城市交通枢纽智能交通信号控制系统设计

摘　要：一个城市智能交通的发展程度，在很大的程度上反映了这座城市的发展程度，引入智能交通信号控制系统可以提高城市交通状况和整体管理水平。本文致力于城市交通枢纽智能交通信号控制系统建设研究，以天津站交通枢纽智能交通信号控制系统建设为例，阐述了该系统的主要特征、总体结构、运行模式、控制战略及一些特殊功能等。

关键词：交通枢纽；智能；交通信号控制系统
1、引言
　　21世纪是公路交通智能化的世纪，人们更为关注如何建立基于现代电子信息技术面向交通运输的智能化管理系统，进行一体化的交通综合管理，交通信号控制系统正是实现城市交通智能化管理与控制的重要组成部分。随着城市机动车保有量和出行率的大幅度提高，形成了更为复杂多变的交通需求，这对交通信号控制的适应性、智能化提出了更高的要求[1]。在计算机技术和自动控制技术的发展推动下，国内外出现了一些较高效的城市道路交通控制系统，比较典型的交通信号控制系统有TRANSYT、SCOOT和SCATS等等[2]。本文结合天津站交通枢纽工程智能交通管理系统的建设实践，系统探讨了智能交通信号控制系统的设计方案。
2、系统概述
　　不同于其他智能交通管理系统（如道路监控、事件监测、数字交通执法等）通常采用的预先设定的固定时间交通控制方案，本文提出的交通信号控制系统采用有效的负反馈原理和自适应控制算法，根据埋设在路口的交通流检测器所采集的交通流信息，适时自动调整，以提供最佳的交通流，实现中心自适应区域交通信号控制。其主要特点体现为：
* 先进性：充分利用国内外现有最新技术，同时思考未来发展要求。
* 成熟性：基于成熟的、国际主流的技术与方法，采用经过实践检验的技术和设备。
* 实用性：具有良好的实用性，所使用的技术、设备、应用软件符合天津站交通的特点，满足信号控制需求，建设、使用、维护方便。例如，人机交互和操作界面为中文图形界面，直观、友好、易操作，可以实现在线帮助。
* 可靠性：该系统具有自动检测、报警、容错和恢复功能。
* 开放性：该系统体现广泛的互联互通设计，服务于未来的功能扩展。
* 兼容性：可连接相同标准下各个厂商、型号的交通信号控制器。
3、系统结构
　　交通信号控制系统是一个计算机化的控制系统，该系统由中心设备和外场设备组成。中心设备包括区域协调控制主机、应用软件以及配套管理设备；外场设备包括路口信号机、检测线圈、电力和通信的局部切改等。其中，信号灯的灯具利用路口既有灯具。每一台中心自适应协调区域交通信号控制区域计算机（PC兼容）可以控制250个路口，区域计算机可以多至64个，总的可控路口数量为16000个。具体结构见图1：

图1  交通信号控制系统拓扑结构图
　　天津站交通信号控制系统全面负责天津站区域的交通信号协调控制，它是一个分级控制系统，对通讯的要求较低，使系统在网络通讯方面具有很高的可靠性，主要包括以下内容：路口控制器与天津站区域交通信号控制区域控制机通讯采用串口通讯的方式；交通枢纽区域交通信号控制区域控制机、中央管理计算机以及操作工作站之间的通讯是基于TCP/IP的网络连接；与其他系统通讯是采用串口通讯、基于TCP/IP协议。
4、交通枢纽区域交通信号控制的运行模式
    交通枢纽中心自适应协调区域交通信号控制，利用各种新技术，为交通管理者的使用和决策提供更多、更灵活的手段。系统可以在以下四种模式下运行：
　　①联机模式。联机模式是完全自适应控制，实现完全实时的交通响应运行。
　　②降级协调模式。如果交通枢纽区域计算机出现故障或通讯中断，本地控制器则实施以时间为基础的协调运行，该模式称为降级协调模式。在该模式中，相邻的路口信号依时钟（时钟是由电源频率或晶振实现的）协调运行，控制方案按时段选择[42]。同时，本地车感控制功能参与运行。
　　③独立模式。系统也可以独立模式运行，此时可做车感控制或定时控制。
　　④黄闪模式。即所有信号灯均为黄闪，或不同方向采用黄闪或红闪控制。
　　只要通讯正常，降级协调模式、独立模式和黄闪模式均可由中心监视运行，操作员可在交通枢纽控制中心控制终端，将系统中的控制路口设置为四种模式中任意一种运行模式。
5、交通枢纽区域交通信号控制的控制战略
    中心自适应协调区域交通信号控制在两个层次上对系统进行控制，以适应交通枢纽区域交通流量的需求，特别是控制影响路口协调的三个重要参数，即周期、绿信比和相位差。
　　5.1战略控制
　　战略控制是决定信号网络协调控制的最高层次[4]，由中心自适应协调区域交通信号控制区域计算机控制。利用检测器线圈采集的交通流量及占有率信息，战略控制算法以交通枢纽区域为基础，计算周期、绿信比和相位差参数，以适应主流交通状况。这些参数控制相邻的信号灯路口组（每组通常为1－10个路口），每个信号灯路口组称为子系统。
　　①交通枢纽区域交通信号控制子系统。子系统是交通信号控制战略控制的基本单位，每个子系统包含交通枢纽区域一个或多个路口，有一个关键路口。关键路口通过检测计算出准确的可变的绿信比，以适应交通流的变化。同一交通枢纽区域子系统中的路口总是协调一致的，具有相同的周期及内部相关的绿信比和相位差。非关键路口的绿信比可以是不可变的，也可以选择不同的预定方案，以适应关键路口的绿信比变化。为了实现交通枢纽区域更多路口的协调，相邻子系统可以连接在一起，构成更大的协调系统，且共用一个周期时间。该连接决定各子系统之间的相位差，连接可以是永久的，也以可以是临时的。当交通枢纽区域子系统之间的流量足够大，需要协调运行时，子系统就可以自动地连接在一起，构成交通枢纽区域大范围系统协调；当一个或多个子系统以低周期个子运行才有效率时，其连接就会可以自动地断开。
　　②交通枢纽区域交通信号控制饱和度。交通枢纽区域中心自适应协调区域交通信号控制系统通过检测每个入口车道的饱和流量数据，实现战略方案的制定。系统使用的是类似饱和流量数据。设置在关键路口停车线处重要车道上的检测器，系统数据库中被定义为战略检测器，路口控制器在绿灯时间，采集车流通过时的交通流量和占有率数据，经处理后，与每个线圈自校准的饱和流量数据一起，供系统计算“饱和度（DS）”。该系统计算有效利用的绿灯 时间与可得到的绿灯时间的比率。有效利用绿灯时间是在饱和交通流状态下，刚好通过以最优车间距运行的同等车流量所用的绿灯时间。因此，DS允许出现大于100% 的情况，这使得系统可以处理过饱和状况。
　　③交通枢纽区域交通信号控制周期的有效性。周期时间根据饱和度最高的车道上饱和度的值上下浮动，基本原则是保持该饱和度在90%左右（可由用户确定）。最小周期时间（通常为30－40秒）和最大周期时间（通常为100－150秒）也可由用户确定。周期时间的最大变化值为21秒，但实际运行中明显小于该值，除非有明显的交通需求变化趋势。
　　④交通枢纽区域交通信号控制绿信比的作用。绿信比在不同的周期中以小步长变化，目的是使各有冲突车流车道的饱和度均衡，以减小总体延误时间。最小绿信比可以是用户指定的，但通常是控制器预存的最小绿信比。当前周期时间和相位的最小时间限定最大绿信比，该绿信比可以分配给某一相位。
　　⑤交通枢纽区域交通信号控制相位差。应合理确定控制区域规模,寻找最优相位差优化路径，减少路口多方向相位差变化之间的相互影响[3]。每个中心自适应协调区域交通信号控制区域子系统内部（即子系统内各路口之间）及子系统之间都定义了相位差，以处理不同流量下的协调运行。流量高的连接决定最佳相位差，其它低流量的连接不一定能得到好的协调效果。当一个周期时间能够适应主要连接的协调时，系统会趋于保持该周期，尽管较小的周期可能获得局部路口更好的通行能力。因为，大交通量连接上好的相位差，可以在整个天津站区域控制系统范围内减少停车次数、减少油耗及增加通行能力。
　　5.2战术控制
　　天津站区域中心自适应协调区域交通信号控制的“战术”控制是低一级的控制，由各路口控制器实行。战术控制是在不违反区域计算机制定的战略控制参数的条件下，满足各个路口交通需求的变化。当某相位的绿灯时间需求低于平均需求时，对该相位实行早断或在没有需求时完全跳过该相位，也可以引入条件相位。控制器依据检测器获得的交通数据决策，这些检测器可以是战略检测器。
　　战术控制负责控制器的运行，控制器实施战术控制所使用的技术与路口孤立运行时所使用的技术完全相同。战术控制能够调整信号运行的程度，完全由区域计算机控制。当然，战术控制与孤立控制也是不同的。战术控制不能使用车间距计时器和损失时间计时器来提前结束或跳过某个相位，这是因为在一个连接上的控制器均应运行同一个周期，以得到最佳协调效果。由相位早断或跳过所节省的时间，也必须追加到本地控制器的下一个相位或主相位上，以维持相同周期长度。
5.3战略控制与战术控制相结合
　　战略控制决定绿信比、周期和相位差，从而得到适应相对缓慢变化的天津站区域交通流趋势，战术控制处理各路口每个周期中快速但小幅度的变化，二者结合使得道路交通得到最有效的控制。
6、交通枢纽区域交通信号控制的特殊功能
    6.1操作员控制
    交通枢纽区域交通信号控制提供操作员手控功能，来代替正常自动控制，其功能主要包括：信号灯的“开”、“关”和“闪动”；人工选择主控模式、降级协调模式或孤立模式；人工选择或调整某一路口或整个系统的绿信比、周期及相位差；保持任何信号以任意时间长度停留在选定的绿灯相位等。
　　6.2时间表控制
　　交通枢纽区域交通信号控制允许按照时间表对系统进行控制，几乎所有能够手工操作的指令均可按照时间表在指定的时间运行。例如，天津站区域可以在假日、晚间购物或其它行人高峰时段引入行人相位。
　　6.3特殊例程
　　交通枢纽区域交通信号控制提供一套特殊例程，这套例程用以满足特殊需求，允许用户在特殊条件下执行操作，不包括在SCATS的一般操作中，该功能可以修改SCATS的正常算法，根据天津站区域每个路口的特点，定制特殊的控制操作，以满足控制的需要。
　　6.4自动降级运行
　　当交通枢纽区域计算机发生故障、主机与路口机通讯中断、所有战略检测器均损坏、或某些本地控制器故障时，受影响的路口将降级至用户指定的运行状态，即离线运行（基于时间的协调）或孤立运行。用户可以指定，当某一路口降级运行时，可以导致子系统内其它路口也降级运行，如需要也可使邻近的子系统内路口降级运行。这样，如果指定降级协调模式为后备方案，则当主控模式失败时，各路口间仍可维持协调运行。
7、结束语
　　城市交通信号控制系统是智能交通领域的一项重要研究内容，它可以与其它智能交通系统有机结合，实现城市交通的数字化、信息化、智能化管理，缓解城市道路交通的压力。本文提出基于负反馈原理和自适应控制算法的交通信号控制系统，可以有效应对交通流的实时变化，提高控制效率和精度，从整体上提高路网的服务水平。
参考文献：
[1]宋辉,郑国旋,严萍. 深圳市智能交通信号控制系统[J]. 中国公共安全：智能交通, 2007(8): 45-49.
[2]李群祖,夏清国,巴明春,等. 城市交通信号控制系统现状与发展[J]. 科学技术与工程,  2009, 9(24): 7436-7442.
[3]城市交通信号控制系统技术[J]. 交通标准化, 2009(10): 108.
[4]熊茂华,黄兴华. 自适应交通信号控制软件系统[J]. 计算机与现代化, 2006(12): 83-86. 本文链接：http://www.qk112.com/lwfw/jsjlw/jisuanjiyingyong/242764.html