交叉口信號控制研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

交叉口信號控制研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1信號控制根據(jù)控制方法設(shè)計隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，社會對城市交通有了更高的要求，限制了城市交通交通能力的瓶頸。提高道路交叉口通行能力的最有效的方法之一就是交通信號控制。信號控制研究范圍涉及相位分配的確定、性能函數(shù)的選取、控制參數(shù)的確定和配時方案的生成及配套的硬件設(shè)備選取等多個領(lǐng)域。信號控制根據(jù)控制方法可分為離線控制和在線控制,離線控制通常為定時控制,固定綠燈時間、相位和相序;在線控制包括感應(yīng)控制和自適應(yīng)控制。感應(yīng)控制通過車輛檢測器測定到達進口道的交通需求,使信號顯示時間適應(yīng)測得的交通需求;自適應(yīng)控制把交通系統(tǒng)看作一個不確定的系統(tǒng),通過測量狀態(tài)量,如車流量、停車次數(shù)、延誤時間和排隊長度等,進行反饋,實現(xiàn)信號配時的動態(tài)優(yōu)化調(diào)整,以解決交通網(wǎng)絡(luò)的隨機特性問題。感應(yīng)控制根據(jù)檢測到的交通需求,通過調(diào)整綠燈時長和相位顯示時間順序?qū)M口道車輛進行控制;自適應(yīng)控制通過調(diào)整信號控制參數(shù)改變周期時長、相序等以適應(yīng)交通系統(tǒng)的需求。2交通控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程交叉口交通信號控制技術(shù)隨著社會的發(fā)展而發(fā)展,早期的交通信號燈只有紅綠兩種燈色,后來由于車輛不斷增多以及駕駛員爭道,出現(xiàn)了紅黃綠三種燈色。隨著后來信號配時技術(shù)的不斷進步和電子技術(shù)的不斷發(fā)展,出現(xiàn)了信號控制機和車輛檢測器,同時也先后出現(xiàn)了機械控制器、電機控制器、電子控制器、計算機控制系統(tǒng),計算機在交通控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越受到重視。20世紀80年代以后,隨著信息技術(shù)的發(fā)展,城市交通控制開始向信息化、智能化方向發(fā)展。在20世紀90年代,發(fā)達國家已開始出現(xiàn)智能交通控制系統(tǒng)。到2000年,世界上已有480多個大城市采用了先進的交通信號控制系統(tǒng),即采用計算機(路口計算機、區(qū)域主計算機和控制中心計算機)聯(lián)網(wǎng)控制,根據(jù)交叉路口的實時交通流量,通過研制的交通模型和軟件確定交叉口紅綠燈配時方案,實現(xiàn)整個交通路網(wǎng)的配時優(yōu)化。3實時交通控制系統(tǒng)目前,在全球范圍廣泛采用的交通信號控制系統(tǒng)包括澳大利亞的SCATS系統(tǒng)和英國的SCOOT系統(tǒng)。SCATS屬于方案選擇式控制系統(tǒng),每個交叉口配時方案根據(jù)子系統(tǒng)的整體需要進行選擇,現(xiàn)在上海運行著該系統(tǒng);SCOOT屬于方案生成式實時自適應(yīng)控制系統(tǒng),采用小步長漸進尋優(yōu)的方法,連續(xù)實時地調(diào)整綠信比、周期和時差3個參數(shù),北京已引進該系統(tǒng)。此外,美國的OPAC是一個分布式實時交通信號控制系統(tǒng),該方法適用于較擁擠的交通干線,曾在美國新澤西公路上測試過;意大利的UTOPIA系統(tǒng)屬于分布式實時交通控制系統(tǒng),適合于公共交通比較發(fā)達的歐洲國家,目前在意大利、挪威、荷蘭、瑞典、芬蘭和丹麥等國應(yīng)用較多;法國的PRODYN是一種實時交通控制系統(tǒng),但實際應(yīng)用的不多;美國的RHODES是實時、遞階、最優(yōu)化的分布式系統(tǒng),現(xiàn)大約有20個路口運行著該系統(tǒng);西班牙的ITACA基于線圈實時收集數(shù)據(jù),在計算機模型中仿真實時優(yōu)化運行,實時下達交通控制指令,在世界多個城市成功運行,在我國北京和武漢等城市有小規(guī)模應(yīng)用。各信號控制系統(tǒng)對比總結(jié)如表1所示。4交通狀況網(wǎng)絡(luò)信號控制理論與方法國外一些學(xué)者根據(jù)其國家各自的交叉口主次路口狀況、車流量特性、交通流分配理論和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)信號控制的特點等提出了適應(yīng)其特定的交通狀況的信號控制理論與方法,例如智能檢測——控制系統(tǒng)方法、多代理的控制方法、主次交叉口基于車隊的控制方法、基于近似動態(tài)規(guī)劃的自適應(yīng)控制方法、基于遺傳算法的信號配時優(yōu)化與駕駛員的路徑選擇等。4.1確定最佳的結(jié)束時間美國鄉(xiāng)村道路的交叉口,車輛的速度比較大,這種檢測-控制方法就是將車輛檢測器和信號控制器通過計算機連接在一起形成一個系統(tǒng),計算機根據(jù)檢測器檢測到的車輛信息確定主路綠燈相位最佳的結(jié)束時間,通過信號顯示對主路上的車輛進行控制。該方法的核心在于確定主路綠燈相位最佳的結(jié)束時間。這種方法提出了一個“駕駛員猶豫區(qū)”的概念,就是車輛到達離交叉口不遠的位置遇到黃色指示信號剛開始顯示時,有的駕駛員會選擇停車,有的駕駛員會選擇通過交叉口,這個區(qū)域被稱為“駕駛員猶豫區(qū)”。計算機根據(jù)車輛檢測器檢測到的主路車輛的類型、速度、長度等信息,為每一車輛確定它們是否應(yīng)該在猶豫區(qū)停下,通過信號顯示對主路上的車輛進行控制,這樣就可以使得在猶豫區(qū)的車輛最少,從而提高交叉口的通行能力。4.2交通信號總控制方法多代理控制方法將整個區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的控制分解成許多簡單的單個代理(例如可以將每個路口作為一個代理),智能地控制區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)。多代理是每個代理主機在不同的時間分別響應(yīng)不同的交通狀況。代理分為執(zhí)行代理和默認代理,如果代理分機和區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)系就可以獲得實時信息,執(zhí)行代理就會對信息做出反應(yīng),否則,就采用默認代理進行控制,默認代理可以是事先設(shè)定的定時控制等。這種控制方法在實現(xiàn)區(qū)域交通信號協(xié)調(diào)控制的同時能節(jié)省存儲空間并減少處理工程,從而減少成本。該方法包含如下3個過程:a)評價過程根據(jù)現(xiàn)有的交通狀況,執(zhí)行代理會相互競爭地做出各自的決策(控制方法);b)判斷過程由判斷器決定采納哪一個或哪些執(zhí)行代理的決策;c)控制融合過程如果會采納不只一個代理做出的決策,那么就會將這些執(zhí)行代理各自的決策融合在一起形成一種控制方法。4.3范圍和時距的一般劃分該方法是根據(jù)印第安納州某交叉口主路上的車流量很大,如果沒有信號燈,次路上小的車流量不能穿過或難以穿過交叉口,從而導(dǎo)致次路車輛延誤較大的情況提出來的。該方法利用主路上的車隊檢測器分析主路車隊交通流的特性,通過信號的有效控制減少次路車輛對主路車隊運行的干擾,并使次路車輛的延誤盡可能小。車隊交通流的特性有臨界車頭時距、車隊規(guī)模(車隊里的車輛數(shù))、車頭時距、車隊速度、連續(xù)車隊的到達間隔(前一車隊的最后一輛車和后一車隊第一輛車的車頭時距)等。該方法的特點在于:a)能根據(jù)常規(guī)的車輛檢測器的位置和常規(guī)車輛檢測器與車隊檢測器間的距離來確定車隊檢測器的位置;b)主路綠燈的延長時間隨著車隊規(guī)模和車頭時距而變化;c)如果檢測到主路上仍有車隊,那么就延長次路上車輛的等候時間,直至達到最大等候時間。4.4近似動態(tài)規(guī)劃的特點該方法可實現(xiàn)單路口的優(yōu)化控制或區(qū)域的優(yōu)化控制。對于多相位、交通流大范圍變化的優(yōu)化控制問題,會產(chǎn)生“維數(shù)災(zāi)”,使得動態(tài)規(guī)劃的有效性被狀態(tài)空間的維數(shù)和信息的可得性所限制,而近似動態(tài)規(guī)劃以動態(tài)規(guī)劃為基礎(chǔ),可以求解交通信號控制問題的近似最優(yōu)值,近似動態(tài)規(guī)劃使用有限的在線信息能夠減少計算機的負擔,并能夠解決動態(tài)規(guī)劃的“維數(shù)災(zāi)”問題。4.5隨機用戶平衡該方法通過優(yōu)化路網(wǎng)的信號配時控制,達到路網(wǎng)交通流量分配的隨機用戶平衡,該方法可分為兩層:上層是信號配時的優(yōu)化;下層是駕駛員隨機選擇路徑,路網(wǎng)流量分配達到平衡。遺傳算法通過調(diào)用TRANSYT交通模型,用于上層優(yōu)化全局路網(wǎng)的信號配時。5交通自動化路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)的方向發(fā)展,方向發(fā)展,通過車信號的控制范圍正逐步從單點控制、干線協(xié)調(diào)控制延伸至區(qū)域路網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)控制,從局部性的管理控制擴展到全局性的管理控制;在控制技術(shù)上信號機向著計算機網(wǎng)絡(luò)化、人工智能化方向發(fā)展;在控制思想上從被動式控制——交通信號控制系統(tǒng),向主動式控制——交通自動化路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)的方向發(fā)展,在司機和系統(tǒng)間建立雙向通信功能,系統(tǒng)能根據(jù)司機事先給出的位置和行駛的目的地等信息,給出優(yōu)化的行駛路線,通過對所控區(qū)域內(nèi)行駛的車輛發(fā)出指令和忠告,使區(qū)域內(nèi)的道路系統(tǒng)的交通負荷合理地均勻分布,從而預(yù)防交通阻塞的發(fā)生,通過對交通流主動的引導(dǎo)、分配而使阻塞緩解或者消除。自動化交通路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)具有廣闊的發(fā)展前景。6信號控制的發(fā)展趨勢本文從交叉口信號控制研究發(fā)展歷史、控