繪制成傳感器斷面上的車輛到達周期流量圖。 （2）然后通過車流散布模型，預測到達停車線的周期流量圖（到達圖式）。 （3）周期流量圖縱坐標單位為lpu連線車流圖單位。 2）排隊預測 由于車速、車隊離散等都難于精確估算，因此對預測的排隊必須實時地檢驗并給以修正。 通常用實際觀測的車輛排隊長度同顯示的預測排隊長度作對比。,58,3）擁擠預測 為控制排隊延伸到上游交叉口，必須控制受阻排隊長度。 可以根據(jù)檢測的占用率計算“擁擠系數(shù)” 當檢測器測得有車停在傳感器上時，表明排隊即將延伸到上游交叉口。,59,4）效能預測 同TRANSYT一樣，SCOOT用延誤和停車數(shù)的加權值之和或油耗作為綜合效能指標PI，但SCOOT有時也用“擁擠系數(shù)”作為效能指標。 綜合指標PI的選取視控制決策而定。 （1）高峰時段降低車輛延誤、停車次數(shù) （2）短距離交叉口“擁擠系數(shù)”為目標，要避免車輛排隊堵塞上游交叉口 （3）SCOOT把飽和度作為優(yōu)選周期長的依據(jù)，控制其不超過90%。,60,4.優(yōu)化,1）優(yōu)化策略 對優(yōu)化配時參數(shù)隨交通到達量的改變而作頻繁的適量的定量調整。 適量的調整量雖小，但由于調整次數(shù)頻繁，就可由這些頻繁調整的連續(xù)累計來適應一個時段內的交通變化趨勢。,61,優(yōu)點： （1）不會出現(xiàn)過大的起落，可避免因配時突變而引起車流的不穩(wěn)定。 （2）適量的定量調整可簡化優(yōu)化算法，實