干道交通协调控制ppt课件.ppt

第四章 干道交通协调控制,CONTENTS,干道交通信号协调控制的基本概念,干道交通信号协调控制、联结的基本方法,干道交通信号协调控制的设计方法,干道交通信号的智能协调方法,系统速度,相位差,绿信比,周期时长,干道交通信号协调控制的基本概念,城市中道路网中，会有很多干道，一条干道上会有很多交叉口各交叉口的距离较近 由于干道交通流具有一定的连贯性，如果各个交叉口采用独立信号控制，会导致：车辆经常遇到红灯，行车不顺畅，交通流不是在最优的信号控制下运行，环境污染和噪声污染加剧。这时就需要干道交通信号协调控制。,干道交通信号的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，使干道上按照或者接近设计车速行驶的车辆，获得尽可能不停顿的通行权。,绿信比,相位差,系统速度,在线控系统中，为使干道上各交叉口的交通信号能够取得协调，要求各个交叉口交通信号的周期时长必须相等。对各交叉口分别进行配时设计，然后从中选择最大的周期作为线控系统的周期时长并把所需周期时长最大的这个交叉口称之为关键交叉口。一些交通量较小，周期时长接近最大周期时长一半的交叉口，可以将周期时长设为系统周期时长的1/2，这种交叉口半称为双周期交叉口。,周期时常,干道交通信号协调控制的基本概念,周期时常,相位差,系统速度,在线控系统中，各个交叉口交通信号的绿信比是根据其各相位交通流量比来确定的，因此各个交叉口交通信号的绿信比不一定相同。,干道交通信号协调控制的基本概念,绿信比,相位差,绿信比,系统速度,通常在干道上，会有一系列的交叉路口，为使车辆在干道上能畅通运行，可使各交叉口绿灯有序开放，则从纵向来看，这组交叉口信号灯产生了一个“时间差”，这就是相位差，以s为单位或以占周期长的百分比表示。相位差是针对多个信号灯而言的。相位差若以某个信号灯为基准来计算，称为绝对相位差；若以相邻信号时间差计算，称为相对相位差。,干道交通信号协调控制的基本概念,相位差,相位差,绿信比,系统速度,一般多用绿灯起点或终点作为时差的标准点，称为绿时差要提高道路通行率，需适当设置各信号相位差，因此，相位差是干道协调控制的关键参数,干道交通信号协调控制的基本概念,相位差,周期时常,绿信比,相位差,车辆通过干道的设计速度称为系统速度，又叫带速度。确定系统速度的方法有两种：a)人为规定速度：反映了交管部门的主管愿望，实际中，不一定能实现；b)以车流的实际平均速度作为系统速度，它需要根据道路状况不断地调整，才能更好地适应路况。,干道交通信号协调控制的基本概念,系统速度,第4章干道交通信号协调控制,定时式干道信号协调控制,单向交通街道,同步式协调控制,双向交通街道,交互式协调控制,续进式协调控制,定时式干道信号协调控制,定时式干道信号协调控制是指所用的控制配时方案是根据一天时间内的交通流的变化规律预先确定的。,定时式干道信号协调控制,（一）单向交通街道单向交通街道，或者双向交通量相差十分悬殊时，只要照顾单向信号协调的街道，是最容易实施交通信号协调控制的街道。相邻各交叉口交通信号间的相对时差相对相位差Of（秒）可按下式确定： 其中，s为相邻交叉口的间距（km），v为线控系统所要求的车辆通行速度（km/h）。,（二）双向交通街道双向交通定时式干道信号协调控制有3种控制方式：1)同步式协调控制在同步式协调系统中，连接在一个系统中的全部信号在同一时刻对干道车流显示完全相同的灯色。当相邻各交叉口的间距符合下面的关系式时，即车辆在相邻交叉口间的行驶时间等于信号周期时长整数倍时，适宜将这些交叉口组成同步式协调系统。相邻交叉口间距满足：其中，C为系统周期时长，k为整数。适用：（1）交叉口间距相当短、且干线方向的交通量远大于交叉方向交通量。（2）干线方向交通量接近通行能力，下游交叉口红灯车辆排队有可能越过上游交叉口。缺点：同步式协调系统具有很大的局限性。例如，由于前方交叉口干道方向全绿灯因而容易导致司机加速赶绿灯从而引起交通事故等。,2交互式信号协调控制 在交互式协调系统中，连接在一个系统中相邻交叉口的信号在同一时刻显示完全相反的灯色。当相邻各交叉口的间距符合下面关系式时，即车辆在相邻交叉口间的行驶时间等于信号周期时长一半的奇数倍时，适宜将这些交叉口组成交互式协调系统。相邻交叉口间距满足：,感应式线控系统和计算机线控系统,3续进式信号协调控制续进式协调系统是指根据干道所要求的车速和交叉口之间的距离，确定合适的时差，用以协调各相邻交叉口上绿灯的启亮时刻，尽量使得在上游交叉口绿灯启亮后开出的车辆，以适当的车速行驶，可正好在下游交叉口绿灯启亮前后到达。与同步式协调系统和交互式协调系统相比，续进式协调系统更具实际意义。续进式协调系统可分为简单续进系统和多方案续进系统两种。多方案续进系统可适应于交通流状况发生变化的场合。,（1）简单续进系统只使用一个系统周期时长和一套配时方案，车辆可以按设计车速连续通行，对不同的路段，设计车速可随交叉口间距变化。（2）多方案续进系统适用交通流变化情况，一个配时方案对应一组给定的交通条件。交通流发生变化的可能类型：A：单个路口的交通流发生变化：系统中一个或几个信号点上交通量增加或减少，这些变化能改变所需的周期时长或绿信比。B：交通流方向发生变化：在双向干线上，“入境”交通量和“出境”交通量可能变化。 a)入境交通量大于出境交通量。 b)入境交通量大体等于出境交通量。 c)出境交通量大于入境交通量。,一：感应式线控系统当干道上的交通量很小时，若仍维持定时线控系统，会对各路口交叉方向的车辆造成很大延误，道路的车辆通过率降低。解决的方法：安装车辆检测器，在线控系统中使用感应式信号机。 当干道交通量大时，开启线控系统 当干道交通量小时，关闭线控系统，各交叉口按感应控制方法进行独立操作。 1：使用半感应信号机的线控系统 在次要道路上安装车辆检测器，次路上有车时，允许在不影响主路连续通行的前提下，可得到基本配时方案内的部分绿灯时间，并根据交通检测的结果，次路上的绿灯一有可能就尽快结束。次路上没有车辆时，绿灯将一直分配给主路。2：使用全感应信号机的线控系统 一般情况下，系统各交叉口按其正常的单点全感应方式运行。当系统在某上游交叉口测到有车队存在时，上游交叉口通知下游各交叉口，配以线控信号，让车队顺利通过。随后，恢复全感应控制方式。3：关键交叉口感应式线控系统 英国曾采用简易的感应式线控系统。仅在关键交叉口上使用感应式控制机，而把其前后信号机同关键交叉口的信号机连接起来。前向连接同下游交叉口连接的感应联动信号，可避免下游交叉口车辆排队对关键交叉口通车的影响。后向连接同上游交叉口连接的感应联动信号，可避免因关键交叉口车辆排队对上游交叉口通车的影响。,感应式线控系统和计算机线控系统,二：计算机线控系统 确定线控系统配时方案的人工作图或计算方法，不仅十分繁琐，而且容易发生人为错误，更无法处理多相位等复杂配时方案交叉口间的协调。1：脱机方式 （1）MAXBAND 是根据美国麻省理工学院的John D.C. Little教授建立的混合整数规划模型编写的 对给定周期时长、绿信比、信号机间距和设计车速的线控系统给出优化的相位差以获得最大通行率 （2）PASSER2：联机方式“配时方案选择式”“配时方案生成式”,干道交通信号协调控制的联结方法,一：有缆联结有缆联接是指以电缆作为传输介体1、基于主机控制的有缆联接一台控制主机通过电缆与各下位机联结，时差信号保存在各下位机中，各下位机都保持在这个时差点上转换周期。每个周期控制主机向各下位控制机发送一个同步脉冲，用于时钟同步传送脉冲信号的线路可以是专线，也可以利用沿途的电话线，当用电话线传输时，在传送信号的瞬间，自动切断电话通话，传送结束后再恢复通话，因传送时间极短，不会影响通话质量若系统采用多时段配时方案，可由主控机根据时钟发出配时方案转换信号，各下位机则按相应方案进行配时主控机可以安装在任何地方，没有什么限制优点：实行集中控制，修改配时方案比较简单，其安装费用随电缆长度的增加而增加。,一：有缆联结2、逐机传递式系统 各信号控制机预先设置时差参数 开始运转时，第一个交叉口绿灯开始启亮，并发送信号给下一个交叉口，下一个交叉口按自己的时差启亮绿灯，并发送一个信号给下一个交叉口，这样依次启亮绿灯直到最后一个交叉口。这样依次循环，保证各控制机按正确地时差启亮绿灯。 优点：无需由专用主机进行时钟同步。,干道交通信号协调控制的联结方法,二：无缆联结无需电缆作为各控制机联结介质，各控制机之间需要传递的关键信息是时钟同步信息。1、靠同步电动机或电源频率连接各控制器的同步信号来自于信号灯电源的50Hz频率，利用电源频率对各控制器的时钟进行同步。优点：根据电源频率进行同步，简单易行，不需专门的电缆。缺点：供电网络的中周波率会导致较大误差，一般需要人工现场校正，费时费力。2、用时基协调器连接在每个控制器内安装数字计时装置，保证各控制器时钟同步。当配时方案改变时，需人工调整每个控制器。3、用石英钟连接在每个控制器内安装标准石英钟和校时装置，保证各控制器时钟同步。,干道交通信号协调控制的联结方法,选择线控系统的依据实践证明，并不是只要将信号联结成一个系统，就可以形成有效的线控系统。影响线控系统效益的因素有：一、车流的到达特性 以车队形式行驶，脉冲式到达交叉口有利于线控系统 车辆分散，均匀到达交叉口，不利于线控不能形成车队行驶的因素有： 交叉口相距太远 交叉口之间有大量的交通流进入干道(如商业中心停车场、车库等) 在中间的交叉口处，有大量转弯车辆进入干道,干道交通信号协调控制的设计方法,选择线控系统的依据二、交叉口之间的距离干道协调控制的交叉口距离可在1001000m之间。距离越远，线控效果越差，一般不宜超过600m。三、街道运行条件单向交通比双向交通更有利于线控。四、信号的分相交叉口信号相位越多越不利于线控五、交通流随时间的波动交通量越大，越有利于线控；交通量小，则不利于线控。,干道交通信号协调控制的设计方法,时间距离图,线控系统的配时方案是可以用时间-距离图来描述，是描述信号交叉口配时和交叉口间距的关系图形。,横坐标交叉口间的距离,纵坐标时间,干道交通信号协调控制的设计方法,二、配时所需的数据,交叉口间距 街道及交叉口布局交通量 交通管理规则 设计车速根据上述调查数据，确定干线上交叉口纳入线控的范围。并将以下交叉口排除在线控范围之外，或者纳入另一条相宜线控系统内： 交叉口间距过长 交通量相差过于悬殊 影响信号协调效果(比如畸形交叉口),干道交通信号协调控制的设计方法,时间距离图,带宽实际是各交叉口信号灯在时间-距离图上留下的一个绿灯时间范围。通过带宽确定了干道上交通流所能利用的通车时间，以秒(s)或周期时长的百分比计。平行斜线的斜率的倒数就是车辆沿干道可连续通行的车速，可称为系统速度，简称带速。,图中所绘一对平行斜线所标定的时间范围称为通过带，其宽度称为通过带宽(或绿波带宽)，简称带宽。,干道交通信号协调控制的设计方法,（1）确定公共信号周期注意：干道协调控制系统中的系统周期时长，不仅取决于各交叉口信号配时的结果，还将严重影响到通过带的宽度和各交叉口相位差，因此周期时长的选择，除了与关键交叉口所需周期时长有关，还要考虑相位差的关系，需要与相位差一起反复试算。确定周期时长的依据：将通过带速度设置为实际街道的平均车速，定出一段周期时长的备选范围。然后与关键交叉口的周期时长进行比较，参考各交叉口之间的距离，与相位差一起反复试算。（2）绿信比的确定 一般原则：干道交通协调控制每个交叉口的绿信比需要单独确定，按系统周期和各交叉口的流量比，计算各交叉口信号的绿信比以及绿灯时间，它们并不一定相同。但在主干道方向的交叉口通行能力应该相等。 主干道方向绿信比最大化原则：将非关键交叉口多出的绿灯时间全部加给其主干道方向。,设计信号周期、绿信比、相位差的原则,干道交通信号协调控制的设计方法,步骤：（1）确定交叉口按单点控制的周期时长。（2）取周期时长最大的交叉口为关键交叉口，此周期为备选系统周期时长。（3）根据主次道路流量比，计算各交叉口各相位的绿信比及显示绿灯时间。（4）上步得到的关键交叉口上主干道相位的显示绿灯时间，就是各交叉口上对于干道方向所必须保持的最小绿灯长度。（5）按第3步算得非关键交叉口上次要道路方向的显示绿灯时间，是该交叉口对次要道路所必须保持的最小绿灯时间，该显示绿灯时间和有效绿灯时间为：,设计信号周期、绿信比、相位差的原则,干道交通信号协调控制的设计方法,设计信号周期、绿信比、相位差的原则,（6）当系统周期时长大于非关键交叉口所需周期时长时，非关键交叉口改用系统周期时长，其各相绿灯时间均随着增长。为有利于线控系统协调双向时差，在非关键交叉口上保持其次要道路方向的最小绿灯时间，把因取系统周期时长后多出的绿灯时间全部加给主干道方向，这样可以增加线控系统的通过带宽度。,以上算得的配时方案只是备选方案，还要根据配合协调系统时差的需要进行调整。合理的系统周期时长不仅仅决定于各交叉口的信号配时结果，还同取得适用的相位差有关，所以在协调系统时差时要经过反复试算来确定。,干道交通信号协调控制的设计方法,（3）相位差的确定相位差是线控系统中最重要的参数，其确定方法有两种，图解法与数解法。图解法：利用时间-距离图，在图上确定控制方式、线控系统的相位差，同时确定通过带速度和周期时长。解析法：,设计信号周期、绿信比、相位差的原则,干道交通信号协调控制的设计方法,一、画图法,确定控制方式从A点引一条斜线(斜率相当于36km/h的带速)，与BB的交点，同从AA上1点所引水平线同BB的交点(BB线上的1点)很接近。BB上的1点起，B交叉口可与A交叉口配成交互式协调控制，并相应画出BB的2-3、4-5的红灯时段。 连接A点和BB上1点斜线同CC的交点，与从AA上2点所引水平线同CC的交点(CC上的2点)很接近，这样，C和B交叉口可取交互式控制，可按周期画出其他的粗线。连接A点和CC上2点斜线同DD的交点，与从AA上2点所引水平线同DD的交点(DD上的2点)很接近，这样，D和C交叉口可取同步式控制，可按周期画出其他的粗线。用同样的方法确定E和D取交互式控制,”,“,干道交通信号协调控制的设计方法,二、画图法,”,“,干道交通信号协调控制的设计方法,确定、调整信号相位差（1）从A点出发，分别确定各相邻路口信号的相位，分别标出红灯和绿灯相位。（2）在图上作出最后的通过带，算出带速约为57km/h，带宽16s，为周期时长的27%。这样的带速度与实际车速相比过高，为了降低带速，(需要增加通过带的斜率)，可以适当增加周期长度，为使带速在40km/h左右，延长周期时长为8590s。（3）最后调整绿信比，由于各交叉口的绿信比都不相同，可用以下方法调整：在上图中，不移动各交叉口的红灯(或绿灯)的中心位置，只将红灯(或绿灯)的时间按实际绿信比延长或缩短即可。,确定初始条件 设有A、B、H 8个交叉口，距离分别为350m、400m等，取有效数据简 写为35、40。算出关键交叉口周期时长为80s，相应的系统带速暂定为v=11.1m/s(约40km/h)。,一、数解法,”,“,干道交通信号协调控制的设计方法,计算 在半个周期内，车辆的行驶距离a=vC/2，以A为起始信号，下游同A相距a、2a、3a、的地方正好能与A处信号机组成交互式或同步式协调控制的理想位置。 考察下游各实际信号位置同各理想位置错位的距离，错位越小，则信号协调效果越好。然后将a的数值在一定范围内遍历，逐一计算每个a所对应的理想位置，以寻找实际信号协调效果最好的相位差。计算a列先计算a=vC/2 11 80/2=440m(取44)，以44 10作为a的考察范围，即3454，将其填入下表左边的a列内，根据每行的a值将实际信号与理想信号之间的距离填入表中各列。,一、数解法,”,“,干道交通信号协调控制的基本方法,a列各行计算结果如下图所示,计算计算b列以a=34为例，将第一行数据按从小到大的顺序排列，并计算各相邻值之差，将最大的差记入b列。a=34一行的b值为14，以此类推分别填入上表。,一、数解法,”,“,干道交通信号协调控制的基本方法,1 2 4 2 14 1 7,计算确定合适的理想信号位置最佳选择：与理想信号偏差之和的均值最小的位置为最佳选择。考虑到使用的是求模运算，此时等价于取b值最大时，各信号到理想信号的挪移量最小，图中GF同理想信号的挪移量最大，则理想信号同G间的挪移量为： (a-b)/2,一、数解法,”,“,干道交通信号协调控制的设计方法,当a=50，b=22时，偏差值最小，此时各实际信号距理想信号的偏移量最大为14。,理想信号的位置如下图所示,理想信号距G为140m，则距A为130m，即自A前移130m为第一理想信号，然后每隔500m间距画出理想信号。,理想信号与实际信号的相对位置如右图所示,计算作连续行驶通过带将实际信号相对于理想信号的位置标于下表的第3行。将各交叉口信号配时计算所得的主干道绿信比(以周期的%计) 列于第4行。将各交叉口因偏移理想信号而造成的绿灯损失列于第5行。如A的绿灯损为130/500=26%。绿信比与损失之差，为有效绿信比，列入第6行。连续通过带的带宽为左右两端有效绿信比最小值的平均值，此处为30.5%。,一、数解法,”,“,干道交通信号协调控制的设计方法,计算求时差从理想信号与实际信号相对位置图看，在理想信号附近的信号用同步式协调，隔得较远的用交互式信号。从图中看出，本例的结果是奇数理想信号相应的实际信号间为同步信号，奇数与偶数之间使用交互信号。同步式控制信号相位差为：100% - 0.5 %交互式控制信号相位差为： 50% - 0.5 %时差值放在表的第7行。如保持原定的周期时长，则系统带速需调整： v=2s*/C=2 12 5 km/h500/80 = 12.5 m/s = 45以上计算结果，用时间-距离图表示为：,一、数解法,”,“,干道交通信号协调控制的基本方法,时间距离图,计算验证方案实施效果 在实施之后，应当定期实地验证，检测车辆平均延误查服务水平排队长度是否在规定的范围内。,干道交通信号的智能协调方法干线交通流很难对其进行精确建模。模糊控制不需要建立被控对象的精确数学模型，能够实现许多非智能控制无法替代的控制效果。因此，模糊控制适合用于干道交通信号控制。一、交通系统干道控制问题控制目标使通过交叉口的车流量的平均排队长度最短；平均停车次数最少；控制变量周期时长、绿信比和相位差控制策略在一段时间内(如5个周期)保持系统周期、相位差和绿信比不变。本阶段方案由上一时段交叉口交通量决定。,干道交通信号的智能协调方法,模糊控制原理,结构框图,干道交通信号的智能协调方法,干道交通信号的智能协调方法输入模糊化为了统一处理，将在a, b范围内的输入变量的精确值进行离散化。将它的取值范围变换到-6, +6之间。转换公式为：这样完成了将论域a, b转化为-6, +6，因此，所有输入变量的论域均为-6, +6，值域可取为NS, NM,NL, ZE,PL, PM, PS，含义为负小，负中，负大，零，正小，正中，正大。隶属函数可取三角形或梯形。也可通过下面的数值法进行处理。首先按下表，对输入变量进行离散化：,干道交通信号的智能协调方法,这些离散论域上的模糊集隶属函数可以用下表来表示：在该元素上具有最大隶属度的模糊子集,即为该精确量对应的模糊子集。,模糊控制规则的形成条件语句的基本类型：if A or B and C or D then E以if A then B类型为例，若已知输入为A，则输出为B。求当输入为A1时的输出B1。首先求出“if A then B”的模糊关系R: R=A B；求出B1=A1 R例：若A = 1.0 / a1 + 0.8 / a2 +0.5/ a3 + 0.2 / a4 +0.0 / a5 则 B = 0.7 / b1+1.0 / b2 +0.6 / b3 +0.0 / b4 ,“”为取小运算，“”为取大运算,若A1 = 0.4 / a1 +0.7 / a2 +1.0 / a3 +0.6 / a4 +0.0 / a5,THANKS,谢谢聆听,