道路交通控制课件.ppt
1,道路交通控制,授课教师：翟润平ZRP,2,道路交通控制,考试课：讲授48学时+实验6学时=54学时总评：平时成绩(30%)+考试成绩(70%)平时成绩：作业成绩+实验成绩要求：听课、自学、作业、实验教材：道路交通控制原理及应用2011版，教育部“十一五”规划教材参考书：见下表,3,道路交通控制-参考书目,1、交通管理与控制，吴兵、李晔编著，人民交通出版社，2011年第4版；2、交通控制工程，张飞舟、范耀祖编著，中国铁道出版社，2005年第1版；3、城市交通控制，全永燊编著，人民交通出版社，1989年第1版；4、交通控制系统手册，美国运输部联邦公路局编，李海渊等译，人民交通出版社，1987；,4,道路交通控制-参考书目,5、城市交通信号控制系统术语GA509/T-2004，中国标准出版社，2004；6、Traffic Control Systems Handbook，Robert L.Gordon,Warren Tighe，FHW-HOP-06-006,FHWA,2005；7、高速公路系统控制方法，刘伟铭，人民交通出版社，1998；8、城市智能交通控制理论与应用，隋亚刚，李正熙，刘小明，张永忠，中国水利水电出版社，2011；,5,道路交通控制-参考书目,9、道路交通管理与控制，袁振州，魏丽英，谷远利，人民交通出版社，2007；10、高速公路监控系统理论及应用，赵祥模，靳引利，张洋，电子工业出版社，2003。,6,道路交通控制实验说明,实验一：单点信号控制配时优化设计 实验二：智能交通控制系统的应用 实验时间：第15、16周,两个实验：,7,课程内容,第1章 绪论第2章 交叉口优先规则控制第3章 交通信号控制基础第4章 单点信号控制第5章 干线及区域信号控制第6章 交通控制的评价指标第7章 交通控制系统组成及原理第8章 典型交通信号控制系统简介第9章 高速公路交通控制第10章 交通控制系统的建立,8,课程重点,第1章 绪论第2章 交叉口优先规则控制第3章 交通信号控制基础第4章 单点信号控制第5章 干线及区域信号控制第6章 交通控制的评价指标第7章 交通控制系统组成及原理第8章 典型交通信号控制系统简介第9章 高速公路交通控制第10章 交通控制系统的建立,9,第1章 绪论,交通控制是交通系统发展客观需要及控制理论及技术在交通系统中应用的结果。通过交通控制来提高道路的通行能力，保障交通的安全畅通是各国交通专家所公认的一种有效途径。本章将对交通控制的历史与发展、研究目的与内容、控制分类，以及涉及的技术及其理论基础进行概述。,10,第1章：第1节 道路交通控制概述,1.1 道路交通控制的目的1.2 道路交通控制的主要研究内容1.3 道路交通控制的历史与发展,11,1.1 道路交通控制的目的随着社会和交通的发展，交通控制的目的也在不断变化。安全畅通环保。现代交通控制的目的是采取各种交通管理、控制、诱导等措施疏导交通，使交通得以安全、畅通、有序和高效地运行。,第1章：第1节 道路交通控制概述,12,1.2 道路交通控制的主要研究内容交通控制的主要研究内容包括交通系统的组成及其运行机理的研究、交通控制理论、方法以及各种控制方式和控制手段的研究，内容主要有：,第1章：第1节 道路交通控制概述,13,1.2 道路交通控制的主要研究内容 路网交通建模；交通参数的检测、处理、发布方法；交通控制的理论、方法；性能指标计算及配时优化设计；交通控制的各种方式；交通控制的技术；交通控制系统的组成、原理；与道路交通智能控制相关的理论和技术等。,第1章：第1节 道路交通控制概述,14,1.3 道路交通控制的历史与发展最早的信号灯于1868年出现英国伦敦；最早的电力信号灯于1914年出现在美国俄亥俄州的克利夫兰；1917年，美国盐湖城安装了一个包括6个交叉口的互联信号灯系统，该系统由手动控制。,第1章：第1节 道路交通控制概述,15,1.3 道路交通控制的历史与发展1922年，在德克萨斯州休斯敦，安装了一个由中心交通信号房同时控制12个交叉口的信号灯系统，该系统采用了自动电动定时控制功能。,第1章：第1节 道路交通控制概述,16,1.3 道路交通控制的历史与发展1928年，交通工程师们研制成功了一种能够储存不同信号配时方案，以满足每天不同时间区段交通需求的交通信号控制机。这种交通信号控制机比早先的仅能执行单一固定配时方案的交通信号控制机显然是前进了一大步，控制效率也大为提高。但这种交通信号控制机仍然不能适应交通流量随机变化的实际情况。,第1章：第1节 道路交通控制概述,17,1.3 道路交通控制的历史与发展1928-1930年，使用压力检测器的交通感应式交叉口信号控制机开始在美国使用。这种交通信号控制机在当时也只应用于单个交叉口，其最大优点是能够根据交叉口车辆的到达情况灵活调整所需的信号时间。1928年美国交通工程师提出了一种灵活的推进式定时系统（定时协调控制），并很快在美国的城市中得到推广。,第1章：第1节 道路交通控制概述,18,1.3 道路交通控制的历史与发展1952年，美国科罗拉多州丹佛市，开发并安装了由模拟计算机控制的交通控制系统，该系统将单点感应控制的概念应用到灯控的路网。10年间安装超100套。1960年在加拿大的多伦多市进行了试验性研究，建成了使用数字计算机的集中控制系统。这种控制系统很受欢迎，之后，多伦多市进行了大规模使用。1963年已有20个交叉口置入计算机控制，到1973年，已发展成一个控制885个交叉口的交通控制系统。,第1章：第1节 道路交通控制概述,19,1.3 道路交通控制的历史与发展1968年英国道路和运输研究所（TRRL）的D.I.罗伯逊等学者设计开发了区域控制系统信号配时优化程序-TRANSYT。1979年英国TRRL的SCOOT。1980年澳大利亚悉尼的SCAT系统。1980年以后伴随着智能交通系统的研究，各种不同的控制系统如雨后春笋般地在世界各地被广泛开发和应用。,第1章：第1节 道路交通控制概述,20,1.3 道路交通控制的历史与发展（中国）1979北京在前三门大街进行了干线协调控制。1980-1985年南京城市交通控制系统(简称NUTCS)是我国自行研制开发的第一个实时自适应城市交通信号控制系统,是在原国家计委和国家科委的批准下,由交通部、公安部和南京市共同完成的,是“七五”国家重点科技攻关项目(编号2443)。1980年代中期，我国的北京“中区”（天安门周围）最先引进了TRANSYT系统。,第1章：第1节 道路交通控制概述,21,1.3 道路交通控制的历史与发展（中国）1980年代中、后期，我国的北京东区（建国门周围）引进了英国的SCOOT交通控制系统。1980年代中、后期，我国的上海引进了澳大利亚的SCAT)交通控制系统。1990年代许多省会级城市开始引进国外的控制系统。,第1章：第1节 道路交通控制概述,22,2.1 按控制类别划分以交通限制为主的控制，包括：交叉口优先规则控制；路面标志标线控制；停车控制。以交通信号为主的控制（本课的重点）以传递情报信息为主的控制（交通诱导控制）。,第1章：第2节 道路交通控制的分类,23,2.2 按控制范围划分单点信号控制,第1章：第2节 道路交通控制的分类,24,2.2 按控制范围划分干线信号控制,第1章：第2节 道路交通控制的分类,25,2.2 按控制范围划分区域信号控制。,第1章：第2节 道路交通控制的分类,26,2.3 按控制方式划分单点定时控制单方案（时段）定时控制多方案（时段）定时控制单点感应控制半感应控制全感应控制干线无电缆协调控制,第1章：第2节 道路交通控制的分类,27,2.3 按控制方式划分干线无电缆协调控制,第1章：第2节 道路交通控制的分类,28,2.3 按控制方式划分干线有电缆协调控制,第1章：第2节 道路交通控制的分类,29,2.3 按控制方式划分区域定时协调控制区域自适应协调控制,第1章：第2节 道路交通控制的分类,30,2.4 按信号配时生成的技术划分人工技术脱机优化技术联机优化技术,第1章：第2节 道路交通控制的分类,31,3.1 检测技术包括：传感和测量技术。3.2 通信技术包括：有线通信和无线通信技术。3.3 计算机技术包括：软件技术、硬件技术及人工智能技术。3.4 控制技术包括：机、电、光、声等控制技术。,第1章：第3节 道路交通控制的相关技术,32,交通控制的理论基础是交通流理论和自动控制理论。交通流理论揭示的是交通流在交通系统中的运行规律和特征，自动控制理论是研究如何使一个客观系统实现自动控制的理论和方法。自动控制理论提供了使交通流朝着期望方向运行的方法和手段。两者的有机结合形成了交通控制的理论基础。4.1 交通流理论交通流理论的主要研究方法是：概率论方法、流体力学方法、动力学方法。,第1章：第4节 道路交通控制的理论基础,33,4.2 自动控制理论自动控制理论是研究一切自动控制问题的基础。自动控制理论主要包括经典控制理论和现代控制理论。20世纪60年代以后逐渐发展起来的大系统理论和智能控制理论等也是控制理论的重要分支。经典控制理论研究对象是单输入、单输出的自动控制系统。,第1章：第4节 道路交通控制的理论基础,34,4.2 自动控制理论 经典控制理论所谓自动控制系统，是指在无人直接参与下可使生产过程或其他过程按期望规律或预定程序进行的控制系统。一个自动控制系统按控制原理的不同，可分为开环控制系统和闭环控制系统。,第1章：第4节 道路交通控制的理论基础,35,开环控制系统：,开环控制系统的优点是结构简单，成本低；其缺点是控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。,36,闭环控制系统：,同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。,37,4.2 自动控制理论现代控制理论随着宇航技术和生产的发展，以及电子计算机的发展，控制系统日益复杂，在此情况下，现代控制理论便在20世纪60年代初期诞生了。它以贝尔曼的动态规划、庞特里亚金的极大值原理和卡尔曼的滤波方法为基础，立足于状态变量法，研究复杂的系统（多输入/多输出），要求系统达到最优的指标。,第1章：第4节 道路交通控制的理论基础,38,4.2 自动控制理论现代控制理论现代控制理论在发展过程中，逐渐演变出了多个分支，如最优控制、随机控制、自适应控制、多级递阶控制等等。下面就其主要分支作简要介绍：（1）最优控制最优控制是现代控制理论的一个主要分支，着重于研究使控制系统的性能指标实现最优化的基本条件和综合方法。交通定时协调控制的配时方案优化就采用了最优控制的思想。,第1章：第4节 道路交通控制的理论基础,39,4.2 自动控制理论现代控制理论（2）随机控制控制理论中把随机过程理论与最优控制理论结合起来研究随机系统控制问题的一个分支。随机系统指含有内部随机参数、外部随机干扰和观测噪声等随机变量的系统。随机变量不能用已知的时间函数描述，而只能了解它的某些统计特性。谨慎和试探是设计随机控制策略的两个重要原则。在现代交通控制系统中，控制参数常采用小增量的方式进行控制，就是借鉴随机控制原理的典型应用。,第1章：第4节 道路交通控制的理论基础,40,4.2 自动控制理论现代控制理论（3）自适应控制自适应控制是能在系统和环境信息不完备的情况下改变自身特性来保持系统良好工作品质的控制系统，它也是现代控制理论的一个重要分支。信息不完备表现为系统和环境的特性或其变化规律的不确定性。适应控制系统的主要类型有：自校正调节器、模型参考适应控制系统、自镇定系统、自寻最优系统、自组织系统和学习控制系统等。,第1章：第4节 道路交通控制的理论基础,41,4.2 自动控制理论现代控制理论（3）自适应控制,第1章：第4节 道路交通控制的理论基础,42,4.2 自动控制理论现代控制理论（3）自适应控制自适应控制系统已在船舶驾驶、过程控制等方面取得了一些成功的应用。在交通控制领域，有很多典型的系统（如SCAT）也是借鉴了自适应控制的思想，使控制系统具有了一定的自适应能力，但准确地说，它们还不是真正意义上的自适应控制系统。,第1章：第4节 道路交通控制的理论基础,43,4.2 自动控制理论现代控制理论（4）递阶控制理论研究具有递阶结构的大系统的控制问题的理论。它包括大系统的分解和协调、最优控制和稳定性等。一个递阶系统必须具备三个基本特征：一个由多台决策器组成的多级控制结构，其中每一级包含有一定数量的决策器。上级决策器在数量上通常少于下级决策器，整个结构呈金字塔形。每级决策器都赋予一定的决策权，同级决策器可以并行工作。,第1章：第4节 道路交通控制的理论基础,44,4.2 自动控制理论现代控制理论（4）递阶控制理论 信息只能在相邻级间垂直传送，由上向下的信息传递有优先权。各决策器通过它们的模型、目标函数和约束条件等实现关联。整个系统有一个总体目标，而每个子系统有各自的局部目标。总体目标是各局部目标的一个保序函数，最常见的形式是总体目标等于诸局部目标的算术和。经过上级决策器对下级决策器的反复协调，各子系统的局部目标与整个系统的总体目标最终将同时达到极值。,第1章：第4节 道路交通控制的理论基础,45,4.2 自动控制理论现代控制理论（4）递阶控制理论大系统的分解和协调是递阶系统赖以建立的基础。分解就是把一个大系统分成若干子系统。分解的结果产生一组有关联(耦合关系)的下级子系统。这组子系统可以在放宽关联约束之下各自求解，这样得到的解当然不可能是大系统的整体最优解。为了从整体上把握各子系统之间的关联，就需要在上级设置一个协调机构(协调器)，通过协调某些变量，不断调整下级各子系统间的关系。,第1章：第4节 道路交通控制的理论基础,46,4.2 自动控制理论现代控制理论（4）递阶控制理论一旦关联约束条件成立，则在一组凸性的条件下，各子系统局部最优解的组合便成为大系统的整体最优解。据此选定的变量称为协调参数或协调变量。20世纪70年代，M.G.辛格等应用递阶控制理论成功地在西伦敦通向白金汉宫的一条有三个交叉口的道路上实现了递阶最优控制。开创了应用大系统理论解决城市交通控制问题的先例。RHODES也是按照递阶理论设计的控制系统之一。,第1章：第4节 道路交通控制的理论基础,47,道路交通控制概述 包括：目的、内容和发展历史。道路交通控制的分类 包括：类别划分、范围划分、控制方式划分和配时生成技术四种分类。道路交通控制的相关技术 包括：检测、通信、计算机和控制技术。道路交通控制的理论基础 包括：交通流理论和控制理论两方面。,第1章：小节,48,阅读教材的第一章全文；重点思考：简述交通控制的目的。简述区域交通控制系统的发展，及其代表产品。简述交通控制的分类。简述交通控制的主要相关技术及其在交通控制中的作用。简述交通控制的理论基础。反馈对交通控制起到何种作用？,第1章：复习思考,49,END,第1章 绪论,
