区域信号协调控制分析课件.ppt

第十一章 区域信号协调控制,PPT制作：徐良杰 武汉理工大学,主要内容,11.1 区域信号控制基本原理11.2 TRANSYT控制系统11.3 SCATS系统11.4 SCOOT系统11.5 ACTRA控制系统,原有：线控系统并不适用于所有区位 1.支路负荷大（利益的协调）2.距离较远路口的协调引入：交通协调控制系统,11.1 区域信号控制基本原理,11.1.1 基本概念,概念：把城区内的全部交通信号的监控，作为一个指挥控制中心管理下的一个整体的控制系统，是单点信号、干线信号系统和网络信号系统的综合控制系统。对象：城市或某个区域中所有交叉口的交通信号。类型：单点、干线和区域控制三种。,信号控制系统的类型示意图,11.1.1 基本概念,现代的交通控制系统是多种技术的综合体，主要有以下优点：（1）整体监视和控制（2）可因地制宜地选用合适的控制方法点、线、面控制灵活使用（3）可有效、经济地使用设备显示、检测、采集、传输数据,11.1.1 基本概念,11.1.2 区域控制分类,按控制策略分为：（1）定时式脱机控制依据交通流历史统计数据，脱机优化处理（2）适应式联机控制设置检测器，适时采集交通数据，实施最优控制,按控制方式分为：（1）方案选择式对应不同交通流，存储不同模型和控制参数，依据采集的实时交通数据，选取控制参数（2）方案生成式根据采集的交通数据，实时计算最佳控制参数，进行控制,11.1.2 区域控制分类,按控制结构分为：（1）集中式控制一台计算机对整个系统集中控制通讯系统庞大，数据存储和计算海量，控制实时性较差范围不能太大。,11.1.2 区域控制分类,集中式区域信号控制系统示意图,11.1.2 区域控制分类,（2）分层式控制上层接受决策信息对信息进行协调，从系统角度修改下层的决策控制下层根据修改后的方案，执行交叉口控制配时方案,11.1.2 区域控制分类,分层式区域信号控制系统示意图,11.1.2 区域控制分类,11.1.3 区域控制系统建立条件,道路交通条件：（1）交叉口间几何关系距离、规则性（2）交通流特性车种、车队离散性（3）交通流大小相邻交叉口流量很小或很大时均不易进行区域控制,I：互联指数（01）；t：车辆在相邻交叉口之间的运行时间；qmax：来自上游交叉口的直行交通量或qi中最大的交通；：到达下游交叉口的交通流总和；x：交叉口个数。,11.1.3 区域控制系统建立条件,I越接近1，互联效果越好；I=0时，互联最不合理；I0.4可互联；t小（间距小），直行车多（流量单一），则I大。,11.1.3 区域控制系统建立条件,技术条件软件、硬件、人才经济条件分期、分批，项目建设实施序列社会条件交通参与者的素质（给定的控制需要时间适应）,11.1.3 区域控制系统建立条件,11.2 TRANSYT控制系统,1966年英国道路交通研究所（TRRL）,基于交通模型计算机仿真优化的离线脱机控制系统,11.2.1 TRANSYT系统简介,TRANSYT系统主要由两大部分构成：（1）交通仿真模型：仿真在信号控制网络上的车队模型（2）优化算法：信号配时方案优化设计,TRANSYT基本原理图,11.2.1 TRANSYT系统简介,网络几何尺寸及网络交通流信息,新的信号配时,优化数据,优化过程,最佳信号配时,仿真模型,初始信号配时,周期流量图,网络内的延误及停车次数,性能指标PI,11.2.2 交通仿真模型,TRANSYT所采用的交通仿真模型有四个假定条件。（1）模拟路网内，所有信号交叉口均采用一个共用信号周期长度（或一半），每个信号阶段划分情况及最短时间已知。（2）路网中所有主要交叉口都有交通信号灯或让路规则控制。（3）路网中各车流在某一确定时间段内的平均车流量为已知，且维持恒定。（4）每一交叉口的转弯车辆所占的百分数为已知，并且在某一确定时间段内维持恒定。,（1）交通网络结构图示,TRANSYT把一个复杂的交通网简化成适用于数学计算的图示。这个图示由“节点”和“连线”组成。节点：信号灯控制的交叉口。连线：一股驶向下游“节点”的单向车流。,11.2.2 交通仿真模型,路网结构计算简图实例,11.2.2 交通仿真模型,路网结构计算简图实例,11.2.2 交通仿真模型,（2）周期流量变化图示,周期流量变化图示是一种描述交通量在一个周期内随时间变化的图示。,11.2.2 交通仿真模型,周期流量变化图式,（3）车流在连线上运行模拟,为描述车流在一条连线上运行的全过程，TRANSYT使用了如下三种周期流量图示：到达流量图示驶出流量图示饱和驶出图示上游驶出周期流决定了下游驶入周期流,11.2.2 交通仿真模型,F：离散系数 T：车队平均行驶时间（秒）a,b：曲线拟和参数。,11.2.2 交通仿真模型,车流运行中的车队离散特性用离散平滑系数表示：,mi：第i时段内被阻车辆数；qi：第i时段内到达车辆数；si：第i时段内放行车辆数；mi-1：第i-1时段内被阻于停车线的车辆数。,11.2.2 交通仿真模型,上游驶出图式坐标值乘以F，得到下游到达图式。第i时段内，被阻于停车线的车辆数：,ni在第个时段内驶离连线的车辆数（辆）。由ni值便可建立起连线的“驶出”图示，并由此推算下游连线的“到达”、“满流”和“驶出”图示，以此类推。,11.2.2 交通仿真模型,由此可求得在第个时段内驶离连线的车辆数：,（4）车辆延误时间和停车次数,车辆延误时间：均匀到达延误、随机延误、超饱和延误之和。均匀到达延误是当某一连线上平均驶入的交通量低于该连线的设计通行能力时，车流受红灯阻滞而延迟的时间。随机延误是由于到达停车线的车流不均衡造成的附加延迟时间。,11.2.2 交通仿真模型,车辆延误时间：均匀到达延误、随机延误、超饱和延误之和。超饱和延误是在交通网络中某些连线上，由于车辆到达数超过交叉口的通行能力，在停车线后面的车辆排队随时间增长造成的延迟时间。停车次数：均匀到达停车次数、随机停车次数、超饱和停车次数。,11.2.2 交通仿真模型,（5）优化目标函数PI的建立,PI综合目标函数；W每辆车延误一小时所相当的经济损失值；,di第i条连线上车辆总延误时间；K每100次停车所相当的经济损失值；ki第i条连线上车辆停车次数的加权系数；si第i条连线上全部车辆完全停车次数总和；N“连线”总数目。,第i条连线上车辆延误时间的加权系数；,11.2.2 交通仿真模型,11.2.3 优化的原理和方法,优化原理：第一步，将交通信息和初始配时参数作为原始数据，将（PI）送入优化程序，作为优化的目标函数；第二步，用“爬山法”优化，产生较之初始配时更为优越的新的信号配时；第三步，把新信号配时再送入仿真部分，反复迭代，最后取得PI值达到最小标准是的系统最佳配时。,“爬山法”计算流程图,初始配对方案,向“+”方向试调一个步长,PI值上升,再向“+”方向调整一个步长,向“”方向调整一个步长,再向“”方向调整一个步长,向“+”方向调整成功,维持初始配时不作调整,向“”方向调整成功,PI值下降,PI值下降,PI值上升,PI值上升,PI值上升,TRANSYT优化过程的主要环节包括：绿时差的优选、绿灯时间的优选、控制子区的划分、信号周期时间的选择。（1）所需已知数据：路网几何尺寸、交通流量数据与经济损失折算当量。（2）绿时差（相位差）的优化：在初始配时方案的绿时差（相位差）的基础上，调整交通网上某一个交叉口的绿时差（相位差），计算性能指标PI，使PI最小。,11.2.3 优化的原理和方法,（3）绿灯时间的优选：不等量地更改一个或几个乃至全体信号相位的绿灯长度，以期降低整个交通网的性能指标PI值。（4）控制子区的划分：针对范围较大交通网络；划分为若干控制子区控制策略相对独立。（5）信号周期时间的选择：TRANSYT计算不同信号周期长度取值下的性能指标PI，从这一组信号周期长度取值选取出最佳信号周期时长。,11.2.3 优化的原理和方法,TRANSYT缺点,计算量很大，在大城市中这一问题尤为突出；周期长度不进行优化，事实上很难获得整体最优的配时方案；因其离线优化，需大量的路网几何尺寸和交通流数据，数据更新费用大。,11.2.3 优化的原理和方法,TRANSYT优点,不需大量设备、投资低、容易实施。,11.3 SCATS系统,联机的自适应控制系统 方案选择式区域协调控制系统 80年代悉尼,11.3.1 工作原理,（1）控制参数的选择依据：根据车辆检测器测量得到的交通状态。,交通要求（交通状态）：用车辆检测器测量得到的交通流量和占有率这两个参数的加权和来表示。,式中：M交通要求；q交通流量；O占有率；,加权系数。,（2）方案参数的选择方法：以交通要求为主要依据，可对信号周期、绿信比、相位差（或其中某个参数）进行控制参数的选择。,11.3.1 工作原理,基本原理：（1）为每个子区单元先选择一个信号周期（2）为每个子区单元选择一个绿信比参数（3）为每个子区单元选择一个相对相位参数,绿信比图形选择逻辑图,注：1轻交通的绿信比图形；2典型的绿信比图形；4，5具有轻度优先的绿信比图形；3，6具有显著优先的绿信比图形；7，8具有非常显著优化的绿信比图形,11.3.1 工作原理,相位差图形选择逻辑图,注：1轻交通的相位图形；2，6均衡相位差图形；3，5给予入境交通以优先的相位差图形；4，7给予出境交通以优先的相位差图形；2，3，4当周期大于CT1，而小于CT2时，应选的相位差图形；5，6，7当周期大于CT2时应选的相位差图形。,11.3.1 工作原理,11.3.2 SCAT系统简介,无仿真实时交通状况的数学模型，以简单的代数式描述交通特征，用于计算信号周期长。绿信比和相位差依据信号周期调整。,（1）SCAT系统特点,（2）SCAT系统组成,实时交通数据计算部分：主要包括“类饱和度”与“综合流量”的计算。,优化选择部分：主要包括公共信号周期的计算、绿信比方案的选择、相位差方案的选择与控制子区的合并问题。,11.3.2 SCAT系统简介,（3）SCAT系统的控制结构,SCATS的控制结构为分层式三级控制，三级控制为中央监控中心地区控制中心信号控制机。,SCATS系统的控制结构层次示意图,11.3.2 SCAT系统简介,中央监控中心,子控制区,区域控制中心,交通管理数据库,区域控制中心,区域控制中心,子控制区,子控制区,子控制区,子控制区,子控制区,（110个信号控制器）,（110个信号控制器）,SCATS对子系统的划分：由交通工程师根据交通流量的历史及现状数据与交通网的环境、几何条件予以判定，所定的子系统就作为控制系统的基本单位。SCATS对子系统的合并：在优选配时参数的过程中，SCATS用“合并指数”来判断相邻子系统是否需要合并。,11.3.3 SCAT系统优化方法,（1）子系统的划分与合并,在每一信号周期内，若“合并指数”的累积值达到“4”，则认为这两个子系统已经达到合并的“标准”。合并后的子系统，在必要时还可以自动重新分开为原先的两个子系统，只要“合并指数”累积值下降至零。,11.3.3 SCAT系统优化方法,（2）SCATS配时参数优选算法,1）类饱和度（DS）：被车流有效利用的绿灯时间与绿灯显示时间之比。,式中：DS 类饱和度；g 可供车辆通行的显示绿灯时间总和，s；g被车辆有效利用的绿灯时间，s；T 绿灯期间，停止线上无车通过(即出现空档)的时间，s；t 车流正常驶过停止线断面时，前后两辆车之间不可少的一个空档时间，s；h 必不可少的空档个数。参数g、T及h可以直接由系统提供。,11.3.3 SCAT系统优化方法,2）综合流量（q）：综合流量q是指一次绿灯期间通过停止线的车辆折算当量。,式中：q综合流量，辆；S 最大流率，辆/h。,11.3.3 SCAT系统优化方法,3）信号周期时长的选择,考虑占优势的交通要求、现状周期长、周期长优化的极限值。以子系统为基础，以类饱和度最高的交叉口计算子系统的新周期长。,11.3.3 SCAT系统优化方法,4）绿信比方案的选择,每个交叉口预设4个绿信比方案。通过车辆感应控制，随各相位交通要求变化，改变各相位的绿信比。对于不同绿信比方案，相位顺序可调节。对于预设绿信比方案可随动态交通流变化，实现各相位之间绿灯时间的调剂。各相位绿信比方案随周期长的变化可被修正，当CCx时，多余的时间全部加到“延长相位”上。绿信比方案的选择采用投票法。,11.3.3 SCAT系统优化方法,5）绿时差方案的选择,包含内部相位差、外部相位差；每个相位差均预设5个方案。五种方案中的第一方案，仅仅用于信号周期时长恰好等于Cmin的情况；第二方案，则仅用于信号周期满足CsCCs+10的情况；余下的三个方案，则根据实时检测到的“综合流量”值进行选择。,11.3.3 SCAT系统优化方法,11.4 SCOOT系统,SCOOT系统于1973年开始研究，1977年在 哥拉斯格现场实验，1979年英国推广。,方案生成式控制系统,11.4.1 SCOOT控制系统简介,SCOOT（split，cycle and offset optimization technique）即绿信比周期相位差优化技术。SCOOT是在TRANSYT的基础上发展起来的，不同的是SCOOT是方案生成式控制系统，通过安装与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，连续的实时调整绿信比、周期时长及绿时差这三个参数，使之同变化的交通流相适应。,SCOOT系统的基本原理图,11.4.1 SCOOT控制系统简介,路网上的实时交通状况,车流检测及数据处理,下游停车线断面流量图示,现行控制方案的PI值,现行配时参数,各交叉口车辆排队,故障监视,系统检测,交通模型,现行配时参数方案,调整配时后的PI值,配时参数数组存储单元,对路网执行监控,最新优化配时参数,对配时参数作调整,配时参数优选,继续调整,调整完毕,SCOOT系统的特点：1）SCOOT系统是一种两级结构，上一级为中央计算机，下一级为路口信号机。2）通过车辆检测器获得交通量数据（每秒4次采样），以此为依据建立交通流模型。3）绿信比、相位差和周期的优化均通过模型进行。,11.4.1 SCOOT控制系统简介,11.4.2 系统优化配时的主要环节,（1）检测 SCOOT使用环形线圈式电感检测器实时地检测交通数据。路边不允许停车的情况下，可埋在车道中间。所有车道都要埋设传感器，一个传感器检测一条或两条车道，两条车道合用一个传感器时，传感器可跨在分道线中间。,4）为了避免信号参数突变对交通流产生不利的影响，SCOOT在优化调整过程中均采用小增量方式。5）具有公交车辆和紧急车辆优先功能。,（2）子区 SCOOT系统划分子区也由交通工程师预先判定，系统运行就以划定的子区为依据，运行中不能合并，也不能分拆，但SCOOT可以在子区中存在双周期交叉口。,11.4.2 系统优化配时的主要环节,（3）模型周期流量图示车队预测排队预测拥挤预测效能预测,车辆排队预测,11.4.2 系统优化配时的主要环节,（4）优化 1）优化策略：对优化配时参数随交通到达量的改变而作频繁和适量调整。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。这样的优化策略是SCOOT成功的主要原因之一。2）优化次序：SCOOT在每次改变信号配时方案前，频繁按此轮流优化周期时间、绿信比与绿时差。,11.4.2 系统优化配时的主要环节,SCOOT系统的主要优点：灵活、准时，结果更加有效、可靠。SCOOT系统的主要不足：相位不能自动增减，相序不能自动改变；独立的控制子区的划分不能自行解决，需人工确定；现场安装调试时相当繁琐。,11.4.2 系统优化配时的主要环节,3）绿灯时长优选 4）绿时差优选5）周期时长优选,11.5 ACTRA控制系统,集方案生成和方案选择于一体的区域协调 控制系统 美国西门子公司开发，是目前世界上技 术比较先进的交通信号控制系统软件之一,11.5.1 控制系统简介,ACTRA控制系统(Advanced Control&Traffic Responsive Algorithm)是一种集方案生成和方案选择于一体的区域协调控制系统。ACTRA的控制结构由三大模块组成（如图所示）：中心控制模块、通信模块及路口信号控制模块。系统结构图如下图所示：,ACTRA系统的模块组成,11.5.1 控制系统简介,ACTRA系统结构图,11.5.1 控制系统简介,11.5.2 系统的控制模式及优化,（1）ACTRA系统控制模式：ACTRA系统有多种控制模式，大体分为14种。重点介绍有别于其他系统的4种控制模式。1）系统时间表控制：时间表控制为一组路口设定1天或1周的配时方案，该模式属于方案选择式控制模式，适用于交通流特性稳定的路口。2）干线协调控制：协调控制可进行时间表和感应式线协调控制。感应式协调在保证干线协调控制时，根据非协调相位或冲突方向的请求，自行调整绿信比和相位差。,11.5.2 系统的控制模式及优化,3）交通响应控制：交通响应控制时ACTRA系统根据路口检测的流量和占有率，动态调整系统的周期、绿信比和相位差等参数，然后再选择方案库里最为匹配的方案进行实施。4）区域协调自适应（ACS-Lite）：ACTRA采用的是区域协调自适应算法ACS-L（adaptive control system lite）。该算法根据系统检测器的交通信息，对交通参数自动进行优化并执行优化配时方案，以提高区域通行能力。,（2）优化 ACTRA系统区别于SCOOT的最大优点是它所具有的感应式线协调控制功能。ACTRA系统采用区域协调自适应算法ACS-L（adaptive control system lite），该算法基于先进的分布式系统，实时采集交通数据，实现区域优化。ACS-L自适应流程：首先在交通响应或时间表控制模式框架中利用当前战略控制周期、绿信比和相位差，然后执行ACS-L“在线优化”，即当前时刻相位差和绿信比的优化，进行这两个参数微调的战术控制，最后通过过渡执行器，平滑过渡转换的模式来执行优化方案。,11.5.2 系统的控制模式及优化,ACTRA自适应控制算法结构图,11.5.2 系统的控制模式及优化,时间表或交通响应,确定一个战略方案,相位差、绿信比优化,模式转换平滑过渡,在线优化器,过渡执行器,本地信号控制器,每天执行,每周期执行,每秒执行,（1）绿信比优化 首先设置合理饱和度值，然后通过小步长的增加和减少比较所有相位的饱和度最大值，在满足相位约束条件情况下，尽量使各相位处于较低的饱和度水平。在进行绿信比优化时需要利用检测器的检测流量数据。（2）相位差优化 根据路口上游设置的检测器检测到的断面流量，计算从检测器到信号灯的行驶时间和不同绿灯启始时间，并考虑协调相位车流以及对下游信号的影响，采用小步长实现模式转换最小化尽可能使绿灯时间覆盖最大车流。,11.5.2 系统的控制模式及优化,1.请说明区域信号协调控制的概念和分类。2.比较SCOOT和TRANSYT的不同之处及其适用性？3.当今具有代表性的交通面控系统有哪些？他们各有什么样的优缺点？4.河南省新乡市，作为一发展中的城市，交通基础状况属于混合道路交通，交通基础设施不够完善，并且利用效率不高，路网密度不大但人口密度大，自行车交通大量存在，且市区主要道路没有机非隔离设施，交通规划和交通设计还存在着不完善之处，甚至某些方面仍无规划与设计。目前城区中心区域平交路口车流量已达3200辆/小时，这对于仅有单左转、单直行、单右转机动车道渠化并且机非混行的路口来说，其通行能力已接近饱和状态。此外城区78万人口和40多万辆非机动车也构成了不容忽视的交通需求增长。新乡市平交路口均采用多相位交通信号控制方式。四相位交通组织最为普遍。按照交通工程学理论，多相位信号灯控制与二相位交通控制相比，周期大、行车延误大、绿灯损失多、通行效率低。,本章习题及思考题：,请根据新乡市的交通现状和城市特点，选择一种智能交通控制系统来改善和充分发挥现有交通网络的通行潜力，并说明选择此种控制系统的理由。自适应联机控制系统的主要优缺点是什么？5.我国照搬SCATS和SCOOT系统进行区域控制会遇到哪些问题？,本章习题及思考题：,杨佩昆，张树升.交通管理与控制.北京:人民交通出版社，1995.12袁振洲.道路交通管理与控制.北京:人民交通出版社，2007FHWA.TRANSYT-7F Users Manual.US.DOT，1983Sydney Co-ordinated Adaptive Traffic System.DMR.AustraliaSCOOT Traffic Handbook.TRRL.1983亿阳信通股份有限公司.ACTRA交通控制系统控制功能简述北京市公安局公安交通管理局交通信号系统验收报告，2006 隋莉颖，石建军，宋延等.城市交通信号控制系统ACTRA应用简介及构想.交通与计算机，2007，2(2)：133-137徐建闽.道路交通管理与控制.北京:人民交通出版社，2007王炜.城市交通管理规划指南.北京:人民交通出版社，2000陆化普.城市交通现代化管理.北京:人民交通出版社，1999赵凯.城市智能交通信号控制系统.西安:西北工业大学，2001：21-29胡坚明.智能公共交通系统实施理论实施技术研究.吉林:吉林大学，2001,主要参考文献：,日交通工学研究会编.智能交通系统.董国良等译.北京:人民交通出版社，2000杨佩昆.智能交通运输系统体系结构.上海:统计大学出版社，2001Gartner N H,Stamatiadis C,Tarnoff P J,Development of Advanced Traffic Signal Control Strategies for Intelligent Transportation Systems:Multilevel Design.Transportation Research Board,1995Hua J,Faghri A,Development of Neural Signal Control System Toward Intelligent Traffic Signal Control.Transportation Research Board,1995Owen L E,Stallard C M,A Rule Based Approach to Real-Time Distributed Adaptive Signal Control,Proceedings of the 5th World Congress on Intelligent Transportation System(CD-ROM).Transportation Research Board,1999Wieck M,MOTION-A New Solution for Real-Time Adaptive Control,Proceedings of the 3rd World Congress on Intelligent Transport Systems(CD-ROM).ITS America,Orlando.1996,主要参考文献：,