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1、城市交通现状调研与交通信号灯优化设计摘要交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，建立数学模型非常困难，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。而模糊控制是一种无需数学模型的控制方法，它能模仿有经验的交警指挥交通时的思路，达到很好的控制效果。本文设计了基于PLC的交通信号的模糊控制系统。 根据交通流量来决定信号灯配时的模糊控制系统，用PLC实现单个十字路口交通信号灯模糊控制的方法，以单个十字路口4相位交通灯为例，把PLC作为一个模糊控制器。能根据不同的交通流量进行模糊控制决策，优化信号灯的配时，从而可以有效的解决交通流量不均衡、不稳定带来的问题。通过对交通流的调节、诱导以达到改善人和
2、货物的安全运输，提高交通效率。关键词：交通信号，交叉口，模糊控制，PLCStatus of urban transportation researchand design of traffic signal optimizationAbstract： Transport system is a Randomness, fuzzy and uncertainty of complex systems, the establishment of mathematical models very difficult and sometimes even is unable with the exis
3、ting mathematical method to describe. The fuzzy control is a kind of mathematical model do not have the control method, it can mimic an experienced traffic police directing traffic at the time of thinking, to achieve good control effect. In this paper, the design of PLC based on the fuzzy traffic si
4、gnal control system.According to the traffic flow decided that the signal light timing the fuzzy control system, realizes the single crossroad street intersection street-traffic control lights fuzzy control method with PLC, take the single crossroad street intersection 4 phase traffic lights as an e
5、xample,the PLC as a fuzzy controller. Can act according to the different traffic flow to carry on the fuzzy control decision-making, optimizes signal lights timing, which can effectively solve the traffic imbalance and instability problems caused. Through to throughflow adjustment and induction，to a
6、chieve improves the person and the cargo safe transportation, raises the transportation efficiency.Keywords: Traffic control signals, intersections, Fuzzy control, PLC目 录摘 要1目 录3第1章 前 言51.1城市交通信号控制研究的背景及意义51.1.1研究背景51.1.2研究意义61.2城市交通现状71.3解决城市交通的有效途径发展智能化交通81.4国内外智能交通系统的发展情况91.5交通信号灯控制的研究现状及发展趋势101.
7、5.1交通信号控制理论现状101.5.2发展趋势121.6本文的主要研究内容12第2章 交通信号控制的基本理论和交叉口现状132.1 交通信号灯的产生132.2 信号灯的含义132.3 交通信号的控制方式152.4 信号灯设置的依据162.5 交通信号灯的安装与排列162.6 交通信号控制的主要术语和参数172.7 交叉口交通现状分析20第3章 模糊控制223.1控制理论223.1.1 控制理论的发展223.1.2 传统控制理论的基础与其缺陷233.1.3 模糊控制的提出243.2模糊控制的一般原则及与传统控制的关系253.2.1 人脑所固有的模糊思维253.2.2 模糊控制理论253.2.3
8、 模糊控制与传统控制的关系273.3十字路口交通灯控制策略273.4交通信号模糊控制思想28第4章 基于PLC的模糊控制系统的设计334.1可编程控制器334.1.1 PLC的产生与发展334.1.2 PLC的主要特点354.1.3 PLC与其它控制系统的比较354.2 PLC的编程设计374.2.1 确定I/O点数及PLC的选择374.2.2 I/0点地址分配384.2.3 控制流程图404.3硬件设计414.4软件的调试44结论与展望47结论47展望47致 谢49参考文献50附 录151附 录251第1章 前言1.1城市交通信号控制研究的背景及意义1.1.1研究背景随着城市化速度的加快，机
9、动车日益普及，人们在赚取由机动车辆所带来的巨额利润以及充分享受汽车巨大便利的同时，也越来越受到交通拥堵、交通事故频发、环境污染加剧和燃油损耗上升所带来的困扰。国内外城市中的交通阻塞主要发生在交叉口，交叉口是两条道路相互交叉而产生的作为方向转换的枢纽，是道路网中道路通行能力的“咽喉”，交通阻塞和事故的多发地。世界上一些大城市如纽约、巴黎的市中心高峰时车速在16公里/小时左右，公共汽车速度则更低。在日本东京市内，早晚高峰时车速仅为9公里/小时，最低时只有4公里/小时，出现了乘车比步行还慢的情况，而机动车在市中心的旅行时间约1/3花在交叉口上。日本全国每年由于交通拥挤所造成的经济损失高达12兆3千亿
10、日元（合人民币9000多亿元）。作为经济和科技都很发达的美国，每年因为交通问题导致的经济损失也高达2370亿美元，而美国交通事故约有一半以上发生在交叉口。我国国内百万人口以上的大城市，每年由于交通拥挤带来的直接和间接经济损失达1600亿元，相当于国内生产总值的3.2%。如果我们不及早采取综合措施加以治理，则城市交通必影响我国经济发展和城市功能正常的发挥1。显然，解决上述交通问题最直接和最有效的方法是修建更多的路桥以提高路网的通行能力。然而，修建路桥的巨额资金和城市有限空间的严格限制，使这一方法的有效性大打折扣。因此，在现有道路条件下，提高交通控制和管理水平，合理使用现有交通设施，充分发挥其能力
11、，是解决交通问题的有效方法之一。城市交通控制包括的内容很多，如道路交通信号控制、交通诱导系统、汽车综合控制、自动化公路等，本文主要研究道路交通信号控制即交叉口的交通信号灯控制。目前国内大部分的交叉口信号控制器来源于英国的SCOOT(Split Cycle and Offset Optimization Technique)系统、澳大利亚的SCAT(Sydney Coordinated Adaptive Traffic)系统和日本的京三系统，均采用定时控制和自适应控制。实践证明，这些系统不仅不适应于中国的混合道路交通情况，且无法适应于连续流与间断流的协调控制、公交优先控制，更无法适应于中国城市发
12、展智能交通系统的需要。所以有必要针对有中国交通特点的交叉口信号控制策略进行研究2。1.1.2研究意义交通是城市经济活动的命脉，对城市经济发展、人民生活水平的提高起着十分重要的作用。20世纪以来，随着汽车工业的迅速发展，汽车已成为人们日常生活中必不可少的交通工具。汽车工业在给人们带来各种便利的同时，也带来了一系列令人困惑的问题，如环境污染、交通拥挤、交通事故频繁发生，给人们的生命和财产带来了很大的损失。城市交通问题是困扰城市发展、制约城市经济建设的重要因素，人们对交通有效控制的意识越来越强烈。我国已于1988年颁布了“中华人民共和国道路交通管理条例”，其主要内容包括对“人”、“车”、“路”、“环
13、境”四方面的管理规则。它以法律的形式来维护基本的交通秩序，保障交通安全和畅通。据有关资料介绍，1978年至1995年全国城市机动车保有量的增长速度是道路增长速度的80倍。城市道路增长的有限与车辆增加的无限这一对矛盾是导致城市交通拥挤的根本原因。为适应交通量猛增的趋势，缓解道路交通拥挤状况，国内许多城市采取延长道路、加宽路面、建高架桥等措施，收效虽明显但又是有限的。从供求两个方面采取措施来解决城市交通问题，不仅要进一步加强交通基础设施的建设，而且要最大限度的提高现有路网的利用效率，同时加强对交通需求的管理，加强对城市道路网的智能管理与优化控制。城市交通信号控制是通过对交通流的调节、警告和诱导以达
14、到改善人和货物的安全运输，提高运营效率。其目标在于改善交通流的质量，更好地利用现有运输能力，提高交通流的安全性、快速性和舒适性。交叉口是组成城市道路网的基本单元，对其进行研究是开展城市交通系统研究的前提和基础。城市交通控制分为单交叉口控制和多交叉口协调控制（即按控制范围分为点控、线控和面控），并非后者比前者控制效果好，它们各有自己的适用范围。单交叉口控制不但更适于那些孤立的交叉口，而且还担负着线控、面控控制方案的落实。我国城市建设资金短缺，而协调控制一般投资较大，这就限制了其使用。所以我国目前各个城市的绝大多数交叉口都在使用着单交叉口控制方式。如何赋予单路口控制方式一些新的策略，使之能对于大量
15、的交叉口进行行之有效的控制，最大限度地提高其通行能力及交通安全，对解决我国目前城市交通问题有着非常现实的意义，也可为协调控制的研究提供思路和方法3。1.2城市交通现状据一项对美国主要城市交通状况的调查结果，在1982年至2000年间，美国城市在上下班高峰期间的交通堵塞状况不断加剧，由交通堵塞造成的时间和汽油浪费而带来的经济损失每年高达680亿美元。一位在美国市区驾车上班者在2000年全年平均在路上遇到塞车的时间长达62小时。根据欧美的经验，交通拥挤造成负面影响中，交通事故、汽油过量和时间成本约各占三成。以广州为例来讲，现在市区平均车速只有每小时12公里，而建设内环路目的是使车速增加到22.5公
16、里。用这个目标速度代入欧美标准计算，广州人为交通堵塞所付出的经济代价总值:每年耗费1.5亿小时，减少生产总值117亿元。相当于该市整个生产总值的7%!117亿的庞大数字提醒我们，如果我国的交通状况得不到根本改善，那么随着城市的不断发展，所付出的代价将更加巨大4。我国大城市道路建设先天不足。在北美、澳大利亚等大城市，道路面积率高达35%-40%，而北京只有20%。缓解交通拥堵，加快道路建设是当务之急。据悉，到2010年，北京将投资500亿元用于城市道路建设，到2005年，北京仅高速公路通车里程就达到600公里。但一味发展城市道路，也会刺激私家车超常规发展，两者发展速度的失衡，最终还是逃不出“拥堵
17、修路再拥堵”的怪圈。造成城市交通拥挤的原因有很多。中国各大城市的交通系统都存在着不同程度的问题，据有关资料显示:北京、上海、广州三大城市与伦敦、纽约、巴黎和东京相比，三个城市的公共交通出行比例都比国外大城市小，尤其是高峰时段的公共交通分担率更小。由于我国城市的公共交通系统普遍不发达，因此总体的城市交通效率不高。北京、上海和广州交通拥挤都很严重，但引起拥挤的原因不完全一样。北京和广州的机动车保有量过多，道路负荷大，是引起拥挤的根本原因;而上海的拥挤是因为交通量时空分布不均、机动车和非机动车混行严重等其他原因造成的。从我国目前各大城市的交通结构看，普遍存在常规公共交通系统发展不足，快速轨道交通系统
18、发展滞后、自行车交通分担率过高、小汽车发展势头强劲的不协调现象。因此，要准确认识各种交通工具各自的使用条件和服务范围，充分发挥各种交通方式的优点，使其合理分工，才能发挥整个交通系统的效率。1.3解决城市交通的有效途径发展智能化交通城市交通矛盾的日益突出，已开始影响城市的发展，为了解决这个问题，专家提出了许多建议，如限制私人购车，增加道路宽度，建立交桥，发展城市轨道交通等等。这些措施和办法虽然短期内也能缓解交通压力，但从长远来看，城市的空间毕竟是有限的，这些办法除了需要大量的资金支持外，还要付出惨重的代价。特别是像北京这样的著名历史文化古城，一味地扩展路面，不仅使古建筑和古迹遭到破坏，也破坏了城
19、市独有特征。那么解决城市拥堵的最科学又行之有效的途径在哪里呢?最行之有效的良方或许就是大力发展智能化交通。智能化交通系统(ITS)是将先进的信息技术、电子通讯技术、自动控制技术、计算机技术以及网络技术等综合运用于整个交通运输，从而实现运输方式和交通管理的现代化。智能化交通管理体系在国外已经有了40多年的发展历史，是目前发达国家普遍采用的交通管理方式，这种方式是在发达的交通网络基上，应用卫星定位系统，对所辖区域的交通流量实施有效控制，使有限的交通络功能得到充分合理的利用，极大发挥城市的载体功能。20世纪90年代中期后，欧、美发展智能化交通明显加快。主张采用智能交通系统的人士说，这种技术大大提高交
20、通效率而节省大量的燃料和时间;除此之外，智能交通系统能够减少交通事故，减少因事故造成的部分经济损失。在与世界发达国家机动车人均拥有量差距还很大的情况下，我国一些特大城市的交通拥堵已排在世界前列，一些特大城市的交通污染在世界上已名列前茅，1998年全国交通事故死亡7.8万人，占全世界交通死亡人数的1/6，死亡率世界第一。美国有两亿辆机动车，1998年交通事故死亡人数不足4万人。为了解这一系列的问题，一方面要增加交通设施的投入，加速交通供给的建设。更重要的是要充分合理科学地使用现有的道路交通设施，发挥它们最大的作用，要达这个目的，采用ITS是根本的措施之一。换言之，在中国推行智能交通系统，势在必行
21、。 在北京召开的“第二届国际智能交通系统(ITS)技术研讨暨技术与产品展览会”上透露。我国将投资20亿元对北京、上海、天津、重庆、广州、深圳、济南、青岛、杭州、中山10个城市进行交通智能化改造，到2006年，这10个城市将全部实现交通的智能化。随着经济的发展和社会进步，迅捷、高效的交通系统己成为我国社会经济发展的有力保障，为实现与经济快速增长相适应的交通运输体系，我国政府已将智能交通系统列为未来发展的一个重要方向5。成都市交管局有关人士介绍，不久成都街头将出现长“眼睛”的感应红绿灯，该系统通过道路上的监控电视镜头、微波检测器和埋在地底下的线圈检测器采集记录分析交通流量、车速等信息，根据这些信息
22、发出或调整控制信号，实现信号的优化配时，减少绿灯空放。由于土地面积有限，不可能完全依赖交通基础设施来满足日益增长的交通需求，迫切需要利用高新技术，挖掘现有交通设施的潜力。发展智能交通，就是提供一个快速、安全、高效、便利的交通网络，满足现在和未来的需要。此外，发展智能交通对交通安全、节省能源、城市环保等方面还有无穷妙用。1.4国内外智能交通系统的发展情况目前国内外对智能交通系统的理解不尽相同，但不论从何种角度出发，有一点是共同的:智能交通系统是用各种高新技术，特别是电子信息技术提高交通效率，增加交通安全性和改善环境的技术经济系统。日本、欧洲等众多国家和地区在智能交通系统方面都取得了相当大的进展，
23、对当地交通运输效率的提高起了关键性的作用(见表1-1:美国、欧洲、日本同我国在智能交通系统发展方面的对比表)。从各国的发展来看，智能交通系统实质上就是利用高新技术对传统的运输系统进行改造而形成的一种信息化、智能化、社会化的新型运输系统。它能使交通基础设施发挥出最大的效能，提高服务质量;同时使社会能够高效地使用交通设施和能源，从而获得巨大的社会及经济效益。它不但有可能解决交通的拥堵，而且对交通安全、交通事故的处理与救援、客货运输管理、道路收费系统等方面都会产生巨大的影响6。表1-1美国、欧洲、日本同我国在智能交通系统发展方面的对比表1.5交通信号灯控制的研究现状及发展趋势1.5.1交通信号控制理
24、论现状城市交通系统是一种非线性的、时变的、滞后的大系统，以往的交通控制研究多是基于启发式的考虑，而不是基于控制理论的方法。多年来，随着众多研究控制理论出身的学者的加盟，使得城市交通自动控制领域的研究出现了新的思路、新的方法。1系统递价控制所谓大系统是指模型维数较高、空间分布较广、系统中包含多个相互关联的子系统、系统的评价有多个性能指标的系统。若控制的路口较多时，系统即为一个大系统。由于大系统的这些特点，如果用极小值原理或动态规划法求解将会花费大量机时，控制的实时性跟不上，甚至还会遇到数值发散、无结果的情况。为此我们将大系统分解为若干个彼此关联的子系统，从而得出相互关联的一些单独最优控制子问题的
25、表述，而通过求解这些子问题，并由单独的协调单元来处理子问题间的关联，即可实现整个大系统的最优控制。城市交通的递阶控制一般将系统分成三个层:适应层、优化层和控制层。优化层根据实时的车流检测信息在线计算一个被简化的最优问题，为控制层提供稳态最优设定点。控制层将优化决策转化成控制律，利用前述分散次最优控制器将系统状态保持在最优设定点邻域内，抑制随机干扰于微小模型误差的影响。为了进一步增强系统的鲁棒性，弥补模型简化带来的负面影响，系统在优化层上加设适应层，通过它跟踪慢扰并识别交通模式，以便决定是否启动在线优化。2模糊控制交通系统是一个具有随机性、模糊性和不确定性的复杂系统，因此其数学模型的建立非常困难
26、，有时甚至无法用现有的数学方法加以描述。即使经过多次简化已建立的数学模型，它的求解还必须简化计算才能完成。所以经典控制法很难得到满意的效果。模糊控制是一种无须数学模型的控制方法，它能模仿有经验的交警指挥交通时的思路，达到很好的控制效果。20世纪70年代，Pappis设计了一个孤立交叉口的信号灯模糊控制器，效果很好。近些年来我国的许多学者也都以不同的思路对单个交叉口、交通干线的模糊控制进行了研究。3神经网络控制人工神经网络是由大量简单的称之为神经元的处理单元以某种拓扑结构广泛地相互联接而构成的复杂的非线性动力学系统，它是在对人脑为主要的生物神经系统的组织结构和行为特征进行研究的基础上提出的，它侧
27、重于对人脑某些特定功能的模拟，强调大量神经元之间的协同作用。通过学习的方法解决问题是人工神经网络的重要特征。由于神经网络具有很强的非线性近似能力，所以许多学者已经把它用于交通控制的研究之中。1991年，Nahatsuji和Terutoshi通过训练一个神经网络使其给出某个交叉口的最优绿信比，后来又把研究工作扩展到三个交叉口上。我国的学者徐冬玲、刘智勇等人也作过一些这方面的研究工作。4网络路由控制在现有交通模式下，出行者在出行途中很难根据实时的交通信息灵活地更改行车路线，以最小费用到达终点。交通需求与交通供给的失配使路网资源无法得到充分利用，严重时会导致长时间的拥挤和堵塞。路由控制是解决上述问题
28、的有效途径，即在某一性能指标最优的意义下，为路网车辆分配路经。这主要是通过设置在路网分叉点上游的可变方向标志或情报牌来实现的。路由控制是交通诱导控制的一种，实质上是一个动态交通分配问题。从控制理论的类别划分角度讲，它也可归结为一个非线性最优控制问题。1.5.2发展趋势近年来，国内外许多专家致力于开发新的交通信号控制方法，人工智能是新的研究方向之一，这是因为人工智能在复杂系统的定性建模和控制上卓有成效。利用模糊控制与神经网络控制等智能控制技术进行交叉口信号灯控制能取得比定时控制与感应控制更好的效果，是今后单个交叉口信号灯控制的主要研究方向。将模糊控制、神经网络控制和遗传算法这三者结合起来用于交叉
29、口信号灯的控制将有可能是今后交叉口信号控制研究的重点。1.6本文的主要研究内容由于交通流量是时变的、非线性的，具有较大的随机性，并且很难建立精确的数学模型，所以本文设计了一种根据前后相流量来决定信号灯配时的模糊控制系统，其主要内容如下:(l)对十字路口交通信号灯控制问题、控制系统组成等进行描述(2)对交叉口交通现状进行分析(3)设计交叉口交通信号模糊控制系统第2章 交通信号控制的基本理论和交叉口现状2.1 交通信号灯的产生自从有铁路以来，就出现了为沿某段轨道行驶的列车显示是否安全的信号了。1868年，发明家JP奈特产生了将这些信号应用在道路的想法。他在伦敦的议会大楼外设置了第一个交通信号。它们
30、像铁路信号一样有一个倾侧臂，并且将红色和绿色的煤气灯组合起来供夜晚使用的。然而，当某个信号灯发生爆炸并炸死了一名警察后，这个计划就告吹了。由于汽车的发明以及交通量的不断增加，交通信号日益成为一种需要，特别是在美国。20世纪初，阿尔弗雷德贝尼施开发出一种红绿灯系统，并且在俄亥俄州的克利夫兰进行了第一批安装。4年后，在设置于纽约的交通灯上又增加了第3种颜色琥珀色。1925年，交通信号重新出现在英国。自动信号很快被开发出来。1926年出现了用定时器加以控制的灯。6年以后，又采用了由交通行列本身通过道路上的压力垫而进行操作的信号。到1903年时，伦敦的交通己成问题。马车、机动车和自行车的混合状态，大概
31、正像如今飞速行进的汽车一样危险。现代交通信号常常由电脑来控制。电脑与道路底下的交通检测器相连接，监视交通流量并测算出改变灯光的最佳时间。2.2 信号灯的含义随着信号灯的发展，各国使用的信号灯存在不同的差别，各自给信号灯赋予不同的含义，使国际间的交通往来发生很多混乱，在各方呼吁下，1968年，联合国综合各式各样对交通信号灯含义的规定，做过一个基本统一的规定。在这一规定的基础上，1974年，欧洲18个国家加上美国、加拿大、澳大利亚、日本等国召开联席会议，协议商订了欧洲道路交通标志和信号协定。并要求各国在协议生效后10年内，逐步统一使用上述信号规定。1欧洲协议规定信号灯的含义(1)绿灯。表示车辆可以
32、通行，在平面交叉口，面对绿灯的车辆可以直行、左转或右转，左右转弯车辆必须让合法通行的其它车辆和人行横道内的行人先行。(2)红灯。表示不许车辆通行，面对红灯的车辆不能超过停车线。(3)黄灯。表示即将亮红灯，车辆应该停止。除非黄灯刚亮时，己经接近停车线，无法安全制动的车辆可以开出停车线。(4)闪灯。红闪灯表示车辆不准通行。黄闪灯或两个黄灯交替闪亮，表示车辆可以通行，但必须特别小心。(5)箭头灯。绿色箭头灯，表示车辆只允许沿箭头所指方向通行。红色或黄色箭头灯，表示仅对箭头所指的方向起红灯或黄灯的作用。2.各国对信号灯含义的特殊规定目前，世界各国信号灯的含义基本是在上述协定的基础上进行统一规定，另外加
33、上一些独特的补充规定。(1)原苏联。在黄灯之前，有绿闪灯，预告即将亮黄灯;右转箭头灯亮时，允许车辆就地调头;箭头灯与红灯同时亮时，可按箭头方向通行，但应给其他方向的车辆让路。另外还规定有公交车辆专用灯。(2)英国。在红灯末尾，有一小段红、黄灯同时亮的时间，即通知面对红黄灯的车辆，红灯即将结束，预先作起动准备，可以节省起动损失时间。(3)美国。各方向车流，分别有各自的红、黄、绿色箭头灯，含义明确不易混淆，但灯具比较复杂。(4)日本。自行车使用机动车信号灯时，有特殊规定，如绿灯时，规定自行车只可直行和左转，而右转车必须直行到对面街角处，待另向绿灯亮时，再次直行通行。3我国对信号灯含义的规定我国目前
34、使用的信号灯基本上与国际规定一致，具体含义如下:(l)绿灯亮时，允许车辆、行人通行，但转弯的车辆不准妨碍直行的车辆和被放行的行人通行。(2)黄灯亮时，不准车辆、行人通行，但己越过停止线的车辆和已进入人行通道的行人，可以继续通行。(3)红灯亮时，不准车辆、行人通行。(4)绿色箭头灯亮时，准许车辆按箭头所示方向通行。(5)黄灯闪烁时，车辆、行人须在确保安全的原则下通行。(6)右转弯车辆和T形交叉口右边无人行横道的直行车辆，遇黄灯或红灯时，在不妨碍被放行的车辆和行人通行的情况下可以通行。2.3 交通信号的控制方式根据所采用的控制装置的不同，交通信号一般有三种控制方式:1周期式信号这种信号的周期长、相
35、位、绿灯时间、转换时间等都是事先确定的。信号通过规定的周期运行，每个周期的周期长和相位都恒定不变。依靠所提供的设备，可用几种预定配时方案，每一种都在一天规定的时间中交替使用。2半感应式信号这种信号保证主干路总保持绿灯直到设在次干路上的检测器探到有车辆到达。这时信号经过一个适当的转换间隔后，立刻为次干路显示绿灯，该绿灯就维持到次干路上的车辆全部通过路口或持续到预定的最大绿灯时间为止。在绿波信号系统中，分配给次干路的绿灯时间必须限制在预定的时间内。该系统的周期长和绿灯时间可根据需要随时进行调整。当次干路没有车辆时，主干路总是保持绿灯，事实上分配到次干路的绿灯时间可充分利用，所有“多余的”绿灯时间则
36、都分配给主干路。3全感应式信号该信号的所有相位全由传动检测器来控制。一般每个相位都要规定最小与最大绿灯时间。这种控制方式的周期长度和绿灯时间可根据需要作很大的变动。周期中的某些相位是可以任意选择使用的，当检测器未测出交通量时，该时刻的相位可自动取消。目前，许多信号系统都实现了计算机控制，使用计算机系统控制的地理交叉口，其信号一般采用预定周期式控制。有些城市还部分地实现了交替信号的线或面的联动控制，在这样的系统中，计算机充当了主控机和监视器的角色。此时，信号的联动不仅对提高单个信号交叉口的通行能力和服务水平有很大作用，而且还对提高整条道路或整个路网的通行能力发挥着极其重要的作用。2.4 信号灯设
37、置的依据当交叉路口的交通量接近路口的通行能力时，考虑在交叉路口设置交通信号控制。信号灯设得合理、正确，能较充分地发挥道路的交通效益，如设置不当，非但浪费了设备和资金，并且会对交通造成不良后果。如有些不合理信号控制的路口，由于主要道路上驾驶员遇红灯而停车，但他在相当长的时间内并未看到次要道路上有车通行，往往会引起有意或无意的闯红灯。因此，信号控制交叉口的交通事故，多发生在交通量较低的交叉口上或交通量较低的时间内。据事故记录分析，最惊人和最危险的事故也多发生在这种交叉口上。因此，研究制定合理设置信号灯的依据是十分必要的。在技术上，避免乱设信号灯，要有据可依;在经济上，避免无谓的投资浪费;在交通上，
38、避免不必要的损失和交通事故。我国目前尚未制定统一的信号灯设置依据，在吸取国外信号灯设置经验的基础上，结合我国目前具体的交通状况，路口信号灯的设置与改进要运用交通工程学理论作指导，根据路口的地形特点、车流状况，作好车辆与行人交通流量的调查，进口道上车辆行驶速度的调查，交通事故及违章调查，车辆可穿越的空当及延误调查等，具体问题具体分析，制定优化的信号配时，保证现代交通高效、节能、低公害运行。2.5 交通信号灯的安装与排列交叉路口交通信号灯安装方式有两种，一种是安装在伸向交叉路口中央上空的型臂上;一种是安装在路口边或中央的灯柱上。信号灯的排列方式通常分为两种:1水平排列式从道路的中心线一侧起以红、黄
39、、绿的顺序向路边排列。这种方式常用于路面较宽的道路。2垂直排列式从上往下依次是红、黄、绿灯。这种方式常用于路面较窄的道路。按固定方式排列信号灯有两个好处:一是把红灯信号放在最醒目的位置;二是可使患有色盲的人凭位置来判断信号的含义。在交叉路口中央上空安装信号灯时应符合车辆通行净空高度界限的要求。信号灯的亮度应保证人们在1O0m以外能看清。为了避免阳光直接照射到信号灯表面，一般要在每个信号灯上加装遮阳罩。2.6 交通信号控制的主要术语和参数1周期周期是指信号灯色发生变化，显示一个循环所需的时间，也称周期长，即红、黄、绿灯时间之和。它是决定点控制定时信号交通效益的关键控制参数，用C表示。一般信号灯的
40、最短周期长度不少于36秒，否则就不能保证几个方向的车辆数顺利通过交叉口。最长周期长度一般不超过120秒，否则，可能引起等待司机的烦躁或误以为灯色控制已经失灵。适当的周期长度对路口交通流的疏散和减少车辆等待时间具有重要意义。从疏散交通的角度讲，显然当交通需求越大时，周期应越长，否则一个周期内到达的车辆不能在该周期的绿灯时间内通过交叉口，就会发生堵塞现象。从减少车辆等待时间的角度来讲，太长或太短的周期都是不利的。若周期太短，则发生堵车现象。若周期太长，则某一方向的绿灯时间可能大于实际需要长度，而另外方向的红灯时间不合理延长必然导致该方向车流等待时间的延长。正确的周期时长应该是，每一个相位的绿灯时间
41、刚好使该相位各入口处等待车队放行完毕。如一个具有两相位(东西向和南北向)交通流的交叉口，设两个相位的交通到达率(到达率)分别是dl、d2，相应相位的通行能力分别为s1，s2，周期时长为C，绿灯时间分别为g1、g2，其中损失时间分别为L1、L2(损失时间是指灯色切换过程中的损失时间和不能被充分利用的绿灯时间，原因是绿灯出现之初车队有个反应和加速的过程)，则 （2-1） （2-2）将上两式相加，并将代入g1+g2=C，得 (2-3)若s1=s2=s，则有 (2-4)由式(2-4)可计算出保证路口不堵塞的一个最小周期值。然而，若交通流的需求过高(趋近于1或者大于1时)，堵塞现象将成为不可避免的，信号
42、周期长度的选取应根据某种优化性能指标选择。2相位相位是对于一个路口多个方向交通流而言，一组互不冲突的交通流即可构成为一个相位。或者说相位信号是指一个信号周期内的信号控制状态，表示在道路交叉口给予某些方向的车辆或行人以通行权的时序。对行车而言相位越多越安全，但相位越多周期就越长，延迟的时间也就越长，效率就越低。相反，相位少，交叉口车流虽然较乱，但通行效率却较高。3.相位差相位差:具有相同周期长的相关路口，在同方向上的两个相关相位的启动时间差，称为相位差。从某一车流方向来看，为使车辆在交叉口处不受阻而流畅通过，与其使相关联信号同时显示同一灯色(特别是绿灯开始时间)，不如使绿灯开始时间错开一些。这里
43、称表示时间对“错开”为相位差。相位差有绝对相位差和相对相位差两种。在一个交通干线协调控制系统中，干线上所有路口的信号周期相同，各路口规定某一相位参加协调，称为协调相位。把干线上某一路口作为基准路口，其他各路口的协调相位起始时刻滞后于基准路口的协调相位起始时刻的最小时间差，称为绝对相位差;沿车辆行使方向任意相邻路口的协调相位起始时刻的最小时间差，称为相对相位差。4绿信比绿信比是指在周期时长内的各相位绿灯时间与周期长之比。相位绿信比是一个相位信号有效绿灯长度与周期长度之比。5 交通流量 交通流量是单位时间内通过某一位置的车辆数，用q表示，单位为辆/小时。一般说来，交通流量是时间和位置的函数，可表示
44、为q(x,t)。6 交通密度交通密度为每车道单位长度道路上拥有的车辆数，用k表示，单位是辆/千米。一般说来，交通密度是时间和位置的函数，可表示为k(x,t)。7 车流速度车流速度指区间平均速度，即在某一瞬间行驶于道路某一特定长度内的全部车辆的车速分布的平均值，用v表示。在交通流理论中，交通流量q、交通密度k、行车速度v三者之间的基本关系为：q=kv8自由行车速度自由行车速度指车流密度趋于零时车辆可以畅行无阻地行驶的速度。9饱和流量饱和流量是衡量路口交通流施放能力的重要参数，通常是指一个绿灯时间内的连续通过路口的最大车流量。10流量系数流量系数是实际流量与饱和流量的比值。既是计算信号配时的重要参
45、数，又是衡量路口阻塞程度的一个尺度。11绿灯间隔时间绿灯间隔时间是指从失去通行权的相位的绿灯结束，到下一个得到通行权的相位绿灯开始所用的时间。12有效绿灯时间有效绿灯时间是指被有效利用的实际车辆通行时间。它等于绿灯时间与黄灯时间之和减去头车启动的损失时间。13延误延误是指交通冲突或信号控制设施的限制给车辆带来的时间损失。它是计算信号配时和衡量路口通行效果的一个重要参数，也常作为确定信号控制系统性能的重要参量。14信号控制交叉口的通行能力在信号控制交叉口，车辆只能在有效绿灯时间内通过停车线，因此信号控制交叉口一侧进口道上的通行能力力Cop为: (2-5)其中，为绿信比，即有效绿灯时间ge与周期长
46、度C之比。2.7 交叉口交通现状分析成华大道和二仙桥路在理工大学校门口交汇组成一个比较大的平面交叉口。该交叉口位于成华区，附近的建筑密度比较高，有学校、酒楼、银行、机关、旅馆、住宅区等等该交叉口高峰期间的机动车交通量非常大，据我们的调查，高峰小时交通流量有6802辆，高峰期间延续的时间比较长，主要集中在上下班的时间段内，形成了每日长时间的交叉口拥堵，尤其在上下班车流高峰期间，四个进口道后面都能看到长长的车流排队。交叉口交通量现状分析近年来，随着城市建设和成华区的发展，该路口的交通量急剧增长，目前交叉路口的机动车交通流量非常大，早高峰小时交通量为6802pcu/h表2-1交叉口的高峰小时流量流向
47、数据进口道流向东 进 口南 进 口西 进 口北 进 口左直右左直右左直右左直右交通量（pcu/h）1721281630912353223771304752697309922083148821331098（调查时间2009.5.12上午8:009:00）从调查的数据可以得到，路口的主要流量分布在东西两个进口道，流量均超过了2000pcu/h，其中直行分别占其流量的60%左右，而南北进口道的交通流量也都超过了1000pcu/h。该交叉口的交通流以公共汽车和小轿车为主，其中合计有约占总流量27%的公共汽车通过这个路口。小轿车主要有私人轿车和出租车构成。约占总交通流量的70%。虽然该交叉口大部分是公共汽车和小轿车，但是车辆组成却较复杂。据调查通过该交叉口的车辆组成如表2-2表2-2 通过交叉口的车辆组成货车大客车中型客车小汽车摩托车东进口40191
