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1、智能交通信号控制系统解决方案目 录1系统概述32系统功能43智能交通信号控制系统63.1系统说明63.2路口需求73.3系统特点73.4系统设计73.4.1系统硬件拓扑结构83.4.2PL-20-CM系统软件构成93.4.3路口感应控制模式113.4.4行人过街控制143.4.5公车优先感应控制153.4.6绿波控制模式193.4.7区域协调控制模式233.4.8特勤控制243.5智能交通信号控制管理软件系统283.5.1系统软件的主要功能293.6PL-5D 智能交通信号控制主机303.6.1概述303.6.2控制主机视图313.6.3技术特点333.6.4技术指标333.6.4.1主机箱外
2、形尺寸333.6.4.2性能及功能说明333.6.4.3一般要求343.6.4.4启动时序343.6.4.5信号转换353.6.4.6控制方式转换353.6.4.7性能参数351 系统概述 交通信号控制是交通管理和控制的基础，它通过对道路路口时间和空间的合理配置，充分利用现有资源，利用交通信号，对道路上运行的车辆和行人进行指挥和疏导，达到交通最大程度畅通的目的。交通信号自动控制是交通控制的重要组成部分，是科学交通管理的一种有效手段，可以提高效率、减少延误、减少交通事故、降低能耗和减轻环境污染，最终为人们的出行带来便捷。建设系统带来的益处如下：（1）方便出行系统通过路面的交通诱导屏发布实时交通信
3、息，诱导车辆分流，提供完善的交通信息服务，便于出行。（2）提高管理系统建成后可以从一个中心位置掌握各路口交通状况和设备运行状况，提高了实时监控和在特殊情况下的应急反应能力。（3）快速处理道路一旦发生交通堵塞，系统将实时显示堵塞情况，结合视频监控等信息，指挥中心可以快速确认堵塞的地点和性质，及时到达现场，排除交通堵塞。（4）一路绿灯系统建成后，对主干道路上的若干个控制点实现线协调控制，实现车辆的“一路绿灯”控制，减少了车辆的行驶时间，进而降低了尾气排放，保护生活环境，提升生活质量。（5）智能控制系统根据道路的车辆情况，实时调整出合理的路口信号配时，适应路口的不同情况，大大提高道路通行效率，实现减
4、少路口绿灯时间浪费的目的。（6）警卫路线更畅通执行警卫任务时，系统可以快速为车队提供“一路绿灯”，让车队安全通行。2 系统功能系统应能在GIS地图上显示信号控制系统所有设备（包括信号灯、人行灯、倒计时等）的安装位置、品牌、安装时间，工作状态等信息。系统能实时显示路口信号机、地区控制器、各种检测器的工作情况；每个信号机正在执行的配时方案；各个灯组的实时灯色；信号机传来的交通流量数据；当前路口的阻塞情况等。可对信号机进行手动控制。l 设备管理1） 设备属性管理 与GIS相连接，对系统中的信号控制设备等进行管理。 用户可对系统中的信号控制设备进行添加删除操作，在地图中标出信号机的安装地点。用户对各信
5、号机的属性信息可以进行查看、修改等操作。 信号机设备的属性包括：信号机编号、安装路口、信号机型号、受控系统、通讯端口、控制策略。2） 实时状态监视 信号机设备状态监控 以列表的方式显示当前信号机的设备工作状态，包括：控制方式、工作方式、通信状态、故障提示等。 在地图中通过多态的信号机设备图标显示信号机的工作状态。3） 信号状态监视 地图中通行标志编辑：在地图中添加、删除通行标志（与信号相位相对应的通行方向箭头）。 通过改变通行标志的颜色实时显示信号灯态。4） 路口通行状态监视用户可选择查看指定路口的详细信号状态及方案运行状态。如有需要可打开相应的视频监视窗口，用于在出现拥堵时调整方案或检查具体
6、路口的配时方案效果及合理性。l 人工控制 紧急干预控制 在遇紧急事件如拥堵、事故等情况时，用户可以执行紧急放行、执行闪烁、强制执行指定方案等干预控制。l 预案管理用户可编制多个紧急预案，供指挥调度和综合预案集成系统将信号系统中的设备位置及状态进行集成3 系统设计在校区主要路口安装智能化交通信号控制机和线圈检测器系统，由指挥中心信号控制系统软件对受控路口实行线控，保证整个受控区域车辆通行能力最大化、延误最小化。系统具备图形生成、数据采集、数据记录查询保密、交通实时信息操作、操作终端、交保路线（VIP路线）设定、故障记录报警等功能。根据路口流量统计数据实时调整控制主机配时，达到路口信号控制协调调度
7、的目的。系统建成后在控制区域内应达到：行车延误减少15%；行车效率提高15%以上。主要模块包括监控管理模块、通信服务器模块、控制主机和信号灯、倒计时、车辆检测器等模块。信号控制系统功能集成3.1 路口需求在控制区域和路段分布有信号控制路口安装智能化交通信号控制机和线圈检测器系统，由指挥中心信号控制系统软件对受控路口实行区域控制或线控，保证整个受控区域车辆通行能力最大化、延误最小化。系统具备图形生成、数据采集、数据记录查询保密、交通实时信息操作、操作终端、交保路线（VIP路线）设定、故障记录报警等功能。系统建成后在控制区域内应达到：行车延误减少15%；行车速度提高15%以上。3.2 系统特点l
8、建立路口交通流到达、排队状态预测模型基于人工神经网络结合实时交通信息诱导发布的交通流预测；l 建立实时自适应协同控制模型，区域协调模块采用模糊和并行遗传算法实现系统自动控制相位配时；l 建立逐步回溯的交通流疏通方法；l 区域协调控制时距图操作方法；l 操作简单、控制方便的“绿波带”实施方法。l 功能多样化，可同时提供交通信号控制（包括强电输出、RS485网络控制）、诱导牌信息控制等功能；l 提供权限控制，防止未经授权的用户改动主机参数； l 支持便捷特勤控制，并且提供快速定位相位功能，可快速定位到某一个相位，减少在紧急情况下的快速反应时间； 3.3 系统硬件拓扑结构信号控制系统的硬件部分共分为
9、三个部分：管理工作站用于运行交通信号控制系统用户操作的界面。通讯控制服务器运行通信服务器软件，负责与信号机通讯。接收来自管理工作站的指令并将这些指令协议下发到信号机，同时接受来自信号机的上报事件、数据，并将这些数据转发给服务器。路口信号机协调式网络型智能交通信号机，每台信号机包括机箱1个、主机1台、车辆检测器16个。硬件拓扑结构示意图3.4 系统软件构成系统的软件共分为五个部分，各部分之间的关系如Error! Reference source not found.所示。软件结构图1） 客户端软件：是交通信号系统的用户操作界面，所有的有关系统的设置、信号配时、状态监控等均由用户在此软件上进行操作
10、。2） 主控程序：是系统的核心，以服务形式7*24小时不间断运行。这客户端软件提供系统的状态并接受用户指令，向下转发。3） 通讯控制程序：是一个对外场信号机进行通讯的应用服务，7*24小时不间断运行。一台服务器接128台信号控制机，最多可接128*254台信号机。4） 数据库处理程序：是一个对系统数据管理的应用服务，7*24小时不间断运行，提供整个系统的数据层接口。5） 消息服务器：通过消息服务器，系统提供出对交通管理平台的接口实现。3.5 路口感应控制模式信号控制系统既可以执行经过优化下传的固定配时方案，亦可根据道路流量检测执行全感应或半感应控制模式。感应控制是在路口各方向临近停止线30米处
11、设置路口车辆检测器，信号机接收由车辆检测器送来所获取的车流信息，然后针对路口实际交通需求状况，进行单点路口或干道续进绿波带做合理、优化的行车管制，达到车辆最小延迟的时间损失、减少空气污染及合理的相位控制目标,信号机处理所有车辆检测器输入信息确认红灯时是否有车辆在等待或绿灯延长时间时的交通需求并配合控制参数设定值的不同，大致可分为半感应控制与全感应控制两种控制方式。感应控制适用于非重现性交通拥挤，交通量高低相差比较悬殊而变化无定的交叉路口，例如：干、支道很明显的不同交通需求或在不同时段(白天、晚上非高峰时段)。半感应控制原理半感应控制系针对次要道路或左转相位执行交通量需求的信号管制，只有在确实有
12、交通需求(次要道路或左转相位有车辆申请)时才将通行权开放给次要道路或左转相位，如此可使绿灯时间经常开放给交通量较高的主要道路，但若次要道路考量到行人过街时，则次要道路须维持每周期有最短绿灯时间方便行人通行，唯在感应相位有车辆申请时，绿灯时间是依车辆多寡来延长，其绿灯时间最多延长至所设定的最长绿灯时间值；当感应相位无车辆申请时，若不考量行人时则执行感应相位跳跃。l 半感应控制功能半感应控制时可分为协调感应控制及单点感应控制两种:a协调感应控制执行感应控制时要考量是否须执行路段协调控制，不管感应相位绿灯时间延长或相位跳跃(Phase Skip)其周期一定维持一致。b单点感应控制执行单点感应控制时,
13、尤其是两相位路口的感应控制, 要考量到非感应相位的最短绿灯时间及感应相位的最长绿灯时间,所谓非感应相位的最短绿灯时间是指当感应相位有车辆申请时, 非感应相位的绿灯时间要考量到最基本的消散的时间亦既每次绿灯时间至少可以通过若干车流,避免当感应相位车辆申请频繁时影响到非感应相位的车流。l B.控制时机感应相位与非感应相位的车流量相差悬殊, 非感应相位流量较稳定而感应相位流量变动甚大的情况所采行;若有协调控制机制时,协调相位为非感应相位。全感应控制原理全感应控制比较适合应用于单点控制路口，因为交叉路口上的信号灯的管制配时，系由信号机根据路口各临近路段上的交通需求开放绿灯显现时间，也就是各相位时间系由
14、信号机依据各临近路段上的实际交通量以灵活的配时，而不需要考量到绿波带续进控制。感应控制原理所依据主要的控制参数为信号机所设定的”最小绿灯时间，最长绿灯时间及单位延长时间,延伸时间,延迟时间”；最小绿灯时间在于确保绿灯始亮时，停等于车辆检测区至停止线的车辆及欲过街道的行人均能安全通过路口。执行感应控制的相位在执行最小绿灯时间结束后，再依车辆于检测区的感应间距，配合单位延时间延长绿灯时间至最长绿灯时间才结束该相位绿灯灯号，或当红灯相位有车辆申请时，且感应相位前后车辆间距时间大于单位延长时间亦须结束绿灯灯号。车流型态常随流量、时间、地点之差异而有不同的变化，所以信号机可以依不同状况需求的控制参数配量
15、于不同时段执行不同的感应方案。l 全感应控制功能全感应控制时可分为协调感应控制及单点感应控制两种功能:a协调感应控制执行全感应控制时若须执行路段协调控制，不管感应相位绿灯时间延长或相位跳跃(Phase Skip)其周期一定维持一致。b单点感应控制平常维持干道绿灯若其它相位有车辆申请,确定执行干道绿灯的时间大于最短绿灯时间立既结束绿灯，执行黄灯及全红清道时间然后执行车辆申请相位,如执行感应控制的相位结束并且无其它相位申请则执行干道绿灯，等待其它相位车辆申请时在改变灯号，不受周期的限制。 如下图之特殊感应控制:北P10P11P0图3-4 特别优先路口示意图P0： 相位0，东西直行；P10：相位10
16、，特别优先东口左转；P11：相位11，特别优先南口通行。平时放行相位P0，只有当相位P10、P11有申请信号才会放行相应的相位。l 控制时机路口各方向交通量大致相同,但其分配情形变化不定,适合采用,尤其交通量波动大的单点路口。3.6 行人过街控制当交通量相当高且相邻两路口间距相当长，行人过街又属必要时,可设置协调式路段行人过街感应控制。其运作方式如下:1. 平常干道维持绿灯,当有行人感应申请时,干道须经过设定的最短绿灯时间后 ,执行如下运算及分析再决定是否开放行人绿灯:(1)现行配时方案执行时间若是属干道相位时间,则仍维持干道绿灯,直到干道绿灯时间结束。(2) 现行配时方案执行时间若是属行人过
17、街相位时间,则分析其剩余时间若大于行人过街相位最短绿灯时间,则结束干道相位绿灯,开放行人过街相位绿灯。(3) 现行配时方案执行时间若是属行人过街相位时间,则分析其剩余时间若小于行人过街相位最短绿灯时间,则仍维持干道绿灯,等下一周期才开放行人过街相位绿灯。2. 干道有最短绿灯时间保护,必须等到最小绿灯时间结束,才能运算分析是否开放行人过街相位绿灯。3. 行人通行最长绿灯时间是依行人步速（1.2米/秒）,路宽,行人激活误差等因素推算。行人过街相位绿灯时间最后通过的行人起步延误时间(5秒)行人过1.2米/秒）黄灯时间。4. 为于前后相邻路口协调控制,其配时周期于前后相邻路口的一致。3.7 绿波控制模
18、式l 绿波控制思路如图所示，某辆车在干道上由西向东行驶至R1交叉口，当R1交叉口干道方向信号灯为绿时，该车通过R1交叉口，经过一定的时间到达R2交叉口。如果R2交叉口干道方向信号灯也为绿通行状态时，该车将无须停留就可继续通过R2交叉口，再经过一段时间后到达R3交叉口。如果该干道无论对由西向东还是由东向西行驶的车辆来说，在各个交叉口都不需停留就可连续通过，则该干道就实现了“绿波”信号控制或绿波带。由于实际应用中将受到多种因素的制约，本系统只就车速、相邻交叉口间距离和信号周期三个方面来建立实现干道双向绿波信号控制的相关公式。干道示意以图中的三个交叉口为例，设交叉口R1至R2路段的平均车速为V1，交
19、叉口R2至R3路段的平均车速为V2，R1、R2和R3交叉口的信号周期分别为T1、T2和T3。L1和L2分别为相邻交叉口间距离，D1、D2和D3分别为R1、R2和R3交叉口的车辆延误时间。设R1交叉口的信号控制机为控制主机，为了使通过R1交叉口的车辆分别按车速V1和V2行驶到达R2、R3交叉口时无需停留就可连续通过，各交叉口干道方向绿灯开启时间的关系必须如表1(由西向东）所示。同样，为了能保证分别按车速V2和V1反向行驶而来的车辆到达R2、R1交叉口时也无需停留就可连续通过，各交叉口干道方向绿灯的开启时间的关系必须如表1（由东向西）所示。 行使方向路 口R1交叉口绿灯开启时间R2交叉口绿灯开启时
20、间R3交叉口绿灯开启时间由西向东由东向西各交叉路口绿灯开启关系由表可求得各相邻交叉口的正向绿时差分别为： (1) (2)其中，t12和t23分别为R1、R2交叉口之间和R2、R3交叉口之间的绿时差。D1和D2分别为R1、R2交叉口和R2、R3交叉口的平均车辆延误时间，延误时间采用Webster公式进行计算。根据相应的规则推理，可计算出各路口时间周期和相位差。对于多于3个路口的系统，依次类推。由上面原理可推知，当各交叉口间的距离相等且各路段的车速都为V时，各个交叉口的信号周期就相同。此时，如果按车速V行驶的车辆从上一个交叉口行驶到下一个交叉口所需的时间正好是信号周期一半的整数倍时，双向绿波信号控
21、制可获得理想的效果。以下是本系统对几种各交叉口间距离不相等时的情况的处理方法。1）相邻两交叉口间的距离很小时，可把相邻两交叉口看作一个交叉口，采用相同的配时方案，绿灯亮灭时刻相同。2） 各相邻交叉口间距离虽然不等，但相差也不大。这时，可将它们看作近似相等来处理，各交叉口采用相同的信号周期，各路段采用相同的车速。3） 各相邻交叉口间距离相差很大。各交叉口可设置本交叉口的信号周期，各交叉口信号配时方案遵循有效绿灯时间相匹配的原则，各路段采用不同的车速。4） 各相邻交叉口间距离介于上述（2）和（3）情况之间时，根据本系统的相应算法，可采用F.Webster-B.Cobber法来确定各交叉口的配时方案
22、，以期达到最好的效果。 绿波信号配时方案在实施之后，应当经常检测各项交通指标（如平均延误时间、车辆排队长度等）是否达到了预期的效果，如果效果不理想，应根据现场调查的各项交通数据（如平均车速、干道交通流量等）重新设计配时方案和绿时差。l 双向绿波信号控制的实现方式为了使干道上各个交叉口的配时方案取得协调，实现双向绿波信号控制，本系统推荐使用以太网方式，把各个交叉口的信号控制机用一定的方式连接起来。l 协调过程按信号传递方式的不同，可分为两种协调过程。1）主从式协调过程。控制主机通过通信网络操纵与之相连接的各台信号控制机，每隔一定数量的信号周期，控制主机就发送一个同步信号给各台信号控制机。时差被预
23、先设置在各台信号控制机内，每台信号控制机都保持在该时差点上转换信号周期。相邻信号控制机间正确的时差关系就得到保持。2）级联式协调过程。各台信号控制机分别预先设置好各自的配时方案和时差。当第一个交叉口干道方向的绿灯开启时，发一个信号给下一个交叉口的信号控制机，第二个交叉口信号控制机接收到信号后，按预先设置的时差推迟相应的时长开启绿灯，同时向它的下一个交叉口的信号控制机发一个信号，这样依次把信号传递到最后一台信号控制机。每隔一定数量的信号周期后，控制主机再重新进行协调，以保持各台信号控制机间正确的时差关系。信号控制机具有多时段设置功能，可同时配置多达32个时段（默认12个时段）。控制主机可设置几个
24、由内部时钟控制的配时方案转换点，在时钟到达时段切换点时，控制主机发出信号使各下位信号控制机相应地改变配时方案。因此，可根据各时段干道交通流量的不同，设置不同的配时方案，实现对干道交通更灵活的控制。管理主机通信服务器数据库服务器网络交换机光纤网络UTC199UTC299UTC899 路口1 路口2 路口8智能交通信号控制系统拓扑结构图3.8 区域协调控制模式系统具有完整的算法体系，包括区域协调控制算法、感应式协调控制算法、行人二次过街算法、快速出入口与路口的协调控制算法以及异常事件检测算法，下面就ITS系统比较关注的区域协调控制算法作简要说明。区域协调算法交通信号控制三要素是周期时长（Cycle
25、）、绿信比（Split）和相位差（Offset）。在区域协调算法中，系统涵盖了根据历史数据生成初始系统要素配置参数，根据实时数据微调、步进控制系统要素相关参数。交通信号控制系统的区域协调控制算法通过实时优化上述三个参数，实现对控制子区的合理控制。 系统区域协调控制目标是： A. 实现高峰时段最大的路网通行能力，采用先进的协调控制功能； B. 实现平峰时段最小的车辆停车次数，采用现实意义的双向绿波； C. 实现车流饱和度低于平峰值时最少的停车延误，采用智能的全感应/半感应控制。 系统对三个控制要素的优化过程说明如下。 （1）信号周期 信号周期的优化依据是交通流饱和度，它表示交叉口的交通负荷，是本
26、系统优化周期的依据，信号周期的优化过程如下图所示。 实时交通流量交通饱和度输入计算优化信号周期信号周期优化过程（2）绿信比 交叉口的绿信比是根据交通信息和信号周期进行优化的，其过程如下图所示。 调整算子实时交通流量优化后信号周期输入绿信比输入输入协调优化算法 绿信比优化过程（3）相位差交叉口的相位差是根据交通信息、信号周期和绿信比进行优化的，其过程如下图所示。实时交通流量信号周期输入相位差输入输入优化后绿信比相位差优化过程3.9 特勤控制用来设置单个或者多个路口某一时间段的特殊灯态控制；3.10 系统软件的主要功能（1）系统管理系统的管理功能包括用户管理、权限设置、区域设置、子区设置和路口参数
27、设置等。（2）路口GIS操作系统的GIS操作包括地图漫游、放大、缩小、测距，地图查找，地图设置，基于地图的交通监控等。（3）交通控制（UTC操作）系统的交通控制功能包括远程参数上载；远程参数下载；远程参数配置；子区方案配置；实时动态区域协调控制；警卫路线控制；动态绿波控制；人工校时等。（4）交通监视（UTC状态）系统的交通监视功能包括查阅系统运行状态摘要，监视系统设备状态，查阅系统配时信息，监视多个路口状态，监视子区交通状态，显示流量分布等。（5）统计查询系统查询统计功能主要包括以列表或图形形式统计路口流量信息，统计整条道路流量信息，分析路口交通状况，查询路口邻接关系，查询检测器属性，查询检测器原始数据。（6）日志管理系统具有强大的日志管理功能，记录包括操作人员的各种操作记录、信号机的各种故障记录、通信故障记录、检测器故障记录等等。上述记录长期保存在信号机以及中心数据库中，以备操作人员的查询和打印。
