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1、智能交通系统,Intelligent Transport Systems,智能交通系统,Intelligent Transport Systems,张飞舟 博士北京大学地球与空间科学学院2015年3月25日 星期三,智能交通系统,Intelligent Transport Systems,第四讲城市交通控制,目录,城市交通控制概述定时式脱机操作系统：TRANSYT感应式联机操作系统：SCATS&SCOOT&ACTRA及其他交通信号控制系统的评价指标交通信号控制系统的研究进展,1.交通控制概述,交通控制的定义交通控制的作用交通控制的历史交通控制的分类交通控制的参数交通控制系统基本组成,1.1 交
2、通控制的定义,道路交通控制自动控制道路交通自动控制道路交通管理 广义 狭义,核心：如何根据交通需求来合理分配交通资源，提高通行效率。,1.1 交通控制的定义,1.交通控制概述,交通控制的定义交通控制的作用交通控制的历史交通控制的分类交通控制的参数交通控制系统基本组成,1.2 交通控制的作用,道路交通控制随车辆与道路交通而生 目的：1、保障交通安全（1889第一起车祸）2、疏导交通、保障交通畅通,1.交通控制概述,交通控制的定义交通控制的作用交通控制的历史交通控制的分类交通控制的参数交通控制系统基本组成,1.3 交通控制的历史,1.3 交通控制的历史,单点控制,1.3 交通控制的历史,线控系统,
3、1.3 交通控制的历史,区域控制系统,1.交通控制概述,交通控制的定义交通控制的作用交通控制的历史交通控制的分类交通控制的参数交通控制系统基本组成,1.4 交通控制的分类,按控制方式的方便性分为：1）点控：独立控制各信号机。2）线控：同时控制沿着道路连续的几个信 号机。3）面控：把城市道路网分区域控制。,1.4.1 点控方式,适用范围：用于相邻信号机间距较远，线控无多大效果时，或因各相位交通需求变动显著，其交叉口的周期长和绿信比的独立控制比线控更有效果的情况。,点控方式分类,1.4.2 线控方式,定义：把一条道路延长线上的连续几个信号机在时间上相互联系起来进行信号显示。作用：减少停车次数、缩短
4、停车时间，达到交通畅通的目的；有助于形成适当速度的交通流。特点：对几个信号机设定共用的周期长（系统周期长）和确定各信号时间上的相对关系及相位差。,线控方式分类,1.4.3 面控方式,面控又称区域交通信号控制，其控制对象是城市或城市的某个区域中所有交叉路口的交通信号。面控方式是将控制对象区域内全部交通信号的监控，作为一个交通监控中心管理下的整体控制系统，它是单点信号、干线信号和网络信号系统综合控制的集成。,定时式脱机操作控制系统,1.4.3 面控方式,感应式联机操作控制系统,1.4.3 面控方式,1.交通控制概述,交通控制的定义交通控制的作用交通控制的历史交通控制的分类交通控制的参数交通控制系统
5、基本组成,1.5 交通控制的参数,术语：信号相位饱和度信号控制参数周期长绿信比有效绿灯时间相位差饱和流量流量系数,1.5.1 信号相位,定义：指在一个交叉口某个方向的交通流量（或几个方向交通流量的组合）同时得到的通行权或被分配得到这些通行权的时间带。,信号相位图示,1.5.1 信号相位,信号相位图示,1.5.1 信号相位,信号相位图示,确定信号相位的考虑因素,交通安全：行人、左右转向车交通流量、穿越距离和视觉等。交通效率：减少相位数有利于交通效率提高。,1.5.2 饱和度,进道口的饱和度：相位i的饱和度：每个相位i所控制的交叉口各进口道饱和度的最大值。交叉口的饱和度：交叉口所有相位的饱和度之和
6、。,相位与交叉口的饱和度,1.5.3 信号控制参数,周期长：一个信号灯表示绿、黄、红一个循环所需的时间，以秒为单位。绿信比：是指在周期长内的各相位绿灯时间与周期长之比。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。,1.5.3 信号控制参数,相位差：从某一车流方向看，为使车辆在交叉口处不受阻而流畅通过，使每个路口的绿灯开始时间错开的时间。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。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数，又是衡量路口阻塞程度的一个尺度。,1.交通控
7、制概述,交通控制的定义交通控制的作用交通控制的历史交通控制的分类交通控制的参数交通控制系统基本组成,1.6 交通信号控制系统基本组成,智能交通信号控制系统的基本组成是主控中心、路口交通信号控制机以及数据传输设备。其中主控中心包括操作平台、交互式数据仓、效益指标优化模型、数据（图像）分析处理等。智能交通信号控制系统的核心是控制模型算法软件，是贯穿规划设计在内的信号控制策略的管理平台，体现着交通管理者的控制思想，它包括信号控制系统将起到的作用和地位。,系统组成框图,系统组成框图,目录,城市交通控制概述定时式脱机操作系统：TRANSYT感应式联机操作系统：SCATS&SCOOT&ACTRA及其他交通
8、信号控制系统的评价指标交通信号控制系统的研究进展,2.定时式脱机操作系统,TRANSYT（交通网络研究工具）基本原理仿真模型TRANSYT系统的主要环节优化原理与方法TRANSYT优化过程的主要环节,2.1 TRANSYT基本原理,TRANSYT基本原理,2.2 仿真模型,建立仿真模型的目的：用数学方法模拟车流在交通网上的运行状况，研究交通信号控制系统控制参数的改变对车流运行的影响，以便客观地评价任意一组交通控制参数的优劣。,2.3 TRANSYT系统的主要环节,交通网络的抽象与简化周期交通流量变化图式（交通量和时间）车流在连线上运行状况的模拟车辆延误时间的计算停车次数的计算,2.4 优化原理
9、与方法,基本原理：TRTANSYT将仿真得到的性能指标PI送入优化程序，作为优化的目标函数；以网络内的总行车油耗或总延误时间及停车次数的加权和作为性能指标；,2.4 优化原理与方法,基本原理：用“爬山法”优化，产生优于初始配时的新的控制参数，然后把新的信号控制参数再送入仿真部分，反复叠代，最后取得PI值达到最小的系统最佳信号控制参数。,“爬山法”优化计算原理,2.5 TRTANSYT优化过程的主要环节,相位差优化绿信比优化控制子区的划分信号周期长的优化,目录,城市交通控制概述定时式脱机操作系统：TRANSYT感应式联机操作系统：SCATS&SCOOT&ACTRA及其他交通信号控制系统的评价指标
10、交通信号控制系统的研究进展,3.感应式联机操作系统,相位差方案选择,3.1 交通控制方案,形成方式：根据实时采集的交通流数据，实时计算最佳交通控制参数形成控制方案，实施动态交通控制，如英国SCOOT。,3.1 交通控制方案,选择方式：对应不同的交通量状况，事先做好各类交通控制方案和相应的控制参数并储存在计算机内，按实时采集的交通流数据，选取最适合的交通控制方案与控制参数，实时动态交通控制。如澳大利亚SCATS。,3.1 SCATS系统组成,悉尼协调自适应交通控制系统（sydney coordinated adaptive traffic system，SCATS）由澳大利亚新南威尔士干线道路和
11、交通局的西姆斯等人自20世纪70年代开始研究从1980年起陆续在悉尼等城市安装使用。,3.1 SCATS系统组成,悉尼协调自适应交通控制系统（sydney coordinated adaptive traffic system，SCATS）SCATS系统是一种实时自适应控制系统，也是实时配时方案选择系统，更确切的说实际上是一种用感应控制对配时方案可作局部调整的方案选择系统。目前由Tyco系统集成公司推广经营，现已推出SCATS的升级版SCATSII。,3.1 SCATS系统组成,SCATS系统包括中央监控系统、区域控制中心和图形界面（GUI）工作站。一个中央控制系统最多可连64个区域控制分中心
12、，每个区域控制中心可控制250个信号交叉口，理论控制规模为16000个交叉口。,3.1 SCATS系统组成,目前，世界上大约有60个城市正在运行SCATS系统，控制超过16000个交叉口，世界上最大的SCATS系统控制网络在澳大利亚悉尼市，控制了超过3000个信号交叉口。,3.1 SCATS系统组成,除澳大利亚之外，新加坡是拥有基于SCATS控制系统交叉口数量最多的城市（目前大约1800个）。在我国，SCATS系统已在上海、天津、宁波、杭州等几个城市投入运行，并且取得了一定的实施经验。,3.1.1 工作原理,控制结构：分层式三级控制（中央监控中心、地区控制中心和信号控制机）。子系统：在地区控制
13、中心对信号控制机实行控制时，通常将每1至10个信号控制机组合为一个“子系统”。特点：“战略控制”与“战术控制”相结合。,SCATS工作原理图,3.1.1 工作原理,SCATS工作原理图,3.1.1 工作原理,SCATS工作原理图,3.1.1 工作原理,3.1.2 SCATS优选配时方案的主要环节,子系统的划分合并控制参数优化机理信号周期长的选择绿信号方案的选择相位差方案的选择,控制参数优化机理,机理：根据车辆检测装置所提供的实时交通数据和停车线断面的绿灯期间的实际通过量，算法系统选择子系统内各交叉口的公用周期长、各交叉口的绿信比及相位差。依据：饱和度和综合流量。,饱和度和综合流量,饱和度：指被
14、车流有效利用的绿灯时间与绿灯显示时间之比。综合流量：指一次绿灯期间通过停车线的车辆折算当量，反映通过停车线的混合车流数量。,信号周期长的选择,信号周期长的选择以子系统为基础，即在一个子系统内，根据其中饱和度最高的交叉口来确定整个子系统应当采用的周期长。信号周期的调整采取“连续小步距方式”。,绿信号方案的选择,以子系统为基本单位，为每个交叉口准备了4个绿信比方案供实时选择用。规定各相位的绿灯时间占信号周期的比值。规定信号相位的次序。,相位差方案的选择,内部、外部两类相位差方案都要事先确定。每一类包含5种不同的方案。,3.1.3 特点,由于该系统可选方案数目限制，执行每一方案持续时间较长；不具有反
15、馈功能；由于控制参数是事先设置的,将带来一些问题；实时性不够理想。,3.2 SCOOT系统,SCOOT系统：即（split-cycle-offset optimization technique）绿信比周期长相位差优化技术，是一种对交通信号网实行实时协调控制的自适应控制系统。英国TRRL于1973年研发，1979年正式投入使用。SCOOT系统是集中式控制模式，中心控制主机采用1台管理计算机和多台控制计算机形式。,3.2 SCOOT系统,系统规模：中心最多可控制9台计算机，每台计算机最多可实时自适应控制300个路口，理论控制规模为2700个路口。SCOOT系统已经安装在伦敦、北京、大连、多伦多、
16、圣地亚哥等170多个城市，其最大的应用规模是在英国伦敦，控制约2000个路口。,3.2.1 SCOOT系统基本原理,基本原理：SCOOT是方案形成式控制系统，通过安装于各交叉口每条进口道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，连续地实时调整绿信比、周期长及相位差三个控制参数，使之与变化的交通状况适应。特点：优化采用小步长渐近寻优方法，无需过大的计算量，生成方式和运用方法采用实时自适应控制。,3.2.1 SCOOT系统基本原理,3.2.2 SCOOT系统结构,硬件：中心计算机及外围设备，数据传输网络和外设装置（包括交通信号控制机、车辆检测器或摄像装置及信号灯）。,3.2.2
17、 SCOOT系统结构,软件：车辆检测数据的采集和分析;交通模型（用于计算延误时间和排队长度等等）；配时方案参数优化调整;信号控制方案的执行;系统检测。以上5个子系统相互配合、协调工作，共同完成交通控制任务。,3.2.2 SCOOT系统结构,3.2.3 SCOOT优化配时方案的主要环节,检测：车辆数据采集检测和分析子区：由交通工程师事先确定模型：用于计算延误时间和排队长度优化：配时参数优化调整,检测,检测器：环形线圈式电感检测器实时检测检测器位置的选择：距离停车线有一定距离的地点，一般在上游交叉口出口，离下游停车线尽量远。车流检测数据的采集：交通量，占用时间，拥挤程度,子区,由交通工程师事先判定
18、，运行中不可合并也不可拆分。,模型,周期流量图车队预测排队预测拥挤预测效能预测,优化,优化策略：对优化配时参数随交通需求的改变而作频繁的适量调整。绿灯时长优化相位差优化周期长优化,优点：(1)实用性强,几乎不受外界条件影响；(2)稳定性强；(3)自动鉴别和淘汰功能；(4)实时性好；(5)可以提供各种反映路网交通状况的信息。缺点：实时性与可靠性之间的矛盾,3.2.4 SCOOT的特点,3.3.1 ACTRA系统简介 ACTRA（Advanced Control&Traffic Responsive Algorithm）是由美国西门子公司开发的一个信号控制系统软件，是目前世界上技术比较领先的交通信
19、号控制系统软件之一。,3.3 ACTRA系统,3.3.2 ACTRA系统结构 ACTRA交通信号控制系统主要由三大模块组成：中心控制模块、通信模块及路口信号控制模块。,3.3 ACTRA系统,3.3.3 ACTRA系统特点,技术先进、性能可靠，应用较广泛。标准的符合性、软件的开放性。ACTRA采用当前先进的浏览器界面，友好图形用户界面和视频显示技术。智能化的ATC2070现场信号机，自适应反应迅速，更加实用。,3.3.1 ACTRA系统特点,根据资料，北京全市的城市道路交通信号控制路口的数量目前已超过1700处，五环以内城区的信号控制路口为1114处，其中SCOOT系统控制了以二环以内为主的近
20、350处路口，而ACTRA系统的使用也在北京市内安装布置。,3.4 KATNET系统,创建：日本 生成方式与应用方法：自动方案选择 根据调查数据和实际经验，预先设定5个周期控制模式，每个模式对应各自的绿信比和相位差方案，共组合成14种控制方案，存于控制中心计算机内。,3.4 KATNET系统,运行时，根据检测器每5分钟的统计交通数据，计算出5分钟的流量和占有率，经4次平滑后，根据第四次得出的结果，从14种方案中选择最优者进行协调控制。结构形式：两级控制结构 我国使用：深圳、无锡,3.5 国产系统HTUTCS,系统由来和现状 系统是“七五”、“八五”国家重点科技攻关成果，获得“国家计委、国家科委
21、、财政部联合颁发的国家重大科技成果奖、公安部科技进行一等奖、国家科技进步三等奖，已在南京、南昌、株洲、常熟等多个城市应用，系统稳定可靠、综合性能超过国外引进系统。,3.5 国产系统HTUTCS,系统结构 系统通常采用两级控制结构：区域控制级和路口控制级。如需进行区域扩充，为对区域级进行协调控制可增设中央控制级，从而构成三级控制结构。系统设计容量：一个区为一个基本单元，控制个信号交叉口。系统控制区域数不受限制。,3.5.1 系统主要功能,通信号控制参数的优化控制功能 为提高系统的实用性和可靠性，系统设置了实时自适应、固定配时控制功能。实时自适应控制：控制区内与区域控制计算机相连的交通信号机都在区
22、域计算机控制之下，信号配时方案由优化算法软件实时生成。,3.5.1 系统主要功能,通信号控制参数的优化控制功能 固定配时控制：控制区内与区域控制计算机相连的交通信号机都在区域计算机控制之下，信号配时方案使用的是近期实时自适应优化结果，并确有较好交通效益的配时方案。,3.5.1 系统主要功能,特殊控制功能 系统可根据实际交通需求，由指挥中心发出命令进行特殊控制，主要有：绿波控制，在特殊情况下，如警卫、消防、救护、抢险等，信号灯按预定的路线进行绿波推进，以保证车辆畅通无阻。,3.5.1 系统主要功能,系统可预先设置的绿波线路的数量只受计算机硬盘容量的限制。单点控制：各路口的信号灯由各路口交通信号控
23、制机独立控制。闪光控制：信号灯黄灯按一定的频率闪烁，向车辆和行人发出警告或提示。指定相位控制：根据路口交通需求，由指挥中心发出命令控制信号相位的执行时间，进行交通疏导。,3.5.1 系统主要功能,城市道路与高等级公路出入口控制 控制城市道路与高等级公路出入口的匝道和室外可变情报板，进行交通疏导。交通数据自动采集与存储 每一车道的车流信息通过环形线圈车辆检测器或其他形式的车辆检测设备进行自动采集，每隔2秒上送区域计算机，区域计算机计算出车流量、占有率、排队长度等交通数据，存储在区域计算机或中央计算机内。,3.5.2 系统主要特点,系统控制策略更适合我国城市交通特点。系统设置了实时自适应、固定配时
24、和单点三种工作方式，还具有警卫、消防、救护等优先绿波带和人工指定功能，工作方式灵活，功能完备。系统支持多种硬件平台（微机、服务器、工作站以及大中小型计算机），采用TCP/IP通信规程组成计算机局域网，系统配置灵活，克服了其他系统对计算机机型依赖性过强的缺点，软件平台为Windows NT操作系统。,3.5.2 系统主要特点,在公安部交通管理科学研究所内建立了系统维护控制中心，采用公共电话网随时可以与异地的控制系统建立远程联系，实时对外地的交通控制系统进行监视、干预和控制，包括调看运行情况、修改控制参数、进行程序修改和系统升级。该项功能对管理和维护已建成的城市交通控制系统意义重大。,3.5.2
25、系统主要特点,数据通信可靠，方式灵活，户外设备与控制中心的数据通信信道既可采用电话线也可采用光缆。系统性能价格比优越。系统设备的价格为引进系统的1/21/3，系统软件价格为引进系统的1/21/5。,目录,城市交通控制概述定时式脱机操作系统：TRANSYT感应式联机操作系统：SCATS&SCOOT&ACTRA及其他交通信号控制系统的评价指标交通信号控制系统的研究进展,4.信号控制系统的评价,旅行时间通过交叉口所需停止，起动次数以及等待信号次数延误时间处理量拥挤时间（车辆排队长度）,4.1 旅行时间,定义：指通过某个区间所需的总时间，包括停车等引起的延误时间，但不包括车道以外的延误时间和在车道上的
26、停车时间。作用：判定被测线路上的瓶颈地点和信号的系统时间排列是否合适。测量方法：试验车行走法、车牌号识别等方法。,4.2 停止、起动次数和等待信号次数,停止、起动次数：指在被测区间行走过程中，由于信号而停止，之后再起动的回数。等待信号次数：指到通过信号时为止通行方向上相位的红灯次数。作用：衡量饱和程度，用于表示等待队列长度的状态量。,4.3 延误时间,定义：指车辆在没有信号和等待行列（包括加减速）的阻碍下行走所需时间和实际旅行时间之差。分类：平均延误、总延误和交叉口的延误模型。,4.4 处理量,定义：在实际的道路条件（进口道的形状、宽度、配置等）、交通条件（车辆种类、左右转车混入率、停车站的位
27、置、停放车辆等）以及控制条件下，一定时间内通过进口道停车线的最大车辆数。作用：过饱和交叉口评价指标。,4.5 拥挤时间（车辆排队长度）,拥挤长度拥挤时间用途：作为表示拥挤总量的指标。用于拥挤对策的事前、事后评价。,目录,城市交通控制概述定时式脱机操作系统：TRANSYT感应式联机操作系统：SCATS&SCOOT&ACTRA及其他交通信号控制系统的评价指标交通信号控制系统的研究进展,5.交通信号控制系统研究的新进展,目标：解决日益恶化的交通拥挤、交通事故、交通环境污染和节约能源等问题。发展方向：引入公交优先控制；车辆排放量估算；交通事故检测和动态交通管理等。,5.交通信号控制系统研究的新进展,进
28、展：SCOOT城市交通控制系统已发展到包括支持公交优先、自动的SCOOT交通信息数据库（ASTRID）系统，INGRID事故检测系统，以及车辆排放物估算。,5.1 巴士优先,检测选择性车辆检测（SVD）自动车辆定位（AVL）建模优化,迟启局部迟启早断优先程度评价结果,5.2 交通监视,ASTRID可实现交通的自动和连续监视。该数据库系统被设计来接受SCOOT产生的交通信息，然后处理并储存它，留待以后提取和分析。,用ASTRID演示和提取数据,演示直接来自SCOOT的基础数据项目：1）交通流量 2）延误 3）拥挤度 4）某一相位的饱和度,由SCOOT提供的信息提取或计算：1）车辆延误 2）走行时
29、间 3）车速 4）拥挤指数,5.3 INGRID事故检测系统,原理：是一种实时的自动检测系统，采用预先确定的计算机理来检测城市路网中的事故，已开发出对路网中事故检测效果进行评价的技术。算法事故信息事故信息的可信度INGRID评价事故分类,5.3.1 算法,有两种算法用于检测交通事故：1）检查当前交通数据中车流量和占有率的突变。2）比较当前的交通状况和ASTRID历史参考数据提供的预测值来检测事故。,5.3.2 事故信息,INGRID提供的事故信息包括：1）当前日期、时间；2）事故上游的检测器名称；3）持续时间、严重性和事故可信度；4）受影响的上游检测器清单；5）受影响的下游检测器清单。,5.3
30、.3 事故信息的可信度,决定可信度的因素：1）事故影响的检测器数目；2）事故持续时间；3）表明事故发生的算法的数目。,5.3.4 事故分类,“严重”事故“轻微”事故“中等”事故,5.4 车辆排放物的估算,建模有两个阶段：1）确定污染源2）建立模型，预测污染的变化,5.4.1 排放模型,排放率用一组与车辆速度相关的函数表示。对于每一类车辆以及每一种污染物，都存在着一个以速度函数的多项式表示的排放函数。,欧美国家TRANSYT，SCOOT，SCATS，SIME，ITACA，SBH，KOSAN 我国：引进消化整体情况：正在向第四代前进,6.结束语,引进系统的选型：片面追求先进，功能过于求全国产系统的
31、研究与应用：理论知道缺乏，应用急于求成。工程应用：调查仓促，涉及粗糙运行与维护：专业人员缺乏，保障经费不足,6.结束语,加强交通信号控制理论体系的建设。政府要重视 组织大学，科研机构等联合攻关！加强交通信号控制系统标准体系和行业管理规范建设制定配套政策和措施，鼓励成果转化 建立一系列措施，一方面鼓励城市交通信号控制系统市场的竞争，另一方面要保护我国自己的城市交通信号控制系统产业并加以扶持，培养专门人才。加强工程设计工作和效果评价工作。,6.结束语,SCOOT，SCATS和ACTRA作为三种较先进的交通信号控制系统，在控制原理及控制方式上有很多相似的方面。但是每种系统都有着自己的优势，因此在实际应用过程中，每个城市都应该根据自身的特点，来选择适合各自城市特点的信号控制系统，要充分利用每种系统的优势，使其发挥最大的经济效益，更好地为城市建设服务。,6.结束语,Any Question？,Thank You!,
